ES2355547T3 - Uso de una menbrana semipermeable en osmosis retardada por presión para proporcionar energía eléctrica, y planta. - Google Patents

Abstract

Uso de una membrana semipermeable en ósmosis retardada por presión para crear energía eléctrica en una planta de energía mediante el uso de una presión hidráulica osmótica elevada creada por dicha ósmosis retardada por presión para impulsar al menos una turbina; consistiendo dicha membrana en una capa fina de un material no poroso que actúa como película de difusión y al menos una capa de material poroso, caracterizado porque la capa porosa tiene una estructura en la que porosidad φ, grosor x (m) y tortuosidad γ están en relación entre sí como se da por x S Ecuación ( 1) en la que S es un parámetro estructural que tiene un valor de 0,0015 m o menor, la porosidad γ es mayor de un 50% y la tortuosidad φ es menor de 2,5, y en la que la membrana tiene una permeabilidad al agua de más de 1·10 -11 m/s Pa y una permeabilidad a la sal menor de 3·10 -8 m/s.

Description

La presente invención se refiere al uso de una membrana semipermeable en ósmosis con propiedades adaptadas al objeto y/o a módulos de membrana con una pérdida de energía reducida, como se declara en el preámbulo de la reivindicación 1. Más detalladamente, la invención se refiere al uso de una membrana semipermeable constituida por una capa fina de material no poroso (la película de difusión) y una o más capas de material poroso (la 5 capa porosa). Se describe también una planta, como se declara en el preámbulo de la reivindicación 12, para proporcionar potencia eléctrica mediante el uso de presión hidráulica osmótica elevada.

El documento US 4.283.913 comprende un depósito de agua no convectiva saturada que captura energía solar y que se usa como unidad de separación en combinación con electrodiálisis inversa u ósmosis retardada por presión para la producción de energía. A partir del depósito de agua, de la que puede separarse parcialmente una solución, se 10 pasa una corriente más concentrada y una corriente menos concentrada a dos cámaras separadas por una membrana semipermeable. Parte de la energía que se crea mediante la permeación de la corriente con menor concentración a través de la membrana y el posterior mezclado de las dos corrientes mencionadas se transforma en energía antes de devolver las corrientes al depósito de agua.

A partir del documento US 4.193.267, es conocido un procedimiento y un aparato para la producción de 15 energía mediante ósmosis retardada por presión, en el que se pasa una solución concentrada a alta presión hidráulica por una membrana semipermeable, y en que se pasa una solución diluida por el lado opuesto de dicha membrana. Una parte de la solución diluida se transporta a través de la membrana y crea una solución mezclada a presión. La energía potencial almacenada en esta mezcla a presión se convierte en energía aplicable mediante la liberación de la presión y presurizando la solución diluida. 20

En el documento US 3.978.344, se describe un procedimiento para producir energía mediante ósmosis retardada por presión mediante el uso de una turbina y una membrana semipermeable. Además, es conocida por el documento US 3.906.250 la producción de energía mediante ósmosis retardada por presión mediante la presurización hidráulica de un primer líquido que se introduce por un lado de la membrana, mientras que se introduce después otro líquido con menos presión hidráulica y menor presión osmótica por el otro lado de una membrana. La ósmosis retardada 25 por presión conducirá al transporte de parte del otro líquido a través de la membrana semipermeable y así se forma una solución mezclada a presión con un mayor volumen que el primer líquido solo. La energía almacenada se transforma entonces en una turbina en energía utilizable tal como energía eléctrica o mecánica.

El documento US 3.906.250 da a conocer un procedimiento y un aparato para generar energía utilizando ósmosis retardada por presión. Se introduce un primer líquido que tiene una presión osmótica relativamente alta a una 30 presión hidráulica relativamente alta en una primera conducción en que se pone en contacto con una cara de una membrana semipermeable, y se introduce un segundo líquido que tiene una presión osmótica inferior a una presión hidráulica inferior en una segunda conducción en que se pone en contacto con la cara opuesta de la membrana. En cada punto de las dos conducciones, la diferencia de presión hidráulica entre los líquidos de las caras opuestas de la membrana se mantiene a un valor que es menor que la diferencia de presión osmótica entre los líquidos. Parte del 35 segundo líquido pasa mediante ósmosis retardada por presión a través de la membrana semipermeable, formando una solución mezclada a presión de mayor volumen que el del primer líquido introducido en la primera conducción. La energía potencial almacenada en la solución mezclada a presión se convierte entonces en energía útil, tal como energía eléctrica o mecánica. Esta técnica anterior da a conocer también que, después de que la energía potencial almacenada en la solución mezclada a presión se convierta en energía útil, se recuperan el primer y segundo líquidos separando de 40 la solución mezclada una cantidad del segundo líquido igual a la cantidad que pasaba a través de la membrana, se recuperan las temperaturas originales de los primero y segundo líquidos así recuperados, se reaplica la diferencia de presión hidráulica original entre los primero y segundo líquidos recuperados y se reciclan entonces los primero y segundo líquidos recuperados por la primera y segunda conducciones.

