Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας Σχολή Τεχνολογικών Εφαρμογών Τμήμα Μηχανολογίας Ενεργειακός τομέας Πτυχιακή εργασία Αφαλάτωση με Ανανεώσιμες

Transcript

1 Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας Σχολή Τεχνολογικών Εφαρμογών Τμήμα Μηχανολογίας Ενεργειακός τομέας Πτυχιακή εργασία Αφαλάτωση με Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Υφαντίδης Αθανάσιος, Α.Μ Επιβλέπων Καθ.:Ελένη Αποστολίδου Καβάλα,Οκτώβριος 2014

2 ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ Πρόλογος Τα προβλήματα έλλειψης νερού σε πολλές πλέον περιοχές ανά τον πλανήτη, έχουν δημιουργήσει την ανάγκη χρήσης συγκεκριμένων τεχνολογικών μεθόδων για την παραγωγή καθαρού νερού κι αξιοποίησής του. Μια τέτοια μέθοδος είναι η αφαλάτωση, που αποτελεί την πιο προσοδοφόρα, αξιόπιστη και με πολλά επιτυχημένα παραδείγματα λύση. Με αυτή την τεχνολογία παραγωγής καθαρού και πόσιμου νερού από το θαλασσινό, επιτυγχάνεται η απομάκρυνση των μολυσματικών ουσιών και του άλατος, με ένα πλήθος διαφορετικών εναλλαγών που μπορούν να χρησιμοποιούνται ανάλογα με την κάθε περίπτωση. Ως εκ τούτου, υπάρχει η δυνατότητα δημιουργίας μονάδας αφαλάτωσης προσαρμοσμένης στις συγκεκριμένες συνθήκες θερμοκρασίας και γεωλογίας του κάθε τόπου, αλλά και στη δυναμικότητα με την οποία προορίζεται να λειτουργεί, που μπορεί να είναι από μικρή (18 m 3 καθαρού νερού ανά ημέρα), έως υπέρογκη ( m 3 /ημέρα). Κατά την έρευνα για τα στάδια που ακολουθούνται προς την επιλογή της διαδικασίας, είναι απαραίτητο να αποτιμηθεί η χρήση των τεχνολογιών αφαλάτωσης σε όλο τους το φάσμα, δίνοντας έμφαση στην καλύτερη απόδοση που μπορεί να έχουν χωρίς να υπάρχει υπερκατανάλωση ενέργειας και το κόστος που συνοδεύει την κάθε επιλογή. Με τον τρόπο αυτό και με ένα κατάλληλα σχεδιασμένο σύστημα που θα ανταποκρίνεται στις ανάγκες και τις ιδιαιτερότητες του κάθε τόπου,θα μπορούσαν να ευεργετηθούν και τα ελληνικά νησιά που χαρακτηρίζονται «άνυδρα». Σε αρκετά νησιά του Κεντρικού Αιγαίου είναι πλέον έντονο το πρόβλημα της λειψυδρίας. Με την εκμετάλλευση όμως του ανέμου και του ήλιου, θα ήταν δυνατή η εγκατάσταση μονάδων αφαλάτωσης που χρησιμοποιούν την άφθονη ενέργεια που παρέχεται από τις ανανεώσιμες πηγές. Επιπρόσθετα, με την εγκατάσταση τέτοιων μονάδων θα έπαυε και η εξάρτηση του πληθυσμού από άλλες περιοχές για πόσιμο νερό, με ταυτόχρονο μηδενισμό των εξόδων μεταφοράς του νερού με πλοία. Συνεπώς, η αναζήτηση της κατάλληλης τεχνολογίας αφαλάτωσης κι εφαρμογής της μπορεί να δώσει ολοκληρωμένες λύσεις στα προβλήματα έλλειψης νερού αρκετών άνυδρων περιοχών, με αντίκτυπο και στην οικονομική και κοινωνική τους ευημερία. Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 1 από 76

3 ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ Περιεχόμενα 1. Εισαγωγή Επισκόπηση των Κεφαλαίων Έννοια της αφαλάτωσης Βασικά χαρακτηριστικά του νερού Παράμετροι ποιότητας του νερού.10 3.Διεργασίες αφαλάτωσης Θερμικές διεργασίες Ακαριαία απόσταξη πολλαπλών βαθμίδων Απόσταξη πολλαπλής επίδρασης Απόσταξη με συμπίεση ατμών Ηλιακή απόσταξη Διεργασίες μεμβρανών Αντίστροφη όσμωση Συστήματα ανάκτησης ενέργειας στην Αντίστροφη όσμωση Ηλεκτροδιάλυση Απόσταξη μεμβράνης 31 4.Σύγκριση των διεργασιών αφαλάτωσης Η περιοχή της εγκατάστασης και ο διατιθέμενος χώρος Το νερό τροφοδοσίας Δυνατότητα παραγωγής νερού Ποιότητα παραγόμενου ύδατος Ενεργειακή κατανάλωση των συστημάτων αφαλάτωσης Περιβαλλοντικές επιπτώσεις 42 Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 2 από 76

4 ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ 4.7 Ενεργειακές πηγές αφαλάτωσης Σύνοψη της σύγκρισης των διεργασιών αφαλάτωσης-πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των διαδικασιών Κόστος αφαλάτωσης Κόστος αρχικής επένδυσης Κόστος λειτουργίας και συντήρησης Κόστη διεργασιών αφαλάτωσης Χρήση των Α.Π.Ε. στην αφαλάτωση Κατάλληλοι συνδυασμοί ΑΠΕ-αφαλάτωσης Εγκατάσταση μονάδας αφαλάτωσης με ΑΠΕ Αυτόνομα και συνδεδεμένα σε δίκτυο συστήματα αφαλάτωσης-απε Αυτόνομα συστήματα Συστήματα συνδεδεμένα σε ηλεκτρικό δίκτυο Συμπεράσματα για τη χρήση των ΑΠΕ στην αφαλάτωση Μονάδες αφαλάτωσης ανά τον κόσμο και την Ελλάδα Η παγκόσμια δυναμικότητα αφαλάτωσης Οι υπάρχουσες μονάδες αφαλάτωσης στον πλανήτη και την Ελλάδα Μονάδες αφαλάτωσης με ΑΠΕ σε παγκόσμιο επίπεδο Η μονάδα αφαλάτωσης στην Ηρακλεία Γενικά συμπεράσματα και προτάσεις για την αφαλάτωση...73 Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 3 από 76

5 ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ Κατάλογος πινάκων και γραφημάτων Πίνακες Πίν. 2.1 Χημικά συστατικά του νερού...9 Πίν. 2.2 Παράμετροι ποιότητας νερού..10 Πίν. 2.3 Διαλυμένα στερεά συστατικά νερού...11 Πίν. 4.1 Απαιτούμενη έκταση διαδικασιών αφαλάτωσης.34 Πίν. 4.2 Συγκέντρωση άλατος ανά διεργασία αφαλάτωσης..36 Πίν. 4.3 Δυνατότητα παραγωγής νερού ανά διεργασία αφαλάτωσης...38 Πίν. 4.4 Περιεκτικότητα του παραγόμενου νερού σε άλατα.39 Πίν. 4.5 Ενεργειακές απαιτήσεις μεθόδων αφαλάτωσης 40 Πίν. 5.1 Κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας ανά διεργασία αφαλάτωσης 47 Πίν. 5.2 Κόστη διεργασιών αφαλάτωσης...48 Πίν. 5.3 Κόστη Αντίστροφης όσμωσης και Ηλεκτροδιάλυσης.50 Πίν. 5.4 Κόστη αφαλάτωσης με Α/Γ και Φ/Β...50 Πίν. 7.1 Οι μεγαλύτερες μονάδες αφαλάτωσης σε δυναμικότητα..66 Πίν. 7.2 Δυναμικότητα των υπό κατασκευή μονάδων αφαλάτωσης..66 Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 4 από 76

6 ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ Σχήματα Σχήμ Ακαριαία απόσταξη πολλαπλών βαθμίδων..14 Σχήμ.3.2 Λειτουργία απόσταξης πολλαπλής επίδρασης 16 Σχήμ.3.3 Μηχανική απόσταξη με συμπίεση ατμών 18 Σχήμ.3.4 Η διαδικασία της όσμωσης 21 Σχήμ.3.5 Η διαδικασία της Αντίστροφης όσμωσης.21 Σχήμ.3.6 Σύστημα Αντίστροφης όσμωσης χωρίς ανάκτηση αλμόλοιπου...22 Σχήμ.3.7 Αρχή λειτουργίας εναλλάκτη πίεσης.24 Σχήμ.3.8 Αντίστροφη όσμωση με εναλλάκτη πίεσης...25 Σχήμ.3.9 Αντίστροφη όσμωση μέσω στροβίλου Pelton...26 Σχήμ.3.10 Σύστημα Αντίστροφης όσμωσης αντλίας-στροβίλου.27 Σχήμ.3.11 Αρχή λειτουργίας της Ηλεκτροδιάλυσης...29 Σχήμ.3.12 Διάταξη αφαλάτωσης με Ηλεκτροδιάλυση 30 Σχήμ.3.13 Αρχή λειτουργίας Απόσταξης μεμβράνης και τυπικό διάγραμμα συστήματος Απόσταξης μεμβράνης 31 Σχήμ.5.1 Υπολογιζόμενο ειδικό κόστος αφαλάτωσης.49 Σχήμ.6.1 Πιθανοί συνδυασμοί μεθόδων αφαλάτωσης-τεχνολογιών ΑΠΕ..53 Σχήμ.6.2 Τεχνολογική κατανομή μονάδων αφαλάτωσης με ΑΠΕ..57 Σχήμ.6.3 Αυτόνομο σύστημα αφαλάτωσης συνδεδεμένο με Φ/Β και Α/Γ...59 Σχήμ.7.1 Δυναμικότητα μονάδων αφαλάτωσης ( )..63 Σχήμ.7.2 Παγκόσμια παραγωγή μονάδων αφαλάτωσης έως το Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 5 από 76

7 ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ Εισαγωγή Το νερό αποτελεί το βασικότερο αγαθό που παρέχει η φύση στον άνθρωπο. Οι περισσότερες ανάγκες κάθε είδους κοινωνίας ανά τον πλανήτη καλύπτονται από την ύπαρξή του. Η αναζήτηση για υδάτινους πόρους οδήγησε ολόκληρους πληθυσμούς, από την αρχαιότητα ακόμα, στο να εγκατασταθούν κοντά σε ποτάμια και λίμνες όπου θα μπορούσαν να το βρίσκουν σε αφθονία. Στην εξέλιξη της ιστορίας, το νερό δε θα οριζόταν απλά ως το κύριο στοιχείο για την επιβίωση, μέσω της ύδρευσης και της άρδευσης, αλλά και το μέσο για υδροκίνητες κατασκευές, για αποχετεύσεις και μια πλειάδα εργασιών που εξυπηρετούσαν τις ανθρώπινες ανάγκες. Επιπρόσθετα, το τεράστιο απόθεμα νερού στις περισσότερες κατοικήσιμες περιοχές, λειτούργησε καταλυτικά στο να θεωρείται το πιο προσιτό στοιχείο, καθώς κανένα άλλο υγρό στοιχείο με τις ιδιότητες του δεν υπήρχε σε τόσο μεγάλες ποσότητες. Παρόλα αυτά, κατά τα νεότερα χρόνια και ειδικότερα στο δεύτερο μισό του εικοστού αιώνα, πολλές περιοχές ανά τον κόσμο βρέθηκαν αντιμέτωπες με το φάσμα της λειψυδρίας, η οποία επήλθε είτε λόγω μετακίνησης μαζών σε μέρη με περιορισμένα αποθέματα νερού, είτε λόγω της αλόγιστης σπατάλης του χωρίς να υπάρχει η δυνατότητα να ανακτηθεί. Ως εκ τούτου, η αύξηση του πληθυσμού, η επέκταση των πόλεων αλλά και η κλιματική αλλαγή επηρεάζουν ως και σήμερα τη διαθεσιμότητα υδάτινων πόρων και την επάρκεια των αποθεμάτων πόσιμου νερού. Η λύση στην ανάγκη για καθαρό νερό φαινόταν πως πρέπει να αναζητηθεί μέσα από την επεξεργασία του μεγαλύτερου υδάτινου φορέα, τη θάλασσα. Εδώ λοιπόν είναι σημαντικό να αναφερθεί πως πολύ πριν εντοπιστούν τα προβλήματα που προαναφέρθηκαν και στον ελληνικό χώρο, καταγράφεται η πρώτη ιστορική εφαρμογή της αφαλάτωσης θαλασσινού νερού με εξάτμιση από τον Αλέξανδρο του Αφροδισιέως το 200 μ.χ. Συγκεκριμένα, οι ναύτες των πλοίων χρησιμοποιούσαν τους σπόγγους για την απορρόφηση των ατμών του θαλασσινού νερού που έβραζε σε ειδικό δοχείο. Όταν αυτοί οι ατμοί συμπυκνώνονταν, αποτελούσαν πόσιμο νερό με χαμηλή περιεκτικότητα σε άλατα. Ωστόσο, στα χρόνια που ακολούθησαν,η έρευνα για πιο αποτελεσματικούς τρόπους παραγωγής καθαρού νερού από το θαλασσινό θα ήταν ελάχιστη ως ανύπαρκτη,μέχρι και τον εικοστό αιώνα. Η Ελλάδα δε θα αποτελούσε εξαίρεση στην επερχόμενη εξέλιξη. Αν και γενικά θεωρείται μια πλούσια σε υδατικούς πόρους χώρα, εντούτοις σε αρκετές περιοχές της είναι πλέον υπαρκτό και κατά τόπους έντονο το φαινόμενο της λειψυδρίας. Η έλλειψη νερού που παρατηρείται σε αρκετά νησιά των Κυκλάδων και των Δωδεκανήσων, τα οποία χαρακτηρίζονται και «άνυδρα», αποτελεί ένα πολυδιάστατο ζήτημα και με σημαντικές επιπτώσεις στις τοπικές αυτές κοινωνίες. Ως η πιο προφανής και προσοδοφόρα λύση σε αυτά τα προβλήματα ενδείκνυται η εγκατάσταση μονάδων αφαλάτωσης, ειδικότερα στα νησιά του Αιγαίου που πλήττονται περισσότερο. Το πλεονέκτημα μάλιστα που υπάρχει στα εν λόγω νησιά Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 6 από 76

