Seawater desalination using wind energy. Case study: Johnny Cay-Colômbia

Tese de mestrado integrado em Engenharia da Energia e do Ambiente, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2016A escassez de água potável é um problema atual em certas regiões do planeta e vários estudos indicam que todos os dias se está a alastrar a outras regiões do globo. Na literatura há uma enorme quantidade de indicadores e de índices relacionados com a água. Cada um deles tem sido definido sob diferentes premissas e condições, por isso, a sua aplicabilidade pode ou não ser adequada em todas as áreas de estudo. Um dos indicadores mais utilizados é o “índice de stress hídrico” que afirma que quando as reservas anuais de água estão abaixo dos 1 000 m3 por pessoa, a população enfrenta escassez de água. No entanto a água é um recurso muito complexo. Ao contrário do que acontece com um recurso estático, como terra, a água ocorre num ciclo muito dinâmico de chuva, escoamento e evaporação, com enormes variações temporais e espaciais, bem como variações na qualidade. A água pode ser um incómodo (em cheias), bem como um recurso de salvação (em secas) sendo que ambas as condições podem ocorrer num local dentro de um único ano. Por esta razão, a disponibilidade anual de água num determinado local tem pouco significado quando estamos a avaliar a sua escassez. Existem três fatores que são a principal causa da falta de água no globo: a variabilidade climática; o rácio supply/demand e os acessos. O primeiro destes fatores é um fenómeno natural causado principalmente pela variação da quantidade de precipitação. No entanto, há estudos que indicam que, devido às alterações climáticas, há cada vez fenómenos mais extremos de precipitação, causando cheias e/ou secas mais ou menos intensas e prolongadas. O segundo fator tem diversas origens, entres elas, o desenvolvimento económico de uma região, que potencia o uso de água nas indústrias e noutros setores, por outro lado a sobrepopulação, a poluição, o aumento da qualidade de vida e o ineficiente uso do recurso disponível. O terceiro fator é o principal no que toca aos números de pessoas afetadas (663 milhões), neste caso o recurso existe mas por razões económicas não está disponível. Para travar este problema sugeriram-se algumas soluções, entre elas a dessalinização da água do mar. Atualmente há mais do que 17 000 centrais de dessalinização no mundo que, combinadas, produzem um total de 80 milhões m3 de água potável em mais de 150 países, abastecendo mais de 300 milhões de pessoas. Todas estas centrais funcionam com base em dois principais processos de dessalinização: os processos térmicos (ou de mudança de fase), que usam um método equivalente ao ciclo da água,ou seja, a água salgada aquece, evapora, condensa e precipita sob a forma de água potável e os processos de membranas, onde, como o nome indica, o processo de separação dos sais minerais da água é feito com recurso a uma membrana. Dentro das tecnologias com base em processos de membranas destacam-se os sistemas de osmose inversa (reverse osmosis em inglês, ou RO) que representam 65% da capacidade total instalada em dessalinização. Nesta tecnologia a água do mar é bombeada (com recurso a uma bomba de alta pressão) contra uma membrana semipermeável, na qual ficam retidos a maioria dos sais contidos na água, produzindo assim água potável. O custo dos sistemas RO decresceu bastante desde a sua comercialização em 1970 até hoje, devido a melhorias das tecnologias das membranas, bombagem e sistemas de recuperação de energia. No entanto, os seus custos continuam a ser bastantes elevados, principalmente devido à grande quantidade de energia necessária para abastecer a bomba de alta pressão. Energia essa que vem com impactos ambientais associados, mais especificamente a emissão de gazes de efeito de estufa, devido aos combustíveis fósseis utilizados pelos sistemas convencionais na produção de eletricidade. Este facto motivou o desenvolvimento de tecnologias de dessalinização integradas com fontes de energia limpa e grátis, as energias renováveis. Em ilhas e regiões remotas, onde as instalações elétricas são economicamente inviáveis e o recurso eólico é abundante, a dessalinização da água do mar através da energia disponível no vento surge como uma possível solução à escassez de água potável. O presente trabalho tem como objetivo o estudo da viabilidade técnico-económica de um microssistema de dessalinização da água do mar por osmose inversa, utilizando energia eólica e tendo como caso de aplicação na ilha Johnny Cay, que não possui água potável nem eletricidade. Johnny Cay é uma pequena ilha Colombiana localizada no mar das Caraíbas. Esta é principalmente visitada por turistas que aproveitam o sol e as águas cristalinas para beber uma bebida fresca ou comer peixe acabado de pescar num dos diversos restaurantes e bares espalhados pela ilha. No entanto, como não existe água potável nem gelo estes bens têm de ser importados para fazer face a uma demanda média anual de 120 450 L e 369 380 kg, respetivamente. Isto dificulta as contas dos comerciantes ao mesmo tempo que traz prejuízos ambientais devido ao combustível gasto para transportar os bens, e à grande quantidade de plástico necessário. Tendo em conta as necessidades previstas da ilha, bem como o recurso de energia renovável disponível, é proposta a implementação de um microssistema híbrido composto por uma turbina eólica ligada a um sistema de dessalinização da água do mar por osmose inversa (seawater reverse osmosis em inglês, ou SWRO) e a um gerador de reserva, de maneira a produzir água potável e fornecer eletricidade para a comunidade local. Um sistema de energia solar fotovoltaica será também utilizado para suportar as necessidades elétricas. Em ilhas pequenas, onde a mão-de-obra qualificada é escassa e o orçamento é limitado, o custo de investimento juntamente com a simplicidade pode ser um fator preponderante na escolha de um sistema de dessalinização. Tendo isto em conta, como grande parte da energia necessária numa unidade SWRO é consumida pela bomba de alta pressão (high pressure pump em inglês, ou HPP), a ideia de uma ligação mecânica entre a turbina e a HPP parece à primeira vista mais simples e económica do que a utilização de um aerogerador, visto que deste modo vão existir menos formas de conversão de energia envolvidas (com o uso de um aerogerador normal seria necessária a conversão de energia mecânica em elétrica que teria de ser novamente convertida em energia mecânica antes de chegar ao RO). No sistema estudado a energia disponível do vento é transferida para as pás do rotor que está acoplado a uma bomba de cilindrada fixa, esta, por sua vez, está ligada a um sistema hidráulico que ocupa toda a extensão interior da torre da turbina, desde a altura da nacelle até ao solo. A velocidade de rotação do rotor é proporcional ao fluxo bombeado pela bomba. Através de um conjunto de válvulas no sistema hidráulico o fluxo do óleo que chega ao RO e ao gerador é mantido praticamente constante enquanto o excesso é desviado de volta para o cimo da torre. A energia contida no óleo é então transferida à água salgada através de um motor acoplado à bomba de alta pressão do RO fazendo movimentar 1,43 m3/h de água salgada através de dois módulos de membranas do tipo spiral-wound. Deste fluxo 0,5 m3/h sai sob forma de água potável.Water scarcity is a current problem in certain parts of the world and several studies indicate that every day it is spreading to other regions of the globe, mainly due to population growth, the desire to improve life’s quality and climate changes. To minimize this growing problem seawater desalination techniques have been applied. However, conventional systems are very expensive and require a lot of energy, usually from fossil fuels. On islands and remote areas, where electrical installations are economically unviable and the wind resource is abundant, desalination of seawater using the kinetic energy of wind comes up as a possible solution to the shortage of drinking water. This work aims to study the technical and economic feasibility of a seawater desalination microsystem by reverse osmosis, using wind power and with a practical application in the small Colombian island, Johnny Cay, which has no drinking water nor electricity