El documento EP-0.882.493-A2 da a conocer un procedimiento para transferencia de masa entre el flujo de un 45 primer fluido en fase gaseosa tal como gas de combustión y el flujo de un segundo fluido en fase líquida, en que se pone en contacto el primer fluido con la superficie exterior de membranas porosas (semipermeables), por ejemplo membranas de politetrafluoroetileno (PTFE, teflón), en forma de fibras huecas que tienen poros que contienen gas, y poniendo en contacto el segundo fluido con la superficie interna de las membranas. Las membranas útiles para dicha operación de difusión de gas tienen una porosidad (e) de al menos 0,50, un coeficiente de transferencia de masa de al 50 menos 1 cm/s y un factor de tortuosidad de, por ejemplo, como máximo 1,4/e cuando la porosidad e es menor de 0,80, y como máximo 1,3/e cuando la porosidad e es de 0,80 o mayor. Esto proporcionará un valor paramétrico estructural bajo (en metros) para dicha membrana. Sin embargo, dicha membrana de difusión de gas de la técnica anterior no puede usarse para ósmosis ni tampoco para ósmosis retardada por presión. En consecuencia, no hay relación entre una membrana de difusión de gas y una para uso en ósmosis, porque el modo de operación es totalmente diferente y por lo 55 tanto también la estructura. Los poros de la membrana porosa de la técnica anterior, debido a la naturaleza del mecanismo mediante el que funciona la membrana de fibra hueca, generalmente contienen gas. Demás, la membrana de la técnica anterior como se da a conocer no tiene una capa fina de material no poroso formando una película, solo el material poroso.

El artículo de Lee et al. “Membranes for Power Generation by Pressure Retarded Osmosis”, Journal of 60

Membrane Science, 8 (1981), 141-171, describe la teoría de las membranas ideales y reales, en la que el tratamiento matemático de las últimas necesita considerar en particular el efecto de la polarización de concentración, concretamente el fenómeno de que las concentraciones de sal en la interfase de membrana-solución son diferentes de las concentraciones en solución brutas, causadas por el flujo de sal y agua en direcciones opuestas. Basándose en estas consideraciones, Lee et al. derivan la ecuación (2) para el parámetro de permeabilidad salina B, como se define 5 detalladamente a continuación.

Durante siglos, se ha sabido que cuando se reparten agua salada y agua dulce en dos cámaras diferentes de una membrana semipermeable hecha por ejemplo de una membrana biológica, por ejemplo de vejiga de cerdo, el agua dulce se impulsará a través de la membrana. La fuerza impulsora es capaz de elevar el nivel de agua salada por encima del nivel del agua dulce, con lo que se obtiene una energía potencial en forma de una altura de agua estática. El 10 fenómeno se denomina ósmosis y pertenece a las denominadas propiedades coligativas de una solución de una sustancia en otra sustancia. Este fenómeno puede describirse termodinámicamente y la cantidad de energía potencial es por lo tanto conocida. En un sistema de agua dulce y agua de mar normal, el potencial teórico expresado como presión es de aproximadamente 2,6 x 106 Pa. La energía potencial puede utilizarse en principio mediante varios procedimientos técnicos en los que la energía puede recuperarse como, concretamente, compresión y estiramiento con 15 vapor de polímeros. Dos de los procedimientos técnicos son usar membranas semipermeables y estas son de electrodiálisis inversa (potencial de energía como voltaje de CC eléctrica) y ósmosis retardada por presión, PRO (energía potencial como presión de agua).

Se han hecho cálculos para encontrar los costes de la producción de energía en plantas de PRO. La incertidumbre de dichos cálculos se ilustra por el hecho de que los valores reseñados de los costes energéticos fluctúan 20 en más de una magnitud. Wimmerstedt (1977) indicó algo más de 1 NOK/kWh, mientras que Lee et al. (1981) indicaron costes prohibitivos. Jellinek y Masuda (1981) indicaron costes de menos de 0,13 NOK/kWh. Thorsen (1996) hizo una estimación de costes que declaraba 0,25-0,50 NOK/kWh basándose en la evaluación de los datos recientes de las propiedades y precios de las membranas. Todas estas evaluaciones están basadas en el uso de agua dulce y agua de mar. Por tanto, las conclusiones anteriores indicaban costes de energía producida por PRO que variaban mucho. Se 25 incluye una explicación integral de los procedimientos de producción de energía hoy y en el futuro en el libro “Renewable energy” (ed. L. Burnham, 1993) ante la Conferencia de Río sobre medio ambiente y desarrollo. Aquí se menciona la energía salina solo muy brevemente, y se mantiene que los costes son prohibitivos.

Cuando se mezcla agua dulce con agua salada, hay un potencial de energía (energía de mezcla) para PRO correspondiente a una caída de 260 m para el agua dulce, y las localizaciones de más interés son ríos que fluyen al 30 océano. En la presente invención, se ha encontrado que un 35-40% de esta energía puede recuperarse mediante PRO. En una planta de energía práctica, la energía se liberará como presión de agua de aproximadamente 1.000 kPa en la corriente de agua salobre que se desarrolla después de mezclar conjuntamente el agua dulce y salada. Esta presión puede usarse para turbinas de operación convencional. La cantidad eficaz de energía estará entonces entre un 50 y un 100% de la energía de caída de origen natural en el agua dulce en el mundo. 35

Según la presente invención, el potencial real de las cantidades de energía parece ser de un 25-50% de la energía hidráulica que se ha desarrollado hasta hoy en Noruega. Las plantas de energía basadas en la presente invención no conducen a emisiones significativas al aire o al agua. Además, esta forma de energía es totalmente renovable, y usa solo agua natural como fuerza impulsora de la misma manera que las plantas de energía hidráulica convencionales. El objeto de la presente invención es hacer posible la utilización comercial de la energía salina a mayor 40 escala.

El gasto por superficie supuesto para una planta de energía salina será relativamente pequeño y de la misma magnitud que para una planta de energía por gas, y sustancialmente menor que para la energía eólica. El procedimiento es por lo tanto especialmente respetuoso con el medio ambiente. Brevemente, el procedimiento puede caracterizarse como sigue con respecto a los efectos medioambientales y las propiedades de uso: 45

- sin emisiones de CO2 ni grandes cantidades de emisiones distintas de agua,

- renovable, como la energía hidráulica convencional,

- producción estable, al contrario que la energía eólica y maremotriz,

- se requieren áreas pequeñas, un hecho que conduce a poco impacto sobre el paisaje,

- operación flexible, 50

- adecuado para plantas pequeñas así como grandes.

