Ters Osmoz Su Arıtma Sistemleri İle Bütünleşik Yenilenebilir Kaynaklı Tatlı Su Üretim Sistemlerinin Geliştirilmesi Ve Termodinamik Analizi

Abstract

ABSTRACT

Scientists and researchers have taken a considerable interest in sustainably utilizing renewable energy sources to fulfill humankind's need for energy and fresh drinkable water. Renewable energy, such as solar and geothermal energy, is a natural energy source that has little to no harmful impacts on the environment. Therefore, utilizing renewable energy can be considered an effective way to provide energy.

One cannot effectively solve water scarcity without overcoming the energy challenge. In the last few decades, scientists have been utilizing multigeneration systems to overcome this challenge by providing more than one useful output using at least one energy source. They are used to achieve highly efficient systems, to reduce energy consumption, and to generate multiple outputs such as electricity, fresh water, heating, and cooling from one energy source. In this thesis, three novel systems based on renewable energy sources are introduced and studied. The renewable energy sources utilized are solar, geothermal, and nuclear, while coal is also assessed as a standard reference. The solar-based system (System 1) utilizes solar energy using a parabolic trough collector to run the ORC to generate electricity, which operates the reverse osmosis desalination system to produce fresh water from seawater. The excess heat is then used to create a cooling effect through the absorption refrigeration cycle. The geothermal-driven multigeneration system (System 2) produces multiple outputs, namely electricity, freshwater, cooling, and heating. Geothermal fluid is utilized from a geothermal well to generate electricity and run the organic Rankine cycle for electricity production and domestic hot water. The power generated in the geothermal cycle is then used to produce desalinated water via the reverse osmosis desalination system. The disposed of geothermal fluid goes through a heat exchanger to utilize the excess heat to run the absorption refrigeration cycle to produce a cooling effect. In the last system it is considered to use electricity from nuclear reactors to produce freshwater via RO.

To comprehensively study the developed systems, we thermodynamically model and define each one of them. The energy and exergy efficiencies of each system and sub-system are determined. Parametric studies are conducted to assess the effects of operating conditions and design parameters on the systems' performances. An economic analysis is performed to determine product costs, to estimate the highest cost contributors to the systems, and to compare the price of desalination from various renewable sources. Finally, an optimization study is conducted to find the best design parameters for all three developed systems. Analysis of the nuclear driven system is made by using IAEA (International Atomic Energy Agency)’s DEEP (Desalination Economy Evaluation Program) software package.

According to the results of the studied systems, the energy and exergy efficiencies of System 1 are found to be 33.8% and 12.1%, respectively. The energetic and exergetic coefficients of performance of the ARC are 21% and 67%, respectively. The costs of products, which are electricity, freshwater, and cooling, are found to be 0.3747$/kWh, 2.612 $/m3, and 0.08495 $/kWh, respectively. System 2 has energy and exergy efficiencies of 58.56% and 30.32%, respectively, while the costs of fresh water, electricity, cooling, and heating are 0.294 $/m3, 0.0761$/kWh, 0.008607$/kWh and 0.006996$/kWh, respectively. System 3 is economically studied using DEEP, and the results show that the cost of fresh water and electricity (Nuclear case) is 0.773 $/m3 0.067 $/kWh, while the (Coal Case) cost of fresh water and electricity, in the same operating conditions, is found to be 0.819 $/m3 and 0.083 $/kWh, respectively.

Each system has its advantages and strengths, depending on the place in which one intends to operate them. For instance, solar-based systems can be implemented in countries where the sun is available for extended periods throughout the year, whereas geothermal-based systems can be used in countries with plenty of geothermal sources. Nuclear sources are not specific to any region and can be utilized by any country that has the necessary technology.

In conclusion, solar-driven desalination technology still needs improvement for increased efficiency and decreased product costs due to high capital costs and the intermittent nature of solar energy. At the same time, the geothermal energy-based system shows the lowest product costs with reasonable efficiency, thanks to its steady quality and low-cost operation. Nuclear systems are still superior to renewable-driven configurations showing similar environmental impacts. Renewable desalination technologies for communities that are under energy and water stress might be cost-effective long-term solutions in near/short terms.

ÖZET

İnsanlığın enerji ve içilebilir su ihtiyacını yenilenebilir enerji kaynaklarıyla sürdürülebilir bir şekilde karşılayabilmek için bilim insanları gözle görülür oranda çalışma yapmaktadırlar. Güneş ve jeotermal gibi enerji kaynakları çevreye zararı az ya da hiç olmayan doğal kaynaklardır. Bu nedenle yenilenebilir enerji, enerji ihtiyacını etkili olarak gidermek için ele alınmaktadır.

Enerji sorunu giderilmeden su sorununu çözmek mümkün değildir. Son yıllarda bilim insanları tek ya da birden çok kaynaktan birden fazla kullanılabilir enerji üretmek için çoklu üretim sistemlerini kullanmaktadırlar. Enerji tüketiminin düşürülmesi ve yüksek verimli sistemler için elektrik, içilebilir su, ısıtma ve soğutma gibi faydalı çıktıları tek bir kaynaktan elde etmek için çoklu üretim sistemleri kullanılmaktadır.

