Faribault Energy Park, una instalación de ciclo combinado de gas de 300 MW ubicada en el sur de Minnesota, representa una inversión significativa en infraestructura de energía sostenible. Propiedad de la Agencia Municipal de Energía de Minnesota (MMPA) y operada por NAES Corporation, la planta se puso en marcha en 2007.
Al principio, Faribault Energy Park utilizó remolques de intercambio iónico móvil para el agua de reposición de vapor. Este enfoque fue una solución alternativa debido a las restricciones sobre la descarga de aguas residuales de un sistema de ósmosis inversa (RO) permanente. Los remolques móviles planteaban importantes desafíos operativos, especialmente durante los duros inviernos de Minnesota, que creaban condiciones de hielo y peligros para la seguridad del personal de la planta. Además, la fuente de agua de la planta, un sistema de estanque alimentado por un pozo y agua de lluvia, estaba sujeta a picos de alta turbiedad y temperaturas variables, lo que creaba un entorno difícil para un sistema de tratamiento de agua estándar basado en membranas. El filtro multimedia (MMF) existente también se consideraba inadecuado para pretratar el agua a la calidad requerida por un sistema de ósmosis inversa, particularmente en lo que respecta a la turbiedad y el índice de densidad de limo (SDI).
Para abordar estos problemas, la gerencia de la planta desarrolló un plan integral para instalar un sistema de tratamiento de agua interno y permanente. El primer paso, y el más importante, fue superar la barrera reglamentaria. La Agencia Municipal de Energía de Minnesota (MMPA), en colaboración con Veolia, presentó un plan detallado a las entidades regulatorias municipales. El plan demostró que el concentrado de ósmosis inversa (agua de rechazo) era de calidad similar a la del sistema existente y representaría menos del 0.01 % del volumen del sistema de enfriamiento, lo que tendría un impacto mínimo en la composición final del agua de purga. Este enfoque basado en datos aseguró la aprobación necesaria para descargar el agua de rechazo de ósmosis inversa en la torre de enfriamiento.
Una vez otorgada la aprobación regulatoria, el personal de la planta redactó una solicitud de cotización (RFQ) detallada y evaluó las propuestas de varios fabricantes de equipos originales de la industria del agua.
Para cumplir con las especificaciones de agua de alimentación de calderas de alta pureza, el diseño central seleccionado fue un sistema de ósmosis inversa de dos pasos, con el agua del producto final pulida en recipientes de desionización de lecho mixto (MBDI) de intercambio de servicio. Para manejar el agua cruda difícil, se eligió la ultrafiltración (UF) como método de tratamiento previo en lugar de otras alternativas, como la coagulación y un segundo MMF. La UF fue seleccionada por su capacidad de proporcionar una calidad de agua superior y constante (con filtrado partículas de hasta 0.1 micrones), su operación totalmente automatizada, incluidos los ciclos de limpieza en el lugar (CIP), y su resistencia a la calidad y temperatura variables del agua. De este modo, se evitó la elevada implicación de los operarios que requieren los sistemas convencionales. Veolia fue seleccionado como OEM, ya que ofrece un sistema compacto de ultrafiltración montado sobre patines y de ósmosis inversa de dos pasos. El diseño mecánico y la instalación fueron gestionados internamente por el equipo de la planta, que colaboró con Veolia en el diseño del proceso y con un contratista eléctrico local para el trabajo eléctrico.
El sistema de tratamiento de agua permanente se instaló con éxito en 2010, y obtuvo beneficios inmediatos y significativos. El nuevo sistema mejoró la eficiencia operativa, mejoró la seguridad en el sitio al eliminar los peligros invernales asociados con los remolques móviles y comenzó a generar ahorros de costos en comparación con la configuración de alquiler anterior. El diseño innovador y eficaz del proyecto fue reconocido formalmente cuando recibió el premio a las mejores prácticas de Combined Cycle Journal en 2012.