La técnica anterior no trata de membranas semipermeables eficaces con pérdida de energía reducida en que la mayor parte del gradiente salino de la membrana está presente en la misma capa que la resistencia de flujo si la membrana se usa para PRO. Por lo tanto, ha de desarrollarse una membrana/módulo de membrana eficaz y optimizado en que se satisfagan los requisitos de gradiente salino en la membrana y resistencia de flujo como se mencionan 55 anteriormente. Esto no puede conseguirse satisfactoriamente con las membranas existentes diseñadas para filtrar

(ósmosis inversa). Además, no se ha descrito un procedimiento para la producción de energía eléctrica a partir de la presión osmótica con una membrana semipermeable eficaz como se menciona anteriormente en un sistema con PRO en que se mantenga una parte satisfactoria de la presión osmótica.

Es un rasgo importante de la presente invención que la mayoría del gradiente salino de la membrana está localizado en la misma capa, la película de difusión, que la resistencia de flujo. Además, la presente solicitud de patente 5 consiste también en un material portador poroso para la película de difusión sin resistencia destacable frente al transporte de agua y la difusión de sal. Esto no se consigue satisfactoriamente con las membranas existentes diseñadas para filtración (ósmosis inversa)/ósmosis retardada por presión, PRO. En la presente invención, por lo tanto, la sal no aparece a altas concentraciones desfavorables en partes de la membrana distintas de la película de difusión. Según la presente invención, las membranas con estructuras internas particulares son también importantes. Además, la 10 polarización de la concentración de sal en el lado de agua de mar de las membranas se reduce, en comparación con las membranas convencionales.

En la presente planta de PRO, la energía de presión en el agua salobre se recupera directamente de forma hidráulica para presurizar el agua de mar de entrada. Así, se evita una parte de la pérdida que ocurriría normalmente en una bomba de agua normal con este fin. Al evitar esta pérdida, la planta de PRO según la presente invención puede 15 construirse a nivel de suelo en lugar de por debajo del nivel de suelo y no obstante consigue una eficacia aceptable.

La recuperación de energía mediante presurización hidráulica del agua de mar de entrada tiene lugar en un dispositivo en que la presión de turbina de la mitad del dispositivo impulsa el agua de mar directamente al módulo de membrana. En la otra mitad, el agua salobre se impulsa de vuelta fuera de la planta de PRO a medida que el agua de mar se bombea dentro. Los procesos mencionados que tiene lugar en las respectivas mitades del dispositivo para 20 presurización hidráulica del agua de mar se alternan mediante la rotación de la parte que contiene agua o mediante un sistema de válvulas controladas en el dispositivo mencionado. La transferencia de presión hidráulica directa mencionada conduce a que ya no sean necesarias bombas de agua de mar con eficacia limitada.

La presente invención describe membranas semipermeables o módulos de membrana en que las membranas incluyen una película de difusión fina con propiedades osmóticas naturales y el resto de la membrana tiene una 25 porosidad aumentada, de modo que la sal no se recoge aquí (la capa porosa).

La presente invención se define en la reivindicación 1. Comprende el uso de una membrana semipermeable constituida por una capa fina de un material no poroso que actúa como película de difusión y al menos una capa de material poroso, en la que la capa porosa tiene una estructura en que la porosidad φ, el grosor x (m) y la tortuosidad τ están en relación entre sí como se indica por la ecuación: 30

)1(EcuaciónSx

en que S es un parámetro estructural que tiene un valor menor o igual a 0,0015 m y puede expresarse como S= x· τ/φ, que es una expresión precisa de la estructura en la parte porosa de la membrana, la porosidad φ es mayor de un 50% y la tortuosidad τ es menor de 2,5, y en la que la membrana tiene una permeabilidad acuosa de más de 1·10-11 m/s Pa y una permeabilidad salina de menos de 3·10-8 m/s. 35

La membrana se configura adecuadamente para ósmosis retardada por presión.

Como se apreciará por el experto en la técnica, el valor de S está relacionado con una membrana humedecida.

La capa porosa de la membrana, cuando se pone en contacto una cantidad de agua que contiene sal con el material no poroso o película de difusión, tiene propiedades relacionadas con un parámetro de permeabilidad salina B (en la película de difusión) definido por: 40

)2(/1)/)/((EcuaciónccJdxdcDBs

en la que

A es la permeabilidad acuosa

B es la permeabilidad salina (m/s)

Δcs es la diferencia en la concentración salina en la película de difusión (moles/cm3) 45

φ es la porosidad

x Es el grosor de la estructura porosa (m)

J es el flujo de agua (m/s)

c es la concentración salina (moles/cm3)

D es el coeficiente de difusión de la sal (m2/s)

τ es la tortuosidad,

en que la eficacia de la membrana en la ósmosis retardada por presión para un valor dado de permeabilidad acuosa A (m/s Pa) puede expresarse mediante una integración de la ecuación (2)), proporcionando:

5 )3(.}/)]/exp()//[(exp(1/{)/exp(/EcJDJdDJSDJdBDJdccsfsbs

en la que

cb es la concentración de sal del agua salada menos la concentración de sal del agua

dulce (moles/cm3)

df y ds son el grosor de las películas de difusión (polarizadoras de concentración) en el lado de agua dulce y el lado de agua salada, respectivamente, de la membrana (µm), 10

Δcs/cb expresa la eficacia de la membrana en la ósmosis retardada por presión para un valor dado de permeabilidad acuosa.

