Ottimizzazione di impianti a gradiente salino per la produzione elettrica

The main purpose of this thesis is to verify the technical and economic feasibility of a 1MW sized power plant which operates on the basis of the phenomenon of Pressure Retarded Osmosis and that, differently from the majority of the studies, operates with a hypersaline fluid. To do so a multivariable optimization of the technical and economical performances of the system is required which is performed in MATLAB environment. In the broad theoretical introduction, once we investigated the potential of the source and presented the phenomenon which is exploited, the Pressure Retarded Osmosis, we describe the technological context (with a look at the recent advancements) of the various system components, focusing on the most critical one: the membrane. In order to comply with that a new mass transfer model has been provided. This new transport model, which is available in the literature, aims to improve the local fluid flow estimations across the membrane, hence the performance, due to its accurate description of the detrimental effects that take place in the process, especially at hypersaline concentrations. Additionally we introduced more complete and accurate models for the estimation of the chemical-physical properties of the fluids in order to operate in all the fields of salinity. A 35g/l test case was used to compare and validate the results coming from the new formulation of the transport mechanism, and properties, with those previously provided by Toffoli’s work, of which this thesis is a continuation. A sensitivity analysis of the costs was then performed, detailing the various items that define the levelized cost of energy, the optimization goal. The plant has been subsequently optimized with increasing concentrations. The results coming from the case of seawater mixing has confirmed the unfeasibility of this technology, on the other hand, always according to the assumptions presented in this work, they indicate that in the hypersaline region it is possible to produce energy in a more economically efficient way when compared to photovoltaics and wind farms.

Lo scopo principale di questo lavoro di tesi è quello di verificare la fattibilità tecnica ed economica di un impianto per la produzione di energia elettrica della taglia di 1MW basato sul fenomeno dell’osmosi ritardata e che, a differenza della maggior parte degli studi, operi con un fluido ipersalino. Per fare ciò viene utilizzata un’ottimizzazione multivariabile delle prestazioni tecnico-economiche dell’impianto in ambiente MATLAB in cui questo è modellato. Viene fornita un’ampia introduzione teorica all’interno della quale, una volta indagate le potenzialità della fonte e presentato il fenomeno che viene sfruttato, quello dell’osmosi ritardata il quale richiede l’utilizzo di membrane polimeriche semipermeabili, viene descritto il contesto tecnologico (con uno sguardo agli avanzamenti ottenuti negli ultimi anni) dei vari componenti dell’impianto, focalizzandosi su quello più critico: la membrana. Al fine di procedere con la modellazione dell’intera centrale si è provveduto a fornire un modello di trasporto della membrana. Questo nuovo modello, che è reperibile in letteratura, va a migliorare le stime del flusso locale di fluido a cavalo della membrana, e conseguentemente delle prestazioni, poiché va a descrivere in maniera più accurata gli effetti di realtà coinvolti nel processo, soprattutto ad alte concentrazioni. Oltre a ciò viene introdotto l’utilizzo di modelli più completi ed accurati per la stima delle proprietà chimico-fisiche dei fluidi, adatti ad operare in tutti i campi di salinità. È stato eseguito un test case di validazione a 35g/l che confronta la nuova formulazione del meccanismo di trasporto e delle proprietà con quelle precedentemente fornite da Toffoli, di cui questa tesi si propone come proseguimento. Oltre che confermare la validità dei modelli e dei risultati viene proposta un’analisi di sensitività dei costi rispetto alle variabili con un maggior dettaglio alle varie voci che definiscono il costo livellato dell’energia, obiettivo dell’ottimizzazione. L’impianto viene successivamente ottimizzato all’aumentare della concentrazione. Mentre nel caso di miscelamento con acqua di mare viene confermata l’infattibilità di questa tecnologia, i risultati ottenuti in campo ipersalino, secondo le ipotesi presentate nel corso di questo lavoro, indicano una buona competitività di questa tecnologia rispetto alle altre rinnovabili, soprattutto rispetto a fotovoltaico ed eolico per via della programmabilità della fonte.