ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. Μελέτη αφαλάτωσης με μικρές μονάδες. Ειδικά με αυτόνομη μονάδα αντίστροφης όσμωσης και χρήση ΑΠΕ.

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ-ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ: ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Μελέτη αφαλάτωσης με μικρές μονάδες. Ειδικά με αυτόνομη μονάδα αντίστροφης όσμωσης και χρήση ΑΠΕ. Ράπτης Δημήτριος Επιβλέπων καθηγητής : κ. Γιαννούλης Παναγιώτης Εξεταστική επιτροπή: κ. Αργυρίου Αθανάσιος κ. Τρυπαναγνωστόπουλος Ιωάννης κ. Λευθεριώτης Γεώργιος ΠΑΤΡΑ, ΔΕΚΕΜΒΡΗΣ

2 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η παρούσα ειδική ερευνητική εργασία εκπονήθηκε στο εργαστήριο ανανεώσιμων πηγών ενέργειας του τμήματος Φυσικής του πανεπιστήμιου Πατρών και ένα μέρος της στο εργαστήριο ηλιακής ενέργειας του Πανεπιστημίου της Lleida. Πρώτα απ όλα θα ήθελα να ευχαριστήσω τον καθηγητή κ. Παναγιώτη Γιαννούλη, ο οποίος ήταν επιβλέπων της εργασίας μου, για τη χρήσιμη και συνεχή καθοδήγηση του καθώς και για τη βοήθεια του, χωρίς την οποία η εκπόνηση της εργασίας θα ήταν αδύνατη. Επίσης θα ήθελα να εκφράσω τις ευχαριστίες μου στον αναπληρωτή καθηγητή κ. Αργυρίου Αθανάσιο, στον αναπληρωτή καθηγητή κ.τρυπαναγνωστόπουλο Ιωάννη και στον επίκουρο καθηγητή κ. Λευθεριώτη Γεώργιο για τη συμμέτοχη τους στην Εξεταστική επιτροπή της ειδικής ερευνητικής εργασίας μου και για τη βοήθειά τους. Ακόμη, ευχαριστώ τον καθηγητή κ.joan Ι. Rossell για τις συμβουλές του και τη βοήθεια του κατά τη διάρκεια της παραμονής μου στη πόλη Lleida στην Ισπανία. Επιπλέον, θα ήθελα να ευχαριστήσω όλους τους μεταδιδάκτορες, υποψήφιους διδάκτορες και τους μεταπτυχιακούς φοιτητές του εργαστηρίου για το φιλικό και αλληλέγγυο κλίμα του εργαστηρίου. Τέλος, ευχαριστώ θερμά το τμήμα διεθνών σχέσεων του Πανεπιστημίου Πατρών για την υποτροφία που μου δόθηκε ώστε να κάνω τρεις μήνες πρακτική εξάσκηση στο εργαστήριο ηλιακής ενέργειας του Πανεπιστημίου της Lleida. 2

3 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ 7 ΑBSTRACT 8 Περίληψη κεφαλαίων 9 Κεφάλαιο 1: ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ Εισαγωγή Συγκεντρωτική απεικόνιση των μεθόδων αφαλάτωσης Μονάδες αφαλάτωσης στον Ελλαδικό χώρο Μονάδες αφαλάτωσης παγκόσμια Πηγές ενέργειας για αφαλάτωση Συμβατικές πηγές ενέργειας Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Συστήματα αφαλάτωσης με φωτοβολταϊκά Συστήματα αφαλάτωσης και αιολική ενέργεια Εγκαταστάσεις συστημάτων αφαλάτωσης με Φ/Β ή ΑΓ Συστήματα αφαλάτωσης με θερμική ηλιακή ενέργεια Υβριδικά συστήματα Α.Π.Ε για αφαλάτωση Συστήματα αφαλάτωσης και γεωθερμία Συστήματα αφαλάτωσης και βιομάζα Συστήματα αφαλάτωσης και ενέργεια ωκεανών Συμπεράσματα 27 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΗΣ ΟΣΜΩΣΗΣ Εισαγωγή Αρχή λειτουργίας αντίστροφης όσμωσης Υποσυστήματα αντίστροφης ώσμωσης Σύστημα προ-επεξεργασίας Το κυρίως σύστημα αφαλάτωσης 34 3

4 2.3.3 Το σύστημα μετ-επεξεργασίας Ποσοτικά χαρακτηριστικά αντίστροφης όσμωσης Υπολογισμός οσμωτικής πίεσης Απόρριψη του άλατος Ανάκτηση προϊόντος Εξισώσεις μεταφοράς μάζας Μάζα προϊόντος και άλατος Μεταφορά του νερού Μεταφορά του άλατος Παράμετροι που επηρεάζουν τη λειτουργία των μεμβρανών Πίεση λειτουργίας Επίδραση της θερμοκρασίας Επίδραση της συγκέντρωσης των αλάτων στο νερό τροφοδοσίας Επίδραση ph Επίδραση του βαθμού ανάκτησης του αφαλατωμένου νερού 42 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΜΟΝΑΔΑΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΗΣ ΟΣΜΩΣΗΣ Εισαγωγή Προσδιορισμός των κύριων παραμέτρων της μονάδας αφαλάτωσης Προσδιορισμός παραγωγικότητας Προσδιορισμός νερού τροφοδοσίας Προσδιορισμός είδους και αριθμού μεμβρανών που χρησιμοποιούνται Σύνοψη δεδομένων και υποθέσεων σχεδιασμού Αποτελέσματα σχεδιασμού Περιγραφή μονάδας αντίστροφης όσμωσης Κατανάλωση ενέργειας 55 4

5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: Συνδυασμός μονάδας αντίστροφης όσμωσης με συστοιχία φωτοβολταικών και με ανεμογεννήτρια Εισαγωγή Γενικά για τα φωτοβολταϊκά Βασικές αρχές ενός ποιοτικού φ/β συστήματος που θα τροφοδοτεί τη μονάδα αντίστροφης όσμωσης Τεχνοοικονομική μελέτη αυτόνομου φωτοβολταϊκου συστήματος Η κλίση των συλλεκτών Η απαιτούμενη ισχύ αιχμής της συστοιχίας Η τάση του συστήματος Τύπος και πλήθος φωτοβολταϊκών Οι συσσωρευτές Ρυθμιστές φόρτισης Επιλογή inverter Μορφή φωτοβολταϊκής εγκατάστασης Γενικά για τις ανεμογεννήτριες Ισχύς ανεμογεννήτριας Τύποι ανεμογεννητριών Κατάλληλη ανεμογεννήτρια για το σύστημα αφαλάτωσης που δημιουργήσαμε Μορφή συστήματος ανεμογεννήτριας. 74 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: Οικονομική ανάλυση των συστημάτων και σύγκριση μεταξύ τους Εισαγωγή Υπολογισμός κόστους νερού αφαλάτωσης Κόστος συσκευών Κόστος επένδυσης μονάδας αντίστροφης όσμωσης Κόστος επένδυσης συστήματος φωτοβολταϊκών Κόστος συσκευών συστήματος ανεμογεννήτριας Υπολογισμός κόστους νερού αφαλάτωσης όταν η μονάδα αντίστροφης όσμωσης τροφοδοτείται από το φωτοβολταϊκό σύστημα. 80 5

6 5.5 Υπολογισμός κόστους νερού αφαλάτωσης όταν η μονάδα αντίστροφης όσμωσης τροφοδοτείται από το σύστημα της ανεμογεννήτριας Σύγκριση και συμπεράσματα 81 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6: Δημιουργία απλού ηλιακού αποστακτήρα μικρής δυναμικότητας και πειραματικές μετρήσεις Εισαγωγή Τύποι ηλιακών αποστακτήρων Παράγοντες που επηρεάζουν τη λειτουργία ενός ηλιακού αποστακτήρα Εμπειρικός τύπος υπολογισμού απόδοσης ηλιακού αποστακτήρα Πειραματική διαδικασία Γραφικές παραστάσεις μετρήσεων Σχόλια και συμπεράσματα 98 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7: Σύνοψη αποτελεσμάτων-συμπεράσματα Σύνοψη αποτελεσμάτων Συμπεράσματα 102 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΕΙΚΟΝΩΝ ΚΑΙ ΠΙΝΑΚΩΝ 104 ΓΕΝΙΚΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 106 6

7 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η περιγραφή και η οικονομική αξιολόγηση μιας μονάδας αφαλάτωσης θαλασσινού νερού μικρής δυναμικότητας η οποία θα είναι ενεργειακά αυτόνομη καθώς και η πειραματική μελέτη της μεθόδου της ηλιακής απόσταξης. Η μονάδα αφαλάτωσης που περιγράφουμε είναι μια μονάδα αντίστροφης όσμωσης και η περιγραφή της έγινε με τη χρήση ενός λογισμικού σχεδιασμού και προσομοίωσης μεμβρανών. Σκοπός μας είναι να εξετάσουμε τις ενεργειακές απαιτήσεις αυτής της μονάδας συναρτήσει παραμέτρων όπως η ποιότητα του νερού τροφοδοσίας, το είδος και ο αριθμός των μεμβρανών καθώς και η παραγωγικότητα της. Η ενεργειακή αυτονομία της μονάδας αντίστροφης όσμωσης επιτυγχάνεται με δύο τρόπους. Ο πρώτος είναι ο συνδυασμός της μονάδας με ένα σύστημα φωτοβολταϊκών το οποίο θα είναι τοποθετημένο στη περιοχή των Πατρών. Ο δεύτερος είναι ο συνδυασμός της μονάδας με ένα σύστημα ανεμογεννητριών σε περιοχή όπου υπάρχει κατάλληλο αιολικό δυναμικό. Η πειραματική μελέτη της ηλιακής απόσταξης έγινε αξιολογώντας τη λειτουργία ενός απλού ηλιακού αποστακτήρα μονής βαθμίδας. Ο αποστακτήρας που δημιουργήσαμε και τοποθετήσαμε στη ταράτσα του κτηρίου του τμήματος φυσικής, πανεπιστημίου Πατρών, υπόκειται σε μία σειρά πειραμάτων όπως: Η επίδραση της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας στην παραγωγικότητα και στην απόδοση και του αποστακτήρα. Η επίδραση της αρχικής ποσότητας του νερού που βρίσκεται στον αποστακτήρα στην παραγωγικότητα και στην απόδοση του αποστακτήρα. 7

8 ABSTRACT The aim of this thesis is the description and the economic evaluation of a seawater desalination plant which is energy independent, and the experimental study of the solar distillation s method. The desalination plant described is a reverse osmosis unit and the description was made by using a membranes software design and simulation. Our aim is to examine the energy requirements of this unit function parameters such as the quality of the feed water, the type and number of membranes and productivity. The energy independence of the reverse osmosis unit is achieved in two ways. The first way is a combination between the unit and a photovoltaic system, which will be located in the area of Patras. The second way is a combination between the unit and a turbine system in an area where there is a suitable wind resource. The experimental study of solar distillation took place through the evaluation of a simple solar distiller. This distiller, which was placed on the roof of the Physics Department of the University of Patras, is subject to a series of experiments such as: The effect solar radiation has on the productivity and efficiency of this particular solar distiller The effect the initial amount of water, which is found in this solar distiller, has on the productivity and efficiency of its solar distiller 8