El valor del parámetro estructural S, y por tanto la estructura interna de la membrana, es decisivo para su eficacia en la ósmosis retardada por presión. La estructura debe tener solo una capa fina y no porosa en la que la sal tiene una velocidad de difusión considerablemente menor que el agua. Las otras capas deben ser todas porosas de 15 modo que sal y agua puedan transportarse con la menor resistencia posible. Habitualmente, están presentes varias capas porosas para dar a la membrana las propiedades mecánicas correctas y/o como resultado del procedimiento de producción. En aquellos casos en que la película de difusión se encuentre entre dos o más capas porosas, o que la membrana esté invertida lateralmente con respecto al agua dulce y el agua salada, las expresiones serán más complicadas, pero la siguiente discusión será válida de la misma manera. 20

El parámetro estructural S debe tener un valor de 0,0015 o menor. El grosor de la membrana es menor de 150 µm, preferiblemente menor de 100 µm. El valor medio de porosidad φ en la capa porosa de la presente invención es de más de un 50%. La membrana semipermeable tiene una tortuosidad τ que es menor de 2,5. La permeabilidad salina B es menor de 3·10-8 m/s y la permeabilidad acuosa A es mayor de 1·10-11 m/s Pa. El grosor de la película de difusión por el lado que contiene menos sal y por el lado que contiene más sal es menor de 60 µm, preferiblemente menor de 30 µm. 25

Los módulos de membrana según la presente invención comprenden interruptores de flujo constituidos por hebras de polímeros que forman una red con un patrón cuadrado o rómbico. Además, se empaquetan conjuntamente varias membranas en módulos (enrolladas en membranas en espiral) en que la distancia entre membranas adyacentes es de 0,4 a 0,8 mm.

No es parte de la presente invención, pero es útil para su comprensión, un procedimiento en que se 30 proporciona una presión elevada por ósmosis (por gradientes salinos) en un sistema con ósmosis retardada por presión mediante una o más membranas semipermeables, que están formadas por varias capas, en que al menos una parte de la presión osmótica se mantiene en el sistema. El procedimiento incluye poner en contacto una corriente de alimentación que contiene sal con un capa no porosa (la película de difusión) en una o más membranas semipermeables, en que al mismo tiempo se pone en contacto una corriente de alimentación que contiene menos sal 35 con el otro lado de la película de difusión, y en que una capa porosa adyacente (la capa porosa) en una o más de las membranas semipermeables mencionadas tiene una estructura en que la porosidad φ, el grosor x (m) y la tortuosidad (τ) están en relación entre sí como se indica por la expresión:

Sx

en la que S es un parámetro estructural que tiene un valor menor o igual a 0,0015 m, con lo que el agua (H2O) de la 40 corriente que contiene menos sal se impulsa de forma natural a través de la membrana semipermeable mediante ósmosis y crea una presión hidráulica osmótica elevada por el lado de permeado.

En el procedimiento declarado, al menos una parte de la presión osmótica potencial entre las dos corrientes de agua se transfiere directamente de forma hidráulica a la corriente de alimentación que contiene sal de entrada. La cantidad de corriente de alimentación que contiene sal es 1-3 veces mayor que la cantidad de corriente de alimentación 45 que contiene menos sal, de modo que la relación entre la longitud del recorrido de flujo de la corriente que contiene sal y de la que contiene menos sal es de 0,3 a 1,0. La distancia entre membranas adyacentes es de 0,4 a 0,8 mm.

En los módulos en espiral, los canales para la corriente de alimentación que contiene sal están llenos a un 10-50% con uno o más dispositivos interruptores de flujo constituidos por hebras de polímero que forman una red con patrón cuadrado o rómbico. 50

La presión en la corriente de alimentación que contiene sal en la membrana/módulos de membrana está en el

intervalo de 6-16 x 105 Pa.

Como alternativa a las membranas espirales, pueden disponerse fibras paralelas en capas entre corrientes sucesivas de una corriente de alimentación que contiene menos sal y una corriente de alimentación que contiene sal. Lo anteriormente mencionado se alterará entonces un poco, pero la presión será la misma.

La invención se refiere además a una planta para proporcionar energía eléctrica mediante el uso de una 5 presión hidráulica osmótica elevada como se describe en la reivindicación 12. La planta incluye una o más membranas o módulos de membrana semipermeables en que las membranas comprenden una capa fina de material no poroso que actúa como película de difusión, y al menos una capa de material poroso con una estructura definida en la reivindicación 12, y al menos una turbina con un generador eléctrico. Preferiblemente, comprende un sistema de intercambio de presión para la transmisión hidráulica directa de una presión osmótica a presión elevada separada de una salida de la 10 membrana hasta una entrada de la misma.

La planta puede situarse en el suelo, o por debajo de la superficie de la tierra hasta un nivel no inferior a 200 m.

La ósmosis retardada por presión, como todos los procesos osmóticos, está basada en el transporte de masa selectivo a través de membranas. Una cámara con agua dulce está separada de una cámara con agua de mar por una membrana semipermeable. Esta membrana permite el transporte de agua, pero no de sal. 15

Tanto el agua como la sal se difundirán desde la alta a la baja concentración, pero la membrana evita el transporte de sal. El resultado es un transporte neto de agua desde el lado de agua dulce al lado de agua de mar, y la formación de una presión en el lado de agua de mar. Por tanto, el transporte osmótico de agua se retarda por la formación de presión. El agua que se ha transportado al lado de agua de mar está allí a mayor presión y puede extraerse trabajo si se permite fluir al agua a través de una turbina. De este modo, la energía libre al mezclar agua dulce 20 y agua de mar puede convertirse en trabajo.

