PROCESO DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA HIDRÁULICA Y PRODUCCIÓN DE AGUA POTABLE MEDIANTE OSMOSIS DIRECTA.

Proceso de producción de energía hidráulica y producción de agua potable mediante ósmosis directa.

La presente invención se refiere a un proceso de producción de energía hidráulica mediante ósmosis directa a partir de dos disoluciones salinas de diferente concentración que se hacen pasar por uno o más módulos de membranas semipermeables de doble puerto de entrada y salida que originalmente están diseñadas para realizar el proceso de ósmosis inversa, sin necesidad de realizar ninguna modificación técnica sobre dichos módulos de membranas. De esta forma, se produce un potencial osmótico en las membranas que origina una corriente de disolución con una presión suficiente para producir energía hidráulica. Constituye otro objeto de la presente invención la instalación diseñada para producir energía hidráulica de acuerdo con el procedimiento citado y el uso de la misma, así como una planta desaladora y una planta de tratamiento terciario de aguas residuales que comprenden la instalación para producir energía hidráulica.

Proceso de producción de energía hidráulica y producción de agua potable mediante ósmosis directa.

Sector de la técnica La presente invención se engloba en el campo del tratamiento de agua, como la desalación o la depuración, y el aprovechamiento de dichos procesos para producir energía, concretamente energía hidroeléctrica a partir del proceso de ósmosis directa empleado en el tratamiento de aguas salinas y aguas residuales urbanas.

Estado de la técnica

Desde que comenzó el desarrollo de los sistemas de desalación de agua de mar y salobre, el consumo energético invertido en la producción de agua desalada (que hoy en día representa entre el 45% y el 55% del coste total de producción) constituye uno de los parámetros que más incidencia ha tenido en la aplicación de estas tecnologías. Actualmente, se espera que la reducción de consumo energético en desalación provenga de nuevos logros en el diseño y fabricación de membranas semipermeables con mayores constantes de permeabilidad (caudal de permeado por unidad de presión y área) , ya que en el resto de sistemas de las instalaciones de desalación se están alcanzando unos niveles de eficiencia cercanos a los límites técnicos.

Como alternativa, se conoce teóricamente desde hace tiempo el potencial energético que puede aportar la ósmosis directa para la generación de energía eléctrica, pero para materializar técnicamente estas ideas hay dos condicionantes clave, a saber: las fuentes que proporcionan el agua salina concentrada y el agua salina diluida, y la configuración física de las membranas semipermeables utilizadas en dicho proceso.

El primer objetivo de la presente invención consiste en incrementar la eficiencia energética del proceso de tratamiento de agua, a través de la ósmosis directa.

Por otra parte, la producción de agua potable por medio de la desalación se ha considerado hasta ahora como un procedimiento independiente del tratamiento posterior de depuración de esta agua potable una vez ha sido utilizada, sin aprovechar la sinergia de estos dos procesos fundamentales del ciclo del agua. En este sentido, a pesar de que se conoce ya la utilización de aguas regeneradas mediante diferentes tratamientos (decantación, filtración mediante arena...) para consumo humano directo e indirecto, siendo algunos de los ejemplos más relevantes y referenciados en la literatura técnica, la utilización directa de agua para consumo humano en Goreangab (Namibia) ; la recarga del lago Tegel (Berlín) mediante aguas del tratamiento terciario de una depuradora, y abastecimiento a la ciudad mediante pozosperimetrales en el contorno del lago; recarga de acuíferos de abastecimiento de agua potable en Los Ángeles (“Whittier Narrows Groundwater”) , El Paso (Texas; “Fred Hervey Water Reclamation Plant”) , California (“Water Factor y 21, Orange County District”) y Sulaibiya (Kuwait; también para regadío y usos industriales) ; y recarga del embalse “Occoquan Reservoir” de abastecimiento de agua potable en Fairfax County (Virginia) , sin embargo no se ha reportado hasta el momento la utilización para consumo humano de aguas regeneradas a través del proceso de ósmosis directa.

En definitiva, en su realización preferida la presente invención pretende no sólo aprovechar energéticamente el proceso de ósmosis directa, sino también adicionalmente conseguir un incremento de la producción de agua potable mediante la integración de los procesos de desalación y depuración (reutilización) a través de dicha ósmosis, con la misma infraestructura de pretratamiento, así como una reducción importante de los costes de producción (consumo energético, consumo de reactivos, reposición de cartuchos filtrantes y coste de mantenimiento de equipos) e inversión del sistema conjunto. Además, gracias al proceso aquí descrito se consigue reducir la cantidad de vertidos de agua contaminante que resultan de la desalación, así como su afección potencial al ecosistema marino, con los beneficios medioambientales que esto conlleva.

