Diseño óptimo de sistemas de desalinización integrados térmicamente

Abstract

Water and energy consumption has increased substantially over the last decades. Water scarcity has led to an increase in the extraction of fresh water from aquifers, dams, and lakes, and it has produced serious overexploitation problems. Furthermore, the population growth in urbanized areas and the increase in water and energy demands in the industry, agriculture, and households have amplified this problem. As consequence, there are several regions where is almost impossible to satisfy the water demands using the available water resources. In this context, the use of alternative water resources such as reclaimed water, rainwater harvesting and the potential use of desalinated water can be an option. However, desalinated seawater is very expensive because the high energy consumption and this way to integrate a seawater desalination plant to a power plant to simultaneously produce clean water and power can be an attractive option. This thesis presents three strategies of thermal integration focused on the reduction of desalination costs, as well as the integration of power-desalination plants into macroscopic water and power distribution networks. In the following chapters, a series of mathematical optimization models are presented in order to evaluate either economic, environmental or social viability. Chapter one presents an overview of the most used desalination systems and their relationship with the strategies proposed in this thesis.

El consumo de agua y energía ha aumentado considerablemente en las últimas décadas. La escasez de agua ha llevado a un aumento en la extracción de agua en acuíferos, ríos y lagos, esto ha generado serios problemas de sobreexplotación de los recursos hídricos. Además, el crecimiento de la población en las zonas urbanizadas, así como el aumento de las demandas de agua y energía en la industria, la agricultura y los hogares han intensificado este problema. Como consecuencia, hay varias regiones donde es casi imposible satisfacer las demandas de agua utilizando los recursos hídricos disponibles. En este contexto, estrategias alternativas como el tratamiento de aguas negras, la recolección de agua de lluvia y el uso potencial de agua desalinizada puede ser una opción. Sin embargo, procesos como la desalinización de agua de mar son altamente costosos, principalmente por el alto consumo de energético, en este sentido, la integración térmica involucrando los sistemas de desalinización de agua de mar aparece como una opción viable para la reducción de los costos de producción. En esta tesis de investigación se presentan tres estrategias de integración térmica enfocadas a la reducción de los costos de desalación, así como la integración a sistemas macroscópicos de distribución de agua de mar involucrando sistemas de desalinización acoplados a sistemas de producción de energía eléctrica. En los capítulos de esta tesis se presentan diversos modelos de optimización matemática desarrollados para evaluar la viabilidad económica, ambiental y social de las diferentes estrategias presentadas en este trabajo de investigación. En el capítulo uno se presenta una visión general de los sistemas de desalinización más utilizados y su relación con las estrategias propuestas en este trabajo de investigación.