ES2562603T3 - Motor de calor osmótico - Google Patents

Abstract

Un método para generar energía con el uso de un motor de calor osmótico de amoniaco-dióxido de carbono, que comprende las etapas de: a) presurizar una solución de extracción concentrada hasta una presión hidráulica inferior que su presión osmótica en un primer lado de una membrana semipermeable, en donde la solución de extracción concentrada comprende amoniaco y dióxido de carbono; b) introducir un fluido de trabajo diluido en el lado opuesto de dicha membrana semipermeable, en donde el fluido de trabajo diluido comprende agua casi desionizada; c) hacer que una porción del fluido de trabajo diluido fluya a través de la membrana semipermeable en la solución de extracción presurizada para crear un flujo de agua que expande el volumen de la solución de extracción; d) inducir el flujo del volumen expandido de la solución de extracción a través de una turbina para producir energía; e) separar térmicamente el amoniaco y dióxido de carbono de la solución de extracción, y f) reciclar el amoniaco y dióxido de carbono, produciendo de ese modo nuevas corrientes de la solución de extracción y del fluido de trabajo para reutilizarlas en el sistema.

Description

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

DESCRIPCION

Motor de calor osmotico

Referencia cruzada a solicitudes relacionadas

Esta solicitud reivindica el beneficio de la Solicitud Provisional de los Estados Unidos num. 60/858,245, presentada el 9 de noviembre de 2006.

Campo de la invencion

La presente invencion se refiere a un motor de calor osmotico para convertir la energfa termica en trabajo mecanico que utiliza una membrana semipermeable para convertir la presion osmotica en ene^a electrica.

Antecedentes de la invencion

El aumento de la demanda mundial de energfa, junto con la ampliacion de la regulacion de las emisiones de dioxido de carbono, han ampliado el interes por las energfas renovables y la mejora de la eficiencia en el uso de los combustibles. Sin embargo, una restriccion importante en cuanto a la adopcion de nuevos combustibles y tecnologfas de energfa es el costo de la energfa producida por estos medios. Aunque los subsidios y otras formas de apoyo artificial pueden ayudar en la introduccion de estas fuentes de energfa renovables, el desplazamiento exitoso de los combustibles tradicionales debe ser impulsado necesariamente por los costos totales de energfa.

La osmosis por presion retardada (PRO), o "energfa de la salinidad", como se denomina a menudo, es un proceso de conversion de energfa a base de membrana de presion osmotica. La PRO utiliza el flujo osmotico a traves de una membrana semipermeable para generar electricidad. Los procesos PRO se discuten, por ejemplo en la patente de los Estados Unidos num. 3,906,250 de Loeb, patente de los Estados Unidos num. 3,587,227 de Weingarten y otros, y patente de los Estados Unidos num. 3,978,344 de Jellinek.

El documento US 2006/225420 se considera como la tecnica anterior mas cercana a la materia de la reivindicacion 1.

Inicialmente, los lugares considerados adecuados para usar tecnologfa PRO se concentraron en los deltas de los nos en los cuerpos de agua salina tales como los oceanos, el Mar Muerto o el Gran Lago Salado. En estos lugares, existe un gradiente de presion osmotica donde el agua dulce de un no se mezcla libremente con agua de mar. El proceso PRO utiliza esta energfa qmmica y la convierte en electricidad. En los procesos PRO de la tecnica anterior, el agua salina se presuriza y se coloca opuesta al agua fresca a traves de una membrana semipermeable. La diferencia de presion osmotica entre el agua de mar y el agua dulce (que es mayor que la presion hidraulica inducida en el agua de mar) hace que se produzca el flujo osmotico a traves de las membranas. A medida que se produce el flujo dentro del agua de mar presurizada, la presion se alivia por expansion a traves de una turbina hidraulica (u otros medios) que genera electricidad.

Los procesos PRO en los deltas de los nos, denominados, ademas, PRO de "lazo abierto", tienen varias limitaciones operativas y de diseno. La primera es la necesidad de pretratamiento extensivo de las corrientes de alimentacion y extraccion, similar al requerido en los procesos de desalinizacion, para impedir la contaminacion de las membranas y componentes del proceso.

Otra dificultad se origina de las bajas presiones diferenciales osmoticas encontradas entre muchas aguas de alimentacion naturales. Esto es, la diferencia de presion osmotica disponible no es extraordinariamente alta a menos que el cuerpo de agua salina sea hipersalino, tal como el Mar Muerto o el Gran Lago Salado. Desafortunadamente, el flujo volumetrico del agua en estos cuerpos de agua es algo pequeno y por lo tanto dara energfa limitada incluso para un proceso PRO bien disenado. El agua de mar, por ejemplo, tiene una presion osmotica de aproximadamente 2.53 MPa (25 atm), la cual no deja margen para las altas presiones hidraulicas que son deseables para la produccion eficiente de energfa. En los casos donde se consideran corrientes de concentraciones mas altas, pueden usarse presiones hidraulicas mas altas, pero la eficiencia del proceso sufrira significativamente por la polarizacion por concentracion interna (ICP) que se produce en la estructura de soporte de la membrana usada para el proceso. Este fenomeno se exacerba particularmente por el mayor grosor de la capa de soporte requerido para resistir las mayores presiones hidraulicas permitidas por las corrientes mas concentradas.

Una consideracion final es la necesidad de colocar las instalaciones de energfa en la interfaz entre las corrientes naturales, frecuentemente areas de considerable importancia medioambiental, tales como estuarios, humedales y bahuas.

Sin embargo, el obstaculo principal para un proceso PRO factible es el pobre rendimiento de la membrana. Las investigaciones anteriores sobre PRO han encontrado que el rendimiento del flujo de la membrana era demasiado pobre para hacer de la generacion de energfa una opcion factible. Las bajas velocidades de flujo requieren el uso de mas area

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

de membrana para lograr el flujo volumetrico suficiente para generar energfa y se deben a un fenomeno denominado polarizacion por concentracion.

El flujo se produce desde la solucion de "alimentacion" diluida (agua dulce) hacia la solucion de "extraccion" concentrada (agua de mar). A medida que esto se produce, los solutos se acumulan a lo largo de la superficie de la membrana a lo largo del lado de alimentacion. En el lado del permeado de la membrana, el solvente diluye los solutos disueltos a lo largo de la superficie de la membrana. Dado que las concentraciones de soluto en la superficie de la membrana determinan la diferencia real de presion osmotica a traves de la membrana, estos fenomenos de polarizacion por concentracion deben minimizarse para asegurar flujos altos. La gravedad de los fenomenos de polarizacion por concentracion puede mitigarse por flujo cruzado, en donde el flujo turbulento cerca de la superficie de la membrana puede disminuir el grosor de estas capas lfmite.

Desafortunadamente, las membranas que se usan actualmente son de estructura asimetrica. En estas membranas, una capa de separacion delgada (la capa que rechaza la sal, denominada, ademas, la "capa activa") se soporta por una capa porosa de soporte la cual proporciona resistencia mecanica a la membrana. Estas membranas se han disenado para procesos de membrana conducidos por presion, tales como la osmosis inversa (RO). En la osmosis inversa, estas capas de soporte no inhiben el flujo ya que el agua se obliga literalmente a pasar a traves de la membrana por la presion hidraulica. Por otra parte, en el flujo osmotico, la fuerza impulsora de la presion osmotica se establece solo sobre la capa activa fina. La capa de soporte poroso juega un papel importante, y a menudo obstaculiza, el rendimiento del flujo osmotico.