Para conocer el potencial energético de un proceso de ósmosis directa debe analizarse primero la energía potencial osmótica de una disolución salina concreta, definida por la Ley de Van’t Hoff (1886) relativa al transporte a través de membranas semipermeables:

π = k ∗ c ∗ R ∗ T, (1)

donde π es la presión osmótica de la disolución en cuestión, c la concentración de la disolución, k la constante dependiente del tipo de soluto, R la constante de la ley de los gases perfectos, yTla temperatura de la disolución.

Teniendo en cuenta esta ecuación (1) , se puede conocer la ley de paso de caudal a través de una membrana semipermeable cuando se confrontan dos disoluciones de diferente concentración salina:

QH2O = Kp ∗ A ∗ (π − ΔP) , (2)

donde Kp es la permeabilidad de la membrana (depende del tipo de membrana) , A el área de la membrana expuesta al flujo, π la presión osmótica dada por la Ley de Van’t Hoff, y ΔP la presión diferencial externa aplicada a la membrana.

Sería este caudal de paso a través de la membrana el fenómeno que permitirla la obtención de energía en el proceso, y que depende como se ha afirmado anteriormente tanto de las disoluciones salinas que participan en el proceso como de la configuración de las membranas de ósmosis.

El mayor inconveniente para alcanzar la transformación energética a partir del proceso de ósmosis natural o directa es que actualmente no hay membranas desarrolladas para llevar a cabo este proceso, y los módulos de membranas para ósmosis inversa ampliamente utilizados, que son de arrollamiento en espiral, no pueden emplearse para ósmosis directa por su configuración física y geométrica, ya que no cumplen con los dos requisitos esenciales para la realización del proceso:

• el módulo debe disponer de dos bocas de entrada independientes, una para la disolución concentrada y otra para la disolución diluida y también dos bocas de salida independientes, una para la disolución concentrada y otra para la disolución diluida,

• no debe haber contacto directo entre la disolución concentrada y la diluida, y estas disoluciones deben estar separadas en todo momento desde la entrada hasta la salida del módulo por medio de las membranas de ósmosis, excepto como es lógico en los dispositivos de distribución de flujo de la boca de entrada y los de recogida de flujo de la boca de salida del módulo.

Concretamente, existen varios factores que imposibilitan su utilización para los fines de ósmosis directa:

-el canal de recogida de permeado es único, y por configuración geométrica hidráulica sólo una pequeña parte del flujo de agua (diluida -agua salobre-o concentrada -salmuera-) que se bombee por este canal estará en contacto con las membranas de ósmosis; el resto del caudal pasará de un lado del canal de permeado al otro sin realizar la función de contacto entre las dos disoluciones, con lo que el rendimiento del sistema sería ínfimo e impracticable. El canal de permeado hace de “by-pass” hidráulico;

-no es posible evacuar el agua salobre concentrada de las membranas (por la propia configuración geométrica e hidráulica de las membranas) , con lo que el proceso no es sostenible. Es decir, se irían acumulando sales en un lado de la membrana en muy poco tiempo (no hay salida posible para la evacuación de la disolución salobre concentrada) hasta su precipitación y bloqueo completo de la misma.

Para solventar estas deficiencias técnicas y alcanzar los objetivos energéticos, económicos y medioambientales propuestos, se ha desarrollado un procedimiento (y una instalación acondicionada para su consecución) basado en el fenómeno de la ósmosis directa a través de membranas semipermeables, preferentemente de fibra hueca, que tienen la peculiaridad de estar diseñadas y ser comúnmente utilizadas para realizar la ósmosis inversa, y que se integran en un módulo con doble puerto de entrada y de salida de las disoluciones. Si además se lleva a cabo el proceso de ósmosis directa en cuestión utilizando como fuentes de origen una disolución salina concentrada procedente de un bastidor de ósmosis inversa de una desaladora convencional, por ejemplo de agua de mar, y una disolución salina diluida procedente del tratamiento terciario de una depuradora convencional, se obtiene no sólo una producción de energía hidráulica, sino además un potencial vertido de menor salinidad que el agua de mar, pudiendo el primero verterse directamente al segundo en condiciones claramente favorables desde el punto de vista económico...

