Transcript

1 AΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥ ΩΝ ΕΙ ΙΚΕΥΣΗΣ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΚΑΙ ΒΙΩΣΙΜΗ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΜΟΝΑ ΕΣ ΑΦΑΛΑΤΩΣΗΣ ΜΕ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΗ ΟΣΜΩΣΗ - ΤΕΧΝΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΚΑΙ ΚΡΙΤΗΡΙΑ ΧΩΡΟΘΕΤΗΣΗΣ ΣΤΥΛΙΑΝΗ- ΑΙΚΑΤΕΡΙΝΗ ΤΖΑΝΑΚΗ ιπλ. Μηχανολόγος Μηχανικός Θεσσαλονίκη, Σεπτέµβριος 2010

2 Στη Μαρία και τη ήµητρα

3 Πρόλογος Η εργασία αυτή µε τίτλο Τεχνικές προδιαγραφές και κριτήρια χωροθέτησης µονάδων αφαλάτωσης-παράδειγµα εφαρµογής αποτελεί τη ιπλωµατική εργασία στα πλαίσια του Προγράµµατος Μεταπτυχιακών Σπουδών Προστασία περιβάλλοντος και βιώσιµη ανάπτυξη, υπό την επίβλεψη του καθηγητή κ. Κωνσταντίνου Κατσιφαράκη και συνεπίκουρους καθηγητές τους κ. Ιωάννη Τσιάφη του Τµήµατος Μηχανολόγων Μηχανικών και του κ. Ιωάννη Τσακογιάννη του Τµήµατος Πολιτικών Μηχανικών. Στην εργασία αυτή ήθελα να συνδυάσω τις βασικές µου σπουδές, που είναι το πτυχίο του Μηχανολόγου Μηχανικού Α.Π.Θ. µε το θέµα της αφαλάτωσης, εξετάζοντας θέµατα που άπτονται της µηχανολογίας, όπως είναι οι ηλεκτροµηχανολογικές εγκαταστάσεις που συνοδεύουν την εγκατάσταση, καθώς και η αναλυτική περιγραφή της όλης διαδικασίας και των επιµέρους σταδίων. Λόγω της προηγούµενης επαγγελµατικής ενασχόλησής µου µε τα δηµόσια έργα, την αφαλάτωση κυρίως την είδα υπό το πρίσµα της κατασκευής. όθηκε έµφαση σε θέµατα σχετικά µε την κατανάλωση ενέργειας, τις συσκευές ανάκτησης ενέργειας και παρουσιάστηκε η κατάσταση που επικρατεί στην Ελλάδα καθώς και µε ποιο τρόπο αντιµετωπίζεται το θέµα. Η έλλειψη νερού είναι ένα παγκόσµιο πρόβληµα, που απασχολεί και την Ελλάδα ως Μεσογειακή χώρα. Η τεχνολογία της εξελίσσεται συνεχώς, καθώς µερικά κράτη που υποφέρουν από λειψυδρία έχουν οικονοµική ευρωστία και επενδύουν σηµαντικά ποσά τόσο σε εγκαταστάσεις αφαλάτωσης, όσο και στην ανάπτυξη και την βελτίωση της τεχνολογίας. Η πρώτη αυτόνοµη πλωτή µονάδα αφαλάτωσης, η Υδριάδα, σχεδιασµένη από Έλληνες επιστήµονες και κατασκευασµένη στην Ελλάδα, ήταν κάτι που µε εξέπληξε ευχάριστα και αποδεικνύει ότι η Ελλάδα µπορεί να έχει τις δικές της θέσεις και προτάσεις στην παγκόσµια αγορά. Το υψηλό κόστος της Υδριάδας µπορεί να µειωθεί µε τη βιοµηχανική παραγωγή και το µεγάλο πλεονέκτηµα που έχει, της χρήσης αποκλειστικά ανανεώσιµων πηγών ενέργειας και της δυνατότητάς της να µεταφερθεί και να εγκατασταθεί σε άλλη θέση, όπου υπάρχει ανάγκη, πρέπει να αξιολογηθεί ανάλογα. Η Ελλάδα µε το πλούσιο ηλιακό και αιολικό δυναµικό που έχει σε συνδυασµό µε την έλλειψη νερού, είναι ιδανικό µέρος για πιλοτικές εφαρµογές όπου δοκιµάζονται τέτοιες εγκαταστάσεις, ώστε να βελτιώνονται συνεχώς και να γίνονται πιο ανταγωνιστικές στη διεθνή αγορά. Θέλω να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα καθηγητή κ. Κατσιφαράκη για την ουσιαστική βοήθειά του στην εκπόνηση αυτής της διπλωµατικής εργασίας. Θα ήταν παράληψη να µην ευχαριστήσω τα δύο άλλα µέλη της επιτροπής τους κ. Ιωάννη Τσιάφη και κ. Ιωάννη Τσακογιάννη. i

4 Θα ήθελα να ευχαριστήσω την κ. Ευτυχία Τζέν, Μηχανολόγο Μηχανικό, στο Τµήµα Αιολικής Ενέργειας του ΚΑΠΕ, για την προθυµία που έδειξε να µου στείλει στοιχεία, ανταποκρινόµενη άµεσα σε µήνυµα ηλεκτρονικού ταχυδροµείου, που της έστειλα. Τέλος, ευχαριστώ όλους τους συµφοιτητές µου, που µε βοήθησαν να θυµηθώ τι ωραία είναι τα φοιτητικά χρόνια. Σ αυτό το µεταπτυχιακό πρόγραµµα, για µένα, περισσότερη σηµασία από την ίδια τη γνώση είχε η προσωπική άποψη του καθηγητή για το θέµα. Αυτό είναι κάτι που δύσκολα βρίσκεις στα βιβλία και προσωπικά µου κινούσε ιδιαίτερα το ενδιαφέρον, για την αξιολόγηση και τη σε βάθος διερεύνηση των καταστάσεων. ii

5 Περίληψη Το νερό είναι πηγή ζωής, προϋπόθεση για την ανθρώπινη ύπαρξη και τη ζωή στον πλανήτη. Τα παγκόσµια αποθέµατα νερού συνεχώς µειώνονται και η λειψυδρία έχει ως αποτέλεσµα µεγάλο µέρος του πληθυσµού να µην έχει πρόσβαση σε πόσιµο νερό. Η αφαλάτωση θαλασσινού ή υφάλµυρου νερού µπορεί να είναι µια µακροπρόθεσµη και βιώσιµη εναλλακτική λύση, που προστατεύει τους υδατικούς πόρους. Σκοπός της διπλωµατικής εργασίας είναι να εξετάσει κατά πόσο η αφαλάτωση µπορεί να είναι µια εναλλακτική λύση αντιµετώπισης της λειψυδρίας για τις περιοχές της Ελλάδας που παρουσιάζουν έντονα προβλήµατα, ποια µέθοδος είναι η πλέον κατάλληλη για τα ελληνικά δεδοµένα και κατά πόσο υπάρχει η δυνατότητα χρήσης ανανεώσιµων πηγών ενέργειας. Η τεχνική περιγραφή και οι τεχνικές προδιαγραφές που δίνονται έχουν στόχο να συµβάλουν στη δηµοπράτηση και την κατασκευή ενός έργου αφαλάτωσης. Η χωροθέτηση της µονάδας αφαλάτωσης καθορίζει τα δεδοµένα της εγκατάστασης, µειώνει τις δυσµενείς περιβαλλοντικές επιπτώσεις και επηρεάζει το κόστος του παραγόµενου νερού, το οποίο πρέπει να είναι χαµηλό, για να µπορεί η αφαλάτωση να είναι ανταγωνιστική. Στην εργασία αυτή έγινε βιβλιογραφική διερεύνηση της αφαλάτωσης νερού µε έµφαση στις ηλεκτροµηχανολογικές εγκαταστάσεις. Ειδικότερα παρουσιάστηκαν οι κυριότερες µέθοδοι αφαλάτωσης, έγινε σύγκριση των µεθόδων, καθορίστηκαν τα κριτήρια για την επιλογή της κατάλληλης µεθόδου και έγινε ανάλυση του κόστους της αφαλάτωσης. Παρουσιάστηκαν οι επικρατέστεροι συνδυασµοί µεθόδου αφαλάτωσης µε ΑΠΕ Έγινε βιβλιογραφική διερεύνηση των ενεργειακών απαιτήσεων που έχει η κάθε µέθοδος, ο συνδυασµός της µε ΑΠΕ, παρουσιάστηκαν συστήµατα ανάκτησης ενέργειας στη µέθοδο αντίστροφης όσµωσης, καθώς και εφαρµογές που πραγµατοποιήθηκαν σε παγκόσµιο επίπεδο. Παρουσιάστηκε ακόµη η κατάσταση στην Ελλάδα, οι µονάδες αφαλάτωσης που λειτουργούν σήµερα και η Υδριάδα, η πρώτη στον κόσµο αυτόνοµη πλωτή µονάδα αφαλάτωσης. Έγινε τεχνική περιγραφή και καθορίστηκαν τεχνικές προδιαγραφές της µονάδας αφαλάτωσης µε τη µέθοδο της αντίστροφης όσµωσης, καθώς και των αντλιοστασίων που τη συνοδεύουν, δηλαδή του αντλιοστασίου καθαρού νερού, του αντλιοστασίου θαλασσινού νερού και του αντλιοστασίου άλµης. Καθορίστηκαν τα κριτήρια για τη χωροθέτηση µιας µονάδας αφαλάτωσης. Συµπερασµατικά η µέθοδος που έχει επικρατήσει παγκοσµίως, είναι η µέθοδος της αντίστροφης όσµωσης, κυρίως γιατί χρησιµοποιεί θαλασσινό νερό και καταναλώνει λιγότερη iii

6 ηλεκτρική ενέργεια σε σχέση µε άλλες τεχνολογίες, για την παραγωγή ίσης ποσότητας πόσιµου νερού. Η χρήση συσκευών ανάκτησης ενέργειας µειώνει κατά πολύ τις απαιτήσεις σε ενέργεια, ενώ η χρήση ΑΠΕ µπορεί να µειώσει το κόστος παραγωγής πόσιµου νερού, ώστε η αφαλάτωση να είναι ανταγωνιστική λύση έναντι των άλλων τρόπων αντιµετώπισης της λειψυδρίας. Για τα ελληνικά δεδοµένα θεωρείται ότι η καλύτερη µέθοδος αφαλάτωσης είναι αυτή µε την τεχνολογία της αντίστροφης όσµωσης, σε συνδυασµό µε ΑΠΕ, καθώς τα ελληνικά νησιά που παρουσιάζουν έλλειψη νερού είναι πλούσια σε ηλιακό και αιολικό δυναµικό. iv

7 Abstract Water is a source of life, a prerequisite for human existence and life on the planet. Water availability steadily is decreasing and a substantial percentage of world population has no access to sufficient water. The desalination of seawater or brackish water can be a long term sustainable alternative that protects water resources. The purpose of this thesis is to examine whether the desalination can be an alternative to tackle water scarcity problems in parts of Greece, to find which method is most appropriate for the Greek market and study the possibility of using renewable energy. The technical description and specifications given are intended to help procurement and construction of a project. The siting of the desalination unit determines the plant features, reduces the adverse environmental impacts and affects the cost of produced water, which should be low, to enable desalination to be a competitive solution. In this work, literature research has been conducted, with a focus on electromechanical facilities. In particular, the main methods of desalination are presented, a comparison of methods has been added, the criteria for choosing the appropriate method have been established and a cost analysis of desalination has been completed. Furthermore, the main methods to combine desalination with renewables are presented. Literature research on the energy requirements set by each method and by combinations with renewable energy sources, has been conducted. Energy recovery systems are presented, applying to reverse osmosis method, as well as applications at a global level. The situation in Greece, the desalination plants that operate today and Hydriada, the world's first autonomous desalination unit, have been analyzed. A technical description and specifications of a reverse osmosis desalination plant including pumping stations of clean water, sea water and brine have been added. The criteria for siting a desalination plant have been established and an example of a Greek island is presented. In conclusion, the method that has prevailed globally is the method of reverse osmosis, mainly because it uses sea water and consumes less electricity to produce equal quantities of drinking water. The use of energy recovery devices greatly reduces the energy requirements and use of renewable energy can reduce the cost of producing drinking water, rendering desalination a competitive alternative to other ways of coping with water scarcity. v

8 For our country, the best method of desalination is reverse osmosis combined with renewable energy, as Greek islands, where water is scarce, are rich in solar and wind resources. vi

9 Περιεχόµενα Πρόλογος Περίληψη Abstract Κατάλογος πινάκων Κατάλογος εικόνων Κατάλογος σχηµάτων i iii v x xi xii 1 Εισαγωγή Έλλειψη νερού Τα αίτια της έλλειψης νερού Η χρήση του νερού Σκοπός της εργασίας Αντικείµενο της εργασίας Το πρόβληµα νερού στην Ελλάδα Γενικά Ανάγκες και συνολικό έλλειµµα νερού στα νησιά του Αιγαίου Εναλλακτικές λύσεις στο πρόβληµα της λειψυδρίας Αφαλάτωση Γενικά Ιστορική διαδροµή Η νοµοθεσία για τις µονάδες αφαλάτωσης Μονάδες αφαλάτωσης-µελλοντικός σχεδιασµός του Υπουργείου Κυριότερες µέθοδοι αφαλάτωσης Κατηγορίες µεθόδων αφαλάτωσης Μέθοδοι µε εξάτµιση Μέθοδοι µε µεµβράνες Σύγκριση µεθόδων αφαλάτωσης Πλεονεκτήµατα της αντίστροφης όσµωσης Κόστος αφαλάτωσης νερού vii

10 4.7 Πώς επηρεάζει η αφαλάτωση νερού το περιβάλλον Αφαλάτωση µε χρήση ΑΠΕ Ανάγκη για χρήση ΑΠΕ Τρόπος σύνδεσης µονάδας αφαλάτωσης µε την πηγή ενέργειας Συνδυασµοί µεθόδων αφαλάτωσης και ΑΠΕ Μονάδες αφαλάτωσης µε χρήση φωτοβολταϊκών (PV) Μονάδες αφαλάτωσης µε χρήση ανεµογεννήτριας (Α/Γ) Υβριδικές µονάδες αφαλάτωσης Aυτόνοµη πλωτή µονάδα αφαλάτωσης αντίστροφης όσµωσης µε χρήση ΑΠΕ - Υδριάδα Ενέργεια και µέθοδοι αφαλάτωσης Ενεργειακές απαιτήσεις κατά την αφαλάτωση νερού Ανάκτηση ενέργειας Αποθήκευση ενέργειας Εφαρµογές στην Ελλάδα 66 8 Κριτήρια χωροθέτησης µονάδας αφαλάτωσης 69 9 Τεχνική περιγραφή-τεχνικές προδιαγραφές µονάδας αντίστροφης όσµωσης Στάδια επεξεργασίας Στάδιο προκατεργασίας θαλασσινού νερού Στάδιο κυρίως επεξεργασίας θαλασσινού νερού Στάδιο µετακατεργασίας Τεχνική περιγραφή-τεχνικές προδιαγραφές επιµέρους σταδίων Αποθήκευση του θαλασσινού νερού σε δεξαµενή ιάταξη χλωρίωσης θαλασσινού νερού-απολύµανση Άντληση του θαλασσινού νερού προς επεξεργασία Φίλτρανση µε αυτόµατα πολυστρωµατικά φίλτρα θολότητας Σύστηµα δοσοµέτρησης αντικαθαλατωτικού οσοµέτρηση όξινου θειώδους νατρίου για αποχλωρίωση Φίλτρανση µε φίλτρα ενεργού άνθρακα-εναλλακτικά Φίλτρανση µε φίλτρα ασφαλείας Κύρια επεξεργασία - αφαλάτωση του νερού µε την µέθοδο της αντίστροφης όσµωσης Μονάδα χηµικού καθαρισµού έκπλυσης των µεµβρανών Σύστηµα µετακατεργασίας viii

11 Σύστηµα µεταχλωρίωσης Αποθήκευση πόσιµου νερού Σωληνώσεις ιατάξεις ασφαλείας Πίνακας ισχύος Τεχνική περιγραφή ηλεκτροµηχανολογικών εγκαταστάσεων Ηλεκτροµηχανολογικές εγκαταστάσεις Εγκαταστάσεις αντλιοστασίων Αντλιοστάσιο καθαρού νερού Αντλιοστάσιο άλµης Αντλιοστάσιο θαλασσινού νερού Ηλεκτρικές εγκαταστάσεις ισχυρών ρευµάτων Γενικά Εγκατάσταση φωτισµού Εγκατάσταση ρευµατοδοτών-τροφοδότηση φορτίων κίνησης Εγκατάσταση χαµηλής τάσης αντλιοστασίων Πίνακες δίκτυα διανοµής Γραµµές φωτισµού Γραµµές κίνησης Γραµµές τροφοδοσίας ηλεκτρικών πινάκων Εξωτερικός φωτισµός Γείωση Γειώσεις αντλιοστασίων Θεµελιακή γείωση Σύνοψη συµπεράσµατα 94 Βιβλιογραφία 100 Παράρτηµα Βαθµός προστασίας ηλεκτρικών συσκευών 104 ix

12 Κατάλογος πινάκων Πίνακας 2.1: Οι συνολικές ανάγκες και το συνολικό έλλειµµα νερού στα νησιά του Αιγαίου 8 Πίνακας 4.1: Μέθοδος αφαλάτωσης ανά χώρα και παραγωγή νερού σε 10 3 m 3 /d 31 Πίνακας 4.2: Χαρακτηριστικά στοιχεία των κυριότερων µεθόδων αφαλάτωσης 32 Πίνακας 4.3: Τα επιµέρους κόστη των κυριότερων µεθόδων αφαλάτωσης 36 Πίνακας 4.4: Η οικονοµία κλίµακας επηρεάζει το κόστος παραγόµενου νερού 37 Πίνακας 4.5: Κυριότεροι εκπεµπόµενοι ρύποι ανά µέθοδο αφαλάτωσης 38 Πίνακας 4.6: Η άλµη που απορρίπτεται σε m3/d και η συγκέντρωσή της σε TDS ανάλογα µε την παραγωγή της µονάδας σε νερό 39 Πίνακας 5.1: Καλύτεροι συνδυασµοί τεχνολογιών αφαλάτωσης µε χρήση ΑΠΕ 43 Πίνακας 5.2: Επιλογή ΑΠΕ και τεχνολογίας αφαλάτωσης σε σχέση µε το νερό τροφοδοσίας της µονάδας, θαλασσινό ή υφάλµυρο 44 Πίνακας 5.3: Εφαρµογές αφαλάτωσης µε χρήση φωτοβολταϊκών σε παγκόσµιο επίπεδο 47 Πίνακας 5.4: Εφαρµογές αντίστροφης όσµωσης σε συνδυασµό µε ανεµογεννήτρια 52 Πίνακας 5.5: Κόστος νερού σε διάφορους συνδυασµούς υβριδικού συστήµατος ανεµογεννήτριας µε φωτοβολταϊκά 54 Πίνακας 6.1: Κατανάλωση ενέργειας των κυριότερων µεθόδων αφαλάτωσης 59 Πίνακας 7.1: Σηµαντικότερες µονάδες αφαλάτωσης στην Ελλάδα 67 Πίνακας Π.1: Βαθµοί προστασίας από επαφή και ξένα σώµατα, δυνατές τιµές για τον κωδικό a, βαθµού προστασίας IPab 104 Πίνακας Π.2: Κατηγορίες προστασίας από νερό, δυνατές τιµές για τον κωδικό b, βαθµού προστασίας IPab 106 Πίνακας Π.3: υνατοί συνδυασµοί βαθµών προστασίας IP 107 x