Como se ilustra en la Fig. 1, puede formarse una significativa capa de polarizacion por concentracion dentro de la capa porosa de soporte en el lado de alimentacion. Denominada "polarizacion por concentracion interna" (ICP), esta capa afecta la presion osmotica en una medida mucho mayor que las capas de polarizacion por concentracion externa a la membrana (ECP). La minimizacion o eliminacion de la iCp es cntica para el rendimiento factible de la osmosis por presion retardada. La membrana, sin embargo, aun debe ser capaz de rechazar la sal en un alto grado, y ser altamente permeable al agua.

Para las aplicaciones de la PRO, la solucion de extraccion debe tener una alta presion osmotica para generar cantidades razonables de energfa. En la PRO en deltas de nos, sin embargo, los gradientes de presion osmotica son mas bien pequenos. Los gradientes mas pequenos de presion osmotica requieren mas area de membrana para generar grandes flujos volumetricos. Este problema, combinado con la ICP y los fenomenos de contaminacion, hacen aun mas pequena la presion osmotica disponible. Otros problemas asociados con el soluto de extraccion incluyen la compatibilidad con los componentes del sistema y con la membrana. El agua de mar puede ser corrosiva para las piezas metalicas y tanto el agua dulce como el agua de mar pueden contener componentes biologicos que provocan la contaminacion biologica de los componentes del sistema, que incluyen la membrana.

La PRO en deltas de nos funciona, ademas, en una configuracion de lazo abierto. Esto significa que las soluciones de alimentacion y de extraccion se devuelven a los oceanos despues que se completa el proceso PRO. Cuando el agua de mar y el agua de no se introducen en el sistema de PRO, deben filtrarse y desinfectarse para impedir la contaminacion y la formacion de pelfculas biologicas, respectivamente. Ademas de anadirse al costo global del proyecto, cualquier producto qmmico que se anada a estas aguas debe purgarse hacia el mar o eliminarse a traves de medios ffsicos o qmmicos. La eliminacion de los productos qmmicos de desinfeccion y de los derivados de la desinfeccion puede tener impactos ambientales imprevistos. La desviacion del agua de los nos tambien puede tener un impacto ambiental en la sensible ecologfa del delta de los nos.

Asf, para crear un proceso de osmosis por presion retardada factible, se ha propuesto el uso de sistemas de PRO de ciclo cerrado, los cuales pretenden usar calor de baja temperatura para reciclar un agente osmotico. Esta estrategia no aprovecha los gradientes de salinidad natural pero en cambio explora el uso de la presion osmotica como un medio para la produccion de trabajo, que permite la conversion de fuentes de calor de baja temperatura medioambientalmente benignas en energfa electrica. En varios procesos, la solucion de extraccion es una solucion de una sal ionica, tal como cloruro de sodio, como se describe por ejemplo en la patente de los Estados Unidos num. 3,906,250 de Loeb. El calor aplicado al OHE volvena a concentrar la solucion de extraccion por la vaporizacion de una porcion del agua en vapor, la cual se condensana despues para formar el fluido de trabajo desionizado. Otros procesos implican la remocion de un soluto organico volatil, o la precipitacion qmmica de los solutos seguida por su disolucion nuevamente.

Una dificultad primaria enfrentada por estos OHE es la pobre eficiencia termica debida a los altos requerimientos de entrada de calor para la vaporizacion del agua y del soluto organico. En el caso de solutos precipitables qmmicamente, el consumo de materias primas qmmicas puede plantear dificultades para la operacion economica. Un desaffo adicional es la dificultad de obtener la separacion del soluto suficientemente completa para evitar los efectos de la polarizacion por concentracion (CP) en el agua de entrada. Este no es un problema cuando el agua se vaporiza y vuelve a condensarse como fluido de trabajo destilado, pero podna plantear un problema significativo cuando se usan solutos de extraccion removibles los cuales son diffciles de eliminar completamente.

Esto apunta a un desaffo recurrente, adicional en los procesos de membrana conducidos por osmosis - la dificultad de identificar un soluto que pueda tanto crear altas presiones osmoticas como ser altamente removible para su

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

reutilizacion. La capacidad de remocion casi completa es muy importante, porque los efectos de polarizacion por concentracion interna en el fluido de trabajo (solucion de alimentacion) pueden reducir drasticamente el flujo de agua de la membrana. As^ el motor de calor osmotico ideal usana un soluto de extraccion que tiene las siguientes caractensticas: (1) muy soluble; (2) completamente removible; (3) tiene una alta difusividad para la transferencia de masa efectiva en el sistema de membrana, y (4) requiere menos calor para la remocion del soluto que el requerido para la vaporizacion del agua o de los solutos organicos altamente solubles.

La invencion descrita en la presente descripcion intenta superar algunos de los problemas indicados de la tecnica anterior mediante la proposicion de un medio alternativo de produccion de energfa, que usa presion osmotica para generar energfa electrica a partir de fuentes de calor de bajo nivel. Aunque se han realizado varias investigaciones anteriores del uso de los fenomenos osmoticos para producir energfa, tales como esos usados para convertir la "energfa de la salinidad" a partir de la mezcla de corrientes de agua salina y dulce naturales, relativamente pocos estudios se han centrado en el uso de los fenomenos osmoticos para producir energfa a traves de la conversion de calor.

Resumen de la invencion

Es un objetivo de la presente invencion proporcionar un motor de calor osmotico que incluye agua diluida (casi desionizada) como un fluido de trabajo y una membrana que se configura de manera que la polarizacion por concentracion interna no impide el flujo osmotico del agua a traves de la membrana.

Es otro objetivo de la presente invencion proporcionar un motor de calor osmotico que tiene un soluto de extraccion que es completamente compatible con todos los componentes del sistema.

Es ademas otro objetivo de la presente invencion proporcionar un motor de calor osmotico que usa un soluto de extraccion que es muy soluble y completamente extrafble.

Es ademas otro objetivo de la presente invencion proporcionar un motor de calor osmotico que tiene un soluto de extraccion que proporciona un gradiente de presion osmotica grande

Es ademas otro objetivo de la presente invencion proporcionar un motor de calor osmotico que mitigue los impactos ambientales del proceso PRO.

Para este fin, la presente invencion se refiere generalmente a un proceso PRO de lazo cerrado que utiliza un soluto de extraccion reciclable.

En una modalidad, la presente invencion se refiere a un metodo para generar energfa mediante el uso de un motor de calor osmotico de amoniaco-dioxido de carbono, que comprende las etapas de:

a) presurizar una solucion de extraccion concentrada hasta una presion hidraulica inferior a su presion osmotica en un primer lado de una membrana semipermeable;

b) introducir un fluido de trabajo diluido (casi desionizado) en un lado opuesto de la membrana semipermeable;

c) hacer que una porcion del fluido de trabajo diluido fluya a traves de la membrana semipermeable en la solucion de extraccion presurizada para crear un flujo de agua que expande el volumen de la solucion de extraccion;

d) inducir el flujo del volumen expandido de la solucion de extraccion a traves de una turbina para producir energfa; y

e) procesar el volumen expandido de la solucion de extraccion a traves de una columna de destilacion a una temperatura y presion adecuadas para separar los solutos de la solucion de extraccion, y de ese modo producir nuevas corrientes de la solucion de extraccion y del fluido de trabajo para reutilizarlas en el sistema.

