Nel presente lavoro sono stati studiati i processi di desalinizzazione MSF e MED, integrandoli con cicli termodinamici alimentati da collettori parabolici lineari. All’aumentare della TBT, l’impianto multi flash, simulato con 20 stadi, presenta migliori rapporti di conversione da acqua salata ad acqua pura, con minori consumi termici. Invece, l’impianto MED presenta migliori performance all’aumentare del numero degli stadi e garantisce, a parità di acqua trattata, maggiori portate di acqua distillata rispetto a quello multi flash. Fissata una portata di acqua trattata (tipica di impianti piccoli, per piccole comunità), si sono accoppiate queste due utenze termiche a cicli ad acqua e cicli organici. Per il ciclo ad acqua l’accoppiamento migliore risulta con MSF, in quanto è possibile dimensionare l’impianto con una potenza elettrica fissata, spillando dalla turbina la quantità di acqua necessaria per alimentare l’impianto MSF. Al contrario, l’accoppiamento con MED risulta più problematico a causa della potenza elettrica minore di 1MW (non conveniente con l’utilizzo di vapore come fluido di lavoro) e del minor rendimento exergetico. Analizzando i cicli organici nelle tre configurazioni e per i quattro fluidi scelti, si osserva che il ciclo a condensazione e con rigenerazione accoppiato con MED richiede dimensioni del campo solare e potenze elettriche maggiori rispetto a quello accoppiato con MSF, ma con minori rendimenti exergetici. Invece il ciclo con trasferimento di calore sensibile accoppiato con MED ha potenze elettriche e aree del campo solare minori rispetto a quello accoppiato con MSF, ma con maggiori rendimenti exergetici e ciò è più evidente utilizzando i fluidi silossani. Concludendo, si può affermare che per realizzare un impianto cogenerativo accoppiato con MSF la scelta può ricadere su un ciclo ad acqua oppure su un ORC in configurazione a condensazione o con rigeneratore, utilizzando preferibilmente toluene o ethylbenzene. Analogamente, l’accoppiamento con MED può essere effettuato con una delle due configurazioni ORC, ma non con un ciclo ad acqua. La configurazione del ciclo organico con trasferimento di calore sensibile, che presenta minori performance, è quella che si avrebbe se si accoppiasse un impianto di desalinizzazione ad un ciclo organico già esistente e, tra i fluidi provati, sarebbe preferibile utilizzare l’MD2M o l’MDM. Infine, per i cicli con fluidi organici studiati, a seconda della scelta della pressione di evaporazione e della temperatura di surriscaldamento si può cercare di privilegiare una maggiore produzione di energia elettrica o una maggiore quantità di acqua distillata, a parità di area dei collettori, a seconda delle richieste delle utenze servite.
Sviluppi futuri potrebbero effettuare un’analisi termo-economica dei sistemi studiati in questa tesi, confrontandoli con impianti ad osmosi inversa utilizzanti CSP e pannelli fotovoltaici.
Bibliografia
[1] WBCSD (World Business Council for Sustainable Develpoment). Facts and Trends: Water, 2009.
[2] M.W. et al. Rosegrant, Global Water Outlook to 2025, Averting an Impending Crisis, International Food Policy Research Institute and International WaterManagement Institute., 2002.
[3] Mark Worall, Saffa Riffat Mahmoud Shatat, "Opportunities for solar water desalination worldwide: Review," Sustainable Cities and Society, vol. 9, pp. 67-80, 2013.
[4] Food and Agricolture Organization & World Water Council (2015) Towards a Water and Food Secure Future: Critical Perspectives for Policy-makers.
[5] S. Vankin, The Emerging Water Wars. Global Politician, 2005.
[6] Marco Rognoni, La dissalazione dell'acqua di mare: descrizione, analisi e valutazione delle principali tecnologie, 2010.
[7] WHO (World Health Organization), Desalination for Safe Water Supply, 2007.
[8] Mohamed A. Antar, Amy Bilton, Julian Blanco & Guillermo Zaragoza John H. Lienhard, Solar Desalination., 2015, ch. 9.
[9] Carlo Funel, Processi di desalinizzazione dell'acqua di mare e loro prospettive, 1964. [10] Damiano Gatto, Experimental investigation of ethanol separation by reverse osmosis,
2012.
[11] "Concentrating solar power for seawater desalination, Aqua-CSP Study report, German Aerospace Center," Stuttgart, Germany, 2007.
[12] Irfan Wazeer Ibrahim S. Al-Mutaz, "Comparative performance evaluation of conventional multi-effect evaporation desalination processes," Applied Thermal Engineering, vol. 73, pp. 1194-1203, 2014.
[13] Luciano Lucero, Studio di fattibilità di un impianto di dissalazione dell'acqua di mare ad osmosi inversa, con l'utilizzo di energia solare fotovoltaica, 2015.
