Udfordringerne og potentielle fordele ved at gå over til koncentreret solenergi for at afsalte havvand

Manglen på ferskvand forventes at stige i vores varmere og mere overfyldte fremtid. Allerede, 150 lande afsalter havvand, ved hjælp af fossile brændstoffer.

Men at forsyne et stadigt stigende grundlæggende behov med ikke-vedvarende brændstoffer skaber en voksende trussel, ifølge Dr. Diego-César Alarcón-Padilla, hvem leder SolarPACES Task VI ved Solar Desalination Unit ved Plataforma Solar de Almería (PSA).

"I dag er der intet afsaltningsanlæg med stor kapacitet, der arbejder med vedvarende energi," sagde Dr. Alarcón-Padilla. "Der er ingen."

"Med afsaltning introducerer vi en ny forbruger af energi. Med klimaændringer, og stigningen i den menneskelige befolkning, og forurening af de nuværende vandressourcer, år efter år har vi brug for mere og mere ferskvand, " han sagde.

"Afsaltning kræver energi. Og i dag er vi allerede i grænsen i brugen af ​​fossile kilder, kun for tilbagevendende efterspørgsel. Hvis vi mener det seriøst med at opfylde vores Paris-forpligtelser for at holde temperaturen på planeten til stigningen på 2°C, vi skal afsalte med ren energi."

med 16, 000 afsaltningsanlæg rundt om i verden allerede og en forventet stigning på 15% i afsaltning, når verden opvarmes, der er behov for en politik for at drive solafsaltning. Dr. Alarcón-Padilla mener, at afsaltningsindustrien ikke vil ændre sig uden en politisk driver.

Lær af politikker for vedvarende energi

Det krævede lovgivning for først at sætte nye vedvarende energikilder som sol og vind på elektriske net. Regulatorer begyndte at kræve, at generatorer inkluderede vedvarende energi i det tidlige 21. århundrede. Mandater og tilskud satte gang i overgangen.

For nu at udvikle vedvarende afsaltning, Dr. Alarcón-Padilla foreslår vedtagelse af lignende politikker. "Vi har brug for noget som en præmie per kubikmeter vand produceret af dette solafsaltningsanlæg, eller en garanti fra staten om, at de vil købe hver kubikmeter "rent" vand, som offentligheden kræver. Ligesom vi havde en feed-in-takst for elektricitet produceret af vedvarende energianlæg her i Spanien."

Til nuværende priser, og afhængigt af regionale forskelle, han anslår, at CSP (koncentreret solenergi) kunne levere ferskvand fra omvendt osmose-afsaltning til omkring 80 cent USD pr. kubikmeter - omkring 30 cent mere end afsaltning med fossilt brændstof.

Når først politik drev det, vedvarende projekter blev implementeret og forsyningskæder udviklet. Priserne på vedvarende energi faldt. Nu, mange regulatorer har sat mål for fuld dekarbonisering inden 2050. Det, der i starten virkede risikabelt, viste sig ikke at være så svært. I mange regioner, sol og vind er nu den lave pris mulighed.

Det samme kunne ske inden for vedvarende afsaltning:"For så vil vi begynde at have erfaringen og lære at håndtere variable solressourcer med afsaltning. Så ville vi begynde at have de solafsaltningsanlæg med stor kapacitet, som vi har brug for."

Han detaljerede udfordringerne og mulighederne for en lignende overgang til 100 % solafsaltning.

Hvorfor afsaltning er en konservativ industri

Afsaltning begyndte først i 1950'erne i det udtørrede Mellemøsten, med termiske afsaltningsteknologier drevet af rigelig fossil energi.

"Saudi-Arabien og Kuwait og Bahrain; alt deres vand kommer fra afsaltning. De har kun vand nedenunder i et par dage, så de har ikke råd til at tage nogen risiko, " forklarede han.

"Så du kan forestille dig, denne industri er meget konservativ, hvor vandreserverne er meget lave. Befolkningen vokser år efter år i de arabiske lande. Og ferskvandsressourcen vokser ikke:De kan ikke have den luksus at fejle ved at implementere et afsaltningsanlæg."

Den Arabiske Golf er et lukket hav, uden ferskvandsfloder, der strømmer ind i det, og høje temperaturer øger fordampningen, yderligere at øge både saltholdighed og temperatur.

"Der er nogle steder, hvor man kan få omkring 45 eller endda 50 gram per liter (g/L) salt. du kan have oliespild og algeopblomstring, der kan forårsage fejl i forbehandlingssystemet af, for eksempel, en omvendt osmose plante, " han sagde.

Termisk afsaltning er en gennemprøvet teknologi, der er velegnet til de barske forhold i Golfen, men fra et energisk synspunkt er det ret ineffektivt sammenlignet med nutidens mere udbredte omvendt osmose. Men sådan "vanskeligt" havvand kan beskadige membraner, stopper et omvendt osmoseanlæg:"Så de vil ikke helt opgive termisk afsaltningsteknologi. De vil have begge dele."

Hvornår skal termisk afsaltning kombineres med CSP

Oprindeligt blev termisk solenergi foreslået som bedst egnet til termiske afsaltningsprocesser, som i det væsentlige bruger varme til at fordampe vand. Imidlertid, varmen til termisk afsaltning er nødvendigvis placeret på stedet for afsaltningsanlægget, hvilket skaber en udfordring.

"Der er to problemer med CSP-baserede kraftvarmeværker til samtidig produktion af elektricitet og termisk afsaltning af havvand:saltluftkorrosion, og at DNI ved kysten ikke er så godt som inde i landet. Så der er en bøde i udgifter til el og ferskvand. Den bedste mulighed for dette scenarie er at placere CSP-anlægget inde i landet, væk fra de omgivende saltvandseffekter, og omvendt osmose-anlægget ved kysten, " bemærkede han.