Breve Descripcion de las Figuras

Para una comprension mas completa de la invencion, se hace referencia a la siguiente descripcion tomada en conjunto con las figuras adjuntas, en las cuales:

La Fig. 1 representa el proceso PRO en presencia de polarizacion por concentracion interna en el lado de alimentacion de la membrana y polarizacion por concentracion externa en el lado de la solucion de extraccion de la membrana.

La Fig. 2 representa un sistema de motor de calor osmotico de acuerdo con la presente invencion.

La Fig. 3 representa los datos de flujo y muestra la relacion entre el flujo de agua y la concentracion de la solucion de extraccion para la membrana.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

La Fig. 4 representa la densidad de energfa de la membrana con relacion a las presiones hidraulicas y osmoticas en el motor de calor osmotico de la invencion.

La Fig. 5 representa la eficiencia del motor de calor osmotico como un porcentaje de la eficiencia del motor de Carnot, con relacion a la diferencia entre las presiones hidraulica y osmotica de la solucion de extraccion.

Descripcion detallada de las modalidades preferidas

La presente invencion se refiere generalmente a un metodo para generar energfa mediante el uso de un motor de calor osmotico de amoniaco-dioxido de carbono que comprende las etapas de:

a) presurizar una solucion de extraccion concentrada hasta una presion hidraulica inferior que su presion osmotica en un primer lado de una membrana semipermeable, en donde la solucion de extraccion concentrada comprende amoniaco y dioxido de carbono;

b) introducir un fluido de trabajo diluido en un lado opuesto de la membrana semipermeable, en donde el fluido de trabajo diluido comprende agua casi desionizada;

c) hacer que una porcion del fluido de trabajo diluido fluya a traves de la membrana semipermeable en la solucion de extraccion presurizada para crear un flujo de agua que expande el volumen de la solucion de extraccion;

d) inducir el flujo del volumen expandido de la solucion de extraccion a traves de una turbina para producir energfa; y

e) procesar el volumen expandido de la solucion de extraccion a traves de una columna de destilacion a una temperatura y presion adecuadas para separar los solutos de la solucion de extraccion, y de ese modo producir nuevas corrientes de la solucion de extraccion y del fluido de trabajo para volverlas a introducir en el sistema.

El motor de calor osmotico descrito en la presente descripcion se disena para competir con otros tipos de motores termicos, incluyendo turbinas de gas (Ciclo de Brayton), turbinas de vapor de agua (Ciclo de Rankine), motores de combustion interna (gasolina, diesel), y motores de combustion externa (motores de Stirling).

La presente invencion se refiere a un motor de calor osmotico de ciclo cerrado. El sistema usa una solucion de extraccion de amoniaco-dioxido de carbono y un fluido de trabajo de agua desionizada. El fluido de trabajo de agua desionizada comprende agua que esta practicamente (o casi) desionizada. Por casi desionizada se entiende que el fluido de trabajo de agua desionizada contiene menos de 1 ppm de amoniaco y dioxido de carbono y ningun otro soluto. La solucion de extraccion es muy soluble, osmoticamente eficiente y contiene solutos completamente removibles y reciclables. El uso de agua desionizada como fluido de trabajo maximiza la transferencia de masa de la membrana mediante la eliminacion de los efectos de polarizacion por concentracion interna.

La solucion de extraccion comprende sales de amonio formadas por la introduccion de amoniaco y dioxido de carbono en el agua y se usa en el OHE de la invencion para generar energfa electrica. La solucion de extraccion se formula mediante la mezcla de sal de bicarbonato amonico con hidroxido amonico para formar una solucion compleja de sales de amonio que comprenden bicarbonato amonico, carbonato amonico y carbamato amonico. La cantidad de hidroxido de amonio anadido se reduce al mmimo para reducir al mmimo la concentracion de amomaco no ionizado en la solucion de extraccion. La solucion de extraccion concentrada tiene una relacion de amoniaco a dioxido de carbono de entre aproximadamente 1:1 a 2.5:1. Ademas, la solucion de extraccion tiene una concentracion de entre 0.1 y 12 molar, preferentemente entre aproximadamente 3 a aproximadamente 6 molar.

Esta solucion de extraccion tiene varias caractensticas deseables, que incluyen (1) alta solubilidad de las sales de amonio; (2) relativamente bajo peso molecular y alta difusividad de las especies qmmicas que conducen a altas presiones osmoticas y moderados efectos de la polarizacion por concentracion externa; (3) los solutos que son casi completamente removibles porque las sales de amonio, despues del calentamiento con la solucion de extraccion a una temperatura y presion apropiadas (por ejemplo, 60 °C a 101.3 kPa (1 atm), se descomponen en gases de amoniaco y dioxido de carbono que pueden removerse facilmente hasta niveles de menos que 1 ppm; y (4) la energfa termica requerida para la remocion y reciclaje de estos solutos de una cantidad de agua es significativamente menos que la requerida para vaporizar la misma agua.

En el motor de calor osmotico de amoniaco-dioxido de carbono de la invencion, la solucion de extraccion concentrada se presuriza a una presion hidraulica menor que su presion osmotica, un fluido de trabajo diluido (agua desionizada que contiene menos de 1 ppm de amoniaco y dioxido de carbono) fluye a traves de la membrana semipermeable en la solucion presurizada, y este flujo de agua expande el volumen de la solucion de extraccion, lo que induce el flujo a traves de una turbina, que produce energfa. El calor se introduce en el motor de calor osmotico para impulsar una separacion de los solutos de la solucion de extraccion, que resulta en las corrientes de la solucion de extraccion y del fluido de trabajo renovadas. Un intercambiador de presion similar a los usados en la desalinizacion por osmosis inversa (RO) se usa para mantener la presion del lado de la solucion de extraccion de la membrana en funcionamiento en estado estacionario.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

La presente invencion usa un soluto de extraccion readable en PRO, donde el calor se introduce en el sistema el cual sirve para regenerar el soluto de extraccion y el calor en exceso se rechaza hacia el ambiente de alguna manera. El sistema se conoce como un "motor de calor osmotico" porque se absorbe y se rechaza el calor y se produce trabajo. Aunque se han configurado previamente diferentes concepciones de este tipo de sistema, el rendimiento pobre de la membrana y/o el uso ineficiente de calor limitaron el desarrollo adicional, debido en parte al rendimiento inadecuado de los agentes de la solucion de extraccion seleccionados y los graves efectos de polarizacion por concentracion interna.

