Preliminary assessment of forward osmosis desalination plant integrated in concentrated solar power plant

Water is an essential commodity for human life and societies development, but nowadays around 40% of the mankind suffer of water scarcity. Considering that 97% of the water on Earth is salty water, desalination processes could be a solution to face this international problem. This thesis focuses on an emergent desalination process, which is the forward osmosis, with the aim to study the possibility to integrate this technology with a concentrated solar power plant. Solar energy, indeed, is often largely available in the locations that suffer of water scarcity. Considering that the forward osmosis has not a standardize design yet, and only few publications have investigated the integration with the solar source, two different forward osmosis processes have been studied, one is based on ammonium bicarbonate and the other is based on three thermosensitive copolymers with different molecular weight. These processes have different designs, but they have two common steps: the first step is based on a membrane process, where the water permeates from the seawater to a concentrated solution thanks to the natural phenomenon of osmosis; the second is a process of regeneration that requires energy to separate the fresh water from the concentrated solution. This energy is provided in this study by the waste heat of the power block of a concentrated solar power plant. The first solute studied is the ammonium bicarbonate, which could be regenerated at a temperature of 99.63°C and has thermal consumptions of 520 kWh/m3, on the other hand the polymers could be regenerated at lower temperatures (83.2°C or 78.6°C) and their thermal requirements are lower (110 – 40 kWh/m3). The integration with the concentrated solar power plant is analysed only for the polymers. The concentrated solar power plant is based on a plant located at Abu Dhabi, based on the solar tower technology. Different configurations of the power block are studied, but all are based on a supercritical CO2 recompressed Brayton cycle. It is verified that the coupling between the concentrated solar power plant and the forward osmosis process allows to have energy savings, so the cogeneration of water and electricity is advantageous. The integrated plant is then compared with other mature desalination technologies to investigate its performances in terms of electric efficiencies, water production, energy consumptions and quality of desalination process.

L’acqua è un bene essenziale per la vita degli uomini e per lo sviluppo della società, ma oggigiorno circa il 40% della popolazione mondiale non dispone di acqua potabile. Considerando che il 97% di acqua sulla Terra è salata, i processi di dissalazione potrebbero essere la soluzione a questo problema. Questa tesi in particolare si focalizza su un processo emergente di dissalazione, l’osmosi diretta, con l’obiettivo di studiare la fattibilità di un’integrazione tra questa e un impianto a concentrazione solare. La fonte solare, infatti, solitamente è largamente disponibile proprio nelle zone che più soffrono di scarsità d’acqua. Considerando che l’osmosi diretta non ha ancora un design standard di implementazione e che solo poche ricerche ne hanno studiato un eventuale accoppiamento con la fonte solare, si sono studiati due tipi di impianti ad osmosi diretta, uno basato sull’utilizzo di bicarbonato d’ammonio e uno basato sull’utilizzo di tre copolimeri termosensibili con diversa massa molare. Questi processi, pur essendo implementati in maniera diversa, si basano su due step comuni: il primo step è un processo di membrana dove l’acqua passa dall’acqua di mare a una soluzione più concentrata tramite il fenomeno naturale di osmosi; il secondo è un processo di rigenerazione che richiede energia in ingresso per separare l’acqua pura dalla soluzione concentrata utilizzata. Questa energia viene fornita in questo studio sottoforma di calore di scarto dal blocco di potenza di un impianto a concentrazione solare. Il primo soluto studiato, il bicarbonato d’ammonio, presenta una temperatura di rigenerazione di 99.63°C e consumi termici che ammontano a 530 kWh/m3, mentre i polimeri termosensibili presentano temperature di rigenerazione più basse (83.2 °C o 78.6°C) e i consumi termici sono sensibilmente ridotti (110 – 40 kWh/m3). L’integrazione con l’impianto a concentrazione è stata dunque studiata solo per i polimeri termosensibili, che meglio si accoppiano con l’utilizzo del calore di scarto del ciclo. L’impianto a concentrazione solare utilizzato è basato su un impianto situato ad Abu Dhabi che utilizza la torre solare come tecnologia di concentrazione. Sono state inoltre analizzate diverse configurazioni del blocco di potenza, ma tutte utilizzano un ciclo supercritico ricompresso a CO2. Si è potuto verificare che l’accoppiamento tra l’osmosi diretta e l’impianto a concentrazione permette di diminuire i consumi stessi dell’impianto a concentrazione, rendendo la cogenerazione di acqua e elettricità proficua. L’impianto integrato è stato poi comparato con altre tecnologie di dissalazione ampiamente sviluppate in letteratura ed ormai mature, per investigarne meglio le performance in termini di efficienze elettriche, produzione d’acqua, consumi energetici e qualità del processo di dissalazione.