13 Κατάλογος εικόνων Εικόνα 2.1: Η κατασκευή φραγµάτων είναι µια εναλλακτική λύση στο πρόβληµα της λειψυδρίας 10 Εικόνα 4.1: Εγκατάσταση αφαλάτωσης µε τη µέθοδο πολυβάθµιας εκτόνωσης στην πόλη Gran Kanaria, Las Palmas που παράγει m³/d 21 Εικόνα 4.2: Εργοστάσιο παραγωγής νερού µε τη µέθοδο της πολυβάθµιας εξάτµισης ή εξάτµιση µε πολλές βαθµίδες 23 Εικόνα 4.3: Εργοστάσιο παραγωγής νερού µε τη µέθοδο της εξάτµισης µε επανασυµπίεση ατµών 24 Εικόνα 4.4: Εργοστάσιο παραγωγής νερού µε τη µέθοδο της ηλιακής απόσταξης 25 Εικόνα 4.5: Εργοστάσιο παραγωγής νερού µε τη µέθοδο της αντίστροφης όσµωσης 26 Εικόνα 4.6: Τριδιάστατη απεικόνιση µονάδας αντίστροφης όσµωσης 26 Εικόνα 4.7: Εργοστάσιο παραγωγής νερού µε τη µέθοδο της ηλεκτροδιάλυσης 29 Εικόνα 4.8: Μονάδα αντίστροφης όσµωσης εγκατεστηµένη σε container 33 Εικόνα 5.1: Εφαρµογές µονάδων αφαλάτωσης σε συνδυασµό µε ΑΠΕ 45 Εικόνα 5.2: Εφαρµογή φωτοβολταϊκών σε συνδυασµό µε την τεχνολογία πολυβάθµιας εξάτµισης στην Almeria στην Ισπανία 47 Εικόνα 5.3: Η Υδριάδα, πλωτή κατασκευή αυτόνοµης µονάδας αφαλάτωσης 55 Εικόνα 5.4: H Υδριάδα αποτελείται από τέσσερις περιφερειακούς κυλινδρικούς πλωτήρες και έναν κεντρικό άξονα 56 Εικόνα 6.1: Συσκευή ανάκτησης ενέργειας ΡΧ σε µονάδα αντίστροφης όσµωσης 61 Εικόνα 6.2: Συσκευή ανάκτησης ενέργειας ΡΧ 62 Εικόνα 6.3: Μικρή µονάδα αφαλάτωσης µε αντλία Clark, κυρίως για εφαρµογές σε σκάφη 63 Εικόνα 6.4: Σύστηµα αποθήκευσης ενέργειας µε συσσωρευτές 65 xi

14 Κατάλογος σχηµάτων Σχήµα 3.1: Εγκατεστηµένη και υπό κατασκευή παγκόσµια δυναµικότητα αφαλάτωσης (σε 10 6 m 3 /d) 12 Σχήµα 3.2: υναµικότητα παραγωγής µονάδων αφαλάτωσης ανά χώρα (σε 10 6 m 3 /d), παγκοσµίως 13 Σχήµα 3.3: Παραγωγή νερού σε m³/d των µονάδων αφαλάτωσης που βρίσκονται στις χώρες της Μεσογείου 14 Σχήµα 4.1: Απλοποιηµένη σχηµατική παράσταση εξατµιστηρίου εκρηκτικής εξάτµισης πολλαπλών βαθµίδων 20 Σχήµα 4.2: Πορεία του διαλύµατος της άλµης και των ατµών σε τριτοβάθµιο εξατµιστήριο 22 Σχήµα 4.3: ιάγραµµα τυπικής εγκατάστασης αφαλάτωσης µε επανασυµπίεση ατµών 24 Σχήµα 4.4: Ηλιακός αποστακτήρας τύπου θερµοκηπίου 25 Σχήµα 4.5: Η λειτουργία της όσµωσης και η λειτουργία της αντίστροφης όσµωσης 27 Σχήµα 4.6: ιάγραµµα ροής αφαλάτωσης κατά τη µέθοδο της αντίστροφης όσµωσης 27 Σχήµα 4.7: οµή µιας µεµβράνης αντίστροφης όσµωσης σπειροειδούς µορφής 28 Σχήµα 4.8: Κίνηση των ιόντων κατά τη µέθοδο της ηλεκτροδιάλυσης 29 Σχήµα 4.9: Εγκαταστάσεις αφαλάτωσης κατά τεχνολογία και η παραγωγή τους σε m 3 /d 30 Σχήµα 4.10: Το κόστος επένδυσης ανάλογα µε τη δυναµικότητα της µονάδας αφαλάτωσης αντίστροφης όσµωσης 34 Σχήµα 4.11: Κόστος εξοπλισµού σε /m³d, µικρότερων µονάδων αφαλάτωσης αντίστροφης όσµωσης 35 Σχήµα 4.12: Κατανοµή κόστους στη µέθοδο αντίστροφης όσµωσης 36 Σχήµα 4.13: Πώς η αφαλάτωση επηρεάζει το περιβάλλον σε κάθε στάδιο της µεθόδου της αντίστροφης όσµωσης 38 Σχήµα 5.1: Συµµετοχή κάθε ΑΠΕ στην αφαλάτωση 41 Σχήµα 5.2: Ποσοστό συµµετοχής κάθε µεθόδου αφαλάτωσης µε χρήση ΑΠΕ 42 Σχήµα 5.3: Συµµετοχή κάθε ΑΠΕ ανά µέθοδο αφαλάτωσης 44 Σχήµα 5.4: ιακύµανση της ταχύτητας του αέρα και παραγωγή ισχύος από την τουρµπίνα Α/Γ 48 Σχήµα 5.5: Παραγωγή νερού ανάλογα µε τη διαθέσιµη αιολική ενέργεια 49 xii

15 Σχήµα 5.6: ιάγραµµα ροής ενός συστήµατος αντίστροφης όσµωσης µε χρήση ανεµογεννήτριας 50 Σχήµα 5.7: ιάγραµµα ροής για τον καθορισµό των τιµών των συντελεστών εισόδου σε ένα σύστηµα αντίστροφης όσµωσης 51 Σχήµα 5.8: Σχηµατική παράσταση των συστηµάτων της πλωτής µονάδας αφαλάτωσης και της µεταξύ τους σύνδεσης 57 Σχήµα 6.1: Εγκατάσταση συσκευής ανάκτησης ενέργειας ΡΧ σε µονάδα αντίστροφης όσµωσης 60 Σχήµα 6.2: Λειτουργία αντλίας Clark 63 Σχήµα 7.1: Παραγωγή αφαλατωµένου νερού στην Ελλάδα σε χιλιάδες m³/d 66 Σχήµα 9.1: Τυπικό διάγραµµα µονάδας αντίστροφης όσµωσης 72 xiii

16 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή 1.1 Έλλειψη νερού Το νερό είναι πηγή ζωής, ένας πολύτιµος φυσικός πόρος, αναντικατάστατο στοιχείο που αποτελεί προϋπόθεση για την ανθρώπινη ύπαρξη και τη ζωή στον πλανήτη. Ο άνθρωπος στην ιστορική του διαδροµή επέλεξε περιοχές κοντά σε ποτάµια, λίµνες και θάλασσες για να κατοικήσει και να ιδρύσει πόλεις µε έντονη εµπορική δραστηριότητα και µε οικονοµική και πολιτιστική ανάπτυξη. Ο πλανήτης µας καλύπτεται κατά ένα µεγάλο µέρος από νερό, αλλά µόνο το 3% είναι πόσιµο ή γλυκό, ενώ το υπόλοιπο 97% αποτελεί το νερό των θαλασσών και των ωκεανών [3]. Τα παγκόσµια αποθέµατα νερού συνεχώς µειώνονται και η δυνατότητα εύρεσης νέων πηγών νερού έχει περιοριστεί. Η λειψυδρία έχει ως αποτέλεσµα µεγάλο µέρος του πληθυσµού να µην έχει πρόσβαση σε πόσιµο νερό. Υπολογίζεται ότι περίπου 11 δισεκατοµµύρια άνθρωποι δεν έχουν πρόσβαση σε καθαρό νερό και είναι εκτεθειµένοι σε ασθένειες και µολύνσεις που οδηγούν στο θάνατο. Ο πληθυσµός του λεγόµενου τρίτου κόσµου πλήττεται περισσότερο και υπολογίζεται ότι περίπου παιδιά πεθαίνουν καθηµερινά από ασθένειες που οφείλονται στην έλλειψη φρέσκου νερού. Πολλές περιοχές του πλανήτη θεωρούνται ως άγονες, λόγω των ελάχιστων βροχοπτώσεων και των κλιµατικών συνθηκών που επικρατούν εκεί και ταλαιπωρούνται από προβλήµατα λειψυδρίας. Μεγαλύτερο πρόβληµα παρουσιάζεται στις παράκτιες περιοχές, καθώς υπολογίζεται ότι υπάρχουν Km άγονων ακτών, κυρίως στην Αφρική, τον Ινδικό Ωκεανό και την Αραβική χερσόνησο [8]. Μεγάλες εκτάσεις γης απειλούνται µε ερηµοποίηση, µερικές από τις οποίες βρίσκονται στη Μεσόγειο και περιλαµβάνουν περιοχές της Ελλάδας όπως είναι η Κρήτη, οι Κυκλάδες και τα ωδεκάνησα. Παγκοσµίως υπάρχουν περίπου 260 κύρια ποτάµια συστήµατα, που τροφοδοτούν µε φρέσκο νερό πολλές χώρες, µε αποτέλεσµα να αναπτύσσονται διαµάχες για τον έλεγχο των υδάτινων αποθεµάτων. Χαρακτηριστικό είναι το παράδειγµα των ποταµών Τίγρη και Ευφράτη, που παρέχουν φρέσκο νερό στην Τουρκία, τη Συρία και το Ιράκ. Οι ανάγκες των χωρών αυτών είναι περισσότερες από τα αποθέµατα των ποταµών και συχνά αναπτύσσονται µεταξύ τους εντάσεις. Η Τσεχία και η Ουγγαρία διεκδικούν τα νερά του ούναβη, ενώ ανάλογες διαµάχες έχει η Βόρειος Κορέα µε τη Νότιο, το Ισραήλ µε την Παλαιστίνη και η Αίγυπτος µε την Αιθιοπία [11]. 1

17 Τα τελευταία χρόνια η χρήση του νερού παγκόσµια εξαπλασιάστηκε και το πρόβληµα οξύνθηκε, ενώ µέχρι το 2050 αναµένεται να διπλασιαστεί. Οι ανάγκες του ανθρώπου για νερό, δεν περιορίζονται µόνο στο πόσιµο, αλλά χρειάζεται νερό για οικιακή χρήση, ενώ η τροφή του απαιτεί περίπου 70 φορές περισσότερο νερό από τις οικιακές του ανάγκες Τα αίτια της έλλειψης νερού Η υπερθέρµανση του πλανήτη θεωρείται ένας παράγοντας που ευθύνεται για την έλλειψη νερού. Η αύξηση της µέσης θερµοκρασίας του πλανήτη προκαλεί αύξηση των βροχοπτώσεων και µείωση των χιονοπτώσεων, µε αποτέλεσµα να µειώνεται η ποσότητα νερού που παραµένει στις ορεινές περιοχές µε τη µορφή χιονιού ή πάγου, που αποδίδεται κατά τους θερινούς µήνες και τις περιόδους ξηρασίας. Συγχρόνως η αύξηση των βροχοπτώσεων προκαλεί αύξηση της απορροής του νερού µε αποτέλεσµα να προκαλούνται πληµµύρες [11]. Η εκρηκτική αύξηση του πληθυσµού σε συνδυασµό µε τη γενικότερη βελτίωση του βιοτικού επιπέδου, κυρίως στις ανεπτυγµένες χώρες, οδηγεί σε αύξηση της ζήτησης. Προβλέψεις που έγιναν µετά από σχετικές στατιστικές µελέτες δείχνουν ότι ο παγκόσµιος πληθυσµός θα σταθεροποιηθεί στα 8,5-9 δισεκατοµµύρια έως το 2050 [11]. Η γεωργία, καταναλώνει το 80-85% των διαθέσιµων υδατικών πόρων και αναπτύσσεται συνεχώς για να µπορέσει να καλύψει τις αυξηµένες ανάγκες του πληθυσµού, ενώ η αλόγιστη χρήση φυτοφαρµάκων και χηµικών λιπασµάτων που παρασύρονται από το νερό της βροχής, ρυπαίνουν τόσο τα επιφανειακά νερά όσο και τα υπόγεια αποθέµατα, αποτελώντας ένα ακόµη επιβαρυντικό παράγοντα που προκαλεί λειψυδρία. Η µεγάλη αύξηση της βιοµηχανικής παραγωγής, η οποία προσπαθεί να καλύψει τις συνεχώς αυξανόµενες καταναλωτικές ανάγκες, που οφείλονται στην αύξηση του βιοτικού επιπέδου των ανθρώπων κυρίως στις οικονοµικά ανεπτυγµένες χώρες. Η συγκέντρωση µεγάλου πληθυσµού στις πόλεις, δηµιουργεί τεράστιες καταναλώσεις νερού σε τοπική κλίµακα, ενώ στις µεγάλες πόλεις µεγάλες ποσότητες επιφανειακών υδάτων εκτρέπονται και τελικά οδηγούνται στη θάλασσα ανεκµετάλλευτα, µη επιτρέποντας στη γη να τα απορροφήσει [11]. Η κακή διαχείριση των υδατικών πόρων και η έλλειψη στρατηγικού σχεδιασµού, που περιλαµβάνει την κατασκευή έργων υποδοµής, την αντικατάσταση ή συντήρηση των δικτύων και γενικότερα τη διαχείριση της ζήτησης, είναι παράγοντες που διογκώνουν το πρόβληµα. Η σπατάλη του νερού που οφείλεται κυρίως στη µη ορθολογική χρήση του στην άρδευση, είναι άλλος ένας παράγοντας που επιδεινώνει το πρόβληµα. Σε παγκόσµιο επίπεδο υπολογίζεται ότι το 80% της αύξησης της ζήτησης τροφής µετά το 1960, καλύφθηκε από γεωργική παραγωγή που βασίζεται στην άρδευση [11]. 2

18 H υπεράντληση νερού µε γεωτρήσεις προκαλεί την υφαλµύρωση του υδροφόρου ορίζοντα. Επίσης διάφορες ανθρώπινες δραστηριότητες, µπορεί να προκαλέσουν την µόλυνσή του Η χρήση του νερού Το νερό χρησιµοποιείται ευρύτατα σε διάφορες δραστηριότητες και σκοπούς, σε ποσότητες που εξαρτώνται από παράγοντες που έχουν σχέση µε το γεωγραφικό χώρο, το πολιτιστικό, το κοινωνικό και το οικονοµικό επίπεδο των ανθρώπων. Οι χρήσεις του νερού διακρίνονται στην οικιακή χρήση, στην κοινοτική χρήση, στην βιοµηχανική χρήση και στην γεωργική χρήση [3]. Στην οικιακή χρήση περιλαµβάνεται το πόσιµο, το νερό για καθαριότητα και το νερό για µαγείρεµα. Στην κοινοτική χρήση περιλαµβάνεται το πότισµα των δηµόσιων χώρων, το δίκτυο νερού για πυρόσβεση, οι υδατικοί δρόµοι µεταφοράς όπου υπάρχουν, όπως είναι τα κανάλια για µεταφορά υλικών. Στην βιοµηχανική χρήση περιλαµβάνεται το νερό που χρησιµοποιείται για τις ανάγκες της βιοµηχανίας, χηµικής ή µη, για τις ανάγκες της παραγωγής ή σαν νερό ψύξης. Στην γεωργική χρήση περιλαµβάνεται νερό που χρησιµοποιείται στη γεωργία, την κτηνοτροφία και την αλιεία. Η κάθε χρήση απαιτεί νερό διαφορετικής ποιότητας τόσο ως προς την περιεκτικότητα των αλάτων όσο και ως προς τη βιολογική καθαρότητα. Οι προδιαγραφές του νερού είναι διαφορετικές και είναι περισσότερο ή λιγότερο ελαστικές ανάλογα µε τη χρήση του [3]. Το νερό παρουσιάζει µεγάλη διαλυτική ικανότητα, καθώς διαλύει στερεά, υγρά και αέρια συστατικά µε µεγάλη ευκολία. Τα φυσικά νερά των πηγών, των ποταµών και των λιµνών έχουν πολύ χαµηλή περιεκτικότητα αλάτων, ενώ στο θαλασσινό νερό η περιεκτικότητα των αλάτων είναι µεγαλύτερη, κυρίως σε χλωριούχο νάτριο το οποίο του προσδίδει την αλµυρότητα. Η ποσότητα και οι χηµικές ιδιότητες των διαλυµένων αλάτων επηρεάζουν τη γεύση και γενικά τη χρησιµότητα του νερού. Ανάλογα µε την ποσότητα των ολικώς διαλυµένων αλάτων (Total dissolved solids, TDS), κατατάσσεται σε [3]: Κατάλληλο πόσιµο νερό µε 500 ppm TDS. Ελαφρώς αλµυρό νερό µε ppm TDS, το οποίο γίνεται αποδεκτό και ως πόσιµο νερό. Αλµυρό νερό µε ppm TDS, το οποίο µόνο σε ακραίες περιπτώσεις γίνεται αποδεκτό για οικιακή χρήση. 3

19 Γλυφό νερό µε περιεκτικότητα αλάτων ppm TDS και η χρήση του ως πόσιµο νερό προκαλεί διάφορες διαταραχές. Πολύ αλµυρό νερό µε TDS> ppm. Θαλάσσιο και ωκεάνιο νερό µε περιεκτικότητα αλάτων από έως περίπου ppm TDS. Η κατηγοριοποίηση αυτή είναι σχετική και υπάρχουν διαβαθµίσεις ανάλογα µε τη σκοπιµότητα της χρήσης του Τρόποι αντιµετώπισης της λειψυδρίας Για την σωστή αντιµετώπιση της λειψυδρίας, θα πρέπει [18]: Να εφαρµοστούν µέτρα εξοικονόµησης και σωστής διαχείρισης των υδατικών πόρων Να εφαρµοστούν µέθοδοι επαναχρησιµοποίησης του νερού Να εφαρµοστούν διαχρονικές πολιτικές όσον αφορά την προστασία και τη διάθεση των υδάτων Λύσεις στην έλλειψη του νερού είναι η µεταφορά νερού από περιοχές που υπάρχει το αγαθό αυτό, η κατασκευή φραγµάτων για τη συγκέντρωση και αποθήκευση του νερού των ποταµών και την µετέπειτα αξιοποίησή του και η αφαλάτωση θαλασσινού ή υφάλµυρου νερού. Αν αναλογιστεί κανείς ότι το 97% του νερού πάνω στη γη είναι θαλασσινό, γίνεται εύκολα κατανοητό ότι η αφαλάτωση θαλασσινού για την παραγωγή πόσιµου νερού, είναι η µόνη ουσιαστική και µακροχρόνια λύση στο πρόβληµα, σε παγκόσµιο επίπεδο. Βέβαια παρά το ότι η αφαλάτωση παράγει φρέσκο νερό, αυτό δεν θα πρέπει να επιφέρει την αναιτιολόγητη και υπερβολική παραγωγή και την αλόγιστη διάθεση και χρήση του [18]. 1.2 Σκοπός της εργασίας Σκοπός της διπλωµατικής εργασίας είναι να εξετάσει κατά πόσο η αφαλάτωση µπορεί να είναι µια εναλλακτική λύση αντιµετώπισης της λειψυδρίας για τις περιοχές της Ελλάδας που παρουσιάζουν έντονα προβλήµατα, ποια µέθοδος είναι η πλέον κατάλληλη για τα ελληνικά δεδοµένα και τη δυνατότητα χρήσης ανανεώσιµων πηγών ενέργειας. Τα τεχνικά στοιχεία που παρουσιάζονται έχουν στόχο να συµβάλουν στη δηµοπράτηση και την κατασκευή του έργου, καθώς µετά από την ενδελεχή έρευνα και την αναλυτική µελέτη όλων των παραγόντων που υπεισέρχονται στο θέµα της αφαλάτωσης, έρχεται το στάδιο της κατασκευής. Όταν πρόκειται να εγκατασταθεί µία µονάδα αφαλάτωσης, η τεχνική περιγραφή και οι τεχνικές προδιαγραφές είναι απαραίτητο τεύχος για τη δηµοπράτηση του έργου και την µετέπειτα κατασκευή του, καθώς είναι αυτό που καθορίζει αναλυτικά τι πρέπει να κατασκευαστεί και ποιες εγκαταστάσεις πρέπει να γίνουν. 4

