Ανάπτυξη καινοτόμου και ενεργειακά αυτόνομου ςυςτήματοσ επεξεργαςίασ τησ παραγόμενησ άλμησ από μονάδεσ αφαλάτωςησ SOL-BRINE

Transcript

1 Ανάπτυξη καινοτόμου και ενεργειακά αυτόνομου ςυςτήματοσ επεξεργαςίασ τησ παραγόμενησ άλμησ από μονάδεσ αφαλάτωςησ SOL-BRINE Παραδοτζο 2.1 Καθοριςμόσ των κυριϊν ςυνιςτωςϊν του ςυςτήματοσ προκαταρκτικό διάγραμμα ροήσ (Εκτενήσ περίληψη ςτα Ελληνικά) Δράςθ 2 Σχεδιαςμόσ του καινοτόμου, πιλοτικισ κλίμακασ και ενεργειακά αυτόνομου ςυςτιματοσ επεξεργαςίασ τθσ άλμθσ Εκπονικθκε από: Δήμο Τήνου Ε.Μ.Π Culligan Hellas Α.Ε. ΑΘΗΝΑ, ΙΟΥΝΙΟΣ 2011 LIFE+Environment project: LIFE 09 ENV/GR/ i P a g e

2 Ευχαριςτίεσ Η παροφςα ζκκεςθ εκπονικθκε ςτα πλαίςια του ζργου με τίτλο: «Ανάπτυξθ ενόσ καινοτόμου και ενεργειακά αυτόνομου ςυςτιματοσ επεξεργαςίασ τθσ παραγόμενθσ άλμθσ από μονάδεσ αφαλάτωςθσ», με ακρωνφμιο SOL-BRINE, το οποίο ςυγχρθματοδοτείται από το Ευρωπαϊκό Χρθματοδοτικό μζςο για το Ρεριβάλλον (LIFE+). Η ομάδα του SOL-BRINE εκφράηει τισ ευχαριςτίεσ τθσ ςτο Ευρωπαϊκό Χρθματοδοτικό μζςο (LIFE+) για τθν εν λόγω οικονομικι υποςτιριξθ. Για οποιεςδιποτε ερωτιςεισ, διορκϊςεισ ι άλλα ςχόλια, μπορείτε να απευκυνκείτε ςτουσ ςυντάκτεσ ςτθ διεφκυνςθ θλεκτρονικοφ ταχυδρομείου Αποποίηςη ευθφνησ Οι ςυντάκτεσ του παρόντοσ ζχουν καταβάλλει κάκε προςπάκεια, οφτωσ ϊςτε οι πλθροφορίεσ που εμπεριζχονται να είναι αλθκισ και νόμιμεσ, κακϋόςον πρόκειται για τθν αξιοποίθςθ και ςφνκεςθ των πθγϊν που παρατίκενται και για τισ οποίεσ οι ςυντάκτεσ ουδεμία ευκφνθ φζρουν. i Σ ε λ ί δ α

3 Ρεριεχόμενα 1 Κφριεσ ςυνιςτϊςεσ του ςυςτιματοσ επεξεργαςίασ τθσ άλμθσ Εξατμιςτιρασ Κρυςταλλωτιρασ Ξθραντιρασ Συμπιεςτισ ατμοφ Κάλυψθ ενεργειακϊν απαιτιςεων του ςυςτιματοσ Ραραβολικοί ςυγκεντρωτικοί ςυλλζκτεσ Φωτοβολταϊκι γεννιτρια... 8 Σχιματα Σχιμα 1.1: Καμπφλθ διαλυτότθτασ NaCl... 3 Σχιμα 1.2: Διάγραμμα ροισ του ςυςτιματοσ επεξεργαςίασ τθσ παραγόμενθσ άλμθσ από μονάδεσ αφαλάτωςθσ... 6 Σχιμα 2.1: Συγκεντρωτικοί ςυλλζκτεσ... 8 Σχιμα 2.2: Απόδοςθ και κόςτοσ των διάφορων φωτοβολταϊκϊν τεχνολογιϊν... 9 ii Σ ε λ ί δ α

