Systematic innovation strategies for engineering design towards sustainable development. Solar seawater desalination

In this research systematic tools for innovative design have been applied in the context of sustainable fresh water production; in particular for the case of solar seawater distillation. Solar distillers represent a very promising technology for dry sites characterized by water scarcity and land degradation, but often with abundant access to seawater and solar energy. The exploitation of the solar thermal power for freshwater production is nowadays limited by the relatively small yield and by the lack of a systematic approach, for the industrial development of this technical system. Previous researches to increment the daily output remained at the experimental level since, often, the unit cost and complexity have been negatively affected, by the solutions for the production enhancement; thus, preventing the adoption and industrial spreading of this technology, particularly in the least developed countries. The most adopted solutions appear to be freshwater delivery via tanker trunks or extraction from boreholes, with the connected sanitation issues caused by the presence of contaminants, heavy metals and bacteria. Frequently, in these contexts, it has to be considered also the problem of land degradation, caused by the non-sustainable management of the soil; with the progressive decrease of the land nutrient potential, which ensures crops growth and food production. In this framework, solar seawater desalination can represent a suitable long-lasting solution, although, at present, the technology maturity is not capable to satisfy the freshwater requirements, at a competitive cost. Therefore, the main goals of this study are: (I) develop new design concepts for the optimization of the seawater distillation process, to increment the daily output with the minimum impact on the technology competitiveness on the market; (II) experimentally validate the conceived enhancing methodologies to quantify the beneficial effect; (III) compare the obtained effects on the daily productivity with the unit modification cost and expected duration; in order to assess the technology competitiveness and eligibility for a long-lasting application in a distillation industrial plant. To achieve these goals, in the conceptual design phase, the TRIZ tools and the design by analogies – with a particular focus on the Bioinspiration – were applied to broaden the design perspective towards the development of innovative solutions. Several developed concepts were, then, selected to be experimentally validated in the Mangrove Still desalination plant, installed by PLANET s.a.s., for the European-funded project Hydrousa” Horizon 2020. The main criterion for screening the design concepts was the installation compatibility with the architecture of the already installed Mangrove Still units; nevertheless, it is important to underline that the conceived inventive solutions are, in principle, extremely versatile and adaptable to whatever still construction scheme. To optimize the evaporation/condensation process leading to seawater distillation, the selected concepts were aimed at (a) increasing the surface available for the solar heat transfer and the evaporation process; exploiting the capillary action of nonporous materials and fabrics, characterized by a particular fibres pattern. Thereby the surface increment was obtained at micro-scale without impacting on the device footprint, thus, granting compactness and portability together with enhanced evaporation rate. In addition, it was considered to (b) increase the amount of thermal power available for the molecule vaporization, by the proper insertion of conductive materials; so as to involve an additional heat transfer mechanism besides direct radiation. Lastly, (c) acting on the optical properties of the unit basin plate, with the addition of internal reflective materials, it was possible to fully exploit the incoming radiation for seawater evaporation; suppressing the loss channels linked to random reflection and heat absorption from the still structure and basin plate. Experiments were conducted during October 2020, in Tinos, Greece. To account for the strong influence of the weather conditions on the still performances, the daily output of the modified units was compared with a reference unit, presenting the basic design configuration. Having multiple stills operating in parallel - with the same inputs in terms of inlet seawater flowrate and solar irradiance – permitted the rigorous evaluation of the net contribution of each proposed concept. Moreover, the different solutions were, initially, tested individually, to have a deeper understanding of the thermodynamic and optical effects linked to each particular insert; otherwise hidden by the superimposition of different control factors. The results are briefly summarized hereafter: acting on the evaporation surface extension (a) determined yield increment from 16% to 35%, on average, for the different inserts; by the addition of conductive materials (b) the productivity increased from 18% to 20%, on average, depending on the particular material; the introduction of internal reflectors (c) determined an improvement of 15% on average, compared to the productivity of the reference unit. For the cost/benefit assessment, for each installation it was considered the percentage increment in the standard freshwater – 0.05€/l – according to the estimated yearly productivity and expected duration of the inserted material. For all the aforementioned cases the cost increment was lower than 5%. Finally, additional mixed configurations have been proposed and tested for further yield increment.

