Energía osmóticamodelado, simulación y operación óptima

Abstract

RESUMEN EN CASTELLANO Objetivos: O1) Desarrollar modelos matemáticos para la simulación de procesos de Ósmosis Retardada por Presión (PRO), con énfasis en el gradiente de salinidad, a fin de reproducirlos con mayor precisión. O2) Utilizar los valores reales de las salinidades para determinar la potencia eléctrica alcanzable y evaluar la eficiencia real, teniendo en cuenta las demandas energéticas inherentes al proceso. O3) Proporcionar un análisis de sensibilidad de algunas variables del proceso PRO y predecir los consiguientes cambios en la potencia neta. O4) Estudiar la viabilidad de las desembocaduras estratificadas de ríos, centrándose en la ubicación de las tomas de agua. Evaluar las potencias mediante modelos hidrodinámicos, que describirán las variaciones a lo largo de la desembocadura del río, y buscar un conjunto óptimo de puntos de captación para maximizar la potencia neta. O5) Evaluar la recuperación de energía osmótica a partir de sales de salmueras de desalación, y estudiar posibles configuraciones del proceso, comparando su rendimiento. Metodología: M1) Revisión del estado del arte: Inicialmente se realizó una extensa búsqueda y análisis de investigaciones recientes sobre el tema. Se centró intensamente en publicaciones recientes en revistas científicas relevantes, aunque también se revisaron comunicaciones de congresos, tesis y otros trabajos relacionados con el tema en cuestión. Esta tarea también se realizó durante toda la investigación, actualizando y ampliando periódicamente la información al estado actual. M2) Fijar objetivos: De acuerdo con la revisión del estado del arte y la experiencia previa del grupo de investigación, se establecieron varios objetivos para las investigaciones. M3) Métodos de Investigación: Análisis de un caso de estudio experimental: Se eligió como caso de estudio la desembocadura del río Magdalena. Los datos experimentales fueron recolectados y disponibles a través de la colaboración con el grupo de investigación OA Silva en la Universidad del Norte (Colombia). Los resultados se presentan en [P1], [P2]. Adaptación de modelos matemáticos PRO: de acuerdo con las investigaciones revisadas, se eligió un modelo matemático y se adaptó a las especificidades de la investigación, como se presenta en [P1]. Propuesta de diseño y simulación de centrales PRO: Se utilizaron datos del río Magdalena y modelos matemáticos para dimensionar una hipotética central PRO y determinar su producción de energía. En esta tarea se utilizó el software informático Matlab® [P1]. También se estudiaron las posibilidades de integración de PRO en la desalinización de agua de mar [P3]. Análisis de sensibilidad: se estudió la influencia de la variación de varios parámetros del proceso, con el fin de extraer más información y sacar conclusiones sobre PRO, [P1], [P2]. M4) Difusión de resultados: los resultados de la investigación se presentaron en revistas científicas de alto impacto, congresos y mediante la cooperación con otros grupos de investigación. Compartir y discutir los resultados obtuvo valiosos aportes externos que ayudaron a enriquecer y mejorar la investigación. Conclusiones: C1) Se ha utilizado un modelo PRO modificado para predecir la potencia eléctrica que se puede obtener utilizando agua dulce y agua de mar. Se prestó especial atención a no sobrestimar el gradiente de salinidad, usando salinidades y caudales en puntos intermedios. Utilizando una membrana de última generación, los resultados muestran que las densidades de potencia pueden superar los 5 W/m2 [P1], que es la regla general para un proceso económicamente viable. C2) A partir de la potencia bruta potencial calculada mediante simulación, se ha estimado la potencia neta para una hipotética central PRO tras considerar varios factores que reducen la potencia bruta, como la energía gastada en el transporte de agua, los procesos de pretratamiento tanto de las fuentes de agua como de la ineficiencia de la turbina [P1]. C3) Mediante un estudio multidisciplinar se ha analizado el efecto de la localización de tomas de agua en desembocaduras de ríos estratificados. Para ello, se han utilizado modelos hidrodinámicos que describen los perfiles de salinidad y temperatura de la desembocadura del río en combinación con modelos de proceso PRO. Se ha demostrado que esto permite evaluar la influencia de la distancia. Este procedimiento ha ilustrado la necesidad de llegar a un compromiso entre la búsqueda del mayor gradiente de salinidad disponible y la minimización de las distancias de toma [P2]. C4) Como caso de estudio se ha diseñado y evaluado una posible central osmótica en el río Magdalena para tratar 30 m3/s de agua de río. Se recopilaron datos in situ de salinidad y temperatura del río y del mar Caribe adyacente. Estos datos experimentales se utilizaron para estimar la potencia neta, que resultó ser comparable a una pequeña central hidroeléctrica. Dado que la eficiencia general resultó baja con la tecnología actual, alrededor del 24 %, se han propuesto mejoras mediante análisis de sensibilidad. Se ha demostrado que se puede lograr una ganancia significativa en la producción neta de energía eléctrica desarrollando las tecnologías involucradas en el proceso [P1]. Además, se ha demostrado un aumento potencial del 14 % en la productividad de energía neta cuando se seleccionan las ubicaciones de toma óptimas en este caso de estudio [P2]. C5) Se han estudiado dos configuraciones diferentes de SWRO-PRO para recuperar energía utilizando salmueras de diferentes etapas del proceso de desalinización. Se ha demostrado que el uso de la salmuera de la segunda etapa de desalinización como alimentación, junto con la salmuera de la primera etapa como extracción, proporciona el mejor rendimiento general. Además, se ha evaluado el uso de agua de mar pretratada con la alimentación PRO, observándose una mejora en el rendimiento [P3]. Resultados: [P1] Salamanca, J.M.; Álvarez-Silva, O.; Tadeo, F. Potential and analysis of an osmotic power plant in the Magdalena River using experimental field-data. Energy 2019, 180, 548–555 https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.05.048 [P2] Salamanca, J.M.; Álvarez-Silva, O.; Higgins, A.; Tadeo, F. Analysis of the Intake Locations of Salinity Gradient Plants Using Hydrodynamic and Membrane Models. Water 2021, 13, 11-33. https://doi.org/10.3390/w13091133 [P3] Touati, K.; Salamanca, J.M.; Tadeo, F.; Elfil, H. Energy recovery from two-stage SWRO plant using PRO without external freshwater feed stream: Theoretical analysis. Renewable Energy 2017, 105, 84-95 https://doi.org/10.1016/j.renene.2016.12.030.