Αφαλάτωση νερού με χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας.

Abstract

Η Ελλάδα είναι μια από τις 7 χώρες της Ευρωπαϊκής Ένωσης που αντιμετωπίζουν πρόβλημα λειψυδρίας. Η αφαλάτωση, σε σύγκριση με τις συμβατικές παρεμβάσεις για εφοδιασμό νερού, έχει πλεονεκτική θέση από άποψη οικονομικού κόστους και περιβαλλοντικών επιπτώσεων. Το μεγαλύτερο μειονέκτημα των συστημάτων αφαλάτωσης είναι οι μεγάλες ενεργειακές απαιτήσεις που παραδοσιακά παρέχονται από συμβατικές μορφές ενέργειας (ορυκτά καύσιμα και ηλεκτρική ενέργεια).

Κατά τη διάρκεια της τελευταίας δεκαετίας, η δυνατότητα εφαρμογής και η αξιοπιστία των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ) στα συστήματα αφαλάτωσης έχουν συζητηθεί εκτενώς ως μια καινοτόμος προσέγγιση για την αφαλάτωση του νερού οικονομικά και περιβαλλοντικά φιλικά.

Επιπλέον, τα αποτελέσματα πολλών ερευνητικών προγραμμάτων έχουν δείξει ότι ο συνδυασμός ΑΠΕ - αφαλάτωση θα μπορούσε να είναι οικονομικά ανταγωνιστική με τις συμβατικές μεθόδους ή άλλες πιθανές λύσεις σε απομακρυσμένες περιφέρειες όπου το κόστος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας είναι υψηλό και, ενδεχομένως, υπάρχει κατάλληλο δυναμικό ΑΠΕ.

Η μεταπτυχιακή αυτή διατριβή έχει ως στόχο να αξιολογήσει συστήματα αφαλάτωσης νερού τροφοδοτούμενα από ενέργεια που έχει παραχθεί από ΑΠΕ, ώστε να αντιμετωπιστεί καλύτερα το πρόβλημα της έλλειψης νερού που αντιμετωπίζεται σήμερα και το οποίο αναμένεται μελλοντικά να γίνει ακόμα πιο έντονο.

Στα πλαίσια λοιπόν αυτής της εργασίας γίνεται αρχικά αναφορά στο πρόβλημα έλλειψης νερού και στους παράγοντες που προκαλούν την έλλειψη αυτή. Ακολουθεί μία σύντομη αναφορά σε προτάσεις και λύσεις πάνω στο συγκεκριμένο πρόβλημα, όπως η μεταφορά νερού η κατασκευή φραγμάτων και η αφαλάτωση.

Έπειτα γίνεται μια ανάλυση στις μεθόδους αφαλάτωσης που χρησιμοποιούνται σήμερα. Οι μέθοδοι χωρίζονται σε θερμικές, στις οποίες απαιτείται θερμότητα και παρατηρείται αλλαγή φάσης, και σε μεμβρανών, στις οποίες το φρέσκο νερό διαχωρίζεται από την άλμη με χρήση ειδικών μεμβρανών. Σήμερα η κυρίαρχη μέθοδος σε όλον τον κόσμο είναι αυτή της αντίστροφης όσμωσης.

Λόγω του γεγονότος ότι για την αφαλάτωση του νερού είναι αναγκαία η χρήση ενέργειας, γίνεται αναφορά στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας που αποτελούν τον πιο φιλικό προς το περιβάλλον τρόπο παραγωγής ενέργειας, και ερευνάται πώς αυτές συνδυάζονται με τις διαφορετικές μεθόδους αφαλάτωσης.

Στο κεφάλαιο 4 γίνεται η αρχική αναφορά στις οικονομικές απαιτήσεις που μπορεί να έχει μία μονάδα αφαλάτωσης, δηλαδή στο κόστος αρχικής επένδυσης, διαχείρισης και λειτουργίας, συντήρησης, προσωπικού κτλ. Ακολουθεί αναφορά στα οικονομικά δεδομένα των σημαντικότερων μεθόδων αφαλάτωσης και στις προοπτικές εξέλιξης. Ακολουθεί μία ανάλυση του τρόπου επιλογής μεθόδου αφαλάτωσης με βάση το νερό και τις ΑΠΕ. Τέλος γίνεται αναφορά στα γενικά κριτήρια για τη διαστασιολόγηση και την επιλογή σημαντικών παραμέτρων σε μία εγκατάσταση αφαλάτωσης.

