Comunicación presentada al V Congreso Smart Grids
Autores
- Isabel Guerrero Martín, Dpto. Desarrollo de Negocio, Albufera Energy Storage
- Nicolás Velasco, Dpto. Desarrollo de Negocio, Albufera Energy Storage
- Ana López Cudero, Directora de Tecnología, Albufera Energy Storage
- Joaquín Chacón Guadalix, CEO, Albufera Energy Storage
Resumen
¿Tendremos algún día acceso al agua potable?, esta cuestión es un mantra en muchas zonas poco desarrolladas del mundo donde el 80% de la población se abastece diariamente de agua no potable. En este contexto presentamos un proyecto desarrollado específicamente para ser implementado en Cuba. Este proyecto pretende cubrir una de las principales necesidades del ser humano, la disposición de agua potable a demanda, aprovechando dos de los recursos que más abundan en este país (el agua de mar y el sol). Para ello, se impulsó el diseño de una planta desalinizadora autónoma con capacidad de producción de agua potable de 10 m³/h, con aprovechamiento de energía fotovoltaica para generar su propia electricidad y almacenarla en baterías, con el fin de garantizar al menos 6h de funcionamiento diurno en la producción de agua potable, alumbrado en la planta y alimentación del sistema remoto de control y registro de datos. Se propone un sistema híbrido apoyado en un generador diésel para momentos de baja radiación solar o falta de energía almacenada en las baterías.
Palabras clave
Desalinización, Fotovoltaica, Baterías, Almacenamiento, Híbrido, Agua, Energía
Introducción/antecedentes
Según Naciones Unidas, cerca de 700 millones de personas en el mundo no tienen acceso a agua potable. Y 1.800 millones de personas vivirán en condiciones de escasez grave de agua para 2025.
Con estos datos sobre la mesa, se ha tenido que buscar una solución alternativa para el suministro de agua potable a la población y este ha sido la “Desalinización”. Para ponernos en antecedentes lo describimos de manera general como una técnica que consiste en retirar la sal del agua marina o salobre, para convertirla en un recurso aprovechable tanto para el abastecimiento humano, como para riego o usos industriales, es pues una práctica que puede aumentar significativamente los recursos no convencionales de agua y, en consecuencia, paliar déficits de la demanda.
El sistema de eliminación de sales del mar o destilación se conoce desde la antigüedad, pero implicaba un consumo muy alto de energía lo cual lo hacía inviable a nivel económico. En fechas más recientes el desarrollo tecnológico permite la obtención de agua dulce (contenido en sales inferior a 500 ppm) a partir de agua de mar (contenido en sales del orden de 35.000 ppm) a un coste aún elevado, pero progresivamente decreciente, que puede ser asumido para ciertos usos.
Un factor de controversia para el uso de este proceso es la gran cantidad de energía que se requiere, pudiendo llegar a representar la mitad de los costes de transformación de agua salada en agua potable. Esto podría limitar su expansión en determinadas zonas de mundo que no tengan recursos energéticos suficientes. Las técnicas han ido evolucionando de manera que las nuevas plantas de desalinización usan sólo un cuarto de la electricidad para generar agua potable comparada con el consumo que se hacía en la década de 1980, gracias al uso de bombas más eficientes, mejoras en la eficiencia de separación de las membranas y el uso de dispositivos de recuperación de energía (almacenamiento energético).
Además, la desalinización tiene que afrontar un importante reto que es la reducción del impacto ambiental, por ello, en el modelo de desaladora propuesto se ha optado por ósmosis inversa.
Ósmosis Inversa
La ósmosis Inversa fue inventada en California en la década de los años cincuenta y consiste en usar una membrana semipermeable que permite pasar el agua pero no las sales disueltas. Este proceso se realiza sin aporte de energía exterior, mediante lo que se llama presión osmótica. Se ha demostrado que la osmosis inversa tiene capacidad de retener el 99,5% de las sales disueltas, lo que produce agua apta para consumo humano, procesos industriales y también para riego agrícola.
Las instalaciones actuales, presentan una serie de características que hacen que su impacto medioambiental sea muy bajo; son de escasa altura lo que permite que sean integradas perfectamente en el paisaje en que se inscriban, presentan una contaminación atmosférica prácticamente nula, la contaminación acústica puede ser reducida mediante aislantes a unos límites difícilmente apreciables y la emisión de de CO2 no existe ya que no utilizan calor para su funcionamiento.
En el caso particular de Cuba, se considera que la desalación va a ser un motor de desarrollo social importante y su utilización se fundamenta en los siguientes factores:
- La necesidad creciente de agua dulce.
- La protección de los acuíferos de agua dulce.
- La posibilidad de tratamiento integral y completo del agua ante nuevos y variados contaminantes.
- La diversificación de fuentes de agua.
- Su expansión en el uso industrial y de servicios.
Los factores mencionados han contribuido a ejecutar la renovación y puesta en marcha de nuevas desaladoras a lo largo de la isla. En la figura 3 se presenta la relación de nuevas instalaciones en fase de construcción, hasta un total de 11.
Descripción de la solución
Este proyecto tiene como objeto el estudio de la viabilidad de una solución de aporte energético de origen renovable en la desaladora ubicada en Santa Clara (Cuba), con un nivel de salinidad de hasta 10.000 ppm de sales. Esto permite que se pueda adaptar a los niveles de salinidad actuales sin alterar los estándares de eficiencia.
