USO DE UNA MENBRANA SEMIPERMEABLE EN OSMOSIS RETARDADA POR PRESIÓN PARA PROPORCIONAR ENERGÍA ELÉCTRICA, Y PLANTA.

Uso de una membrana semipermeable en ósmosis retardada por presión para crear energía eléctrica en una planta de energía mediante el uso de una presión hidráulica osmótica elevada creada por dicha ósmosis retardada por presión para impulsar al menos una turbina;

consistiendo dicha membrana en una capa fina de un material no poroso que actúa como película de difusión y al menos una capa de material poroso, caracterizado porque la capa porosa tiene una estructura en la que porosidad φ, grosor x (m) y tortuosidad γ están en relación entre sí como se da por x S Ecuación ( 1) en la que S es un parámetro estructural que tiene un valor de 0,0015 m o menor, la porosidad γ es mayor de un 50% y la tortuosidad φ es menor de 2,5, y en la que la membrana tiene una permeabilidad al agua de más de 1·10 -11 m/s Pa y una permeabilidad a la sal menor de 3·10 -8 m/s

La presente invención se refiere al uso de una membrana semipermeable en ósmosis con propiedades adaptadas al objeto y/o a módulos de membrana con una pérdida de energía reducida, como se declara en el preámbulo de la reivindicación 1. Más detalladamente, la invención se refiere al uso de una membrana semipermeable constituida por una capa fina de material no poroso (la película de difusión) y una o más capas de material poroso (la 5 capa porosa). Se describe también una planta, como se declara en el preámbulo de la reivindicación 12, para proporcionar potencia eléctrica mediante el uso de presión hidráulica osmótica elevada.

El documento US 4.283.913 comprende un depósito de agua no convectiva saturada que captura energía solar y que se usa como unidad de separación en combinación con electrodiálisis inversa u ósmosis retardada por presión para la producción de energía. A partir del depósito de agua, de la que puede separarse parcialmente una solución, se 10 pasa una corriente más concentrada y una corriente menos concentrada a dos cámaras separadas por una membrana semipermeable. Parte de la energía que se crea mediante la permeación de la corriente con menor concentración a través de la membrana y el posterior mezclado de las dos corrientes mencionadas se transforma en energía antes de devolver las corrientes al depósito de agua.

A partir del documento US 4.193.267, es conocido un procedimiento y un aparato para la producción de 15 energía mediante ósmosis retardada por presión, en el que se pasa una solución concentrada a alta presión hidráulica por una membrana semipermeable, y en que se pasa una solución diluida por el lado opuesto de dicha membrana. Una parte de la solución diluida se transporta a través de la membrana y crea una solución mezclada a presión. La energía potencial almacenada en esta mezcla a presión se convierte en energía aplicable mediante la liberación de la presión y presurizando la solución diluida. 20

En el documento US 3.978.344, se describe un procedimiento para producir energía mediante ósmosis retardada por presión mediante el uso de una turbina y una membrana semipermeable. Además, es conocida por el documento US 3.906.250 la producción de energía mediante ósmosis retardada por presión mediante la presurización hidráulica de un primer líquido que se introduce por un lado de la membrana, mientras que se introduce después otro líquido con menos presión hidráulica y menor presión osmótica por el otro lado de una membrana. La ósmosis retardada 25 por presión conducirá al transporte de parte del otro líquido a través de la membrana semipermeable y así se forma una solución mezclada a presión con un mayor volumen que el primer líquido solo. La energía almacenada se transforma entonces en una turbina en energía utilizable tal como energía eléctrica o mecánica.

El documento US 3.906.250 da a conocer un procedimiento y un aparato para generar energía utilizando ósmosis retardada por presión. Se introduce un primer líquido que tiene una presión osmótica relativamente alta a una 30 presión hidráulica relativamente alta en una primera conducción en que se pone en contacto con una cara de una membrana semipermeable, y se introduce un segundo líquido que tiene una presión osmótica inferior a una presión hidráulica inferior en una segunda conducción en que se pone en contacto con la cara opuesta de la membrana. En cada punto de las dos conducciones, la diferencia de presión hidráulica entre los líquidos de las caras opuestas de la membrana se mantiene a un valor que es menor que la diferencia de presión osmótica entre los líquidos. Parte del 35 segundo líquido pasa mediante ósmosis retardada por presión a través de la membrana semipermeable, formando una solución mezclada a presión de mayor volumen que el del primer líquido introducido en la primera conducción. La energía potencial almacenada en la solución mezclada a presión se convierte entonces en energía útil, tal como energía eléctrica o mecánica. Esta técnica anterior da a conocer también que, después de que la energía potencial almacenada en la solución mezclada a presión se convierta en energía útil, se recuperan el primer y segundo líquidos separando de 40 la solución mezclada una cantidad del segundo líquido igual a la cantidad que pasaba a través de la membrana, se recuperan las temperaturas originales de los primero y segundo líquidos así recuperados, se reaplica la diferencia de presión hidráulica original entre los primero y segundo líquidos recuperados y se reciclan entonces los primero y segundo líquidos recuperados por la primera y segunda conducciones.