Con el fin de superar las deficiencias de la tecnica anterior, la presente invencion propone el uso de un motor de calor osmotico de amoniaco- dioxido de carbono (NH3-CO2). Este motor de calor se ilustra en la Fig. 2 y usa una mezcla de gases de amoniaco y dioxido de carbono mezclados en la solucion. Estos gases forman sales de amonio altamente solubles en solucion, las cuales pueden generar presiones osmoticas de mas de 250 atmosferas, mas de 10 veces la del agua de mar. La solucion de extraccion es muy soluble, osmoticamente eficiente, y contiene solutos altamente removibles y reciclables. El uso de agua desionizada como fluido de trabajo maximiza la transferencia de masa de la membrana mediante la eliminacion de los efectos de polarizacion por concentracion interna. Los resultados que se proporcionan en este documento demuestran la viabilidad del motor termico osmotico para la conversion practica de fuentes de calor de baja temperatura en energfa.

El motor de calor osmotico de la invencion se basa en el uso de un fluido de trabajo de agua desionizada (es decir, que no contiene solutos disueltos o contiene pocos). El uso de este fluido como una alimentacion para la membrana es ventajoso porque no se produce ICP. Aunque la fuga de sales desde la solucion de extraccion a traves de la membrana puede provocar ICP, la membrana se selecciona para rechazar la sal en un alto grado, lo cual servira para contrarrestar esta tendencia. La membrana es una membrana semipermeable que tiene una capa activa orientada hacia la solucion de extraccion y una capa de refuerzo orientada hacia la solucion de alimentacion. El flujo de agua que expande el volumen de la solucion de extraccion es tipicamente al menos aproximadamente 25 m3/m2-s.

Una de las claves para el proceso de motor termico osmotico eficiente de la invencion es el calor requerido para separar el agua pura de la solucion de extraccion diluida. Aqu es donde se hace visible el beneficio de usar la solucion de extraccion de amoniaco y dioxido de carbono, porque estos gases pueden agotarse exitosamente del agua con vapor a baja temperatura. La modelacion de la remocion del gas mediante el uso de Aspen HYSYS® (disponible de Aspen Technology, Burlington, Massachusetts) ha mostrado que el vapor con temperaturas tan bajas como 40 °C puede utilizarse bajo un proceso de agotamiento de gas al vado. Esto deja un margen para la utilizacion de una variedad de fuentes de calor que tienen por lo general poca utilidad y de muy bajo a ningun costo.

El uso del motor de calor osmotico de NH3-CO2 de calor de bajo nivel es fundamental para su implementacion viable como una alternativa para generar electricidad. Las fuentes de calor de bajo nivel provienen de una variedad de industrias que incluyen fabricacion de metales (fabricas de acero), fabricacion de vidrio, refinacion de petroleo y generacion de energfa termoelectrica, a manera de ejemplo y no de limitacion. Todas estas industrias usan metodos complejos para recuperar su calor residual, pero el calor de bajo nivel siempre se pierde hacia el ambiente a traves del enfriamiento por agua o los gases de combustion.

Tambien pueden usarse las fuentes renovables de calor. Las fuentes geotermicas de calor son abundantes pero raramente son de calidad suficientemente alta para generar electricidad directamente. Por lo general, estas fuentes pueden usarse para calentar y enfriar hogares, pero tambien pueden usarse en una configuracion de ciclo binario que utiliza el calor para vaporizar un lfquido secundario, tal como amoniaco, y expandir ese vapor a traves de una turbina. El vapor puede condensarse despues desechando el calor al aire o al agua superficial. Un concepto similar de usar el agua tibia en los oceanos es la conversion de la energfa termica oceanica (OTEC). Este sistema comprende un motor que utiliza el agua oceanica superficial tibia como una fuente de calor y el agua oceanica profunda fna como un disipador de calor. Similar al ciclo binario geotermico, la OTEC usa agua tibia para vaporizar un lfquido, como el amoniaco, el cual despues se expande a traves de una turbina. El gas se condensa despues con el agua oceanica profunda fna y se recicla. Para estos dos procesos, se usa un gas como el fluido de trabajo y por lo tanto tiene que usarse una turbina grande (es decir, al menos de aproximadamente 10 metros de diametro para la turbina de vapor OTC). Esta es una limitacion de diseno que puede aliviarse mediante el reemplazo del sistema de vapor de amoniaco usado comunmente con el motor de calor osmotico de la invencion. Mediante el uso del agua tibia para agotar la solucion de extraccion de NH3-CO2 y el agua fna para condensar estos gases, el fluido de trabajo dirigido a traves de la turbina para generar energfa es en cambio un lfquido. Esto es de significativo beneficio, dado que las turbinas hidraulicas son mucho mas pequenas que las turbinas disenadas para usar gases que son de menor densidad, y son muy eficientes en la conversion de trabajo en electricidad.

Un beneficio del motor de calor osmotico de la presente invencion es la capacidad de convertir exitosamente fuentes de calor de bajo nivel en energfa electrica. La configuracion del motor de calor de la invencion resuelve muchos de los problemas economicos y ambientales anteriores de la PRO de salida al no debido a su configuracion de lazo cerrado y al soluto de extraccion reciclable. La utilizacion de las fuentes de calor de bajo nivel proporciona, ademas, una fuente de energfa esencialmente libre de costos porque el costo de la energfa se relaciona solamente con el costo de capital del equipamiento amortizado durante la vida del equipamiento y el mantenimiento. El calor requerido para separar los solutos de extraccion de la solucion por lo general se introduce a una temperatura de entre aproximadamente 35 y 250

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

°C. Ademas, la temperatura requerida para separar los solutos de extraccion de la solucion es proporcional a la presion y la presion por lo general se introduce a aproximadamente 0.05 hasta aproximadamente 10 atm.

EJEMPLO:

Se realizaron experimented de flujo en el laboratorio para determinar la factibilidad del proceso del motor de calor osmotico de la invencion. El flujo de agua debe ser alto para que la generacion de energfa sea eficiente. Las pruebas anteriores del flujo con membranas de osmosis inversa mostraron que el flujo raramente excedfa los valores mmimos (no mas de 2-3 galones por pie cuadrado de area de membrana por dfa (gfd) y frecuentemente mucho menos de 1 gfd).

Los inventores investigaron una membrana disponible comercialmente la cual se adapta bien para los procesos osmoticos y encontraron que el flujo fue mucho mejor. Los datos se tomaron con la solucion de extraccion de NH3-CO2 sobre la capa activa de la membrana. Una alimentacion de agua desionizada se uso para simular las condiciones del motor de calor osmotico. Se evaluaron dos temperaturas: 20 °C y 40 °C, y las soluciones de alimentacion y de extraccion se mantuvieron a temperaturas identicas para ambas series de pruebas. Los resultados se muestran en la Fig. 3.

Se probaron dos temperaturas en un intervalo de presiones osmoticas. Se obtuvieron flujos de mas de 50 gfd en algunas pruebas, que sugieren que esta membrana particular usada es 50 veces mejor que algunas membranas probadas anteriormente, lo cual tiene un impacto significativo sobre la cantidad de membrana necesaria para producir una determinada cantidad de electricidad. Flujos mas altos producen requisitos mas pequenos para el area de membrana. Se hace notar que la corriente de permeado no se presurizo en estas pruebas (y no se presurizo en las investigaciones anteriores tampoco).