8 ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ αφορά την ενεργειακή τροφοδότηση, η οποία θα πραγματοποιείται από Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας, όπως η Αιολική και η Ηλιακή που σε τέτοια μέρη αφθονούν. Επιπλέον, με τη λειτουργία των ΑΠΕ κατά την αφαλάτωση δεν επιβαρύνεται το τοπικό δίκτυο ηλεκτροδότησης, που συχνά είναι περιορισμένων δυνατοτήτων και με ιδιαίτερα υψηλό κόστος χρήσης. Σκοπός λοιπόν αυτής της μελέτης είναι η αποτίμηση των σημαντικότερων παραμέτρων που περιβάλλουν την τεχνολογία της αφαλάτωσης στις υπάρχουσες εκδοχές της, με κεντρικό γνώμονα την ενεργειακή κατανάλωση και το κόστος τους. Ερευνούνται οι κατά περίπτωση διεργασίες αφαλάτωσης, η δυναμικότητα του εκάστοτε συστήματος που προσαρμόζεται, η αλατότητα του προς αφαλάτωση και του τελικώς παραγόμενου νερού και η τεχνολογία ενεργειακής τροφοδοσίας που χρησιμοποιείται. Επιδιώκεται συνεπώς να αποκτηθεί μια πληρέστερη και πιο συνολική εικόνα για τις δυνατότητες εγκατάστασης τέτοιων μονάδων σε περιοχές με πρόβλημα λειψυδρίας, όπως τα «άνυδρα» νησιά, αλλά και κάποιες περιοχές που θα μπορούσαν μελλοντικά να παρουσιάσουν υδατική ανεπάρκεια, όπως τα μεγάλα αστικά κέντρα. Επισκόπηση των Κεφαλαίων Στην παρούσα ενότητα αναφέρονται συνοπτικά τα ζητήματα που πραγματεύονται τα κεφάλαια που ακολουθούν. Στο Κεφάλαιο 2, «Έννοια της αφαλάτωσης», εξετάζονται οι πρώτες πληροφορίες που πρέπει να γίνονται γνωστές προς την εκπόνηση της αφαλάτωσης και αφορούν τα χημικά συστατικά του νερού, την αλατότητα του, τη σκληρότητα και γενικότερα την καταλληλότητά του. Στο Κεφάλαιο 3, «Διεργασίες αφαλάτωσης», απαριθμούνται οι υπάρχουσες διεργασίες αφαλάτωσης και οι κανόνες που τις διέπουν. Αναφέρεται η διαδικασία που ακολουθείται ξεχωριστά για τις Θερμικές διεργασίες και τις διεργασίες Μεμβρανών και ειδικότερα για την Ακαριαία Απόσταξη Πολλαπλών Βαθμίδων, Απόσταξη Πολλαπλής Επίδρασης,Απόσταξη με Συμπίεση Ατμών, Ηλιακή Απόσταξη, Αντίστροφη Όσμωση, Συστήματα Ανάκτησης ενέργειας, Απόσταξη Μεμβράνης και Ηλεκτροδιάλυση. Στο Κεφάλαιο 4, «Σύγκριση των διεργασιών αφαλάτωσης», διερευνούνται τα γενικά χαρακτηριστικά της κάθε διεργασίας, τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα που προκύπτουν από τη χρήση καθεμιάς, καθώς και οι παράγοντες που επηρεάζουν τις διεργασίες κατά τη λειτουργία της μονάδας αφαλάτωσης. Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 7 από 76

9 ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ Στο Κεφάλαιο 5, «Κόστος αφαλάτωσης»,μελετάται το κόστος σε όλη τη διαδρομή προς την κατασκευή, την εγκατάσταση και τη λειτουργία μιας μονάδας αφαλάτωσης, όπως τα ξεχωριστά κόστη λειτουργίας, συντήρησης κι επένδυσης. Στο Κεφάλαιο 6, «Χρήση των Α.Π.Ε. στην αφαλάτωση»,αναφέρονται οι πιο κατάλληλοι συνδυασμοί που προκύπτουν από την κοινή χρήση των ΑΠΕ και των τεχνολογιών παραγωγής καθαρού νερού. Εξηγείται η πορεία προς τη δημιουργία μιας εγκατάστασης αφαλάτωσης με ΑΠΕ, καθώς και η διάκριση των συστημάτων σε αυτόνομα και σε συστήματα με σύνδεση στο ηλεκτρικό δίκτυο. Στο Κεφάλαιο 7, «Μονάδες αφαλάτωσης ανά τον κόσμο και την Ελλάδα»,γίνεται λόγος για τα πιο χαρακτηριστικά κι αξιόλογα παραδείγματα μονάδων αφαλάτωσης που λειτουργούν στον πλανήτη και στην Ελλάδα και παρέχονται στοιχεία της δυναμικότητάς τους και της ενεργειακής τους κατανάλωσης. Τέλος, στο Κεφάλαιο 8, «Γενικά συμπεράσματα και προτάσεις για την αφαλάτωση», παρατίθενται τα τελικά συμπεράσματα από τον υπολογισμό των φυσικών μεγεθών και των παραμέτρων που εξετάστηκαν κατά τη συνολική αποτίμηση της αφαλάτωσης και των τεχνοτροπιών της, καθώς και προτάσεις για την καλύτερη αξιοποίηση των υπαρκτών τεχνολογιών στην Ελλάδα και τον κόσμο. Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 8 από 76

10 Έννοια της αφαλάτωσης ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ 2. Έννοια της αφαλάτωσης Με τον όρο αφαλάτωση εννοούμε τις διεργασίες που εκπονούνται με αποτέλεσμα τη σημαντική μείωση της ποσότητας των διαλυμένων συστατικών που υπάρχουν στο νερό. 2.1 Βασικά χαρακτηριστικά του νερού Όσο πιο μικρή είναι η περιεκτικότητα του νερού σε άλατα, τόσο χρησιμότερο γίνεται αυτό για τις ανθρώπινες εφαρμογές. Παραταύτα, τα συστατικά του νερού που βρίσκουμε στη φύση ποικίλλουν. Αρκετά από αυτά αναγράφονται στον πίνακα παρακάτω. Xημικό συστατικό Συγκέντρωση (ppm) Ποσοστό Άλατος (%) Chloride Sodium ,6 Sulfate ,6 Magnesium ,7 Calcium 416 1,2 Potassium 390 1,1 Bicarbonate 145 0,4 Bromide 66 0,2 Borate 27 0,08 Strontium 13 0,04 Fluoride 1 0,003 Πίνακας 2.1 Χημικά συστατικά του νερού Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 9 από 76

11 Έννοια της αφαλάτωσης ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ 2.2 Παράμετροι ποιότητας του νερού Το πόσιμο νερό των κατοικημένων δικτύων φέρει ως ανώτερη τιμή ποσότητας άλατος τα 1000 ppm (pieces per million). Kατά μέσο όρο για ύδατα σε ηπειρωτικές περιοχές η τιμή αυτή φτάνει τα ppm, ενώ στη θάλασσα οι τιμές κυμαίνονται από έως ppm. Το θαλασσινό νερό κι αυτό των λιμνών διαφέρουν σε αξιοσημείωτα επίπεδα ανάλογα με τη συγκέντρωση των διαλυμένων στερεών στη σύστασή τους. Έτσι παρατηρούμε πως στη θάλασσα της Μεσογείου η αλατότητα φτάνει τα mg/l, στη Βαλτική τα mg/l ενώ στη Νεκρά Θάλασσα βρίσκεται στα mg/l. Κάποιες χρηστικές προδιαγραφές της ποιότητας και αλμυρότητας του νερού φαίνονται στη συνέχεια με τους αντίστοιχους πίνακες. Παράμετροι ποιότητας νερού Αποδεκτή τιμή Μη αποδεκτή τιμή θολότητα 5 25 ph 7-8,5 <6,5 και >9,2 διαλυμένα στερεά (ppm) σκληρότητα (ppm) Chloride (ppm) Nitrate (ppm) Σίδηρος (ppm) 0,3 1 Πίνακας 2.2 Παράμετροι ποιότητας νερού Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 10 από 76

12 Έννοια της αφαλάτωσης ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ Κατάσταση νερού Διαλυμένα στερεά (mg/l) πόσιμο νερό <1000 ελαφρώς υφάλμυρο νερό μέτρια υφάλμυρο νερό ισχυρά υφάλμυρο νερό μέσο θαλασσινό νερό Πίνακας 2.3 Διαλυμένα στερεά συστατικά νερού Σαν παράγοντας επιλογής του πόσιμου νερού διακρίνεται και η γευστικότητα,όπου με τιμές αλάτων και στερεών κάτω των 300 mg/l η γεύση θεωρείται εξαιρετική, στα 700 mg/l μέτρια, ενώ μη αποδεκτές είναι οι τιμές πάνω από τα 1200 mg/l.το νερό από το οποίο αφαιρούνται όλα τα διαλυμένα συστατικά είναι δυσάρεστο κατά την πόση, καθώς το χαρακτηρίζει μια ουδέτερη και γλυφή γεύση. Άλλοτε, όταν η συγκέντρωση του υδατοδιαλύματος είναι υψηλή σε άλατα, όπως στο θαλασσινό νερό, τότε η πόση γίνεται δυσάρεστη ως ακατάλληλη. Στο πόσιμο νερό πρέπει να επιτυγχάνεται μία μέση κατάσταση από τις δύο προηγούμενες ακραίες περιπτώσεις (Clayton,2011). Με γνώμονα την καταλληλότητα του, το νερό μετά την απομάκρυνση του μεγαλύτερου ποσοστού του άλατος και των διαλυμένων στερεών με την αφαλάτωση αξιοποιείται για ύδρευση, άρδευση και άλλες δραστηριότητες τόσο στη βιομηχανία όσο και για καθημερινές ανάγκες που απαιτούν σημαντικά καθαρό νερό. Αυτό προϋποθέτει όχι μόνο την ποιότητα αλλά και την αυξημένη διαθέσιμη ποσότητα ύδατος προς επεξεργασία και μετέπειτα χρήση. Στην επόμενη ενότητα θα αναπτυχθούν οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για τις περισσότερες γνωστές διεργασίες της αφαλάτωσης. Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 11 από 76