20 Η σωστή χωροθέτηση της µονάδας αφαλάτωσης µειώνει τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις και ορίζει τα δεδοµένα της εγκατάστασης, τα οποία υπεισέρχονται στους υπολογισµούς και τελικά καθορίζουν το κόστος του παραγόµενου νερού, το οποίο πρέπει να είναι χαµηλό, για να µπορεί η αφαλάτωση να είναι ανταγωνιστική λύση έναντι των άλλων τρόπων αντιµετώπισης της λειψυδρίας. 1.3 Αντικείµενο της εργασίας Σ αυτήν την εργασία έγινε διερεύνηση της αφαλάτωσης νερού, κατά πόσο η αφαλάτωση µπορεί να είναι µια εναλλακτική λύση αντιµετώπισης της λειψυδρίας για τα ελληνικά νησιά του Αιγαίου, κυρίως τις Κυκλάδες και τα ωδεκάνησα, που παρουσιάζουν έντονα προβλήµατα. Εξετάζεται ποια µέθοδος είναι η πλέον κατάλληλη για τα ελληνικά δεδοµένα και η δυνατότητα χρήσης ανανεώσιµων πηγών ενέργειας όχι µόνο για να ξεπεραστεί το πρόβληµα της µεγάλης ενεργειακής κατανάλωσης της διαδικασίας της αφαλάτωσης, αλλά γιατί τα νησιά εκτός από πρόβληµα νερού έχουν πρόβληµα και µε την ενέργεια, ενώ αντίθετα είναι πλούσια σε ηλιακό και αιολικό δυναµικό. Η διαθέσιµη ηλεκτρική ενέργεια στοιχίζει ακριβά, γιατί συχνά παράγεται από ακριβά ορυκτά καύσιµα, ενώ το συνήθως ασθενές ηλεκτρικό δίκτυο δεν µπορεί να επιφορτιστεί µε την επιπλέον κατανάλωση που απαιτεί µία µονάδα αφαλάτωσης. ίνεται τεχνική περιγραφή και τεχνικές προδιαγραφές µονάδας αφαλάτωσης µεγέθους ανάλογου µε τις ανάγκες των νησιών µας, µε τη µέθοδο της αντίστροφης όσµωσης η οποία είναι η λιγότερο ενεργοβόρα και χρησιµοποιεί θαλασσινό νερό. Επίσης, γίνεται τεχνική περιγραφή και τεχνικές προδιαγραφές των ηλεκτροµηχανολογικών εγκαταστάσεων που συνοδεύουν τη µονάδα. Για την εργασία χρησιµοποιήθηκαν επιστηµονικά άρθρα, παρουσιάσεις σε ηµερίδες και πληροφορίες από το Κέντρο Ανανεώσιµων Πηγών Ενέργειας (ΚΑΠΕ), το διαδίκτυο, εταιρείες που δραστηριοποιούνται στο χώρο της αφαλάτωσης κλπ.. Η εργασία έχει την ακόλουθη δοµή: Στο κεφάλαιο 2 γίνεται διερεύνηση της κατάστασης που επικρατεί στην Ελλάδα, το έλλειµµα νερού στα νησιά του Αιγαίου µε το µεγαλύτερο πρόβληµα και οι εναλλακτικές λύσεις που εφαρµόζονται για την αντιµετώπιση του προβλήµατος. Στο κεφάλαιο 3 γίνεται ιστορική ανασκόπηση της αφαλάτωσης, η νοµοθεσία που τη διέπει και ο σχεδιασµός του Υπουργείου, για την εγκατάσταση των νέων µονάδων. Στο κεφάλαιο 4 γίνεται περιγραφή των κυριότερων µεθόδων ααφαλάτωσης που εφαρµόζονται σε παγκόσµιο επίπεδο, συγκρίνονται οι µέθοδοι µεταξύ τους, καταγράφονται τα πλεονεκτήµατα της αντίστροφης όσµωσης και αναλύεται το κόστος αφαλάτωσης νερού. 5

21 Στο κεφάλαιο 5 εξετάζονται η ανάγκη για χρήση ανανεώσιµων πηγών ενέργειας, οι κυριότεροι συνδυασµοί µεθόδων αφαλάτωσης και ΑΠΕ, από ποιους παράγοντες εξαρτάται η εφαρµογή τους και τα προβλήµατα που εµφανίζονται λόγω της µεταβλητής ισχύος που παράγουν οι ΑΠΕ. Παρουσιάζονται µονάδες αφαλάτωσης µε χρήση φωτοβολταϊκών, µε χρήση ανεµογεννήτριας, υβριδικά συστήµατα και η Υδριάδα, η πρώτη πλωτή αυτόνοµη µονάδα αφαλάτωσης µε χρήση ΑΠΕ. Στο κεφάλαιο 6 εξετάζονται οι ενεργειακές απαιτήσεις της κάθε µεθόδου, καθώς η αφαλάτωση θεωρείται εξαιρετικά ενεργοβόρα τεχνολογία και γίνεται ανάλυση των συστηµάτων ανάκτησης ενέργειας στην τεχνολογία της αντίστροφης όσµωσης, τα οποία εξοικονοµούν σηµαντικά ποσά ενέργειας. Στο κεφάλαιο 7 γίνεται καταγραφή των µονάδων αφαλάτωσης που λειτουργούν στη Ελλάδα και στο κεφάλαιο 8 ορίζονται τα κριτήρια χωροθέτησης µιας τέτοιας εγκατάστασης. Στο κεφάλαιο 9 δίνεται τεχνική περιγραφή και τεχνικές προδιαγραφές µονάδας αφαλάτωσης µε τη µέθοδο της αντίστροφης όσµωσης. Στο κεφάλαιο 10 δίνεται τεχνική περιγραφή των ηλεκτροµηχανολογικών εγκαταστάσεων που συνοδεύουν τη µονάδα, του αντλιοστασίου καθαρού νερού, του αντλιοστασίου θαλασσινού νερού και του αντλιοστασίου της άλµης και ειδικότερα των αντλιών που περιλαµβάνουν, των υδραυλικών δικτύων, των ηλεκτρικών εγκαταστάσεων, των αυτοµατισµών και της γείωσης. 6

22 Κεφάλαιο 2 Το πρόβληµα νερού στην Ελλάδα 2.1 Γενικά Η Ελλάδα παρουσιάζει πρόβληµα λειψυδρίας. Η µείωση των βροχοπτώσεων, οι ακραίες µετεωρολογικές µεταβολές και κυρίως η κακή διαχείριση των υδατικών πόρων είναι µερικοί παράγοντες που επιδεινώνουν την κατάσταση και ωθούν στην αναζήτηση εναλλακτικών πηγών ύδρευσης [20]. Η υπερεκµετάλλευση του υπόγειου και του επιφανειακού υδροφόρου ορίζοντα, η έλλειψη σχεδίου διαχείρισης, η κακή υποδοµή των δικτύων ύδρευσης και αποθήκευσης νερού, η τάση για προσωρινές και µη αποτελεσµατικές λύσεις, συνιστούν κακή διαχείριση των υδατικών πόρων και επιδεινώνουν το υπάρχον πρόβληµα. Στην πλειονότητα των νησιών, κυρίως στις Κυκλάδες και τα ωδεκάνησα, το πρόβληµα είναι έντονο, η κάλυψη των αναγκών νερού είναι προβληµατική, οι υδατικοί πόροι είναι αρκετά περιορισµένοι και ανεπαρκείς, ενώ έχει παρατηρηθεί διείσδυση θαλασσινού νερού στους υδροφόρους ορίζοντες, που επιδεινώνει την κατάσταση [26],[1]. Εκτιµάται ότι περίπου στρέµµατα γεωργικής γης, σε πολλές παράκτιες περιοχές του Αιγαίου έχουν οξυµένα προβλήµατα υφαλµύρωσης [2]. Η ανάπτυξη του τουρισµού οδηγεί σε µεγάλη διακύµανση της ζήτησης µεταξύ θερινής και χειµερινής περιόδου, µε σηµαντική αύξηση της ζήτησης νερού κατά τους καλοκαιρινούς µήνες, που µπορεί να φτάσει στο πενταπλάσιο της χειµερινής ζήτησης. Η συνολική κατανάλωση νερού των νησιών του Αιγαίου, το 2008, ήταν περίπου 166x10 6 m³ ετησίως. Αυτά καλύπτονταν κατά 82,6% από υπόγεια ύδατα, κατά 4,4% από ταµιευτήρες, κατά 4,1% µε αφαλάτωση και κατά 1,4% µε µεταφορά νερού από άλλες περιοχές, ενώ συνολικό ετήσιο έλλειµµα περίπου 20 x10 6 m³ δεν καλυπτόταν. 2.2 Ανάγκες και συνολικό έλλειµµα νερού στα νησιά του Αιγαίου Στις Κυκλάδες και τα ωδεκάνησα τα άνυδρα νησιά κατατάσσονται σε τρεις κατηγορίες µε βάση τη µέση ηµερήσια έλλειψη νερού κατά την θερινή περίοδο [26]. Στην πρώτη κατηγορία ανήκουν τα νησιά µε έλλειµµα m³ /d όπως είναι τα Κουφονήσια, η Κίµωλος, η Τήνος, η Μήλος, οι Λειψοί, η Μεγίστη, η Νίσυρος, η Πάτµος, η Σύµη και η Χάλκη. 7

23 Πίνακας 2.1: Οι συνολικές ανάγκες και το συνολικό έλλειµµα νερού στα νησιά του Αιγαίου [2] Υφιστάµενη κατάσταση Προβλεπόµενη κατάσταση 2020 Νήσος Συνολικές απαιτήσεις σε χιλιάδες m³ Συνολικό έλλειµµα (%) Συνολικές απαιτήσεις σε Συνολικό έλλειµµα (%) Αστυπάλαια , ,5 Κάλυµνος-Ψέριµος-Τέλενδος 2,003 1,2 2,292 6,2 Λειψοί , ,3 Λέρος Φαρµακονήσι 1,03 4,5 1,22 9,5 Πάτµος-Αρκοί , Κάσος ,7 Κάρπαθος-Σαρία 1, ,586 0,6 Κώς 13,162 4,2 15,061 12,5 Νίσηρος-Γυαλί , Μεγίστη-Ρω Ρόδος 32,057 3,4 38,697 2,7 Σύµη 306 8, ,6 Χάλκη 73 30, ,7 Tήλος 144 7, ,9 Αγαθονήσι 17 2, ,8 Άνδρος 5,571 1,2 5,817 2,2 Αµοργός , ,9 Θήρα 2,338 16,5 3,699 41,2 Ίος ,6 Κύθνος ,6 Κέα 1,502 5,9 1,052 15,2 Σέριφος 344 4, ,3 Μήλος 1,255 10,5 1,435 1,7 Σίφνος , ,1 Νάξος 12,457 45,4 13,759 45,1 Πάρος 3,461 1,6 3,82 13,7 Σύρος 3,751 37,6 4,199 41,4 Μύκονος- ήλος 3,037 24,3 3,454 43,4 Τήνος 3,321 9,7 3,017 8,5 Ανάφη , ,9 ονούσα 23 1,3 34 9,4 Ηρακλειά 55 5, ,3 Κουφονήσια 48 17,7 68 9,2 Σχοινούσα 74 44, ,7 Κίµωλος 83 1,1 91 0,7 Σίκινος 38 8, ,7 Φολέγανδρος 95 51, ,4 Αντίπαρος 207 0, ,8 Αγ. Ευστράτιος ,7 Λέσβος 44,398 6,9 46,617 10,1 Λήµνος 6,29 5,5 6,602 12,4 Ικαρία 2, ,055 2,1 Σάµος 14,176 22,2 14,362 11,7 Φούρνοι-Θύµαινα 189 0, ,1 Οινούσες Χίος 11, ,596 6,8 Ψαρά ,8 Σύνολο 165,842 11,5% 184,965 13,20% 8

24 Στη δεύτερη κατηγορία ανήκουν τα νησιά µε έλλειµµα m³/d όπως είναι η Αµοργός, η Ηρακλειά, η Σχοινούσα, η Φολέγανδρος, η Σίκινος, η Θηρασιά και το Αγαθονήσι. Στην τρίτη κατηγορία ανήκουν τα νησιά µε έλλειµµα 10 και 25 m³/d όπως είναι η ονούσα, η Παλιόνησσος και η Ψέριµος. Στον Πίνακα 2.1 φαίνονται οι συνολικές ανάγκες και το συνολικό έλλειµµα του νερού στα νησιά του Αιγαίου, η υφιστάµενη κατάσταση και η προβλεπόµενη για το έτος Εναλλακτικές λύσεις στο πρόβληµα της λειψυδρίας Οι εναλλακτικές λύσεις στο πρόβληµα της λειψυδρίας είναι: Η µεταφορά νερού από γειτονικά νησιά ή από την ηπειρωτική χώρα. Η αφαλάτωση νερού. Η κατασκευή επιφανειακών δεξαµενών νερού, µε µηδενικό σχεδόν κόστος Η κατασκευή νέων φραγµάτων Η βελτίωση και συντήρηση των υποδοµών των νησιών, προκειµένου να ελαχιστοποιηθούν οι απώλειες νερού. Η επαναχρησιµοποίηση του νερού. Η µεταφορά νερού και η αφαλάτωση είναι οι εναλλακτικές λύσεις που εφαρµόζονται περισσότερο, ενώ επίσης έχουν κατασκευαστεί φράγµατα σε πολλές περιοχές Κατασκευή φραγµάτων Η κατασκευή φραγµάτων είναι µια λύση που εκµεταλλεύεται το ανάγλυφο του εδάφους των νησιών, µε τις έντονες κλίσεις και τις υψοµετρικές διαφορές. Κατά την περίοδο βροχοπτώσεων, δηµιουργούνται χείµαρροι που µε ταχύτητα κατευθύνουν µεγάλες ποσότητες νερού στη θάλασσα, αφήνοντάς το αναξιοποίητο και ανεκµετάλλευτο. Στη Μύκονο, κατασκευάστηκαν δύο φράγµατα στην περιοχή Μαραθιά και Άνω Μεράς, χωρητικότητας 3 x10 6 m³ νερού και 1 x10 6 m³ νερού αντίστοιχα, µε σηµαντική συµβολή στην ύδρευση του νησιού. Ως αποδοτικά φράγµατα, ενδεικτικά αναφέρονται εκείνα στην Αστυπάλαια, στην Απολακιά της Ρόδου, η λιµνοδεξαµενή Εγγαρών και το φράγµα Φανερωµένης στη Νάξο, κατασκευασµένο από το υπουργείο Αγροτικής Ανάπτυξης που εξασφαλίζει στο νησί πάνω από 2 x10 6 m³ νερού το χρόνο. Τα φράγµατα στη Βακέτα Τήνου, στις Καµάρες Σίφνου, στον Τούρλο Πάρου, στο Ρούκουνα στην Ανάφη και στα Κατάπολα στην Αµοργό είναι κατασκευασµένα από τη νοµαρχία. 9

25 Εικόνα 2.1 : Η κατασκευή φραγµάτων είναι µια εναλλακτική λύση στο πρόβληµα της λειψυδρίας [14] Ενδεικτικά επίσης αναφέρεται ότι στη Λέρο, το υπουργείο Αγροτικής Ανάπτυξης κατασκεύασε φράγµα κόστους 4,3 εκ., το οποίο όµως δεν καταφέρνει να µαζέψει νερό. Στην Τήνο το έργο στο Λιβαδά κατασκευάστηκε το 1992, αλλά αµέσως παρουσιάστηκαν προβλήµατα διαρροών. Επιπλέον, διαπιστώθηκε ότι στο ρέµα που τροφοδοτεί το φράγµα καταλήγουν αστικά απόβλητα που κάνουν το νερό ακατάλληλο για ύδρευση [17]. Η κατασκευή φραγµάτων έχει τα µειονεκτήµατά της, καθώς η κατασκευή ενός φράγµατος, έστω και µικρού, έχει υψηλό κόστος, απαιτεί πληθώρα υποδοµών ενώ προκαλεί και σηµαντική αλλοίωση στο περιβάλλον καθώς είναι µια µόνιµη και βαριά κατασκευή που ενδεχοµένως να προκαλεί αισθητική όχληση Μεταφορά νερού Η µεταφορά νερού από γειτονικά νησιά ή από την ηπειρωτική χώρα άρχισε να εφαρµόζεται από τη δεκαετία του 80 και είναι µια λύση προσωρινή και πολύ δαπανηρή. Αρχικά η µεταφορά γινόταν µε πλοία του στρατού, αλλά εδώ και αρκετά χρόνια έχει ανατεθεί σε ιδιώτες και η αγορά µονοπωλείται από ένα υδροφόρο πλοίο. Κατά τα πρώτα χρόνια, όπου η µεταφορά νερού γινόταν από ιδιώτες, οι διαγωνισµοί γινόταν µε ευθύνη των Νοµαρχιών Κυκλάδων και ωδεκανήσου ενώ αργότερα, από το 2004, η διαδικασία ανατέθηκε στο Υπουργείο Αιγαίου [17]. Παρά τα µειονεκτήµατά της λύσης αυτής, το Υπουργείο Αιγαίου επιδοτεί τη µεταφορά του νερού παρέχοντας σηµαντικά κονδύλια. Σύµφωνα µε σύµβαση µεταξύ του Υπουργείου και της υπεργολάβου εταιρίας, για το έτος 2005, το κόστος του µεταφερόµενου νερού στις Κυκλάδες ήταν περίπου 7,60 /m³ (µε ΦΠΑ), ενώ στα ωδεκάνησα ήταν 5,35 (µε ΦΠΑ). Η διαφορά του κόστους οφείλεται κυρίως στο γεγονός ότι στα νησιά των Κυκλάδων το νερό 10

