EL AGUA EN ALMERÍAAnálisis, problemas y soluciones

Patio de Luces. Diputación de Almería. 10-13 de julio 2017

RECURSOS NO CONVENCIONALESLA DESALACIÓN

Antonio Ordóñez FernándezDirector de Investigación, Desarrollo e Innovación de GS INIMA

ordonez@inima.com

RECURSOS NO CONVENCIONALES.LA DESALACIÓN

1. EL ESTADO DEL ARTE DE LA TECNOLOGÍA DE DESALACIÓN

2. LOS ASPECTOS CLAVES DE LA DESALACIÓN POR ÓSMOSIS INVERSA (OI)2.1 Esquema conceptual de una instalación desaladora2.2 Parámetros característicos de una desaladora2.3 La calidad del agua producida y su destino2.4 La afectación al medio. El vertido de salmuera2.5 El coste del agua desalada. Los costes de inversión y O&M

3. PRODUCCIÓN DE AGUA DESALADA EN LA PROVINCIA DE ALMERÍA

4. EL FUTURO DE LA DESALACIÓN COMO RECURSO DE AGUA COMPLEMENTARIO4.1 El condicionante del límite termodinámico en la desalación por OI4.2 Mejoras tecnológicas de los equipos actuales y nuevas tecnologías en

desarrollo

1. EL ESTADO DEL ARTE DE LA TECNOLOGÍA DE DESALACIÓN

1.1 LAS TRES TECNOLOGÍAS PREDOMINANTES

Ósmosis inversa (OI)

Evaporación

Electrodiálisis

• Es la tecnología actualmente más extendida

• Tecnología muy probada en los últimos 40 años

• Menor consumo energético (2,2 kWh/m3 considerando solamente el proceso de ósmosis inversa)

• Calidad del agua permeada variable según requerimientos del usuario

• Menor coste de inversión

• Gran número de referencias en el mundo

1.1.1 ÓSMOSIS INVERSA

1.1.2 LA EVAPORACIÓN• Utilizada en las variantes de termocompresión, multiflash (MSF) y

multiefecto (MED)

• Hasta los años 70 del siglo pasado era la tecnología predominante

• Elevado consumo energético (86 kWh/m3 para el proceso MED, el más eficiente), salvo que se utilicen fuentes “residuales” de calor (T> 70ªC, P> 0,35 bara) consideradas “sin valor”. Calor de refrigeración de condensadores de centrales termoeléctricas.

• Baja salinidad del agua permeada sin margen de variación Salinidad < 50mg/l

• Costes de inversión algo mayores a la ósmosis inversa (10 a 15%)

1.1.3 LA ELECTRODIÁLISIS

• Se utiliza casi exclusivamente en desalación de aguas salobres ( < de 10g/l de salinidad)

• Competencia directa de la OI con costes similares de inversión y O&M

• No rechaza compuestos orgánicos disueltos u otros de naturaleza apolar (sílice).

• Dificultad en la regulación y el control con aguas de elevada dureza y contenido en Fe y Mn

2. LOS ASPECTOS CLAVES DE LA DESALACIÓN POR ÓSMOSIS

INVERSA

2.1 ESQUEMA CONCEPTUAL DE UNA INSTALACIÓN DESALADORA

Captación100%

39g/l Pretratamiento 39g/lOI

100%0,4g/l

Postratamiento45%

0,5g/l B. Distribución

Vertido de salmuera

55%

71g/l

Pozos Tomas

abiertas

MMF DAF MF/UF

Remineralización Corrección de pH Desinfección

Pozo profundo en subsuelo Directo con mezcla previa de agua de mar Directo con difusores

2.2 PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE UNA DESALADORA

• Producción de agua desalada requerida (m3/d)

• Calidad del agua a tratar depende la selección del pretratamiento

– TOC=DOC+POC [Carbono orgánico Total suma del Particulado y el Disuelto]. DOC/POC > 10

– SS (sólidos en suspensión), Turbidez

– Salinidad (mg/l)-Conductividad (µS/cm), composición iónica del agua

– Contenido en B, Fe y Mn. Concentraciones de Fe y/o Mn > 0,05 mg/l Necesidad de oxidación previa

– Tipo y concentración de fitoplancton, concentración de clorofila-a

2.2 PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE UNA DESALADORA

• Conversión depende de la salinidad del agua a tratar. Normalmente entre 35 a 50% para agua de mar.