4 Ειςαγωγή Η παροφςα ζκκεςθ αποτελεί περίλθψθ ςτα Ελλθνικά του Deliverable 2.1 με τίτλο: «Determination of the main components initial process flow diagram», το οποίο είναι αναρτθμζνο ςτθν ιςτοςελίδα του προγράμματοσ ςτο ακόλουκο link: Το ωσ άνω παραδοτζο περιλαμβάνει: Κακοριςμό των κυρίων ςυνιςτωςϊν του ςυςτιματοσ επεξεργαςίασ τθσ άλμθσ, Ρεριγραφι των επί μζρουσ μονάδων, παρζχοντασ βαςικά ςτοιχεία αναφορικά με τθ λειτουργία τουσ. Στόχοσ του παραδοτζου είναι: Η ανάπτυξθ του απαραίτθτου υποβάκρου για τθν υλοποίθςθ τθσ Δράςθσ 2, κζτοντασ τθ βάςθ για το ςχεδιαςμό του ςυςτιματοσ επεξεργαςίασ τθσ άλμθσ. Ο προκαταρκτικόσ ςχεδιαςμόσ του ςυςτιματοσ, ο οποίοσ κα οδθγιςει ςτθν ανάπτυξθ του προςομοιωτι κατά τθν εξζλιξθ τθσ Δραςτθριότθτασ 2(β) και τελικά ςτθν ολοκλιρωςθ του ςχεδιαςμοφ ςτο τζλοσ τθσ Δράςθσ 2. 1 Σ ε λ ί δ α

5 1 Κφριεσ ςυνιςτϊςεσ του ςυςτήματοσ επεξεργαςίασ τησ άλμησ Οι κφριεσ ςυνιςτϊςεσ του ςυςτιματοσ επεξεργαςίασ τθσ άλμθσ είναι οι ακόλουκεσ: Εξατμιςτιρασ (evaporator) Κρυςταλλωτιρασ (crystallizer) Ξθραντιρασ (dryer) Συμπιεςτισ (compressor) Τα παραπάνω βαςικά μζρθ του ςυςτιματοσ αποτυπϊνονται ςτο Σχιμα περιγράφονται ςτισ ακόλουκεσ ενότθτεσ. 1.2 και 1.1 Εξατμιςτήρασ Ο εξατμιςτιρασ ζχει ωσ βαςικό ρόλο λειτουργίασ τθν αφξθςθ τθσ ςυγκζντρωςθσ του ρεφματοσ τθσ άλμθσ. Ο ςχεδιαςμόσ του πραγματοποιείται με κριτιριο: Ζξοδοσ του ρεφματοσ τθσ άλμθσ: ~ 0.27kg άλατοσ/kg διαλφματοσ, ςυγκζντρωςθ κοντά ςτο ςθμείο κορεςμοφ (βλζπε Σχιμα 1.1) Ο τφποσ του εξατμιςτιρα που κα χρθςιμοποιθκεί είναι ο εξατμιςτιρασ πολυβάκμιασ (3 βακμίδεσ) εξάτμιςθσ (Multiple Effect Distillation, MED). Η αρχι λειτουργίασ του αναλφεται ςτθ ςυνζχεια. Αρχή λειτουργίασ: Φορζασ κερμότθτασ: ατμόσ. Στθν πρϊτθ βακμίδα διαβιβάηεται (χωρίσ να αναμειγνφεται) ατμόσ που παράγεται είτε με ςυμβατικό τρόπο (π.χ λζβθτασ) είτε από ανανεϊςιμθ πθγι όπωσ π.χ για τθν περίπτωςι μασ με χριςθ παραβολικϊν κατόπτρων (βλζπε Κεφάλαιο 2) Στισ επόμενεσ βακμίδεσ, διαβιβάηεται ο παραγόμενοσ ατμόσ από τθν προθγοφμενθ βακμίδα εξάτμιςθσ Ρρόςδοςθ κερμότθτασ: ςυναλλαγι κερμότθτασ μεταξφ του κερμοφ ατμοφ και του κρφου καλαςςινοφ νεροφ τροφοδοςίασ. Επιφάνεια ςυναλλαγισ: επιφάνεια του αγωγοφ που οδθγεί το κερμό ρεφμα ατμοφ εντόσ του καλάμου εξάτμιςθσ. Το καλαςςινό νερό ψεκάηεται εντόσ του καλάμου και ςχθματίηεται λεπτό φιλμ νεροφ ςτθν επιφάνεια των ςωλινων. 2 Σ ε λ ί δ α