El documento EP-0.882.493-A2 da a conocer un procedimiento para transferencia de masa entre el flujo de un 45 primer fluido en fase gaseosa tal como gas de combustión y el flujo de un segundo fluido en fase líquida, en que se pone en contacto el primer fluido con la superficie exterior de membranas porosas (semipermeables), por ejemplo membranas de politetrafluoroetileno (PTFE, teflón), en forma de fibras huecas que tienen poros que contienen gas, y poniendo en contacto el segundo fluido con la superficie interna de las membranas. Las membranas útiles para dicha operación de difusión de gas tienen una porosidad (e) de al menos 0,50, un coeficiente de transferencia de masa de al 50 menos 1 cm/s y un factor de tortuosidad de, por ejemplo, como máximo 1,4/e cuando la porosidad e es menor de 0,80, y como máximo 1,3/e cuando la porosidad e es de 0,80 o mayor. Esto proporcionará un valor paramétrico estructural bajo (en metros) para dicha membrana. Sin embargo, dicha membrana de difusión de gas de la técnica anterior no puede usarse para ósmosis ni tampoco para ósmosis retardada por presión. En consecuencia, no hay relación entre una membrana de difusión de gas y una para uso en ósmosis, porque el modo de operación es totalmente diferente y por lo 55 tanto también la estructura. Los poros de la membrana porosa de la técnica anterior, debido a la naturaleza del mecanismo mediante el que funciona la membrana de fibra hueca, generalmente contienen gas. Demás, la membrana de la técnica anterior como se da a conocer no tiene una capa fina de material no poroso formando una película, solo el material poroso.

El artículo de Lee et al. “Membranes for Power Generation by Pressure Retarded Osmosis”, Journal of 60

Membrane Science, 8 (1981), 141-171, describe la teoría de las membranas ideales y reales, en la que el tratamiento matemático de las últimas necesita considerar en particular el efecto de la polarización de concentración, concretamente el fenómeno de que las concentraciones de sal en la interfase de membrana-solución son diferentes de las concentraciones en solución brutas, causadas por el flujo de sal y agua en direcciones opuestas. Basándose en estas consideraciones, Lee et al. derivan la ecuación (2) para el parámetro de permeabilidad salina B, como se define 5 detalladamente a continuación.

Durante siglos, se ha sabido que cuando se reparten agua salada y agua dulce en dos cámaras diferentes de una membrana semipermeable hecha por ejemplo de una membrana biológica, por ejemplo de vejiga de cerdo, el agua dulce se impulsará a través de la membrana. La fuerza impulsora es capaz de elevar el nivel de agua salada por encima del nivel del agua dulce, con lo que se obtiene una energía potencial en forma de una altura de agua estática. El 10 fenómeno se denomina ósmosis y pertenece a las denominadas propiedades coligativas de una solución de una sustancia en otra sustancia. Este fenómeno puede describirse termodinámicamente y la cantidad de energía potencial es por lo tanto conocida. En un sistema de agua dulce y agua de mar normal, el potencial teórico expresado como presión es de aproximadamente 2,6 x 106 Pa. La energía potencial puede utilizarse en principio mediante varios procedimientos técnicos en los que la energía puede recuperarse como, concretamente, compresión y estiramiento con 15 vapor de polímeros. Dos de los procedimientos técnicos son usar membranas semipermeables y estas son de electrodiálisis inversa (potencial de energía como voltaje de CC eléctrica) y ósmosis retardada por presión, PRO (energía potencial como presión de agua).

Se han hecho cálculos para encontrar los costes de la producción de energía en plantas de PRO. La incertidumbre de dichos cálculos se ilustra por el hecho de que los valores reseñados de los costes energéticos fluctúan 20 en más de una magnitud. Wimmerstedt (1977) indicó algo más de 1 NOK/kWh, mientras que Lee et al. (1981) indicaron costes...

1. Uso de una membrana semipermeable en ósmosis retardada por presión para crear energía eléctrica en una planta de energía mediante el uso de una presión hidráulica osmótica elevada creada por dicha ósmosis retardada por presión para impulsar al menos una turbina; consistiendo dicha membrana en una capa fina de un material no poroso que actúa como película de difusión y al menos una capa de material poroso, caracterizado porque 5

la capa porosa tiene una estructura en la que porosidad φ, grosor x (m) y tortuosidad τ están en relación entre sí como se da por

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en la que S es un parámetro estructural que tiene un valor de 0,0015 m o menor, la porosidad φ es mayor de un 50% y la tortuosidad τ es menor de 2,5, y en la que la membrana tiene una permeabilidad al agua de más de 1·10-11 m/s Pa y 10 una permeabilidad a la sal menor de 3·10-8 m/s.