A partir de estos datos, pueden estimarse los datos de generacion de energfa mediante el modelado del proceso en Aspen HYSYS® (disponible de Aspen Technology, Burlington, Massachusetts). Utilizando diversas concentraciones de la solucion de extraccion en un intervalo de presurizacion de permeado, la cantidad de generacion de energfa puede calcularse mediante el uso de la siguiente ecuacion:

Trabajo = (Eficiencia de la turbina) x (Presion hidraulica) x (Volumen de flujo) (1)

La eficiencia de la turbina frecuentemente sobrepasa 90 % y la fuerza total de accionamiento provoca el flujo a traves de la membrana. A medida que se aumenta la energfa hidraulica en la corriente de permeado, el flujo disminuye, pero se establece un punto de maxima generacion de energfa. La Fig. 4 ilustra esta caractenstica para un intervalo de concentraciones de la solucion de extraccion y muestra como funcionan varias concentraciones de la solucion de extraccion en el motor de calor osmotico de la invencion sobre un intervalo de la presion hidraulica del lado del permeado. La produccion de energfa se modelo usando Aspen HYSYS® (disponible de Aspen Technology, Burlington, Massachusetts).

Es importante hacer notar que la produccion de energfa esperada de los gradientes de salinidad natural, tales como esos presentes en las interfaces del rte y el agua de mar , sena mucho menor que estos resultados de la energfa modelada. Con membranas estudiadas anteriormente, la salida de energfa por area de membrana en PRO con agua dulce y agua de mar fue a lo sumo 1.4 W/m2. Estos datos demuestran que el motor de calor osmotico de NH3-CO2 de la invencion, mediante el uso de esta membrana osmotica adaptada puede exceder la salida 200 veces bajo ciertas configuraciones. Dado que el area de membrana se usa, ademas, como la metrica para el costo de capital y porque la entrada de calor al sistema es practicamente gratis, los valores mas altos de produccion de energfa por area de membrana tienen una relevancia directa en el costo total de la electricidad que se produce.

Ademas, las proyecciones del rendimiento del OHE de amoniaco-dioxido de carbono de la invencion se basaron, ademas, en los datos experimentales para el flujo de agua, los calculos de eficiencia de la conversion de energfa en la turbina y los sistemas de recuperacion de la presion, y la modelacion de los requerimientos de energfa para la eliminacion y reciclaje de los solutos de extraccion del OHE.

Las mediciones del flujo de agua a traves de membranas semipermeables orientadas en la configuracion de PRO (capa de refuerzo hacia la alimentacion, capa activa hacia la solucion de extraccion) proporcionan datos para las estimaciones del rendimiento del motor. Los datos del flujo de agua de la membrana se obtuvieron mediante el uso de una celda de membranas de flujo cruzado y los componentes asociados del sistema. Las dimensiones del canal eran de 77 mm de largo por 26 mm de ancho por 3 mm de profundidad. Los separadores de malla se insertaron dentro de ambos canales para mejorar el soporte de la membrana asf como tambien para promover la turbulencia y la transferencia de masa. Una bomba peristaltica de velocidad factible (disponible de Masterflex de Vernon Hills, Illinois) con un cabezal de bomba doble se uso para bombear las soluciones tanto de alimentacion como de extraccion en un lazo cerrado. Un bano de agua de temperatura constante (disponible de Neslab de Newington, Nuevo Hampshire) se uso para mantener las temperaturas de las soluciones tanto de alimentacion como de extraccion. La transferencia de calor se produjo dentro del bano de agua a traves de las espiras del intercambiador de calor de acero inoxidable en lmea las cuales se sumergieron en el bano con agitacion. La solucion de extraccion reposo en una pesa (disponible de Denver Instruments

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

de Denver, Colorado) y se midieron los cambios del peso con el paso del tiempo para determinar el flujo de agua del permeado. La membrana se coloco en la celda de manera que la solucion de extraccion estaba contra la capa activa y la solucion de alimentacion estaba contra la capa de soporte.

La membrana usada para adquirir los datos de flujo se diseno para desalinizacion por osmosis directa y se obtuvo de Hydration Technologies, Inc. (Albany, Oregon). La composicion qmmica de la membrana esta protegida comercialmente, pero se cree que contiene polfmeros de acetato de celulosa. La estructura es asimetrica con una capa de separacion soportada por una estructura de soporte relativamente delgada (es decir, de menos de aproximadamente 50 pm). El soporte adicional se proporciona por una malla de poliester incorporada dentro de la capa polimerica de soporte.

El flujo de agua osmotico se determino para un intervalo de las concentraciones de la solucion de extraccion. La solucion de extraccion se realizo mediante la mezcla de sal de bicarbonato de amonio (NH4HCO3) con hidroxido amonico (NH4OH), formando una solucion compleja de sales amonicas, compuesta de bicarbonato amonico, carbonato amonico y carbamato amonico, siendo este ultimo el mas abundante en soluciones concentradas. La cantidad de NH4OH anadida se vario en dependencia de la concentracion de la solucion de extraccion y de la temperatura a la que se iba a usar. La cantidad de NH4OH se redujo al mmimo para minimizar la concentracion de amoniaco desionizado en la solucion de extraccion. Las propiedades de las soluciones de extraccion usadas en el modelado de la OHE, que incluyen la presion osmotica, densidad, viscosidad y pH, se obtuvieron con Aspen HYSYS® (disponible de Aspen Technology, Burlington, Massachusetts), junto con un paquete de propiedades de electrolitos de OLI Systems, Inc. (Morris Plains, Nueva Jersey).

Los datos experimentales del flujo de agua de la membrana se usaron para calcular los coeficientes de ajuste de transferencia (aparente) de masa para las predicciones de la polarizacion por concentracion externa (ECP) en la interfaz entre la membrana y la solucion de extraccion concentrada usada para impulsar el flujo de agua del motor. Los efectos de la ECP para una solucion de extraccion concentrada en un sistema de membrana de OHE se predicen con el coeficiente de ajuste de transferencia de masa y en base a la teona de pelfculas con los efectos de la ECP altamente concentrada calculados en base a la extrapolacion a partir de los datos experimentales. Este ajuste y extrapolacion del modelo se considera necesario a la luz de la significacion esperada de los efectos de la ECP con el sistema de membrana del OHE y la insuficiencia de la teona tradicional de pelfculas para describir los fenomenos de transferencia de masa en los fluidos no ideales de la solucion altamente concentrada. Los flujos de membrana predichos mediante el uso de la eficiencia ajustada se encontraron que se correlacionaban bien con el rendimiento observado del flujo de agua, dentro del intervalo de los datos experimentales.

Las mediciones del flujo de agua bajo condiciones no presurizadas se supone que predicen el flujo en el sistema de OHE presurizado de la invencion, que sigue la ecuacion aplicable para PRO bajo condiciones de presiones osmotica e hidraulica diferentes:

Jw - A(aA7cm - AP)

(2)

Aqrn, A es el coeficiente de permeabilidad del agua, a el coeficiente de reflexion, Anm la diferencia de las presiones osmoticas a traves de la membrana entre la solucion de extraccion y de alimentacion en la interfaz de separacion (es decir, la superficie de la capa activa de la membrana), y AP es la diferencia de la presion hidraulica entre el lado de la solucion de extraccion y el fluido de trabajo. Anm se calcula a partir de la presion osmotica neta de la solucion de extraccion despues de considerar los efectos de la ECP como se discutio anteriormente.