13 Διεργασίες αφαλάτωσης ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ 3. Διεργασίες αφαλάτωσης Ο διαχωρισμός νερού και αλάτων από ένα υδατικό διάλυμα γίνεται με σκοπό την παραγωγή του προς χρήση καθαρού νερού. Οι πιο εμπορικά διαθέσιμες και διαδεδομένοι μέθοδοι αφαλάτωσης χωρίζονται σε δύο κατηγορίες. Στις θερμικές διεργασίες και σε αυτές των μεμβρανών (Σαμακίδης 2009,Τζεν 2010). 1)Θερμικές διεργασίες: Το νερό κατά τις θερμικές διεργασίες εναλλάσσεται από την υγρή στην αέρια φάση κι αντίστροφα έως ότου συμπυκνωθεί ξανά σε υγρή μορφή. Αυτό επιτυγχάνεται κυριότερα με την απόσταξη αλλά και με την λιγότερο διαδεδομένη κρυστάλλωση. Διεργασίες απόσταξης αποτελούν οι: α)ακαριαία απόσταξη πολλαπλών βαθμίδων (Μulti Stage Flashing), β)απόσταξη πολλαπλής επίδρασης (Multi Effect Distillation), γ)απόσταξη με συμπίεση ατμών (Vapor Compression Distillation) και δ)ηλιακή απόσταξη (Solar Distillation). 2)Διεργασίες μεμβρανών: Οι μεμβράνες έχουν την ιδιότητα να διαχωρίζουν επιλεκτικά το νερό και τα άλατα (Κορωναίος,2006).Στις διεργασίες αυτές το νερό παραμένει αποκλειστικά στην υγρή φάση. Στην κατηγορία αυτή υπάρχουν οι : α)αντίστροφη Όσμωση (Reverse Osmosis) και β) Hλεκτροδιάλυση. Σε μικρότερη κλίμακα χρησιμοποιούνται κάποιες επιμέρους διεργασίες αφαλάτωσης ή και ο συνδυασμός δύο διαφορετικών. Συγκεκριμένα αναφέρεται η Απόσταξη Μεμβράνης που συνδυάζει τις ιδιότητες των μεμβρανών με την προορισμένη απόσταξη(κορωναίος,2006).παρακάτω αναλύονται οι θερμικές διεργασίες που προαναφέρθηκαν κι οι διεργασίες των μεμβρανών. 3.1 Θερμικές διεργασίες Στο μεγαλύτερο ποσοστό των διεργασιών που εκπονούνται για την αφαλάτωση απαιτείται η θέρμανση του νερού. Οι θερμικές διεργασίες εφαρμόζονται σε μεγάλες ή μικρότερες εγκαταστάσεις παροχών που σε κάποιες περιπτώσεις ξεπερνούν τα κυβικά μέτρα την ημέρα. Κατά τη διαδικασία αυτή το προς διεργασία νερό επέρχεται Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 12 από 76

14 Διεργασίες αφαλάτωσης ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ από την υγρή φάση στην αέρια κι έπειτα από την αέρια επανέρχεται στην υγρή, περνώντας τα στάδια αρχικά της εξάτμισης και τελικά της συμπύκνωσης. Το μέτρο απόδοσης τέτοιων μονάδων αφαλάτωσης εκφράζεται ως ο λόγος των μονάδων αποσταγμένου νερού ανά μονάδα ατμού ή ανά 2326 KJ που αντιστοιχεί στη λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης στους 73 0 C.Η ενέργεια που χρειάζεται για την εξάτμιση μπορεί να προέρχεται είτε από καύσιμα είτε από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας ενώ κατά τη συμπύκνωση η θερμική ενέργεια που αποβάλλεται χρησιμοποιείται για την προθέρμανση του νερού τροφοδοσίας,κάνοντας ακόμη μεγαλύτερη την απόδοση της διάταξης. Στις θερμικές διεργασίες εκμεταλλευόμαστε την ιδιότητα του νερού να βράζει σε πιο χαμηλή θερμοκρασία όταν ελαττώνεται η πίεση που του ασκείται, τοποθετώντας τις βαθμίδες της διάταξης σε σειρά τέτοια ώστε καθεμία να βρίσκεται σε χαμηλότερη πίεση από την προηγούμενη Ακαριαία απόσταξη πολλαπλών βαθμίδων Στην κατηγορία αυτή το αλμυρό νερό συσσωρεύεται στο θερμαντή άλμης μέσω τοποθετημένων εναλλακτών θερμότητας σε θερμοκρασία λίγο χαμηλότερη από αυτή του σημείου βρασμού του και υπό ορισμένη πίεση. Με τον τρόπο αυτό προκαλείται ο ακαριαίος βρασμός του εν λόγω διαλύματος. Ο ακαριαίος ή εκρηκτικός όπως χαρακτηρίζεται βρασμός προξενεί σχηματισμό ατμών με αποτέλεσμα την πτώση της θερμοκρασίας στο διάλυμα. Η διαδικασία έπειτα αποσυμπίεσης - ακαριαίου βρασμού - συμπύκνωσης ατμών επαναλαμβάνεται σε διαδοχικούς θαλάμους όπου η πίεση μειώνεται διαρκώς ακολουθώντας την αντίστοιχη μείωση της θερμοκρασίας του υδατικού διαλύματος έως τη στιγμή που θα απορριφθεί το υπόλειμμα άλατος και συλλέγεται το καθαρό νερό (Δαγκαλίδης,2009).Μια τέτοια εγκατάσταση MSF (Multi Stage Flashing) μπορεί να αποτελείται από τέσσερις μέχρι δέκα βαθμίδες. Στο σχήμα παρακάτω απεικονίζεται η αρχή λειτουργίας της ακαριαίας απόσταξης πολλαπλών βαθμίδων. Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 13 από 76

15 Διεργασίες αφαλάτωσης ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ Σχήμ.3.1 Λειτουργία ακαριαίας απόσταξης πολλαπλών βαθμίδων Οι ατμοί που παράγονται κατά τις διάφορες βαθμίδες οδηγούνται σε ένα εναλλάκτη θερμότητας όπου ψύχονται και υγροποιούνται, μεταδίδοντας μέρος της θερμότητας τους στο αλμυρό νερό τροφοδοσίας ώστε να προθερμανθεί. Με αυτό τον τρόπο μεγάλο μέρος της θερμότητας ανακυκλώνεται, αυξάνοντας το βαθμό απόδοσης της διάταξης. Ο βαθμός απόδοσης ορίζεται ως το πηλίκο της μάζας παραγόμενου αφαλατωμένου νερού προς τη μάζα του ατμού που χρησιμοποιήθηκε. Μια τυπική τιμή του βαθμού αυτού για τη συγκεκριμένη μέθοδο είναι περίπου 8,ενώ μία μονάδα είκοσι βαθμίδων απαιτεί περίπου 290 kj/kg προϊόντος (Ενεργειακό Γραφείο του Αιγαίου,2011).Σε πολλές εγκαταστάσεις το υπόλειμμα της συνολικής διαδικασίας ανακυκλώνεται και προστίθεται στο νερό τροφοδοσίας, βελτιώνοντας ακόμη περισσότερο το βαθμό απόδοσης (Ασημακόπουλος,2001).Ένας τρόπος για την αρχική θέρμανση του τροφοδοτούμενου νερού μας παρέχεται από την ενέργεια που απορρίπτεται από ένα εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας, όπως για παράδειγμα οι θερμοηλεκτρικοί σταθμοί. Η απορριπτόμενη ενέργεια του εργοστασίου διοχετεύεται στη διάταξη της αφαλάτωσης και ταυτόχρονα επιτυγχάνεται η ψύξη του φορέα παραγωγής ενέργειας, χωρίς να αποβάλλονται στο περιβάλλον οι ποσότητες θερμότητας με ενδεχόμενες καταστροφικές επιπτώσεις. Κάτι τέτοιο βελτιώνει τα οικονομικά δεδομένα σε μια εγκατάσταση αφαλάτωσης καθώς μειώνονται οι απαιτήσεις της για ενέργεια μέχρι και κατά 50% (Σαμακίδης,2009). Οι εγκαταστάσεις τύπου MSF χρησιμοποιούνται από τα μέσα της δεκαετίας του 1950.Η δυναμικότητα τους έχει εύρος από τέσσερα έως τριάντα εκατομμύρια λίτρα ανά ημέρα, λειτουργώντας με θερμοκρασίες από 90 0 ως C.Σε περιπτώσεις που αυτό το όριο θερμοκρασίας ξεπεραστεί μπορεί να ενισχύεται ο βαθμός απόδοσης, Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 14 από 76

16 Διεργασίες αφαλάτωσης ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ παράλληλα όμως αυξάνεται η φθορά της εγκατάστασης, λόγω των στρωμάτων επικάλυψης που σχηματίζονται και διαβρώνουν τις επιφάνειες. Εικ.3.1 Εγκατάσταση ΜSF στη Σαουδική Αραβία δυναμικότητας m 3 ανά ημέρα Aπόσταξη πολλαπλής επίδρασης Κατά τη διαδικασία αυτού του είδους απόσταξης που διεθνώς αποδίδεται ως MED (Multiple Effect Distillation), το αλμυρό νερό τροφοδοσίας θερμαίνεται μέχρι το σημείο βρασμού του στην πρώτη βαθμίδα της διάταξης της μονάδας αφαλάτωσης. Αρχικά το νερό ψεκάζεται στην επιφάνεια των σωληνών εξάτμισης σχηματίζοντας ένα λεπτό στρώμα γύρω τους. Με αυτή τη μέθοδο επιδιώκεται ο γρήγορος βρασμός κι η εξάτμιση ενός μέρους του νερού. Οι ατμοί που παράγονται χρησιμοποιούνται για τη θέρμανση του υπόλοιπου υδατικού διαλύματος κατά τη μετάβαση του στον επόμενο θάλαμο, μέσω σωληνών, στους οποίους οι υδρατμοί ψύχονται με αποτέλεσμα την παραγωγή αφαλατωμένου νερού. Οι σωλήνες εξάτμισης θερμαίνονται μέσω ατμού που προέρχεται από λέβητα ή από άλλες πηγές θερμότητας (Ασημακόπουλος,2001).Μόνο για τη θέρμανση του νερού τροφοδοσίας απαιτείται εξωτερική πηγή Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 15 από 76

17 Διεργασίες αφαλάτωσης ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ θερμότητας, καθώς ο ατμός που έχει προέλθει από το βρασμό του διαλύματος σε μία βαθμίδα χρησιμοποιείται για τη θέρμανσή του στην επόμενη, αφού το σημείο βρασμού του νερού μειώνεται όσο μειώνεται κι η πίεση. Σχήμ.3.2 Λειτουργία της απόσταξης πολλαπλής επίδρασης Η απόσταξη πολλαπλής επίδρασης χρησιμοποιεί (όπως και η ακαριαία απόσταξη πολλαπλών βαθμίδων) μια σειρά βαθμίδων βασιζόμενη στην αρχή της μείωσης της πίεσης έτσι ώστε το τροφοδοτούμενο νερό να υπόκειται σε πολλαπλό βρασμό χωρίς την παροχή πρόσθετης θερμότητας μετά την πρώτη βαθμίδα. Η πίεση λοιπόν σε κάθε θάλαμο είναι χαμηλότερη απ ότι ήταν στον προηγούμενο, επιτρέποντας την εκ νέου εξάτμιση του διαλύματος,ακόμη κι αν αυτό βρίσκεται σε χαμηλότερη θερμοκρασία. Η ίδια διαδικασία συνεχίζεται επαναλαμβανόμενα σε όλες τις βαθμίδες της διάταξης. Σε σύγκριση με την MSF,η MED βασίζεται στην ομαλή εξάτμιση κι όχι στον ακαριαίο βρασμό του νερού τροφοδοσίας (Δαγκαλίδης,2009).Οι μονάδες MED είναι δυναμικότητας 2 έως 10 εκατομμυρίων ανά ημέρα και λειτουργούν με μέγιστη θερμοκρασία 70 C στην πρώτη βαθμίδα, κάτι που λειτουργεί ανασταλτικά στη διάβρωση κι επιτρέπει τη χρήση χαμηλού επιπέδου απορριπτόμενης θερμότητας από άλλες θερμικές διεργασίες. Σε πολλές περιπτώσεις οι παλιότερες εγκαταστάσεις αφαλάτωσης νερού λειτουργούσαν με τη διεργασία MED,όμως αντικαταστάθηκαν από την MSF,λόγω του μικρότερου κόστους τους και της μεγαλύτερης απόδοσης που παρείχαν. Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 16 από 76

18 Διεργασίες αφαλάτωσης ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ Είκ.3.2 Εγκατάσταση απόσταξης πολλαπλής επίδρασης Απόσταξη με συμπίεση ατμών (Vapor compression distillation) Το διάλυμα άλατος, το οποίο χρησιμοποιείται κατά την απόσταξη με συμπίεση ατμών, θερμαίνεται από τον ψεκασμό του σε μια σειρά σωλήνων τους οποίους διαπερνά ατμός και στη συνέχεια εξατμίζεται με τη βοήθεια αεροσυμπιεστή που δημιουργεί υποπίεση (Ενεργειακό Γραφείο του Αιγαίου,2011).Η θερμότητα για την εξάτμιση του νερού προέρχεται από τη συμπίεση του ατμού κι όχι από την άμεση ανταλλαγή θερμότητας της παραγωγής ατμού σε ένα λέβητα. Οι υδρατμοί που παράγονται από την εξάτμιση του νερού συμπυκνώνονται κι έτσι παράγεται το αφαλατωμένο νερό. Η διαδικασία αυτή μπορεί να διεκπεραιωθεί είτε μέσω μηχανικού συμπιεστή (Mechanical vapor compression),είτε μέσω διάταξης εκτίναξης ατμού μέσω ακροφυσίου (Τhermal vapor compression).γενικά, τα συστήματα μηχανικής απόσταξης (MVC) διαθέτουν μόνο μια βαθμίδα, ενώ τα συστήματα θερμικής απόσταξης (TVC) διαθέτουν περισσότερες από μία βαθμίδες. Η διαφορά αυτή οφείλεται στο γεγονός ότι τα συστήματα MVC διατηρούν την ίδια κατανάλωση ενέργειας (ενέργεια ανά μονάδα παραγόμενου νερού),ανεξαρτήτως του αριθμού των Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 17 από 76

