Techno-economic assessment and multivariable optimization of a pressure retarded osmosis based power plant for renewable energy generation by salinity gradients exploitation

The primary purpose of this thesis is to investigate the Pressure-Retarded-Osmosis (PRO) technology and its possible future sustainable implementation for energy production by exploitation of salinity gradients. In the first part, a theoretical and practical evaluation of the resource potential was carried out and a PRO power plant technological frame, to present the major components and processes, followed later. An extensive dissertation about the governing transport equations of osmotically-driven semipermeable mass transfer in aqueous solutions was then performed, alongside a technological review of state-of-the-art commercial and prototypal suitable membranes for PRO applications. The second part of the work introduced the modelling under Matlab environment of the membrane module and the entire system. The numerical simulations proved the reliance and accuracy of the algorithm, which was then enriched of an economic analysis section, in order to assess the convenience and the feasibility of the investment. A multivariable optimization of the plant was carried out by means of a Matlab native algorithm, choosing the best design parameters and variables for the plant and allowing to draw interesting conclusions. The goal of the numerical optimization process, accomplished on the model previously defined, was to search for the technical design giving the highest economic convenience of the investment, which would be the one more likely to be implemented in the future. The results, in terms of minimum achievable Levelized Cost of Electricity and Net Present Value, suggested that the sustainable generation of clean, renewable electric energy would be possible on multiple scales, even in the short-middle term, by correctly addressing technological research in the osmotic membranes field.

Il presente lavoro di tesi magistrale si colloca nell'ambito dei sitemi di conversione dell'energia da fonte rinnovabile, per produzione elettrica su piccola-media scala a basso impatto atmosferico ed ambientale. La tecnologia oggetto di questo studio, cosiddetta Pressure Retarded Osmosis, permette lo sfruttamento della differenza (gradiente) di salinità tra acque marine e fluviali tramite l'utilizzo di membrane osmotiche semipermeabili. Nella prima parte del lavoro sono delineate, oltre ad una valutazione del potenziale sfruttabile, le principali tipologie di siti considerabili idonei per lo sfruttamento dei gradienti salini e le configurazioni geomorfologiche di delta ed estuari più vantaggiose. L'impianto nel suo dettaglio è stato poi illustrato nel prosieguo del lavoro, introducendo i principali componenti coinvolti e fornendo dettagliati schemi di processo. Una modellizzazione numerica in ambiente Matlab della membrana osmotica e dell'intero impianto è stata succesivamente efettuata, dimostrandosi affidabile e precisa, simulando accuratamente i complessi meccanismi di trasporto semipermeabile all'interno delgi elementi filtranti. Il design d'impianto, ovvero la logica interna dei processi e le variabili termodinamiche, è stato poi sede di un processo di ottimizzazione multivariablile condotto anch'esso in ambiente Matlab, finalizzato all'ottenimento delle massime prestazioni in termini di indicatori economici, quali il Valore Attuale Netto a 15 anni ed il Costo Livellato dell'Elettricità. I risultati ottenuti hanno permesso di condurre una valutazione della fattibilità di impianti PRO, i quali risultano non lontani dalla sostenibilità economica sia sulla media taglia, che per piccole applicazioni di generazione distribuita. E' stato inoltre dimostrato che tale traguardo può essere raggiungibilie, con un corretto indirizzamento della ricerca nel campo delle membrane osmotiche polimeriche, anche nel breve-medio termine.