Modelado, experimentación y evaluación exergética y ambiental de instalaciones de acoplamiento directo Electrodiálisis-Fotovoltaica

AutoresCirez Oto, Fernando
Año publicación2016
CategoríasDESALINATION,ENERGÍAS RENOVABLES,EXERGY,LCA,THERMOECONOMICS,
CódigoCP-1056

 

Resumen
Las necesidades crecientes de agua dulce se ven incrementadas gradualmente conforme lo hace la población mundial. El aumento constante del número de regiones con estrés hídrico, estando una gran mayoría ubicadas en zonas con acceso a agua salada y salobre, unido a la disminución del acceso fácil a agua dulce proveniente de otras zonas, convierten en prioritaria la búsqueda de métodos alternativos de generación de agua dulce a partir del reservorio cuasi infinito de los océanos y acuíferos salobres. La electrodiálisis (ED) ha demostrado ser una tecnología técnicamente viable para la generación de agua dulce a partir de tanto agua salada, como de agua salobre.

Debido a su requerimiento energético, posee la capacidad de ser acoplada directamente a paneles fotovoltaicos (PV) que permiten el aprovechamiento de la energía solar, para de este modo generar un gradiente salino y activar el proceso de desalación. Esta tesis doctoral se ha iniciado con el análisis del estado del arte a nivel técnicoeconómico, así como ambiental, de las principales tecnologías de desalación acopladas con generación renovable. Gracias a esta evaluación, se han identificado las principales ventajas de cada una de las tecnologías e integraciones, así como sus puntos débiles, y se ha identificado la integración directa PV-ED como una alternativa que requería de un análisis profundo, siendo este el objeto principal de esta tesis. Así, en la integración directa electrodiálisis-fotovoltaica, inicialmente se ha modelado (en Matlab), a partir de la identificación de los fenómenos eléctricos y de transferencia de materia en las membranas de electrodiálisis, una planta de electrodiálisis directa, así como su integración con generadores fotovoltaicos.

Tras este modelado, se han desarrollado dos programas experimentales en dos plantas de electrodiálisis, una comercial de tamaño medio de tecnología reversible operando en continuo (EDR), y una piloto de muy pequeño tamaño trabajando por lotes (en batch, ED). Gracias a la experimentación, se han obtenido los consumos específicos, las configuraciones fotovoltaicas óptimas y las posibles mejoras a efectuar a las plantas. El conocimiento del efecto de la salinidad y de la radiación sobre la capacidad de desalación, y en el caso de la planta piloto pequeña, el efecto de las diferentes variables de control (voltaje, salinidad inicial y salinidad final) sobre la duración de los lotes y el consumo específico, también han sido estudiados. En cuanto a los consumos específicos, valores cercanos a 1.25 kWh/m3 para una alimentación en continuo de la planta EDR y en el rango de 0.2 y 6 kWh/m3 han sido obtenidos para la planta piloto ED, con alimentaciones de agua salobre entre 600 y 10,000 ppm. Como complemento al análisis energético, se ha llevado a cabo la evaluación del impacto ambiental de ambas plantas piloto mediante el Análisis de Ciclo de Vida. Esta metodología, a partir del uso de métodos de evaluación de impacto tales como el Ecoindicator 99 y el potencial de calentamiento global IPCC GWP 100a, han permitido identificar el impacto ambiental de la electrodiálisis acoplada a paneles fotovoltaicos como tecnología de desalación. Adicionalmente, el impacto de cada uno de los componentes de la planta (tanto el de la electrodiálisis, como el de los módulos acoplados directamente, así como el efecto de sustituir los paneles por alimentación proveniente de la red eléctrica, así como el uso de baterías) también ha sido evaluado. El estudio de impacto ambiental y de la ventaja de implementar seguidores solares en huertas fotovoltaicas para generación eléctrica igualmente ha sido evaluado para diferentes ubicaciones. Finalmente, la integración electrodiálisis-fotovoltaica ha sido evaluada desde el punto de vista exergético y del análisis termoeconómico. Inicialmente se ha evaluado la eficiencia exergética de la planta y de la integración con módulos fotovoltaicos en comparación con otras tecnologías de desalación. A continuación se han obtenido los costes exergéticos unitarios, a través del detalle de su formación, tanto por lote como su evolución temporal. Finalmente, se ha identificado el punto óptimo de detención de lote en función de los costes exergéticos, todo ello usando una metodología nunca aplicada en el sector de la electrodiálisis. Como conclusión final obtenida en esta tesis, se puede decir que a través del estudio sistemático y global que ha incluido el modelado, la experimentación, la optimización de su operación y el análisis medioambiental y termoeconómico, el acoplamiento FVED es una alternativa viable y mejor que la ósmosis inversa (RO) en ciertas condiciones favorables como recurso energético renovable sin necesidad de almacenamiento intermedio, y salinidades bajas.