• Calidad del agua tratada

– Salinidad-Conductividad. Para salinidad < 200 mg/l doble paso de ósmosis

– Contenido en B. Para concentraciones < 0,5 mg/l doble paso de ósmosis

– Dureza o alcalinidad índice de Langelier o índice de saturación

– pH

2.3 LA CALIDAD DEL AGUA PRODUCIDA Y SU DESTINO

2.3.1 CALIDAD POTABLE

• Requerimientos de acuerdo con la normativa RD140/2003

– Ausencia total de Escherichia Coli, Enterococos y Clostridium Perfringens– Cl- > 250 mg/l– Na+ < 200 mg/L– SO4= < 250 mg/l– B < 1 mg/l– Turbidez < 1 NTU– Conductividad < 2.500 µS/cm – -0,5 ≤ LI ≤ +0,5– 6,5 ≤ pH ≤ 9,5– 1 ≤ Cloro libre residual ≤ 2

2.3.2 CALIDAD DE USO AGRÍCOLA• La desinfección no suele ser un requisito por las características del agua

permeada

• La remineralización en este caso, además de la protección de las redes de distribución y depósitos (fundición, acero, hormigón), se aplica para incrementar la alcalinidad, el contenido en Ca y el ajuste del pH

• La salinidad total y concentración de determinados elementos dependen del tipo de cultivos en especial el contenido en Boro

• Necesidad de incrementar el contenido en elementos como el Ca, Mg y Sulfatos. La remineralización convencional en desaladoras incrementa solamente el contenido en Ca y la alcalinidad del agua

• Las experiencias en Israel del uso extensivo de agua desalada para riego agrícola (Desaladoras de Ashkelon y Palmachim) muestran la necesidad de complementar y equilibrar las características de las aguas desaladas a los requerimientos de cultivo

2.3.3 INFLUENCIA DE LA SALINIDAD

Influencia de la salinidad en el rendimiento de diversos cultivosEfecto de la CE sobre el rendimiento de varios cultivos. Fuente: Martínez (2009)

2.3.4 RIESGO TOXICIDAD DEL Na+ Y Cl-

Ion Bajo Medio Alto

Sodio (Na+) < 70 mg/l 70 < Na+ < 210 mg/l > 210 mg/l

Cloruro (Cl-) < 140 mg/l 140 < Cl- < 350 mg/l > 350 mg/l

Riesgo de toxicidad en cultivos en función de la concentración de Na+ y Cl-en el agua de riego. Fuente: Morris y Devitt (1991)

2.3.5 INFLUENCIA DE LA CONCENTRACIÓN DE CLORUROS

Tabla de sensibilidad específica de diversos cultivos a la concentración de Cl- en el agua de riego. Fuente: ANZECC (2000)

Tolerancia Cl- (mg/l) Cultivo

Sensible < 178 Almendro, albaricoquero, ciruelo

Moderadamente sensible 178-355 Viña, pimiento, patata, tomate

Moderadamente tolerante 355-710 Alfalfa, cebada, maíz, pepino

Tolerante >710 Coliflor, algodón, sésamo, sorgo, remolacha azucarera, algodón

Tabla de sensibilidad específica de diversos cultivos a la concentración de boro en el agua de riego Fuente: Adaptada de Muñoz et al. (2002) y Maas (1990)

2.3.6 INFLUENCIA DEL CONTENDIDO EN BORO

Tolerancia Boro (mg L-1) Cultivos

Sensible 0,30 -1,0

Manzana, cereza, limón, naranja, melocotón, pomelo, aguacate, albaricoque, higo, uva, ciruela y frijoles

Moderadamente tolerantes

1,0 -2,05

Cebada, repollo, zanahoria, lechuga, cebolla, patata, calabaza, espinaca, tabaco, olivo, rosas, tomate y trigo

Tolerantes 2,05 -4,0

Espárragos, arándanos, algodón, pepino, gladiolos, sésamo, tulipán, remolacha, haba, hierba y centeno.