Elektricitet til omvendt osmose Sesalination kan overføres langvejs fra, men varme til termisk afsaltning kan ikke. Så, I dette tilfælde, CSP virker bedre parret med omvendt osmose, når havvandsforholdene tillader brugen af ​​denne teknologi uden problemer.

For CSP-kraftvarmeværker, termisk afsaltning drives af den spildvarme, der er tilgængelig ved udgangen af ​​dampturbinen. Gennemførligheden af ​​denne mulighed versus den adskilte produktion af elektricitet og afsaltet vand (ved at bruge en del af denne elektricitet) afhænger af to faktorer:graden af ​​straf i kraftproduktionen, der indføres ved at etablere en højere trykværdi for dampen ved turbinens udløb ( krævet af det termiske destillationsanlæg) og de specifikke investeringsomkostninger for destillationsenheden.

For eksempel, tørafkølede CSP-anlæg producerer vand om vinteren ved ca. 50°C til 60°C om sommeren, tæt på den 70°C indløbstemperatur, som termiske afsaltningsenheder (lav-temperatur MED) har brug for.

I de sidste år, der gøres en stor forskningsindsats i at udvikle nye varmeveksleroverflader baseret på polymere materialer til termiske destillationsanlæg. Sådanne udviklinger kan i væsentlig grad reducere investeringsomkostningernes indvirkning på de endelige omkostninger til ferskvand.

I tilfælde af selvstændige solvarmeafsaltningsanlæg, CSP er den bedste mulighed for at levere den termiske energi til en medium temperatur, der kræves af højeffektive konfigurationer:multi-effekt destillation med termokompression, multieffektdestillation koblet til absorptionsvarmepumper og nanofiltrering+multieffektdestillation.

Hvorfor CSP er bedre parret med omvendt osmose (RO) afsaltning

Dagens fremherskende afsaltningsteknologi bruger en proces, hvor der kun bruges elektricitet, sender strøm døgnet rundt for at pumpe vand gennem en række membraner for at udvinde ferskvandet gennem omvendt osmose (RO).

"I det meste af verden, til afsaltning i industriel skala, et CSP-anlæg koblet til et RO-anlæg, som bruger elektricitet til kraftværket, ville være en bedre mulighed end at koble det med termisk afsaltning, " bemærkede han.

"RO er mere effektiv, når du har det, vi kalder "ikke-svært" vand, som i Middelhavet, i Nordafrika, og endda i Det Røde Hav, hvor saltindholdet er en lille smule højere, " sagde han. "For eksempel i Middelhavet er saltindholdet kun 35 gram pr. liter (g/L), og du har ikke problemet med at ændre forhold, der kan beskadige membranerne."

Det specifikke energiforbrug afhænger af vandets saltholdighed. Jo højere saltindhold, jo højere er det specifikke energiforbrug:"F.eks. i top effektivitet, Her i Spanien med omkring 34 til 35 g/L saltholdighed er det typiske specifikke energiforbrug, som hvert RO-modul har brug for, omkring 3 kWh pr. kubikmeter produceret ferskvand."

"Men Mellemøsten med højere saltholdighed, 40 til 45 g/L, har et højere elforbrug, fordi du har brug for et højere tryk, så typisk har de brug for op til 4,5 kWh pr. kubikmeter."

CSP + lager =100% solafsaltning

Alarcón-Padilla hævder, at den eneste virkelige 100% solafsaltning er med CSP, på grund af dets evne til at levere fast energi i lange varigheder med termisk energilagring (TES). Med henvisning til den nyligt annoncerede Metito-fabrik i Saudi-Arabien, angiveligt drevet af solcelleanlæg, han bemærkede, at når natten falder på, vil anlægget skifte til netstrøm.

"For mig er dette ikke solafsaltning, " sagde han. "Ægte solafsaltning er, når du står over for udfordringen med at håndtere en variabel energikilde som solenergi. CSP kan levere en meget flad profil. Det har en fordel på grund af dets afsendelsesmuligheder."

"Principielt ser PV billigere ud, men du har problemet med ingen afsendelsesmuligheder. Energitilførslen er ikke flad. Det varierer i løbet af dagen. Derudover har PV ikke billig lagerplads til rådighed for stor kapacitet."

Afsaltning kan ikke slås fra, når skyer passerer, påpegede han. "Du kan få problemer med afkalkning i membranen, hvis du bliver ved med at tænde og slukke for den.

Som resultat, når PV foreslås, det skal sikkerhedskopieres til nettet, resulterer i meget mindre end 100 % solafsaltning:"Når dette "solcelle" afsaltningsanlæg tager elektricitet fra nettet, for mig er dette bare et solcelleanlæg, der sætter elektricitet ind i nettet"

Det samme problem gælder for CSP uden lager, selvfølgelig. Ved solnedgang, uden lagret energi, CSP ville også skifte til netstrøm. Opbevaring hjælper også økonomisk:"Du ønsker at holde RO-anlægget i drift det maksimale antal timer for at reducere virkningen af ​​investeringsomkostningerne og de endelige omkostninger til vandet."

Men der er mere end én slags opbevaring. Ud over CSP's termiske lager, både den og PV kan simpelthen opbevare alt deres overskydende "spildte sol" i ferskvand, øge rentabiliteten.

"Opbevaring af energi er meget dyrt, men at opbevare vand - bare i en normal vandtank - er meget billigt, "Alarcon-Padilla bemærkede. "Når efterspørgslen efter elektricitet er lav, kan du sætte afsaltningsmodulerne i drift for at producere mere ferskvand."