Στο επόμενο κεφάλαιο αναλύεται η αφαλάτωση με χρήση ηλιακής ενέργειας. Πρώτα γίνεται αναφορά σε φωτοβολταϊκά και θερμικά συστήματα και έπειτα αναλύονται όλα τα είδη ηλιακής αφαλάτωσης με κάθε πιθανό συνδυασμό με ΑΠΕ. Πρώτα αναφερόμαστε στην Αντίστροφη Όσμωση, μετά στην Ηλιακή πολλαπλή εξάτμιση, μετά στην Ηλιακή πολυβάθμια εκτόνωση, ακολουθεί η Ηλιακή θερμική και μηχανική συμπίεση ατμού με απορρόφηση και προσρόφηση και τέλος η ηλεκτροδιάλυση, η ύγρανση – αφύγρανση και ο ηλιακός αποστακτήρας.

Στο έκτο κεφάλαιο βλέπουμε την αφαλάτωση με αιολική ενέργεια. Αφού πρώτα γίνει αναφορά στα είδη αιολικών παρκών και στα προβλήματα που μπορεί να προκαλέσουν, μελετάμε μετά τους τρόπους αιολικής αφαλάτωσης (RO και MVC ). Αυτό που παρατηρήσαμε είναι ότι ο σύστημα αντίστρωφης όσμωσης γίνεται επιλογή, εάν υπάρχει τουλάχιστον κάποια αδύναμη διαθέσιμη σύνδεση με το δίκτυο ενώ αν πρόκειται για μεμονωμένες αιτήσεις για περαιτέρω μακρινούς χώρους, η διαδικασία με συμπίεση ατμού είναι μια πολύ κατάλληλη διαδικασία για την αφαλάτωση που οφείλεται στη μεταβλητότητα της λειτουργίας.

Στο 7ο κεφάλαιο μελετάμε την προοπτική αφαλάτωσης με γεωθερμική και κυματική ενέργεια. Στην αρχή του κεφαλαίου γίνεται μία αναφορά στην γεωθερμικέ ενέργεια και στις χρήσεις της. Έπειτα, αφού πρώτα μιλήσουμε για τα γεωθερμικά πεδία γενικά και μετά αναφερθούμε σε αυτά στον Ελληνικό χώρο, θα αναλύσουμε την αφαλάτωση με γεωθερμική ενέργεια. Τέλος θα γίνει αναφορά και στην κυματική ενέργεια και στους τρόπους αφαλάτωσης με αυτή.

Το κεφάλαιο 8 αναλυτικότερα αναφέρεται στο κόστος μίας μονάδας, παραγωγής και μεταφοράς νερού. Παρατηρείται πως η αφαλάτωση νερού είναι αρκετά φθηνότερη σε σχέση με τη μεταφορά νερού με πλοία που είναι ο σημερινός τρόπος επίλυσης του προβλήματος της έλλειψης νερού. Στο τέλος του κεφαλαίου παραθέτεται και ένα παράδειγμα σχεδιασμού μίας μονάδας αφαλάτωσης με τη χρήση προγράμματος των Χημικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Αθηνών.

Κλείνοντας, στο κεφάλαιο 9, γίνεται σύγκριση των τεχνολογιών που έχουν προαναφερθεί. Καταλήγουμε στο συμπέρασμα πώς υπάρχουν πολλοί συνδυασμοί αφαλάτωσης με ΑΠΕ. Ο πιο διαδεδομένος είναι Φ/Β-Αντίστροφη Όσμωση και ακολουθεί ο συνδυασμός Α/Γ- Αντίστροφη Όσμωση. Σε αυτό συνέβαλαν οι ραγδαίες βελτιωτικές εξελίξεις των τελευταίων ετών στη διάρκεια ζωής των μεμβρανών. Βέβαια η τεχνολογία συνδυασμού ΑΠΕ-αφαλάτωση μπορεί να προτείνεται ως “φθηνή” και φιλική προς το περιβάλλον εναλλακτική για παροχή πόσιμου νερού, αλλά η αλήθεια είναι πως ακόμα δε μπορεί να ανταγωνιστεί τις τιμές του νερού που παράγεται με συμβατικά καύσιμα, λαμβάνοντας υπόψη την τωρινή τιμή καυσίμων και το γεγονός ότι η τεχνολογία αυτή δε μπορεί να χαρακτηριστεί ακόμα ώριμη. Αυτό μας οδηγεί στο συμπέρασμα πως ο συνδυασμός ΑΠΕ-αφαλάτωση μπορεί να βρει χρήση, στην περίπτωση βέβαια που έχουν εξαντληθεί όλες οι άλλες συμβατικές μέθοδοι αφαλάτωσης. Δεδομένου ότι είναι αδύνατον να καλύψει όλες τις ανάγκες ύδρευσης και άρδευσης, πρέπει να λειτουργεί συμπληρωματικά σε μια ευρύτερη πολιτική ολοκληρωμένης διαχείρισης υδατικών πόρων και επ’ ουδενί πρέπει να αντικαταστήσει τις προσπάθειες για συλλογή του βρόχινου νερού, τον περιορισμό των διαρροών από το δίκτυο ύδρευσης, και την επιλογή κατάλληλων καλλιεργειών στην αγροτική παραγωγή που δεν είναι υδροβόρες, έτσι ώστε να γίνεται η μέγιστη εξοικονόμηση νερού. Θα πρέπει λοιπόν, σε μελλοντικές εφαρμογές, να αποτελέσει προτεραιότητα η παράλληλη χρήση της τεχνολογίας αυτής, με αντίστοιχη παροχή κινήτρων.