2. Uso según la reivindicación 1, caracterizado porque dicha membrana tiene un grosor menor de 150 µm.

3. Uso según la reivindicación 2, en el que dicha membrana tiene un grosor menor de 100 µm.

4. Uso según una cualquiera de las reivindicaciones 1-3, caracterizado porque dicha membrana comprende varias membranas y entre las membranas están comprendidos interruptores de flujo constituidos por hebras de polímero 15 que forman una red con patrón cuadrado o rómbico.

5. Uso según una cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizado porque varias de dichas membranas se empaquetan conjuntamente en capas formando módulos en que la distancia entre membranas adyacentes es de 0,4 a 0,8 mm.

6. Uso según una cualquiera de las reivindicaciones 1-5, caracterizado porque dicha membrana está en forma 20 de fibras huecas con un diámetro externo de 0,05 a 0,5 mm.

7. Uso según una cualquiera de las reivindicaciones 1-6, que comprende poner en contacto una primera corriente de alimentación que contiene agua con un material no poroso o la película de difusión de dicha membrana, en que al mismo tiempo se pone en contacto una segunda corriente de alimentación de agua que contiene menos sal con la capa porosa de dicha membrana; con lo que el agua de la corriente que contiene menos sal se impulsa naturalmente a través 25 de dicha membrana mediante ósmosis y crea una presión hidráulica osmótica elevada en el lado de permeado, de tal modo que al menos una parte de la presión osmótica elevada en la membrana se transfiere directamente de forma hidráulica a la corriente de alimentación que contiene sal de entrada.

8. Uso según la reivindicación 7, caracterizado porque la cantidad de corriente de alimentación que contiene sal es 1-3 veces mayor que la cantidad de corriente de alimentación que contiene menos sal. 30

9. Uso según la reivindicación 7 o la reivindicación 8, caracterizado porque se usa más de una de dichas membranas y el canal de la corriente que contiene sal entre dichas membranas comprende interruptores de flujo constituidos por hebras de polímero que forman una red con patrón cuadrado o rómbico que ocupa un 10-50% del canal.

10. Uso según cualquiera de las reivindicaciones 7-9, caracterizado porque la relación entre la longitud del 35 recorrido de flujo de la corriente que contiene sal y la corriente que contiene menos sal es de 0,3 a 1,0.

11. Uso según una cualquiera de las reivindicaciones 7-10, caracterizado porque la presión de la corriente de alimentación que contiene sal que fluye a dicha membrana o módulo de membrana está en el intervalo de 600-1600 kPa.

12. Planta para proporcionar energía eléctrica mediante el uso de una presión hidráulica osmótica elevada creada 40 mediante ósmosis retardada por presión, caracterizada porque la planta comprende al menos una membrana semipermeable consistiendo en una capa fina de un material no poroso que actúa como película de difusión y al menos una capa de material poroso, caracterizada porque la capa porosa tiene una estructura en que porosidad φ, grosor x (m) y tortuosidad τ están en relación entre sí como se da por

45 )1(EcuaciónSx

en la que S es un parámetro estructural que tiene un valor de 0,0015 m o menor, la porosidad φ es mayor de un 50% y la tortuosidad τ es menor de 2,5, y en la que la membrana tiene una permeabilidad al agua de más de 1·10-11 m/sPa y una permeabilidad a la sal menor de 3·108m/s; y al menos una turbina.

13. Planta según la reivindicación 12, en la que la turbina está localizada aguas abajo de una salida de dicha membrana, y que comprende adicionalmente un sistema de intercambio de presión para la transferencia hidráulica 50

directa de presión osmótica a presión elevada separada de una salida de dicha membrana hasta una entrada de la misma.

14. Planta según la reivindicación 13, caracterizada porque se localiza al menos una turbina que proporciona energía aguas abajo de dicha salida, así como aguas abajo de una localización en que dicha transferencia de presión se ramifica de la salida. 5

15. Planta según la reivindicación 12, caracterizada porque la planta está localizada 80-200 m por debajo del nivel del suelo; porque se pasa agua dulce a través de tuberías aguas abajo a dicha al menos una turbina que está localizada aguas arriba de la entrada de agua dulce de dicha membrana; porque se pasa adicionalmente agua dulce de la turbina al lado a baja presión de dicha membrana; porque se pasa agua de mar al lado de alta presión de dicha membrana, habiéndose presurizado dicha agua de mar mediante energía hidrostática; porque el agua de mar se 10 permite circular a través de dicho lado a alta presión de dicha membrana; porque el agua dulce se transporta a través de dicha membrana por energía osmótica y porque el agua que deja la planta es agua dulce mezclada con agua de mar.