9 Περίληψη κεφαλαίων διπλωματικής Κεφάλαιο 1 : Βιβλιογραφική ανασκόπηση. Σε αυτό το κεφάλαιο παρουσιάζεται μια συγκεντρωτική απεικόνιση των μεθόδων αφαλάτωσης και γίνεται μια εκτενής βιβλιογραφική ανασκόπηση των συστημάτων αφαλάτωσης που χρησιμοποιούνται τόσο στον Ελλαδικό χώρο αλλά και γενικότερα. Η ανασκόπηση αυτή περιλαμβάνει συστήματα αφαλάτωσης όλων των μεθόδων συνδυαζόμενα με συμβατικές πηγές ενέργειας καθώς και με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Κεφάλαιο 2 : Περιγραφή συστημάτων αντίστροφης όσμωσης. Σε αυτό το κεφάλαιο παρουσιάζονται τα διάφορα υποσυστήματα που χρησιμοποιούνται σε μια μονάδα αντίστροφης όσμωσης. Επίσης γίνεται μια θεωρητική διερεύνηση αυτών και διατυπώνονται τα μεγέθη και οι εξισώσεις που τα χαρακτηρίζουν. Στη συνέχεια αναφέρονται οι παράμετροι που επηρεάζουν τη λειτουργία τους. Κεφάλαιο 3 : Σχεδιασμός μονάδας αντίστροφης όσμωσης. Σε αυτό το κεφάλαιο χρησιμοποιούμε ένα λογισμικό σχεδιασμού και προσομοίωσης μεμβρανών ώστε να γίνει η περιγραφή μιας μικρής μονάδας αντίστροφης όσμωσης και να αναφερθούν όλες οι συνιστώσες της. Σκοπός μας είναι να εξετάσουμε τις ενεργειακές απαιτήσεις αυτής της μονάδας συναρτήσει παραμέτρων όπως η ποιότητα του νερού τροφοδοσίας, το είδος και ο αριθμός των μεμβρανών καθώς και η παραγωγικότητα της. Κεφάλαιο 4 : Συνδυασμός μονάδας αντίστροφης όσμωσης με συστοιχία φωτοβολταικών και συνδυασμός της ίδιας μονάδας με ανεμογεννήτρια. Σε αυτό το κεφάλαιο παρουσιάζεται ο συνδυασμός της ίδιας μονάδας με συστοιχίες φωτοβολταϊκών που να καλύπτουν ολόκληρες ή μέρος των ενεργειακών απαιτήσεων της μονάδας. Στη συνέχεια εξετάζεται η δυνατότητα λειτουργίας της μονάδας αυτής με ανεμογεννήτρια. Κεφάλαιο 5 : Οικονομική ανάλυση των συστημάτων και σύγκριση μεταξύ τους.. Σε αυτό το κεφάλαιο παρουσιάζεται μία μέθοδος υπολογισμού του κόστους του αφαλατωμένου νερού. Στη συνέχεια εφαρμόζουμε αυτή τη μέθοδο για να υπολογίσουμε το κόστος του αφαλατωμένου νερού που προκύπτει από τη μονάδα αντίστροφης όσμωσης όταν αυτή συνδυάζεται με τη φωτοβολταική γεννήτρια καθώς και με την ανεμογεννήτρια που περιγράψαμε παραπάνω. Σκοπός μας είναι να καταλήξουμε ποιος συνδυασμός από τους δύο είναι πιο οικονομικός. 9

10 Κεφάλαιο 6 : Δημιουργία απλού ηλιακού αποστακτήρα μικρής δυναμικότητας και πειραματικές μετρησείς. Σε αυτό το κεφάλαιο περιγράφουμε την αφαλάτωση με τη μέθοδο της ηλιακής απόσταξης. Στη συνέχεια παρουσιάζουμε τη λειτουργία ενός μικρού ηλιακού αποστακτήρα που φτιάξαμε στο εργαστήριο ο οποίος λειτουργεί μόνο με χρήση ηλιακής ενέργειας. Τέλος, αναφέρουμε τα αποτελέσματα των πειραματικών μετρήσεων μας και παρουσιάζουμε τη παραγωγικότητα και την απόδοση του αποστακτήρα. Κεφάλαιο 7: Σύνοψη αποτελεσμάτων-συμπεράσματα. Σε αυτό το κεφάλαιο πραγματοποιείται η σύνοψη των αποτελεσμάτων καθώς και τα γενικά συμπεράσματα. Τέλος γίνονται κάποιες προτάσεις για μελλοντικά πεδία έρευνας. 10

11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 : ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ 11

12 1.1 Εισαγωγή Σε αυτό το κεφάλαιο παρουσιάζεται μια συγκεντρωτική απεικόνιση των μεθόδων αφαλάτωσης και γίνεται μια εκτενής βιβλιογραφική ανασκόπηση των συστημάτων αφαλάτωσης που χρησιμοποιούνται τόσο στον Ελλαδικό χώρο αλλά και γενικότερα. Η ανασκόπηση αυτή περιλαμβάνει συστήματα αφαλάτωσης όλων των μεθόδων συνδυαζόμενα με συμβατικές πηγές ενέργειας καθώς και με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Επίσης γίνεται ανάλυση των συμβατικών πηγών ενέργειας για την αφαλάτωση όπως η χρήση της θερμικής ενέργειας από την καύση των ξύλων, της πυρηνικής και της ηλεκτρικής ενέργειας. Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι συνδυασμοί των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας όπως η ηλιακή, αιολική, η ενέργεια από φωτοβολταϊκά συστήματα, η γεωθερμία, η βιομάζα και η ενέργεια από ωκεανούς με συστήματα αφαλάτωσης. Η βιβλιογραφική ανασκόπηση οδηγεί στο συμπέρασμα της αιτιολογημένης επιλογής του βέλτιστου συνδυασμού Α.Π.Ε. με μονάδες αφαλάτωσης. Επιπλέον η ανασκόπηση οδηγεί στο συμπέρασμα της ανάγκης για περαιτέρω έρευνα για μικρές μονάδες αντίστροφης όσμωσης τροφοδοτούμενες με ηλεκτρική ενέργεια από Α.Π.Ε. 1.2 Συγκεντρωτική απεικόνιση των μεθόδων αφαλάτωσης Στον παρακάτω πίνακα φαίνεται μια συγκεντρωτική απεικόνιση των κυριότερων μεθόδων αφαλάτωσης. Μέθοδοι Απόσταξης Απόσταξη πολλαπλής φάσης MSF Εξάτμιση πολλαπλής επίδρασης MED/ME Συμπίεση ατμού VC Μέθοδοι διεργασιών μεμβράνης Αντίστροφη Όσμωση RO Ηλεκτροδιάλυση Ed Νανοφιλτράρισμα NF Απόσταξη μέσω μεμβράνης MD Λοιπές μέθοδοι Γεωθερμική αφαλάτωση Στερεοποίηση Πίνακας 1-1 Μέθοδοι αφαλάτωσης. Ηλιακή υγροποίηση Αφυγροποίηση 12

13 Στο επόμενο διάγραμμα φαίνεται η συμμετοχή κάθε μεθόδου αφαλάτωσης στο σύνολο των διεργασιών που πραγματοποιούνται. Συμμετοχή διεργασιών αφαλάτωσης ED 5% MSF 10% VC 5% Λοιπά 4% RO MED MSF MED 14% RO 62% ED VC Λοιπά Εικόνα 1-1 Συμμετοχή διεργασιών αφαλάτωσης [1] Παρατηρούμε πως η αντίστροφη όσμωση (RO) κατέχει το μεγαλύτερο ποσοστό και βρίσκει τη μεγαλύτερη εφαρμογή. Οι λόγοι είναι οι εξής: Λόγω της χαμηλής κατανάλωσης ειδικής ενέργειας, ειδικά στα μεγάλα συστήματα. Λόγω της καταλληλότητας αυτών των συστημάτων για σύνδεση με Φ/Β ή ανεμογεννήτριες. Λόγω της υψηλής παραγωγικότητας ποσοτήτων αφαλατωμένου νερού σε σύγκριση με άλλες διαδικασίες αφαλάτωσης. 1.3 ΜΟΝΑΔΕΣ ΑΦΑΛΑΤΩΣΗΣ ΣΤΟΝ ΕΛΛΑΔΙΚΟ ΧΩΡΟ Είναι γνωστό το πρόβλημα της έλλειψης πόσιμου νερού που αντιμετωπίζουν πολλές περιοχές στον Ελλαδικό χώρο. Συγκεκριμένα στα νησιά του Αιγαίου, όπου συναντάται το τυπικό ξηρό μεσογειακό κλίμα, το πρόβλημα είναι πολύ έντονο αφού οι υδάτινοι πόροι είναι περιορισμένοι. Επιπλέον η είσοδος του θαλασσινού νερού στον υδροφόρο ορίζοντα δυσχεραίνει ακόμη περισσότερο την εξεύρεση πόσιμου νερού. Τα παραπάνω έχουν σαν αποτέλεσμα τα αποθέματα υδάτινων πόρων να μην επαρκούν για τη κάλυψη των αναγκών του τοπικού πληθυσμού. Το πρόβλημα αυτό γίνεται εντονότερο τους καλοκαιρινούς μήνες, όταν η ανάγκη για πόσιμο νερό αυξάνεται έως και πέντε φορές από το κανονικό λόγω της αύξησης του πληθυσμού. 13

14 Το πρόβλημα αυτό αντιμετωπίζεται κυρίως με τη μεταφορά πόσιμου νερού σε αυτές τις περιοχές με υδροφόρα πλοία. Αυτή η διαδικασία έχει ιδιαίτερα μεγάλο οικονομικό κόστος. Συγκεκριμένα, σύμφωνα με επίσημα στοιχεία του υπουργείου Αιγαίου το 2006 το κόστος του μεταφερόμενου νερού κυμαινόταν 6-10 ευρώ/m 3 και το κόστος για τις συνολικά μεταφερόμενες ποσότητες νερού σε Κυκλάδες και Δωδεκάνησα ήταν 9,5 εκατομμύρια ευρώ το Μία εναλλακτική λύση τη μεταφορά νερού είναι η εγκατάσταση και λειτουργία μονάδων αφαλάτωσης. Όπως γνωρίζουμε οι μέθοδοι αφαλάτωσης χωρίζονται σε δύο κύριες κατηγορίες: τις θερμικές μεθόδους και τις μεθόδους που χρησιμοποιούν μεμβράνες. Η πιο διαδεδομένη από όλες τις μεθόδους είναι η μέθοδος της αντίστροφης όσμωσης την οποία θα αναλύσουμε σε επόμενο κεφάλαιο. Η αντίστροφη όσμωση είναι και η μοναδική χρησιμοποιούμενη μέθοδος αφαλάτωσης στα Ελληνικά νησιά. Στο παρακάτω πίνακα φαίνονται οι σημαντικότερες μονάδες αφαλάτωσης στον Ελλαδικό χώρο. Πίνακας 1-2 Σημαντικότερες μονάδες αφαλάτωσης στην Ελλάδα. [2] 14

15 Σήμερα, σύμφωνα με επίσημα στοιχεία του Υπουργείου Περιβάλλοντος, λειτουργούν στην Ελλάδα περίπου 50 μονάδες αφαλάτωσης που εξυπηρετούν την ύδρευση δήμων και κοινοτήτων με συνολική δυναμικότητα m 3 /ημέρα ενώ υπάρχουν και εκατοντάδες μικρότερες ιδιωτικής χρήσεις( ξενοδοχεία, βιομηχανίες, κατοικίες κ.τ.λ.). Οι σημαντικότερες μονάδες αφαλάτωσης, όπως φαίνεται και στον παραπάνω πίνακα είναι στη Σύρο, στη Μύκονο και στη Χίο. Το επόμενο διάγραμμα δείχνει την εξέλιξη της αφαλάτωσης στην Ελλάδα κατά τη διάρκεια των χρόνων από το 1970 έως το Εικόνα 1-2 Παραγωγή αφαλατωμένου νερού στην Ελλάδα [2] Το 2009 το υπουργείο Εμπορικής Ναυτιλίας Αιγαίου και νησιωτικής Πολιτικής ανακοίνωσε πρόγραμμα για τη δημιουργία μονάδων αφαλάτωσης σε 13 νησιά των Κυκλάδων και της Δωδεκανήσου (Αμοργός, Δονούσα, Κουφονήσια, Ηράκλεια, Θηρασία, Σίκινος, Φολέγανδρος, Μεγίστη, Χάλκη, Λειψοί, Αγαθονήσι, Αρκίοι και Ψέριμος). Το πρόγραμμα αυτό είναι αυτοχρηματοδοτούμενο (το συνολικό κόστος το ανέλαβάν οι ανάδοχοι επενδυτές), τα οικόπεδα παραχωρήθηκαν από τους Δήμους ενώ το υπουργείο ανέλαβε να αγοράζει για μια δεκαετία εγγυημένη ποσότητα πόσιμου νερού σε τιμή η οποία αντιστοιχεί στο 1/3 της τιμής του νερού που μεταφέρεται με υδροφόρα πλοία. Μετά τη παρέλευση της δεκαετίας οι μονάδες θα παραχωρηθούν στους δήμους. 1.4 ΜΟΝΑΔΕΣ ΑΦΑΛΑΤΩΣΗΣ ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ Σύμφωνα με επίσημα στοιχεία της IDA(International Desalination Data) το 2009 υπήρχαν πάνω από μονάδες αφαλάτωσης σε λειτουργία σε όλο τον κόσμο ενώ η συνολικά 15