Questa ricerca ha come oggetto l’applicazione di un approccio sistematico per il design innovativo, nell’ambito delle strategie sostenibili per l’approvvigionamento di acqua dolce. In particolare, per quanto riguarda a desalinizzazione dell’acqua di mare, impiegando energia solare. I distillatori solari rappresentano una tecnologia promettente per le aree caratterizzate da scarsità d’acqua e deterioramento del terreno, in cui, tuttavia, la disponibilità di acqua marina e l’intensità di irraggiamento termico sono elevati. Ad oggi, l’utilizzo dell’energia solare per la produzione di acqua dolce è limitato dal rendimento relativamente basso, e dalla mancanza di un approccio sistematico nello sviluppo industriale di questa tecnologia. Le strategie testate in letteratura, rimangono spesso a livello sperimentale, in quanto l’incremento di prestazioni è spesso ottenuto a fronte di un aumento della complessità del sistema e de costo dell’acqua prodotta; ostacolando l’adozione e lo sviluppo industriale di questa tecnologia, in particolare nei paesi sottosviluppati. Infatti le soluzioni per l’approvvigionamento di acqua dolce maggiormente adottate sono il la distribuzione con camion cisterna e l’estrazione da pozzi attingenti a risorse idriche sotterranee. In entrambi i casi la purezza dell’acqua è fortemente compromessa dalla presenza di agenti chimici, metalli pesanti e batteri, impattando fortemente le condizioni sanitarie della popolazione locale. In aggiunta a questa situazione, si sovrappongono spesso politiche non sostenibili di gestione del territorio, con conseguente riduzione del potenziale nutritivo per la crescita delle coltivazioni. In questo scenario, la distillazione solare potrebbe rappresentare una soluzione valida e sostenibile, tuttavia la maturità della tecnologia non consente di sodisfare il fabbisogno di acqua dolce ad un prezzo competitivo. In accordo con quanto detto, gli obbiettivi primari di questa ricerca sono: (I) lo sviluppo di idee innovative per l’ottimizzazione del processo di distillazione, in modo da aumentare la quantità di acqua dolce prodotta senza compromettere la competitività del dispositivo di dissalazione sul mercato; (II) la validazione sperimentale dei concetti proposti, al fine di quantificare il beneficio introdotto; (III) il raffronto dell’aumento di efficienza rispetto ai costi sostenuti per l’installazione e alla durata attesa della soluzione proposta; così da poter valutare l’idoneità all’applicazione in un impianto industriale. Con queste finalità, nella fase di design concettuale, per ampliare le prospettive di ricerca di soluzioni innovative, i principi della Teoria per il Design Innovativo (TRIZ) sono stati considerati, insieme alla strategia di design per analogie, con particolare attenzione alla Bio-ispirazione. Tra le diverse idee emerse dalla fase creativa, alcune sono state selezione per essere testate sperimentalmente nell’impianto di dissalazione Mangrove Still, installato da PANET s.a.s, all’interno della più ampia iniziativa “Hydrousa” Horizonon 2020, finanziata dall’unione europea. Al fine di selezionare i concetti da testare sperimentalmente, si è considerata la compatibilità di installazione all’interno dello schema costruttivo dell’unità di dissalazione Mangrove Still. Nonostante ciò, va sottolineato che le soluzioni innovative, per come sono state concepite, godono di estrema versatilità, e sono quindi adattabili anche a diverse configurazioni dell’unità dissalante. Per ottimizzare il processo di evaporazione/condensazione alla base della distillazione dell’acqua di mare, le modifiche proposte agisco verso (a) l’incremento della superfice disponibile per lo scambio di calore e il processo di evaporazione; utilizzando l’azione capillare di materiali nano-porosi e tessuti caratterizzati da un’apposita trama. In questo modo, l’aumento della superficie evaporante si ottiene su scala microscopica, senza influenzare l’ingombro globale dell’unità, in modo da non comprometterne la compattezza e la portabilità. In aggiunta, si è considerato (b) l’inserimento di materiali conduttivi all’interno dell’unita, in modo da aumentare il calore disponibile per il processo di evaporazione, andando a coinvolgere ulteriori meccanismi di scambio termico, oltre all’irraggiamento diretto. Infine, (c) agendo sulle proprietà ottiche della base, tramite materiali riflettenti, è stato possibile sviluppare soluzioni atte a focalizzare i raggi solari incidenti sulla superficie evaporante; eliminando così le dispersioni di calore causate da riflessione causale o assorbimento del calore incidente da parte della struttura e della base dell’unità. La campagna sperimentale è stata condotta nel mese di Ottobre 2020, a Tinos, in Grecia. In modo da filtrare l’effetto della radiazione solare media, i valori di produzione giornaliera delle unità modificate sono stati comparati con la resa di un’unità di riferimento, mantenuta nella configurazione base. Registrando i dati provenienti da diverse unità in parallelo – con lo stesso apporto di portata in ingresso e irraggiamento solare – è stato possibile sviluppare una valutazione rigorosa del beneficio netto di ogni soluzione installata. Nella prima fase della campagna sperimentale, ogni modifica al design dell’unità stata testata individualmente, così da comprenderne l’influenza in termini termodinamici e ottici, altrimenti nascosta dalla sovrapposizione di diversi fattori. I risultati raggiunti possono essere riassunti come segue: l’incremento della superficie di evaporazione (a) ha permesso un aumento della produzione giornaliera dal 16% al 35%, a seconda del materiale testato; l’inserimento di materiali con alta conducibilità termica, all’interno dell’unità (b) ha determinato un aumento dal 18% al 20%, in accordo con il tipo di inseto usato; infine con l’introduzione di riflettori interni (c) si è ottenuto un miglioramento del 15%, rispetto alla produzione di acqua dolce dell’unità di riferimento. Al fine di valutare la competitività di ogni soluzione testata, quindi il valore del rapporto costo-beneficio, si è deciso di considerare l’aumento percentuale del costo dell’acqua prodotta al litro – rispetto al valore standard di mercato di 5€/l. Stimando la produzione annuale attesa e la durata del materiale usato, per tutti i design descritti sopra, l’incremento stimato per l’installazione è sempre al di sotto del 5%, rispetto al valore standard di mercato. Infine, nella seconda parte della campagna sperimentale, sono state testate configurazioni date dall’accoppiamento di diverse soluzioni, in modo da ottenere un ulteriore incremento del rendimento.