Salinity Gradient Energy (SGE): evaluation and optimization of the producing energy and financial feasibility of SGE power plant using hydrological and energy models in Strymon river estuary

Abstract

This doctoral Thesis focuses on the integrated ecohydrological management of river estuaries characterized by salt wedge intrusion, within the framework of establishing and operating a Salinity Gradient Energy (SGE) plant utilizing Pressure Retarded Osmosis (PRO) technology. The primary objective was to harness the natural salinity gradient between seawater and freshwater as a renewable energy source, with the case study centered on the Strymon River and its estuary in the Strymonian Gulf. The dissertation introduces an innovative theoretical and technological framework that couples hydrodynamic simulation of the river system with Energy model of a 1 MW PRO plant, aiming to assess both the efficiency and viability of this technology. A three-dimensional hydrodynamic model (AEM3D) was developed and applied to simulate the behavior of the salt wedge along the final 8 km of the river. The model was calibrated and validated using field data collected during the spring and summer seasons, enabling detailed mapping of the salinity and temperature stratification within the wedge. Low river discharge during summer promotes the formation of a well-stratified, stationary salt wedge, which may intrude up to 6 km upstream from the river mouth. Operational scenarios explored include both year-round and seasonal operation of the unit, involving either continuous sea water intake from the Strymonikos Gulf or targeted exploitation of increased wedge salinity during the summer months. Multiple intake and discharge point configurations were evaluated, with the optimal scenario achieving an energy conversion efficiency of 47.3% under continuous operation, while the seasonal approach reached 44.5%. Under optimal conditions, the net annual energy production is estimated at 4.15 GWh, sufficient to supply electricity to approximately 1,106 households. Additionally, the influence of pumping and discharge patterns on the hydrodynamic equilibrium of the estuarine system and the limitation of salt water intrusion was investigated. The coupled hydrodynamic and energy model enables real-time operational forecasting of energy output and salt wedge behavior. Environmental and socio-economic benefits associated with PRO plant operation were also analyzed. Notably, suspended solids collected during seawater pretreatment are proposed for use in coastal restoration projects, addressing shoreline erosion in areas such as west of the Kariani marina. Estimated annual sediment recovery ranges from 525 to 2,208 m³, depending on seawater intake location, quantities considered sufficient to restore the affected beach within 5 - 7 years. Although PRO technology is still in the early stages of commercial deployment, it demonstrates energy conversion efficiencies of 40 - 47.3%, making it comparable to wind power and superior to photovoltaics, albeit lower than hydropower. The Levelized Cost of Energy (LCOE) ranges between 0.25 €/kWh and 0.85 €/kWh, influenced primarily by membrane costs and pre-treatment system expenses, currently rendering it less competitive. However, future integration into existing infrastructure and advancements in membrane technology are expected to significantly reduce LCOE, enhancing the competitiveness of PRO within the broader renewable energy sector. In conclusion, this dissertation scientifically and technically substantiates the potential for energy recovery from the salt wedge of the Strymon River using PRO technology, while simultaneously addressing environmental challenges and promoting circular economy principles.