16 εγκατεστημένη δυναμικότητα την ίδια χρονιά υπολογιζόταν σε 59,9 εκατομμύρια m 3 /ημέρα ενώ άλλα 9,1 εκατομμύρια m 3 /ημέρα βρίσκονταν υπό κατασκευή. Εικόνα 1-3 Παγκόσμια δυναμικότητα αφαλάτωσης [2] Περισσότερο από το μισό της παγκόσμιας δυναμικότητας είναι εγκατεστημένο στις άνυδρες χώρες της Μέσης Ανατολής και της Βόρειας Αφρικής οι οποίες καλύπτουν σημαντικότατο τμήμα των αναγκών τους κυρίως με θερμική αφαλάτωση. Άλλες χώρες με επίσης σημαντικό δυναμικό όπως οι ΗΠΑ, η Ισπανία, η Κίνα, η Ιαπωνία, η Αυστραλία, το Ισραήλ και η Κύπρος χρησιμοποιούν κυρίως μεθόδους μεμβρανών. Τα επόμενα διαγράμματα δείχνουν τις παραγωγικές δυναμικότητες των δέκα πρώτων χωρών και τις μεγαλύτερες εταιρείες παγκοσμίως σε δυναμικότητα(σύμφωνα με έρευνα της IDA το 2008) 16

17 Εικόνα 1-4 Παραγωγική δυναμικότητα αφαλατωμένου νερού από μονάδες αφαλάτωσης ανά χώρα Εικόνα 1-5 Μεγαλύτερες εταιρείες αφαλάτωσης σε δυναμικότητα [2] 17

18 Σύμφωνα με τις προβλέψεις της Global Water Intelligence η παγκόσμια δυναμικότητα αφαλάτωσης θα φτάσει τα 107 εκατομμύρια m 3 /ημέρα το 2016 και οι επενδύσεις που θα απαιτηθούν θα ξεπεράσουν τα 65 δις. Δολάρια 1.5 ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΓΙΑ ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ Το κόστος της ενέργειας είναι πολύ σημαντικό στην αφαλάτωση και επηρεάζει όπως θα δούμε και παρακάτω πιο αναλυτικά το συνολικό κόστος του παραγόμενου νερού. Στη βιομηχανία της αφαλάτωσης το κόστος ενέργειας είναι περίπου το 40% του συνολικού κόστος, γι αυτό το λόγο ερευνάται διαρκώς η εύρεση και η χρησιμοποίηση φτηνών πηγών ενέργειας που θα κάνει την αφαλάτωση μια βιώσιμη λύση στο πρόβλημα της λειψυδρίας Συμβατικές πηγές ενέργειας Σήμερα, στις μεγάλες μονάδες αφαλάτωσης σε όλο τον κόσμο χρησιμοποιούνται συμβατικές πηγές ενέργειας με κύρια εφαρμογή το συνδυασμό ηλεκτρικού ρεύματος με μονάδες αντίστροφης όσμωσης. Οι συμβατικές πηγές ενέργειας παρουσιάζουν σημαντικές διακυμάνσεις κόστους με αντίστοιχη επίδραση στο κόστος του αφαλατωμένου νερού. Η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να διατίθεται σε όποιο σημείο ζητηθεί ενώ η θερμότητα πρέπει να διατίθεται επί τόπου αφού η μεταφορά της είναι τρομερά αντιοικονομική. Η πυρηνική ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί σα πηγή ενέργειας για αφαλάτωση μόνο σε εγκαταστάσεις μεγάλων παροχών αφαλατωμένου νερού. Ο Ibraim Al-Mutaz (2003) στην έρευνα που δημοσίευσε αναφέρεται στο συνδυασμό ενός πυρηνικού αντιδραστήρα και ενός υβριδικού συστήματος αφαλάτωσης που περιέχει ένα σύστημα αντίστροφης όσμωσης (RO) και ένα σύστημα πολλαπλής απόσταξης (MSF). Τα πειραματικά αποτελέσματα αυτής της έρευνας έδειξαν πως αυτός ο συνδυασμός έχει αρκετά τεχνικά και οικονομικά πλεονεκτήματα. Οι Nissan and Benzarti (2008) κάνουν μια συγκριτική μελέτη μεταξύ συστημάτων αφαλάτωσης που χρησιμοποιούν σαν ενεργειακή πηγή ορυκτά καύσιμα και συστημάτων αφαλάτωσης που χρησιμοποιούν σαν πηγή ενέργειας πυρηνική ενέργεια, περιλαμβάνοντας και το περιβαλλοντικό κόστος. Το συμπέρασμα στο οποίο καταλήγει η έρευνα είναι πως το κόστος αφαλάτωσης των συστημάτων που χρησιμοποιούν πυρηνική ενέργεια είναι σαφώς μικρότερο του κόστους αφαλάτωσης των συστημάτων που χρησιμοποιούν ορυκτά καύσιμα. Ερευνητικές εργασίες των Shin and Shih (2007) έδειξαν πως ποσότητες θερμικής ενέργειας που απορρίπτονται από χημικές και άλλες βιομηχανίες στο περιβάλλον σαν νερό ψύξης είτε στην ατμόσφαιρα σαν αέρα ψύξης μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην αφαλάτωση υπό προϋποθέσεις. Τέτοιοι συνδυασμοί έχουν εφαρμοστεί (παρά τη χαμηλή περιεκτικότητα σε θερμότητα της απορριπτόμενης ενέργειας) σε βιομηχανίες για εξοικονόμηση ενέργειας και τη παραγωγή αφαλατωμένου νερού για χρήση στις εγκαταστάσεις. 18

19 1.5.2 Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Τα τελευταία χρόνια η έρευνα στο τομέα της αφαλάτωσης έχει επικεντρωθεί στο συνδυασμό των μονάδων αφαλάτωσης με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας ώστε να μειωθεί το ενεργειακό κόστος και συνεπώς το κόστος του αφαλατωμένου νερού. Οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας μπορούν να παράγουν θερμική ενέργεια(ηλιακοί συλλέκτες, γεωθερμία), ηλεκτρική ενέργεια(φωτοβολταϊκά, ανεμογεννήτριες) και μηχανική ενέργεια(ανεμογεννήτριες). Όλες οι έρευνες έδειξαν πως όλα τα συστήματα αφαλάτωσης αντιμετωπίζουν προβλήματα όταν συνδέονται με Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας για τους εξής λόγους: Τα συστήματα ΑΠΕ δεν έχουν συνεχή παροχή ενέργειας ώστε να ανταποκρίνονται ανά πάσα στιγμή στη ζήτηση ενέργειας. Δεν είναι εύκολο η ενέργεια που παρέχουν τα συστήματα ΑΠΕ να αποθηκευτεί για την απρόσκοπτη λειτουργία της εγκατάστασης της αφαλάτωσης. Η τεχνολογία συλλογής ή σύζευξης δεν έχει αναπτυχθεί σε τέτοιο βαθμό ώστε να παρέχει τη φθηνή ενέργεια σε χαμηλό κόστος. Ωστόσο αυτά τα προβλήματα μπορούν να καταπολεμηθούν αν π.χ. συνδυαστούν σωστά οι ΑΠΕ με το ηλεκτρικό δίκτυο ή, για τα αυτόνομα συστήματα αφαλάτωσης, αν προστεθεί στην εγκατάσταση κάποιο μικρό σύστημα αποθήκευσης ενέργειας όπως είναι οι μπαταρίες. Το παρακάτω διάγραμμα δέιχνει τη συμμετοχή των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στην αφαλάτωση καθώς και τους συνδυασμούς ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και μεθόδων αφαλάτωσης Hybrid 10% Συμμετοχή ΑΠΕ στην Αφαλάτωση Wind 20% Solar PV 43% Solar PV Solar Thermal Wind Hybrid Solar Thermal 27% Εικόνα 1-6 Συμμετοχή ΑΠΕ στην αφαλάτωση [1] 19

20 Εικόνα 1-7 Συνδυασμοί ΑΠΕ και μεθόδων αφαλάτωσης [3] Συστήματα αφαλάτωσης με φωτοβολταϊκά Η ηλιακή ενέργεια μπορεί να συλλεχθεί από μία διάταξη φωτοβολταϊκών στοιχείων και να μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια. Η τεχνολογία των φωτοβολταϊκών είναι από τις πιο ώριμες και προχωρημένες στο χώρο των Α.Π.Ε. Όσον αφορά την αφαλάτωση, έρευνες έχουν δείξει πως ο συνδυασμός της ηλεκτρικής ενέργειας από φωτοβολταικά με τη διαδικασία της αντίστροφης όσμωσης είναι εφικτός και μπορεί να αποδειχθεί πολύ επιτυχής. Οι Bermudez-Contreras, Murray Thomson, David G. Infield (2008) αναφέρουν στη δημοσίευση τους τα πλεονεκτήματα της αφαλάτωσης με αντίστροφη όσμωση χρησιμοποιώντας ενέργεια από φωτοβολταϊκά σε σχέση με την ηλιακή αφαλάτωση για τη περιοχή Baja California Sur στο Μεξικό. Επίσης σε αυτή τη δημοσίευση γίνεται και αναφορά της ανάγκης εξοπλισμού αυτών των συστημάτων με υποσυστήματα ανάκτησης ενέργειας. Οι M. Thompson, M. Miranda, J. Gwillim, A.Rowbottom και I. Draisy (2001) παρουσίασαν ένα σύστημα αντίστροφης όσμωσης τροφοδοτούμενο από φωτοβολταϊκά χωρίς μπαταρίες. Το σύστημα αυτό σχεδιάστηκε για να παράγει 3m 3 πόσιμο νερό την ημέρα ενώ οι ερευνητές κατέληξαν στο συμπέρασμα πως ένα σύστημα το κόστος κατασκευής του οποίου θα είναι λίρες μπορεί να παράγει κατά μέσο όρο 3,9 m 3 /ημέρα. Η ενεργειακή του κατανάλωση θα είναι περίπου 3,5 kwh/ημέρα. Αυτά τα στοιχεία ήταν πολύ ενθαρρυντικά για ένα σύστημα αφαλάτωσης τέτοιου μεγέθους. 20

21 Το σύστημα αυτό λειτουργεί, όπως προαναφέραμε χωρίς συσσωρευτές, και είναι εξοπλισμένο με μονάδα ανάκτησης υδραυλικής ενέργειας της άλμης του τύπου Clark pump. Το συνεχές ρεύμα από τα φωτοβολταϊκά μετατρέπεται σε εναλλασσόμενο μέσω δύο αντιστροφέων μεταβλητής συχνότητας οι οποίοι τροφοδοτούν απευθείας τους δύο κινητήρες του συστήματος. Τέλος το σύστημα είναι εξοπλισμένο με μία συσκευή ανίχνευσης σημείου μέγιστης ισχύος (MTTP). Μια ακόμα ενδιαφέρουσα έρευνα και πολύ πρωτοποριακή για τη προηγούμενη δεκαετία, όσον αφορά το συνδυασμό φωτοβολταικών με συστήματα αφαλάτωσης, ήταν αυτή του A.Collangelo(1999).Σε αυτή την έρευνα εξετάστηκαν θεωρητικά πέντε διαφορετικοί τρόποι συνδυασμού φωτοβολταίκών με συστήματα αντίστροφης όσμωσης. Τα αποτελέσματα αυτής της θεωρητικής μελέτης ήταν τα παρακάτω: Σύνδεση του συστήματος Φ/Β με μονάδα ΑΩ που λειτουργεί με εναλλασσόμενο ρεύμα. Οι απώλειες στην ενέργεια λόγω των συσσωρευτών και του αντιστροφέα σε αυτή τη περίπτωση είναι 15-30%. Σύνδεση του συστήματος Φ/Β με δύο παράλληλες μονάδες ΑΩ μέσω αντιστροφέα μεταβλητής συχνότητας. Το σύστημα αυτό χαρακτηρίστικαι ως μη πρακτικό. Σύνδεση του συστήματος Φ/Β με συσσωρευτές και έπειτα με τη μονάδα ΑΩ που λειτουργεί με συνεχές ρεύμα. Πρόκριται για ένα απλό συνδυασμό που προσφέρει συνεχής παροχή ενέργειας στο σύστημα ΑΩ αλλά παραμένει η απώλεια ενέργειας λόγω των συσσωρευτών. Σύνδεση του συστήματος Φ/Β απευθείας με τη μονάδα ΑΩ χωρίς συσσωρευτές. Αυτός ο συνδυασμός είναι απλός, αποφεύγεται η απώλεια ενέργειας λόγω των συσσωρευτών και μειώνεται το κόστος εγκατάστασης και λειτουργίας. Ωστόσο σε αυτή τη περίπτωση υπάρχει το μειονέκτημα των μη σταθερών συνθηκών λειτουργίας της μονάδας ΑΩ. Απευθείας σύνδεση του Φ/Β συστήματος με ένα κινητήρα συνεχούς ρεύματος και παράλληλα συστήματα ΑΩ. Εδώ έχουμε υψηλό ποσοστό χρήσης της διαθέσιμης ηλεκτρικής ενέργειας από το Φ/Β σύστημα(76% με δύο συστήματα ΑΩ και 92% με τρία). Παρόλα αυτά, το σύστημα έχει υψηλό αρχικό κόστος αγοράς κι εγκατάστασης καθώς και κόστος συντήρησης και λειτουργίας λόγω των δύο συστημάτων ΑΩ. 21