Se supuso que a = 1 en todos los calculos debido al rechazo relativamente alto de la membrana de FO usada. Ademas, el coeficiente de permeabilidad del agua A se supone que es independiente de la presion hidraulica aplicada, que implica la compactacion insignificante de la membrana. La seleccion de la membrana, las presiones de operacion, y la temperatura del sistema incluye la exactitud de las predicciones en base a estas suposiciones.

La energfa producida por el OHE (W) es una funcion de la cantidad de agua que se mueve a traves de su turbina por unidad de tiempo (V), la cafda de presion en esa turbina la cual es igual a la presion hidraulica aplicada en el lado de la solucion de extraccion (AP), y la eficiencia de la turbina (E):

W = EVAP (3)

La eficiencia de la turbina E es tfpicamente mayor que 90 %. La eficiencia del intercambiador de presion usado para mantener la presurizacion en estado estacionario de la solucion de extraccion es tfpicamente mayor que 95%. La eficiencia combinada de estos dos componentes se aproxima, en el esfuerzo de modelacion descrito en la presente descripcion, a una eficiencia general de 90 % para las proyecciones de produccion de energfa, capturada en el valor de 0.90 para E en la Ecuacion 2 anteriormente. El volumen que fluye a traves de la turbina por unidad de tiempo (V) es igual al producto del flujo de agua a traves de las membranas del OHE (Jw) y el area superficial total de la membrana. Este flujo es una funcion de las presiones tanto hidraulica como osmotica del sistema, como se mostro por la Ecuacion 1 anteriormente. El aumento de la presion hidraulica con relacion a la presion osmotica aumenta la salida de energfa por

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

unidad de volumen del agua a traves de la turbina, pero tambien disminuye el volumen total de agua por la disminucion del flujo de agua de la membrana. La disminucion de la presion hidraulica tendra el efecto inverso.

La eficiencia termica se calcula mediante la medicion de la cantidad de energia producida con relation a la cantidad de calor usado (para la separation y recuperation de la solution de extraction). Existen dos medidas de eficiencia que pueden considerarse para evaluar el rendimiento de un motor: la eficiencia termica y la eficiencia de Carnot. La eficiencia termica es simplemente la relacion de la salida de energia del motor sobre la entrada de calor. La eficiencia de Carnot es una medida de la eficiencia de un motor con relacion a la de un motor de Carnot, uno que produzca la maxima cantidad teorica de trabajo a partir de un flujo de calor dado, en base a un proceso perfectamente reversible.

El componente de la "cantidad de calor" de la eficiencia del motor puede calcularse en base al calor requerido de la columna de destilacion usada para separar el amoniaco y el dioxido de carbono de la solucion de extraccion del diluido, que produce una solucion de extraccion nuevamente concentrada y el fluido de trabajo desionizado. El calor requerido por la columna se modelo con Aspen HYSYS® (disponible de Aspen Technology, Burlington, Massachusetts) junto con un paquete de propiedades de electrolitos de OLI Systems, Inc. (Morris Plains, Nueva Jersey), segun los procedimientos usados para estimar las demandas de energia de la desalinizacion por osmosis directa.

La eficiencia de un motor de Carnot (n) viene dada por

(4)

Th

donde TH es la temperatura absoluta del calor entregado al motor (a partir de la combustion de combustible, por ejemplo) y TL es la temperatura absoluta a la que el calor se rechaza al medio ambiente. La medicion de la eficiencia del OHE contra la eficiencia de un motor de Carnot establece cuan eficiente es el OHE con relacion a la cantidad de calor que usa. Una planta de energia geotermica que usa calor de 200 °C, por ejemplo, que obtiene una eficiencia termica de 20 %, no seria, segun la medida de eficiencia termica, una planta muy eficiente. La eficiencia de Carnot de tal motor, sin embargo, seria de 55 %, aproximadamente igual a la eficiencia de Carnot de una operation de una planta de energia alimentada con carbon a 537°C. Este es un metodo de comparacion particularmente util entre las tecnologias de motores termicos cuando se consideran fuentes de calor tan bajo como 20 °C por encima de las temperaturas ambientales, donde las maximas eficiencias termicas teoricas son muy bajas.

A medida que aumenta la diferencia en la presion osmotica entre dos soluciones, tambien aumentara el flujo a traves de una membrana semipermeable que las separa a las dos. Esta relacion es no lineal, debido a los efectos de la polarization por concentration en la superficie de la membrana. En el modo PRO (la solucion de extraccion en el lado de la capa activa de la membrana) con agua desionizada como la alimentation, se espera que se produzca solamente la polarizacion por concentracion externa, bajo la suposicion de muy alto rechazo de las sales por la membrana. La Fig. 3 ilustra la relacion entre el flujo de agua y la concentracion de la solucion de extraccion para la membrana.

El rendimiento del flujo de agua osmotico de la membrana se evaluo mediante el uso de una solucion de extraccion de NH3/CO2 despresurizada con agua desionizada como la corriente de alimentacion, con soluciones isotermicas de alimentacion y de extraccion. La fuerza motriz se calcula en base a la presion osmotica neta de la solucion de extraccion. Las lmeas discontinuas indican la permeabilidad hidraulica del agua pura determinada a partir de pruebas de osmosis inversa con la misma membrana. Las diferencias entre estas lmeas y los datos experimentales se deben a la polarizacion por concentracion externa.

Los datos se muestran para 20 y 40 °C, con las soluciones de alimentacion y extraccion en cada uno de los casos isotermicos. El flujo se muestra con relacion a las presiones osmoticas de las soluciones de extraccion. Las temperaturas mas altas conducen a flujos de agua mas altos debido a los efectos de la temperatura sobre la permeabilidad al agua de la membrana y la difusividad de los solutos extraidos. Con la membrana de FO que funciona en el modo PRO con una alimentacion de agua desionizada, el flujo de agua sobrepasa los 25 m3/m2-s (o 50 galones por pie cuadrado de membrana por dia, GFD). La relacion no lineal que se muestra se debe a la ECP, provocada por la dilution de la solucion de extraccion en la superficie de la membrana en el lado del permeado de la membrana. Estos datos experimentales de flujo se usan para calcular la salida de energia del OHE como se describe mas abajo.

Un criterio para optimizar el OHE es seleccionar presiones hidraulicas y osmoticas que produzcan la mas alta salida de energia por area de membrana, o la mas alta "densidad de energia" de la membrana. La densidad de energia se calcula en base al flujo de agua de la membrana, la presion hidraulica de la solucion de extraccion, y los efectos anticipados de la ECP en el sistema de membrana de OHE. Los efectos de la ECP se calcularon mediante el uso de un coeficiente de ajuste de transferencia de masa de 1.78 x 10"5 m/s, determinado a traves de las mediciones experimentales del flujo en el modo PRO. La eficiencia combinada de la turbina hidraulica y el dispositivo de recuperacion de la presion se supuso que era 90 %. La relacion entre las presiones osmotica e hidraulica en el OHE, con relacion a la densidad de energia de la membrana se muestra en la Fig. 4. Cada curva corresponde a una concentracion fija de la concentracion de la solucion de extraccion amoniaco-dioxido de carbono.

