Preliminary evaluation of a forward osmosis based desalination plant coupled with advanced concentrated solar power plant

The aim of the present thesis is to evaluate the performances and thus the feasibility of a forward osmosis (FO) based desalination plant coupled with a concentrated solar power (CSP) plant. The interest in the developing technology of forward osmosis is to be found in the fact that, when suitable draw solutions (DSs) are employed, huge advantages in terms of energy requirements are expected. In particular, the present work focusses on a class of novel draw solutes, namely ionic liquids (ILs), that belong to the family of thermal DSs, meaning that their regeneration and freshwater separation are possible upon thermal supply. With the purpose to produce potable water, direct contact membrane distillation (DCMD), an evolving membrane thermal desalination technology, is investigated as efficient post-treatment to reach high purity standards. For the present work, the low-grade heat required by the DS regeneration process and for the freshwater purification (DCMD) is ensured by the coupling with a CSP plant, in particular the power to discharge at the condenser of the power block represents the thermal source of the desalination process. To evaluate the performances of the two novel membrane desalination processes proposed, their models are implemented and validated in Matlab, allowing to precisely simulate the system FO+DCMD operations. From this simulation, the main parameters expressing the specific thermal and electric consumptions (STC and SEEC respectively) are derived. While the SEEC is about 1.35-1.41 kWhel/m3, the STC results to be 360.4 – 393.8 kWhth/m3. Compared to other thermal desalination technologies in the literature, this last value is fairly high hence the coupling of FO with the electric desalination process of nanofiltration (NF) is also preliminary investigated. This system (FO+NF) accounts for 2.0-2.9 kWhel/m3 and 57.1 – 67.4 kWhth/m3 as SEEC and STC respectively. For what concern the CSP, the most relevant parameters describing the feasibility of the its coupling are represented by the solar-to-electric efficiency and the solar-to-water efficiency. From their analysis, it is clear that the system FO+DCMD leads to higher water production with respect to the FO+NF system due to more efficient thermal discharge achieved in the power block condenser. According to the authors of the present dissertation, the cogenerative plant proposed based on FO+DCMD technology could represent the starting point for a new and renewable way to produce potable water and electricity, especially in light of the uprising water scarcity crisis as well as the need to tackle climate change and depleting fossil fuel resources.

Lo scopo della presente tesi è di valutare le performance e quindi la fattibilità di un impianto di dissalazione operante con osmosi diretta e integrato ad un impianto a concentrazione solare. La tecnologia di osmosi diretta, processo di dissalazione in via di sviluppo, è considerata interessante in quanto, se utilizzata con i soluti adatti, ci si aspetta possa portare grandi vantaggi in termini di energia richiesta. Questo lavoro, in particolare, focalizza l’attenzione su una nuova classe di soluti, chiamati liquidi ionici, che appartengono alla famiglia dei soluti termici e quindi la loro rigenerazione e la separazione dell’acqua pura da essi è realizzata attraverso l’apporto di calore. Con lo scopo di raggiungere alti valori di purezza dell’acqua prodotta, un’altra tecnologia di dissalazione basata sull’uso di membrane e apporto termico, chiamata dissalazione a membrana a contatto diretto, viene esaminata in qualità di trattamento a posteriori dell’osmosi diretta. Nel presente lavoro, il calore a bassa temperatura richiesto dalla rigenerazione dei soluti e dalla purificazione dell’acqua è assicurato dall’accoppiamento del sistema di dissalazione con un impianto a concentrazione solare; nello specifico, la potenza che il condensatore del blocco di potenza deve scaricare, rappresenta la fonte di calore per il processo di dissalazione. Per valutare le prestazioni delle due nuove tecnologie di dissalazione proposte, i loro modelli sono stati implementati e validati in Matlab, con l’obbiettivo di simulare precisamente le operazioni di funzionamento del sistema di osmosi diretta unito a dissalazione a membrana a contatto diretto. Da questa simulazione, i principali parametri quali il consumo elettrico specifico (SEEC) e il consumo termico specifico (STC), sono stati derivati e, rispettivamente, corrispondono ad un intervallo di valori compreso tra 1.35 e 1.41 kWhel/m3 e tra 360.4 e 393.8 kWhth/m3. A seguito del confronto con valori di letteratura, i risultati di STC ottenuti risultano elevati, e per questo viene esaminato, in modo preliminare, anche l’accoppiamento dell’osmosi diretta con un processo di dissalazione elettrico chiamato nanofiltrazione. I risultati in termini di consumo elettrico specifico e consumo termico specifico di questo nuovo sistema studiato sono rispettivamente 2.0 - 2.9 kWhel/m3 e 57.1 - 67.4 kWhth/m3. Per quanto riguarda l’impianto a concentrazione solare, i parametri più significativi per analizzare la sua integrazione con il sistema di dissalazione sono l’efficienza solare-elettrica e quella solare-acqua. Da questi indici è chiaro che il sistema di dissalazione composto dall’osmosi diretta e dalla dissalazione a membrana a contatto diretto risulta produrre più acqua pura rispetto al sistema caratterizzato dalla nanofiltrazione; questo perché attraverso la dissalazione a membrana a contatto diretto si ottiene un accoppiamento più efficiente con il condensatore del blocco di potenza. Secondo le autrici di questa tesi, l’impianto cogenerativo proposto caratterizzato dal sistema di dissalazione a osmosi diretta unito a quello di dissalazione a membrana a contatto diretto, può rappresentare un buon punto di partenza per produrre acqua e elettricità in modo sostenibile, obbiettivo imprescindibile, considerando la sempre più attuale crisi legata alla scarsità d’acqua e la necessità di combattere il cambiamento climatico e l’esaurimento delle fonti fossili.