22 Εικόνα 1-8 Σχηματικό διάγραμμα μονάδας αντίστροφης όσμσωσης στην οποία έχει ενσωματωθεί επιφάνεια φωτοβολταικών (PV) [4] Συστήματα αφαλάτωσης και αιολική ενέργεια Οι ανεμογεννήτριες (ΑΓ), έχουν σαν σκοπό την αξιοποίηση της κινητικής ενέργειας του ανέμου και η κύρια εφαρμογή τους είναι η παραγωγή ηλεκτρική ενέργειας και η τροφοδοσία της στο κεντρικό ηλεκτρικό δίκτυο ή σε τοπολογία μικρο-δικτύων. Ο συνδυασμός συστημάτων αφαλάτωσης και ανεμογεννητριών είναι τεχνολογικά εφικτός. Οι ανεμογεννήτριες μπορούν να τροφοδοτούν με ηλεκτρική ενέργεια συστήματα αφαλάτωσης αντίστροφης όσμωσης και ηλεκτροδιάλυσης με την προϋπόθεση όμως να υπάρχει σύστημα αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας ώστε να αντιμετωπιστεί το πρόβλημα της χρονικής μεταβλητότητας της αιολικής ενέργειας. Βέβαια γίνονται προσπάθειες για την απευθείας σύνδεση των ανεμογεννητριών με συστήματα αφαλάτωσης καθώς και για το συνδυασμό ανεμογεννητριών με συστήματα αφαλάτωσης συμπίεσης ατμών (VC). Οι Miranda και Infield(2002) παρουσίασαν μια εργασία στην οποία εξέτασαν την απευθείας σύνδεση ανεμογεννήτριας ισχύος 2,2 kw με σύστημα αντίστροφης όσμωσης δυναμικότητας 3 m 3 /ημέρα. Τα αποτελέσματα της εργασίας έδειξαν πως το σύστημα επηρεάζεται σε πολύ μεγάλο βαθμό από τη μεταβολή της ταχύτητας του ανέμου και γι αυτό υπήρχε ένα ιδιαίτερα πολύπλοκο σύστημα διαχείρισης της ενέργειας. Στην Ισπανία και συγκεκριμένα στα Κανάρια νησιά εγκαταστάθηκε σύστημα αντίστροφης όσμωσης δυναμικότητας 200 m 3 /ημέρα συνδεδεμένο με ανεμογεννήτριες αλλά και διασυνδεδεμένο με το ηλεκτρικό δίκτυο(vassel, 1992). Αυτή η διασύνδεση με το ηλεκτρικό δίκτυο έλυσε το πρόβλημα της αστάθειας της ανεμογεννήτριας. Επίσης στην Ισπανία έχει εγκατασταθεί υβριδικό σύστημα με ανεμογεννήτρια 225 kw και γεννήτρια ντίζελ που τροφοδοτεί ένα σύστημα αντίστροφης όσμωσης δυναμικότητας 56 m 3 / ημέρα (Gonzales, 1993). 22

23 Ακόμη, οι ανεμογεννήτριες μπορούν να συνδυαστούν με συστήματα ηλεκτροδιάλυσης αλλά για αφαλάτωση μόνο υφάλμυρου νερού, όπως αναφέρει ο Vesa(2001). Τέλος, σύμφωνα με έρευνα των Platikow(1999) και Coutelle(1991) μπορεί να επιτευχθεί και ο συνδυασμός ανεμογεννητριών με συστήματα επανασυμπίεσης ατμών αφού εκτός της θερμικής ενέργειας χρειάζεται και ηλεκτρική στη λειτουργία τους Εγκαταστάσεις συστημάτων αφαλάτωσης με Φ/Β ή ΑΓ Εκτός απο τις εφαρμογές συνδυασμού συστημάτων αφαλάτωσης με Α/Γ και συνδυασμού συστημάτων αφαλάτωσης με Φ/Β που αναφέραμε στη παραπάνω βιβλιογραφία, στους παρακάτω πίνακες παρατίθενται κάποιες, κυρίως εμπορικές, εφαρμογές παγκόσμια. Συστήματα αφαλάτωσης με ανεμογεννήτριες Τόπος Νερό Εγκατεστημένη Δυναμικότητα Τεχνολογία Εγκατάστασης τροφοδοσίας ισχύς (kw) παραγωγής Γερμανία, Θαλασσινό 6 O,25-4 m 3 /h RO Suderoog Ελλάδα,Therasia Θαλασσινό 15 0,2 m 3 /h RO Ισπανία, Θαλασσινό 225 2,4 m 3 /h RO Fuernteventura Γαλλία, Pacific Υφάλμυρο 4 0,5 m 3 /h RO Islands Γαλλία, Drenec Θαλασσινό 10 - RO Island Γερμανία, Island of Helgoland Θαλασσινό 1,2 MW 40 m 3 /h RO Πίνακας 1-3 [5] Συστήματα αφαλάτωσης με φωτοβολταϊκά Τόπος εγκατάστασης Αίγυπτος, El- Ham rawein Ιταλία, Lampedusa Ισπανία, Almeria Ινδία, Rajasthan state Ιαπωνία, Nagasaki Νερό τροφοδοσίας Εγκατεστημένη ισχύς(kwp) Δυναμικότητα παραγωγής Τεχνολογία Υφάλμυρο 20 10m 3 /h RO Θαλασσινό m 3 /h RO Θαλασσινό 23,5 2,5m 3 /h RO Υφάλμυρο 0,45 0,04m 3 /h ED Υφάλμυρο 65 8m 3 /h ED Πίνακας 1-4 [5] 23

24 Συστήματα αφαλάτωσης με θερμική ηλιακή ενέργεια Μια μορφή αξιοποίησης της ηλιακής ενέργειας στην αφαλάτωση είναι οι ηλιακοί αποστακτήρες. Η ηλιακή απόσταξη είναι ο αρχαιότερος και απλούστερος τρόπος εφαρμογής και εκμετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας σε μεθόδους αφαλάτωσης. Αποτελεί τη πιο φυσική μέθοδο αφαλάτωσης, καθώς μπορούμε να τη πραγματοποιήσουμε κάνοντας χρήση βασικών αρχών και διεργασιών, όπως η εξάτμιση νερού και η συμπύκνωση υδρατμών, που συμβαίνουν καθημερινά στο περιβάλλον. Η αρχή λειτουργίας είναι απλή. Μια ποσότητα νερού που περιέχεται σε μια μαύρη επιφάνεια και που βρίσκεται εντός ενός στεγανού θαλάμου, θερμαίνεται από την ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει σε αυτή, αφού πρώτα περάσει το διαφανές κάλυμμα, το οποίο σκεπάζει υπό κλίση τον στεγανό θάλαμο. Το νερό λόγω της αύξησης της θερμοκρασίας του από την ηλιακή ακτινοβολία εξατμίζεται και οι ατμοί ανέρχονται από την επιφάνεια του νερού και κατευθύνονται προς την εσωτερική πλευρά του καλύμματος. Εκεί, λόγω της διαφοράς θερμοκρασίας συμπυκνώνονται σε αφαλατωμένο νερό, το οποίο λόγω της κλίσης του καλύμματος ρέει και συλλέγεται σε κατάλληλα αυλάκια. Η βιβλιογραφία που περιγράφει θεωρητικά αλλά και πειραματικά τη λειτουργία των ηλιακών αποστακτήρων είναι πολύ μεγάλη όπως αναφέρουν οι Bradan and Al-Tahaineh (2005), Mandhlopa and Johnstone(2009), Mamlook and Aiman Eid Al-Rawajfeh (2008), Voropoulos, Mathioulakis and Belessiotis(2001). Τα συστήματα που μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια σε θερμική περιλαμβάνουν: Ηλιακές λίμνες που παράγουν ζεστό νερό έως 90 βαθμών κελσίου με την απόδοση τους να μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Τους επίπεδους ηλιακούς συλλέκτες που θερμαίνουν νερό έως και 95 βαθμούς κελσίου. Οι συγκεντρωτικοί συλλέκτες οι οποίοι συλλέγουν την ηλιακή ακτινοβολία και την εστιάζουν σε ένα κεντρικό σωλήνα που κυκλοφορεί το θερμαινόμενο ρευστό είτε σε ένα κεντρικό λέβητα Υβριδικά συστήματα Α.Π.Ε για αφαλάτωση Έρευνες έδειξαν πως ο συνδυασμός φ/β ή ΑΓ με το κεντρικό ηλεκτρικό δίκτυο είτε με γεννήτρια ντίζελ καθώς και ο συνδυασμός φ/β και ΑΓ μεταξύ τους αλλά και με συμβατικές πηγές ενέργειας μπορεί να δώσει σημαντικές λύσεις στο πρόβλημα της ενεργειακής τροφοδοσίας συστημάτων αφαλάτωσης. Με αυτό τον τρόπο αντιμετωπίζεται το πρόβλημα της μη συνεχής παροχής ενέργειας από τις Α.Π.Ε πολύ αποτελεσματικά. Επίσης έρευνες έδειξαν πως η ολική οικονομική σύγκριση του κόστους εγκατάστασης και λειτουργίας ενός υβριδικού σε αντίστοιχο με το καθαρά φωτοβολταϊκό σύστημα είναι υπέρ του υβριδικού. 24

25 Χαρακτηριστικό παράδειγμα συνδυασμού συστήματος αντίστροφης όσμωσης και υβριδικού συστήματος το οποίο αποτελείται από φ/β και ανεμογεννήτρια είναι η διάταξη που εγκαταστάθηκε στο Λαύριο από το κέντρο ανανεώσιμων πηγών ενέργειας το Πρόκειται για ένα υπό λειτουργία σύστημα αφαλάτωσης αντίστροφης όσμωσης δυναμικότητας 3,1 m 3 /day, το οποίο λαμβάνει ισχύ από υβριδικό σύστημα Α/Γ ισχύος 900 W και Φ/Β ισχύος 3.96 kw. Επίσης το σύστημα αυτό διαθέτει μια τράπεζα μπαταριών 1800 Ah/100 h και δύο μετατροπείς με 1,5 και 4 kw ονομαστική δύναμη (Tzen E. and D. Theofilloyianakos, Z. Kologios, 2007). Επίσης σε αυτή τη κατηγορία ανήκει και η Υδριάδα, η πρώτη παγκοσμίως πλωτή μονάδα αφαλάτωσης, τροφοδοτούμενη αποκλειστικά από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, η οποία σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε εξ ολοκλήρου στην Ελλάδα. Έχει τεθεί σε λειτουργία από το καλοκαίρι του 2007, στο νησί της Ηρακλειάς. Η υλοποίηση του έργου διήρκησε 4 χρόνια και κόστισε περί τα Τα βασικά μέρη της Yδριάδας είναι τα εξής: ενσωματωμένη ανεμογεννήτρια για την παραγωγή της απαιτούμενης ενέργειας αφαλάτωσης του θαλασσίου ύδατος. Πρόκειται για ανεμογεννήτρια, με ρυθμιζόμενη γωνία πτερυγίων, μεταβλητής ταχύτητας περιστροφής και δυνατότητα αυτόνομης λειτουργίας. η μονάδα είναι εφοδιασμένη και με φωτοβολταϊκά στοιχεία, για επικουρική αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας, αν αυτό χρειαστεί. Στους τρεις ορόφους του πλωτήρα, είναι εγκατεστημένα η μονάδα αφαλάτωσης ώσμωσης, το κέντρο ελέγχου του συστήματος, για τοπική και απομακρυσμένη λειτουργία, και η δεξαμενή αποθήκευσης του πόσιμου νερού. Η συγκεκριμένη μονάδα μπορεί να αποδώσει περίπου 70 m 3 /day πόσιμο νερό, αρκετό για 300 άτομα.(νικητάκος 2008). Εικόνα 1-9 Φωτογραφία της πλωτής μονάδας Υδριάδα [6] 25

