Sizing methodology and economical analysis of an HDH plant driven by PV/T for pure water production

Nowadays, more than a billion people lack access to safe drinking water worldwide. Hence, new sources of clean water must be found in order to meet this demand. Sea or brackish water desalination offers a promising choice for water security since saline water represents about 97% of the world hydric resources. Most of the time, the subjected villages to suffer this crisis are composed of small communities with a population between few dozen and 10,000 people. Thus the minimum water needs for those villages is between 1 to 100 cubic meter of pure water per day but conventional desalination systems find their optimal production rate for 10,000 to 100,000 cubic meters per day. Humidification dehumidification desalination offers a small-scale solution that theoretically can meet this challenge. The HDH cycle has received some attention in recent years and has been investigated by many researchers due to its low energy intensive operation and the possibility of its integration with photovoltaic-thermal technlogy to make it self-sustaining. In this work, starting from a non-dimensional theory elaborated by Giorgio Malattia, two different sizing methodologies have been provided together with their applications referring to real case studies. In particular a closed-air open-water water-heated (CAOW-WH) cycle in single-stage configuration driven by PV/T panels has been studied and sized for two locations characterised by different climates. Both the sizing methodologies are based on the selection of nominal values of environmental and thermodynamical parameters such as the global horizontal irradiance, the ambient temperature and both the HDH heat exchangers effectivenesses. The difference between these methods is the way the plant is supposed to operate during the year. In the first case, a pure water storage has to be adopted and the plant operation is regulated by the amount of irradiance striking the PV/T modules. The second method instead, provides for a constant operation during the 24 hours: hot water heated during the central hours of the day, in which irradiance reaches its highest value, is stored in an adiabatic tank and used later on during the night. With this last set-up it is possible to reduce the exchangers size and a consequent reduction of the investment cost of the plant could be achieved. Thus an economical study on the HDH feasibility has been discussed for the two different case studies and some future developments have been suggested.

Oggigiorno, più di un miliardo di persone globalmente ha un accesso deficitario a fonti sicure di acqua potabile. Pertanto, nuove fonti di acqua pulita devono essere trovate per soddisfare questa domanda. La desalinizzazione di acque marine o salmastre offre una scelta promettente per garantire l’adeguato approvvigionamento, poiché l’acqua salata rappresenta il 97% delle risorse idriche globali. La maggior parte delle volte, i villaggi che soffrono di questa crisi sono costituiti da piccole comunità con una popolazione compresa tra poche dozzine e 10.000 persone. Dunque, la minima richiesta d’acqua per questi villaggi è compresa tra 1 e 100 metri cubi al giorno, ma i sistemi di desalinizzazione convenzionali trovano la loro produzione ottimale in una quantità compresa tra 10.000 e 100.000 di metri cubi giornalieri. La desalinizzazione tramite sistemi Humidification Dehumidification offre una soluzione su piccola scala, che può teoricamente risolvere questa sfida. Negli ultimi anni, il ciclo HDH ha ricevuto notevoli attenzioni da molti ricercatori, grazie ai suoi bassi consumi energetici e alla sua possibile integrazione con la tecnologia termofotovoltaica, che ne permette l’autosufficienza energetica. In questo lavoro di tesi, partendo da una teoria non-dimensionale sviluppata da Giorgio Malattia, due diverse metodologie di dimensionamento sono state sviluppate insieme a delle applicazioni riferite a casi studio reali. In particolare, un ciclo Closed-Air Open-Water Water-Heated (CAOW-WH) in configurazione a singolo stadio alimentato da pannelli PV/T è stato studiato e dimensionato per due località caratterizzate da diverse tipologie di clima. Entrambi i metodi di dimensionamento sono basati sull’identificazione dei valori nominali di alcuni parametri ambientali e termodinamici, quali l’irraggiamento globale orizzontale, la temperatura ambiente e le efficacie di umidificatore e deumidificatore. La differenza tra i due metodi consiste nella modalità di funzionamento dell’impianto. Nel primo caso, un serbatoio di acqua potabile viene adottato e la produttività dell’impianto varia in funzione della temperatura ambiente e dell’irraggiamento incidente sui pannelli. Invece, il secondo metodo prevede una produttività costante nell’arco delle 24 ore: nelle ore centrali della giornata, nelle quali l’irraggiamento è al suo massimo, delll’acqua in eccesso viene riscaldata e immagazzinata in un serbatoio adiabatico, per poi essere riutilizzata durante la notte. Questo set-up permette la riduzione della dimensione degli scambiatori e una conseguente riduzione dei costi può essere ottenuta. Successivamente, un’analisi economica sulla fattibilità del sistema HDH è stato eseguita per i due casi studiati e dei possibili sviluppi futuri sono stati suggeriti.