La modelacion indico que la maxima densidad de energia de la membrana se logra cuando la presion hidraulica es

9

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

aproximadamente 50 % de la presion osmotica. Para un OHE con una presion hidraulica de 10.13 MPA (100 atm), la densidad de ene^a que se proporciona por el uso de una solucion de extraccion 4.6 M que produce 19.16 MPa (197 atm) de presion osmotica es aproximadamente 170 W/m2 Esta es muy alta si se compara con las densidades de energfa esperadas de las plantas de energfa de PRO de salinidad de no y agua de mar, las cuales estan por lo general en el intervalo por debajo de 4 W/m2.

La densidad de energfa puede aumentarse mas mediante el aumento de la velocidad del flujo cruzado de la corriente de la solucion de extraccion (para disminuir los efectos de la ECP) o de la presion hidraulica del sistema de membrana de OHE. La modelacion de un OHE con significativamente mayores velocidades del flujo cruzado (5 m/s en un canal de flujo de 0.05 cm de alto), indica que las densidades de energfa del OHE se aumentanan en aproximadamente 61 % por encima de esas de un sistema de membrana con la dinamica de fluidos de la celda de prueba usada en el estudio descrito en la presente descripcion (0.46 m/s en un canal de 0.3 cm de alto). Para un OHE que funciona a 10.13 MPa (100 atm) de presion hidraulica, la maxima densidad de energfa sena de aproximadamente 274 W/m2 en este escenario.

La modelacion de un OHE con una presion hidraulica de funcionamiento de 20.26 MPa (200 atm) indica que las densidades de energfa se aumentanan en un 47 % adicional por encima de esas de un sistema de 10.13 MPa (100 atm). La mayor velocidad del flujo cruzado, sin embargo, resultara en el consumo de energfa adicional, y la mayor presion hidraulica requerira componentes del proceso mas costosos. Estas condiciones de funcionamiento seran necesariamente factores en la optimizacion del proceso, que se equilibran contra los factores relacionados del consumo de energfa para el bombeo de los fluidos del proceso y del capital de equipos y de los costos de reemplazo.

La eficiencia de Carnot del OHE se modelo sobre un intervalo de presiones osmotica e hidraulica. En el calculo de la eficiencia termica del motor, el calor y la electricidad requeridos para el proceso de separacion y reciclaje de la solucion de extraccion se comparan con la produccion electrica de la turbina generadora de energfa del OHE para la combinacion de las presiones osmotica e hidraulica examinadas. Debido a que la energfa electrica necesaria para la separacion y reciclaje del soluto de extraccion es insignificante, en la practica la eficiencia termica es la relacion entre la energfa electrica producida por el OHE y la energfa termica requerida para la separacion del soluto de extraccion. Esta eficiencia se compara con la eficiencia teorica de un motor de Carnot que funciona con las mismas corrientes de calor de alta y baja temperaturas, que da una medida del "porcentaje de eficiencia de Carnot" del rendimiento del OHE.

Para determinar el calor y la electricidad requeridos para el proceso de remocion y reciclaje del soluto de extraccion, se especifica una solucion de extraccion de concentracion suficiente para producir la presion osmotica deseada en un modelo de simulacion qmmica en HYSYS®. Esta corriente de la solucion se dirige hacia una columna de destilacion con caractensticas apropiadas para la remocion. Un ejemplo de tal modelo especifica una unica columna de destilacion, que efectua la separacion de los solutos de extraccion a partir de una corriente de la solucion de extraccion 6 M (de base CO2) (que genera 31.94 MPa (315.26 atm) de presion osmotica en el sistema de membrana de OHE, que contiene empaque estructurado de 2.35 m (7.7 pies) de altura (30 etapas teoricas) suministrada con calor a 50 °C. Una columna de este tipo funciona a una presion y temperatura en el fondo de 10.62 kPa (0.1048 atm) y 46.96 °C (dado un AT de 3 °C en el intercambiador de calor del rehervidor), y una presion y temperatura en la parte superior de 10.54 kPa (0.1040 atm) y 35.55 °C. La corriente alimentada a la parte superior de la columna se precalienta a 32 °C con un requerimiento de energfa de 3196.8 MJ/m3 (por m3 de fluido de trabajo producido). El calor requerido en la columna es 3454.6 MJ/m3, suministrado al rehervidor. El calentamiento complementario requerido para mantener todas las corrientes a las temperaturas especificadas es 385.7 MJ/m3, para un calor requerido total de 7037.1 MJ/m3. El requerimiento electrico para el bombeo de lfquidos en el proceso de separacion es relativamente insignificante (0.48 MJ/m3). Un sumario de los requerimientos de calor y electricos requeridos para la separacion del soluto de extraccion en las concentraciones tfpicas usadas en las simulaciones se proporciona en la Tabla 1. Esta Tabla proporciona tambien algunas propiedades de la solucion de extraccion que son relevantes para modelar el rendimiento OHE.

Concentracion del soluto de extraccion (M)

Presion osmotica (atm) Relacion NH3/CO2 Calor requerido (MJ/m3) Requerimiento electrico (MJ/m3)

1

43.7 1.1 358.0 0.12

2

84.4 1.2 593.4 0.13

3

120.1 1.2 865.7 0.16

4

157.8 1.3 1319.0 0.19

5

229.6 1.6 2847.7 0.26

6

319.7 1.8 7037.1 0.48

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

La eficiencia global de Carnot del OHE se calculo en base a la modelacion como se describio anteriormente, sobre un intervalo de las temperatures del calor suministrado. Sobre una variedad de temperaturas las eficiencias fueron significativamente constantes. En la Fig. 5, se muestran las eficiencias de Carnot para los OHE que funcionan con calor de 50 °C, sobre un intervalo de presiones osmotica e hidraulica en el sistema de membrana de OHE. Para cada combinacion de presiones, las temperaturas se mantuvieron constantes, con una temperatura alta, o temperatura de la energfa suministrada de 50 °C y una temperatura baja, o temperatura del medio ambiente de 25 °C.

La Fig. 5 representa la eficiencia del motor del OHE como un porcentaje de la eficiencia del motor de Carnot, con relacion a la diferencia entre las presiones hidraulicas y osmoticas de la solucion de extraccion. Para una alta temperatura de 50 °C y una baja temperatura de 25 °C, el porcentaje de la maxima eficiencia teorica del motor (Carnot) alcanza un maximo de aproximadamente 16 % a medida que la fuerza neta de accionamiento (An - AP) se acerca a cero. La presion osmotica An se basa en la presion osmotica neta de la solucion de extraccion.

Los resultados indican que la mas alta eficiencia del motor se obtiene cuando la diferencia entre las presiones osmotica e hidraulica se acerca a cero. Dadas iguales presiones osmotica e hidraulica en el equilibrio en una condicion de flujo cero, los aumentos de la presion osmotica aumentaran el flujo de agua de la membrana, que aumenta asf la cantidad de energfa producida por la turbina OHE. Los aumentos de la presion osmotica se logran mediante el aumento de la concentracion de la solucion de extraccion. Las soluciones de extraccion de mas alta concentracion requieren mas energfa para la remocion y reciclaje del soluto en forma de calor suministrado. Por lo tanto, a medida que se aumenta la presion osmotica, aumentan concurrentemente la produccion de energfa, el flujo de agua de la membrana, y el requisito de calor requerido por el sistema de reciclaje del soluto.