26 Συστήματα αφαλάτωσης και γεωθερμία Γεωθερμική ενέργεια, είναι η θερμική ενέργεια που προέρχεται από το εσωτερικό της Γης, σχετίζεται με τη μεταβολή της θερμοκρασίας ανάλογα με το βάθος από την επιφάνεια της Γης και εμπεριέχεται σε φυσικούς ατμούς, σε επιφανειακά ή υπόγεια θερμά νερά και σε θερμά ξηρά πετρώματα. Δεν συνδέεται άμεσα ή έμμεσα με την ηλιακή ακτινοβολία και η συνολική ισχύς της γεωθερμικής ενέργειας υπολογίζεται σε 3*10 12 W. Η μέση τιμή της γεωθερμικής θερμοβαθμίδας είναι 3,3 Κ/100m, δηλαδή έχουμε αύξηση της θερμοκρασίας κατά 3,3 Κ καθώς προσχωρούμε στο εσωτερικό της γης κατά 100m. Υπολογίζεται ότι η γεωθερμική ενέργεια που είναι αποθηκευμένη σε νερό ή ατμό, μέχρι βάθος 10km και μπορεί να δώσει ατμό θερμοκρασίας μεγαλύτερης των C είναι της τάξεως των J. Η γεωθερμική ενέργεια συνδέεται άμεσα με τις μονάδες αφαλάτωσης με τρεις διαφορετικούς τρόπους ανάλογα με το τύπο της πηγής όπως αναφέρεται στην έρευνα των Bougouecha and Dhahbi (2003) : Εάν οι γεωθερμικές πηγές περιέχουν στη μεγαλύτερη τους αναλογία ατμό υπό πίεση, ο ατμός συμπυκνώνεται, παράγοντας κατευθείαν αφαλατωμένο συμπύκνωμα. Όταν η πηγή εκλύει μίγμα νερού και ατμού τότε αρχικά εκτονώνεται κατάλληλα για τη παραγωγή από τη μία ατμού, που διοχετεύεται σε ατμοστρόβιλο και από την άλλη θερμής άλμης που τροφοδοτείται στον εξατμιστήρα της αφαλάτωσης. Γεωθερμικά μίγματα όπου το υγρό βρίσκεται σε πολύ μεγαλύτερη αναλογία από τον ατμό χρησιμοποιούνται σε εξατμιστήρες πολλαπλών βαθμίδων ή πολλαπλών εκτονώσεων ανάλογα με την ενθαλπία της άλμης Συστήματα αφαλάτωσης και βιομάζα Με τον όρο βιομάζα ορίζεται η ύλη που έχει βιολογική (οργανική) προέλευση. Πρακτικά στον όρο αυτό εμπεριέχεται οποιοδήποτε υλικό προέρχεται άμεσα ή έμμεσα από το φυτικό κόσμο. Γενικά η βιομάζα δεν αποτελεί ουσιαστική πηγή ενέργειας για την αφαλάτωση επειδή η ίδια η βιομάζα χρειάζεται νερό για τη παραγωγή της. Ωστόσο έχουν γίνει διάφορες έρευνες και μελέτες όπως η μελέτη για τη πόλη του Σαν Ντιέγκο στη Καλιφόρνια η οποία υπολόγιζε πως από τη καύση των σκουπιδιών της πόλης θα υπήρχε παραγωγή ατμού χαμηλού κόστους και χαμηλού μεν θερμικού περιεχομένου αρκετά όμως υψηλού για τη παραγωγή m 3 /ημέρα αφαλατωμένου νερού με κόστος 0,1 ευρώ/m 3. Παρά τις μελέτες βέβαια για μεγάλες εγκαταστάσεις, πρακτικές εφαρμογές έχουν βρει μόνο μικρές εγκαταστάσεις τοπικού ενδιαφέροντος με πολύ μικρές παροχές. 26

27 Συστήματα αφαλάτωσης και ενέργεια ωκεανών Αυτή η ενέργεια είναι αποτέλεσμα της διαφοράς θερμοκρασίας των επιφανειακών στρωμάτων των ωκεανών(θερμότερα) με τα παρακάτω στρώματα(ψυχρότερα). Η διαφορά αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να κινήσει κατάλληλους στροβίλους και να δώσει ηλεκτρική ενέργεια. Επίσης τα θερμά ύδατα μπορούν να βράσουν σ ένα θάλαμο υπό κενό και στη συνέχεια να συμπυκνωθούν εξαιτίας των κρύων υδάτων. Γενικά πάντως η εκμετάλλευση αυτής της μορφής ενέργειας είναι πολύ ακριβή γεγονός που αποτρέπει τη χρήση της στις διαδικασίες αφαλάτωσης. Μια άλλη μορφή ενέργειας από τους ωκεανούς είναι η κινητική ενέργεια από τα κύματα των παλιρροιακών φαινομένων και η εκμετάλλευση της για τη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας που θα τροφοδοτήσει συστήματα αντίστροφης όσμωσης όπως παρουσιάζεται στην μελέτη του Sharmila, Purnima Jalihal, A.K. Swamy and M. Ravindran (2003). 1.6 Συμπεράσματα Η βιβλιογραφική ανασκόπηση μας οδήγησε στα παρακάτω συμπεράσματα: Το ενεργειακό κόστος των μονάδων αφαλάτωσης είναι σημαντικότατη παράμετρος για την οικονομική βιωσιμότητα οποιασδήποτε μονάδας αφαλάτωσης, αφού μπορεί να ανέλθει μέχρι και στο 60% του συνολικού κόστους του αφαλατωμένου νερού. Παρά το γεγονός πως ο συνδυασμός ΑΠΕ και αφαλάτωσης είναι τεχνολογικά εφικτός και θεωρητικά μπορεί να αποτελέσει μια οικονομικά δεκτή λύση, πρακτικά οι εγκαταστάσεις αυτής της κατηγορίας είναι αρκετά περιορισμένες και έχει εφαρμοστεί σε μικρής δυναμικότητας εγκαταστάσεις. Οι μέχρι τώρα μελέτες έχουν δείξει πως, τα συγκριτικά αποτελέσματα των συστημάτων αφαλάτωσης που υποστηρίζονται ενεργειακά από τις Α.Π.Ε γίνονται εμφανέστερα για εγκαταστάσεις μικρής δυναμικότητας. Επίσης, η αναγκαιότητα του συνδυασμού ΑΠΕ και αφαλάτωσης γίνεται ακόμα περισσότερο επιτακτική για περιοχές όπου απουσιάζουν συμβατικά ενεργειακά δίκτυα. Όσον αφορά τη καταλληλότητα των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας για την εφαρμογή τους σαν πηγή ενεργειακής τροφοδοσίας σε συστήματα αφαλάτωσης η βιομάζα και η ενέργεια των ωκεανών (μέχρι ώρας τουλάχιστον) δε συνιστώνται, καθώς ο συνδυασμός αυτών των ΑΠΕ με μεθόδους αφαλάτωσης δεν αποτελούν βιώσιμη λύση. Τα Φ/Β όπως έχουνε δείξει οι μελέτες είναι καταλληλότερα για συστήματα αντίστροφης όσμωσης μικρής δυναμικότητας ενώ για συστήματα ΑΩ μεγαλύτερης δυναμικότητας συνίσταται ο συνδυασμός τους με ανεμογεννήτριες. Φυσικά πολύ σημαντικό ρόλο σε αυτή την επιλογή παίζει και το υφιστάμενο ηλιακό ή αιολικό δυναμικό. Τέλος ο κατάλληλος συνδυασμός Φ/Β και ανεμογεννητριών μπορεί να τροφοδοτήσει ενεργειακά ένα σύστημα ΑΩ με πολύ αισιόδοξα αποτελέσματα. 27

28 Η μελέτη οικονομοτεχνικών όρων εκμετάλευσης μικρών αυτόνομων συστημάτων αντίστροφης όσμωσης, τα οποία τροφοδοτούνται ενεργειακά απο Α.Π.Ε, καθώς και η μελέτη της λειτουργίας τους παρουσίαζει μεγάλο ενδιαφέρον. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι να αποσαφηνιστεί αν ένα τέτοιο σύστημα μπορεί αποτελέσει μια οικονομικά αλλά και τεχνικά βιώσιμη λύση στο πρόβλημα της έλλειψης πόσιμου νερού, ειδικά σε περιοχές όπου οι συμβατικές πηγές ενέργειας είτε απουσιάζουν είτε είναι διαθέσιμες σε μεγάλο κόστος. 28

29 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΗΣ ΟΣΜΩΣΗΣ 29

30 2.1 Εισαγωγή Όπως είδαμε και στο προηγούμενο κεφάλαιο η αντίστροφη όσμωση είναι η πιο διαδεδομένη μέθοδος αφαλάτωσης και στηρίζεται στη χρήση μεμβρανών. Ποσοστιαία αποτελεί το 62% των μεθόδων αφαλάτωσης και το 88% των μεθόδων που χρησιμοποιούν μεμβράνες. Αρχισε να εφαρμόζεται γύρω στο 1960 για τη παραγωγή πόσιμου νερού απο υφάλμυρα ύδατα και το 1970, έπειτα απο τη βελτίωση των ημιπερατών μεμβρανών, άρχισε η εφαρμογή της στη βιομηχανία για την αφαλάτωση θαλασσινού νερού. Όσον αφορά την ένταξη των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στις μεθόδους αφαλάτωσης ο συνδυασμός φωτοβολταικών και συστημάτων αντίστροφης όσμωσης είναι ο πιο διαδεδομένος αφού αποτελεί το 43% όλων των συνδυασμών Α.Π.Ε και μεθόδων αφαλάτωσης. Σε αυτό το κεφάλαιο θα περιγράψουμε την αρχή λειτουργίας της αντίστροφης όσμωσης και θα παρουσιάσουμε τα υποστήματα που χρησιμοποιούνται σε μια μονάδα αντίστροφης όσμωσης. Έπειτα θα αναφέρουμε τα ποσοτικά χαρακτηριστικά της αντίστροφης όσμωσης καθώς και τις εξισώσεις μάζας που συναντάμε σε αυτή τη διαδικασία. Στη συνέχεια θα αναλύσουμε τις παραμέτρους που επηρεάζουν τη λειτουργία των μεμβρανών όπως η θερμοκρασία, η πίεση λειτουργίας, η συγκέντρωση αλάτων του νερού τροφοδοσίας, η ανάκτηση του αφαλατωμένου νερού και ο βαθμός ph. Τέλος θα αναφερθούμε στις ενεργειακές απαιτήσεις μονάδων Α.Ω μικρής και μεγάλης κλίμακας. 2.2 Αρχή λειτουργίας αντίστροφης όσμωσης. Η αρχή λειτουργίας της μεθόδου στηρίζεται σε αντιστροφή του φυσικού φαινομένου της όσμωσης. Φυσιολογικά,όταν δυο υγρά με διαφορετική πυκνότητα (περιεκτικότητα σε άλατα) έρθουν σε επαφή, τότε το υγρό με την μικρότερη πυκνότητα, μετατοπίζεται προς το υγρό με την υψηλότερη πυκνότητα, μέχρι να υπάρξει ισορροπία (το όλο μείγμα να αποκτήσει την ίδια πυκνότητα). Αυτή η ιδιότητα ονομάζεται διάχυση. Όταν όμως μεταξύ των δυο υγρών παρεμβληθεί μια ημιπερατή μεμβράνη, τότε εμποδίζεται η διέλευση των αλάτων, αλλά όχι και του νερού(διαλύτης) που διέρχεται ελεύθερα στο αλατούχο διάλυμα. Η οσμωτική ροή από το αραιότερο προς το πυκνότερο υγρό συνεχίζεται, μέχρι να επιτευχθεί μια κατάσταση ισορροπίας, η οποία χαρακτηρίζεται από την υψηλότερη στάθμη του αλατούχου διαλύματος (η διαφορά της στάθμης των διαλυμάτων αντιστοιχεί στην οσμωτική πίεση). Η ιδιότητα αυτή ονομάζεται όσμωση. Αν όμως ασκηθεί πίεση στο αλατούχο διάλυμα, υψηλότερη της οσμωτικής, τότε η ροή αντιστρέφεται και έχουμε έξοδο καθαρού νερού από το αλατούχο διάλυμα προς το διαλύτη. Αυτό ονομάζεται Αντίστροφη Ώσμωση. 30