2.3.7 ABSORCIÓN DE NUTRIENTES

Distribución de la absorción de boro en función del pH. Fuente: Martínez (2009)

Riesgo potencial a medio-largo plazo de afectar las propiedades físicas del suelo y por tanto la productividad de los cultivos, en función del SAR y la conductividad del agua

de riego. Fuente: Ayers y Westcot (1985)

SAR (mmol/l)^0,5 CE (µS/cm)

Alto Ligero a moderado Ninguno

0 - 3 < 200 200 - 700 >700

3 - 6 < 300 300 – 1200 >1200

6 - 12 < 500 500 – 1900 >1900

12 - 20 < 1900 1900 – 2900 >2900

20 - 40 < 2900 2900 - 5000 >5000

2.3.8 RIESGO DE SODIFICACIÓN DEL SUELO

2.3.9 CALIDAD DEL AGUA PRODUCIDA POR LA DESALADORA DE CARBONERAS MAYO 2017

Conductividad µS/cm 442

Cl- mg/l 137

Na+ mg/l 84

Ca+2 mg/l 13,2

Mg+2 mg/l 4,1

SO4= mg/l 14

CO3H- mg/l 38,5

CO3= mg/l 4,5

B+3 mg/l 0,8

pH - 8,87

SAR (mmol/l)^0,5 7,3LI - 0,1

• Cumple con los requerimientos normativos para el agua potable

• Calidad para uso agrícola

Relación rendimiento-salinidad → excelente

Riesgo de toxicidad por Cl- → bajo

Riesgo de toxicidad por Na+ → medio-bajo

Absorción de Boro en terreno→ media

Riesgo de sodificación de suelos → medio-alto

Fuente: Elaboración Propia

2.4 LA AFECTACIÓN AL MEDIO

EL VERTIDO DE SALMUERA

2.4.1 CONSIDERACIONES GENERALES DEL VERTIDO DE SALMUERA

• Afectación a la flora y fauna marina en general• En el mar Mediterráneo afectación especialmente a pradera de Posidonia

oceanica.• Actualmente se disponen de herramientas de simulación y diseño que

permiten conocer la distribución de salinidad espacio temporal de la pluma de vertido (CORMIX, Metodología MEDVSA) y determinar la configuración geométrica más adecuada del emisario para neutralizar los efectos del vertido.

– Desaladora de Carboneras. Descarga a canal de salida de refrigeración de condensadores de CT

– Desaladoras de Alicante I y II. Descarga en borde de playa con mezcla de agua de mar

– Desaladora de Campo de Dalías. Descarga mar adentro con emisario submarino

• Los resultados de los modelos se contrastan y ajustan con los datos reales de las campañas de vigilancia y control de vertidos preceptivas.

2.4.2 UMBRALES DE SALINIDAD SOBRE LA ZONA DE VERTIDO

NIVEL DE PROTECCIÓN Hábitat ∆S 25,lim ∆S 5,lim

I Posidonia oceanica 1 2,5

II Moluscos y crustáceos de interés comercial 2,5 5

III Cymodocea nodosa y Z.noltti 3 6

IV Equinodermos y peces

planos de interés comercial 5 8

Resto de fanerógamas

V Hábitats en zonas protegidas

La que corresponda a los hábitats presentes en la zona.