Bu tezde farklı yenilenebilir enerji kaynaklarını kullanan üç yeni sistem geliştirilmiş ve çalışılmıştır. Kullanılan yenilenebilir kaynaklar güneş, jeotermal ve nükleer enerji iken kömür kullanımı referans olarak değerlendirilmiştir. Güneş enerjili sistem (Sistem 1) parabolik oluk kolektörü kullanarak bir Organik Rankine Çevrimi (ORC) sistemini kullanmakta ve burada üretilen güç ile ters ozmos sistemini çalıştırarak içilebilir su üretimi sağlamaktadır. Atık ısı bir absorbsiyonlu soğutma sisteminde soğutma etkisi üretimi için kullanılmaktadır. Sistem 2’de jeotermal kaynaktan alınan enerji ile elektrik, içilebilir su, soğutma ve ısıtma yapılmaktadır. Jeotermal kaynaktan alınan enerji ile bir buhar türbini ve ORC sisteminde elektrik ve evsel sıcak su üretilmektedir. Üretilen enerjinin bir kısmı ile (RO) sisteminde içilebilir su üretilmekte ve atık ısı ile yine absorbsiyonlu soğutma sisteminden soğutma yükü elde edilmektedir. Son sistemde ise nükleer reaktörlerden elde edilen güç ile RO sisteminden su eldesi sağlanmıştır.

Geliştirilen sistemleri detaylı çalışmak için termodinamik modeller geliştirilmiş ve her sistemin enerji ve ekserji verimleri hesaplanmıştır. Sistemlerin performanslarının değişimleri parametrik çalışmalar yardımıyla yapılmış ve çalışma şartlarının sistem verimleri üzerine etkileri incelenmiştir. Ürün maliyetlerinin hesabı, maliyete katkısı olan bileşenlerin belirlenmesi ve farklı sistemlerin maliyet karşılaştırmaları için ekonomik analiz yapılmıştır. Son olarak çok-amaçlı optimizasyon ile en iyi tasarım parametreleri belirlenmiştir. Nükleer tabanlı sistemin analizi (IAEA) Uluslararası Atom Enerjisi Kurumu’nün (DEEP) Desalination Economy Evaluation Program adlı program paketi ile yapılmıştır.

Çalışılan sistemlerin sonuçlarına göre Sistem I’in enerji ve ekserji verimleri %12.1 ve %33.8 olarak bulunmuştur. (ARC) sisteminin verimleri ise sırasıyla %21 ve %67’dir. Elektrik, içilebilir su ve soğutma maliyetleri sırasıyla 0.3747 $/kWh, 2.612 $/m3 ve 0.08495 $/kWh olarak hesaplanmıştır. İkinci sistemin enerji ve ekserji verimleri %58.5 ve %30.3 olarak hesap edilmiş, sistemin ürünlerinin maliyetleri içilebilir su, elektrik, soğutma yükü ve ısıtma için sırasıyla 0.294 $/m3, 0.0761$/kWh, 0.008607$/kWh and 0.006996$/kWh olarak hesaplanmıştır. Son sistem olan Sistem III DEEP ile ekonomik olarak çalışılmış ve nükleer tabanlı sistemde içilebilir su ve elektrik maliyetleri 0.773 $/m3 0.067 $/kWh iken kömür tabanlı sistemde bu değerler 0.819 $/m3 ve 0.083 $/kWh olarak bulunmuştur.

Her bir sistemin kurulma durumu ve konumuna göre kendine özgü avantajları ve güçlü yanları bulunmaktadır. Örneğin güneş tabanlı sistem güneşin yıl boyunca bol olduğu bölgelerde kullanıldığında sürdürülebilirken, jeotermal tabanlı sistem bu enerji kaynağının yoğun olduğu bölgelerde kullanılabilir. Nükleer enerji kaynağı bir bölgeye özgü değildir nükleer teknolojinin var olduğu her yerde kullanımı mümkündür.

Sonuç olarak yüksek yatırım maliyeti ve güneş enerjinin kesintili varlığı nedeniyle Sistem I yüksek verim ve düşük ürün maliyetleri için halen gelişime ihtiyaç duymaktadır. Jeotermal kaynaklı sistem kararlı enerji varlığı ve düşük yatırım maliyetleri sayesinde, ürün maliyetleri karşılaştırıldığında sistemlerin içinde en düşük olanıdır ve kabul edilebilir verim değerleri göstermektedir. Nükleer tabanlı benzer çevresel etkiler göstermesine rağmen halen yenilebilir tabanlı sistemlere göre daha etkindir. Yenilebilir enerji kaynaklı içilebilir su üretim sistemleri enerji ve su problem yaşayan toplumlar için yakın/kısa dönemde uzun vadeli çözüm sunabilir.