6 Περιεκτικότητα κορεσμού S (kg/kg) Παραδοτζο 2.1: Καθοριςμόσ των κυρίων ςυνιςτωςϊν του ςυςτήματοσ Η πίεςθ μειϊνεται ςταδιακά από τθ μία βακμίδα ςτθν επόμενθ, διατθρϊντασ τουσ καλάμουσ ςε ςυνκικεσ κορεςμοφ χαμθλότερθσ κερμοκραςιακισ ςτάκμθσ. Για το λόγο αυτό χρθςιμοποιείται αντλία κενοφ, προκειμζνου να υποβιβαςτεί θ πίεςθ ςτουσ καλάμουσ Η διάταξθ τθσ πολυβάκμιασ εξάτμιςθσ είναι ομορροισ, αναφορικά με τθν κατεφκυνςθ του φορζα κερμότθτασ (ατμόσ) και του κερμαινόμενου μζςου (καλαςςινό νερό). 0,290 0,285 y = 2E-06x 2 + 1E-05x + 0,2627 R² = 0,9971 0,280 0,275 0,270 SNaCl (kg/kg) 0,265 0, Θερμοκρασία T( ο C) Σχήμα 1.1: Καμπφλη διαλυτότητασ NaCl 1.2 Κρυςταλλωτήρασ Διακρίνουμε δφο βαςικοφσ τφπουσ κρυςταλλωτιρων: Θζρμανςθσ/ εξάτμιςθσ (evaporative crystallizer) Ψφξθσ (cooling crystallizer) Η επιλογι του τφπου κρυςταλλωτιρα εξαρτάται από τθ καμπφλθ διαλυτότθτασ του άλατοσ ςτο ςυγκεκριμζνο διαλφτθ. Στθν περίπτωςθ όπου θ καμπφλθ αυτι, ςτο πεδίο κερμοκραςιϊν ψφξθσ, δεν παρουςιάηει ζντονθ κλίςθ επιλζγεται κρυςταλλωτιρασ εξάτμιςθσ (evaporative crystallizer). Σθμειϊνεται ότι το ρεφμα τθσ άλμθσ μπορεί να προςεγγιςτεί με ικανοποιθτικι ακρίβεια από υδατικό διάλυμα χλωριοφχου νατρίου. Ππωσ φαίνεται και από τθν καμπφλθ διαλυτότθτασ του NaCl (Σχιμα 1.1), θ κλίςθ τθσ καμπφλθσ είναι ςχεδόν οριηόντια για το κερμοκραςιακό εφροσ λειτουργίασ και για το λόγο αυτό ο τφποσ του κρυςταλλωτιρα που επιλζγεται είναι ο κρυςταλλωτιρασ εξάτμιςθσ. 3 Σ ε λ ί δ α