Como mínimo el nivel de protección IV en toda la zona

protegida Umbrales de tolerancia al incremento de salinidad de diversas especies marinas, fuente CEDEX (2012). Los incrementos de salinidad (∆S) están dados en psu

2.5 EL COSTE DEL AGUA DESALADA

2.5.1 EL COSTE DE INVERSIÓN Y SU DISTRIBUCIÓN (CI)

Fuente: MAPAMA

Ratio CI para agua de mar 600→900→2.100 €/(m3/d)

Obra civil

Equipos mecánicos

Equipos eléctricos

Control y automatización

2.5.2 LA DISTRIBUCIÓN DEL COSTE DE O&M

Fuente: MAPAMA

Operación y mantenimiento fijo

Energía fijo

Operación y mantenimiento variable

Energía variable

2.5.2.1 El consumo energético en una desaladora. Su distribución

Serviciosauxiliares

ÓsmosisInversa

Captación+

Pretratamiento

Postratamiento+

Bombeoagua tratada

Agua demar

Aguapotable

0,1 kWh/m3

3,3 %

2,20 kWh/m3

72,1 %0,50 kWh/m3

16,4 % 0,25 kWh/m3

8,2 %

3,1 kWh/m3

Fuente: Elaboración propia

2.5.3 EL COSTE TOTAL DEL AGUA DESALADA

Partida de coste Coste medio (€/m3) % sobre total

Energía 0,25 64

Personal 0,06 14

Reactivos Reposición de

membranas Limpiezas químicas Mantenimiento

0,09 22

Total O&M 0,40 100

Amortización 0,21 34

Total O&M con amortización 0,61 100

Fuente: Elaboración propia

2.5.4 EL CASO DE LA DESALADORA DE CARBONERAS.COSTES DE PRODUCCIÓN SIN AMORTIZACIÓN DE LA INVERSIÓN

• Actualmente se ha realizado la sustitución del sistema de recuperación de energía en un bastidor Turbina Pelton por intercambiadores de presión

Reducción del consumo específico en 0,8 kWh/m3

• Para la producción actual del 90% de la capacidad máxima y un consumo específico de energía de 3,90 kWh/m3

Coste total 0,381 €/m3

• En el caso de completar la sustitución de todos los 12 bastidores, el consumo específico de energía sería de 3,1 kWh/m3

Coste total 0,325 €/m3

2.5.5 EJERCICIO SOBRE LA REPERCUSIÓN DEL COSTE DEL AGUA EN LA PRODUCCIÓN DEL TOMATE EN INVERNADERO

• Consumo de agua 0,8 m3/m2 (*)• Producción de tomate 13,5 kg/m2 (**)• Coste del agua consumida 0,21€/m2 (*)• Coste total de producción 4,32 €/m2 (*)

• Precio del agua 0,26 €/m3• % sobre el coste total de producción 4,86%• Coste de producción por kg 0,32 €/kg• Precio venta consumidor 1,35€/kg (Tomate ensalada Mercadona)

• Precio de agua desalada 0,50 €/m3• Coste total de producción 4,51 €/m2• Coste de producción por kg 0,33 €/m3• Precio venta al consumidor 1,39 €/kg

(*) Campaña de Producción de Tomate 2015/2016 editado por la Consejería de Agricultura y Desarrollo Rural de la JA. (**) Dr. Francisco Camacho. Departamento de Producción Vegetal de la UA.

0,26 €/m3

1,35€/kg

0,50 €/m3

1,39 €/kg

3. PRODUCCIÓN DE AGUA DESALADA EN LA PROVINCIA DE

ALMERÍA

3. DESALADORAS EN LA PROVINCIA DE ALMERÍA

Desaladora Capacidad (hm3/año) Uso agrícola Abastecimiento

urbano

Carboneras 42 42 (20,8) - (17)

Campo Dalías 30 13,5 (6,2) 26,5(13,2)

Cuevas de Almanzora (BW) 7,5 7,5 (4,5) -

Rambla Morales 20 20 -

Bajo Almanzora20

inhabilitada 15 5

Águilas Guadalentín 6048 12

43 CR Murcia5CR Pulpí

10 MCT2 CR Pulpí

Pulpí (BW) 6+3 6+3 -

Almería 18 - 18 (5,1)