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνά την ολοκληρωμένη οικοϋδρολογική διαχείριση ποταμοεκβολών με εμφάνιση αλμυρής σφήνας, μέσω της εγκατάστασης και λειτουργίας μονάδας παραγωγής ενέργειας από Βαθμίδωση Αλατότητας (ΕΒΑ) με χρήση της τεχνολογίας Pressure Retarded Osmosis (PRO). Στόχος της είναι η αξιοποίηση της φυσικής διαφοράς αλατότητας μεταξύ θαλασσινού και γλυκού νερού ως ανανεώσιμη ενεργειακή πηγή, εστιάζοντας στον ποταμό Στρυμόνα και τις εκβολές του στον Στρυμονικό Κόλπο. Η διατριβή εισάγει ένα καινοτόμο θεωρητικό και τεχνολογικό πλαίσιο, το οποίο συνδυάζει την υδροδυναμική προσομοίωση του ποταμού και τη μοντελοποίηση της ενεργειακής απόδοσης μιας μονάδας, δυναμικότητας 1 MW, ώστε να εκτιμηθεί η απόδοση και η βιωσιμότητα της τεχνολογίας Pressure Retarded Osmosis (PRO). Αναπτύχθηκε και εφαρμόστηκε το τρισδιάστατο υδροδυναμικό μοντέλο (AEM3D), το οποίο προσομοιώνει με ακρίβεια τη συμπεριφορά της αλμυρής σφήνας κατά μήκος των τελευταίων 8 km του ποταμού. Το μοντέλο βαθμονομήθηκε και πιστοποιήθηκε με δειγματοληπτικά δεδομένα από τις περιόδους άνοιξης και καλοκαιριού, επιτρέποντας τη χαρτογράφηση της στρωμάτωσης αλατότητας και θερμοκρασίας της σφήνας. Η χαμηλή παροχή του ποταμού κατά τη θερινή περίοδο ευνοεί το σχηματισμό στάσιμης και στρωματοποιημένης αλμυρής σφήνας, η οποία δύναται να διεισδύσει έως και 6 km ανάντη του στομίου του ποταμού Στρυμόνα. Τα επιχειρησιακά σενάρια που εξετάστηκαν περιλαμβάνουν τόσο ετήσια όσο και εποχιακή λειτουργία της μονάδας, με συνεχόμενη άντληση θαλασσινού νερού από τον Στρυμονικό κόλπο ή την αξιοποίηση της υψηλής αλατότητας της σφήνας το καλοκαίρι, αντίστοιχα. Παράλληλα, έλαβε χώρα προσομοίωση διαφορετικών σεναρίων χωροθέτησης των σημείων άντλησης και απορροής της μονάδας, με το βέλτιστο σενάριο να επιτυγχάνει απόδοση 47.3% σε συνθήκες συνεχούς λειτουργίας, ενώ η εποχιακή προσέγγιση υπολογίστηκε περίπου 44.5%. Η τελική παραγωγή ενέργειας (ως προς το βέλτιστο σενάριο) εκτιμάται στις 4.15 GWh/έτος, ικανή να καλύψει τις ενεργειακές ανάγκες περίπου 1,106 νοικοκυριών. Επιπλέον, διερευνήθηκαν οι επιδράσεις των αντλήσεων και απορροών στην υδροδυναμική ισορροπία του εκβολικού συστήματος και στον περιορισμό της διείσδυσης της αλμυρής σφήνας. Μέσω της σύζευξης του τρισδιάστατου υδροδυναμικού και ενεργειακού μοντέλου επετεύχθη η επιχειρησιακή πρόβλεψη της ενεργειακής απόδοσης και ο περιορισμός της αλμυρής σφήνας σε πραγματικό χρόνο. Επιπρόσθετα, αναλύθηκαν οι περιβαλλοντικές και κοινωνικές ωφέλειες της λειτουργίας μιας μονάδας Pressure Retarded Osmosis (PRO). Πιο συγκεκριμένα, προτάθηκε η αξιοποίηση των συλλεχθέντων, κατά την προεπεξεργασία νερού, αιωρούμενων στερεών για την ενίσχυση έργων αποκατάστασης ακτογραμμών που πλήττονται από διάβρωση, όπως η περιοχή δυτικά της μαρίνας της Κάριανης. Η ετήσια συλλογή ιζήματος εκτιμήθηκε από 525 έως 2.208 m³, αναλόγως του σημείου άντλησης θαλασσινού νερού, ποσότητες ικανές για τον εμπλουτισμό και την αποκατάσταση της παραλίας σε 5-7 έτη. Η τεχνολογία Pressure Retarded Osmosis (PRO), αν και βρίσκεται ακόμη σε στάδιο ανάπτυξης, εμφανίζει υψηλή ενεργειακή απόδοση 40-47.3%, καθιστώντας τη συγκρίσιμη με τις υπόλοιπες Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας. Αντιθέτως, το εξομαλυμένο κόστος παραγωγής ενέργειας (Levelized Cost of Energy LCOE) κυμαίνεται από 0.25 έως 0.85 €/kWh, λόγω του κόστους των μεμβρανών και του συστήματος προεπεξεργασίας, καθιστώντας την λιγότερο ανταγωνιστική. Μελλοντικά, η τεχνολογική εξέλιξη του συστήματος μεμβρανών και προεπεξεργασίας, αναμένεται να βελτιώσει την απόδοση της τεχνολογίας μειώνοντας το κεφαλαιακό και λειτουργικό της κόστος καθιστώντας την ανταγωνιστική και οικονομικά βιώσιμη. Συνολικά, η διατριβή τεκμηριώνει επιστημονικά και τεχνικά τη δυνατότητα ενεργειακής αξιοποίησης της αλμυρής σφήνας του ποταμού Στρυμόνα μέσω της τεχνολογίας PRO, προσφέροντας ταυτόχρονα λύσεις σε περιβαλλοντικά προβλήματα και προωθώντας την κυκλική οικονομία.