1. Proceso de producción de energía hidráulica mediante ósmosis directa a partir de dos disoluciones salinas de diferente concentración, una primera concentrada y una segunda diluida, caracterizado porque la disolución salina concentrada es salmuera con un grado de salinidad comprendido entre 5 y 100 g/l, y la disolución salina diluida es agua salobre con un grado de salinidad comprendido entre 0 y 50 g/l y siempre inferior al grado de salinidad de la salmuera;

la ósmosis directa se lleva a cabo en al menos un módulo (1) de membranas semipermeables (2) de ósmosis inversa, que comprende una carcasa (3) ; dos tomas de alimentación independientes (4, 5) de las disoluciones al interior del módulo, una primera toma (4) de alimentación de la salmuera y una segunda toma (5) de alimentación del agua salobre; dos tomas de salida independientes (6, 7) para dos caudales generados en el interior del módulo mediante la ósmosis directa, una primera (6) para un caudal de salmuera diluida y una segunda (7) para un caudal de agua salobre concentrada; y membranas semipermeables (2) que separan las dos disoluciones desde su entrada en el módulo (1) hasta la salida del mismo;

comprendiendo el proceso las siguientes etapas:

a) bombear un caudal de la salmuera hasta la primera toma de alimentación (4) del módulo (1) con una presión P1 inferior a la diferencia de presión osmótica entre la presión osmótica de la salmuera y la presión osmótica del agua salobre;

b) bombear al mismo tiempo un caudal del agua salobre hasta la segunda toma de alimentación (5) del módulo (1) a una presión de bombeo P2 suficiente para vencer las pérdidas de carga a través del módulo de membranas más una presión necesaria para la disposición final del caudal de agua salobre concentrada;

c) alimentar el caudal de salmuera al interior del módulo (1) con la presión P1 y el caudal de agua salobre con la presión P2, generando mediante el fenómeno de ósmosis directa una corriente de agua de paso desde el caudal de agua salobre al caudal de salmuera a través de las membranas semipermeables (2) que separan ambos caudales, y dando lugar a un caudal de salida de salmuera diluida y a un caudal de salida de agua salobre concentrada independientes,

d) retirar el caudal de salmuera diluida al exterior del módulo (1) por la primera toma de salida (6) y hacer pasar dicho caudal por un dispositivo (10) que comprende al menos una turbina hidráulica (11) para producir energía mecánica, y

e) retirar el caudal de agua salobre concentrada por la segunda toma de salida (7) del módulo (1) .

2. Proceso según la reivindicación 1, caracterizado porque la salmuera procede de una planta de desalación.

3. Proceso según la reivindicación 2, caracterizado porque la salmuera procede de una planta de desalación de ósmosis inversa.

4. Proceso según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el agua salobre es un efluente de una planta de tratamiento terciario de aguas residuales.

5. Proceso según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el al menos un módulo (1) de membranas (2) presenta una constante de permeabilidad igual o superior a 0, 05 m3/h/bar, y un porcentaje de rechazo de sales superior al 99%.

6. Proceso según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la presión P1 está comprendida entre 10 bares y 50 bares, incluidos ambos límites, y la presión P2 está comprendida entre 0, 5 bares y 5 bares, incluidos ambos límites.

7. Proceso según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la presión P1 es de 25 bares y la presión P2 es de 1 bar.

8. Proceso según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la turbina hidráulica (11) acciona un generador eléctrico (29) acoplado a la misma para producir energía eléctrica.

9. Proceso según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el caudal de agua salobre concentrada retirado del al menos un módulo (1) se mezcla con el caudal de salmuera diluida que ha pasado previamente por el dispositivo (10) que comprende al menos una turbina hidráulica (11) , y se vierte a un punto de descarga (20) .

10. Proceso según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque el caudal de salmuera diluida se bombea, tras pasar por el dispositivo (10) con al menos una turbina hidráulica (11) , y se emplea como caudal de alimentación de agua bruta de una planta de desalación de agua por ósmosis inversa para producir agua suplementaria de calidad potable.

11. Proceso según la reivindicación 10, caracterizado porque el caudal de agua salobre concentrada retirado al exterior del al menos un módulo (1) de membranas (2) se mezcla y se vierte a un punto de descarga (28) con un segundo caudal de salmuera, generado en la planta de desalación por ósmosis inversa a la que se ha bombeado el primer caudal de salmuera diluida.