7 Αρχζσ λειτουργίασ: Τροφοδοςία ενζργειασ: παροχι κερμότθτασ από ατμοφσ τθσ 3 θσ βακμίδασ του εξατμιςτιρα Διαχωριςμόσ ςτερεοφ άλατοσ (μάγμα) από το κορεςμζνο διάλυμα Απομάκρυνςθ κρυςτάλλων ςχθματιςμόσ κρυςταλλικισ ςτερεισ φάςθσ άλατοσ Συγκζντρωςθ δ/τοσ > >ςυγκζντρωςθ κορεςμοφ για T=ςτακερι Μάγμα (υψθλό ποςοςτό υγραςίασ) Παράμετροι ςχεδιαςμοφ υκμόσ ανάπτυξθσ του κρυςτάλλου Η κρυςτάλλωςθ γίνεται ςε δφο ςτάδια: (α) ςτάδιο ςχθματιςμοφ των πρϊτων κρυςτάλλων (πυρθνογζννεςθ) και (β) ανάπτυξθ του κρυςτάλλου: ςτο ςτάδιο αυτό αποτίκενται ςτρϊματα τθσ ουςίασ πάνω ςτον αρχικό κρφςταλλο. Ο ρυκμόσ πραγματοποίθςθσ του δεφτερου ςταδίου αποτελεί κακοριςτικό παράγοντα για τον ςχεδιαςμό του κρυςταλλωτιρα. Χρόνοσ παραμονισ του ςυμπυκνϊματοσ ςτον κρυςταλλωτιρα (μζγεκοσ κρυςτάλλων, εξάρτθςθ από τον όγκο του κρυςταλλωτιρα) 1.3 Ξηραντήρασ Το ρεφμα υψθλισ ςυγκζντρωςθσ ςε NaCl (magma) από τον κρυςταλλωτιρα, αναμζνεται να ζχει υψθλά επίπεδα υγραςίασ και γιϋαυτό απαιτείται θ χριςθ μονάδασ ξιρανςθσ. Χαρακτθριςτικά ξθραντιρα: Η μονάδα αυτι κα είναι τφπου ξθραντιρα δίςκων (tray dryer) και οι κερμικζσ ανάγκεσ λειτουργίασ κα καλφπτονται από ρεφμα ηεςτοφ αζρα. Ο αζρασ αυτόσ κα κερμαίνεται από κατάλλθλθ διάταξθ κζρμανςθσ. Στθν επόμενθ φάςθ του ςχεδιαςμοφ κα διερευνθκεί με τθ χριςθ του προςομοιωτι, αν κα απαιτθκεί για το λόγο αυτό πεδίο επίπεδων θλιακϊν ςυλλεκτϊν ι κάλυψθ του κερμικοφ φορτίου με ανάκτθςθ ενζργειασ από τα ιδθ υπάρχοντα κερμά ρεφματα (όπωσ π.χ τα ςυμπυκνϊματα ατμοφ από τισ μονάδεσ εξάτμιςθσ και κρυςτάλλωςθσ) 1.4 Συμπιεςτήσ ατμοφ Διακρίνονται δφο βαςικοί τφποι ςυμπιεςτϊν ατμοφ, ανάλογα με το είδοσ τθσ ενζργειασ που απαιτείται για τθ λειτουργία τουσ: Ο μθχανικόσ ςυμπιεςτισ (Mechanical Vapor Compressor, MVC): απαιτεί θλεκτρικι ενζργεια για τθ λειτουργία του, και Ο κερμικόσ ςυμπιεςτισ (Thermal Vapor Compressor, TVC): απαιτεί κερμικι ενζργεια για τθ λειτουργία του (χριςθ ατμοφ). 4 Σ ε λ ί δ α

