Evaluación tecno-económica y ambiental de un sistema de desalinización autónomo alimentado con fuentes de energía renovables híbridas y diseño de una planta de ósmosis inversa con una capacidad de 2.000 m³/día

Abstract

[ES] La escasez de agua dulce es uno de los problemas más importantes a los que se enfrenta el mundo en la actualidad. El rápido crecimiento de la demanda de energía y agua está teniendo un fuerte impacto en el cambio climático y, por tanto, en el agotamiento de las reservas de agua dulce. La desalinización del agua de mar es una solución viable para producir agua dulce, especialmente en las zonas costeras. Sin embargo, su sostenibilidad se ve limitada por el elevado consumo energético de las tecnologías actuales. Las energías renovables son una solución atractiva para alimentar las plantas desalinizadoras y reducir los costes y las emisiones de carbono. El objetivo de este trabajo es diseñar una planta desalinizadora de agua de mar por ósmosis inversa con una capacidad de 2.000 m³/día y luego un sistema híbrido de energía renovable para satisfacer la demanda de carga eléctrica de la planta desalinizadora autónoma que estará en la isla de El Hierro, España. De este modo, se trata de encontrar el dimensionamiento óptimo a través de una evaluación tecno-económica y ambiental de diferentes configuraciones de energía híbrida fuera de la red mediante el software HOMER Pro¿. Se propusieron dos escenarios sin red (con y sin generador diésel) con diferentes configuraciones de sistemas energéticos y se compararon entre sí. En ambos escenarios, los sistemas de energía son una combinación de una fotovoltaica, una turbina eólica y baterías. Por otro lado, es necesario diseñar la planta de ósmosis inversa de agua de mar que consta del pretratamiento donde se realiza la etapa de ultrafiltración con el software WAVE¿, el proceso de ósmosis inversa y el postratamiento mediante el software IMSDesign¿. Además, gracias a la incorporación de un dispositivo de recuperación de energía, el consumo energético específico de la planta se reduce a un valor de 2,18 kWh/m³. Además, los resultados de la optimización de los sistemas híbridos de energía renovable muestran que la mejor configuración que minimiza el coste actual neto estaba formada por el generador diésel de 550 kW, el sistema fotovoltaico de 274 kW, 28 turbinas eólicas, 518 baterías de 1,02 kWh y el convertidor CC/CA de 341 kW, en función de los recursos energéticos del emplazamiento y del perfil de la demanda de electricidad. Además, se ha considerado la posibilidad de implantar un depósito de agua en sustitución de las baterías. Esto dio lugar a una reducción del 10% del CNP. Por último, todo el sistema mostró unos valores de coste de producción de agua reducidos en comparación con otras tecnologías similares.

[EN] Freshwater scarcity is one of the most important problems facing the world today. The rapid growth in energy and water demand is having a strong impact on climate change and thus the depletion of freshwater reserves. Seawater desalination is a viable solution to produce fresh water, especially in coastal areas. However, its sustainability is constrained by the high energy consumption of current technologies. Renewable energy is an attractive solution to power desalination plants to reduce costs and carbon emissions. The aim of this work is to design a seawater reverse osmosis desalination plant with a capacity of 2,000 m³/day and then hybrid renewable energy system to meet the electrical load demand of the autonomous desalination plant that will be in the island El Hierro, Spain. In this way, the procedure is to find the optimal sizing through a techno-economic and environmental assessment of different off-grid hybrid energy configurations by means of the HOMER Pro¿ software. Two off-grid scenarios (with and without diesel generator) with different energy system configurations were proposed and compared to each other. In both scenarios, the energy power systems are a combination of a photovoltaic, wind turbine, and batteries. On the other hand, it is necessary to design the seawater reverse osmosis plant which consist of the pre-treatment where the ultrafiltration stage is made with the WAVE¿ software, the reverse osmosis process and post-treatment by means of the IMSDesign¿ software. In addition, thanks to the incorporation of an energy recovery device, the specific energy consumption of the plant is reduced to a value of 2.18 kWh/m³. Besides, the optimization results of the hybrid renewable energy systems shows that the best configuration which minimizes the net present cost consisted of the 550-kW diesel generator, 274-kW photovoltaic system, 28 wind turbines, 518 batteries of 1.02 kWh, and 341-kW DC/AC converter based on the site power resources and the profile of electricity demand. Furthermore, the implementation of a water tank replacing the batteries has also been considered. This resulted in a 10% reduction of the NPC. Finally, the whole system showed reduced water production cost values compared to other similar technologies.