26 µεταφέρεται από την Εταιρία Ύδρευσης και Αποχέτευσης Πρωτεύουσας (ΕΥ ΑΠ), ενώ στα ωδεκάνησα κυρίως µεταφέρεται από τη Ρόδο [17]. Στα µειονεκτήµατα αυτής της µεθόδου πρέπει να προστεθεί η αµφιλεγόµενη ποιότητα του νερού που φτάνει στον καταναλωτή, τα προβλήµατα εφοδιασµού λόγω κακού προγραµµατισµού και δυσµενών καιρικών συνθηκών, η τήρηση των κανόνων υγιεινής κατά τη µεταφορά και το περιβαλλοντικό κόστος από τα καυσαέρια των πλοίων και την µόλυνση της θάλασσας. Ένα άλλο αρνητικό σηµείο της µεθόδου που πρέπει να ληφθεί υπόψη είναι ότι το νερό που µεταφέρεται, προέρχεται από κάποια περιοχή, που µπορεί τώρα να µην έχει έντονο πρόβληµα λειψυδρίας, αλλά στερώντας της µεγάλες ποσότητες νερού, µπορεί αργότερα να παρουσιάσει έλλειψη. Το 2008 µεταφέρθηκαν σε 14 νησιά των Κυκλάδων m³ νερού και σε 20 νησιά των ωδεκανήσων m³. Το συνολικό κόστος ήταν 13 εκ., άρα το µέσο κόστος µεταφοράς 8,28 /m³ [17]. Το 2009 διατέθηκαν 9 εκ. για τη µεταφορά νερού, ενώ το 2010, το ηµόσιο θα καταβάλει 7,5 εκ. [17]. Το κόστος µεταφοράς νερού µε πλοίο είναι 7,3 /m³ για τα ωδεκάνησα και 9,3 /m³ για τις Κυκλάδες [1], ενώ ως προς την ποιότητά του, δεν χαρακτηρίζεται ως πόσιµο Αφαλάτωση νερού Η αφαλάτωση του νερού είναι µια εναλλακτική λύση, πολύ χαµηλότερου κόστους από τη µεταφορά νερού και έχει ήδη εφαρµοστεί σε ορισµένα νησιά µε την κατασκευή και λειτουργία µονάδων αφαλάτωσης κυρίως µε τη µέθοδο της αντίστροφης όσµωσης. Κάποιες από αυτές τις µονάδες έχουν εγκαταλειφθεί, πολλές λειτουργούν, ενώ µερικές είναι πιλοτικές εφαρµογές ενταγµένες σε αναπτυξιακά προγράµµατα. 11

27 Κεφάλαιο 3 Αφαλάτωση 3.1 Γενικά Αφαλάτωση είναι η διεργασία αφαίρεσης αλάτων από µια αλατούχα ουσία και κυρίως από αλατούχα ύδατα. Κατ επέκταση, η αφαλάτωση είναι µια µέθοδος ανάκτησης πόσιµου νερού από θαλασσινό νερό ή από υφάλµυρα υπόγεια και επιφανειακά νερά. Υφάλµυρο θεωρείται το νερό µε συγκέντρωση ppm TDS, ενώ θαλασσινό το νερό µε αλατότητα περίπου ppm TDS [34], [29]. Για να γίνει η επεξεργασία, απαιτούνται εγκαταστάσεις µε ανεπτυγµένη τεχνολογία και υψηλό κόστος. Η έλλειψη νερού όµως παρουσιάζεται και σε χώρες που όχι µόνο δεν έχουν οικονοµικά προβλήµατα, αλλά είναι διατεθειµένες να επενδύσουν αξιόλογα ποσά τόσο για την τεχνολογική έρευνα όσο και για την εγκατάσταση µεγάλων µονάδων αφαλάτωσης, αρκεί οι πολίτες τους να µην στερηθούν αυτό το πολύτιµο φυσικό αγαθό. Λόγω της ωρίµανσης των τεχνολογιών της αντίστροφης όσµωσης και της αύξησης των αναγκών σε πόσιµο νερό, τις τελευταίες δεκαετίες η παγκόσµια δυναµικότητα αφαλάτωσης παρουσιάζει σηµαντική άνοδο, όπως φαίνεται στο Σχήµα 3.1 µε µέσο ετήσιο ρυθµό αύξησης 8% κατά την περίοδο Η εγκατεστηµένη δυναµικότητα υπολογίζεται σήµερα σε 59,9x10 6 m 3 /d, ενώ άλλα 9,1x10 6 m 3 /d βρίσκονται σε φάση κατασκευής. Οι εγκαταστάσεις αφαλάτωσης που βρίσκονται σήµερα σε λειτουργία παγκοσµίως, υπερβαίνουν τις , ενώ στο τέλος του 2008 ήταν σύµφωνα µε την IDA. Σχήµα 3.1: Εγκατεστηµένη και υπό κατασκευή παγκόσµια δυναµικότητα αφαλάτωσης (σε 10 6 m 3 /d) [11] 12

28 Σχήµα 3.2: υναµικότητα παραγωγής µονάδων αφαλάτωσης ανά χώρα (σε εκατοµ.m 3 /d), παγκοσµίως [11] Στις άνυδρες χώρες της Μέσης Ανατολής και της Βόρειας Αφρικής είναι εγκατεστηµένο περισσότερο από το µισό της παγκόσµιας δυναµικότητας. Οι χώρες αυτές καλύπτουν το σύνολο ή πολύ σηµαντικό τµήµα των αναγκών τους κυρίως µε θερµική αφαλάτωση. Χώρες όπως οι ΗΠΑ, η Ισπανία, η Κίνα, η Ιαπωνία, η Αυστραλία, το Ισραήλ και η Κύπρος, οι οποίες διαθέτουν εγκαταστάσεις µε µεγάλη δυναµικότητα παραγωγής, χρησιµοποιούν κυρίως µεθόδους µεµβρανών. Στο Σχήµα 3.2 παρουσιάζεται η δυναµικότητα παραγωγής των µονάδων αφαλάτωσης ανά χώρα, παγκοσµίως. Είναι αξιοσηµείωτο ότι οι δέκα πρώτες χώρες, η Σαουδική Αραβία, οι ΗΠΑ, τα Ηνωµένα Αραβικά Εµιράτα, η Ισπανία, το Κουβέιτ, η Αλγερία, η Κίνα, το Κατάρ, η Ιαπωνία και η Αυστραλία, ελέγχουν το 87,5% της παγκόσµιας δυναµικότητας. Στο Σχήµα 3.3, φαίνεται η δυναµικότητα σε m³/d των µονάδων αφαλάτωσης που βρίσκονται στις χώρες της Μεσογείου. Το µεγαλύτερο µερίδιο το έχει η Ισπανία, ακολουθεί η Αλγερία, το Ισραήλ, ενώ η Κύπρος διαθέτει αρκετές µονάδες, σε σχέση µε τη µικρή έκταση της χώρας. Ο κλάδος της αφαλάτωσης έχει προσελκύσει ήδη το ενδιαφέρον πολυεθνικών εταιριών από την Ευρώπη (Γαλλία, Ιταλία, Ισπανία, κ.τ.λ.), τις ΗΠΑ, τη Ν. Κορέα, την Ιαπωνία, την Κίνα και το Ισραήλ, λόγω των υψηλών ρυθµών ανάπτυξης, των σταθερών περιθωρίων κέρδους και κυρίως λόγω των ιδιαίτερα θετικών προοπτικών για τα επόµενα χρόνια. Σύµφωνα µε τις προβλέψεις της Global Water Intelligence, η παγκόσµια παραγωγή νερού µε αφαλάτωση αναµένεται να υπερδιπλασιαστεί µέχρι το 2016 (από 52x10 6 m 3 /d το 2008 σε 107x10 6 m 3 /d το 2016), ενώ οι επενδύσεις στον τοµέα αυτό θα ξεπεράσουν τα 64 δισ. δολάρια. Η ετήσια επενδυτική δαπάνη από 2,4 δις. δολάρια το 2008 προβλέπεται να ξεπεράσει τα 8,4 δις. το 2016, παρουσιάζοντας µέσο ετήσιο ρυθµό ανάπτυξης 19% [11]. 13

29 Σχήµα 3.3: Παραγωγή νερού σε m³/d των µονάδων αφαλάτωσης που βρίσκονται στις χώρες της Μεσογείου [11] 3.2 Ιστορική διαδροµή Οι αρχαίοι Έλληνες γνώριζαν την διαδικασία αφαλάτωσης µέσω εξάτµισης, ενώ οι ναυτικοί είχαν µαζί τους στα µεγάλα ταξίδια τους µικρές συσκευές απόσταξης θαλασσινού νερού. Ο Αριστοτέλης, το 350 π.χ., είχε πειραµατιστεί στην αφαλάτωση. To 200 µ.χ., οι ναυτικοί έχουν στα πλοία τους µικρές, πρωτόγονες µονάδες αφαλάτωσης. Το 16ο αιώνα οι ευρωπαίοι θαλασσοπόροι ήταν εφοδιασµένοι, µε µονάδες αφαλάτωσης οι οποίες επιτρεπόταν να χρησιµοποιηθούν µόνο σε περίπτωση ανάγκης. Το 1850 αναπτύχθηκαν µέθοδοι απόσταξης ζάχαρης, που ελαττώνουν τις απαιτήσεις ενέργειας κατά 80%, από τον Αµερικανό µηχανικό Norbert Rilieux, ενώ στα τέλη του 19ου αιώνα αυτές οι µέθοδοι αρχίζουν να εφαρµόζονται και στην αφαλάτωση θαλασσινού νερού. Το 1869 δίνεται στην Αγγλία το πρώτο δίπλωµα ευρεσιτεχνίας για αφαλάτωση νερού. Το 1890, στη υτική Αυστραλία λειτουργούν µονάδες αφαλάτωσης µε τη θερµαντική µέθοδο και παράγουν πανάκριβο νερό. Τα 4,5 λίτρα αφαλατωµένου νερού κόστιζαν όσο το ένα τρίτο του µισθού ενός ανειδίκευτου εργάτη. 14

30 Το 1930 γίνεται η εγκατάσταση του πρώτου εργοστασίου αφαλάτωσης στις Ολλανδικές Αντίλλες. Το 1950 στην Αµερική, ιδρύεται το Τµήµα Αλµυρού Νερού και χρηµατοδοτούνται έρευνες για την αφαλάτωση, ενώ σε χώρες στη Μέση Ανατολή γίνονται οι πρώτες σύγχρονες εφαρµογές θερµικής αφαλάτωσης. Το 1960 στο πανεπιστήµιο UCLA της Καλιφόρνια εκτελούνται τα πρώτα πειράµατα στην αντίστροφη όσµωση και κατασκευάζονται οι πρώτες µεµβράνες από τους ερευνητές, Sydney Loeb και Shrinivasa Sourirajan. Το 1965 εφαρµόζεται η µέθοδος της αντίστροφης όσµωσης σε µια πειραµατική µονάδα αφαλάτωσης υφάλµυρου νερού. Στα τέλη της δεκαετίας του '70, ο ερευνητής John Cadotte, εφευρίσκει µια µεµβράνη, µε εξαιρετικά βελτιωµένα χαρακτηριστικά, η οποία χρησιµοποιείται ευρύτατα τα επόµενα χρόνια. Το 1980, λειτουργεί στη Jeda της Σαουδικής Αραβίας, η πρώτη µονάδα αφαλάτωσης που εξυπηρετεί πόλη. Την περίοδο πραγµατοποιείται τεχνολογική πρόοδος στην παραγωγική διαδικασία της αντίστροφης όσµωσης, που είχε σαν αποτέλεσµα τη βελτίωση της ποιότητας του νερού και κυρίως τον υποτριπλασιασµό του κόστους αφαλάτωσης. Το 2006 το περιοδικό Science δηµοσίευσε µελέτη που ανέφερε τη δηµιουργία µεµβρανών νανοσωλήνων άνθρακα (carbon-nanotube membrane), οι οποίες µπορούν να µειώσουν το κόστος παραγωγής κατά 3-4 φορές, λόγω της πολύ χαµηλότερης πίεσης που απαιτείται. Η µέθοδος βρίσκεται σε πειραµατικό στάδιο και εκτιµάται ότι σε 6 µε 8 χρόνια, θα µπορεί να χρησιµοποιηθεί σε βιοµηχανική κλίµακα Το 2006 το Pacific Institute παρουσιάζει µελέτη µε τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις της αφαλάτωσης, οι οποίες δεν είναι απαγορευτικές, αλλά ούτε και αµελητέες [5]. 3.3 Η νοµοθεσία για τις µονάδες αφαλάτωσης Οι µονάδες αφαλάτωσης εντάσσονται στην κατηγορία των «Βιοµηχανικών εγκαταστάσεων», και η ίδρυση και λειτουργία τους βασίζεται στο νόµο 3325/ Περί ίδρυσης και λειτουργίας των βιοµηχανικών-βιοτεχνικών εγκαταστάσεων στο πλαίσιο της αειφόρου ανάπτυξης και άλλες διατάξεις. Για την εγκατάσταση µιας µονάδας αφαλάτωσης απαιτούνται: A. Άδεια εγκατάστασης από τη Νοµαρχιακή Αυτοδιοίκηση, για την οποία απαιτείται σύµφωνα µε την ΥΑ Αριθ.Φ15/οικ.7815/615), υποβολή αίτησης µηχανολογικής εγκατάστασης που να συνοδεύεται από: 1. Γενικά δικαιολογητικά 15

31 Συµπλήρωση ερωτηµατολογίου (Ν.3325/2005) Έγκριση περιβαλλοντικών όρων (ΕΠΟ), µε συνηµµένη την εγκεκριµένη µελέτη Βεβαίωση χρήσης γης (Πολεοδοµικές υπηρεσίες) 2. Ειδικά δικαιολογητικά (κατά περίπτωση) εν απαιτείται άδεια εγκατάστασης για µηχανολογικές εγκαταστάσεις µε κινητήρια ισχύ έως 22 KW ή θερµική έως 50 KW (χαµηλής όχλησης). Σύµφωνα µε την ΚΥΑ Αρ.13727/724/2003 Αντιστοίχηση των κατηγοριών των βιοµηχανικών και βιοτεχνικών δραστηριοτήτων µε τους βαθµούς όχλησης που αναφέρονται στα πολεοδοµικά διατάγµατα, η αφαλάτωση νερού κατατάσσεται σε µέσο βαθµό όχλησης για µονάδες µε δυναµικότητα παραγωγής µεγαλύτερη από 100 m 3 /d και στη χαµηλή όχληση για µονάδες µε δυναµικότητα παραγωγής ίση ή µικρότερη από 100 m 3 /d. B. Για την έκδοση άδειας λειτουργίας απαιτούνται: 1. Γενικά δικαιολογητικά Υπεύθυνες δηλώσεις για την τήρηση της µελέτης κατασκευής, τον αριθµό και την ειδικότητα των τεχνικών που θα εργασθούν και του υπεύθυνου της λειτουργίας και συντήρησης του εξοπλισµού. 2. Ειδικά δικαιολογητικά: Πιστοποιητικό πυροπροστασίας Άδεια οικοδοµής, εφόσον προβλέπεται Άδεια χρήσης νερού σύµφωνα µε το νόµο Ν3199/2003 Προστασία και διαχείριση των υδάτων-εναρµόνιση µε την οδηγία 2000/60/ΕΚ του Ευρωπαϊκού Κοινοβουλίου και του Συµβουλίου της 23ης Οκτωβρίου 2000, 9ΦΕΚ Α 280/ ), ο οποίος αναφέρει ότι για την παροχή νερού, τη χρήση νερού και την εκτέλεση έργου για την αξιοποίηση υδατικών πόρων, καθώς και για κάθε έργο ή δραστηριότητα που αποσκοπεί στην προστασία από τη ρύπανση λόγω απόρριψης υγρών αποβλήτων στο περιβάλλον, από φυσικό ή νοµικό πρόσωπο του ιδιωτικού και του δηµόσιου τοµέα, απαιτείται άδεια. Η άδεια εκδίδεται από την οικεία Περιφέρεια κατόπιν της Έγκρισης Περιβαλλοντικών Όρων (ΕΠΟ) Άδεια κατασκευής λιµενικού έργου και χρήσης αιγιαλού και παραλίας (Ν2971/2001) σύµφωνα µε το νόµο 2971/ Αιγιαλός, Παραλία και άλλες διατάξεις. Λιµενικά έργα είναι εκείνα, που εκτελούνται ολικώς ή µερικώς στον αιγιαλό, την παραλία ή την παράκτια ζώνη, µέσα στη θάλασσα, στον πυθµένα της θάλασσας και στο υπέδαφος του βυθού, καθώς και εκείνα που επιφέρουν διαµόρφωση ή αλλοίωση των χώρων αυτών ή που προβλέπονται από τις διατάξεις περί Λιµενικών Ταµείων. Ο καθορισµός ορίων αιγιαλού και παραλίας γίνεται σε επίπεδο Νοµού από Επιτροπή που 16

32 συγκροτείται από την Κτηµατική Υπηρεσία, τον αρµόδιο λιµενάρχη, τη /νση Πολεοδοµίας, τον /ντή Χωροταξίας και Περιβάλλοντος της ΓΓ. της Περιφέρειας. Άδεια διάθεσης υγρών βιοµηχανικών αποβλήτων (ΥΑ Αριθ.Ειβ 221/65) σύµφωνα µε τη ΥΑ Αριθ.Ειβ 221/65 Περί διαθέσεως λυµάτων και βιοµηχανικών αποβλήτων, άρθρο 4, απαιτούµενα χαρακτηριστικά επιφανειακών υδάτων αναλόγως της χρήσεως αυτών. Με απόφαση του Νοµάρχη και µε δηµοσίευση της απόφασης στην Εφηµερίδα της Κυβερνήσεως, καθορίζεται το σηµείο εκβολής των λυµάτων ή βιοµηχανικών αποβλήτων, τα χαρακτηριστικά των επεξεργασµένων υγρών αποβλήτων και οι τυχόν απαιτούµενοι όροι. Βεβαίωση καταλληλότητας από την αρµόδια υπηρεσία Υγείας - πιστοποιητικό ποιότητας του νερού ανθρώπινης κατανάλωσης σύµφωνα µε την ΥΑ ΥΓ/Γ.Π οικ.38295/ , τροποποίηση της υγειονοµικής διάταξης ΚΥΑ Υ2/2600/2001 Ποιότητα του νερού ανθρώπινης κατανάλωσης» σε συµµόρφωση προς την οδηγία 98/83/ΕΚ της ΕΕ. Ειδικότερα όσον αφορά τις κατηγορίες αδειών χρήσης νερού, σύµφωνα µε την ΚΥΑ 43504/ Κατηγορίες αδειών χρήσης υδάτων εκτέλεσης έργων αξιοποίησής τους, διαδικασία έκδοσης, περιεχόµενο και διάρκεια ισχύος αυτών, έκδοση άδειας χρήσης νερού απαιτείται για τα εξής: Τα έργα υδροληψίας Τα έργα µεταφοράς νερού Τα έργα δικτύων Τα έργα ρύθµισης-αποθήκευσης Τα έργα επεξεργασίας νερού Τα έργα τροφοδότησης και τα έργα προστασίας-συντήρησης Η διαδικασία αυτή απαιτείται και για τα έργα του ηµοσίου και απαιτεί την υποβολή αίτησης προς την αρµόδια Κτηµατική Υπηρεσία συνοδευόµενη από τεχνικό φάκελο και γνωµοδότηση επί του φακέλου από: Υπουργείο Περιβάλλοντος, Χωροταξίας και ηµοσίων Έργων ΓΕΝ Υπουργείο Εµπορικής Ναυτιλίας Υπουργείο Πολιτισµού Νοµαρχιακή επιτροπή χωροταξίας και περιβάλλοντος ΕΟΤ Υπουργείο Γεωργίας ηµοτικό Συµβούλιο οικείου ΟΤΑ Υπουργείο Ανάπτυξης 17