La columna de destilacion usada para el sistema de reciclaje del soluto sin embargo es ineficiente en su remocion del NH3 y del CO2 de la solucion de extraccion diluida. Un poco de vapor de agua tambien se remueve, lo que requiere el calor que pueda no convertirse para la produccion de energfa. A medida que se aumenta la concentracion de la solucion de extraccion, aumenta tambien la cantidad de vapor de agua creado en la columna de destilacion, y esta ineficiencia inherente de la separacion resulta en la disminucion de la eficiencia global del OHE. Este aumento en la presion osmotica resulta sin embargo en mayor flujo de agua, lo cual beneficia el funcionamiento del OHE a traves de la mayor densidad de energfa de la membrana. Las mayores densidades de energfa de la membrana requieren menos area de membrana para una capacidad de energfa dada y asf menos costo de la membrana. Esto representa un compromiso entre el costo de capital de la membrana y la eficiencia del motor, el cual debe optimizarse en el diseno de un sistema OHE.

Como se observa de la discusion anterior, aunque la eficiencia global del motor es muy baja, que alcanza un maximo de 16 % de la eficiencia de Carnot, y que posiblemente funciona a una eficiencia de 5-l0 %, la salida de energfa por area de membrana puede ser bastante alta, de mas de 250 W/m2 de area de membrana. Si el OHE usa fuentes de energfa termica en el intervalo de 40-100 °C, el costo de la entrada de energfa al motor puede resultar insignificante. Una consideracion importante sena los costos de capital y de mano de obra del proceso y sus impactos en el costo de la electricidad producida.

El uso del motor de calor osmotico de amoniaco y dioxido de carbono de la invencion permite la produccion de energfa a partir de diversas fuentes de energfa tales como el calor a partir de las corrientes de rechazo de las plantas de energfa existentes, las fuentes de calor geotermico de baja temperatura improductivas de cualquier otra manera, la energfa termica solar de baja concentracion, el calor (sin combustion) de la biomasa y la conversion de la energfa termica oceanica, entre otros. En todos estos casos el proceso de la invencion produce energfa que es renovable y libre de carbono.

Aunque la invencion se ha descrito anteriormente con referencia a modalidades espedficas de la misma, es evidente que pueden hacerse muchos cambios, modificaciones, y variaciones sin apartarse del alcance de las reivindicaciones. En consecuencia, se pretenden abarcar todos estos cambios, modificaciones, y variaciones que caen dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (15)

1. 5

   10

   15

   20

   25

   30

   35

   40

   45

   50

   55

   60

   65

   REIVINDICACIONES

   1. Un metodo para generar energfa con el uso de un motor de calor osmotico de amoniaco-dioxido de carbono, que comprende las etapas de:

   a) presurizar una solucion de extraccion concentrada hasta una presion hidraulica inferior que su presion osmotica en un primer lado de una membrana semipermeable, en donde la solucion de extraccion concentrada comprende amoniaco y dioxido de carbono;

   b) introducir un fluido de trabajo diluido en el lado opuesto de dicha membrana semipermeable, en donde el fluido de trabajo diluido comprende agua casi desionizada;

   c) hacer que una porcion del fluido de trabajo diluido fluya a traves de la membrana semipermeable en la solucion de extraccion presurizada para crear un flujo de agua que expande el volumen de la solucion de extraccion;

   d) inducir el flujo del volumen expandido de la solucion de extraccion a traves de una turbina para producir energfa;

   e) separar termicamente el amoniaco y dioxido de carbono de la solucion de extraccion, y

   f) reciclar el amoniaco y dioxido de carbono, produciendo de ese modo nuevas corrientes de la solucion de extraccion y del fluido de trabajo para reutilizarlas en el sistema.
2. 2. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, en donde la solucion de extraccion concentrada tiene una relacion de amoniaco a dioxido de carbono de entre aproximadamente 1:1 a 2.5:1.
3. 3. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, en donde la solucion de extraccion tiene una concentracion de entre 0.1 y 12 molar.
4. 4. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 3, en donde la solucion de extraccion tiene una concentracion de entre aproximadamente 3 a aproximadamente 6 molar.
5. 5. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, en donde el flujo de agua es al menos aproximadamente 25 x 10" 6 m3/m2-s.
6. 6. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, en donde el calor se introduce a una temperatura de entre aproximadamente 35 y 250 °C.
7. 7. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 6, en donde el calor es una fuente de calor de bajo nivel seleccionada a partir del grupo que consiste de calor residual de los procesos de fabricacion de metales, fabricacion de vidrio, refinacion de petroleo y generacion de energfa termoelectrica, fuentes de calor geotermico, y conversion de la energfa termica oceanica.
8. 8. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 7, en donde la temperatura requerida para separar los solutos de extraccion de la solucion es proporcional a la presion y la presion se introduce a aproximadamente 0.05 hasta aproximadamente 10 atm.
9. 9. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, en donde la salida de energfa por area de membrana es al menos de aproximadamente 150 W/m2, preferentemente, la salida de energfa por area de membrana es al menos de aproximadamente 250 W/m2.
10. 10. Un motor de calor osmotico, que comprende:

    una membrana semipermeable que tiene un primer lado y un lado opuesto;

    una fuente de un fluido de trabajo diluido que se conecta por fluidos al lado opuesto de la membrana;

    una fuente de una solucion de extraccion concentrada que comprende amoniaco y dioxido de carbono se conecta por fluidos al primer lado de la membrana para crear una presion osmotica en el primer lado del sistema de membrana para provocar un flujo a traves de la membrana;

    un intercambiador de presion acoplado al primer lado de la membrana para presurizar la solucion de extraccion concentrada hasta una presion hidraulica menor que la presion osmotica de la solucion de extraccion concentrada;

    10

    15

    20

    25

    una turbina conectada por fluidos al sistema de membrana aguas abajo del primer lado de la membrana;

    un sistema de reciclaje conectado por fluidos al primer lado y al lado opuesto de la membrana;

    caracterizado porque el motor comprende, ademas, una columna de destilacion conectada por fluidos aguas abajo de la turbina para separar termicamente el amoniaco y el dioxido de carbono de la solucion de extraccion diluida.
11. 11. El motor de calor osmotico de acuerdo con la reivindicacion 10, en donde la solucion de extraccion concentrada tiene una relacion de amoniaco a dioxido de carbono de entre 1 a 1 y 2.5 a 1.
12. 12. El motor de calor osmotico de acuerdo con la reivindicacion 10, en donde la solucion de extraccion concentrada tiene una concentracion de entre 0.1 molar y 12 molar.
13. 13. El motor de calor osmotico de acuerdo con la reivindicacion 12, en donde la solucion de extraccion concentrada tiene una concentracion de entre 3 molar y 6 molar.
14. 14. El motor de calor osmotico de acuerdo con la reivindicacion 10, en donde la salida de energfa por area de membrana del motor de calor osmotico es al menos 150 W/m2, preferentemente, la salida de energfa por area de membrana es al menos de aproximadamente 250 W/m2.
15. 15. El motor de calor osmotico de la reivindicacion 10, en donde el intercambiador de presion presuriza la solucion de extraccion concentrada hasta una presion hidraulica de aproximadamente 50 % de la presion osmotica de la solucion de extraccion concentrada.