Solar powered hybrid seawater desalination

The demand for clean and desalted water is growing rapidly, due to steadily increase of population, especially in developing countries or in arid areas. As a result, there is today a great need for fresh water and for reliable methods such as desalination to produce it. The coupling of thermal and membrane processes in hybrid desalination systems has been widely presented in the literature as a promising development of the technology. This thesis focuses on the detailed modeling and simulation of a hybrid thermal and membrane desalination process. The multiple-effect distillation has been chosen as thermal process to couple with the membrane process of reverse osmosis. This choice gives more importance to the present work, since this specific combination is much less studied in the literature with respect to the multi-stage flash technology couple with reverse osmosis. First, this work shows the development of detailed mathematical models for the two stand-alone processes, which are independently validated. Simulation and sensitivity analysis are performed for both processes. The implementation of the models has been accomplished in equation-oriented environments, namely MATLAB and gPROMS. The individual modeled are then merged into a general model to describe the hybrid desalination system. Several possible connections between the thermal and membrane processes are tested in order to identify the best one in terms of productivity, energy consumption, fresh water purity, and recovery ratio. As a result, it has been found that placing the reverse osmosis process upstream in a full-hybrid configuration produces the best results, especially in term of a superior recovery ratio. The analysis of the hybrid system is then extended by implementing an economical model that evaluates the cost of the produced freshwater. An optimization procedure is performed in gPROMS to identify the best operative conditions that minimize the costs. Finally, a solar photovoltaic farm is modeled, simulated and coupled with the optimized desalination system, to provide the required electrical energy in a sustainable way. Simulations performed using data of real locations highlight that the integration with PV in certain areas where electricity from grid is expensive allow to reduce even further the cost of freshwater.

La domanda di acqua è in rapida crescita, a causa del costante aumento della popolazione, soprattutto nei paesi in via di sviluppo o nelle zone aride. Di conseguenza, oggi vi è un grande bisogno di acqua dolce e di metodi affidabili come la desalinizzazione per produrla. L’unione di processi termici e a membrana in sistemi di desalinizzazione ibridi è stata ampiamente discussa in letteratura come uno sviluppo promettente della tecnologia. Questa tesi si concentra sulla modellazione dettagliata e la simulazione di un processo ibrido di desalinizzazione termica e a membrana. La distillazione multi-effetto è stata scelta come processo termico da abbinare al processo a membrana di osmosi inversa. Questa scelta conferisce maggiore rilevanza al presente lavoro, dal momento che tale specifica combinazione è molto meno studiata in letteratura rispetto all’unione della desalinizzazione flash a multistadio con osmosi inversa. In primo luogo, questo lavoro mostra lo sviluppo di modelli matematici dettagliati per i due processi individuali e li convalida in modo indipendente. Per entrambi i processi viene effettuata simulazione e analisi di sensitività. L'implementazione dei modelli è stata effettuata in ambienti equation-oriented, in particolare MATLAB e gPROMS. I singoli modelli vengono poi uniti in un modello generale per descrivere il sistema di desalinizzazione ibrido. Vengono testate diverse possibili connessioni tra il processo termico e quello a membrana al fine di identificare la migliore in termini di produttività, consumo energetico, purezza dell'acqua dolce e rapporto di recupero. Si è riscontrato che l'inserimento del processo di osmosi inversa a monte in una configurazione completamente ibrida produce i migliori risultati, soprattutto in virtù di un superiore rapporto di recupero. L'analisi del sistema ibrido viene poi estesa attraverso l'implementazione di un modello economico che valuta il costo dell'acqua dolce prodotta. Una procedura di ottimizzazione viene eseguita in gPROMS per identificare le condizioni operative che minimizzano i costi. Infine, un impianto solare fotovoltaico è modellato, simulato e accoppiato con il sistema di desalinizzazione ottimizzato, per fornire l'energia elettrica necessaria in modo sostenibile. Le simulazioni effettuate utilizzando dati di località reali evidenziano che l'integrazione con il fotovoltaico in alcune aree dove l'energia elettrica proveniente dalla rete è costosa permette di ridurre ulteriormente il costo dell'acqua dolce.