12. Instalación de producción de energía hidráulica mediante ósmosis directa para llevar a cabo el proceso descrito en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

13. Instalación de producción de energía hidráulica mediante ósmosis directa a partir de dos disoluciones salinas de diferente concentración, una primera concentrada que es salmuera con un grado de salinidad comprendido entre 5 y 100 g/l, y una segunda diluida que es agua salobre con un grado de salinidad comprendido entre 0 y 50 g/l y siempre inferior al grado de salinidad de la salmuera, caracterizada porque comprende:

• al menos un módulo (1) de membranas semipermeables (2) de ósmosis inversa que comprende una carcasa (3) ; dos tomas de alimentación (4, 5) independientes de las disoluciones al interior del módulo (1) , una primera de alimentación (4) de la salmuera y una segunda (5) de alimentación del agua salobre; dos tomas de salida independientes (6, 7) para dos caudales generados en el interior del módulo mediante la ósmosis directa, una primera (6) para un caudal de salmuera diluida y una segunda (7) para un caudal de agua salobre concentrada; y membranas semipermeables (2) que separan las dos disoluciones desde su entrada en el módulo (1) hasta su salida del mismo;

• una primera bomba hidráulica (8) que alimenta un caudal de la salmuera a una presión P1 al interior del al menos un módulo (1) a través de la primera toma de alimentación (4) del mismo, siendo P1 inferior a la diferencia de presión osmótica entre la presión osmótica de la salmuera y la presión osmótica del agua salobre;

• una segunda bomba hidráulica (9) que alimenta un caudal del agua salobre a una presión P2 al interior del al menos un módulo (1) a través de la segunda toma de alimentación (5) del mismo, siendo la presión P2 suficiente para vencer las pérdidas de carga a través del módulo (1) de membranas más una presión necesaria para la disposición final del caudal de agua salobre concentrada; y

• un dispositivo (10) conectado a la toma de salida (6) del caudal de salmuera diluida del módulo (1) , que comprende al menos una turbina hidráulica (11) que produce energía mediante el paso de dicho caudal.

14. Instalación según la reivindicación 13, caracterizada porque comprende al menos 750 módulos (1) de membranas semipermeables (2) .

15. Instalación según una cualquiera de las reivindicaciones 13 ó 14, caracterizada porque la presión P1 de bombeo de la salmuera está comprendida entre 10 bares y 50 bares, incluidos ambos límites, y la presión P2 está comprendida entre 0, 5 bares y 5 bares, incluidos ambos límites.

16. Instalación según una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 15, caracterizada porque la presión P1 es de 25 bares, y la presión P2 de bombeo del agua salobre es de 1 bar.

17. Instalación según una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 16, caracterizada porque el dispositivo (10) que comprende al menos una turbina hidráulica (11) comprende además un generador eléctrico (29) acoplado a dicha turbina (11) .

18. Instalación según una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 17, caracterizada porque la primera bomba hidráulica (8) está conectada también a una planta de desalación de agua, de la que procede la salmuera.

19. Instalación según una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 18, caracterizada porque la segunda bomba hidráulica (9) está conectada también a una planta de tratamiento terciario de aguas residuales, de la que procede el agua salobre.

20. Instalación según una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 19, caracterizada porque comprende además un colector de vertidos común (20) para los dos caudales generados mediante ósmosis directa, estando dicho colector

(20) conectado tanto a la salida (7) de la corriente de agua salobre concentrada como a una toma de salida (12) del dispositivo (10) que comprende al menos una turbina hidráulica (11) .

21. Instalación según una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 19, caracterizada porque comprende además una tercera bomba hidráulica (21) que impulsa el caudal de salmuera diluida tras su paso por el dispositivo (10) que comprende al menos una turbina (11) , hasta una toma de entrada de una planta de desalación de agua por ósmosis inversa, para producir agua suplementaria de calidad potable.

22. Instalación según la reivindicación 21, caracterizada porque comprende además un colector de vertidos común (28) para el caudal de agua salobre concentrada y un segundo caudal de salmuera, generado éste en la planta de desalación de agua por ósmosis inversa, estando dicho colector (28) conectado tanto a la toma de salida (7) del agua salobre concentrada del al menos un módulo (1) de ósmosis directa como a una toma de salida de la planta de desalación por ósmosis inversa a la que se ha bombeado previamente el primer caudal de salmuera diluida.

23. Uso de la instalación descrita en una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 22 para producir energía hidráulica.

24. Planta de desalación de agua caracterizada porque comprende la instalación de producción de energía hidráulica descrita en una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 22.

25. Planta de tratamiento terciario de aguas residuales caracterizada porque comprende la instalación de producción de energía hidráulica descrita en una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 22.