19 Διεργασίες αφαλάτωσης ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ σταδίων που ακολουθούν (Miller,2003),ενώ τα συστήματα TVC,αυξάνουν τη θερμική τους απόδοση με την προσθήκη σταδίων επεξεργασίας. Σχήμ.3.3 Αρχή λειτουργίας μηχανικής απόσταξης με συμπίεση ατμών Ηλιακή απόσταξη (Solar distillation-sd) Η ηλιακή απόσταξη είναι ο πιο απλός τρόπος αφαλάτωσης νερού,χρησιμοποιώντας για να λειτουργήσει την ενέργεια που μεταφέρει η ηλιακή ακτινοβολία, με συσκευές που ονομάζονται ηλιακοί αποστακτήρες. Σε αυτούς τους αποστακτήρες μια ποσότητα νερού εξατμίζεται άμεσα από την ηλιακή ενέργεια κι ακολούθως οι υδρατμοί συμπυκνώνονται σε αφαλατωμένο νερό. Πιο συγκεκριμένα, οι συσκευές αυτές βασίζονται στην εκμετάλλευση της ιδιότητας του γυαλιού να επιτρέπει τη διέλευση της ακτινοβολίας μικρού μήκους κύματος αλλά όχι της υπεριώδους ακτινοβολίας. Έτσι, η ηλιακή ακτινοβολία διαπερνά τη γυάλινη επιφάνεια της συσκευής και παγιδεύεται σε αυτή, με αποτέλεσμα να ατμοποιεί το αλατούχο διάλυμα. Στη συνέχεια οι υδρατμοί συμπυκνώνονται σε κατάλληλη επιφάνεια και παράγεται το αφαλατωμένο νερό, το οποίο και συλλέγεται στον πυθμένα της Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 18 από 76

20 Διεργασίες αφαλάτωσης ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ συσκευής. Η επιφάνεια αυτή είναι επικαλυμμένη με ανακλαστικό υλικό και συνεπώς παραμένει ψυχρή ώστε να προκαλεί τη συμπύκνωση του ατμού. Εικ.3.3 Ηλιακός αποστακτήρας Οι συσκευές αυτές είναι πολύ απλές στη λειτουργία τους, παρουσιάζουν όμως κάποια μειονεκτήματα τα οποία περιορίζουν την εφαρμογή της τεχνικής της ηλιακής αφαλάτωσης για παραγωγή μεγάλης κλίμακας. Τέτοια μειονεκτήματα αποτελούν το υψηλό κόστος κατασκευής, οι απαιτήσεις για μεγάλη επιφάνεια συλλογής της ηλιακής ενέργειας και η μεγάλη εξάρτηση από τις καιρικές συνθήκες. Γενικά για την παραγωγή 4 lt καθαρού νερού, χρειάζεται περίπου 1m 2 επιφάνεια συλλογής ηλιακής ενέργειας (Κορωναίος,2006). Εικ.3.4 Ηλιακοί αποστακτήρες για οικιακή χρήση Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 19 από 76

21 Διεργασίες αφαλάτωσης ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ 3.2 Διεργασίες μεμβρανών Οι διεργασίες μεμβρανών υπερτερούν των θερμικών, κυρίως για την αφαλάτωση υφάλμυρου νερού. Για την αφαλάτωση μέσω των διεργασιών αυτών χρησιμοποιούνται ειδικές μεμβράνες,οι οποίες επιτρέπουν τη διέλευση του νερού αλλά όχι των αλάτων. Επίσης απαιτείται η κατανάλωση ηλεκτρισμού είτε για τη συμπίεση του προς αφαλάτωση νερού (Αντίστροφη όσμωση),είτε για τον ιονισμό των αλάτων που βρίσκονται διαλυμένα σε αυτό (Ηλεκτροδιάλυση).Μια τυπική τιμή κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας σε μια μονάδα αντίστροφης όσμωσης, είναι περίπου7 kwh για την παραγωγή 5000 lt νερού, ενώ η διάρκεια ζωής των μεμβρανών έγκειται στα 2 χρόνια (Πέππα,2007) Αντίστροφη όσμωση (Reverse Osmosis-RO) Η μέθοδος της αντίστροφης όσμωσης είναι σχετικά νέα και εμπορικά επιτυχημένη από τις αρχές της δεκαετίας του 70 και αποτελεί τον πλέον διαδεδομένο τρόπο αφαλάτωσης νερού, καθώς μπορεί να παράγει νερό ύδρευσης υψηλής ποιότητας. Η αρχή λειτουργίας της μεθόδου στηρίζεται στην αντιστροφή του φυσικού φαινομένου της όσμωσης. Για να γίνει κατανοητή η όσμωση θα ξεκινήσουμε αναφέροντας πως όταν δύο υγρά διαλύματα με διαφορετική πυκνότητα έρθουν σε επαφή, τότε το υγρό με τη μικρότερη πυκνότητα μετατοπίζεται προς το υγρό με την υψηλότερη πυκνότητα, μέχρι το μίγμα να ισορροπήσει, δηλαδή να αποκτήσει την ίδια πυκνότητα. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται διάχυση. Αν μεταξύ των δύο υγρών διαλυμάτων παρεμβληθεί μια ημιπερατή μεμβράνη, τότε εμποδίζεται η διέλευση των αλάτων, αλλά επιτρέπεται η διέλευση του νερού, το οποίο είναι ο διαλυτής. Έτσι το νερό διέρχεται ελεύθερα από τη μεμβράνη προς τα αλατούχα διαλύματα. Με αυτό τον τρόπο δημιουργείται μία ροή μορίων νερού από το αραιότερο προς το πυκνότερο διάλυμα, έως ότου επιτευχθεί μία κατάσταση ισορροπίας, στην οποία η υψηλότερη στάθμη διακρίνει το διάλυμα που αρχικά είχε τη μεγαλύτερη συγκέντρωση. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται όσμωση. Η διαφορά Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 20 από 76

22 Διεργασίες αφαλάτωσης ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ στάθμης των διαλυμάτων αντιστοιχεί στην οσμωτική πίεση. Η οσμωτική είναι η ελάχιστη πίεση που πρέπει να ασκηθεί εξωτερικά στο διάλυμα, ώστε να εμποδιστεί το φαινόμενο της όσμωσης, χωρίς να μεταβληθεί ο όγκος του διαλύματος. Σχήμ.3.4 Η διαδικασία της όσμωσης Στην περίπτωση που ασκηθεί πίεση στο αλατούχο διάλυμα υψηλότερη της οσμωτικής, τότε η ροή αντιστρέφεται κι έχουμε έξοδο καθαρού νερού από το διάλυμα με την υψηλότερη συγκέντρωση προς αυτό με τη χαμηλότερη. Αυτό ονομάζεται αντίστροφη όσμωση. Σχήμ.3.5 Η διαδικασία της αντίστροφης όσμωσης Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 21 από 76

23 Διεργασίες αφαλάτωσης ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ Κατά τη μέθοδο της αντίστροφης όσμωσης, το προς αφαλάτωση υδατικό διάλυμα εξαναγκάζεται με την άσκηση πίεσης να διέλθει μέσα από μία ημιπερατή μεμβράνη. Για να γίνει εφικτή η κίνηση του διαλύματος διαμέσου της μεμβράνης, η πίεση αυτή πρέπει να ξεπερνά σε μέγεθος την οσμωτική πίεση του υδατικού διαλύματος. Κάποιες τυπικές τιμές αυτής της πίεσης είναι από 17 έως 27 bar (250 ως 400 psi) για υφάλμυρο νερό και μεταξύ 54 και 80 bar (800 και 1180 psi) για το θαλασσινό νερό. Με τη διέλευση του διαλύματος από τη μεμβράνη κατακρατείται το μεγαλύτερο ποσοστό των διαλυμένων στερεών. Οι μεμβράνες λειτουργούν ως φράγμα,όχι μόνο για τις ανόργανες ουσίες, αλλά και για οργανικές ουσίες με μοριακό βάρος μεγαλύτερο του 100.Το υπόλειμμα της διαδικασίας αυτής (αλμόλοιπο), εξέρχεται από τη διάταξη σε υψηλή πίεση, ενώ ένα μεγάλο ποσοστό αυτής μπορεί να ανακτηθεί μέσω ενός εναλλάκτη πίεσης. Στο επόμενο διάγραμμα παρατηρούμε μια διάταξη αντίστροφης όσμωσης, χωρίς σύστημα ανάκτησης της πίεσης του αλμόλοιπου. Σχήμ.3.6 Διάταξη αντίστροφης όσμωσης χωρίς σύστημα ανάκτησης πίεσης αλμόλοιπου. Για τη λειτουργία μιας εγκατάστασης αντίστροφης όσμωσης, απαραίτητες είναι η προεπεξεργασία κι η μετεπεξεργασία του νερού. Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 22 από 76

24 Διεργασίες αφαλάτωσης ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ Εικ.3.5 Εγκατάσταση αφαλάτωσης αντίστροφης όσμωσης Η προεπεξεργασία του νερού τροφοδοσίας είναι αρκετά σημαντική,καθώς κατά τη διάρκεια της αφαιρούνται και κατακρατούνται τα αιωρούμενα στερεά σωματίδια του νερού,οπότε αποφεύγεται η καθίζηση των αλάτων αλλά και η υπολειτουργία ή και καταστροφή των μεμβρανών,οι οποίες είναι ευθραυστες. Τέλος,η μετεπεξεργασία συνίσταται στη σταθεροποίηση του αφαλατωμένου νερού,ώστε να είναι πόσιμο.η επεξεργασία αυτή μπορεί να περιλαμβάνει και την αφαίρεση αερίων,όπως τα σουλφίδια του υδρογόνου και την ορθή ρύθμιση του ph Συστήματα ανάκτησης ενέργειας στην αντίστροφη όσμωση Τα συστήματα ανάκτησης ενέργειας (energy recovery systems-er) χρησιμοποιούνται συχνά με την αντίστροφη όσμωση και με σκοπό την αξιοποίηση της διαθέσιμης ενέργειας του ρεύματος της απορριπτόμενης άλμης, ώστε να καλύπτεται ένα μέρος της απαιτούμενης ενέργειας της αντλίας. Με τον τρόπο αυτό μειώνονται οι ενεργειακές απαιτήσεις της αντλίας, για την αύξηση της πίεσης του τροφοδοτούμενου νερού, ελαττώνοντας τις συνολικές ενεργειακές απαιτήσεις της μονάδας αφαλάτωσης. Τα συστήματα αυτά χωρίζονται στις εξής δύο βασικές κατηγορίες (Fritzmann,2007) : Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 23 από 76

25 Διεργασίες αφαλάτωσης ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ 1)Εναλλάκτες πίεσης (Pressure exchangers):στα συστήματα αυτά μεταφέρεται άμεσα η πίεση της άλμης σε ένα μέρος του τροφοδοτούμενου ρεύματος νερού. 2)Στρόβιλοι (Turbine systems):σε αυτά τα συστήματα η ενέργεια της άλμης μετατρέπεται σε μηχανική ενέργεια, την οποία στη συνέχεια διοχετεύουν είτε στην αντλία αντίστροφης όσμωσης σαν συμπλήρωμα ενέργειας, είτε απευθείας στο ρεύμα του νερού τροφοδοσίας. Οι εναλλάκτες πίεσης λειτουργούν μεταφέροντας την πίεση της άλμης στο νερό τροφοδοσίας με βαθμό απόδοσης από 96% ως 98%. Σχήμ.3.7 Αρχή λειτουργίας ενός εναλλάκτη πίεσης Το νερό τροφοδοσίας οδηγείται σε έναν αγωγό,ο οποίος κλείνει μέσω βάνας. Μια άλλη βάνα ανοίγει, ώστε το ρεύμα της άλμης που βρίσκεται σε υψηλή πίεση να εισέλθει στον αγωγό, αυξάνοντας έτσι την πίεση του τροφοδοτούμενου υγρού. Στη συνέχεια το ρεύμα τροφοδοσίας με την αυξημένη πίεση αναμειγνύεται με το ρεύμα Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 24 από 76