Greece is one of the 7 European countries facing water scarcity problem. Desalination, compared with conventional interventions for water supply, has an advantage in terms of economic costs and environmental impacts. The biggest disadvantage of desalination systems are large energy requirements traditionally provided by conventional energy (fossil fuels and electricity).

During the last decade, the applicability and reliability of renewable energy sources (RES) in desalination systems has been extensively discussed as an innovative, economical and environmentally friendly approach to water.

Furthermore, the results of several research projects have shown that the combination of RES - desalination could be economically competitive with conventional methods or other possible solutions to remote areas where the cost of electricity is high and, with adequate resources RES.

This thesis aims to evaluate desalination systems powered by energy produced from RES in order to overcome the problem of the water shortage we face today and in the future is expected to become even more intense.

This thesis talks about the lack of water and the factors causing the shortage. First, there are some proposals and solutions on this particular problem. Following is an analysis of the desalination methods used today. There are two methods, heat and films. Heat requires a phase change, and films require fresh water to separated from the brine using special membranes. Currently the dominant method across the world is that of reverse osmosis.

The desalination of water requires energy. Renewable energy is the most environmentally friendly form of energy. This results in the investigation of the combinations between these forms of energy and the different methods of desalination.

Chapter 4 is the initial report on the financial requirements that a desalination plant requires. This includes the initial investment costs, operation and management, maintenance, personnel, etc. There is also a reference to the financial data of major desalination methods and outlook. There is also an analysis of the proper combinations between water desalination and electricity. Finally there is a reference to the general criteria for sizing and selection of important parameters in a desalination plant.

The next chapter analyzes the desalination using solar energy. First referring to photovoltaic and thermal systems and then analyzing all kinds of solar desalination in every possible combination with RES. In the sixth chapter we discuss desalination using wind power. First are mentioned the types of wind farms and their disadvantages.

In the seventh chapter we consider the prospect of desalination using geothermal and wave energy. The chapter is a reference to geothermal energy and its uses. Then after a first discussion about the geothermal fields in general we take a look in the Greek market.

Chapter 8 further analyses the cost of the whole unit, the production and transfer of water. It becomes clear that water desalination is quite cheaper than water transportation by ship, which is the current way of solving the problem of water shortage. At the end of the chapter we present an example of designing a desalination plant using the program used by Chemical Engineering department at the University of Athens.

Finally, in chapter 9, we compare the technologies that have been mentioned. We conclude that there are many combinations of desalination with renewable energy. The most common is the PV Reverse Osmosis, followed by combination Wind- Reverse Osmosis. The improvement of the membrane life expectancy played an important role in the RO domination.

The combination of these technologies (RES and desalination) is thought to be "cheap" and environmentally friendly, but the truth is that they still cannot compete with the prices of water that is being produced by fossil fuels, taking into account the current value of fuel and the fact that this technology can not be identified as mature. This leads us to the conclusion that the combination of RES-desalination may find use only when we exhausted all other conventional desalination methods. Since it is impossible to cover all the needs for drinking water and irrigation, it should be complementary to a broader policy of integrated water resources management and in no way it should replace efforts to collect rainwater, reducing leakage from the water supply, and selecting not water-intensive crops in agriculture is, in order to make the maximum water conservation.