O Faribault Energy Park, uma estação de ciclo combinado a gás de 300 MW localizada no sul de Minnesota, representa um investimento significativo em infraestrutura de energia sustentável. De propriedade da Minnesota Municipal Power Agency (MMPA) e operada pela NAES Corporation, a usina foi comissionada em 2007.
O Faribault Energy Park inicialmente usava reboques móveis de troca iônica para a água de reposição de vapor. Essa abordagem era uma solução alternativa devido às restrições no descarte de efluentes de um sistema permanente de osmose reversa (OR). Os reboques móveis representavam desafios operacionais significativos, principalmente durante os invernos rigorosos de Minnesota, criando condições geladas e riscos de segurança para o pessoal da estação. Além disso, a fonte de água da estação — um sistema de tanque alimentado por um poço e água da chuva — estava sujeita a picos de alta turbidez e temperaturas variáveis, criando um ambiente difícil para um sistema padrão de tratamento de água baseado em membrana. O filtro multimeios (MMF) existente também foi considerado inadequado para tratar previamente a água com a qualidade exigida por um sistema de osmose reversa, particularmente em relação à turbidez e ao índice de densidade de silte (SDI).
Para resolver esses problemas, a gerência da estação desenvolveu um plano abrangente para instalar um sistema de tratamento de água interno permanente. A primeira etapa, e a mais crucial, foi superar a barreira regulatória. A Minnesota Municipal Power Agency (MMPA), em colaboração com a Veolia, apresentou um plano detalhado aos reguladores municipais. O plano demonstrou que o concentrado de osmose reversa (água de rejeito) era de qualidade semelhante ao do sistema existente e representaria menos de 0,01% do volume do sistema de resfriamento, resultando em um impacto mínimo na composição final da água de purga. Essa abordagem baseada em dados possibilitou a aprovação necessária para descarregar os rejeitos de OR na torre de resfriamento.
Com a aprovação regulatória concedida, o pessoal da estação elaborou um pedido de orçamento detalhado e avaliou propostas de vários OEMs do setor de água.
Para atender às especificações de água de alimentação de caldeira de alta pureza, o projeto principal selecionado foi um sistema de osmose reversa de duas passagens, com a água do produto final polida por recipientes de deionização de leito misto (MBDI) de troca de serviço. Para tratar a difícil água bruta, a ultrafiltração (UF) foi escolhida como método de pré-tratamento em vez de alternativas como coagulação e um segundo MMF. A UF foi selecionada por sua capacidade de fornecer qualidade de água superior e constante (filtrando partículas até 0,1 mícrons), sua operação totalmente automatizada, incluindo ciclos de limpeza no local (CIP), e sua resiliência à qualidade e temperatura variáveis da água. Isso evitou o alto envolvimento do operador exigido pelos sistemas convencionais. A Veolia foi selecionada como OEM, fornecendo um sistema compacto de UF e OR de duas passagens montado em plataforma. O projeto mecânico e a instalação foram gerenciados internamente pela equipe da estação, que colaborou com a Veolia no projeto do processo e com um empreiteiro elétrico local para a obra elétrica.
O sistema permanente de tratamento de água foi instalado com sucesso em 2010, proporcionando benefícios imediatos e significativos. O novo sistema aumentou a eficiência operacional, melhorou a segurança no local ao eliminar os riscos de inverno associados aos reboques móveis e começou a gerar economia de custos em comparação com a configuração de aluguel anterior. O projeto inovador e eficaz do projeto foi formalmente reconhecido quando recebeu um prêmio de melhores práticas do Combined Cycle Journal em 2012.
Uma análise de longo prazo realizada 14 anos após o comissionamento confirmou o sucesso duradouro do projeto. A revisão permitiu confirmar que o caso de negócios original para o sistema permanente havia sido totalmente realizado, com seu desempenho e redução de custos atendendo ou excedendo as projeções iniciais. O sistema integrado — composto por ultrafiltração, osmose reversa de duas passagens e polimento MBDI — provou ser uma solução robusta e confiável de longo prazo, gerenciando com eficiência uma fonte de água desafiadora enquanto fornece constantemente a água de alta pureza essencial para a operação eficiente e segura da estação.
O sistema UF/OR está localizado no edifício de água tratada. Um layout geral de água do local é mostrado na figura 1.
Resultado
O sistema de ultrafiltração (UF) é limpo com a limpeza de manutenção automática padrão 3-4 vezes por semana, com uma limpeza de recuperação off-line uma vez por trimestre. As membranas UF foram substituídas após 7 anos de serviço, quando a projeção inicial era de 5 anos. A economia em relação ao orçamento para membranas UF totalizou cerca de US$ 58.000.
A turbidez de alimentação para a unidade de UF varia significativamente uma vez que o MMF existente a montante fornece filtragem de partículas grossas da água do tanque, enquanto o filtrado de UF está excedendo as especificações de alimentação para a OR.
A manutenção da OR incluiu limpezas trimestrais da membrana e substituição de alguns instrumentos, reconstrução de alguns atuadores de válvula e manutenção padrão da bomba ao longo dos 14 anos de serviço. A estimativa é de que são gastos, em média, 15 minutos por dia na coleta de dados e manutenção geral.
Com base na amostragem de água concluída em março de 2022, com membranas originais operando há 12 anos, a qualidade da água é mostrada na Tabela 2. As membranas de osmose reversa foram substituídas no ano 14 (fevereiro de 2024) quando a projeção inicial era de 5 anos. As recargas de membrana exigiram 4 horas de trabalho do pessoal da estação em conjunto com o suporte OEM. A economia com base na vida útil da membrana em relação ao orçamento é de cerca de US$ 10.000.
O caso de negócios para o sistema permanente de tratamento de água foi surpreendentemente bem-sucedido, excedendo suas projeções iniciais ao fornecer um retorno simples em apenas 1,52 ano, mais rápido do que o 1,8 ano previsto. Em um período de 14 anos, o sistema gerou US$ 4.9 milhões em economia de custos operacionais para as partes interessadas da MMPA, principalmente pela eliminação das taxas recorrentes para reboques móveis de troca iônica. Além dos ganhos financeiros, o projeto causou um impacto positivo significativo no meio ambiente e na segurança. Estima-se que tenha evitado 25.000 milhas de transporte de caminhão, o que equivale a uma redução de 37 toneladas métricas de CO2, ao mesmo tempo que mitiga os riscos críticos de segurança associados ao transporte, acúmulo de gelo e clima, o que resultou em nenhum registro de acidente relacionado ao sistema de água.
A análise de todos os dados disponíveis demonstra que o projeto atendeu ou excedeu o cenário de investimento inicial, e contribuiu para os objetivos declarados das partes interessadas, incluindo a Minnesota Municipal Power Authority, a NAES Corporation e as cidades membros da MMPA, o conselho de administração e a comunidade. O projeto fez jus ao seu prêmio de 2012 de melhor projeto da categoria e superou as expectativas, proporcionando benefícios financeiros e ambientais essenciais para as partes interessadas da MMPA.