26 Διεργασίες αφαλάτωσης ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ τροφοδοσίας από την αντλία του συστήματος και μαζί συνεχίζουν προς τις μεμβράνες της αντίστροφης όσμωσης. Ένας εναλλάκτης πίεσης αποτελείται συνήθως από ένα μεγάλο αριθμό βανών,οι οποίες λειτουργούν παράλληλα. Με τη χρήση εναλλακτών πίεσης, μόνο ένα μικρό μέρος του ρεύματος τροφοδοσίας χρειάζεται συμπίεση μέσω της αντλίας του συστήματος, με αποτέλεσμα την εξοικονόμηση ενέργειας. Η γραφική αναπαράσταση ενός συστήματος αντίστροφης όσμωσης με εναλλάκτη πίεσης φαίνεται στο επόμενο διάγραμμα. Σχήμ.3.8 Λειτουργία συστήματος αφαλάτωσης αντίστροφης όσμωσης με εναλλάκτη πίεσης Ο ευρύτερα χρησιμοποιούμενος εναλλάκτης πίεσης είναι ο Clark Pump της εταιρείας Spectra Watermakers.Τα τελευταία χρόνια, ο συγκεκριμένος εναλλάκτης βρίσκεται σε εφαρμογή σε ένα μεγάλο μέρος των συστημάτων αφαλάτωσης με αντίστροφη όσμωση, συμβάλλοντας σε μεγάλο βαθμό στη μείωση της ενεργειακής κατανάλωσης. Κατά τη λειτουργία του, χρησιμοποιεί δύο αντίθετα τοποθετημένους κυλίνδρους και έμβολα που ενώνονται με μία ράβδο. Η πίεση του νερού τροφοδοσίας ασκείται στον ένα κύλινδρο εξαναγκάζοντας τον άλλον να κινήσει το νερό προς τη μεμβράνη. Όταν το έμβολο ενός κυλίνδρου ακουμπά στη βάση, η διαδικασία αντιστρέφεται. Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 25 από 76

27 Διεργασίες αφαλάτωσης ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ Eικ.3.6 O εναλλάκτης πίεσης Clark Pump της Spectra Watermakers Τα συστήματα στροβίλου αποτελούνται από τα συστήματα τύπου Pelton και το σύστημα αντλίας-στροβίλου (turbochanger).το απορριπτόμενο ρεύμα άλμης υψηλής πίεσης εισέρχεται στο στρόβιλο μέσω ενός ακροφυσίου και η πίεση του ρεύματος μεταφέρεται στο ρότορα του στροβίλου, που με τη σειρά του μεταφέρει ισχύ στην αντλία υψηλής πίεσης μέσω της κοινής τους ατράκτου. Η άλμη απορρίπτεται σε πίεση ίση με την ατμοσφαιρική. Σχήμ.3.9 Λειτουργία συστήματος αφαλάτωσης αντίστροφης όσμωσης στροβίλου Pelton Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 26 από 76

28 Διεργασίες αφαλάτωσης ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ Τα συστήματα αντλίας-στροβίλου (turbochanger) αποτελούνται από μια αντλία κι ένα στρόβιλο συνδεδεμένα σε ένα κιβώτιο. Τόσο η αντλία όσο και ο στρόβιλος περιέχουν μία απλή βαθμίδα ρότορα. Η υδραυλική ενέργεια του ρεύματος της άλμης μετατρέπεται σε μηχανική από το ρότορα του στροβίλου και στη συνέχεια, η αντλία μετατρέπει την ενέργεια αυτή σε πίεση με την οποία τροφοδοτεί το ρεύμα του θαλασσινού νερού. Η διεργασία παρουσιάζεται στο επόμενο διάγραμμα, όπου παρατηρείται ότι η αντλία υψηλής πίεσης αυξάνει την πίεση της τροφοδοσίας έως τα 32 bar κι έπειτα αυξάνεται περισσότερο από το σύστημα του στροβίλου έως τα 69 bar. Συμπερασματικά, τα συστήματα αντλίας-στροβίλου (turbochangers) αποτελούν την επικρατούσα τεχνολογία στο χώρο των συστημάτων ανάκτησης ενέργειας, παρόλο που οι εναλλάκτες πίεσης έχουν αρκετά πλεονεκτήματα σχετικά με την απόδοση της μονάδας. Σχήμ.3.10 Σύστημα αφαλάτωσης (αντίστροφης όσμωσης) αντλίας-στροβίλου Οι εναλλάκτες πίεσης διατηρούν το βαθμό απόδοσης τους ανεξάρτητα από αλλαγές που μπορούν να συμβούν λόγω των χρόνων λειτουργίας ή της συντήρησης της μονάδας, σε αντίθεση με τους στροβίλους, όπου σε αντίστοιχη περίπτωση λειτουργούν με μειωμένη απόδοση (εκτός του κανονικού σημείου λειτουργίας).οι εναλλάκτες πίεσης βέβαια απαιτούν επιπρόσθετο εξοπλισμό, όπως τους κυκλοφορητές, αυξάνοντας έτσι τα κόστη εξοπλισμού και συντήρησης. Επίσης, ο τρόπος λειτουργίας τους αυξάνει την αλατότητα του ρεύματος με αποτέλεσμα τη Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 27 από 76

29 Διεργασίες αφαλάτωσης ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ μεγαλύτερη οσμωτική πίεση. Γενικότερα πρέπει να επισημανθεί πως με την εφαρμογή των συστημάτων ανάκτησης ενέργειας μειώνεται η ειδική ενεργειακή κατανάλωση της μονάδας αφαλάτωσης με αντίστροφη όσμωση Ηλεκτροδιάλυση (Electrodialysis ED) Η μέθοδος της ηλεκτροδιάλυσης, όπως άλλωστε δηλώνει και το όνομα της, χρησιμοποιεί τον ηλεκτρισμό για να καθαρίσει το νερό από τα ανεπιθύμητα άλατα και είναι μία μέθοδος η οποία εισήλθε στο εμπόριο στις αρχές της δεκαετίας του 1960,περίπου δέκα χρόνια πριν την αντίστροφη όσμωση. Η ανάπτυξη της ηλεκτροδιάλυσης, παρείχε έναν οικονομικά αποδοτικό τρόπο για την αφαλάτωση, κυρίως υφάλμυρου νερού. Το νερό με το οποίο τροφοδοτείται η διαδικασία, διαπερνάται από ηλεκτρικό ρευμα μέσω ηλεκτροδίων συνδεδεμένων σε μια πηγή συνεχούς ρεύματος. Έτσι, τα μεν κατιόντα (π.χ. νάτριο, ασβέστιο) που περιέχει να κινούνται προς το ηλεκτρόδιο με αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο, τα δε ανιόντα (π.χ. άλατα ανθρακικού οξέως) έλκονται από το ηλεκτρόδιο με αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο. Ανάμεσα στο ζεύγος των ηλεκτροδίων τοποθετούνται εναλλάξ δύο μεμβράνες, εκ των οποίων η μία επιτρέπει τη δίοδο των κατιόντων κι η άλλη των ανιόντων. Με τον τρόπο αυτό, τα ανιόντα περνούν μέσα από τη μεμβράνη ανιόντων, όμως εμποδίζεται η διέλευση τους από τη μεμβράνη κατιόντων. Ανάλογο είναι κι αυτό που συμβαίνει στα κατιόντα. Έξω από τις μεμβράνες δημιουργείται πυκνό αλατούχο διάλυμα (αλμόλοιπο) και μεταξύ αυτών δημιουργείται αραιό διάλυμα, το οποίο αποτελεί το ζητούμενο αφαλατωμένο νερό. Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 28 από 76

30 Διεργασίες αφαλάτωσης ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ Σχήμ.3.11 Αρχή λειτουργίας της Ηλεκτροδιάλυσης Στις διατάξεις αφαλάτωσης με ηλεκτροδιάλυση, οι μεμβράνες τοποθετούνται εναλλάξ, με μία επιλεκτική μεμβράνη ανιόντων να ακολουθείται από μία επιλεκτική μεμβράνη κατιόντων. Ανάμεσα σε κάθε ζευγάρι μεμβρανών τοποθετείται ένα διαχωριστικό φύλλο για τη διευκόλυνση της ροής του νερού κατά μήκος των μεμβρανών. Από αυτή την εναλλαγή των μεμβρανών δημιουργούνται διαδοχικά πυκνά κι έπειτα αραιά διαλύματα. Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 29 από 76

31 Διεργασίες αφαλάτωσης ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ Σχήμ.3.12 Διάταξη αφαλάτωσης με Ηλεκτροδιάλυση Σημαντικό στοιχείο για τη σωστή λειτουργία των διατάξεων αφαλάτωσης αποτελεί η προεπεξεργασία του αλατούχου νερού, ώστε να μην προκαλείται η βλάβη ή φραγή των μεμβρανών. Το παραγόμενο νερό χρειάζεται επίσης μία μετεπεξεργασία για τη ρύθμιση της σκληρότητας και του ph ή και την αφαίρεση αερίων,όπως τα σουλφίδια του υδρογόνου, κάτι που παρατηρήθηκε πως συμβαίνει και νωρίτερα κατά τη διαδικασία της αντίστροφης όσμωσης (Κορωναίος,2006) Απόσταξη Μεμβράνης (Membrane Distillation-MD) Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, υπάρχουν και κάποιες μεμονωμένες διεργασίες αφαλάτωσης, οι οποίες μπορεί να προέρχονται από το συνδυασμό των θερμικών διεργασιών με αυτές των μεμβρανών. Μια τέτοια διεργασία είναι κι η Απόσταξη Μεμβράνης. Η μέθοδος αφαλάτωσης με τη διεργασία της απόσταξης μεμβράνης, συνδυάζει τόσο την απόσταξη (θερμική διεργασία),όσο και και τις ιδιότητες των μεμβρανών. Μία διάταξη αφαλάτωσης, βάσει της απόσταξης μεμβράνης, Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 30 από 76

32 Διεργασίες αφαλάτωσης ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ περιλαμβάνει τη θέρμανση του προς αφαλάτωση ύδατος και την παραγωγή ατμού, ο οποίος αναδυόμενος διέρχεται ελεύθερα από μία ημιπερατή μεμβράνη, που δεν επιτρέπει τη διέλευση νερού. Στη συνέχεια ο ατμός αυτός ψύχεται και υγροποιείται σε κατάλληλη επιφάνεια, παράγοντας έτσι πόσιμο νερό. Το νερό δεν μπορεί να διαπεράσει τη μεμβράνη και με τον τρόπο αυτό παγιδεύεται και συλλέγεται. Σχήμ.3.13 Η αρχή λειτουργίας απόσταξης της μεμβράνης (αριστερά) και διάγραμμα τυπικού συστήματος απόσταξης μεμβράνης (δεξιά). Η απόσταξη μεμβράνης χρησιμοποιήθηκε, σε μικρή κλίμακα, στη δεκαετία του 1980.Πρόκειται για μία μέθοδο που δε βρήκε ποτέ εφαρμογή ευρείας κλίμακας, αν και τα τελευταία χρόνια παρατηρείται μια αναγέννηση του ενδιαφέροντος για αυτή, λόγω των πολλών δυνατοτήτων που παρέχει ως προς την εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας. Κάποια άλλα πλεονεκτήματα αυτής της μεθόδου αποτελούν η απλότητα της λειτουργίας της, η ανάγκη για μικρότερες θερμοκρασιακές διαφορές, το χαμηλό κόστος λειτουργίας και συντήρησης, η μικρή καταπόνηση που δέχονται οι μεμβράνες και το γεγονός ότι λειτουργεί με ατμοσφαιρική πίεση. Παρόλα τα παραπάνω, στην απόσταξη με μεμβράνες συναντάμε και σημαντικά μειονεκτήματα, όπως ο χαμηλός ρυθμός παραγωγής αποσταγμένου νερού, η απαίτηση για μεγάλους χώρους, ο υψηλός Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 31 από 76

33 Διεργασίες αφαλάτωσης ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ λόγος ενέργειας/άντλησης ανά μονάδα παραγωγής και η αβεβαιότητα του κόστους του παραγόμενου νερού. Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 32 από 76

34 Σύγκριση των διεργασιών ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ 4. Σύγκριση των διεργασιών αφαλάτωσης Η επιλογή της μεθόδου αφαλάτωσης εξαρτάται από πολλούς διαφορετικούς παράγοντες. Οι σημαντικότεροι από αυτούς σχετίζονται με: την περιοχή όπου πρόκειται να εγκατασταθεί η μονάδα αφαλάτωσης (διαθέσιμος χώρος), την ποσότητα του νερού που χρειάζεται να παραχθεί για την κάλυψη των τοπικών αναγκών (δυναμικότητα της μονάδας), τη διαθέσιμη ενέργεια στην περιοχή της εγκατάστασης (συμβατικές ή ανανεώσιμες πηγές ενέργειας), την επιθυμητή ποιότητα του παραγόμενου νερού (χρήση του νερού, π.χ. άρδευση, ύδρευση) την προέλευση του προς αφαλάτωση ύδατος (σύνθεση και περιεκτικότητα σε άλας, θαλασσινό νερό ή υφάλμυρο νερό, νερό με μολυσματικό φορτίο ή βαρέα μέταλλα) την ενεργειακή κατανάλωση που αντιστοιχεί στο σύστημα αφαλάτωσης (καταναλισκόμενη ενέργεια ανά μονάδα παραγόμενου ύδατος, π.χ. Kwh/m 3 ) τις παραμέτρους κόστους που σχετίζονται με την εγκατάσταση αφαλάτωσης, τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις που απορρέουν από την κάθε χρησιμοποιούμενη τεχνολογία αφαλάτωσης. Ακολούθως αναλύονται οι προαναφερθέντες παράγοντες, ώστε να γίνει σαφές σε ποια σημεία είναι απαραίτητο να επικεντρωθεί μια μελέτη για την ορθή σύγκριση των διεργασιών της αφαλάτωσης. 4.1 Η περιοχή της εγκατάστασης και ο διατιθέμενος χώρος Η διατιθέμενη περιοχή για την εγκατάσταση μιας μονάδας αφαλάτωσης, μπορεί να παίξει έναν από τους πλέον σημαντικούς ρόλους στην επιλογή της διεργασίας αφαλάτωσης, ώστε να καλυφθούν κάποιες δεδομένες υδατικές ανάγκες σε μία περιοχή. Ειδικότερα σε περιπτώσεις νησιών, όπως σε αυτά του Αιγαίου, ο χώρος που Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 33 από 76