La planta ha sido diseñada para un trabajo continuo de 24 horas, aunque permite trabajo parcial según necesidades del usuario. El sistema de bombeo funciona de forma automática para evitar paradas en el funcionamiento de la misma.
De manera resumida, la planta desalinizadora tiene la función de potabilizar agua salobre proveniente de un pozo que será succionada e impulsada por medio de una bomba sumergible hacia un depósito de almacenamiento con capacidad mínima de 3 m³. Desde dicho depósito, se bombea el agua hacia el sistema de pre-tratamiento por medio de bombas, una en servicio y otra de reserva.
Posteriormente, se realiza la operación de filtrado donde todas las impurezas posibles quedan retenidas en un lecho filtrante para que el agua quede lo más fina posible antes de entrar en la instalación de ósmosis inversa.
Teniendo en cuenta todos los procesos a realizar en esta planta, se ha propuesto un sistema que consta de alimentación a través de fuentes renovables, (fotovoltaica) y que permite el auto abastecimiento, con recuperación de la energía.
Para la alimentación de la planta de agua salobre de 10 m³/h los sistemas trabajarán en corriente alterna, necesitando 480 Vac para la zona de producción y filtrado, para conversión de agua marina en agua dulce y para sistemas auxiliares y de iluminación que trabajan a 220 Vac bifásicos (Split phase) y 110 Vac monofásicos, todo en 60 Hz.
Controlando su eficiencia, se logra un índice de consumo energético de 0,751 kWh/m³ de agua producida y se propone la utilización de un sistema de alimentación híbrido fotovoltaico – con almacenamiento de energía mediante baterías y un generador diésel que sirva de respaldo para días de baja radiación solar, lluvia o para realizar labores de mantenimiento en el resto de los sistemas.
Elementos de la solución
Para el control de la planta se requiere de una sala aislada de intemperie donde se instalarán:
- Electrónica de potencia y acumulación
- Electrónica de control
- Comunicaciones y gestión
Cacterísticas del sistema de gestión de energía
La solución propuesta cubre distintos aspectos incorporando elementos novedosos que la diferencian de otras soluciones del mercado, y en concreto son los siguientes:
- Electrónica de potencia de alta eficiencia.
- Baterías de larga duración.
- Ubicación en dependencias anejas a la desaladora, pasando a ser un sistema independiente del propio funcionamiento de la misma.
- Paneles solares de fabricante de primer nivel y garantía.
Gracias a esta integración, el sistema permite una mayor optimización y disponibilidad de energía en la instalación desaladora durante su vida útil. Según la información facilitada, a continuación se muestra en la tabla I un resumen de las necesidades energéticas y de potencia durante las horas diarias y nocturnas:
Resultados esperados
Según los datos de radiación solar anuales para Cuba, el sistema solar deberá aportar un 80% de la energía de la instalación, quedando un 20% para ser suministrado por un grupo electrógeno auxiliar. La baja utilización de grupo electrógeno redundará en una mayor vida útil del mismo, reducción de costes anuales de mantenimiento y lógicamente un menor uso de combustible. De esta manera, la amortización de la inversión será más rápida, contando con un coste estimado de kWh generado de gasoil en 0,25 euros. El proceso podrá ser monitorizado a distancia para lograr una explotación eficiente y una rápida evaluación y resolución de problemas. El montaje de una aplicación que controle los principales parámetros de la planta a través de un SCADA, con disponibilidad de datos mediante gráficos y cuadros numéricos, alarmas por procesos, etc., es fundamental en zonas de Cuba donde la accesibilidad es muy reducida y con un alto grado de dificultad, para conseguir cortes de suministros durante un tiempo prolongado.
Conclusiones
En definitiva, la instalación de plantas desalinizadoras alimenadas por energía solar en un entorno como Cuba presenta, las siguientes ventajas:
- Evitar la proliferación de enfermedades y epidemias por el uso de agua contaminada
- Ahorro en recursos económicos y tiempo al reducir drásticamente el traslado de agua en camiones cisterna a distancias lejanas.
- Reducción de la dependencia energética de combustibles fósiles.
- Disminución de uso de productos químicos para potabilizar el agua obteniendo un impacto positivo en el medio ambiente.
- Incremento de riqueza en la zona de influencia de la desaladora mediante creación de empleo, aumento de la capacidad de ahorro de las familias evitando el coste de compra de agua embotellada y transmisión tecnológica de tecnologías avanzadas de almacenamiento energético.
- Desarrollo de fuentes de energía renovable.
Por todo ello, desde Albufera Energy Storage trabajamos en proyectos de construcción y desconexión de la red de plantas desalinizadoras en Cuba, desde nuestra experiencia en sistemas de almacenamiento energético y autoconsumo.
Referencias
- Acuamed (Conama – Comunicación técnica) Juan J. Martínez de la Vallina
- Albufera Energy Storage
- III Congreso de Electrónica y Automatización; Ponencia CubaIndustria junio 2018 – CEDAI
- Fundación Aquae. Cifras sobre la desalinización (1/10/2018)
- BBC News. ¿Puede la desalinización ser la solución para la crisis mundial del agua? (22/03/2017)