Freshwater scarcity is one of the most important problems facing the world today. The rapid growth in energy and water demand is having a strong impact on climate change and thus the depletion of freshwater reserves. Seawater desalination is a viable solution to produce fresh water, especially in coastal areas. However, its sustainability is constrained by the high energy consumption of current technologies. Renewable energy is an attractive solution to power desalination plants to reduce costs and carbon emissions. The aim of this work is to design a seawater reverse osmosis desalination plant with a capacity of 2,000 m³/day and then hybrid renewable energy system to meet the electrical load demand of the autonomous desalination plant that will be in the island El Hierro, Spain. In this way, the procedure is to find the optimal sizing through a techno-economic and environmental assessment of different off-grid hybrid energy configurations by means of the HOMER Pro™ software. Two off-grid scenarios (with and without diesel generator) with different energy system configurations were proposed and compared to each other. In both scenarios, the energy power systems are a combination of a photovoltaic, wind turbine, and batteries. On the other hand, it is necessary to design the seawater reverse osmosis plant which consist of the pre-treatment where the ultrafiltration stage is made with the WAVE™ software, the reverse osmosis process and post-treatment by means of the IMSDesign™ software. In addition, thanks to the incorporation of an energy recovery device, the specific energy consumption of the plant is reduced to a value of 2.18 kWh/m³. Besides, the optimization results of the hybrid renewable energy systems shows that the best configuration which minimizes the net present cost consisted of the 550-kW diesel generator, 274-kW photovoltaic system, 28 wind turbines, 518 batteries of 1.02 kWh, and 341-kW DC/AC converter based on the site power resources and the profile of electricity demand. Furthermore, the implementation of a water tank replacing the batteries has also been considered. This resulted in a 10% reduction of the NPC. Finally, the whole system showed reduced water production cost values compared to other similar technologies.
La scarsità di acqua dolce è uno dei problemi più importanti che il mondo deve affrontare oggi. La rapida crescita della domanda di energia e di acqua sta avendo un forte impatto sul cambiamento climatico e quindi sull'esaurimento delle riserve di acqua dolce. La desalinizzazione dell'acqua di mare è una soluzione praticabile per produrre acqua dolce, specialmente nelle aree costiere. Tuttavia, la sua sostenibilità è limitata dall'alto consumo energetico delle tecnologie attuali. L'energia rinnovabile è una soluzione attraente per alimentare gli impianti di dissalazione per ridurre i costi e le emissioni di carbonio. Lo scopo di questo lavoro è quello di progettare un impianto di desalinizzazione ad osmosi inversa dell'acqua di mare con una capacità di 2.000 m³/giorno e poi un sistema ibrido di energia rinnovabile per soddisfare la domanda di carico elettrico dell'impianto di desalinizzazione autonomo che sarà nell'isola El Hierro, Spagna. In questo modo, la procedura è quella di trovare il dimensionamento ottimale attraverso una valutazione tecnico-economica e ambientale di diverse configurazioni di energia ibrida off-grid per mezzo del software HOMER Pro™. Sono stati proposti e confrontati tra loro due scenari off-grid (con e senza generatore diesel) con diverse configurazioni di sistema energetico. In entrambi gli scenari, i sistemi di alimentazione energetica sono una combinazione di fotovoltaico, turbina eolica e batterie. D'altra parte, è necessario progettare l'impianto di osmosi inversa dell'acqua di mare che consiste nel pre-trattamento dove la fase di ultrafiltrazione è fatta con il software WAVE™, il processo di osmosi inversa e il post-trattamento per mezzo del software IMSDesign™. Inoltre, grazie all'incorporazione di un dispositivo di recupero energetico, il consumo energetico specifico dell'impianto è ridotto a un valore di 2,18 kWh/m³. Inoltre, i risultati dell'ottimizzazione dei sistemi ibridi di energia rinnovabile mostrano che la migliore configurazione che minimizza il costo attuale netto consisteva in un generatore diesel da 550 kW, un impianto fotovoltaico da 274 kW, 28 turbine eoliche, 518 batterie da 1,02 kWh e un convertitore DC/AC da 341 kW in base alle risorse energetiche del sito e al profilo della domanda elettrica. Inoltre, è stata considerata anche l'implementazione di un serbatoio d'acqua in sostituzione delle batterie. Questo ha portato a una riduzione del 10% dell'NPC. Infine, l'intero sistema ha mostrato valori di costo di produzione dell'acqua ridotti rispetto ad altre tecnologie simili.
Techno-economic and environmental assessment of an autonomous desalination system powered with hybrid renewable energy sources and design of a reverse osmosis plant with a capacity of 2,000 m³/day
Pilato Colomar, Alberto
2021/2022
Abstract
Freshwater scarcity is one of the most important problems facing the world today. The rapid growth in energy and water demand is having a strong impact on climate change and thus the depletion of freshwater reserves. Seawater desalination is a viable solution to produce fresh water, especially in coastal areas. However, its sustainability is constrained by the high energy consumption of current technologies. Renewable energy is an attractive solution to power desalination plants to reduce costs and carbon emissions. The aim of this work is to design a seawater reverse osmosis desalination plant with a capacity of 2,000 m³/day and then hybrid renewable energy system to meet the electrical load demand of the autonomous desalination plant that will be in the island El Hierro, Spain. In this way, the procedure is to find the optimal sizing through a techno-economic and environmental assessment of different off-grid hybrid energy configurations by means of the HOMER Pro™ software. Two off-grid scenarios (with and without diesel generator) with different energy system configurations were proposed and compared to each other. In both scenarios, the energy power systems are a combination of a photovoltaic, wind turbine, and batteries. On the other hand, it is necessary to design the seawater reverse osmosis plant which consist of the pre-treatment where the ultrafiltration stage is made with the WAVE™ software, the reverse osmosis process and post-treatment by means of the IMSDesign™ software. In addition, thanks to the incorporation of an energy recovery device, the specific energy consumption of the plant is reduced to a value of 2.18 kWh/m³. Besides, the optimization results of the hybrid renewable energy systems shows that the best configuration which minimizes the net present cost consisted of the 550-kW diesel generator, 274-kW photovoltaic system, 28 wind turbines, 518 batteries of 1.02 kWh, and 341-kW DC/AC converter based on the site power resources and the profile of electricity demand. Furthermore, the implementation of a water tank replacing the batteries has also been considered. This resulted in a 10% reduction of the NPC. Finally, the whole system showed reduced water production cost values compared to other similar technologies.| File | Dimensione | Formato | |
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