La eficiencia energética en los sistemas de ósmosis inversa de agua de mar (SWRO): dónde y de qué manera es importante

La localización de muchas plantas de SWRO comparten algunas características comunes: son remotas, a menudo se encuentran en islas o en zonas costeras que no están comunicadas mediante las principales conexiones de transporte. Además, no están conectadas a grandes infraestructuras de servicios públicos y dependen de la electricidad generada localmente, con frecuencia, a partir de generadores alimentados con combustible diésel transportado por mar.

Si la descripción precedente se aplica a la localización de tu planta de SWRO, entonces probablemente ya sabrás que la electricidad es más cara para tu planta que para una instalación similar que cuente con una mejor infraestructura de servicios. Sin embargo, ¿sabías que este precio podría fácilmente ser un 400 % más alto?
De acuerdo con los datos recopilados a partir de nuestros clientes, los operadores de SWRO en áreas como el Caribe pagan, aproximadamente, 0,35 EUR por kWh. Si esta cifra se compara con el precio «medio» de 0,08 EUR por kWh del continente, es evidente que los costes energéticos son más importantes en algunos lugares que en otros.

Sin embargo, incluso en el continente, los precios de la electricidad oscilan enormemente en función de una gran variedad de factores. Así, mientras que en Italia se pagan 0,18 EUR por kWh, en España se desembolsan 0,12 EUR, mientras que en EE.UU. se pagan, de media, unos 0,09 EUR por kWh.

Ante el gran número de métodos de producción, costes de materias primas, regulaciones, subsidios e impuestos que existen, es difícil determinar un coste «medio» de la electricidad que sea aplicable en todo el mundo. No obstante, el paso del tiempo indica que los precios de la electricidad solo se mueven en una dirección (ascendente), por lo que reducir el consumo energético de cualquier planta de SWRO es una prioridad cada vez mayor. ¿O no? Todavía en 2014, se pusieron en servicio nuevas plantas de SWRO que no contaban con dispositivos de recuperación de energía.

A pesar del papel tan importante que desempeña la energía en el coste total de propiedad de una planta de SWRO —sin mencionar la reducción del CO₂—, la conservación de la energía es una prioridad para algunos más que para otros. ¿Por qué? Depende de quién pague qué.

Las licitaciones se ganan o se pierden por diversas razones y, como todos sabemos, el precio es el motivo principal.

Si una licitación para una planta de SWRO se basa únicamente en los costes de capital, es posible que la eficiencia energética no llegue nunca incluso ni a tenerse en cuenta. Siempre y cuando un OEM ofrezca el mejor precio inicial, la licitación puede ganarse con poca o ninguna consideración de los costes energéticos durante la vida útil de la instalación. Si bien hace 10-15 años este era casi siempre el escenario, incluso en zonas remotas donde los costes energéticos eran entonces relativamente altos, esta tendencia ahora se ve, principalmente, en mercados donde los costes energéticos son relativamente bajos.

Por otra parte, las licitaciones que se basan en el coste total de propiedad son diferentes. Según nuestra experiencia, todos los proyectos de construcción-posesión-explotación y la mayoría de los proyectos de construcción-posesión-explotación-traspaso ubicados en lugares como el Caribe incluyen una meticulosa consideración de los costes energéticos durante toda la vida útil de la planta. Por supuesto, los usuarios finales que pagan por el agua también están preocupados por estos costes.

Las bombas de alta presión representan la partida más cuantiosa de la factura eléctrica de una planta de SWRO. Por norma general, dos tercios de los costes energéticos de una planta se derivan de la presurización del agua de alimentación.

El agua previa y posterior al tratamiento representa un tercio de los costes energéticos de la planta.
Aunque en menor medida, también existen otros factores que afectan al consumo energético, entre ellos, la antigüedad y el mantenimiento de los equipos, así como la tecnología de filtración y de membranas.

Si bien los diseñadores y los operadores de estas plantas pueden adoptar una serie de medidas para mejorar la eficiencia energética global, las mayores reducciones se consiguen al prestar atención al principal factor de coste: la presurización del agua de alimentación.