[14] Giovanni Solini, Osmosi inversa per la dissalazione di acqua di mare: dimensionamento di un impianto di 200.000 A.E. e analisi di processo, 2013.
[15] K.S. Reddy H. Sharon, "A review of solar energy driven desalination technologies," Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 41, pp. 1080-1118, 2015.
[16] Yogi Goswami, Elias Stefanakos Chennan Li, "Solar assisted sea water desalination: A review," Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 19, pp. 136-163, 2013. [17] IDA 18th Worldwide Desalting Plants Inventory, 2013.
[18] Yunus Cengel, Byard Wood, Nafiz Kahraman, and E. Sinan Karakas Yunus Cerci, Improving the thermodynamic and economic efficiencies of desalination plants:
minimum work required for desalination and case studies of four working plants, 2003. [19] Lawrence L. Kazmerski Ali Al-Karaghouli, "Energy consumption and water production
cost of conventional and renewable energy powered desalination processes," Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 24, pp. 343-356, 2012.
[20] Nagamany Nirmalakhandan, Shuguang Deng Veera Gnaneswar Gude, "Renewable and sustainable approaches for desalination," Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 14, pp. 2641-2654, 2010.
[21] Hassan E.S. Fath, Peter R. Armstrong Muhammad Tauha Ali, "A comprehensive techno- economical review of indirect solar desalination," Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 15, pp. 4187-4199, 2011.
142
[22] Ettouney H.M. El-Dessouky H.T., Fundamentals of salt water desalination.: Elsevier, 2002.
[23] Hyomin Jeong, Kwang-Woon Jeong, Soon-Ho Choi Chung Hanshik, "Improved
productivity of the MSF (multi-stage flashing) desalination plant by increasing the TBT (top brine temperature)," Energy, vol. 107, pp. 683-692, 2016.
[24] Ahmed Elzain Elhassan, Hamid M. Mustafa, Omer Hassan Abdelrhman Alyas Ethar Ali, "Design configuration and simulation of a multi effects evaporator for a desalination plant," International Journal of Scientific & Technology Research, vol. 5, 2016. [25] Habib I. Shaban, Hamida Al-Ramadan Hisham El-Dessouky, "Steady-state analysis of
multi-stage flash desalination precess," Desalination, vol. 103, pp. 271-287, 1995. [26] Enrico Sciubba Paolo Fiorini, Analisi Termoeconomica di un impianto di dissalazione
tipo Multi-Stage Flashing, 2001.
[27] ENEA, Opportunità di applicazioni delle tecnologie solari termodinamiche in Italia, 2016.
[28] Christos Tzivanidis, Kimon A. Antonopoulos Evangelos Bellos, "A detailed working fluid investigation for solar parabolic trough collectors," Applied Thermal Engineering, vol. 114, pp. 374-386, 2016.
[29] Jesus Lopez-Villada, Eduardo Letelier, Silvia Romera, Alberto Coronas Joan Carles Bruno, "Modelling and optimisation of solar organic rankine cycle engines for reverse osmosis desalination," Applied Thermal Engineering, vol. 28, pp. 2212-2226, 2008. [30] Eckhard Lüpfert, Rafael Osuna, Antonio Esteban, Wolfgang Schiel, Axel Schweitzer,
Eduardo Zarza, Paul Nava, Josef Langenkamp, Eli Mandelberg Michael Geyer,
EUROTROUGH - Parabolic Trough Collector Developed for Cost Efficient Solar Power Generation, 2002.
[31] Dominik Meinel, Sebastian Eyerer, Hartmut Spliethoff Christoph Wieland, "Innovative CHP concept for ORC and its benefit compared to conventional concepts," Applied Energy, vol. 183, pp. 478-490, 2016.
[32] Habib I. Shaban, Hamida Al-Ramadan Hisham El-Dessouky, "Steady-state analysis of multi-stage flash desalination precess," Desalination, vol. 103, pp. 271-287, 1995. [33] Nagamany Nirmalakhandan, Shuguang Deng Veera Gnaneswar Gude, "Renewable and
sustainable approaches for desalination," Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 14, pp. 2641-2654, 2010.
[34] R. Clayton, Desalination for Water Supply, 2015.
[35] IRENA (International Renewable Energy Agency), Water Desalination Using Renewable Energy, 2012.
[36] Ali A. Al-Karaghouli and L.L. Kazmerski, Renewable Energy Opportunities in Water Desalination, 2008.
[37] M.G. Rasul and M.M.K. Khan I. Ullah, An overview of solar thermal desalination technologies, 2008.
[38] Soteris A. Kalogirou, Solar Energy Engineering, Seconda edizione ed.: Academic Press, 2013.