Si el agua dulce fluye al lado de agua de mar sin flujo de salida, la presión aumentará. Finalmente, la presión del lado de agua de mar será tan alta que el transporte de agua llegará a detenerse. Esto sucede cuando la diferencia de presión iguala la presión osmótica del agua de mar dada por la ecuación de van’t Hoff:

25 )4(2EcuaciónRTCpNaClosmótica

Aquí, R es la constante de los gases y T es la temperatura absoluta, Para una solución de NaCl 35 g/l, la ecuación (4) da una presión osmótica teórica de 2,9 x 106 Pa a 20ºC. Esto corresponde a una columna de agua de 296 m. Si se eleva un mol de agua (0,018 kg) 296 m, tiene que llevarse a cabo un trabajo de 52,2 J.

En una planta de energía basada en la ósmosis retardada por presión, se transporta agua fresca, que se alimenta por el lado de baja presión, mediante ósmosis a través de la membrana semipermeable al lado de alta presión. 30 Del lado a alta presión, se libera la presión del agua mediante una turbina que genera energía mecánica. Para mantener la alta concentración salina necesaria en el lado de agua de mar, tiene que bombearse agua de mar contra la presión de trabajo. Se produce energía neta debido que la corriente volumétrica que se expande (agua dulce + agua de mar) es mayor que la corriente volumétrica que se comprime. Algo del agua dulce deja la planta por el lado de baja presión, y proporciona el transporte de contaminantes fuera del agua dulce y de la posible sal que haya escapado del lado de alta 35 presión.

Otro posible diseño de una planta para ósmosis retardada por presión es construir la planta enterrada 0-200 m, adecuadamente 50-150 m, lo más preferiblemente 120 m, por debajo del nivel del suelo. En este caso, se pasa el agua dulce a través de tuberías aguas abajo a las turbinas, y desde allí al lado de baja presión de las membranas. El agua de mar se pasa al lado de alta presión de las membranas que se ha presurizado mediante energía hidrostática, y el agua 40 de mar puede circular a través del lado de alta presión con fricción como única pérdida. El agua dulce se transportará a través de la membrana impulsada por la energía osmótica, y deja la planta mezclada con agua de mar. Las membranas pueden situarse como módulos basados en tierra enterrados bajo el nivel de suelo junto con las turbinas y otros equipos. Si el mar es más profundo que la excavación, los módulos de membrana podrían situarse directamente en el mar. 45

La película de membrana puede colocarse posiblemente frente al agua de mar o al agua dulce. La colocación de la película de difusión frente al lado de agua dulce tendrá la ventaja de que los contaminantes en el agua dulce se rechacen más fácilmente por la superficie de la membrana debido a que la película de difusión tiene poros bastante pequeños en comparación con el portador poroso. Puesto que hay una corriente volumétrica neta que se mueve hacia la membrana por el lado de agua dulce, esta corriente volumétrica podrá transportar diferentes tipos de impurezas que 50 pueden conducir a la obstrucción de la membrana. Por otro lado, una corriente de agua continua desde la membrana por el lado de agua contribuirá a mantener la superficie de la membrana limpia.

Debido a que toda la diferencia de presión en el presente proceso se encuentra en el material no poroso (la película de difusión), puede ser una ventaja que la película de difusión se encuentre en el lado de agua de mar, puesto que la sobrepresión comprimirá la película de difusión contra el portador. Con la película de difusión en el lado de agua 55

dulce, hay riesgo de que la película de difusión se suelte del portador y que la membrana pueda destruirse.

Además, los parámetros para permeabilidad acuosa A y permeabilidad salina B son de gran importancia para el rendimiento de la membrana.

Para una membrana que está totalmente sin escapes de sal, el grosor, porosidad y tortuosidad del portador no serán de gran importancia para la producción de energía. 5

Parece haber una considerable dependencia del grosor de película debido a la polarización de concentración en el lado de agua de mar solo, ya que la polarización de concentración en el lado de agua dulce es absolutamente despreciable para una membrana con una pérdida de sal pequeña.

El grosor de esta película de difusión es del tamaño crítico para la producción de energía por ósmosis retardada por presión. Este tamaño tiene que determinarse experimentalmente a partir de ensayos de transporte en que 10 los datos de flujo se adaptan al modelo real. Los cálculos teóricos con un modelo de transporte más complejo indican un grosor de la película de difusión de aproximadamente 0,000025 m.

El grosor de la película de difusión en la superficie de la membrana frente el lado de agua de mar puede reducirse aumentando la velocidad de flujo del lado de agua de mar, y mediante el uso de dispositivos que aumenten la agitación del flujo de agua de mar (promotores de la turbulencias). Dichos esfuerzos aumentarán las pérdidas por 15 fricción durante el flujo de agua de mar, y habrá un punto óptimo con respecto a la velocidad de agua de mar a través de un módulo de membrana y la conformación del módulo de membrana.

Como se menciona anteriormente, la polarización de concentración de sal será un problema menor en el lado de agua dulce en un buen módulo de membrana. Esto es una gran ventaja, puesto que la velocidad de agua dulce tiene que ser baja en partes de un buen dispositivo ya que la mayoría del agua dulce ha de transportarse a través de la 20 membrana al agua de mar.

Mediante ósmosis retardada por presión, los factores de pérdida más importantes estarán relacionados con la presurización del agua de mar, el bombeo de agua a través del módulo de membrana y la pérdida por conversión de la energía de presión en el agua en energía eléctrica mediante turbina y generador.

Debido a la pérdida por fricción, se desarrollará una caída de presión por el módulo de membrana. El agua 25 debe bombearse a través de un canal estrecho que se proporciona con una distancia neta para mantener la anchura requerida del canal, y que al mismo tiempo pueda promover el mezclado de la fase acuosa. Por tanto, el grosor de la película de difusión puede reducirse, y la eficacia en el proceso de PRO puede mejorarse.