33 Υπουργείο Αιγαίου Η µελέτη Περιβαλλοντικών Επιπτώσεων (ΜΠΕ) εγκρίνεται κατόπιν της γνωµοδότησης των παραπάνω φορέων. Αφού εγκριθεί η ΜΠΕ εκδίδεται η απόφαση παραχώρησης από την Κτηµατική Υπηρεσία [19]. Ο νέος νόµος 3851 για τις ΑΠΕ δίνει προτεραιότητα στις επενδύσεις αφαλάτωσης µε ΑΠΕ και τις κατατάσσει στους αυτοπαραγωγούς [1]. 3.4 Μονάδες αφαλάτωσης-µελλοντικός σχεδιασµός του Υπουργείου Πρόθεση του Υπουργείου είναι οι νέες µονάδες που πρόκειται να εγκατασταθούν, να γίνουν µε τη σύµπραξη ιδιωτικού και δηµόσιου φορέα (υλοποίηση µέσω Σ ΙΤ) και το θέµα έχει τεθεί σε διαβούλευση. Ο ιδιώτης θα αναλαµβάνει την κατασκευή και λειτουργία της µονάδας και το κράτος θα αγοράζει το νερό που παράγεται, µε ένα εκτιµώµενο κόστος 2-2,5 /m³. Όπου είναι δυνατόν οι µονάδες θα καλύπτουν τις ενεργειακές τους ανάγκες µε τη χρήση ΑΠΕ. Αναθέτουσα αρχή του έργου είναι η Γενική Γραµµατεία Αιγαίου και Νησιωτικής Πολιτικής (ΓΓΑΝΠ) του Υπουργείου Υποδοµών, Μεταφορών και ικτύων ΥπΥΜ [1]. Αντικείµενο του έργου θα είναι η προµήθεια πόσιµου νερού και η παράδοσή του σε δεξαµενές της τοπικής αυτοδιοίκησης άνυδρων νησιών των νοµών ωδεκανήσου και Κυκλάδων, µέσω µονάδων αφαλάτωσης που θα εγκατασταθούν σε κάθε νησί. Ο ανάδοχος του έργου θα αναλάβει την κατασκευή και λειτουργία των µονάδων αφαλάτωσης σε χώρους που θα παραχωρηθούν από την τοπική αυτοδιοίκηση, την παράδοση του νερού µέσω δικτύου στις δεξαµενές των ΟΤΑ, την κατασκευή του δικτύου, των προσβάσεων των αποθηκευτικών χώρων και των εγκαταστάσεων διάθεσης υγρών και στερεών αποβλήτων, όπου απαιτούνται. Μετά τη λήξη της σύµβασης σύµπραξης, οι υποδοµές θα µεταβιβάζονται στο δηµόσιο. Εξετάζεται το ενδεχόµενο να καθοριστούν από την Αναθέτουσα αρχή του έργου ελάχιστες εγγυηµένες ποσότητες νερού ανά έτος και ανώτατη τιµή διάθεσής του. Στα πλαίσια του έργου παράλληλα εντάσσεται και η εγκατάσταση µονάδων ΑΠΕ για την κάλυψη εύλογου ποσοστού των ενεργειακών αναγκών των µονάδων αφαλάτωσης, στην έκταση που θα παραχωρηθεί από τον ΟΤΑ, ή αν δεν είναι τεχνικά εφικτό, σε άλλη θέση [1]. 18

34 Κεφάλαιο 4 Κυριότερες µέθοδοι αφαλάτωσης 4.1 Κατηγορίες µεθόδων αφαλάτωσης Πολλές µέθοδοι αφαλάτωσης έχουν µελετηθεί σε πιλοτικές εγκαταστάσεις, όµως ελάχιστες εφαρµόστηκαν τελικά σε µεγάλη βιοµηχανική κλίµακα, ενώ µερικές εφαρµόστηκαν σε περιορισµένο αριθµό µικρών βιοµηχανικών µονάδων. Οι µέθοδοι αφαλάτωσης για την παραγωγή πόσιµου και βιοµηχανικού νερού από θαλασσινό ή υφάλµυρο νερό, που έχουν προταθεί, εφαρµοστεί και κυκλοφορούν περισσότερο στο εµπόριο, χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: Στις µεθόδους εξάτµισης ή απόσταξης ή θερµικές µεθόδους, οι οποίες βασίζονται στην απόσταξη και κατά τη διεργασία τους το νερό αλλάζει τουλάχιστον δύο φορές φάση. Στις µεθόδους µε µεµβράνες, οι οποίες χρησιµοποιούν µεµβράνες για το διαχωρισµό των αλάτων από το νερό. Μέθοδοι µε εξάτµιση 1. Πολυβάθµια εκτόνωση (Multi-Stage Flushing, MSF) 2. Πολυβάθµια εξάτµιση (Multiple Effect Distillation, MED) 3. Εξάτµιση µε επανασυµπίεση ατµών (Vapor Compression - VC [TC ή MVC]) 4. Ηλιακή απόσταξη (Solar Distillation) Μέθοδοι µε µεµβράνες 1. Αντίστροφη όσµωση (Reverse Osmosis, RO) 2. Ηλεκτροδιάλυση (Electrodialysis ED) ή αντίστροφη ηλεκτροδιάλυση (Electrodialysis Reversal - ΕDR) Από αυτές τις µεθόδους η αντίστροφη όσµωση (RO) και η πολυβάθµια εκτόνωση (MSF) εφαρµόζονται περισσότερο σε παγκόσµιο επίπεδο [11], [20]. 4.2 Μέθοδοι µε εξάτµιση Πολυβάθµια εκτόνωση ή πολυβάθµια εκρηκτική εξάτµιση (Multi-Stage Flushing, MSF) Η µέθοδος της πολυβάθµιας εκτόνωσης ή πολυβάθµιας εκρηκτικής εξάτµισης (πιθανώς ο όρος αστραπιαίας είναι καταλληλότερος), εφαρµόζεται σε µεγάλης κλίµακας εγκαταστάσεις µε µεγάλες παροχές σε αφαλατωµένο νερό. Η αρχή λειτουργίας της είναι η εξής: 19

35 Σχήµα 4.1: Απλοποιηµένη σχηµατική παράσταση εξατµιστηρίου εκρηκτικής εξάτµισης πολλαπλών βαθµίδων [3] Το θαλασσινό νερό θερµαίνεται σε ένα δοχείο που ονοµάζεται βραστήρας άλµης, σε θερµοκρασία λίγο χαµηλότερη από το σηµείο βρασµού και εισέρχεται στον πρώτο θάλαµο, που ονοµάζεται βαθµίδα, όπου επικρατεί πίεση χαµηλότερη από την πίεση κορεσµού. Με την απότοµη µετάβαση του θερµού θαλασσινού νερού σε χαµηλότερη πίεση, προκαλείται ο ταχύτατος βρασµός του και η απότοµη µετατροπή του σε ατµό. Ο ατµός που δηµιουργείται, έρχεται κατόπιν σε επαφή µε τους σωλήνες που µεταφέρουν κρύο θαλασσινό νερό, υγροποιείται και συλλέγεται ως καθαρό νερό. Η διαδικασία αυτή επαναλαµβάνεται στις επόµενες βαθµίδες, όπως φαίνεται στο Σχήµα 4.1, µε την υπολειπόµενη άλµη και µε πίεση συνεχώς µειούµενη, λόγω της αντίστοιχης µείωσης της θερµοκρασίας της άλµης. Στην πολυβάθµια εκτόνωση µε συµπαραγωγή, η µονάδα της αφαλάτωσης βρίσκεται κοντά σε θερµοηλεκτρικό σταθµό µε σκοπό να χρησιµοποιείται η ενέργεια που αποβάλλεται (ατµός) από το εργοστάσιο ηλεκτροπαραγωγής, για την παροχή της απαιτούµενης θερµότητας που χρειάζεται η αφαλάτωση, ενώ συγχρόνως γίνεται η απαιτούµενη ψύξη του εργοστασίου. Επιπλέον δεν αποβάλλεται η θερµότητα αυτή στο περιβάλλον, δηµιουργώντας αρνητικές επιπτώσεις. Η συµπαραγωγή µειώνει την απαιτούµενη ενέργεια της αφαλάτωσης κατά 50%- 66% και βελτιώνονται κατά πολύ τα οικονοµικά δεδοµένα της εγκατάστασης, επειδή το κόστος για την ενέργεια είναι το πιο σηµαντικό. Τέτοιες εγκαταστάσεις βρίσκουν ευρύτατη εφαρµογή στη Μέση Ανατολή και ειδικότερα στη Σαουδική Αραβία, τα Εµιράτα και το Κουβέιτ και καλύπτουν το 40% της παγκόσµιας εφαρµογής της αφαλάτωσης. Η πρώτη µεγάλη εγκατάσταση πραγµατοποιήθηκε στο Κουβέιτ 20

36 Εικόνα 4.1: Εγκατάσταση αφαλάτωσης µε τη µέθοδο πολυβάθµιας εκτόνωσης στην πόλη Gran Kanaria, Las Palmas που παράγει m³/d [3] και αποτελείτο από δύο µονάδες παροχής 4540 m 3 /d κάθε µία, µε 19x2 =38 βαθµίδες και µε βαθµό απόδοσης 5,7 Kg/2326 KJ. Στην Εικόνα 4.1 φαίνεται εγκατάσταση αφαλάτωσης µε τη µέθοδο πολυβάθµιας εκτόνωσης που είναι εγκατεστηµένη στην πόλη Gran Kanaria, Las Palmas και παράγει m³/d πόσιµο νερό. Μπορούµε δυνητικά να θεωρήσουµε ως βαθµό απόδοσης των θερµικών µονάδων αφαλάτωσης το πηλίκο της µάζας του παραγόµενου αποσταγµένου νερού προς την µάζα του ατµού που χρησιµοποιήθηκε. Για την συγκεκριµένη αυτή µέθοδο, ένας τυπικός βαθµός απόδοσης είναι περίπου οκτώ. 21

37 4.2.2 Πολυβάθµια εξάτµιση ή εξάτµιση µε πολλές βαθµίδες (Multiple Effect Distillation, MED) H πολυβάθµια εξάτµιση παλαιότερα δεν ήταν και τόσο διαδεδοµένη λόγω των τεχνικών προβληµάτων που είχε και σταδιακά αντικαταστάθηκε από την πολυβάθµια εκτόνωση. Αρχίζει όµως ξανά να κερδίζει έδαφος λόγω του ότι έχει καλύτερο συντελεστή θερµικής απόδοσης. Η αρχή λειτουργίας της είναι η εξής: Το κρύο θαλασσινό νερό ψεκάζεται πάνω σε σωλήνες που µέσα τους περνάει ατµός δηµιουργώντας ένα πολύ λεπτό στρώµα νερού που εξατµίζεται άµεσα. Ένα µέρος του ατµού συµπυκνώνεται και συλλέγεται σαν καθαρό νερό, ενώ η διαδικασία αυτή συνεχίζεται στην επόµενη βαθµίδα µε τον υπόλοιπο ατµό µαζί µε το υπόλοιπο θαλασσινό νερό που δεν ατµοποιήθηκε. Στο Σχήµα 4.2 φαίνεται η πορεία του διαλύµατος της άλµης και των ατµών σε τριτοβάθµιο εξατµιστήριο. Σε κάθε θάλαµο υπάρχει αντλία κενού που υποβοηθά την εξάτµιση, µειώνοντας βαθµιαία την πίεση σε κάθε βαθµίδα, εξισώνοντας την µε την πίεση κορεσµού στην αντίστοιχη θερµοκρασία του κάθε θαλάµου. Αυτό έχει σαν όφελος να λειτουργεί η εγκατάσταση τόσο σε υψηλή όσο και σε χαµηλή θερµοκρασία, η µέγιστη θερµοκρασία βρασµού µπορεί να είναι µέχρι και 70 o C [29], µε αποτέλεσµα να αποφεύγεται η διάβρωση και η απορριπτόµενη θερµότητα να είναι χαµηλού επιπέδου σε σχέση µε άλλες θερµικές διεργασίες. Στην πολυβάθµια εξάτµιση χρησιµοποιούνται συχνά συµπιεστές µηχανικοί ή θερµικοί, ενώ υπάρχουν παραλλαγές της µε οριζόντια ή κάθετη διάταξη των σωλήνων ατµού και µε τη Σχήµα 4.2: Πορεία του διαλύµατος της άλµης και των ατµών σε τριτοβάθµιο εξατµιστήριο [3] 22

38 Εικόνα 4.2: Εργοστάσιο παραγωγής νερού µε τη µέθοδο της πολυβάθµιας εξάτµισης ή εξάτµιση µε πολλές βαθµίδες (Multiple Effect Distillation, MED) [21] φορά του ατµού σε σχέση µε την άλµη (οµοροή, αντιροή). Στην Εικόνα 4.2 φαίνεται εργοστάσιο παραγωγής νερού µε τη µέθοδο της πολυβάθµιας εξάτµισης Εξάτµιση µε επανασυµπίεση ατµών (Vapor Compression VC [TC ή MVC]) Αυτή η µέθοδος είναι πιο απλή από τις προηγούµενες ενώ είναι και πιο αποτελεσµατική. Το κρύο νερό της θάλασσας ψεκάζεται πάνω σε σωλήνες από όπου περνά ατµός, θερµαίνεται και εξατµίζεται µε τη βοήθεια αεροσυµπιεστή που δηµιουργεί υποπίεση. Ο ατµός που εξατµίζεται από το θαλασσινό ή το υφάλµυρο νερό λαµβάνεται από µια διάταξη θερµότητας που τον συµπιέζει. Η συµπίεση του ατµού αυξάνει την πίεση και την θερµοκρασία του και έτσι µπορεί να χρησιµοποιηθεί η αποβαλλόµενη θερµότητα που προκύπτει από την συµπίεση για να δηµιουργηθεί επιπλέον ατµός. Η συµπίεση του ατµού µπορεί να γίνει µε δύο τρόπους. Ο πρώτος είναι η θερµική συµπίεση ατµών (Thermal Vapor Compression, TVC) όπου χρησιµοποιείται ένας θερµοσυµπιεστής για να αυξήσει την πίεση του ατµού. Στον δεύτερο τρόπο η συµπίεση του ατµού γίνεται µέσω µιας µηχανικής διάταξης, η οποία τις περισσότερες φορές λειτουργεί µε ηλεκτρισµό. Αυτή η διαδικασία έχει ονοµαστεί µηχανική συµπίεση ατµού (Mechanical Vapor Compression, MVC). Η µηχανική συµπίεση του ατµού και πάλι γίνεται µε δύο τρόπους. Κατά τον ένα η συµπίεση ατµού (VC) γίνεται σε µανοµετρικές πιέσεις και κατά τον άλλο η συµπίεση ατµού γίνεται υπό κενό (Vacuum Vapor Compression VVC) σε πολύ χαµηλές ατµοσφαιρικές πιέσεις. ιατάξεις που λειτουργούν ως µηχανικές τουρµπίνες τροφοδοτούν µηχανικά τη συµπίεση. Ο ατµός που παράγεται, µεταφέρεται σε ένα συµπυκνωτή όπου γίνεται η εναλλαγή θερµότητας και ο ατµός µετατρέπεται σε νερό. Το πόσιµο νερό που παράγεται 23

39 Σχήµα 4.3 ιάγραµµα τυπικής εγκατάστασης αφαλάτωσης µε επανασυµπίεση ατµών [3] αποθηκεύεται σε δεξαµενές, ενώ η θερµότητα χρησιµοποιείται και πάλι σε προηγούµενα στάδια της διαδικασίας. Η πιο αποδοτική διαδικασία απόσταξης όσο αφορά την κατανάλωση ενέργειας και την παραγωγή πόσιµου νερού είναι η συµπίεση ατµού υπό κενό. Είναι ιδιαίτερα αξιόπιστη και εύκολη στη διαχείριση και στη λειτουργία, πολύ ανθεκτική και µπορεί να λειτουργήσει ακόµα και υπό αντίξοες συνθήκες. Στο Σχήµα 4.3 φαίνεται το διάγραµµα τυπικής εγκατάστασης αφαλάτωσης µε επανασυµπίεση ατµών και στην Εικόνα 4.3 ένα εργοστάσιο παραγωγής νερού µε την ίδια µέθοδο. Εικόνα 4.3 Εργοστάσιο παραγωγής νερού µε τη µέθοδο της εξάτµισης µε επανασυµπίεση ατµών (Vapor Compression - VC [TC ή MVC]) [21] 24

40 4.2.4 Hλιακή απόσταξη (Solar Distillation) Στη µέθοδο αυτή γίνεται άµεση χρήση της ηλιακής ενέργειας µε συσκευές που ονοµάζονται ηλιακοί αποστακτήρες (solar stills). Η αρχή λειτουργίας της βασίζεται στην αρχή του θερµοκηπίου. Οι ακτίνες του ήλιου διέρχονται µέσα από µια διαφανή κεκλιµένη οροφή, θερµαίνουν το θαλασσινό νερό που βρίσκεται στον πυθµένα της, το οποίο εξατµίζεται και ανεβαίνει στην οροφή, οπότε συµπυκνώνεται και πάλι και µε κατάλληλη διάταξη συλλέγεται ως προϊόν, όπως φαίνεται στο Σχήµα 4.4. Η µέγιστη θερµοκρασία ενός τέτοιου θερµοκηπίου µπορεί να φτάσει περίπου τους 45 o C 55 o C το καλοκαίρι. Το κόστος λειτουργίας της εγκατάστασης είναι ελάχιστο ή µηδενικό γιατί δεν χρησιµοποιείται κανένα καύσιµο και το κόστος κατασκευής περιορίζεται µε την επιλογή σχετικά οικονοµικών υλικών. Σχήµα 4.4: Ηλιακός αποστακτήρας τύπου θερµοκηπίου, όπου Τ είναι το διαφανές κάλυµµα, Λ η λεκάνη που περιέχει το νερό και Σ τα κανάλια συλλογής του αποστάγµατος [3] Εικόνα 4.4: Εργοστάσιο παραγωγής νερού µε τη µέθοδο της ηλιακής απόσταξης [21] 25

41 Η απόδοση µιας τέτοιας εγκατάστασης είναι χαµηλή, περίπου 3,5 l/m 2 εδάφους. Το νερό που παράγεται δεν είναι απαλλαγµένο από µικροοργανισµούς και χρειάζεται περαιτέρω επεξεργασία. Στην Εικόνα 4.4 φαίνεται µια εγκατάσταση αφαλάτωσης µε τη µέθοδο της ηλιακής απόσταξης. 4.3 Μέθοδοι µε µεµβράνες Αντίστροφη όσµωση (Reverse Osmosis, RO) Η αντίστροφη όσµωση είναι µια πολύ διαδεδοµένη µέθοδος, στην Εικόνα 4.5 φαίνεται εργοστάσιο που χρησιµοποιεί τη µέθοδο και στην Εικόνα 4.6 δίνεται τριδιάστατη απεικόνιση µιας µονάδας. Εικόνα 4.5: Εργοστάσιο παραγωγής νερού µε τη µέθοδο της αντίστροφης όσµωσης [12] Εικόνα 4.6: Τριδιάστατη απεικόνιση µονάδας αντίστροφης όσµωσης [2] 26

42 Σχήµα 4.5: Η λειτουργία της όσµωσης και η λειτουργία της αντίστροφης όσµωσης [2] Η αρχή λειτουργίας της µεθόδου βασίζεται στο φαινόµενο της όσµωσης και χρησιµοποιείται η αντίστροφη διαδικασία από την ορθή όσµωση, που είναι η φυσική κίνηση του διαλύτη µέσω µιας µεµβράνης, από µια περιοχή που έχει χαµηλή συγκέντρωση µιας διαλυµένης ουσίας σε µια περιοχή που έχει υψηλή συγκέντρωση, όταν δεν ασκείται καµία εξωτερική πίεση. Στο Σχήµα 4.5 φαίνεται η λειτουργία της όσµωσης και της αντίστροφης όσµωσης. Με τη µέθοδο αυτή, ασκώντας µια πίεση πιο µεγάλη από την οσµωτική, ο διαλύτης που βρίσκεται σε µια περιοχή υψηλής συγκέντρωσης της διαλυµένης ουσίας εξαναγκάζεται να περάσει µέσα από µια µεµβράνη, σε µια περιοχή όπου η συγκέντρωση της διαλυµένης ουσίας είναι πολύ πιο χαµηλή. Σχήµα 4.6 : ιάγραµµα ροής αφαλάτωσης κατά τη µέθοδο της αντίστροφης όσµωσης [25] 27

