Διερεύνηση τεχνολογιών ηλεκτροπαραγωγής από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας για αφαλάτωση θαλασσινού νερού με αντίστροφη ώσμωση

Abstract

This work focuses on the study of several topologies of a sea water reverse osmosis desalination unit powered by a hybrid renewable energy system, consists of photovoltaic panels, solar battery bank and small wind turbine. Initially, a conventional sea water reverse osmosis unit without energy recovery and powered by electricity from the main grid was experimentally studied. The nominal capacity of the desalination unit is 1.7 m³/day, contains one membrane module, one high pressure vessel, a centrifugal feed water pump powered by an AC motor with an installed nominal power of 1 kW and a positive displacement high pressure pump powered by an AC motor with an installed nominal power of 2.2 kW. The feed water was prepared in a feed water tank (1 m³) by NaCI solution with electrical conductivity of 35 mS/cm, typically isoosmotic with sea water. The specific energy consumption of the conventional unit was recorded to be 20 kWh/m³. Several modifications were made to the conventional desalination unit in order to be compatible with renewable energy coupling. Modifications like using DC motor (500 W), rotary feed water positive displacement pump, using a pressure exchanger energy recovery device of the Clark pump type and finally adding a second membrane module to increase the water recovery. In the 1st topology, the photovoltaic panels were coupled to the desalination unit through the charge controller and the battery bank. In the 2nd topology, the photovoltaic panels (846 Wp) was coupled to the desalination unit through a charge controller and solar batteries (315 Ah/24 V). Also the wind turbine was coupled through a rectifier/charge controller to the same battery bank (hybrid topology). In the 3rd topology, a buck DC/DC converter (commonly named Linear Current Booster LCB) was used between the photovoltaic panels and the DC motor to cover the DC motor starting current and generally to extend the daily operation hours of the desalination unit. In the 4th topology, the photovoltaic panels were coupled directly to the DC motor of the desalination unit, without the battery bank and in the 5th topology only the wind turbine was coupled to the desalination unit through the rectifier/charge controller and the battery bank. The experimental results showed that the specific energy consumption of the direct coupling topology was the lowest value among all other topologies, and was recorded to be in the range of (4-6 kWh/m3). The several topologies of the system were designed and simulated using TRNSYS ver. 16 software. New components were created, such as the membrane module, the Clark pump and the motor pump assembly. Specifically, for the design of the desalination unit, the ROSA (Reverse Osmosis System Analysis) software was used. Finally, a detailed economic analysis was performed for all the topologies by using the risk analysis method (Monte Carlo method). The economic analysis showed that the direct coupling of the photovoltaic panels to the desalination unit, was the most economically viable system with water production cost of 7.8 €/m³.

Αντικείμενο της διατριβής ήταν η ανάπτυξη, η πειραματική και θεωρητική διερεύνηση καθώς και η τεχνική και οικονομική αξιολόγηση, μικρής δυναμικότητας ενεργειακά αυτόνομων συστημάτων αφαλάτωσης θαλασσινού νερού με αντίστροφη ώσμωση (ΑΩ), εξοπλισμένων με συσκευή ανάκτησης υδραυλικής ενέργειας της άλμης. Στα πλαίσια αυτά αναπτύχθηκε και μελετήθηκε εκτενώς μικρή μονάδα αφαλάτωσης αντίστροφης ώσμωσης (ΑΩ) θαλασσινού νερού δυναμικότητας 1.7 m³/day, εξοπλισμένη με μια συσκευή ανάκτησης της υδραυλικής ενέργειας της άλμης. Η μονάδα ΑΩ τροφοδοτείται με ηλεκτρική ενέργεια από ένα υβριδικό σύστημα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, που αποτελείται από μια ανεμογεννήτρια (Α/Γ) 1 kW, φωτοβολταϊκή (Φ/Β) συστοιχία ισχύος 846 Wp και ηλιακούς συσσωρευτές χωρητικότητας 315 Ah, 24 V. Δοκιμάστηκαν διάφοροι συνδυασμοί των πηγών ηλεκτρικής ενέργειας για τη τροφοδοσία με ενέργεια της μονάδας ΑΩ όπως, Φ/Β και συσσωρευτές (τοπολογία 1), Φ/Β και Α/Γ και συσσωρευτές (τοπολογία 2), απευθείας σύνδεση των Φ/Β χωρίς συσσωρευτές αλλά μέσω μετατροπέα συνεχούς ρεύματος σε συνεχές (ΣΡ/ΣΡ) (τοπολογία 3), απευθείας σύνδεση των Φ/Β χωρίς μετατροπέα ΣΡ/ΣΡ και χωρίς συσσωρευτές (τοπολογία 4), και τέλος σύνδεση της Α/Γ με συσσωρευτές (τοπολογία 5). Τελικός στόχος ήταν η εύρεση του άριστου συνδυασμού από τεχνικής και οικονομικής άποψης. Πραγματοποιήθηκε προσομοίωση των συστημάτων παραγωγής ενέργειας και της μονάδας ΑΩ με χρήση του λογισμικού δυναμικής προσομοίωσης TRNSYS ver.16. Αναπτύχθηκαν νέες ρουτίνες, όπως ρουτίνα για τη μονάδα ΑΩ, ρουτίνα για την αντλία τροφοδοσίας με τον κινητήρα ΣΡ και τον ανακτητή ενέργειας Επίσης, συγκρίθηκαν τα αποτελέσματα της προσομοίωσης, όπως η αγωγιμότητα και η ποσότητα του παραγόμενου νερού από τις μεμβράνες, η πίεση και η παροχή της αντλίας και του ανακτητή με τα πειραματικά δεδομένα. Τέλος πραγματοποιήθηκε λεπτομερής οικονομική ανάλυση (για όλους του δυνατούς συνδυασμούς των πηγών ενέργειας με τη μονάδα ΑΩ) με χρήση της μεθόδου ανάλυσης κινδύνου (Risk Analysis), όπου υπολογίστηκε ότι το κόστος του παραγόμενου νερού, για το σύστημα με απευθείας σύνδεση (χωρίς μετατροπέα) ανήλθε σε 7.8 €/m³.