8 Λειτουργία: Ο ςυμπιεςτισ τροφοδοτείται από το ρεφμα ατμοφ τθσ μονάδασ (εξάτμιςθσ ι κρυςτάλλωςθσ) Ο ςυμπιεςτισ χρθςιμοποιείται προκειμζνου να αυξθκεί θ πίεςθ και ςυνεπακόλουκα θ ενκαλπία και θ κερμοκραςία του παραγόμενου ατμοφ. Ο ατμόσ αυτόσ, με τα υψθλότερα πλζον κερμοδυναμικά χαρακτθριςτικά, οδθγείται ςτθν είςοδο τθσ διάταξθσ πολλαπλισ εξάτμιςθσ. Κατά τον τρόπο αυτό ανακτάται μζροσ τθσ ενζργειασ του ατμοφ. Η απαιτοφμενθ θλεκτρικι ενζργεια για τθ λειτουργία του μθχανικοφ ςυμπιεςτι κα προςφζρεται από φωτοβολταϊκό πάνελ μονοκρυςταλλικοφ πυριτίου, ενϊ θ απαιτοφμενθ κερμικι ενζργεια για τθ λειτουργία του κερμικοφ ςυμπιεςτι κα προςφζρεται από ατμό του παραβολικοφ πεδίου, όπωσ αναλφεται ςτο ακόλουκο κεφάλαιο. 5 Σ ε λ ί δ α

9 Σχήμα 1.2: Διάγραμμα ροήσ του ςυςτήματοσ επεξεργαςίασ τησ παραγόμενησ άλμησ από μονάδεσ αφαλάτωςησ 6 Σ ε λ ί δ α

10 2 Κάλυψη ενεργειακϊν απαιτήςεων του ςυςτήματοσ Η κάλυψθ των ενεργειακϊν απαιτιςεων κα πραγματοποιθκεί με χριςθ ΑΡΕ και ςυγκεκριμζνα με θλιακι ενζργεια. Ειδικότερα: Οι κερμικζσ ανάγκεσ κα καλυφκοφν με τθ χριςθ πεδίου παραβολικϊν κατόπτρων (βλζπε Ενότθτα 2.1), Οι θλεκτρικζσ ανάγκεσ κα καλυφκοφν με τθ χριςθ φωτοβολταϊκισ γεννιτριασ (βλζπε Ενότθτα 2.2). 2.1 Παραβολικοί ςυγκεντρωτικοί ςυλλζκτεσ Οι ςυγκεντρωτικοί ςυλλζκτεσ διακρίνονται ςτισ ακόλουκεσ δφο κατθγορίεσ, ανάλογα με τθ γεωμετρία τθσ εςτίασ ςτθν οποία ςυγκεντρϊνεται θ θλιακι ακτινοβολία: Γραμμικι εςτία: ςτθν κατθγορία αυτι ανικουν: o τα παραβολικά κατόπτρα ενόσ άξονα ανίχνευςθσ (Parabolic Trough Collectors, PTC), o οι γραμμικοί ανακλαςτιρεσ Freshnel (Linear Freshnel Reflector, LFR), Σθμειακι εςτία: ςτθν κατθγορία αυτι ανικουν: o Οι παραβολικοί δίςκοι (Parabolic Dish Reflector, PDR) o Το πεδίο θλιοςτατϊν ςυλλεκτϊν (Heliostat Field Collector, HFC) Από τισ παραπάνω τεχνολογίεσ κυρίωσ ζχουν χρθςιμοποιθκεί για τισ εφαρμογζσ αυτζσ τα παραβολικά κάτοπτρα. 7 Σ ε λ ί δ α