43 Το θαλασσινό νερό αφού υποστεί προκατεργασία, µε τη βοήθεια αντλίας υψηλής πίεσης, διέρχεται µε πίεση από µια µεµβράνη που βρίσκεται στο κυρίως σύστηµα επεξεργασίας, οποία κρατάει την διαλυµένη ουσία στη µια πλευρά της και επιτρέπει στο καθαρό νερό να περάσει από την άλλη. Στο Σχήµα 4.6 δίνεται το διάγραµµα ροής της διαδικασίας που ακολουθείται σε αυτή τη µέθοδο, η οποία περιγράφεται αναλυτικά στο Κεφάλαιο 9. Οι µεµβράνες αποτελούν κύρια στοιχεία της διαδικασίας και όλη η µέθοδος βασίζεται στην καλή λειτουργία και στην προστασία των µεµβρανών. Είναι ιδιαίτερα ευαίσθητες στη λειτουργία τους, πρέπει να βρίσκονται σε σταθερές συνθήκες πίεσης και θερµοκρασίας και εντός των ορίων που θέτει ο κατασκευαστής τους. Το στάδιο προκατεργασίας του νερού έχει σκοπό το νερό που τις τροφοδοτεί να έχει τα χαρακτηριστικά που απαιτούνται για την καλή λειτουργία και την προστασία τους, αλλιώς καταστρέφονται και απαιτείται η αντικατάστασή τους. Στο Σχήµα 4.7 φαίνεται η δοµή µιας µεµβράνης σπειροειδούς µορφής. Υπάρχουν οι ακόλουθοι τύποι µεµβρανών: Επίπεδος τύπος Σπειροειδής µεµβράνη Σωληνωτός τύπος Τύπος τριχοειδών ινών Σχήµα 4.7: οµή µιας µεµβράνης αντίστροφης όσµωσης σπειροειδούς µορφής [2] Ηλεκτροδιάλυση (Electrodialysis ED ή Electrodialysis Reversal ΕDR) Η µέθοδος αυτή εφαρµόζεται σε υφάλµυρα νερά, µε σχετικά χαµηλές συγκεντρώσεις αλάτων, γιατί η ενέργεια που απαιτεί είναι ανάλογη της συγκέντρωσης των αλάτων. Για το λόγο αυτό δεν είναι οικονοµικά ανταγωνιστική για την αφαλάτωση θαλασσινού νερού και δεν έχει ευρεία εφαρµογή. Στην Εικόνα 4.7 φαίνεται εργοστάσιο αφαλάτωσης µε αυτή τη µέθοδο. 28

44 Εικόνα 4.7: Εργοστάσιο παραγωγής νερού µε τη µέθοδο της ηλεκτροδιάλυσης [21] Η αρχή λειτουργίας της βασίζεται στην αρχή της ηλεκτρόλυσης. Το θαλασσινό ή υφάλµυρο νερό περνάει µέσα από ένα σύστηµα φορτισµένων µεµβρανών που διαχωρίζουν τα ιόντα των διαλυµένων αλάτων και τα αποµακρύνουν από το καθαρό νερό. Τα ιόντα είναι οι ηλεκτρικά φορτισµένες µονάδες των µετάλλων και των ριζών που βρίσκονται στο νερό. Αν µέσα σε ένα δοχείο διαλυθεί µια ποσότητα χλωριούχου νατρίου, τότε µέσα στη µάζα υπάρχουν ιόντα νατρίου και ιόντα χλωρίου. Εφαρµόζοντας στο διάλυµα ηλεκτρική τάση µέσω δύο ηλεκτροδίων που βυθίζονται µέσα στο διάλυµα, δηµιουργείται ηλεκτρικό πεδίο. Τα φορτισµένα ιόντα κινούνται προς την κατεύθυνση των ηλεκτροδίων µε αντίθετο φορτίο από αυτά, όπως φαίνεται στο Σχήµα 4.8. Το κάθε ηλεκτρολυτικό κελί έχει δύο µεµβράνες σαν διαχωριστικά τοιχώµατα, ενώ στα πλευρικά τοιχώµατα βρίσκονται τοποθετηµένα τα ηλεκτρόδια της συσκευής συνδεδεµένα µε πηγή συνεχούς ρεύµατος. Σχήµα 4.8: Κίνηση των ιόντων κατά τη µέθοδο της ηλεκτροδιάλυσης [14] 29

45 Όταν στη συσκευή εισέλθει θαλασσινό νερό, τα διαλυµένα ιόντα κατά την κίνησή τους προσκολλώνται στις µεµβράνες µε επιλεκτικό τρόπο. Τα ιόντα των αλάτων που συνήθως περιέχει το νερό, διαπερνούν τις µεµβράνες και εγκαταλείπουν τον ενδιάµεσο θάλαµο, ο οποίος έτσι περιέχει νερό µε λιγότερα άλατα και εποµένως πιο καθαρό. Για τη βέλτιστη λειτουργία των µεµβρανών, κατά διαστήµατα γίνεται αντιστροφή των πεδίων, ώστε τα τµήµατα των µεµβρανών που είχαν µαζέψει πολλά άλατα να καθαρίζουν από το καθαρό νερό που ρέει. 4.4 Σύγκριση µεθόδων αφαλάτωσης Πολλοί παράγοντες συνηγορούν για την επιλογή της κατάλληλης µεθόδου και την εγκατάσταση ενός εργοστασίου αφαλάτωσης. Στο Σχήµα 4.9 φαίνονται σε παγκόσµια κλίµακα οι εγκαταστάσεις αφαλάτωσης κατά τεχνολογία και η παραγωγή τους σε m 3 /d. Η αντίστροφη όσµωση (RO) έχει το µεγαλύτερο µερίδιο µε 59% και ακολουθεί η πολυβάθµια εκτόνωση (MSF) µε ποσοστό 27%. Στον Πίνακα 4.1 φαίνεται η κατανοµή των εγκαταστάσεων ανά χώρα, η µέθοδος που εφαρµόζεται και η παραγωγή νερού σε χιλιάδες m 3 /d. Σχήµα 4.9 : Εγκαταστάσεις αφαλάτωσης κατά τεχνολογία και η παραγωγή τους σε m 3 /d [2] Το καλύτερο σύστηµα είναι αυτό που µπορεί να παράγει αξιόπιστα νερό µε τις αναµενόµενες προδιαγραφές ποιότητας και την αναµενόµενη ποσότητα νερού σε λογικό κόστος [29]. Τα κριτήρια σύµφωνα µε τα οποία γίνεται η επιλογή της κατάλληλης µεθόδου αφαλάτωσης είναι τα εξής [21]: 30

46 1. Η ποιότητα και αλατότητα του νερού τροφοδοσίας 2. Η απαιτούµενη ποιότητα του παραγόµενου νερού 3. Το µέγεθος της µονάδας 4. Η διαθεσιµότητα ηλεκτρικής ενέργειας 5. Η διαθεσιµότητα του περιβάλλοντος χώρου 6. Ο προϋπολογισµός της επένδυσης 7. Ο απαιτούµενος χρόνος παράδοσης της µονάδας 8. Η διαθεσιµότητα τεχνικού προσωπικού Επιπλέον ένας άλλος σηµαντικός παράγοντας που πρέπει να εξεταστεί είναι η δυνατότητα χρήσης ΑΠΕ, το δυναµικό της περιοχής, η δυνατότητα συνδυασµού της µεθόδου µε την ΑΠΕ [40]. Πίνακας 4.1 : Μέθοδος αφαλάτωσης ανά χώρα και η παραγωγή νερού σε 10 3 m 3 /d. Στον Πίνακα 4.2 δίνονται χαρακτηριστικά στοιχεία των κυριοτέρων µεθόδων αφαλάτωσης, το νερό τροφοδοσίας, ο τύπος της ενέργειας που απαιτείται, τα TDS του νερού που παράγεται και το εύρος δυναµικότητας της εγκατάστασης σε m 3 /d. Όσον αφορά το νερό τροφοδοσίας, οι θερµικές διεργασίες χρησιµοποιούνται για την αφαλάτωση του θαλασσινού νερού, ενώ η ηλεκτροδιάλυση χρησιµοποιείται για την αφαλάτωση υφάλµυρου νερού. Η αντίστροφη όσµωση χρησιµοποιείται για την αφαλάτωση τόσο του θαλασσινού όσο και του υφάλµυρου νερού. Συγκρίνοντας τις δύο µεθόδους µε µεµβράνες, για χαµηλή αλατότητα του τροφοδοτούµενου νερού και για µεγάλες εγκαταστάσεις αφαλάτωσης µε παραγωγή πόσιµου νερού, η ηλεκτροδιάλυση είναι η πιο ελκυστική εναλλακτική λύση. Για µεγαλύτερη αλατότητα του νερού τροφοδοσίας, η αντίστροφη όσµωση είναι συνήθως φθηνότερη επιλογή, αν και η επεξεργασία του τροφοδοτούµενου νερού είναι σηµαντικό µέρος της διαδικασίας και µπορεί να είναι δαπανηρή. Οι µονάδες αφαλάτωσης που χρησιµοποιούν τεχνολογίες πολυβάθµιας εκτόνωσης, πολυβάθµιας εξάτµισης και εξάτµισης µε επανασυµπίεση ατµών, χρησιµοποιούν θερµική 31

47 Πίνακας 4.2 : Χαρακτηριστικά στοιχεία των κυριότερων µεθόδων αφαλάτωσης [29] Μέθοδος Νερό τροφοδοσίας Eνέργεια Ποιότητα παραγόµενου νερού (ppm TDS) Μέγιστη τυπική δυναµικότητα µονάδας (m3/d) MSF θαλασσινό ατµός ~ MED θαλασσινό ατµός ~ VC θαλασσινό ηλεκτρισµός ~ SWRO θαλασσινό ηλεκτρισµός ~ BWRO υφάλµυρο ηλεκτρισµός ~ ED υφάλµυρο ηλεκτρισµός ~ ενέργεια για τη θέρµανση του νερού τροφοδοσίας. Επειδή η µετατροπή της θερµικής ενέργειας σε ηλεκτρισµό έχει χαµηλή απόδοση, υπάρχει ένα υψηλό ποσοστό απωλειών ενέργειας, αν για τη θέρµανση του νερού χρησιµοποιηθεί ηλεκτρική ενέργεια. Οι ενεργειακές ανάγκες των µονάδων αφαλάτωσης είναι πάρα πολύ υψηλές. Ενδεικτικά οι µονάδες εξάτµισης µε επανασυµπίεση ατµών ενδεικτικά καταναλώνουν 15 KWh/m³, ενώ οι µονάδες πολυβάθµιας εκτόνωσης καταναλώνουν πάνω από 20 KWh/m³. Γενικά οι θερµικές διεργασίες παράγουν αποσταγµένο νερό µε πολύ χαµηλά TDS (περίπου 10 έως 20 ppm), ενώ αντίθετα τα TDS του παραγόµενου νερού από τις µεθόδους αντίστροφης όσµωσης και ηλεκτροδιάλυσης είναι συνήθως γύρω στα ppm (πόσιµο). Η κατεργασία του νερού που απαιτείται µετά την αφαλάτωση ποικίλλει ανάλογα µε τη χρήση του παραγόµενου νερού. Οι µέθοδοι απόσταξης χρησιµοποιούνται συνήθως σε εγκαταστάσεις µε µεγάλη παραγωγή νερού. Εξαίρεση αποτελεί η διαδικασία εξάτµισης µε επανασυµπίεση ατµών, η οποία χρησιµοποιείται σε εφαρµογές µικρής και µεσαίας κλίµακας. Οι µονάδες πολυβάθµιας εκτόνωσης είναι κατάλληλες για µεγάλης κλίµακας εφαρµογές. Η διαδικασία πολυβάθµιας εξάτµισης χρησιµοποιείται σε µεσαίας και µεγάλης κλίµακας, ενώ έχουν αναπτυχθεί και εφαρµογές µικρής κλίµακας. Οι µέθοδοι µε µεµβράνες εφαρµόζονται σε µεγάλο εύρος παραγωγής νερού, καθώς και οι δύο τεχνολογίες, η αντίστροφη όσµωση και η ηλεκτροδιάλυση, είναι κατάλληλες για µικρές και µεγάλες εφαρµογές. Σε µια σύγκριση µεταξύ θαλασσινού και υφάλµυρου νερού, το κόστος αφαλάτωσης του θαλασσινού νερού (αλατότητα περίπου ppm TDS), είναι περίπου τρεις έως πέντε φορές µεγαλύτερο από το κόστος του υφάλµυρου νερού (αλατότητα ppm TDS), για το ίδιο µέγεθος της µονάδας. 32

48 4.5 Πλεονεκτήµατα της αντίστροφης όσµωσης H τεχνολογία της αντίστροφης όσµωσης έχει επικρατήσει στην αγορά έναντι των άλλων τεχνολογιών. Μερικά από τα πλεονεκτήµατα της µεθόδου είναι: 1. Μπορεί να αφαλατώνει θαλασσινό ή υφάλµυρο νερό 2. Εφαρµόζεται σε µεγάλο εύρος παραγωγής νερού, από µερικά λίτρα έως χιλιάδες 3. Οι µονάδες είναι αξιόπιστες 4. Μπορεί να παράγει πόσιµο νερό 5. Έχει χαµηλή ενεργειακή κατανάλωση σε σχέση µε άλλες µεθόδους 6. Έχει modular και compact κατασκευή, η οποία µπορεί να είναι εγκατεστηµένη µέσα σε µεταλλικά εµπορευµατοκιβώτια (container), όπως φαίνεται στην Εικόνα Έχει µικρό χρόνο κατασκευής σε σχέση µε άλλες µεθόδους 8. Οι εγκαταστάσεις που απαιτούνται είναι πολύ µικρότερες σε όγκο για την ίδια ποσότητα παραγόµενου νερού Εικόνα 4.8 : Μονάδα αντίστροφης όσµωσης εγκατεστηµένη σε container [12] Επιπλέον, δεν χρειάζεται θέρµανση του νερού τροφοδοσίας και εποµένως έχει χαµηλότερες θερµικές απώλειες, έχει λιγότερα προβλήµατα διάβρωσης, έχει υψηλότερο βαθµό απόδοσης, ενώ εκτός από τα άλατα µπορούν να αποµακρυνθούν και άλλα συστατικά όπως βακτήρια [11]. Ένα άλλο σηµαντικό πλεονέκτηµα είναι ο χρόνος που απαιτείται για την εγκατάστασή της. Μια µικρή µονάδα αντίστροφης όσµωσης µπορεί να ολοκληρωθεί σε ένα µήνα, ενώ η κατασκευή εγκαταστάσεων για θερµικές διεργασίες µπορεί να διαρκέσει γύρω στα τρία µε πέντε χρόνια και συγχρόνως απαιτεί πολύ µικρότερη έκταση γης από µια εγκατάσταση για θερµικές διεργασίες. 33

49 4.6 Κόστος αφαλάτωσης νερού Οικονοµικά της αφαλάτωσης Πολλοί παράγοντες επηρεάζουν τα οικονοµικά δεδοµένα µιας µονάδας αφαλάτωσης, µε κυριότερους την επιλογή της µεθόδου και την ποιότητα του νερού τροφοδοσίας, καθώς η αφαλάτωση θαλασσινού νερού κοστίζει τρεις έως πέντε φορές περισσότερο από του υφάλµυρου, για µονάδες ίδιου µεγέθους. Το συνολικό κόστος µιας εγκατάστασης αποτελείται από τα εξής [29]: Το κόστος επένδυσης Το κόστος λειτουργίας Το κόστος συντήρησης Αναλυτικότερα το κάθε ένα περιλαµβάνει [29]: 1. Το κόστος της επένδυσης περιλαµβάνει τον εξοπλισµό, τις ηλεκτροµηχανολογικές και υδραυλικές εγκαταστάσεις καθώς επίσης και τις κατασκευές που απαιτούνται να γίνουν. Οι µέθοδοι απόσταξης έχουν µεγαλύτερο κόστος επένδυσης σε σχέση µε τις διαδικασίες µεµβράνης, καθώς απαιτούν µεγαλύτερη έκταση και πολύ περισσότερο χρόνο εγκατάστασης. 2. Το κόστος διαχείρισης και λειτουργίας περιλαµβάνει το κόστος της ενέργειας, τα εργατικά για το προσωπικό που είναι απαραίτητο για την παρακολούθηση και τη λειτουργία της µονάδας, καθώς και το κόστος για τα αναλώσιµα, όπως είναι τα χηµικά και οι µεµβράνες στην αντίστροφη όσµωση. Οι µέθοδοι απόσταξης γενικά, έχουν χαµηλότερο κόστος λειτουργίας από τις µεθόδους µε µεµβράνες. 3. Το κόστος συντήρησης περιλαµβάνει το κόστος για την προκατεργασία του νερού τροφοδοσίας, τον περιοδικό καθαρισµό του συστήµατος και την αντικατάσταση του µηχανολογικού εξοπλισµού και των συστηµάτων ελέγχου. Σχήµα 4.10: Το κόστος επένδυσης ανάλογα µε τη δυναµικότητα της µονάδας αφαλάτωσης αντίστροφης όσµωσης [2] 34

50 Σχήµα 4.11: Κόστος εξοπλισµού σε /m³ d, µικρότερων µονάδων αφαλάτωσης αντίστροφης όσµωσης [2] Γενικές παρατηρήσεις: Για εγκαταστάσεις µε δυναµικότητα παραγωγής µεγαλύτερη από m³/d, η οικονοµία κλίµακας αποτελεί καθοριστικό παράγοντα του επενδυτικού κόστους. Το κόστος επένδυσης σε $/m³d παραγόµενου νερού, µειώνεται όσο αυξάνεται η δυναµικότητα της µονάδας αφαλάτωσης αντίστροφης όσµωσης, όπως φαίνεται στο Σχήµα Το κόστος εξοπλισµού σε /m³d, σε µικρότερες µονάδες αφαλάτωσης µε τη µέθοδο της αντίστροφης όσµωσης φαίνεται στο Σχήµα Οι θερµικές µέθοδοι έχουν χαµηλότερο κόστος λειτουργίας και συντήρησης, ενώ η διάβρωση και η ανάπτυξη αλάτων είναι το µεγαλύτερο πρόβληµα που παρουσιάζεται, ειδικά σε µονάδες που λειτουργούν σε υψηλές θερµοκρασίες. Το κόστος αντικατάστασης των µεµβρανών κατά την αντίστροφη όσµωση, είναι πολύ υψηλό, περίπου το 7% του συνολικού κόστους όπως φαίνεται στο Σχήµα Το κόστος της ενέργειας είναι 41%, οι αποσβέσεις 14% και τα ανταλλακτικά 11%, για µονάδα δυναµικότητας 125 m³/d, µε ανάκτηση ενέργειας 40%, κατανάλωση ενέργειας 3,5 kwh/m 3 και περίοδο απόσβεσης 10 χρόνια [2]. Η προσθήκη χηµικών και η γενικότερη προκατεργασία του νερού και τα αντίστοιχα κόστη που αυτά συνεπάγονται, εξαρτώνται άµεσα από την ποιότητα του νερού τροφοδοσίας. Γενικά οι µέθοδοι µε απόσταξη χρησιµοποιούν λιγότερα χηµικά για την προκατεργασία του νερού, σε σχέση µε τις µεθόδους µε µεµβράνες και γι αυτό όπως προαναφέρθηκε έχουν χαµηλότερο κόστος λειτουργίας. Στις διαδικασίες απόσταξης οι απαιτήσεις σε προσωπικό είναι λίγο λιγότερες σε σχέση µε την αντίστροφη όσµωση σε εφαρµογές µικρού µεγέθους, ενώ στις µεγαλύτερες εγκαταστάσεις οι απαιτήσεις εξισώνονται. Η κατανάλωση ενέργειας εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, γενικά όµως οι διαδικασίες που περιλαµβάνουν αλλαγή φάσης του νερού απαιτούν µεγαλύτερα ποσά ενέργειας και για 35