35 Σύγκριση των διεργασιών ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ διατίθεται είναι περιορισμένος, λόγω του μικρού τους μεγέθους και του έντονου ανάγλυφου της επιφάνειάς τους. Στον πίνακα που ακολουθεί, δίνονται οι απαιτούμενοι χώροι (χώροι επεξεργασίας νερού, βοηθητικοί και συνολικοί χώροι),για δυναμικότητα παραγωγής m 3 ανά ημέρα, για τις διεργασίες της αντίστροφης όσμωσης (μεμβράνης),της ηλεκτροδιάλυσης (μεμβράνης),της ακαριαίας απόσταξης πολλαπλών βαθμίδων (θερμική) και της απόσταξης πολλαπλής επίδρασής (θερμική). Διαδικασία αφαλάτωσης Κτίριο στέγασης (m 2 ) Βοηθητική εγκατάσταση (m 2 ) Συνολικά απαιτούμενη έκταση(m 2 ) Αντίστροφη όσμωση (θαλασσινό νερό) Αντίστροφη όσμωση (υφάλμυρο νερό) Ηλεκτροδιάλυση (ED) Ακαριαία απόσταξη πολλαπλών βαθμίδων (MSF) Απόσταξη πολλαπλής επίδρασης (MED) Πίνακας 4.1. Απαιτούμενη έκταση διαδικασιών αφαλάτωσης Συνεπώς κάθε διεργασία αφαλάτωσης, για την ίδια δυναμικότητα παραγωγής ύδατος, έχει διαφορετικές απαιτήσεις χώρου εγκαταστάσεων. Οι απαιτήσεις έκτασης των εγκαταστάσεων αφαλάτωσης που χρησιμοποιούν θερμικές διεργασίες είναι μεγαλύτερες από τις απαιτήσεις χώρων των διεργασιών με μεμβράνες. Οι ανάγκες της κάθε διαφορετικής περίπτωσης σε όγκο λοιπόν, καθορίζουν το μέγεθος και το ρυθμό Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 34 από 76

36 Σύγκριση των διεργασιών ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ ανά διαδικασία αφαλάτωσης. Με τον τρόπο αυτό καθίσταται πιο ορθολογική η επιλογή του φορέα που αναλαμβάνει την εκπόνηση της αφαλάτωσης σε κάποιο δεδομένο τομέα και για μια συγκεκριμένη περιοχή. 4.2 Το νερό τροφοδοσίας Με δεδομένη τη σημασία που έχει το νερό τροφοδοσίας κατά την επιλογή της διαδικασίας, η εμπειρία έχει δείξει ότι για θαλασσινό νερό συμφέρει να επιλέξουμε κάποια θερμική διεργασία ή την αντίστροφη όσμωση, ενώ για υφάλμυρο νερό είναι πιο κατάλληλες οι διεργασίες των μεμβρανών γενικότερα. Όσον αφορά τις διεργασίες μεμβράνης, η ηλεκτροδιάλυση συνιστάται για νερό με χαμηλή συγκέντρωση άλατος, ενώ πρέπει να αναφερθεί πως για τις διεργασίες αυτές απαιτείται προετοιμασία του νερού για την αποφυγή της καταστροφής των μεμβρανών. Η προεργασία αυτή έχει ως επακόλουθο την αύξηση του κόστους των διεργασιών μεμβράνης. Σε περίπτωση που υπάρχει η δυνατότητα επιλογής, η λύση της αφαλάτωσης υφάλμυρου νερού φέρει το πλεονέκτημα της χαμηλότερης ενεργειακής κατανάλωσης, καθότι αυτή είναι άρρηκτα συνδεδεμένη με τη συγκέντρωση των αλάτων (Σαμακίδης,2009).Στις περιπτώσεις των άνυδρων νησιών του Αιγαίου, η αφαλάτωση αφορά το θαλασσινό νερό,που αφθονεί σε τέτοιες περιοχές. Ενδεικτικά, στον επόμενο πίνακα αναφέρεται το εύρος συγκέντρωσης άλατος του τροφοδοτούμενου νερού, για κάποιες βασικές διεργασίες αφαλάτωσης. Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 35 από 76

37 Σύγκριση των διεργασιών ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ Διεργασία αφαλάτωσης Συγκέντρωση άλατος (mg/l) Ιοντοεναλλαγή Αντίστροφη Όσμωση Ηλεκτροδιάλυση Θερμικές διεργασίες (Απόσταξη) Πίνακας 4.2 Συγκέντρωση άλατος ανά διεργασία αφαλάτωσης Η εκτίμηση της ικανότητας των διεργασιών αφαλάτωσης να απομακρύνουν τυχόν μικροβιακό φορτίο του τροφοδοτούμενου νερού, πρέπει να λαμβάνει υπόψη όλους τους παράγοντες που επηρεάζουν τη διαδικασία παραγωγής του νερού, οι οποίοι μπορεί να διαφοροποιούνται μεταξύ των διαφόρων διατάξεων της αφαλάτωσης (π.χ. διαφορές στην προεπεξεργασία, διαφοροποιήσεις των επιμέρους στοιχείων της διάταξης). Η διεργασία της αντίστροφης όσμωσης αποδεικνύεται υπό ορισμένες προϋποθέσεις αποτελεσματικότατη στην αφαίρεση των βακτηρίων και των παθογόνων μικροοργανισμών από το νερό. Η ικανότητα αφαίρεσης τέτοιων στοιχείων εξαρτάται από το είδος της μεμβράνης που χρησιμοποιείται, την κατάστασή της και την ακεραιότητα του συστήματος συνολικά. Η επιλογή του τύπου μεμβράνης είναι πολύ σημαντική. Οι μεμβράνες υψηλής ποιότητας είναι σε θέση να αφαιρούν έως και το 99% των βακτηρίων. Από την άλλη, κατά τις θερμικές διεργασίες αφαλάτωσης η εξουδετέρωση των μικροβιακών οργανισμών, ελέγχεται από τη θερμοκρασία και τη χρονική διάρκεια που το νερό παραμένει σε αυτή. Κάποιες τυπικές θερμοκρασίες για την εξουδετέρωση βλαστικών κυττάρων είναι από 50 0 C ως 60 0 C και για χρονική διάρκεια 5 έως 30 λεπτών. Τα ενδοσπόρια και μερικές άλλες ανθεκτικές μορφές μικροοργανισμών απαιτούν υψηλότερες θερμοκρασίες για να καταστραφούν (70 0 C C), καθώς και μεγαλύτερο χρονικό διάστημα. Οι περισσότεροι φυτικοί παθογόνοι οργανισμοί, καταστρέφονται σε συνθήκες ακαριαίας εξάτμισης, δηλαδή στους 72 0 C για 15 δευτερόλεπτα. Στις περισσότερες περιπτώσεις απόσταξης, οι παθογόνοι οργανισμοί καταστρέφονται επιτυχώς καθώς το νερό φθάνει στη θερμοκρασία βρασμού. Παραταύτα, σε αρκετές περιπτώσεις χρησιμοποιούνται χαμηλότερες πιέσεις, οι οποίες Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 36 από 76

38 Σύγκριση των διεργασιών ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ μειώνουν το σημείο εξάτμισης του νερού, ενώ ταυτόχρονα αυξάνουν την απόδοση των θερμικών συστημάτων. Οι θερμοκρασίες σε αυτό το επίπεδο είναι αρκετά χαμηλές, μέχρι και τους 50 0 C,χωρίς πάντως να εγγυώνται την απαλλαγή του παραγόμενου νερού από το σύνολο των παθογόνων συστατικών του. Κατά συνέπεια, σε περιπτώσεις νερού τροφοδοσίας που φέρει μολυσματικό φορτίο, αποδοτικότερη κρίνεται η Αντίστροφη Όσμωση, η οποία όμως χρήζει και μεγαλύτερης προσοχής, για την αποφυγή τυχόν συσσώρευσης μικροοργανισμών στα τοιχώματα των μεμβρανών (Biofouling). Ωστόσο, οι θερμικές διεργασίες αφαιρούν επίσης με επιτυχία το βιολογικό μολυσματικό φορτίο σε φυσιολογικά επίπεδα συγκέντρωσης, καθώς το νερό φθάνει στις περισσότερες περιπτώσεις σε κατάσταση βρασμού. 4.3 Δυνατότητα παραγωγής νερού Η ποσότητα του ύδατος που απαιτείται να παράγεται ανά ημέρα σε μία εγκατάσταση αφαλάτωσης, αποτελεί κομβικό παράγοντα κατά την επιλογή της μεθόδου που θα χρησιμοποιηθεί, ώστε να καλύπτονται οι ανάγκες της περιοχής όπου θα γίνεται η χρήση του. Με τις θερμικές μεθόδους και πιο συγκεκριμένα με την απόσταξη, είναι αρκούντως εφικτή η παραγωγή μεγάλων ποσοτήτων καθαρού νερού ανά ημέρα. Η μέθοδος της απόσταξης με συμπίεση ατμών (VC) λαμβάνει χώρα αποκλειστικά σε μικρές και μεσαίες εγκαταστάσεις, ενώ οι υπόλοιπες θερμικές διεργασίες χρησιμοποιούνται σε εγκαταστάσεις μεγαλύτερης δυναμικότητας. Αναφορικά στις διεργασίες μεμβρανών, υπάρχει η δυνατότητα προσαρμογής τους σε διάφορα μεγέθη παραγωγής ανάλογα με την περίσταση. Έτσι, οι συγκεκριμένες μέθοδοι μπορούν να εξυπηρετήσουν κατά περίπτωση μικρές, μεσαίες ή μεγάλες κλίμακες. Στον παρακάτω πίνακα αποτυπώνονται οι τυπικά μέγιστες ικανότητες παραγωγής νερού. Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 37 από 76

39 Σύγκριση των διεργασιών ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ Διεργασία αφαλάτωσης Μέγιστη δυνατότητα παραγωγής νερού (m 3 /ημέρα) Ακαριαία απόσταξη πολλαπλών βαθμίδων (MSF) Απόσταξη πολλαπλής επίδρασης (MED) Απόσταξη με συμπίεση ατμών(vc) Αντίστροφη όσμωση (RO) Πίνακας 4.3 Δυνατότητα παραγωγής νερού ανά διεργασία αφαλάτωσης 4.4 Ποιότητα παραγόμενου ύδατος Ένα από τα ισχυρότερα κριτήρια για την επιλογή της διαδικασίας που θα ακολουθηθεί, αποτελεί η τελική ποιότητα που θα ορίζει το παραγόμενο νερό.αυτό είναι και το κύριο μέλημα των εταιρειών εγκαταστάσεων αφαλάτωσης που πρόκειται να εξυπηρετήσουν την ύδρευση μιας περιοχής. Κατά τις θερμικές λοιπόν διεργασίες, παράγεται νερό με ιδιαίτερα χαμηλή περιεκτικότητα σε άλατα, σχεδόν αποσταγμένο. Στις μεθόδους μεμβρανών, το νερό καταλήγει να έχει μεγαλύτερη συγκέντρωση σε άλατα, ωστόσο παραμένει στα επιθυμητά όρια που χαρακτηρίζουν το νερό πόσιμο. Από τις μετρήσεις που έχουν προκύψει κατά τη διερεύνηση των χαρακτηριστικών του τελικώς παραγόμενου ύδατος, φαίνεται πως προτιμότερες εδώ καθίστανται οι θερμικές διεργασίες αφαλάτωσης, αν και σε κάποιες περιπτώσεις γίνεται και χρήση της αντίστροφης όσμωσης και των μεμβρανών, ειδικότερα όταν ο κύριος γνώμονας της διαδικασίας της αφαλάτωσης δεν αποσκοπεί αμιγώς στην ύδρευση ενός μεμονωμένου τομέα σε μια περιοχή (Κουκουτσάκης,2007). Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 38 από 76