11 Σημείωςη: Parabolic Trough (PTC, πάνω αριςτερά); Linear Freshnel Reflector (LFR, κάτω αριςτερά); Heliostat Field Collector (HFC, πάνω δεξιά) και Parabolic Dish Reflector (PDR, κάτω δεξιά). Πηγή: (AQUA-CSP, 2007) Σχήμα 2.1: Συγκεντρωτικοί ςυλλζκτεσ Ωσ εργαηόμενο μζςο των παραβολικϊν κατόπτρων κα χρθςιμοποιθκεί το νερό. Για τζτοιου τφπου εφαρμογζσ χρθςιμοποιοφνται οι ακόλουκεσ δφο (2) διατάξεισ: Απευκείασ παραγωγι ατμοφ (direct steam generation concept), Χριςθ υψθλισ πίεςθσ για τθν αποφυγι δθμιουργίασ ατμοφ ςτον αγωγό απορρόφθςθσ του παραβολικοφ και παραγωγι ατμοφ με μετζπειτα εκτόνωςθ του ςυμπιεςμζνου νεροφ (steam flash steam generation system). Ρεριςςότερεσ πλθροφορίεσ μπορεί να βρει ο αναγνϊςτθσ ςτο Deliverable Φωτοβολταϊκή γεννήτρια Διάφοροι τφποι φωτοβολταϊκϊν πάνελ ζχουν αναπτυχκεί με ποικιλία τεχνικϊν και λειτουργικϊν χαρακτθριςτικϊν. Ωςτόςο, οι εμπορικζσ τεχνολογίεσ μποροφν να ταξινομθκοφν ςτισ εξισ δφο ευρείεσ κατθγορίεσ: Κρυςταλλικοφ πυριτίου (Wafer based crystalline silicon, c-si) Λεπτϊν υμενίων (Thin films). Η απόδοςθ και το κόςτοσ των διαφόρων τεχνολογιϊν φωτοβολταϊκων αποτυπϊνονται ςτο ακόλουκο ςχιμα. 8 Σ ε λ ί δ α

12 Σημείωςη: (α) Το κόςτοσ αναφζρονται ςε τιμζσ του 2008 (β) Τα ποςοςτά κάτω από τισ διάφορεσ τεχνολογίεσ αντανακλοφν το αντίςτοιχο ποςοςτό ςυμμετοχισ τουσ ςτθν αγορά των φωτοβολταϊκϊν Πηγή: (Paolo Frankl et al., IEA, 2010) Σχήμα 2.2: Απόδοςθ και κόςτοσ των διάφορων φωτοβολταϊκϊν τεχνολογιϊν Δεδομζνου ότι θ τεχνολογία κρυςταλλικοφ πυριτίου είναι μία δοκιμαςμζνθ και ιδιαίτερα διαδεδομζνθ τεχνολογία φωτοβολταϊκϊν (αποτελεί περίπου το 90% τθσ αγοράσ φωτοβολταϊκϊν πανελ) ο τφποσ που επιλζγεται είναι κρυςταλλικοφ πυριτίου και ςυγκεκριμζνα μονοκρυςταλλικοφ πυριτίου. 9 Σ ε λ ί δ α

13 Βιβλιογραφικζσ αναφορζσ [1] AQUA-CSP project (November 2007): Trieb, F., Schillings, C., Viebahn, P., Paul, C., Altowaie, H., Sufian, T., Alnaser, W., Kabariti, M., Shahin, W., Bennouna, A., Nokraschy, H., Kern, J., Knies, G., El Bassam, N., Hasairi, I., Haddouche, A., Glade, H., Aliewi, A., Concentrating Solar Power for Seawater Desalination, project sponsored by the German Ministry for the Environment, Nature Conservation and Nuclear Safety (BMU), German Aerospace Center (DLR), Institute of Technical Thermodynamics, Section Systems Analysis and Technology Assessment. [2] Hans-Martin Henning (2004), Solar-Assisted Air-Conditioning in Buildings. A handbook for Planners, Springer-Verlag/Wien, ISBN: [3] Soteris A. Kalogirou (2005), Seawater desalination using renewable energy sources, Progress in Energy and Combustion Science, Volume 31, Issue 3, Pages , ISSN [4] Soteris Kalogirou (1998), Use of parabolic trough solar energy collectors for sea-water desalination, Applied Energy, Volume 60, Issue 2, Pages 65-88, ISSN [5] Paolo Frankl, Stefan Nowak, Technology Roadmap: Solar photovoltaic Energy, 2010, IEA publications

14 11 Σ ε λ ί δ α Sol Brine LIFE+-Environment project: LIFE 09 ENV/GR/000299