Fuente: Acuamed/MAPAMA/Diario de Almería

4. EL FUTURO DE LA DESALACIÓN COMO RECURSO DE AGUA

COMPLEMENTARIO

4.1.1 EL CONDICIONANTE DEL LÍMITE TERMODINÁMICO EN DESALACIÓN POR ÓSMOSIS INVERSA

Fuente: Elaboración propia

4.1.2 EXPECTATIVAS DE COSTE MÍNIMO. APROXIMACIÓN AL LÍMITE TERMODINÁMICOCASO DE LA DESALADORA DE CARBONERAS

• Con la mejor tecnología actual disponible el cosumo específico de energía de un tren de ósmosis inversa es 2,2 kWh/m3

• Para agua de mar del Mediterráneo el margen de mejora posible es de 2,2-0,73= 1,47 kWh/m3 con lo que quedaría el consumo específico en 1,63 kWh/m3

• El coste mínimo teórico de producción para la desaladora de Carboneras sería

0,214 €/m3

Inferior al coste del trasvase Tajo-Segura0,28 €/m3

4.2 MEJORAS TECNOLÓGICAS DE LOS EQUIPOS ACTUALES Y NUEVAS

TECNOLOGÍAS EN DESARROLLO

4.2.1 MEJORAS EN EQUIPOS ACTUALES

• Incremento de permeabilidad de las membranas sin merma de la calidad Membranas de óxido de grafeno

• Motores de alto rendimiento IE2/IE3

• Introducción de variadores electrónicos de velocidad solamente en los casos de amplio rango de variación de las condiciones de operación

• Bombas de alta presión de desplazamiento positivo

4.2.1 MEJORAS EN EQUIPOS ACTUALES

• Recuperadores de energía isobáricos de última generación ERI → ISOBARIX → OSMOREC

• Utilización de la energía hidráulica de descarga de los recuperadores isobáricos para el lavado de filtros

• Recuperación de energía en válvulas de regulación

• Implantación de la simulación predictiva avanzada en los sistemas de control

4.2.2 NUEVAS TECNOLOGÍAS EN DESARROLLO

4.2.2.1 APROVECHAMIENTO DEL POTENCIAL OSMÓTICO DE SALMUERASPROYECTO FOWE

• Aprovechamiento energético de las salmueras mediante PRO (ósmosis de presión retardada) y una fuente de agua residual

• El proceso se basa en recuperar parte de la energía invertida en el proceso de ósmosis inversa y que está contenida en forma de energía química en la salmuera

• Proceso patentado por GS INIMA con realización de planta piloto instalada en la desaladora de Alicante II. Los resultados de las pruebas realizadas ofrecen valores de consumo específico para un tren de ósmosis de 1,78 kWh/m3!! y una producción de agua con calidad potable y ausencia de contaminantes emergentes

4.2.2.2 ESQUEMA DEL PROCESO FOWE

Fuente: Elaboración propia

4.2.2.3 DESIONIZACIÓN CAPACITIVAPROYECTO DC-SOIAS

• El proceso pretende separar los iones de la disolución salina y su posterior descarga de forma similar a la secuencia de carga y descarga de un condensador eléctrico

• Conceptualmente diferente a la electrodiálisis

• No se utilizan membranas selectivas

• Proceso tipo “batch” o no continuo

4.2.2.3 DESIONIZACIÓN CAPACITIVAPROYECTO DC-SOIAS

• Aplicable a los rechazos de salmueras de plantas desaladorasVertido cero (ZLD)

• Idealmente el consumo específico total del proceso es nulo (carga-gasto / descarga-recuperación). No contradice la limitación impuesta por el límite termodinámico. Se pretende recuperar la energía invertida en el proceso de carga del condensador (captura de iones en los electrodos) mediante la descarga del mismo.

• Proyecto en desarrollo por el consorcio GS Inima/Imdea/Proingesa

4.2.2.4 ESQUEMA DE LA DESIONIZACIÓN CAPACITIVA

Fuente: Imdea y GS INIMA

GRACIAS POR SU ATENCIÓN