31 Εικόνα 2-1 Σχηματική αναπαράσταση όσμωσης και αντίστροφης όσμωση [1] Στις σύγχρονες εφαρμογές αφαλάτωσης η διαδικασία της Αντίστροφης Όσμωσης είναι αυτοματοποιημένη με μία αντλία υψηλής πίεσης να διοχετεύει συνεχώς θαλασσινό νερό σε μεμβράνες που βρίσκονται μέσα σε ένα δοχείο υψηλής πίεσης (high pressure vessel). Το διάλυμα τροφοδοσίας (feed water) διαχωρίζεται στο διήθημα(καθαρό νερό, 30-40% του νερού εισόδου) που διέρχεται από τις μεμβράνες (permeate water) και στο απορριπτόμενο διάλυμα υψηλής συγκέντρωσης αλάτων, την άλμη ή αλμόλοιπο (brine). Το απορριπτόμενο διάλυμα είναι το 60-70% του νερού τροφοδοσίας και εκεί παραμένει το 99,8 % των αλάτων του διηθήματος. Το διήθημα είναι νερό εξαιρετικά χαμηλής περιεκτικότητας σε άλατα κατάλληλο για ύδρευση, άρδευση και τις περισσότερες βιομηχανικές χρήσεις. 2.3 Υποσυστήματα αντίστροφης ώσμωσης Μία μονάδα αντίστροφης ώσμωσης αποτελείται απο τα παρακάτω υποσυστήματα: Το σύστημα προ-επεξεργασίας Το κυρίως σύστημα αφαλάτωσης Το σύστημα μετ-επεξεργασίας 31

32 Εικόνα 2-2 Διάγραμμα μονάδας διεργασίας αντίστροφης όσμωσης [2] Σύστημα προ-επεξεργασίας Η προ-επεξεργασία του νερού τροφοδοσίας είναι απαραίτητητη για να διατηρηθεί η αποδοτικότητα και η διάρκεια ζωής ενός συστήματος αντίστροφης όσμωσης. Η σωστή προεπεξεργασία βοηθάει στη σωστή λειτουργία των μεμβρανών διότι μειώνει τη μόλυνση και την αποικοδόμηση τους καθώς και τις επικαθίσεις αλάτων. Έτσι μεγιστοποιείται η αποδοτικότητα του συστήματος. Το σύστημα προ-επεξεργασίας περιλαμβάνει τα εξής στάδια: 32

33 Χλωρίωση: Το νερό τροφοδοσίας χλωριώνεται είτε με αέριο χλώριο είτε με υπο-χλωριώδες νάτριο (συχνότερα) είτε με υπο-χλωριώδες ασβέστιο (λιγότερο συχνά). Η χλωρίωση γίνεται με δοσομετρικές αντλίες συνεχώς ώστε στο νερό προς αφαλάτωση η συγκέντρωση σε ενεργό χλώριο να είναι μέχρι 10 ppm. Η χλωρίωση είναι απαραίτητη για την πρόληψη δημιουργίας επιστρώματος μόλυνσης, οργανικής κυρίως προέλευσης. Θρόμβωση-Κροκίδωση: Τα αιωρούμενα στερεά του νερού τροφοδοσίας διέρχονται απο δύο είδη φίλτρων. Τα φίλτρα άμμου και τα φίλτρα φυσιγγίων. Τα φίλτρα άμμου περιλαμβάνουν στρώσεις απο αδρανή υλικά διαφορετικού μεγέθους και τα φίλτρα φυσιγγίων συγκρατούν όλα τα αιωρούμενα στερεά σωμάτια μεγέθους μεγαλύτερου των 1-5 μm. Πολυστρωμικά φίλτρα: Τα πολυστρωμικά φίλτρα περιέχουν αδρανή υλικά σε στρώματα και λειτουργούν σαν φίλτρα. Περιλαμβάνουν στρώσεις διαφόρων μεγεθών απο το πυθμένα προς πάνω, χαλαζιακά μικρά χαλίκια, αδρανή πυρριτική άμμο και ανθρακίτη. Η πυκνότητα αυτών των υλικών είναι τέτοια ώστε να διατηρείται η διαστρωμάτωση τους ακόμα και σε ισχυρές αναδεύσεις λόγω της μεγάλης ταχύτητας του διερχόμενου θαλασσινού νερού. Ο καθαρισμός του νερού επιτυγχάνεται με τους εξής τρόπους, 1) Με τη μη δυνατότητα των αιωρούμενων σωματιδίων να διαπεράσουν το ανώτατο στρώμα λόγω μεγέθους και 2) Με τη καθίζηση τους λόγω βάρους στα κατώτερα στρώματα. Να σημειωθεί πως τα φίλτρα περιλαμβάνουν κατάλληλες σωληνώσεις και βάνες ώστε να είναι δυνατή η έκπλυση τους. Εικόνα 2.3 Πολυστρωμικά φίλτρα [2] 33

34 Αποχλωρίωση: Το υπολειπόμενο χλώριο που έχει χρησιμοποιηθεί είναι καταστροφικό για τις μεμβράνες, έτσι πρέπει να υπάρχει ένας τρόπος αποχλωρίωσης. Με δοσομετρική αντλία τροφοδοτούμε το νερό με αναγωγικά μέσα κατάλληλης δοσολογίας ώστε να μη παραμείνει χλώριο στο διάλυμα. Η αποχλωρίωση γίνεται με φίλτρα ενεργού άνθρακα τα οποία επίσης συγκρατούν την αιωρούμενη οργανική ύλη και τις χλωραμίνες. Ρύθμιση ph: Η μείωση του ph είναι απαραίτητη ώστε να αποφευχθεί η επικάθηση αλάτων. Η μείωση αυτή επιτυγχάνεται με τη χρησιμοποίηση οξέων (συνήθως το υδροχλωρικό και το θειικό οξύ). Η δοσολογία τους καθορίζεται απο τη σύσταση του κατεργαζόμενου νερού. Προσθήκη αντικαθαλωτικού: Η παρεμπόδιση των επικαθήσεων αλάτων μπορεί να επιτευχθεί και με τη προσθήκη ειδικών αντικαθαλωτικών ουσιών. Η δράση τους οφείλεται στο ότι προσροφούνται επιφανειακά στο αρχικό στάδιο σχηματισμού των αλατών, με αποτέλεσμα να μην επιτρέπουν την ανάπτυξη κρυστάλλων άρα και το σχηματισμό επικαθήσεων αλάτων. Φίλτρο φυσιγγίων: Για την ολοκλήρωση της προεπεξεργασίας, το νερό τροφοδοσίας διέρχεται απο τα φίλτρα φυσιγγίων. Ο αριθμός αλλα και οι διαστάσεις τους εξαρτώνται απο τη παροχή της θάλασσας. Γενικά χρησιμοποιόυνται φίλτρα απο πολυμερές υλικό. Να τονίσουμε πως το δοχείο στο οποίο τοποθετούνται τα φίλτρα πρέπει να είναι απο ανοξείδωτο υλικό ή κατάλληλο πολυμερές ή χάλυβα επενδεδυμένο εσωτερικά με κατάλληλη επίστρωση ανθεκτική στη διάβρωση Το κυρίως σύστημα αφαλάτωσης Το κυρίως σύστημα αφαλάτωσης αποτελείται απο τα παρακάτω τμήματα: Αντλία χαμηλής πίεσης ή τροφοδοσίας: Η αντλία χαμηλής πίεσης έιναι συνήθως φυγόκεντρη ή περιστροφική αντλία κατάλληλης ισχύος που τροφοδοτεί τα φίλτρα και την αντλία υψηλής πίεσης. Συνήθως εγκαθίστανται δύο αντλίες χαμηλής πίεσης, μία σε λειτουργία και μία εφεδρική. Είναι κατασκευασμένη απο ανθεκτικό υλικό στη διάβρωση και λαμβάνει το νερό τρροφοδοσίας απευθείας απο τη πηγή τροφοδοσίας ή απο τη δεξαμενή εξισορρόπησης. Αντλία υψηλής πίεσης: Πρόκειται για αντλία με τρία ή περισσότερα έμβολα κατασκευασμένα απο ανοξείδωτο χάλυβα και ειδικό κεραμικό υλικό για μείωση του βάρους της. Το νερό τροφοδοσίας εξερχόμενο απο την αντλία υψηλής πίεσης διοχετεύεται στα στοιχεία αντίστροφης όσμωσης που βρίσκονται στα δοχεία πίεσης. Στοιχεία αντίστροφης ώσμωσης: Αποτελούνται απο ειδικά δοχεία πίεσης εντός των οποίων τοποθετούνται σε σειρά 1-7 στοιχεία μεμβρανών. Δηλαδή μιλάμε για μεμβρανοθήκη και στοιχεία μεμβρανών. Ο έλεγχος της ποιότητας παραγωγής κάθε μεμβράνης γίνεται με ειδικό σωλήνα που τοποθετείται εσωτερικά των μεμβρανών στο σωλήνα παραγόμενου νερού. Κάθε σύστημα αφαλάτωσης μπορεί να περιλαμβάνει ένα ή περισσότερα στοιχεία αντίστροφης ώσμωσης διατεταγμένα παράλληλα σχηματίζοντας μια ή περισσότερες συστοιχίες. Το νερό τροφοδοσίας εισέρχεται σε κάθε στοιχέιο αντίστροφης όσμωσης απο το ένα άκρο και το παραγόμενο νερό και η άλμη εξέρχονται απο το άλλο. Η άλμη μπορεί να 34

35 ανακυκλώνεται ή να έχουμε δεύτερο πέρασμα σε άλλη συστοιχία μεμβρανών. Η πίεση λειτουργίας μπορεί να καθορίζεται με ειδική βάνα η οποία τοποθετείται στην έξοδο της γραμμής της άλμης. Οι μεμβράνες αντίστροφης ώσμωσης είναι το σημαντικότερο τμήμα μιας μονάδας αφαλάτωσης αυτού του τύπου μιας και εκεί γίνεται η διαδικασία της αφαλάτωσης. Όλα τα άλλα υποσυστήματα έχουν σαν σκοπό οι μεμβράνες να λειτουργούν σε βέλτιστες συνθήκες πίεσης, αλμυρότητας και ροής. Εικόνα 2-4 Σύστημα αφαλάτωσης με ένα στοιχείο αντίστροφης όσμωσης [2] Εικόνα 2-5 Απλό και διπλό πέρασμα σύστημα αφαλάτωσης [2] 35

