Retfærdig sammenligning af afsaltningsteknologier sætter varme på energikilder

En ny måde at vurdere effektiviteten af ​​rivaliserende afsaltningsteknologier kunne hjælpe med at vejlede nye udviklinger for at levere drikkevandsforsyninger i byområder, viser forskning foretaget på KAUST.

Den globale efterspørgsel efter vand nåede omkring 4000 milliarder kubikmeter i 2000 og forventes at vokse med mere end 58 procent i 2030. Ferskvandskilder kan ikke følge med denne efterspørgsel, og afsaltning af havvand bliver en stadig vigtigere måde at levere drikkevand på.

Omkring 60 procent af verdens afsaltningskapacitet er afhængig af omvendt osmose-systemer, som bruger elektrisk strøm til at skubbe vand gennem en membran for at fjerne salt og andre urenheder. Andre afsaltningsprocesser bruger varme til at fordampe rent vand væk fra saltvand. Verdens afsaltningskapacitet forventes at fordobles i løbet af det kommende årti, og forenklede beregninger tyder på, at omvendt osmose kunne være en mere energieffektiv måde at opfylde dette behov på.

Men Muhammad Wakil Shahzad, Muhammad Burhan og Kim Choon Ng fra KAUST's Water Desalination and Reuse Center, påpege, at de nuværende måder at sammenligne energieffektivitet på i de forskellige metoder til afsaltning af havvand kun tager højde for mængden af ​​sekundært energiforbrug, men ignorerer typen eller kvaliteten af ​​energi (f.eks. damp eller elektricitet), der forbruges i processen.

De har demonstreret en simpel termodynamisk tilgang, der tager højde for mængden og kvaliteten af ​​den energi, der er nødvendig for at drive et afsaltningsanlæg. Denne tilgang producerer en fælles platform til sammenligning af energieffektivitet, der bruger et standard universelt præstationsforhold, der giver en mere retfærdig sammenligning mellem havvandsafsaltningsmetoder.

For eksempel, kombinerede cyklus gasturbiner (CCGT'er) er blandt de mest effektive el-producerende kraftværker i dag, afbrænding af naturgas for at dreje en turbine, der genererer elektriciteten. Men de genvinder også udstødningsvarmen fra gasturbinerne og bruger den til at skabe damp ved højt tryk og høj temperatur, som kan dreje separate dampturbiner, der bidrager til anlæggets elproduktion.

Varmebaserede afsaltningsanlæg kan fungere sammen med CCGT'er, udluftning af relativt lav temperatur damp, der ellers ville gå til spilde og bruge den til at rense vand ved fordampning. Forskerne har beregnet, at udnyttelse af spildvarme fra et CCGT på denne måde sikrer, at den mest effektive mulighed for termisk afsaltning sker i successive faser. Denne brug af spildvarme kaldes multi-effekt destillation.

Imidlertid, selv denne mulighed opnår stadig kun op til 13 procent af den maksimale teoretiske effektivitet. "Alle praktiske afsaltningsmetoder har energieffektivitet langt under den termodynamiske grænse, " siger Shahzad. For at nå mål for bæredygtig udvikling, effektiviteten af ​​afsaltning bør fordobles i det kommende årti, siger forskerne."Der skal ske et skift i teknologiparadigmet fra det, der er tilgængeligt i dag, " fortsætter han.

Ng tyder på, at membraner baseret på atomtynde plader af kulstof kaldet grafen, eller hybridsystemer, der kombinerer flere termisk drevne processer, kunne være med til at opnå et paradigmeskifte. Termisk drevne metoder kræver en hybrid af flere termisk drevne processer; for eksempel, en kombination af multi-effekt destillation hybridiseret med en adsorptionscyklus, der øger lavgradig varmetilførsel. De mener, at op til 30 procent af den termodynamiske grænse er et opnåeligt mål for bæredygtig afsaltning af havvand i den nærmeste fremtid.