Definicion
Dispositivo de recuperacion de energia que aprovecha la presion del concentrado para reducir el consumo energetico de la bomba de alta presion. En plantas de agua de mar (SWRO) puede reducir el consumo electrico hasta un 60%. Tipos comunes: turbina Pelton, intercambiadores de presion (PX).
¿Que es un ERD?
En un sistema SWRO sin ERD, la corriente de concentrado sale a presiones de 50-55 bar y simplemente se descarga, desperdiciando toda esa energia. Con un ERD, esta energia se transfiere al agua de alimentacion entrante, reduciendo drasticamente el trabajo que debe realizar la bomba de alta presion.
Para plantas de agua de mar, un ERD puede reducir el consumo energetico de 6-8 kWh/m³ a 2.5-4 kWh/m³, representando ahorros del 50-60% en costos de energia. En plantas grandes, esto puede significar ahorros de millones de dolares anuales y reduccion significativa de la huella de carbono.
Tipos de dispositivos de recuperacion de energia
Turbocharger: Similar a un turbocargador automotriz. Una turbina impulsada por el concentrado esta acoplada a una bomba que presuriza agua de alimentacion adicional. Eficiencia: 85-90%. Util en plantas medianas donde el costo de intercambiadores isobaricos no se justifica.
Intercambiador de presion isobarico (PX): Tecnologia más moderna y eficiente. Dispositivo de desplazamiento positivo donde el concentrado de alta presion presuriza directamente el agua de alimentacion en camaras rotativas. Eficiencia: 95-98%. No tiene sellos, minimo mantenimiento. Es el ERD estandar en plantas SWRO modernas grandes (>5,000 m³/dia).
Camaras de presion: Sistema de dos tanques que alternan entre recibir concentrado (presurizar) y descargar agua presurizada. Eficiencia: 90-95%. Usado en plantas pequeñas o como backup. Operacion intermitente con valvulas automaticas.
Funcionamiento del intercambiador PX
Principio de operacion: Un rotor ceramico con multiples canales paralelos gira dentro de un housing. El concentrado de alta presion entra por un extremo, empujando el agua de alimentacion de baja presion hacia el lado opuesto. La transferencia es casi isobarica (sin cambio de presion) y muy eficiente.
Proceso ciclico: Cada canal del rotor se llena alternativamente con concentrado y luego con agua de alimentacion. Cuando el concentrado entra, presuriza instantaneamente el agua de alimentacion que estaba en el canal. El rotor gira a 600-800 RPM, creando miles de ciclos por minuto.
Eficiencia termodinamica: La transferencia directa presion-a-presion sin conversion a energia mecanica resulta en eficiencias de 95-98%, mucho mayores que turbinas.
Minima mezcla: Hay una pequeña mezcla (5-8%) entre concentrado y alimentacion en la interfase, pero esto es aceptable y se compensa en el diseño del sistema.
Sin partes moviles en contacto: El rotor "flota" en un colchon hidraulico, sin contacto metal-metal, resultando en desgaste minimo y vida util de 20+ años.
Mantenimiento: Practicamente libre de mantenimiento. Inspeccion visual anual. Reemplazo de sellos (o-rings) cada 5-7 años.
Impacto economico y ambiental
Impacto financiero: A $0.15/kWh, el ahorro anual seria: - $1,916,250 USD/año - Con costo de ERD de ~$500,000, el payback es de 3-4 meses - Durante 20 años de vida de la planta: $38+ millones USD ahorrados
Reduccion de emisiones: - Reduccion de 12,775 MWh/año - Equivalente a ~9,000 toneladas CO₂/año evitadas - Equivalente a retirar 1,800 automoviles de las calles
Viabilidad economica: Sin ERD, muchos proyectos de desalinizacion de agua de mar no serian economicamente viables. El ERD es lo que hace que SWRO compita con fuentes convencionales de agua en zonas costeras.
Watersy incluye ERD en todas sus plantas SWRO mayores a 50 m³/dia, maximizando la eficiencia y minimizando el costo del agua producida.
Comparacion de tecnologias ERD
| Tipo ERD | Eficiencia | CAPEX | Mantenimiento | Aplicacion ideal | Fabricante principal |
|---|---|---|---|---|---|
| Turbina Pelton | 85-90% | Bajo | Medio | Plantas medianas | Varios |
| Turbocharger | 85-90% | Medio | Medio | 1,000-5,000 m³/d | Danfoss, KSB |
| PX (isobarico) | 95-98% | Alto | Muy bajo | >5,000 m³/d | Energy Recovery Inc. |
| Camaras presion | 90-95% | Bajo | Alto | <1,000 m³/d | Varios |
| Piston hidraulico | 88-92% | Medio | Alto | Batch, pequeñas | Varios |
Consumo energetico SWRO con y sin ERD (kWh/m³)
| Componente | Sin ERD | Con Turbina | Con PX | Notas |
|---|---|---|---|---|
| Bomba alta presion | 6.5 | 4.0 | 3.0 | Mayor reduccion con PX |
| Bombeo alimentacion | 0.3 | 0.3 | 0.5 | PX requiere booster pump |
| Pretratamiento | 0.4 | 0.4 | 0.4 | Constante |
| Postratamiento | 0.2 | 0.2 | 0.2 | Constante |
| Auxiliares | 0.1 | 0.1 | 0.1 | Instrumentacion, etc |
| TOTAL | 7.5 | 5.0 | 4.2 | 44% ahorro con PX |
Analisis costo-beneficio ERD para diferentes capacidades
| Capacidad (m³/d) | Costo ERD | Ahorro anual* | Payback (meses) | Recomendacion |
|---|---|---|---|---|
| 100 | $50,000 | $32,850 | 18 | Opcional |
| 500 | $150,000 | $164,250 | 11 | Recomendado |
| 1,000 | $250,000 | $328,500 | 9 | Recomendado |
| 5,000 | $800,000 | $1,642,500 | 6 | Esencial |
| 10,000 | $1,200,000 | $3,285,000 | 4 | Esencial |
| 50,000 | $4,500,000 | $16,425,000 | 3 | Esencial |
Bibliografia
- [1] (2007). Seawater reverse osmosis with isobaric energy recovery devices. Desalination, 203 (1-3), 168-175. DOI: 10.1016/j.desal.2006.03.528
- [2] (2023). PX Pressure Exchanger Energy Recovery Device: Technical Manual. Energy Recovery Inc.. Disponible en: https://www.energyrecovery.com
- [3] (2018). Energy use for membrane seawater desalination. Desalination, 431 2-14. DOI: 10.1016/j.desal.2017.10.033