En procesos de PRO con un buen módulo de membrana, la polarización de concentración será solo un problema esencial en el lado de agua de mar, puesto que la concentración salina en el lado de agua dulce muestra solo 30 un bajo aumento. Además, la velocidad en el lado de agua de mar será mayor que en el lado de agua dulce, porque el agua dulce se transporta al agua de mar y también porque existe el deseo de mantener la concentración salina lo más alta posible en el agua de mar. Esto último mencionado se consigue teniendo un alto flujo de tránsito de agua salada, pero el beneficio de una alta velocidad de agua salada ha de considerarse frente a los gastos. La velocidad de agua salada puede aumentarse reciclando agua salada. 35

En un proceso utilizable con la presente invención, se presuriza agua salada antes de que fluya a través del módulo de membrana. Entonces, se expandirá a través de una turbina el agua de mar junto con el agua dulce que se haya transportado a través de la membrana. La bomba, así como la turbina, tendrán una eficacia menor de 1, y se perderá en consecuencia energía en estas operaciones unitarias.

Para reducir las pérdidas cuando tienen que comprimirse primero grandes cantidades de agua de mar y 40 expandirse entonces a través de una turbina, puede usarse intercambio de presión. En el intercambio de presión, se usa la presión del agua de mar diluida de salida para comprimir el agua de mar de entrada. Solo cierta cantidad de agua correspondiente al agua dulce que fluye a través de la membrana pasará a través de la turbina, y puede usarse por lo tanto una turbina bastante menor. La bomba de alta presión para presurizar el agua de mar se elimina completamente.

La Figura 1 describe una planta de PRO en la que se alimentan agua dulce así como agua de mar a filtros de 45 agua separados antes de pasar las corrientes de una a otra en cada lado de una membrana semipermeable. Se pasa una porción de la mezcla de permeado y agua salada a presión levada a una turbina para la producción de energía eléctrica. Se pasa el resto de la corriente de permeado a un intercambiador de presión en que se presuriza el agua de mar de entrada. El agua de mar presurizada se alimenta entonces al módulo de membrana.

La Figura 2 muestra el patrón de corrientes para una corriente cruzada en un módulo en espiral. 50

La Figura 3 muestra las líneas de corriente en un módulo en espiral.

La Figura 4 muestra la constitución de la estructura interior de una membrana, una capa no porosa denominada película de difusión y una capa porosa.

La Figura 5 muestra la relación entre la presión por un lado de la membrana que está en contacto con agua que contiene una cantidad de sal (el lado de agua de mar) y el flujo osmótico. La Figura 5 muestra los valores S que son aceptables para una producción de energía económica cuando A es 10-11 m/s Pa y B es 3·10-8 m/s. Estos valores de A o mayores son considerados necesarios. En consecuencia, S debe tener un valor de 0,001 m o menor. Las medidas de laboratorio han mostrado que las membranas pretendidas para ósmosis inversa, que dan el mejor rendimiento en 5 ósmosis retardada por presión, tienen valores de S de aproximadamente 0,003 m. Esto significa que S tiene que mejorarse por un factor de 3 o mejor con relación a estas membranas. Valores menores de B modificarán en cierto grado los requisitos de S.

La Figura 6 muestra el efecto de la presión en el lado de agua de mar para un proceso con condiciones como se dan en la tabla 2. 10

La Figura 7 muestra las relaciones de concentración en la membrana para PRO con condiciones como se dan en la tabla 2 (las concentraciones salinas en el lado de agua dulce son apenas visibles).

La Figura 8 muestra el flujo volumétrico a través de la membrana para un proceso con las condiciones dadas en la tabla 2.

Los valores necesarios de permeabilidad salina B, permeabilidad acuosa A, el parámetro estructural S y el 15 grosor de las películas de difusión se aplicarán también a las posibles membranas de fibra. El cuadro principal para membranas de fibra será como para espirales, con la excepción de lo referente al uso de redes a distancia para interrumpir el flujo.

Ejemplos de producción de energía:

La zona de mezclado para agua de mar y agua dulce puede considerarse como adiabática, concretamente no 20 hay intercambio de calor (dq= 0) con los alrededores. Puesto que la entalpía de mezclado es aproximadamente cero y el trabajo (dw), pero no el calor, se extrae de la mezcla, se obtiene a partir de la ley de la conservación de la energía:

)5(EcuacióndwdwdqdTcdEp

en la que dE es el cambio de energía interna del sistema total y cp es la capacidad térmica del sistema.

La extracción de trabajo según la ecuación (5) conduce a cierto grado de enfriamiento. Si se mezcla 25 reversiblemente 1 mol de agua dulce a 52,2 J/mol con 3 moles de agua salada, el agua salada diluida se enfriará 0,17ºC. En un proceso real optimizado para la producción de energía por unidad de mezclado, se quitará la mitad del trabajo reversible. Esto conduce a un enfriamiento de la mezcla de menos de 0,1ºC.

Como se menciona anteriormente, solo un 50% de la posible energía libre de mezclado se utilizará en un dispositivo práctico para maximizar la producción de energía. Además, se perderá energía en la operación del proceso. 30 Con la suposición de que un 20% de la energía que se produce en la unidad de mezclado se pierde en el proceso (pérdida debida a fricción, operación de las bombas, turbinas, etc.), podrían producirse aproximadamente 20 J/mol de agua dulce que pasa a través del proceso. Esto causa una producción de energía para algunas localizaciones, basada en el flujo medio de transporte de agua según la presente invención, como se ilustra en la tabla 1.

Tabla 1 35

Ejemplos de posibles plantas de energía basadas en el flujo medio de agua

Ejemplos de ríos

Flujo de agua (m3/s) Producción de energía (MW)

Río local pequeño

10 10

Namsen (Noruega)

290 300

Glomma (Noruega)

720 750

Rin (Alemania)

2.200 2.400

Mississippi (EE.UU.)