40 Σύγκριση των διεργασιών ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ Διεργασία αφαλάτωσης Κατηγορία διεργασίας Περιεκτικότητα παραγόμενου νερού σε άλατα (ppm) Ακαριαία απόσταξη ΘΕΡΜΙΚΗ 10 πολλαπλών βαθμίδων Απόσταξη πολλαπλής ΘΕΡΜΙΚΗ 10 επίδρασης Απόσταξη με ΘΕΡΜΙΚΗ 10 συμπίεση ατμών Αντίστροφη όσμωση ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ Πίνακας 4.4 Περιεκτικότητα του παραγόμενου νερού σε άλατα 4.5 Ενεργειακή κατανάλωση των συστημάτων αφαλάτωσης Το μεγαλύτερο μειονέκτημα των διεργασιών αφαλάτωσης είναι οι μεγάλες απαιτήσεις ενέργειας, οι οποίες κατά ένα μεγάλο αριθμό μονάδων καλύπτονται από συμβατικές πηγές ενέργειας (ορυκτά καύσιμα).οι μορφές ενέργειας που χρησιμοποιούνται στην αφαλάτωση είναι η θερμική, η ηλεκτρική και η μηχανική. Οι ενεργειακές αυτές απαιτήσεις για τις σημαντικότερες διεργασίες αφαλάτωσης αποτυπώνονται στον επόμενο πίνακα, όπου περιέχονται στοιχεία από κατασκευάστριες εταιρείες τέτοιων συστημάτων. Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 39 από 76

41 Σύγκριση των διεργασιών ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ Μέθοδος αφαλάτωσης Θερμική ενέργεια (Kj/kg) Μηχανική ενέργεια (Kwh/m 3 ) Πρωταρχική θερμική ενέργεια (Kj/kg) MSF 294 2, ,4 MEB 123 2,2 149,4 VC RO ER-RO ED Solar still ,3 2333,6 Πίνακας 4.5 Ενεργειακές απαιτήσεις μεθόδων αφαλάτωσης Όπως γίνεται αντιληπτό, η διεργασία αφαλάτωσης με τις χαμηλότερες ενεργειακές ανάγκες είναι η αντίστροφη όσμωση με σύστημα ανάκτησης ενέργειας (ER-RO) με 60 kj/kg,που συνήθως βρίσκει εφαρμογή σε πολύ μεγάλες μονάδες αφαλάτωσης, λόγω και του ιδιαιτέρως υψηλού κόστους που χαρακτηρίζει τέτοια συστήματα. Σχετικά χαμηλή αποδεικνύεται και η ενεργειακή κατανάλωση της ηλεκτροδιάλυσης (ED) με 144 kj/kg.χαρακτηριστικά είναι τα δεδομένα ενεργειακής κατανάλωσης μονάδων αφαλάτωσης, σύμφωνα με τα οποία τα συστήματα αντίστροφης όσμωσης απαιτούν 5,9 kwh/m 3 χωρίς ανάκτηση ενέργειας και 3 έως 4 kwh/m 3 αυτά με ανάκτηση ενέργειας. Αντίστοιχα τα συστήματα ηλεκτροδιάλυσης καταναλώνουν 1,22 kwh/m 3,για επεξεργασία νερού στα 3000 ppm (pieces per million) σε άλατα και τελική παραγωγή ύδατος συγκέντρωσης 500 ppm.η κατανάλωση αυτή αυξάνεται με την πάροδο των ετών λειτουργίας των συστημάτων, αφού μετά από 2,5 χρόνια γίνεται κατά 50% μεγαλύτερη. Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 40 από 76

42 Σύγκριση των διεργασιών ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ Τέλος, τα συστήματα απόσταξης με συμπίεση ατμών (VC) παρουσιάζουν ενεργειακή κατανάλωση που κυμαίνεται από 8,5 έως 16 kwh/m 3,με το φάσμα των ενδιάμεσων τιμών να έγκειται στη δυναμικότητα και το μέγεθος της μονάδας. 4.6 Περιβαλλοντικές επιπτώσεις Για να επιλεχτούν και να εφαρμοστούν με πιο ορθολογικό τρόπο οι τεχνολογίες αφαλάτωσης, είναι απαραίτητο να εξετάζονται λεπτομερώς και οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις της καθεμιάς. Όλες οι διεργασίες αφαλάτωσης παράγουν ένα ρεύμα υδατικού διαλύματος εξαιρετικά υψηλής αλατότητας (αλμόλοιπο ή άλμη),του οποίου η διάθεση έχει άμεσες συνέπειες. Η σύνθεσή του μπορεί να ποικίλλει σημαντικά, ανάλογα με την κάθε διεργασία, με αποτέλεσμα να διαφέρουν και οι εκάστοτε επιπτώσεις στο τοπικό οικοσύστημα. Επιπρόσθετα περιβαλλοντικά προβλήματα είναι πιθανό να προκύψουν από τις διατάξεις αναρρόφησης του νερού τροφοδοσίας, αλλά και από την τοποθεσία ή τον τρόπο κατασκευής της εγκατάστασης. Επίσης κάποιες έμμεσες περιβαλλοντικές συνέπειες σχετίζονται με την ενεργειακή κατανάλωση της μονάδας αφαλάτωσης, όπως και με την ενεργειακή πηγή που αυτή εκμεταλλεύεται (Τζεν Ε.,2009). Κατά συνέπεια, κάποιες βασικές παράμετροι σε σχέση με τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις των εγκαταστάσεων αφαλάτωσης αφορούν: την τοποθεσία της εγκατάστασης τις διατάξεις αναρρόφησης κι επεξεργασίας του νερού τροφοδοσίας τη διαχείριση και διάθεση του αλμόλοιπου την ενεργειακή κατανάλωση της εγκατάστασης και τις πηγές ενέργειας που χρησιμοποιούνται (συμβατικές ή ανανεώσιμες) 4.7 Ενεργειακές πηγές αφαλάτωσης Οι εγκαταστάσεις αφαλάτωσης, αναλόγως με τη διεργασία που διατίθεται, χρησιμοποιούν είτε θερμική ενέργεια (θερμικές διεργασίες),είτε ηλεκτρική (Ηλεκτροδιάλυση),είτε μηχανική ενέργεια (Αντίστροφη όσμωση). Πιο συνηθισμένα γίνεται χρήση ατμού χαμηλής πίεσης ή ηλεκτρικού ρεύματος χαμηλής τάσης, ενώ σε Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 41 από 76

43 Σύγκριση των διεργασιών ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ πολλές περιπτώσεις γίνεται εκμετάλλευση του απορριπτόμενου ατμού κυρίως από τα θερμοηλεκτρικά εργοστάσια. Έτσι έχουμε ένα είδος συμπαραγωγής από το οποίο μπορεί να εξοικονομηθεί ενέργεια. Η ηλεκτρική ενέργεια προέρχεται σε πολλές περιπτώσεις από συμβατικά δίκτυα, όπως με καύση λιγνίτη ή ντιζελογεννήτριες. Τα τελευταία χρόνια, ιδιαίτερα αναπτυσσόμενα θεωρούνται τα συστήματα εκμετάλλευσης των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας σε πολλές εγκαταστάσεις αφαλάτωσης. Τέτοια συστήματα εκμεταλλεύονται κυρίως την ηλιακή ενέργεια (ηλιακά θερμικά συστήματα ή φωτοβολταϊκά για την παραγωγή θερμότητας και ηλεκτρισμού) και την αιολική ενέργεια (ανεμογεννήτριες κυρίως για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας).εξάλλου, δεν αποκλείεται και η χρήση άλλων μορφών, όπως η γεωθερμική ενέργεια, με γεωθερμικά συστήματα για την παραγωγή ηλεκτρισμού ρεύματος ή θερμότητας. Η χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας δεν επιβαρύνει το περιβάλλον κι επιπλέον η ενεργειακή πηγή δεν εξαντλείται, όπως συμβαίνει με τα συμβατικά καύσιμα. Τα συστήματα αυτά αν και στις περισσότερες περιπτώσεις διακρίνονται από μεγάλο κόστος εγκατάστασης, αποσβένουν τις δαπάνες σε σύντομο χρονικό διάστημα,απαλλάσσοντας τις μονάδες αφαλάτωσης από το κόστος της ενέργειας, που συνήθως αποτελεί και το υψηλότερο λειτουργικό κόστος. Η επιλογή του κατάλληλου κάθε φορά συνδυασμού τεχνολογίας αφαλάτωσης κι ενεργειακής πηγής, εξαρτάται από πλήθος διαφορετικών παραγόντων, με πιο σημαντικούς τη δυναμικότητα της μονάδας, την αλατότητα του προς αφαλάτωση ύδατος, την προσβασιμότητα της περιοχής της εγκατάστασης, την ύπαρξη ή όχι σύνδεσης με το κεντρικό δίκτυο παροχής ενέργειας αλλά και τις διαθέσιμες μορφές ΑΠΕ στην περιοχή της εγκατάστασης. Επομένως, παρόλο που οι συνδυασμοί των τεχνολογιών αφαλάτωσης με τις αντίστοιχες ΑΠΕ είναι θεωρητικά πολλοί και κάθε φορά για την κατάλληλη επιλογή τους θα πρέπει να εξετάζεται μια πληθώρα παραμέτρων, υπάρχουν κάποιοι συνδυασμοί αφαλάτωσης-απε ιδιαίτερα αποδοτικοί. Αυτοί συνίστανται κυρίως για αυτόνομες εγκαταστάσεις σε απομονωμένες περιοχές, ώστε να παρέχονται επαρκείς ποσότητες ενέργειας και νερού σε πιο ικανοποιητικές τιμές κόστους. Παρατηρείται λοιπόν ότι η ηλιακή ενέργεια συνδυάζεται κατάλληλα με την Ακαριαία απόσταξη πολλαπλών βαθμίδων (MSF), την Απόσταξη πολλαπλής επίδρασης (MED),την Αντίστροφη όσμωση αλλά και την Ηλεκτροδιάλυση Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 42 από 76

44 Σύγκριση των διεργασιών ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ (ED).Επίσης, η ενέργεια που παράγεται από τις ανεμογεννήτριες μπορεί να συνδυαστεί με τις τεχνολογίες της Απόσταξης με συμπίεση ατμών, της Αντίστροφης όσμωσης και της Ηλεκτροδιάλυσης. Τέλος, οι γεωθερμικές πηγές χαμηλής θερμοκρασίας μπορούν να τροφοδοτήσουν με ενέργεια τις τεχνολογίες των MSF και MED,ενώ οι πηγές υψηλής ενθαλπίας και πίεσης χρησιμοποιούνται για την παραγωγή μηχανικής ή ηλεκτρικής ενέργειας για την τροφοδότηση των τεχνολογιών VC,RO και ED. 4.8 Σύνοψη της σύγκρισης των διεργασιών αφαλάτωσης πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των διαδικασιών Ανακεφαλαιώνοντας τα παραπάνω ζητήματα, καταλήγουμε σε ορισμένα συμπεράσματα για τη σωστότερη και πιο προσοδοφόρα επιλογή διαδικασίας, αναλόγως με τις ανάγκες που υπάρχουν ανά την κάθε περίσταση. Για το λόγο αυτό ερευνούνται τα κυριότερα φυσικά μεγέθη που χρειάζεται να είναι γνωστά για την κάθε διεργασία καθώς και η αξιοπιστία της κάθε μεθόδου υπό διάφορες συνθήκες. Όσον αφορά το κόστος της αφαλάτωσης που έχει προαναφερθεί, γίνεται λόγος αναλυτικά σε ξεχωριστό κεφάλαιο. Επιγραμματικά, τα πλεονεκτήματα των διεργασιών μεμβρανών, έναντι των θερμικών είναι τα εξής: Μικρότερο κόστος επένδυσης και μικρότερες ενεργειακές απαιτήσεις Μικρότερο αποτύπωμα (γη και υλικά) και μεγαλύτερη ποσότητα παραγόμενου νερού αναλογικά με τον καταλαμβανόμενο χώρο Λιγότερο ευάλωτες διατάξεις σε διάβρωση και σχηματισμό αλάτων, λόγω των χαμηλών θερμοκρασιών λειτουργίας (θερμοκρασίες περιβάλλοντος) Καλύτερη απόδοση στο να αφαιρείται το μολυσματικό φορτίο του νερού Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 43 από 76

45 Σύγκριση των διεργασιών ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ Μεγαλύτερα ποσοστά ανάκτησης (μεγαλύτερη ποσότητα αφαλατωμένου νερού από την ίδια ποσότητα νερού τροφοδοσίας) Διαρθρωτικός σχεδιασμός που επιτρέπει μεγαλύτερη προσαρμοστικότητα σε μεταβολές της παραγωγικότητας της διαδικασίας και μεγαλύτερη ευελιξία κατά τη συντήρηση Τα αντίστοιχα πλεονεκτήματα των θερμικών διεργασιών σε σχέση με αυτές των μεμβρανών είναι: Παραγόμενο νερό καλύτερης ποιότητας Ευρύτερα αναγνωρισμένες και καταξιωμένες διεργασίες αφαλάτωσης ανά τον κόσμο Μικρότερες απαιτήσεις ως προς την προσοχή και την ενδελεχή παρακολούθηση κατά τη λειτουργία τους Μεγαλύτερη ανοχή στις μεταβολές ποιότητας/περιεκτικότητας του τροφοδοτούμενου ύδατος Χαμηλότερο κόστος αντικατάστασης από αυτό των μεμβρανών Ολοκληρώνοντας, αναφέρεται συμπληρωματικά πως η μέθοδος της Αντίστροφης όσμωσης έχει γενικά επικρατήσει στην αφαλάτωση του υφάλμυρου νερού αλλά και του θαλασσινού, λόγω του σχετικά χαμηλού κόστους επένδυσης, αλλά και της εξίσου χαμηλής ενεργειακής κατανάλωσης. Έτσι, η μέθοδος αυτή παρέχει αξιοπιστία σε όλο το εύρος της ανά περίσταση δυναμικότητας παραγωγής, για λίγα ή για πολύ περισσότερα κυβικά μέτρα ανά ημέρα, παρουσιάζοντας παράλληλα μια εύκολη, σε σχέση με τις υπόλοιπες μεθόδους, διαδικασία κατασκευής. Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 44 από 76