La solución más eficaz es la incorporación a este sistema de un dispositivo de recuperación de energía (ERD), por lo que la mayoría de las plantas modernas ya se diseñan en torno a una solución ERD. En la actualidad, son dos las opciones de ERD empleadas con mayor frecuencia: los turbocompresores y los intercambiadores de presión isobáricos. Los ERD equipados con turbocompresor suelen ahorrar alrededor de un 40 % en comparación con los sistemas sin ERD, mientras que los ERD isobáricos ahorran hasta un 60 % en comparación con los sistemas sin ERD. En otras palabras, diseñar un ERD es casi siempre una buena idea: en lugares donde la energía es relativamente cara, lo más inteligente es diseñar un ERD isobárico en lugar de un ERD con turbocompresor, puesto que el primero permite ahorrar un 30 % adicional.

Los nuevos diseños de membranas capaces de reducir la presión de alimentación también están ganando cada vez más terreno y se espera que permitan reducir los costes de energía entre un 5 y un 10 %.

Otra gran oportunidad para reducir los costes de presurización del agua de alimentación está relacionada con la tecnología de bombeo de alta presión.

Hasta hace unos años, las plantas de SWRO de todos los tamaños solían estar equipadas con bombas centrífugas de alta presión. Sin embargo, el reciente desarrollo de las bombas de pistones axiales hace que esta tecnología sea cada vez más atractiva para un número creciente de plantas de tamaño medio con una capacidad de hasta 30 000 m³/día o más. Como muestra el gráfico precedente, las bombas de pistones axiales funcionan con una eficiencia del 90 %, mientras que las bombas centrífugas ofrecen siempre una eficiencia inferior al 80 % (y cada vez menor a medida que se reducen los caudales).

A pesar de que algunos OEM puedan pensar que una diferencia del 12-30 % en la eficiencia entre bombas no es demasiado significativa, los operadores de proyectos de construcción-posesión-explotación y los usuarios finales seguramente tendrán una opinión bien diferente, sobre todo si se tienen en cuenta el precio local de la electricidad y la producción de la planta.

Como se muestra en la tabla inferior, una planta que produzca 120 m³/hora en un territorio con unos costes energéticos relativamente bajos (0,08 EUR/kWh) podría ahorrar hasta 35 000 EUR al año al pasar a usar una bomba de alta presión de pistones axiales. Si la misma planta dependiese de un generador diésel para su suministro de energía (con un coste de 0,35 EUR/kWh), el ahorro anual ascendería a 147 000 EUR. Multiplique ahora estos ahorros anuales por diez para hacerse una idea de lo que significa mejorar la eficiencia de las bombas de alta presión a lo largo de la vida útil media de una planta de SWRO.

Con ahorros como este, no es de extrañar que algunos operadores de proyectos de construcción-posesión-explotación estén diseñando sus plantas como configuraciones multitren a partir de bombas de alta presión de pistones axiales: además de un importante ahorro de energía, obtienen los beneficios adicionales de un sistema redundante y un aumento del tiempo de actividad.

Sin embargo, la gran cantidad de factores involucrados hace imposible establecer una generalización válida para todos los casos sobre las partidas imputables a la energía en los costes operativos totales de una planta.

Pese a ello, algunos cálculos simples indican que la electricidad es, con diferencia, el mayor coste variable y que puede representar hasta tres cuartas partes o más de los costes totales de una planta a lo largo de un periodo de diez años.

Como puede observarse en la siguiente tabla, la partida del coste total por m³ de agua producida asignada a la energía depende, principalmente, de dos factores: el precio local de la electricidad y si se emplea o no un ERD.

La tabla precedente se ha elaborado a partir de la base de datos DesalData del Global Water Institute, que sitúa el precio medio de la electricidad en 0,05 EUR/kWh (muy por debajo de las tarifas de 2013 indicadas anteriormente), mientras que los precios medios en el Caribe rondan los 0,35 EUR/kWh.

Si tomamos como referencia estos precios y mantenemos igual todo lo demás, veremos que los costes energéticos representan, como mínimo, el 31 % de los costes totales por m³ en una planta que abona 0,05 EUR por kWh y utiliza un ERD, y hasta el 86 % en una planta que abona 0,35 EUR por kWh y no utiliza ERD.

Palle Olsen trabaja como experto en aplicaciones en la división High Pressure Pumps de Danfoss y cuenta con más de quince años de experiencia en desalación de agua de mar.

Como miembro del equipo original que desarrolló las primeras bombas APP Danfoss y el dispositivo de recuperación de energía iSave, Palle sigue contribuyendo con sus conocimientos en I+D y ventas. Palle, que trabaja en Dinamarca, es colaborador y participante habitual en conferencias sobre SWRO alrededor del mundo.