36 Οι μεμβράνες αποτελούνται από δύο διακεκριμένες στοιβάδες, τον υμένα (skin), που είναι το δραστικό τμήμα της μεμβράνης για τον διαχωρισμό του νερού από τα διαλυμένα ή αιωρούμενα συστατικά και από ένα λεπτό στρώμα πορώδους υλικού το οποίο είναι περατό τόσο από το νερό όσο και από τα υπόλοιπα συστατικά που περιέχονται σε αυτό. Kατασκευάζονται από οργανικές πολυμερείς ενώσεις και είναι τόσο λεπτές και εύθραυστες, ώστε απαιτείται η μορφοποίηση τους(με την βοήθεια διαφόρων στηριγμάτων), σε μονάδες οι οποίες ονομάζονται στοιχεία μεμβρανών (modules). Οι τέσσερις βασικοί τύποι στοιχείων είναι τα στοιχεία μεμβρανών ελικοειδούς περιέλιξης (spiral wound module), τα στοιχεία κοίλων ινών (hollow fiber module), τα σωληνοειδή στοιχεία (tubular module) και τα δισκοειδή στοιχεία (Platte and frame modules) με τους δύο πρώτους τύπους να έχουν ευρύτατη εφαρμογή στην αφαλάτωση. Μεταξύ των μεμβρανών υπάρχει ένα διαχωριστής από πορώδες υλικό(συνήθως πλέγμα Pet-Dacron εμποτισμένο με ρητίνες), το οποίο εμποδίζει την ένωση τους (λόγω της υψηλής πίεσης) και διευκολύνει την ομοιόμορφη ροή του καθαρού νερού μεταξύ των μεμβρανών. Οι δύο άκρες των μεμβρανών του ανοικτού τμήματος προσκολλώνται σε ένα κεντρικό διάτρητο σωλήνα από όπου απομακρύνεται το καθαρό νερό(διήθημα). Όσον αφορά τις μονάδες αντίστροφης ώσμωσης στις βιομηχανικές χρήσεις, στον κεντρικό διάτρητο σωλήνα τυλίγονται σε μορφή κυλίνδρου 26 φάκελοι μεμβρανών με διαχωριστές (σάντουιτς) που χωρίζονται μεταξύ τους από τα πλαστικά πλέγματα διαχωρισμού των καναλιών τροφοδοσίας της άλμης. Τα στοιχεία αυτά των μεμβρανών έχουν συνήθως μήκος 30.5 έως 152 cm με διάμετρο 5.1 έως 30.5 cm. Δύο έως και έξι στοιχεία μεμβρανών τοποθετούνται εν σειρά σε ένα κυλινδρικό σωλήνα πίεσης, από ειδικό πλαστικό ή μέταλλο σχηματίζοντας ένα στοιχείο αντίστροφης ώσμωσης με συνηθέστερο μήκος 6.1 m (240 inch). Εικόνα 2-6 Δομή στοιχείου μεμβρανών αντίστροφης όσμωσης [3] 36

37 Τα δοχεία πίεσης αντέχουν σε υψηλές πιέσεις εφόσον το προς αφαλάτωση νερό είναι θαλασσινό και έιναι κατασκευασμένα έτσι ώστε να είναι δυνατή η συναρμολόγηση τους χωρίς να υπάρχουν διαρροές θαλασσινού ή παραγόμενου νερού στο περιβάλλον Το σύστημα μετ-επεξεργασίας Το παραγόμενο νερό απο τη διαδικασία της αφαλάτωσης παρουσιάζει γενικά μικρή σκληρότητα και χαμηλό ph. Γι αυτό το λόγο η επεξεργασία του αφαλατωμένου νερού, ώστε να είναι κατάλληλο για οικιακή χρήση ή για πόση, είναι απαραίτητη. Πραγματοποιείται λοιπόν βελτίωση των χαρακτηριστικών του νερού (διόρθωση οξύτητας, αύξηση σκληρότητας) με τη χρήση χημικών σε δεξαμενή και στη συνέχεια αποστέλλεται στο δίκτυο ύδρευσης ή αποθηκεύεται. Συγκεκριμένα σε αυτό το στάδιο λαμβάνουν χώρα οι εξής διαδικασίες: Ρύθμιση ph: Το ph αυξάνεται είτε με τη προσθήκη υδροξειδίου του νατρίου είτε με τη προσθήκη όξινου ανθρακικού νατρίου. Η δοσολογία ρυθμίζεται ανάλογα με το ph του παραγόμενου νερού και την επιθυμητή τιμή. Επίσης προστίθεται αντιδιαβρωτικό, όπως είναι διάφορες πολυφωσφωρικές ενώσεις με σκοπό να μειωθούν οι διαβρωτικές ιδιότητες του αφαλατωμένου νερού. Ρύθμιση σκληρότητας: Η αύξηση της σκληρότητας γίνεται με δύο τρόπους. Πρώτον με τη προσθήκη, μέσω δοσομετρικής αντλίας, CaCl 2 και MgCl 2 και δεύτερον με τη διαβίβαση του νερού μέσα απο ειδικές στήλες που περιέχουν άλατα μαγνησίου και ασβεστίου. Ο δεύτερος τρόπος είναι ο πλεόν ενδεδειγμένος διότι έτσι δεν αυξάνεται η συγκέντρωση των ιόντων χλωρίου. Χλωρίωση: Η χλωρίωση του νερού γίνεται με διάλυμα υποχλωριώδους νατρίου. Το χλώριο στο πόσιμο νερό δε πρέπει να υπερβαίνει τα 0,2 ppm. Εικόνα 2-7 Διάγραμμα ροής της αντίστροφης όσμωσης [1] 37

38 Εικόνα 2-8 Τρισδιάστατη απεικόνιση μίας μικρής μονάδας αφαλάτωσης [1] 2.4 ΠΟΣΟΤΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΗΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΗΣ ΩΣΜΩΣΗΣ Υπολογισμός οσμωτικής πίεσης Η οσμωτική πίεση ενός διαλύματος είναι φυσική ιδιότητα του διαλύματος και δεν εξαρτάται από την εκάστοτε μεμβράνη, παρά μόνο απ τη θερμοκρασία του και τη συγκέντρωση των διαλυμένων σ αυτό στερεών. Ο τύπος που παρέχει την οσμωτική πίεση ενός διαλύματος είναι o τύπος του van t Hoff: Όπου π είναι η οσμωτική πίεση (kpa),t είναι η θερμοκρασία (K), R είναι η παγκόσμια σταθερά των αερίων ίση με 8,314 kpa m3/kgmol K ή 0,082 lt bar/mol K και Σχi είναι η συγκέντρωση όλων των συστατικών στο διάλυμα (kgmol/m 3 ). Η πίεση λειτουργίας μιας εγκατάστασης αντίστροφης όσμωσης καλείται να υπερνικήσει: την οσμωτική πίεση, τις απώλειες τριβών, την αντίσταση των μεμβρανών και την πίεση εκροής του προϊόντος νερού. Αν η πίεση λειτουργίας είναι ίση ή λίγο μεγαλύτερη απ το άθροισμα των αντιστάσεων αυτών, τότε η ροή διαμέσου της μεμβράνης θα είναι ελάχιστη ή μηδενική, άρα πρέπει να είναι αρκετά μεγαλύτερη απ την οριακή αυτή τιμή, ώστε η διεργασία να είναι οικονομικά αξιοποιήσιμη. (1) 38

39 2.4.2 Απόρριψη του άλατος Η απόρριψη του άλατος (Salt Rejection) ορίζεται ως: X p SR ( 1 ) 100 (2) X f Όπου X f η συγκέντρωση του νερού τροφοδοσίας (feed), Xp η συγκέντρωση του προϊόντος (permeate). Για παράδειγμα, αν το νερό τροφοδοσίας είναι θαλασσινό συγκέντρωσης ppm και το προϊόν έχει αλατότητα 150 ppm, η απόρριψη του άλατος θα είναι: SR = 100% (1 150 / ) = 99,64 % Αν το νερό τροφοδοσίας είναι υφάλμυρο με αλατότητα ppm και το προϊόν 150 ppm, η απόρριψη του άλατος θα είναι: SR = 100% (1 150 / 5.000) = 97 % Η υπάρχουσα τεχνολογία των μεμβρανών σήμερα μας παρέχει τιμές του SR μεγαλύτερες το 99 % τόσο για θαλασσινό όσο και για υφάλμυρο νερό. Να σημειωθεί ότι στις δυο αυτές περιπτώσεις οι μεμβράνες που χρησιμοποιούνται είναι διαφορετικές, επειδή αλλάζουν σημαντικά οι απαιτήσεις, όπως είδαμε στο πιο πάνω παράδειγμα Ανάκτηση προϊόντος Η ανάκτηση (recovery) ή λογος μετατροπής του τροφοδοτικού νερού σε προϊόν ορίζεται ως: M p Y ( ) 100% (3) M f Όπου Y το ποσοστό ανάκτησης (%), M f η παροχή του τροφοδοτικού νερού,mp η παροχή του προϊόντος. Η τιμή του Y επηρεάζει την παροχή του προϊόντος και τη ροή του άλατος διαμέσου της μεμβράνης. Όσο το ποσοστό ανάκτησης μεγαλώνει, τόσο η συγκέντρωση του άλατος στη μεμβράνη, από την πλευρά της τροφοδοσίας, αυξάνει και έχει ως συνέπεια την αυξημένη ροή του άλατος στο προϊόν. Η αυξημένη συγκέντρωση άλατος στη μεμβράνη αυξάνει και την οσμωτική πίεση και άρα, για σταθερή πίεση λειτουργίας, ελαττώνεται ο ρυθμός παραγωγής προϊόντος. 39

40 Η ανάκτηση στις μεμβράνες ξεκίνησε από χαμηλά ποσοστά, της τάξης του 10 20% για να φτάσει σήμερα σε τιμές άνω του 50%. Αυτό οφείλεται αφενός στην ωρίμανση της τεχνολογίας σχεδίασης και κατασκευής των μεμβρανών, αφετέρου στην τοποθέτηση πολλαπλών σπειροειδών μεμβρανών στο ίδιο δοχείο πίεσης 2.5 ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΜΑΖΑΣ Μάζα προϊόντος και άλατος Η μάζα του προϊόντος και του άλατος βρίσκονται απ τις παρακάτω σχέσεις: M f M p M b (4) C f M f C p M p C b M b (5) Όπου Mf είναι η παροχή μάζας του τροφοδοτικού νερού (kg/s) Μp είναι η παροχή μάζας του προϊόντος (kg/s) Mb είναι η παροχή μάζας της άλμης (kg/s) Cf είναι η αλατότητα του τροφοδοτικού νερού (kg/m 3 ) Cp είναι η αλατότητα του προϊόντος (kg/m 3 ) Cb είναι η αλατότητα της άλμης (kg/m 3 ) Μεταφορά του νερού Η μεταφορά του νερού διαμέσου της ημιπερατής μεμβράνης δίνεται από τη σχέση: M p ( P ) K A (6) W Όπου Mp είναι η ροή του νερού μέσα από τη μεμβράνη (m 3 /s) ΔΠ είναι η διαφορά της οσμωτικής πίεσης εκατέρωθεν της μεμβράνης(kpa) Kw είναι ο συντελεστής διαπερατότητας του νερού (m 3 /m 2 s kpa) A είναι το εμβαδό της επιφάνειας της μεμβράνης (m 2 ) ΔP η διαφορά υδραυλικής πίεσης εκατέρωθεν της μεμβράνης Μεταφορά του άλατος Η μεταφορά του άλατος διαμέσου της ημιπερατής μεμβράνης δίνεται από τη σχέση: 40

41 M s ( C C ) K A (7) p s Όπου Ms είναι η ροή του άλατος μέσα από τη μεμβράνη (kg/s) Ks είναι ο συντελεστής διαπερατότητας της μεμβράνης για το αλάτι (m 3 /m 2 s) Cp είναι η ολική συγκέντρωση των διαλυμένων στερεών στο προϊόν (kg/m 3 ) A είναι το εμβαδό της επιφάνειας της μεμβράνης (m 2 ) Ο όρος C δίνεται από τη σχέση: ( C C f M M f f C b M b M b ) (8) Όπου Cf και Cb είναι οι συγκεντρώσεις του άλατος στην τροφοδοσία και στην άλμη αντίστοιχα. Απ τις παραπάνω σχέσεις διαπιστώνουμε ότι για μια δεδομένη μεμβράνη η ροή του νερού μέσα από αυτήν είναι ανάλογη με τη διαφορά πίεσης στα άκρα της και ότι η ροή του άλατος είναι ανάλογη με τη διαφορά των συγκεντρώσεων στα άκρα της και είναι ανεξάρτητη της εφαρμοζόμενης πίεσης (διότι γίνεται με διάχυση). 2.6 ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΠΟΥ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΩΝ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ Οι παράμετροι που επηρεάζουν τη λειτουργία των μεμβρανών είναι η πίεση λειτουργίας, η θερμοκρασία του νερού τροφοδοσίας, η ανάκτηση αφαλατωμένου νερού και η συγκέντρωση αλατών στο νερό τροφοδοσίας. Παρακάτω θα μελετήσουμεμε τη κάθε μία παράμετρο ξεχωριστά και το πως επηρεάζουν τη λειτουργία των μεμβρανών Πίεση λειτουργίας Η πίεση στην είσοδο της μεμβράνης επηρεάζει τη ροή του αφαλατωμένου νερού. Με τον όρο πίεση εννοούμε τη δρούσα δύναμη που ασκείται στη μεμβράνη, δηλαδή η διαφορά μεταξύ της ασκούμενης πίεσης και της οσμωτικής πίεσης όπως αυτή παρουσιάζεται στην εξίσωση (6). Όπως βλέπουμε λοιπόν απο αυτή την εξίσωση η μεταφορά του νερού είναι ανάλογη με τη διαφορά πίεσης, δηλαδη με το χημικό δυναμικό δυναμικό του νερού τροφοδοσίας και του αφαλατωμένου νερού. Η επίδραση λοιπόν της εφαρμοζόμενης πίεσης είναι γραμμικά ανάλογη της ροής του νερού Επίδραση της θερμοκρασίας Η αύξηση της θερμοκρασίας του νερού τροφοδοσίας οδηγεί σε μείωση της πυκνότητας του νερού και σε μείωση της οσμωτικής πίεσης. Συνεπώς η συνολική ροή του αφαλατωμένου 41