18.000 19.000

Ejemplos de variables operativas:

Para el cálculo del transporte de agua y sal a través de la membrana, así como de la producción de energía por unidad de área de membrana, es necesario tener valores reales de los diferentes parámetros que describen la membrana real, la forma del módulo de membrana, parámetros que describan las condiciones de proceso, así como 40 algunos datos físicos. Los parámetros necesarios para los cálculos se resumen en la tabla 2.

Todos los cálculos a continuación se llevan a cabo basándose en 1 m2 de área de membrana. Debido a que los flujos de agua y sal a través de la membrana son considerables en la mayoría de casos con relación a las velocidades de entrada de agua salada y agua dulce, las concentraciones, y por lo tanto también los flujos a través de la membrana, variarán a lo largo de la membrana. Para permitir esto, la membrana se divide en 20 celdas de igual tamaño con fines de cálculo. Las concentraciones y velocidades de agua salada y agua fresca, respectivamente, en la primera celda, y la 5 presión de agua de mar en la membrana, se dan por las condiciones de entrada, véase la tabla 2. Los flujos de agua y sal para estas condiciones se calculan entonces reiterativamente de célula a célula mediante las ecuaciones necesarias.

La velocidad de agua salada Q de salida de la última celda define la velocidad de salida del proceso. La diferencia entre la velocidad de salida y velocidad de entrada para agua salada y la presión en el lado de agua salada indica el trabajo producido. La relación de explotación de agua dulce se indica por la diferencia entre la velocidad de 10 agua dulce de entrada y salida con relación a la velocidad de agua dulce de entrada.

Tabla 2

Parámetros necesarios para cálculos del modelo de ósmosis retardada por presión

Símbolo

Unidad Valor ejemplar Parámetro

A

m/Pa s 10-11 Permeabilidad acuosa en la membrana

B

m/s 10-8 Permeabilidad salina a través de la membrana

x

m 0,0005 Grosor de la estructura porosa

φ

0,5 Porosidad de la capa porosa

τ

1,5 Tortuosidad de la capa porosa

dsjo

M 0,00005 Grosor de la película de difusión en el lado de agua de mar

df

M 0,00005 Grosor de la película de difusión en el lado de agua dulce

T

ºC 3 Temperatura de proceso (agua)

psjo

Pa 13·105 Presión en el lado de agua de mar

cinsjo

mol/m3 549 Concentración de entrada de sal en el agua salada

cinf

mol/m3 0 Concentración de entrada de sal en el agua dulce

Qin

m3/s 9·106 Velocidad volumétrica de agua dulce en la membrana

F

3 Relación de alimentación entre agua salada y agua dulce

Ds

m2/s 7,5·10-10 Coeficiente de difusión para la sal (NaCl)

s

m ≤0,0015 Parámetro estructural

Para cada conjunto individual de parámetros, se calculan flujos y velocidades como se declara anteriormente. Para la determinación de la presión del agua de mar óptima, la presión del agua de mar varía siempre con las otras 15 condiciones constantes.

En los cálculos, no se ha considerado la pérdida de presión a través del módulo de membrana debido a la resistencia al flujo. Tampoco se han considerado la eficacia de la bomba que presuriza el agua de mar y de la turbina que produce energía del proceso. El trabajo producido según se presenta está relacionado por lo tanto con la producción de energía durante el proceso de mezclado, y no es igual al trabajo real que puede extraerse de un proceso 20 real. Dichas dimensiones tienen que estimarse para las plantas en cuestión.

El coeficiente de difusión para la sal aumenta aproximadamente un 80% cuando la temperatura aumenta de 3 a 20ºC, pero no cambia mucho con la concentración de sal. El coeficiente de difusión a 0,1 mol/l se usa por lo tanto en todos los cálculos. Como ejemplo de cálculos, se ha tomado un punto de referencia en los valores de parámetros conservadores expresados en la tabla 2. En esas condiciones, la membrana produce 2,74 W/m2 y un 23% del agua 25 dulce que se suministra a la membrana se transporta al lado de agua de mar. La Figura 6 muestra el efecto por unidad de área de membrana en función de la presión en el lado de agua de mar. Como se muestra en la figura, el efecto tiene un área óptima relativamente plana a entre 1300 y 1800 kPa. Al seleccionar valores un poco más favorables para el grosor de membrana, grosor de película y temperatura, la producción de energía puede ser fácilmente mayor de 5 W/m2. 30

Las concentraciones en la membrana por el lado de entrada y el lado de salida se muestran en la Figura 7 para una presión de agua de mar de 1,3 x 106 Pa. Debido a que el escape de sal a través de esta membrana es bajo en este

ejemplo, el aumento de concentración de sal en el lado de agua dulce es apenas detectable, y alcanza una concentración de descarga de 0,5 mol/m3. Correspondientemente, la polarización de concentración en el lado de agua dulce puede obviarse completamente.

Por otro lado, la polarización de concentración en el lado de agua de mar es considerable, y da una caída de concentración justo por debajo de 100 mol/m3. Correspondientemente, hay una caída de concentración de casi 150 5 mol/m3 en el portador. La diferencia de concentración impulsora en la película de la membrana corresponde a la diferencia de concentración entre la superficie de la película frente al agua de mar y el lado de la capa porosa adyacente que se enfrenta al agua de mar, véase la Figura 7, y asciende aproximadamente a 320 mol/m3, o apenas a un 60% de la diferencia de concentración entre al agua de mar y el agua dulce. Esto ilustra la importancia de reducir el efecto de polarización. Esto se consigue minimizando el grosor de la película de difusión en el lado de agua de mar (alta velocidad 10 de flujo y buena agitación) y el grosor del portador.