51 Σχήµα 4.12: Κατανοµή κόστους στη µέθοδο αντίστροφης όσµωσης [2] αυτό τον λόγο εφαρµόζονται κυρίως σε χώρες όπου υπάρχει άφθονο φθηνό πετρέλαιο, όπως στην Μέση Ανατολή, τη Σαουδική Αραβία και τα Ηνωµένα Αραβικά Εµιράτα. Σε περίπτωση συµπαραγωγής, το κόστος µειώνεται πολύ και συγκρίνεται µε το κόστος της αντίστροφης όσµωσης. Η ενέργεια που απαιτούν οι διεργασίες µεµβράνης, εξαρτάται άµεσα από την αλµυρότητα του νερού τροφοδοσίας, µε τη χρήση όµως συστηµάτων ανάκτησης ενέργειας µπορεί να γίνει σηµαντική εξοικονόµηση. Στον Πίνακα 4.3 δίνονται ενδεικτικές τιµές για τα επιµέρους κόστη, που µπορεί να αλλάζουν µε την πάροδο των ετών. Φαίνονται το κόστος επένδυσης, το κόστος ενέργειας, τα αναλώσιµα, το προσωπικό, το κόστος συντήρησης καθώς και το συνολικό κόστος λειτουργίας και συντήρησης στις κυριότερες µεθόδους αφαλάτωσης. Πίνακας 4.3 : Τα επιµέρους κόστη των κυριότερων µεθόδων αφαλάτωσης [29] Μέθοδος Επένδυση Ενέργεια Αναλώσιµα Εργατικά Συντήρηση Σύνολο λειτουργίας /m³ d /m³ /m³ /m³ /m³ & συντήρησης /m³ MSF ,6-1,8 0,03-0, ,02-0,06 0,68-2,15 MED ,38-1,12 0,02-0,15 0,03-0,02 0,02-0,06 0,45-1,53 VC ,56-2,4 0,02-0,15 0,03-0,02 0,02-0,08 0,63-2,83 SWRO ,32-1,28 0,09-0,25 0,03-0,02 0,02-0,05 0,46-1,78 BWRO ,04-0,4 0,05-0,13 0,03-0,02 0,004-0,02 0,12-0,75 ED ,06-0,4 0,05-0,13 0,03-0,2 0,006-0,009 0,15-0, Κόστος αφαλάτωσης νερού Το κόστος του παραγόµενου νερού µε αντίστροφη όσµωση είναι 0,75-1,5 /m³ κατά την αφαλάτωση θαλασσινού νερού και λιγότερο από 0,5 /m³ κατά την αφαλάτωση υφάλµυρου 36

52 Πίνακας 4.4: Η οικονοµία κλίµακας επηρεάζει το κόστος παραγόµενου νερού [2] νερού [20]. Το κόστος έχει µειωθεί λόγω της συνεχούς εξέλιξης των µεµβρανών, τη βελτίωση της απόδοσης των αντλιών, τη χρήση συστηµάτων ανάκτησης ενέργειας, τη σωστή σχεδίαση και επιλογή υλικών. Σύµφωνα µε άλλη βιβλιογραφική πηγή, το κόστος παραγόµενου νερού δίνεται στον Πίνακα 4.4, όπου φαίνεται ότι το τελικό κόστος του παραγόµενου νερού µειώνεται όσο αυξάνεται η δυναµικότητα παραγωγής της µονάδας. Παρά το χαµηλό κόστος του παραγόµενου νερού, το τελικό κόστος επηρεάζεται από τοπικούς παράγοντες, όπως είναι το κόστος του ανθρώπινου δυναµικού, το κόστος των χηµικών, το κόστος της ενέργειας κλπ Πώς επηρεάζει η αφαλάτωση νερού το περιβάλλον Οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις των µονάδων αφαλάτωσης εντοπίζονται σε όλα τα στάδια παραγωγής. Η µέθοδος της αντίστροφης όσµωσης είναι η λιγότερο ενεργοβόρος και ρυπαίνουσα από τις λοιπές καθιερωµένες µεθόδους, όπως φαίνεται στον Πίνακα 4.5, όπου δίνονται οι κυριότεροι εκπεµπόµενοι ρύποι ανά µέθοδο αφαλάτωσης. Κατά την αφαλάτωση νερού µε τη µέθοδο της αντίστροφης όσµωσης, οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις περιορίζονται στα εξής [18]: 1. Στη διάθεση της απορριπτόµενης άλµης, κυρίως όσον αφορά την περιεκτικότητά της σε άλας 2. Στην εκποµπή CO 2 κατά την παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας που απαιτείται για τη λειτουργία Σε κάθε στάδιο της διαδικασίας όµως πρέπει να λαµβάνεται ειδική µέριµνα ώστε να µην δηµιουργούνται πιέσεις στο περιβάλλον, όπως φαίνεται στο Σχήµα 4.13 και πρέπει να δίνεται ιδιαίτερη σηµασία στα µέτρα πρόληψης. Κατά την άντληση θαλασσινού νερού, στην είσοδο του αγωγού τροφοδοσίας δεν πρέπει να διαταράσσεται η θαλάσσια ισορροπία, πρέπει να γίνεται µελέτη της θαλάσσιας περιοχής καθώς και λήψη νερού από ανοιχτή θάλασσα ή από πηγάδια θαλάσσης. Έχει παρατηρηθεί θνησιµότητα µικρών οργανισµών, όπως µικρά ψάρια, 37

53 Πίνακας 4.5: Κυριότεροι εκπεµπόµενοι ρύποι ανά µέθοδο αφαλάτωσης [2] πλαγκτόν, αυγά ψαριών, αλλά και µεγαλύτερων θαλάσσιων ειδών, λόγω αναρρόφησης ή πρόσκρουσής τους στον αγωγό εισροής [2]. Στο κυρίως στάδιο της αφαλάτωσης πρέπει να χρησιµοποιούνται αντλίες υψηλής απόδοσης, µε χαµηλή κατανάλωση ενέργειας, να γίνεται χρήση συστηµάτων ανάκτησης ενέργειας και ανανεώσιµων πηγών ενέργειας. Στο στάδιο της απόρριψης της άλµης είναι σηµαντική η σωστή σχεδίαση του συστήµατος απόρριψης µε χρήση διανοµέων άλµης (brine distributors), ώστε να επιτυγχάνεται ανάµιξη, διάχυση και αραίωση, να κατασκευάζονται αγωγοί νερού απόρριψης µεγάλου µήκους και σε απόσταση από την ακτή, κλπ.. Αυτά τα µέτρα απαιτούν ένα επιπλέον κόστος επένδυσης, είναι όµως απαραίτητα για την πρόληψη δυσµενών επιπτώσεων. Εκτός από την αλατότητα, προβλήµατα δηµιουργούνται και από την αύξηση της θερµοκρασίας της άλµης κατά περίπου 3-4 ο C στην αντίστροφη όσµωση, έναντι ο C στις µεθόδους εξάτµισης [2]. Στον Πίνακα 4.6 δίνεται η παροχή της άλµης σε m 3 /d, η συγκέντρωσή της σε TDS για συγκέντρωση νερού τροφοδοσίας mg/l, ανάλογα µε την παραγωγή µονάδας αντίστροφης όσµωσης σε πόσιµο νερό. Σχήµα 4.13 : Πώς η αφαλάτωση επηρεάζει το περιβάλλον σε κάθε στάδιο της µεθόδου της αντίστροφης όσµωσης [18] 38

54 Πίνακας 4.6 : Η άλµη που απορρίπτεται σε m 3 /d και η συγκέντρωσή της σε TDS ανάλογα µε την παραγωγή της µονάδας σε νερό [18]. 39

55 Κεφάλαιο 5 Αφαλάτωση µε χρήση ΑΠΕ 5.1 Ανάγκη για χρήση ΑΠΕ Όλες οι µέθοδοι αφαλάτωσης είναι ενεργοβόρες και συχνά πρέπει να εγκατασταθούν σε αποµακρυσµένες περιοχές, όπου η διαθέσιµη ενέργεια έχει υψηλό κόστος γιατί παράγεται από ακριβά καύσιµα ή όπου το τοπικό ηλεκτρικό δίκτυο είναι ασθενές [20]. Στην Ελλάδα για παράδειγµα, σε πολλά νησιά η κάλυψη των ενεργειακών αναγκών µιας εγκατάστασης αφαλάτωσης δεν µπορεί να γίνει από το υπάρχον δίκτυο ενέργειας, καθώς τα τοπικά δίκτυα έχουν µικρή ισχύ και δεν µπορούν να καλύψουν το επιπλέον φορτίο. Για την ενίσχυση του τοπικού δικτύου, δεν µπορεί να γίνει µεταφορά ενέργειας από την ηπειρωτική χώρα, καθώς η υποθαλάσσια σύνδεση απαιτεί υψηλό προϋπολογισµό, ενώ η ηλεκτρική ενέργεια στοιχίζει γιατί συχνά για την παραγωγή ρεύµατος χρησιµοποιείται το ακριβό ντίζελ. Εποµένως το πρόβληµα της παροχής ενέργειας σε µια εγκατάσταση αφαλάτωσης είναι υπαρκτό και πολύ σηµαντικό. Το πρόβληµα δεν είναι µόνο να υπάρχει ηλεκτρική ενέργεια, αλλά καθώς το κόστος της ενέργειας είναι βασικός παράγοντας που καθορίζει το τελικό κόστος του νερού, η ενέργεια πρέπει να είναι φθηνή ώστε το κόστος του παραγόµενου νερού να είναι µικρό και να µπορεί να είναι ανταγωνιστικό έναντι των άλλων µεθόδων αντιµετώπισης της έλλειψης νερού. Άλλο σηµαντικό ζήτηµα όσον αφορά την ενέργεια που πρέπει να ληφθεί υπόψη, είναι ότι κατά την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύµατος, εκλύεται CO 2 που ρυπαίνει την ατµόσφαιρα. Η λύση στο πρόβληµα είναι οι ανανεώσιµες πηγές ενέργειας η ηλιακή, η αιολική και η γεωθερµία που έχουν σχετικά χαµηλό κόστος και συγχρόνως δεν ρυπαίνουν το περιβάλλον. Η ενσωµάτωση ανανεώσιµων πηγών ενέργειας στην αφαλάτωση είναι τεχνικά εφικτή και εφαρµόζεται όλο και περισσότερο σε παγκόσµιο επίπεδο. Η πλειονότητα των εφαρµογών είναι αυτόνοµες πιλοτικές µονάδες που αναπτύχθηκαν στο πλαίσιο εθνικών ή κοινοτικών προγραµµάτων και αποτελούν µια εναλλακτική εφαρµογή των συστηµάτων αφαλάτωσης, στο πλαίσιο της προστασίας του περιβάλλοντος όσον αφορά την ενεργειακή τους κατανάλωση. Στο Σχήµα 5.1 φαίνεται η συµµετοχή κάθε ΑΠΕ στην αφαλάτωση. Η ηλιακή ενέργεια µε χρήση φωτοβολταϊκών καταλαµβάνει το 43%, ενώ η θερµική ηλιακή ενέργεια το 27%. Συνολικά η συµµετοχή της ηλιακής ενέργειας στην αφαλάτωση σε σχέση µε άλλες ανανεώσιµες πηγές ενέργειας είναι 70%. Ακολουθούν η 40

56 Σχήµα 5.1: Συµµετοχή κάθε ΑΠΕ στην αφαλάτωση [38]. αιολική ενέργεια µε χρήση ανεµογεννήτριας µε ποσοστό 20% και τα υβριδικά συστήµατα µε 10%. 5.2 Τρόπος σύνδεσης µονάδας αφαλάτωσης µε την πηγή ενέργειας Ένα σύστηµα αφαλάτωσης µπορεί να τροφοδοτείται ενεργειακά µε τους εξής τρόπους: ιασυνδεδεµένο χωρίς ΑΠΕ, όπου η µονάδα αφαλάτωσης είναι συνδεδεµένη µε το τοπικό ηλεκτρικό δίκτυο. ιασυνδεδεµένο µε ΑΠΕ, όπου η ΑΠΕ τροφοδοτεί απευθείας τη µονάδα και το πλεόνασµα της ενέργειας που παράγει το δίνει στο δίκτυο. Ο νέος νόµος 3851 επιτρέπει η εγκατεστηµένη ισχύς της ΑΠΕ να είναι έως 25% µεγαλύτερη από την εγκατεστηµένη ισχύ της µονάδας αφαλάτωσης [1]. Αυτόνοµο σύστηµα, το οποίο καλύπτεται ενεργειακά από ΑΠΕ ή σε συνδυασµό µε ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος. Το υβριδικό σύστηµα χρησιµοποιεί δύο διαφορετικές αναξάρτητες πηγές ενέργειας, όπου η µία δρα επικουρικά ως προς την άλλη. 5.3 Συνδυασµοί µεθόδων αφαλάτωσης και ΑΠΕ Υπάρχουν πολλοί πιθανοί συνδυασµοί τεχνολογιών αφαλάτωσης και ανανεώσιµων πηγών ενέργειας, ορισµένοι όµως παρουσιάζουν περισσότερα πλεονεκτήµατα από οικονοµική και τεχνολογική άποψη. Κάποιοι συνδυασµοί είναι πιο κατάλληλοι για µονάδες µεγάλης κλίµακας και άλλοι είναι καλύτεροι για εφαρµογές µικρής κλίµακας. Η εφαρµογή τους εξαρτάται σε µεγάλο βαθµό από την διαθεσιµότητα των ανανεώσιµων πηγών ενέργειας στην περιοχή και από την ποιότητα του νερού που τροφοδοτεί τη µονάδα. Παράµετροι που πρέπει να εξεταστούν για την επιλογή του κατάλληλου συνδυασµού: 41

57 Αξιολόγηση των υδατικών πόρων ως προς την ποιότητα καθώς και ως προς την ποσότητα εάν πρόκειται για υφάλµυρο νερό. Αν είναι διαθέσιµο υφάλµυρο νερό, µπορεί να αποτελεί την καλύτερη λύση επειδή η αλατότητά του κανονικά είναι πολύ µικρότερη (< ppm). Επίσης σε περιοχές µακριά από την ακτογραµµή µπορεί να είναι διαθέσιµο µόνο υφάλµυρο νερό, ενώ σε παράκτιες περιοχές συνήθως επιλέγεται θαλασσινό νερό. Προσδιορισµός των διαθέσιµων ανανεώσιµων πηγών ενέργειας και αξιολόγηση του δυναµικού τους στην περιοχή. Σε κάθε περίπτωση συνδυασµού µεθόδων αφαλάτωσης µε χρήση ανανεώσιµων πηγών ενέργειας απαιτείται αναλυτική µελέτη, καθώς εκτός από τους υδατικούς πόρους, πρέπει να διερευνηθεί το δυναµικό της κάθε µορφής ΑΠΕ στην περιοχή, πρέπει να γίνει κατάλληλη τεχνικοοικονοµική µελέτη για να διαπιστωθεί η διαθεσιµότητα της κάθε τεχνολογίας και η εµπορική της ωριµότητα, καθώς επίσης και η δυνατότητα εφαρµογής της στην κάθε περίπτωση, οι υπάρχουσες υποδοµές, τα συνοδά έργα που απαιτούνται και τέλος το κόστος της επένδυσης. Στο Σχήµα 5.2 φαίνεται το ποσοστό συµµετοχής κάθε µεθόδου αφαλάτωσης µε χρήση ανανεώσιµων πηγών ενέργειας. Η αντίστροφη όσµωση καταλαµβάνει το µεγαλύτερο µερίδιο µε ποσοστό 65% και ακολουθεί η MED µε ποσοστό 10%. Ένας γενικός κανόνας είναι ότι τεχνολογίες θερµικής ενέργειας συνδυάζονται µε θερµικές διαδικασίες αφαλάτωσης και ηλεκτροµηχανικές τεχνολογίες ενέργειας µε διαδικασίες αφαλάτωσης που απαιτούν ηλεκτρική η µηχανική ισχύ [14]. Σχήµα 5.2 : Ποσοστό συµµετοχής κάθε µεθόδου αφαλάτωσης µε χρήση ΑΠΕ [38] 42

58 Πίνακας 5.1: Καλύτεροι συνδυασµοί τεχνολογιών αφαλάτωσης µε χρήση ΑΠΕ [39] Οι µέθοδοι αφαλάτωσης που χρησιµοποιούν ανανεώσιµες πηγές ενέργειας διακρίνονται: Στις τεχνολογίες αφαλάτωσης µε απόσταξη που τροφοδοτούνται µε θερµότητα η οποία παράγεται από ανανεώσιµες πηγές ενέργειας, Στις τεχνολογίες αφαλάτωσης µε µεµβράνες ή µε απόσταξη που κινείται µε ηλεκτρισµό ή µηχανική ενέργεια που παράγεται από ΑΠΕ. Οι συνδυασµοί ΑΠΕ και µεθόδων αφαλάτωσης που εφαρµόζονται περισσότερο φαίνονται στον Πίνακα 5.1. Ο συνδυασµός µεθόδου αφαλάτωσης και ανανεώσιµης πηγής ενέργειας εξαρτάται από πολλούς παράγοντες που έχουν σχέση τόσο µε τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της λειτουργίας της κάθε µεθόδου αφαλάτωσης όσο και µε χαρακτηριστικά που έχουν σχέση µε την ισχύ που παράγει η ΑΠΕ. Στον Πίνακα 5.2 φαίνεται ο κατάλληλος συνδυασµός σε σχέση µε την αλατότητα του νερού τροφοδοσίας της µονάδας (θαλασσινό ή υφάλµυρο). Οι κυριότεροι συνδυασµοί µεθόδων αφαλάτωσης µε χρήση ΑΠΕ είναι: Ηλιακή, αιολική ενέργεια σε συνδυασµό µε την τεχνολογία της αντίστροφης όσµωσης Ηλιακή ενέργεια σε συνδυασµό µε τη θερµική µέθοδο της πολυβάθµιας εξάτµισης Γεωθερµία σε συνδυασµό µε τη θερµική µέθοδο της πολυβάθµιας εξάτµισης Στο Σχήµα 5.3 φαίνεται ότι ο συνδυασµός που εφαρµόζεται περισσότερο είναι η τεχνολογία της αντίστροφης όσµωσης µε φωτοβολταϊκά (PV-RO) µε ποσοστό 32%, ακολουθεί η τεχνολογία της αντίστροφης όσµωσης µε ανεµογεννήτρια (Wind-RO) µε ποσοστό 18%. Λίγες εφαρµογές έχουν γίνει µε συνδυασµό των υπόλοιπων τεχνολογιών. Τέτοιες είναι η χρήση αιολικής ενέργειας µε µηχανική επανασυµπίεση ατµών (Wind- MVC), η χρήση φωτοβολταϊκών µε ηλεκτροδιάλυση (PV-ED), ηλιακά θερµικά µε πολυβάθµια εκτόνωση (Solar-MSF), ενώ έχουν γίνει εφαρµογές γεωθερµίας µε τεχνολογία πολυβάθµιας εξάτµισης (MED). 43