42 νερού αυξάνεται. Κι αυτό γιατί στον τύπο (1) η αύξηση της θερμοκρασίας είναι εκθετική ενώ η μείωση της πυκνότητας γραμμική. Για τον υπολογισμό της ροής του αφαλατωμένου νερού σε διαφορετική θερμοκρασία από την ονομαστική της μεμβράνης, γίνεται με την εφαρμογή του παρακάτω συντελεστή διόρθωσης της θερμοκρασίας (Temperature Correction Factor, T fc ) σύμφωνα με έρευνα απο την εταιρεία DOW το Οι παρακάτω εξισώσεις εισάγονται ως πολλαπλασιαστές στην εξίσωση (6). 1 1 Tfc EXP 2640, T 25 o C (9) Tfc EXP 3020, T 25 o C (10) Η επίδραση της θερμοκρασίας του νερού τροφοδοσίας στη ροή του αφαλατωμένου νερού και στην απόρριψη αλάτων φαίνεται και στο παρακάτω διάγραμμα. Εικόνα 2-9 Η επίδραση της θερμοκρασίας του νερού τροφοδοσίας στη ροή του αφαλατωμένου νερού και στην απόρριψη αλάτων 42

43 2.6.3 Επίδραση της συγκέντρωσης των αλάτων στο νερό τροφοδοσίας Όπως βλέπουμε απο την εξίσωση (1) η αύξηση της συγκέντρωσης των αλάτων στο νερό τροφοδοσίας αυξάνει την οσμωτική πίεση του νερού τροφοδοσίας. Αυτή η αύξηση της οσμωτικής πίεσης έχει σαν αποτέλεσμα τη μείωση της τελικής ασκούμενης πίεσης στη μεμβράνη. Όταν όμως σταθεροποιείται η πίεση εισόδου, η αύξηση της συγκέντρωσης αλάτων μειώνει τη ροή του αφαλατωμένου νερού και την απόριψη των αλάτων Επίδραση ph Οι μεμβράνες αντίστροφης όσμωσης έχουν μεγάλο εύρος λειτουργίας όσον αφορά το ph. Συγκεκριμένα, οι μεμβράνες οξικής κυτταρίνης έχουν εύρος λειτουργίας ph 4-8 ενώ μπορούν να αντέξουν και για εύρος 3-9. Οι μεμβράνες λεπτού υμένα έχουν εύρος λειτουργίας 2-11, ενώ μπορούν να αντέξουν και για εύρος Το ph δεν επηρεάζει τη ροή του αφαλατωμένου νερού, όμως για τιμές ph έξω απο τα όρια λειτουργίας ή αντοχής της μεμβράνης μπορεί να έχουμε καταστροφή του πολυμερούς υλικόυ της Επίδραση του βαθμού ανάκτησης του αφαλατωμένου νερού Η αύξηση της ανάκτησης του αφαλατωμένου νερού σε συνθήκες σταθερής πίεσης αυξάνει την ωσμωτική πίεση του νερού τροφοδοσίας. Αυτή η αύξηση οδηγεί έχει σαν αποτέλεσμα τη πιθανότητα δημιουργίας ανθρακικών επικαθίσεων γεγονός το οποίο εμποδίζει τη διέλευση αφαλατωμένου νερού και μειώνει την απορριπτική ικανότητα της μεμβράνης, αυξάνωντας έτσι τη κατανάλωση ενέργειας απο τη μεμβράνη. Εικόνα 2-10 Μονάδα αντίστροφης όσμωσης Υφάλμυρου νερού, 400 m3/day, Riyand, K.S.A [4] 43

44 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΜΟΝΑΔΑΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΗΣ ΟΣΜΩΣΗΣ 44

45 3.1 Εισαγωγή Σε αυτό το κεφάλαιο θα χρησιμοποιήσουμε ένα λογισμικό σχεδιασμού και προσομοίωσης μεμβρανών ώστε να γίνει η περιγραφή μιας μικρής μονάδας αντίστροφης όσμωσης και να αναφερθούν όλες οι συνιστώσες της. Η μονάδα αυτή θα επιχειρήσουμε να είναι όσο πιο απλή γίνεται, χωρίς συσκευή ανάκτησης ενέργειας, και να έχει ικανοποιητική παραγωγικότητα. Σκοπός μας είναι να εξετάσουμε τις ενεργειακές απαιτήσεις αυτής της μονάδας συναρτήσει παραμέτρων όπως η ποιότητα του νερού τροφοδοσίας, το είδος και ο αριθμός των μεμβρανών καθώς και η παραγωγικότητα της. 3.2 Προσδιορισμός των κύριων παραμέτρων της μονάδας αφαλάτωσης Όπως αναφέραμε παραπάνω, ο σκοπός του σχεδιασμού μιας μονάδας αντίστροφης όσμωσης είναι ο προσδιορισμός της δυναμικότητας της μονάδας (m 3 /d ή m 3 /h), ο προσδιορισμός της μεμβράνης που χρησιμοποιείται, ο αριθμός τους και η διάταξη τους καθώς και ο προσδιορισμός των ενεργειακών απαιτήσεων της μονάδας αντίστροφης όσμωσης ανά μονάδα παραγόμενης ποσότητας αφαλατωμένου νερού (kwh/m 3 ). Για το σχεδιασμό της μονάδας χρησιμοποιήσαμε το λογισμικό Reverse Osmosis System Analysis ROSA 8 της εταιρείας DOW chemicals Προσδιορισμός παραγωγικότητας Για να σχεδιάσουμε μια μονάδα αφαλάτωσης ξεκινάμε απο το προσδιορισμό των αναγκών σε αφαλατωμένο νερό ώστε η μονάδα να έχει τέτοια παραγωγικότητα που να καλύπτει αυτές τις ανάγκες. Στη παρούσα εργασία η μονάδα που σχεδιάζουμε έχει παραγωγικότητα 0,19 m 3 /h Προσδιορισμός νερού τροφοδοσίας Το επόμενο βήμα στο σχεδιασμό της μονάδας είναι ο προσδιορισμός του νερού τροφοδοσίας με πλήρη χημική ανάλυση. Ένα κριτήριο με το οποίο αξιολογούμε τη ποιότητα του νερού είναι η συνολική ποσότητα των στερεών σωματιδίων σε mg/l νερού (Total Disolved Solids, TDS). Στον δικό μας σχεδιασμό, ως νερό τροφοδοσίας χρησιμοποιήσαμε το θαλασσινό νερό του Αιγαίου και στον παρακάτω πίνακα γίνεται η χημική του ανάλυση. Η τιμή TDS όπως βλέπουμε είναι mg/l και ο βαθμός ph είναι 8.2. Οι προδιαγραφές του πόσιμου νερού όσον αφορά τη συγκέντρωση αλάτων είναι γύρω στα 500 mg/l. 45

46 3.2.3 Προσδιορισμός είδους και αριθμού μεμβρανών που χρησιμοποιούνται Επειδή σκοπός μας είναι να σχεδιάζουμε μία όσο το δυνατόν απλούστερη μονάδα ώστε να δούμε τις ενεργειακές της απαιτήσεις και τη δυναμικότητα της επιλέξαμε να χρησιμοποιήσουμε μόνο μία μεμβράνη. Το πρόγραμμα ROSA 8 που χρησιμοποιούμε μας δίνει μία λίστα με μεμβράνες που υπάρχουν στο εμπόριο ώστε εμείς να επιλέξουμε αυτή που ταιριάζει όσο το δυνατόν καλύτερα στο σχεδιασμό που θέλουμε να κάνουμε. Μετά λοιπόν από έρευνα καταλήξαμε στην μεμβράνη SW καθώς με αυτήν έχουμε ικανοποιητική παραγωγικότητα και χαμηλή κατανάλωση ενέργειας. Επίσης, χρησιμοποιώντας αυτή τη μεμβράνη το πρόγραμμα ROSA κατά την εξαγωγή αποτελεσμάτων δε κάνει διάγνωση κάποιου τεχνικού προβλήματος ενώ άλλες μεμβράνες δε μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν λόγω της υψηλής τιμής TDS.Τα στοιχεία της μεμβράνης δίνονται στον παρακάτω πίνακα. Πίνακας 3-1 Χαρακτηριστικά μεμβράνης SW [1] Membrane Type: Maximum Operating Temperature: Maximum Operating Pressure: Maximum Pressure Drop: Maximum Feed Flow Rate: Thin-Film Composite (TFC) 113F (45C) 1,000 psi (69 bar) 15 psi (1.0 bar) ph Range, Continuous Operation: 2-11*** ph Range, Short-Term Cleaning: Maximum Feed Silt Density Index: Free Chlorine Tolerance: Permeate Flow Rate: 16 GPM (3.6 m3/hr) 1-13* (30min) 5 SDI <0.1 ppm** Stabilized Salt Rejection: 99.4% 1,950 GPD (7.4 m3/day)* Εικόνα 3-2 Μεμβράνη SW [1] 46

47 3.3 Σύνοψη δεδομένων και υποθέσεων σχεδιασμού Εφαρμόζοντας όλες τις παραπάνω υποθέσεις σχεδιασμού εισάγουμε στο πρόγραμμα ROSA τα εξής δεδομένα Το νερό τροφοδοσίας είναι θαλασσινό νερό (Αιγαίου) με TDS mg/l. Η θερμοκρασία του νερού εισόδου είναι 25 ο C. Ο βαθμός ph είναι 8.2 Χρησιμοποιείται μόνο μία μεμβράνη και μία μεμβρανοθήκη ώστε να έχουμε έναν όσο πιο απλό και οικονομικό σχεδιασμό μονάδας αντίστροφης όσμωσης. Η μεμβράνη αντίστροφης όσμωσης που χρησιμοποιείται είναι η SW H παροχή του νερού τροφοδοσίας είναι 1,5m 3 /h. Για το σχεδιασμό της μονάδας αντίστροφης όσμωσης χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό Reverse Osmosis System Analysis ROSA 8 της εταιρείας DOW chemicals. 3.4 Αποτελέσματα σχεδιασμού Στο πρώτο φύλλο εισόδου δεδομένων εισάγουμε τα στοιχεία μας (όνομα, αρχείο και πιθανόν κάποιες σημειώσεις) και επιλέγουμε τις μονάδες που χρησιμοποιούνται σε όλη τη διαδικασία του σχεδιασμού όπως βλέπουμε και στη παρακάτω εικόνα. Εικόνα 3-2 Φύλλο εισαγωγής γενικών δεδομένων [2] 47

48 Στο δεύτερο φύλλο εισόδου δεδομένων εισάγουμε τα στοιχεία του νερού τροφοδοσίας τα οποία έχουμε αναλύσει παραπάνω όπως φαίνεται στη παρακάτω εικόνα. Εικόνα 3-3 Φύλλο εισαγωγής δεδομένων νερού τροφοδοσίας [2] Στη συνέχεια επιλέγουμε τον αριθμό των μεμβρανών, τον αριθμό των μεμβρανοθηκών, το μοντέλο της μεμβράνης που χρησιμοποιείται και είμαστε έτοιμοι ώστε το πρόγραμμα να προχωρήσει στα αποτελέσματα του σχεδιασμού. Δηλαδή να βρούμε τις ενεργειακές απαιτήσεις και τη παραγωγικότητα της μονάδας καθώς και αν με τα δεδομένα που εισάγαμε η μονάδα είναι σε θέση να λειτουργήσει. 48

49 Εικόνα 3-4 Φύλλο εισαγωγής δεδομένων [2] Τα αποτελέσματα του σχεδιασμού φαίνονται στις παρακάτω εικόνες και καταγράφονται στον παρακάτω πίνακα. 49