La Figura 8 muestra el flujo volumétrico de agua a través de la membrana en función de la posición adimensional del lado de entrada. Como muestra la figura, el flujo de agua cambia relativamente poco, y la razón para esto es que la diferencia de concentración impulsora es también relativamente constante en la membrana, véase la Figura 7. 15

Claims (15)

1. REIVINDICACIONES

   1. Uso de una membrana semipermeable en ósmosis retardada por presión para crear energía eléctrica en una planta de energía mediante el uso de una presión hidráulica osmótica elevada creada por dicha ósmosis retardada por presión para impulsar al menos una turbina; consistiendo dicha membrana en una capa fina de un material no poroso que actúa como película de difusión y al menos una capa de material poroso, caracterizado porque 5

   la capa porosa tiene una estructura en la que porosidad φ, grosor x (m) y tortuosidad τ están en relación entre sí como se da por

   )1(EcuaciónSx

   en la que S es un parámetro estructural que tiene un valor de 0,0015 m o menor, la porosidad φ es mayor de un 50% y la tortuosidad τ es menor de 2,5, y en la que la membrana tiene una permeabilidad al agua de más de 1·10-11 m/s Pa y 10 una permeabilidad a la sal menor de 3·10-8 m/s.
2. 2. Uso según la reivindicación 1, caracterizado porque dicha membrana tiene un grosor menor de 150 µm.
3. 3. Uso según la reivindicación 2, en el que dicha membrana tiene un grosor menor de 100 µm.
4. 4. Uso según una cualquiera de las reivindicaciones 1-3, caracterizado porque dicha membrana comprende varias membranas y entre las membranas están comprendidos interruptores de flujo constituidos por hebras de polímero 15 que forman una red con patrón cuadrado o rómbico.
5. 5. Uso según una cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizado porque varias de dichas membranas se empaquetan conjuntamente en capas formando módulos en que la distancia entre membranas adyacentes es de 0,4 a 0,8 mm.
6. 6. Uso según una cualquiera de las reivindicaciones 1-5, caracterizado porque dicha membrana está en forma 20 de fibras huecas con un diámetro externo de 0,05 a 0,5 mm.
7. 7. Uso según una cualquiera de las reivindicaciones 1-6, que comprende poner en contacto una primera corriente de alimentación que contiene agua con un material no poroso o la película de difusión de dicha membrana, en que al mismo tiempo se pone en contacto una segunda corriente de alimentación de agua que contiene menos sal con la capa porosa de dicha membrana; con lo que el agua de la corriente que contiene menos sal se impulsa naturalmente a través 25 de dicha membrana mediante ósmosis y crea una presión hidráulica osmótica elevada en el lado de permeado, de tal modo que al menos una parte de la presión osmótica elevada en la membrana se transfiere directamente de forma hidráulica a la corriente de alimentación que contiene sal de entrada.
8. 8. Uso según la reivindicación 7, caracterizado porque la cantidad de corriente de alimentación que contiene sal es 1-3 veces mayor que la cantidad de corriente de alimentación que contiene menos sal. 30
9. 9. Uso según la reivindicación 7 o la reivindicación 8, caracterizado porque se usa más de una de dichas membranas y el canal de la corriente que contiene sal entre dichas membranas comprende interruptores de flujo constituidos por hebras de polímero que forman una red con patrón cuadrado o rómbico que ocupa un 10-50% del canal.
10. 10. Uso según cualquiera de las reivindicaciones 7-9, caracterizado porque la relación entre la longitud del 35 recorrido de flujo de la corriente que contiene sal y la corriente que contiene menos sal es de 0,3 a 1,0.
11. 11. Uso según una cualquiera de las reivindicaciones 7-10, caracterizado porque la presión de la corriente de alimentación que contiene sal que fluye a dicha membrana o módulo de membrana está en el intervalo de 600-1600 kPa.
12. 12. Planta para proporcionar energía eléctrica mediante el uso de una presión hidráulica osmótica elevada creada 40 mediante ósmosis retardada por presión, caracterizada porque la planta comprende al menos una membrana semipermeable consistiendo en una capa fina de un material no poroso que actúa como película de difusión y al menos una capa de material poroso, caracterizada porque la capa porosa tiene una estructura en que porosidad φ, grosor x (m) y tortuosidad τ están en relación entre sí como se da por

    45 )1(EcuaciónSx

    en la que S es un parámetro estructural que tiene un valor de 0,0015 m o menor, la porosidad φ es mayor de un 50% y la tortuosidad τ es menor de 2,5, y en la que la membrana tiene una permeabilidad al agua de más de 1·10-11 m/sPa y una permeabilidad a la sal menor de 3·108m/s; y al menos una turbina.
13. 13. Planta según la reivindicación 12, en la que la turbina está localizada aguas abajo de una salida de dicha membrana, y que comprende adicionalmente un sistema de intercambio de presión para la transferencia hidráulica 50

    directa de presión osmótica a presión elevada separada de una salida de dicha membrana hasta una entrada de la misma.
14. 14. Planta según la reivindicación 13, caracterizada porque se localiza al menos una turbina que proporciona energía aguas abajo de dicha salida, así como aguas abajo de una localización en que dicha transferencia de presión se ramifica de la salida. 5
15. 15. Planta según la reivindicación 12, caracterizada porque la planta está localizada 80-200 m por debajo del nivel del suelo; porque se pasa agua dulce a través de tuberías aguas abajo a dicha al menos una turbina que está localizada aguas arriba de la entrada de agua dulce de dicha membrana; porque se pasa adicionalmente agua dulce de la turbina al lado a baja presión de dicha membrana; porque se pasa agua de mar al lado de alta presión de dicha membrana, habiéndose presurizado dicha agua de mar mediante energía hidrostática; porque el agua de mar se 10 permite circular a través de dicho lado a alta presión de dicha membrana; porque el agua dulce se transporta a través de dicha membrana por energía osmótica y porque el agua que deja la planta es agua dulce mezclada con agua de mar.