59 Πίνακας 5.2 Επιλογή ΑΠΕ και τεχνολογίας αφαλάτωσης σε σχέση µε το νερό τροφοδοσίας της µονάδας, θαλασσινό ή υφάλµυρο [40] Τεχνολογία ΑΠΕ Αλατότητα νερού τροφοδοσίας Τεχνολογία αφαλάτωσης Ηλιακή ενέργεια Ηλιακή θερµική θαλασσινό νερό Πολυβάθµια εξάτµιση (MED) θαλασσινό νερό Πολυβάθµια εκτόνωση (MSF) Φωτοβολταϊκά θαλασσινό νερό Αντίστροφη όσµωση (RO) υφάλµυρο νερό υφάλµυρο νερό Ηλεκτροδιάλυση (ED) Αιολική ενέργεια θαλασσινό νερό Αντίστροφη όσµωση (RO) υφάλµυρο νερό θαλασσινό νερό Εξάτµιση µε επανασυµπίεση ατµών (MVC) Γεωθερµία θαλασσινό νερό Πολυβάθµια εξάτµιση (MED) Παγκοσµίως, έχουν καταγραφεί περίπου 135 εφαρµογές συνδυασµού αφαλάτωσης µε ΑΠΕ για την επεξεργασία θαλασσινού αλλά και υφάλµυρου νερού, οι περισσότερες από τις οποίες είναι σχεδιασµένες για τις ανάγκες και τα δεδοµένα συγκεκριµένης περιοχής (custom designed) [40]. Σε αυτές χρησιµοποιείται κυρίως ηλιακή και αιολική ενέργεια και παράγεται πόσιµο νερό. Στις εφαρµογές συγκρίνοντας την ηλιακή ενέργεια µε την αιολική, η χρήση φωτοβολταϊκών είναι καλύτερη πρόταση όταν πρόκειται για µικρές εφαρµογές σε ηλιόλουστες περιοχές. Όταν πρόκειται για µεγάλες µονάδες, η αιολική ενέργεια µπορεί να είναι καλύτερη επιλογή, εάν υπάρχει το απαιτούµενο αιολικό δυναµικό, καθώς δεν απαιτεί τόσο µεγάλη έκταση γης. Στον ελληνικό χώρο για παράδειγµα, στα νησιά υπάρχει πλούσιο αιολικό δυναµικό και πολύ περιορισµένες εκτάσεις µε επίπεδο έδαφος. Σχήµα 5.3: Συµµετοχή κάθε ΑΠΕ ανά µέθοδο αφαλάτωσης [39] 44

60 Οι ΑΠΕ, αν και θεωρείται ότι έχουν χαµηλό κόστος γιατί έχουν δωρεάν πρώτη ύλη, δεν έχουν την αναµενόµενη εφαρµογή και οι κυριότεροι παράγοντες που δεν επιτρέπουν την ευρύτερη αξιοποίησή τους στην αφαλάτωση, είναι [8], [39]: 1. Η ενέργεια που αποδίδουν δεν έχει συνεχή ροή, ενώ οι περισσότερες τεχνολογίες αφαλάτωσης δεν είναι κατάλληλες για λειτουργία σε µεταβλητή ισχύ. 2. Απαιτείται αποθήκευση της επιπλέον ενέργειας, ώστε να αποδίδεται σε περιόδους που η ΑΠΕ δεν παράγει, κάτι που δεν είναι εύκολο να γίνει σε ποσότητα και ένταση που απαιτεί η αφαλάτωση. 3. Η τεχνολογία που απαιτείται για τη συλλογή και τη σύζευξη αφαλάτωσης και ΑΠΕ ακόµα αναπτύσσεται ώστε να προσφέρει την ενέργεια σε φθηνό κόστος. 4. Η µη συνεχόµενη παροχή ενέργειας ή ακόµα και η περιορισµένη διαθέσιµη ισχύς µπορεί να οδηγήσει σε µη ικανοποίηση της απαιτούµενης ζήτησης. Κατά τη σύνδεση των ΑΠΕ µε τεχνολογία αντίστροφης όσµωσης λόγω της µεταβολής της ισχύος που παράγει η ΑΠΕ δηµιουργούνται προβλήµατα στη λειτουργία, στην ανθεκτικότητα και στη διαχείριση των µεµβρανών καθώς αυτές πρέπει να λειτουργούν υπό σταθερή πίεση και µέσα στα όρια που τους επιτρέπουν οι προδιαγραφές τους. Συγχρόνως πρέπει να σχεδιαστεί και να εγκατασταθεί ένα πολύ ευέλικτο σύστηµα αντίστροφης όσµωσης όσον αφορά τη διαχείριση της ενέργειας και τις στρατηγικές λειτουργίας του συστήµατος, όπως π.χ. σύστηµα αποθήκευσης ενέργειας. Ένα σύστηµα ΑΠΕ- αντίστροφης όσµωσης µπορεί Εικόνα 5.1: Εφαρµογές µονάδων αφαλάτωσης σε συνδυασµό µε ΑΠΕ [18] 45

61 να κατασκευαστεί µε προηγµένη τεχνολογία και να διαθέτει πολλές λειτουργίες, αλλά η αποτελεσµατικότητά πρέπει να εξετάζεται και το σύστηµα να αξιολογείται ως προς την κατανάλωση της ενέργειας και τελικά, το κόστος του παραγόµενου νερού. Ο νέος νόµος Ν3851/2010 για τις ΑΠΕ δίνει προτεραιότητα, υπό όρους, στη χορήγηση άδειας παραγωγής ή εξαίρεσης σε µονάδες ΑΠΕ που συνδυάζονται µε µονάδες παραγωγής πόσιµου νερού ή νερού άλλης χρήσης µέσω µονάδων αφαλάτωσης. Ο συνδυασµός των δύο τεχνολογιών µπορεί να αφορά µικρά αυτόνοµα συστήµατα σε περιοχές µε έλλειψη ηλεκτρικού δικτύου ή ανεξάρτητες εφαρµογές, µε σύνδεση στο ηλεκτρικό δίκτυο. 5.4 Μονάδες αφαλάτωσης µε χρήση φωτοβολταϊκών (PV) Η τεχνολογία των φωτοβολταϊκών είναι από τις πιο ανεπτυγµένες στο χώρο των ΑΠΕ και στηρίζεται στο φωτοβολταϊκό φαινόµενο που παρατηρήθηκε για πρώτη φορά το 1839 από το Γάλλο φυσικό Edmond Becquerel. Η ηλιακή ενέργεια συλλέγεται από µια διάταξη φωτοβολταϊκών πάνελ και παράγεται συνεχές ηλεκτρικό ρεύµα, το οποίο µε ένα µετατροπέα µετατρέπεται σε εναλλασσόµενο ρεύµα. Οι φωτοβολταϊκές κυψέλες είναι συνήθως κατασκευασµένες από πυρίτιο ή άλλο ηµιαγωγό υλικό. Στις εφαρµογές που κυκλοφορούν στο εµπόριο, οι µονοκρυσταλλικές κυψέλες σιλικόνης µπορούν να έχουν απόδοση της τάξης του 15% και οι πολυκρυσταλλικές κυψέλες σιλικόνης 10-11%. Μπορεί να επιτευχθεί αύξηση της ηλεκτρικής παραγωγής µε την χρήση κατάλληλων ανακλαστικών κατόπτρων, τα οποία συγκεντρώνουν την ηλιακή ακτινοβολία σε ορισµένα σηµεία, όπως επίσης και µε την χρήση κατάλληλων συσκευών που στρέφουν τις κυψέλες στην σωστή κατεύθυνση ανάλογα µε τη θέση του ήλιου. Οι έρευνες στον χώρο των φωτοβολταϊκών στοχεύουν στην αύξηση της απόδοσης των κυψελών, στη µείωση του κόστους κατασκευής τους, στην έρευνα για άλλα ηµιαγωγά υλικά, όπως το CIS που είναι ευαίσθητο και σε ακτινοβολίες που ανήκουν στην υπέρυθρη περιοχή του φάσµατος του φωτός ή το GaAs µε το οποίο έχουν επιτευχθεί αποδόσεις της τάξης του 30% [14], τα οποία όµως είναι τοξικά. Στην αφαλάτωση, ο συνδυασµός ηλεκτρικής ενέργειας από φωτοβολταϊκά µε την διαδικασία της αντίστροφης όσµωσης έχει ευρεία εφαρµογή και αποτελεί οικονοµικά βιώσιµη και εµπορικά εκµεταλλεύσιµη λύση. Το κατά πόσο µπορεί αυτή η τεχνολογία να ανταγωνιστεί τις συµβατικές πηγές ενέργειας καθορίζεται από παράγοντες που έχουν σχέση µε την δυνατότητα παραγωγής της µονάδας, µε την απόσταση από το ηλεκτρικό δίκτυο και µε την συγκέντρωση άλατος στο νερό τροφοδοσίας. Για δεδοµένη παραγωγή πόσιµου νερού, τα φωτοβολταϊκά απαιτούν µεγαλύτερη έκταση γης από ότι µια ανεµογεννήτρια, όµως η περιοδικότητα της παραγωγής τους είναι πιο προβλέψιµη π.χ. εναλλαγή ηµέρα νύκτα. 46

62 Πίνακας 5.3: Εφαρµογές αφαλάτωσης µε χρήση φωτοβολταϊκών σε παγκόσµιο επίπεδο [38] Τοποθεσία Μονάδα αφαλάτωσης Ηλιακός συλλέκτης Έτος εγκατάστασης Hzag Τυνησία 0,1-0,35 m3/h απόσταξη 1980 La Paz,Μεξικό 10 m3/d MSF 352 m2 FPC + PTC 1980 Lambedusa island, Iταλία 7,2 m3/d MSF 408 m2 ηλιακοί συλλέκτες χαµηλής συγκέντρωσης 1983 Safat, Kuwait 10 m3/d MSF 220 m2 ηλιακοί συλλέκτες 1984 Takahami island, Ιαπωνία 16 m3/d MED FPC Abu Dabi, UAE m3/d MED ETC 1984 Almeria, Ισπανία 72 m3/d MED PCP 1993 Almeria, Ισπανία 24 m3/d MED Παραβολικοί συλλέκτες 1988/1990 Almeria, Ισπανία lt/d 6 m2 ηλιακοί συλλέκτες (vacuum-tube solar collectors) 1998 Al Azhar, PSA 0,2 m3/d MSF FPC+ Φ/B 1998/2000 Poza Izquierd, Gran Canaria, Ισπανία 0,6 m3/d 50 m2 ηλιακοί συλλέκτες + Φ/Β 2000 Οman 1 m3/d MED 5,34 m2 VTC 2002 Εφαρµογές Ο Πίνακας 5.3 παρουσιάζει εφαρµογές αφαλάτωσης µε χρήση φωτοβολταϊκών σε παγκόσµιο επίπεδο και την δυναµικότητα της µονάδας σε m 3 /d, τη µέθοδο που ακολουθείται, τη χρήση ΑΠΕ και το έτος κατασκευής. Μια εφαρµογή φωτοβολταϊκών σε συνδυασµό µε την τεχνολογία πολυβάθµιας εξάτµισης πραγµατοποιήθηκε το 1984 στο Umm Al Nar, Abu Dhabi, Ηνωµένα Αραβικά Εµιράτα, µε τροφοδοσία θαλασσινού νερού, 1064 συλλέκτες και δυναµικότητα 80 m 3 /d [38]. Στην Κύπρο, στην Πάφο εγκαταστάθηκε µονάδα αφαλάτωσης µε την τεχνολογία πολυβάθµιας εξάτµισης µε χρήση φωτοβολταϊκών. Μια άλλη εφαρµογή φωτοβολταϊκών σε συνδυασµό µε την τεχνολογία πολυβάθµιας εξάτµισης πραγµατοποιήθηκε το 1993 στην Almeria στην Ισπανία, όπως φαίνεται στην Εικόνα 5.2, µε τροφοδοσία θαλασσινού νερού, 252 συλλέκτες και δυναµικότητα 72 m 3 /d [38]. Εικόνα 5.2: Εφαρµογή φωτοβολταϊκών σε συνδυασµό µε την τεχνολογία πολυβάθµιας εξάτµισης στην Almeria στην Ισπανία [38] 47

63 5.5 Μονάδες αφαλάτωσης µε χρήση ανεµογεννήτριας (Α/Γ) Οι ανεµογεννήτριες εκµεταλλεύονται την κινητική ενέργεια του ανέµου για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύµατος. Βραχυπρόθεσµα, η αιολική ενέργεια είναι η πιο ελκυστική επιλογή γιατί η τεχνολογία της είναι καλά ανεπτυγµένη και σχετικά φθηνή [39]. Ήρθαν στο προσκήνιο στα τέλη της δεκαετίας του 70 µε την πετρελαϊκή κρίση και την ευαισθητοποίηση της κοινωνίας στην υποβάθµιση του περιβάλλοντος. Η χρήση ανεµογεννήτριας σε µονάδα αφαλάτωσης εφαρµόζεται κυρίως σε παράκτιες περιοχές, όπου συνήθως το αιολικό δυναµικό είναι αυξηµένο, καθώς θεωρείται κατάλληλο αν η µέση τιµή της ταχύτητας του ανέµου είναι πάνω από 5m/s. Η ανεµογεννήτρια εκτός από την αφαλάτωση µπορεί να συνεισφέρει στην κάλυψη των ενεργειακών αναγκών των κατοίκων της περιοχής µε την επιπλέον ενέργεια που παράγει. εδοµένου ότι τα οικονοµικά δεδοµένα µιας µονάδας αφαλάτωσης µε χρήση αιολικής ενέργειας, εξαρτώνται πολύ από τα χαρακτηριστικά της περιοχής είναι απαραίτητο να γίνει διεξοδική ανάλυση των τοπικών συνθηκών. Οι ανεµογεννήτριες κατατάσσονται στις εξής κατηγορίες µε βάση την ονοµαστική τους ισχύ [14]: 1. Πολύ µικρού µεγέθους µε ονοµαστική ισχύ µικρότερη από 10ΚW 2. Μικρού µεγέθους µε ονοµαστική ισχύ µικρότερη από 100KW 3. Μεσαίου µεγέθους µε ονοµαστική ισχύ µικρότερη από 0,5MW 4. Μεγάλου µεγέθους µε ονοµαστική ισχύ µεγαλύτερη από 0,5MW Με τις νέες τεχνολογίες που έχουν αναπτυχθεί οι ανεµογεννήτριες µικρού και µεσαίου µεγέθους προσφέρουν υψηλή αξιοπιστία και χαµηλό κόστος επένδυσης. Σχήµα 5.4: ιακύµανση της ταχύτητας του αέρα και παραγωγή ισχύος από την τουρµπίνα Α/Γ [24] 48

64 Η σύζευξη ανεµογεννήτριας µε µονάδα αφαλάτωσης είναι τεχνολογικά εφικτή, απαιτεί όµως σύστηµα αποθήκευσης ενέργειας και συστήµατα ηλεκτρονικά για να αντιµετωπίσει τη χρονική µεταβλητότητα της αιολικής ενέργειας [5]. Η ανεµογεννήτρια συνδυάζεται µε µεθόδους αφαλάτωσης αντίστροφης όσµωσης ή ηλεκτροδιάλυσης και είναι δυνατή επίσης η σύνδεση ανεµογεννήτριας µε µονάδα που εφαρµόζει τη µέθοδο επανασυµπίεσης ατµών (VC), η οποία εκτός από θερµική, χρειάζεται και ηλεκτρική ενέργεια. Εάν υπάρχει η δυνατότητα σύνδεσης µε ένα έστω αδύναµο ηλεκτρικό δίκτυο, η µέθοδος αντίστροφης όσµωσης είναι η καλύτερη επιλογή γιατί µπορεί να παράγει νερό σε χαµηλότερο κόστος, κυρίως λόγω της χαµηλότερης κατανάλωσης ενέργειας [24]. Αν πρόκειται για αυτόνοµες εφαρµογές σε αποµακρυσµένες περιοχές, η MVC είναι πιο κατάλληλη µέθοδος αφαλάτωσης γιατί αντέχει περισσότερο σε µεταβολές των παραµέτρων λειτουργίας της. Η ανεµογεννήτρια δε µπορεί να παράγει συνεχώς ρεύµα αλλά η παραγωγή ενέργειας εξαρτάται άµεσα από την ταχύτητα του ανέµου. Στο Σχήµα 5.4 παρουσιάζεται η µεταβολή της παραγόµενης ισχύος από την ανεµογεννήτρια, συναρτήσει της µεταβολής της ταχύτητας του ανέµου. Οι µεταβολές στην ισχύ που τροφοδοτεί τη µονάδα αντίστροφης όσµωσης προκαλούν µεταβολές στην παραγωγή αφαλατωµένου νερού, όπως φαίνεται στο Σχήµα 5.5. Έχουν γίνει προσπάθειες [31], για απ ευθείας σύνδεση ανεµογεννήτριας µε µονάδα αφαλάτωσης. Για παράδειγµα συνδέθηκε απ ευθείας ανεµογεννήτρια ισχύος 2,2 KW µε µονάδα αφαλάτωσης αντίστροφης όσµωσης δυναµικότητας 3 m 3 /d. Για να αντιµετωπιστεί η µεταβαλλόµενη ταχύτητα του ανέµου, το σύστηµα περιελάµβανε πολύπλοκο ηλεκτρονικό σύστηµα διαχείρισης ενέργειας. Σχήµα 5.5: Παραγωγή νερού ανάλογα µε τη διαθέσιµη αιολική ενέργεια [24]. 49

65 Σχήµα 5.6: ιάγραµµα ροής ενός συστήµατος αντίστροφης όσµωσης µε χρήση ανεµογεννήτριας [24] Όταν η ανεµογεννήτρια συνδεθεί µε το δίκτυο ηλεκτρικού ρεύµατος, τότε το δίκτυο λύνει τα προβλήµατα αστάθειας της ανεµογεννήτριας. Στο Σχήµα 5.6 δίνεται το διάγραµµα ροής ενός συστήµατος αντίστροφης όσµωσης µε χρήση ανεµογεννήτριας [24]. Σε µελέτες που εκπονήθηκαν [25] έγινε διερεύνηση πολλών παραµέτρων σχετικά µε τον συνδυασµό ανεµογεννήτριας και συστηµάτων αφαλάτωσης αντίστροφης όσµωσης, όσον αφορά τη σκοπιµότητα και την αποτελεσµατικότητά τους. Εξετάστηκαν οι περιορισµοί που υπάρχουν στη λειτουργία του συστήµατος λόγω της µεταβλητής ισχύος της ΑΠΕ, καθώς και το µέγιστο όριο διακύµανσης της ισχύος των ανεµογεννητριών, ώστε αυτό να παραµένει οικονοµικά βιώσιµο, µε γνώµονα την απλότητα και το χαµηλό κόστος. Οι πτυχές που διερευνήθηκαν ήταν οι εξής: 1. Μελέτησαν τις συνιστώσες µοντέλων που περιελάµβαναν την ανεµογεννήτρια, το σύστηµα αντίστροφης όσµωσης, τις συσκευές ανάκτησης ενέργειας, την αποθήκευση ενέργειας καθώς και την ενσωµάτωση και σύνδεσή τους σε µία εγκατάσταση. Ανέπτυξαν ένα µοντέλο που υπολογίζει την ενέργεια σε συνδυασµό µε το κόστος του νερού, το οποίο µπορεί να χρησιµοποιηθεί για να γίνει αξιολόγηση διαφόρων συνδυασµών ανεµογεννήτριας και αντίστροφης όσµωσης. 2. Ανέλυσαν και µελέτησαν διάφορους συνδυασµούς της Α/Γ µε αντίστροφη όσµωση ως προς την αντοχή τους στις διακυµάνσεις ισχύος της ανεµογεννήτριας και τη δυνατότητα που έχουν να ανταποκριθούν στις απαιτήσεις ποιότητας του νερού, µε το χαµηλότερο κόστος παραγόµενου νερού. 3. Ανέπτυξαν µια µεθοδολογία για τον υπολογισµό του µεγέθους, την αξιολόγηση και τη λειτουργία συνδυασµού Α/Γ µε αντίστροφη όσµωση, σε συστήµατα συνδεδεµένα µε το ηλεκτρικό δίκτυο, σε συστήµατα συνδεδεµένα απευθείας καθώς και σε αυτόνοµα 50