46 Κόστος αφαλάτωσης ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ 5. Κόστος αφαλάτωσης Οι δαπάνες αφαλάτωσης εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τη διαδικασία που θα επιλεχθεί, από τις απαιτήσεις ποιότητας του παραγόμενου νερού, όπως και από το κόστος της ενέργειας. Το συνολικό κόστος, είναι δυνατόν να χωρισθεί σε τρεις συνιστώσες. Στο κόστος επένδυσης, στο κόστος λειτουργίας και σε αυτό της συντήρησης. 5.1 Κόστος αρχικής επένδυσης Το κόστος της αρχικής επένδυσης περιλαμβάνει τα ξεχωριστά κόστη μελέτης, κατασκευής, προμηθειών, δανειοδότησης και το κόστος για την έκδοση της άδειας εγκατάστασης της μονάδας αφαλάτωσης. Από αυτά, το υψηλότερο κόστος αφορά την κατασκευή της εγκατάστασης. Το κόστος κατασκευής αποτελεί το 50% έως 80% του αρχικού κόστους επένδυσης και σε αυτό συμπεριλαμβάνονται τα κόστη προμήθειας, κατασκευής και εγκατάστασης των συστημάτων αφαλάτωσης και επεξεργασίας του νερού (προεπεξεργασία και μετεπεξεργασία).το ποσοστό που απομένει, σχετίζεται με το κόστος μελέτης, σχεδιασμού, αδειοδότησης και δανειοδότησης για όλη την εγκατάσταση. Σε ό,τι αφορά την απαιτούμενη έκταση της εγκατάστασης αφαλάτωσης, παρατηρείται πώς είναι μεγαλύτερη στην περίπτωση που χρησιμοποιούνται θερμικές διεργασίες (Κουκουτσάκης,2007).Αυτό επιφέρει και το υψηλότερο κόστος επένδυσης κατά την επιλογή των θερμικών διεργασιών έναντι αυτού των μεμβρανών. 5.2 Κόστος λειτουργίας και συντήρησης Οι ενεργειακές δαπάνες που απαιτεί η εγκατάσταση αφαλάτωσης διαμορφώνουν και το κόστος λειτουργίας και συντήρησης, καθώς και αυτό που αφορά το εργατοτεχνικό προσωπικό, των αναλώσιμων και των ανταλλακτικών. Οι θερμικές διεργασίες αφαλάτωσης συνήθως έχουν χαμηλότερα λειτουργικά έξοδα από αυτές των μεμβρανών, αφού στη δεύτερη περίπτωση, απαιτούνται μεγάλες δαπάνες για την αντικατάσταση και συντήρηση των μεμβρανών. Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 45 από 76

47 Κόστος αφαλάτωσης ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ Αναλυτικότερα, το κόστος λειτουργίας και συντήρησης αποτελείται από τις εξής δύο συνιστώσες :το σταθερό και το μεταβλητό κόστος. Το σταθερό κόστος αναφέρεται σε όλα εκείνα τα κόστη που δεν εξαρτώνται από την ποσότητα του παραγόμενου πόσιμου νερού. Σε αυτή την κατηγορία εμπίπτουν τα κόστη όπως αυτό των εργατικών, το κόστος συντήρησης του εξοπλισμού, το κόστος του τεχνικού ελέγχου, κόστος διασφάλισης της περιβαλλοντικής προστασίας και το κόστος ασφάλειας και διοίκησης. Το σταθερό κόστος συνήθως αποτελεί το 15-50% επί του συνολικού της λειτουργίας και συντήρησης. Αντιστοίχως, το μεταβλητό κόστος εξαρτάται από την παραγόμενη ποσότητα ύδατος και αναφέρεται στο κόστος της καταναλισκόμενης ενέργειας, σε αυτό της χημικής επεξεργασίας,στο κόστος των κατεστραμμένων εξαρτημάτων και εκείνο της απομάκρυνσης της άλμης. Το μεταβλητό κόστος αποτελεί το υπόλοιπο 50-85% του κόστους συντήρησηςλειτουργίας. Σ αυτό το σημείο είναι απαραίτητο να τονισθεί ότι πολλές φορές το ενεργειακό κόστος της αφαλάτωσης αγγίζει το 60% του μεταβλητού. Για το λόγο αυτό, είναι αναγκαία μία αναλυτικότερη διερεύνηση της κατανάλωσης ενέργειας για την κάθε διεργασία ξεχωριστά. Η κατανάλωση ενέργειας είναι σε όλες τις μεθόδους αφαλάτωσης συνυφασμένη με αρκετούς παράγοντες. Τέτοιους αποτελούν η θερμοκρασία λειτουργίας, οι απώλειες θερμότητας, η συγκέντρωση αλάτων στο νερό τροφοδοσίας και οι θερμοκρασιακές διαφορές με το περιβάλλον. Οι θερμικές διεργασίες, οι οποίες στηρίζονται στην αλλαγή φάσης του νερού, έχουν κατά κύριο λόγο τη μεγαλύτερη ενεργειακή κατανάλωση. Ενδεικτικά, στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζεται η εκτίμηση της ενεργειακής κατανάλωσης ορισμένων διεργασιών, σε μονάδες παραγωγής των έως m 3 νερού ανά ημέρα, από θαλασσινό νερό τροφοδοσίας. Συγκεκριμένα για τη μέθοδο της απόσταξης με συμπίεση ατμών, τα στοιχεία προέρχονται μονάδα παραγωγής m 3 /ημέρα (Κουκουτσάκης,2007) Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 46 από 76

48 Κόστος αφαλάτωσης ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ ΔΙΕΡΓΑΣΙΑ ΑΦΑΛΑΤΩΣΗΣ ΙΣΟΔΥΝΑΜΗ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ (Kwh/m 3 ) Ακαριαία απόσταξη πολλαπλών 10 14,5 βαθμίδων (MSF) Απόσταξη πολλαπλής επίδρασης 6-9 (MED) Απόσταξη με συμπίεση ατμών (VC) 7-15 Αντίστροφη όσμωση (RO) 4 6 με ανάκτηση ενέργειας 7 13 χωρίς ανάκτηση πίεσης Πίνακας 5.1 Κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας ανά διεργασία αφαλάτωσης Όπως φαίνεται και στον πίνακα, κατά τη διαδικασία της αντίστροφης όσμωσης είναι πιθανή η ύπαρξη συστημάτων ανάκτησης ενέργειας, τα οποία έχουν τη δυνατότητα να ανακτήσουν μέχρι και το 40% της συνολικά καταναλισκόμενης ενέργειας. Αυτό συμβαίνει συνηθέστερα σε μεγάλες εγκαταστάσεις, όπου η ενέργεια από το απορριπτόμενο αλμόλοιπο, ανακτάται σε στρόβιλο. Άλλοι παράγοντες οι οποίοι μπορούν να επηρεάζουν το κόστος λειτουργίας και συντήρησης μιας μονάδας αφαλάτωσης είναι η αλατότητα του νερού (και γενικότερα η χημική του σύσταση) ή παράμετροι όπως η θερμοκρασία λειτουργίας. Με την αύξηση λοιπόν της αλατότητας του τροφοδοτούμενου νερού, έχουμε ανάλογη αύξηση και στο κόστος λειτουργίας της μονάδας. Κατά την άνοδο της θερμοκρασίας το κόστος παραγωγής γενικά μειώνεται, αν και καταστρέφονται έτσι οι συστοιχίες των μεμβρανών. Τέλος, οι χημικές ουσίες που βρίσκονται διαλυμένες στο νερό τροφοδοσίας κάνουν υψηλότερο το κόστος της επεξεργασίας που πρέπει να προηγηθεί, ενώ σημαντικό ρόλο παίζει και η ποιότητα του προς χρήση νερού. Η υψηλή ποιότητα παραγόμενου πόσιμου νερού αυξάνει αρκετά το συνολικό κόστος μιας μονάδας αφαλάτωσης. Ο τρόπος διαχείρισης της άλμης επίσης επηρεάζει το κόστος, με την απόρριψη της άλμης στη θάλασσα να αποτελεί τη φθηνότερη λύση. Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 47 από 76

49 Κόστος αφαλάτωσης ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ 5.3 Κόστη διεργασιών αφαλάτωσης Για να γίνει μια συνολική οικονομική αξιολόγηση μιας μονάδας αφαλάτωσης είναι αναγκαίο να υπολογίζεται το άθροισμα των κάθε φορά επιμέρους κοστών, το συνολικό δηλαδή κόστος. Ο συγκεκριμένος υπολογισμός αναφέρεται σε ευρώ που ξοδεύονται ανά κάθε κυβικό μέτρο παραγόμενου αφαλατωμένου ύδατος. Στον ακόλουθο πίνακα παρέχονται κάποιες ενδεικτικές τιμές του εκάστοτε κόστους. Διεργασία αφαλάτωσης Αρχικό κόστος επένδυσης ( /m 3 *ημέρα) Ενεργειακό κόστος ( /m 3 ) Κόστος αναλώσιμων ( /m 3 ) Κόστος εργατι - κών ( /m 3 ) Κόστος συντήρησης ( /m 3 ) Συνολικό ειδικό κόστος ( /m 3 ) MSF ,6-1,8 0,03-0,09 0,03-0,20 0,02-0,06 0,68-2,15 MED ,38-1,12 0,02-0,15 0,03-0,20 0,02-0,06 0,45-1,53 VC ,56-2,24 0,02-0,15 0,03-0,20 0,02-0,08 0,63-2,83 RO ,32-1,28 0,09-0,25 0,03-0,20 0,02-0,05 0,46-1,78 Πίνακας 5.2 Κόστη διεργασιών αφαλάτωσης (Τζεν,2010) Κατά τη διαδικασία της Αντίστροφης όσμωσης, παρατηρούμε πως παρόλο που το κόστος ενέργειας είναι μειωμένο σε σχέση με τις υπόλοιπες διεργασίες, το αντίστοιχο κόστος των αναλώσιμων είναι αρκετά υψηλό, κάτι που οφείλεται κυρίως στο υψηλό κόστος των μεμβρανών που χρησιμοποιούνται. Συγκεκριμένα, οι μεμβράνες αντικαθίστανται κάθε τρία ή τέσσερα χρόνια, λόγω της ευαισθησίας τους και με τη Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 48 από 76

50 Κόστος αφαλάτωσης ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ ΜΕ ΑΠΕ συνεχόμενη χρήση παρουσιάζουν ανεπιθύμητες ιδιότητες. Παραταύτα, με την πάροδο των χρόνων και την τεχνολογική εξέλιξη που επήλθε και στις μεμβράνες,το κόστος αυτό εμφανίζεται σημαντικά μειωμένο. Μια σημαντική παράμετρος που επηρεάζει το συνολικό κόστος παραγωγής αφαλατωμένου νερού είναι η δυναμικότητα της μονάδας αφαλάτωσης. Αναλυτικότερα, σε μια μονάδα αφαλάτωσης αντίστροφης όσμωσης με δυναμικότητα m 3 /ημέρα,έχει κόστος παραγόμενου νερού κατά μέσο όρο 1,5 /m 3,ενώ όταν η δυναμικότητα αυξηθεί σε m 3 /ημέρα το κόστος μειώνεται σε 0,75 /m 3. Είναι απαραίτητο να αναφερθεί ότι εδώ κι αρκετά χρόνια, εξετάζονται συνδυασμοί δύο ή και περισσότερων τεχνολογιών αφαλάτωσης με ζητούμενο για την περαιτέρω μείωση του συνολικού κόστους με ταυτόχρονη αύξηση της απόδοσης της μονάδας. Σύμφωνα με το πρόγραμμα προσομοίωσης που αναπτύχθηκε από τους Κορωναίο, Ντόμπρο και Ρούμπα (2007),μελετάται τεχνοοικονομικά η συνεργασία μεθόδων αφαλάτωσης όπως η RO και η MVC με ανεμογεννήτριες (WIND) και φωτοβολταϊκά (PV).Τα κόστη υπολογίζονται για δυναμικότητα παραγωγής 500 m 3 /day. Σχήμ.5.1 Υπολογιζόμενο ειδικό κόστος παραγωγής (500 m 3 /day) (Κορωναίος, 2007) Υφαντίδης Αθανάσιος Σελ. 49 από 76