Un análisis a largo plazo realizado catorce años después de la puesta en marcha confirmó el éxito duradero del proyecto. En el examen, se confirmó que el estudio de viabilidad original para el sistema permanente se había realizado plenamente, y que su rendimiento y ahorro de costos habían alcanzado o superado las proyecciones iniciales. El sistema integrado, que comprende ultrafiltración, ósmosis inversa de dos pasos y pulido MBDI, ha demostrado ser una solución sólida y confiable a largo plazo, ya que gestiona de manera eficaz una fuente de agua complicada y, al mismo tiempo, suministra constantemente el agua de alta pureza esencial para la operación eficiente y segura de la planta.
El sistema de UF/RO está ubicado en el edificio de agua limpia. La distribución general del agua en el sitio es la que se muestra en la Figura 1.
Resultado
El sistema de ultrafiltración (UF) se limpia con la limpieza de mantenimiento automática estándar 3-4 veces por semana, con una limpieza de recuperación fuera de línea una vez por trimestre. Las membranas de ultrafiltración se reemplazaron después de 7 años de servicio, en comparación con la proyección original de 5 años. Los ahorros en comparación con el presupuesto para membranas de ultrafiltración alcanzaron un total de alrededor de $58,000 USD.
La turbiedad de la alimentación a la unidad de ultrafiltración varía significativamente ya que el MMF existente aguas arriba proporciona una filtración gruesa del agua del estanque, mientras que el filtrado de ultrafiltración excede las especificaciones de alimentación para la ósmosis inversa.
El mantenimiento de ósmosis inversa ha incluido limpiezas trimestrales de membranas y el reemplazo de algunos instrumentos, la reconstrucción de un par de actuadores de válvulas y el mantenimiento estándar de la bomba durante los 14 años de servicio. Se estima que se dedica un promedio de 15 minutos por día a la recopilación de datos y al mantenimiento general.
Sobre la base del muestreo de agua completado en marzo de 2022 con membranas originales en funcionamiento durante 12 años, la calidad del agua se muestra en la Tabla 2. Las membranas de ósmosis inversa se reemplazaron en el año 14 (febrero de 2024) en comparación con la proyección original de 5 años. Las recargas de membranas le tomaron al personal de la planta 4 horas de trabajo en conjunto con el soporte de los fabricantes de equipos originales. Los ahorros basados en la vida útil de la membrana en comparación con el presupuesto son de alrededor de $10,000 USD.
El caso de negocio para el sistema de tratamiento de agua permanente fue abrumadoramente exitoso, y superó sus proyecciones iniciales al ofrecer una recuperación de la inversión simple en tan solo 1.52 años, menos que los 1.8 años previstos. Durante un período de 14 años, el sistema generó $4.9 millones en ahorros de costos operativos para las partes interesadas de MMPA, principalmente al eliminar las tarifas recurrentes para los remolques móviles de intercambio iónico. Más allá de las ganancias financieras, el proyecto tuvo un impacto ambiental y de seguridad positivo significativo; se estima que ha evitado 25,000 millas de transporte de semirremolques, lo que equivale a una reducción de 37 toneladas métricas de CO2, y, a la vez, ha mitigado los riesgos críticos de seguridad asociados con el transporte, la acumulación de hielo y el clima, lo que permitió lograr ningún accidente registrable relacionado con el sistema de agua.
La revisión de todos los datos disponibles demuestra que el proyecto cumplió o superó el caso de inversión inicial, así como también contribuyó a los objetivos establecidos por las partes interesadas, incluida la Autoridad Municipal de Energía de Minnesota, NAES Corporation y las ciudades miembros de la MMPA, la junta directiva y la comunidad. El proyecto estuvo a la altura de su premio de 2012 por el mejor diseño de su clase y ha superado las expectativas, al brindar beneficios financieros y ambientales críticos para las partes interesadas de la MMPA.