podstawowe rozważania energetyczne procesu odsalania

Jednym z ważniejszych czynników wpływających na ekonomikę wykorzystania technik odsalania jest poziom zużycia energii. Ocenia się, że 25–40% całkowitych kosztów odsalania to koszty zużycia energii (Tsiourtis 2001). Zapotrzebowanie na energię dla wybranych proce-sów pokazuje rysunek 2.9, z którego wynika, że metody destylacyjne charakteryzują się wyso-kim zużyciem energii, niezależnym od zawartości soli w wodzie. W procesie RO, natomiast, zużycie energii jest niższe, ale jest funkcją zasolenia wody (Tsiourtis 2001; Van der Bruggen i Vandecasteele 2002), ponieważ ciśnienie osmotyczne wody jest wprost proporcjonalne do zasolenia. Wówczas wymagane jest wyższe ciśnienie transmembranowe, a tym samym więk-sze zużycie energii elektrycznej związane pracą pomp procesowych. W procesach termicz-nych energia jest zużywana na pracę pomp oraz ciepło na odparowanie wody, które pochodzi z pary generowanej przez nisko- i średniociśnieniowe turbiny. RO charakteryzuje się niższym zużyciem niż MSF i MED, ponieważ nie jest wymagane ogrzewanie wody. Na rysunku 2.10 podano zużycie energii w poszczególnych etapach odsalania wody morskiej w procesie RO (Fritzmann 2007).

Rys. 2.9. Zużycie energii w różnych procesach odsalania Fig. 2.9. Energy use in various desalination processes

Stosunkowo wysokie zużycie energii oznacza, że odsalanie może być ekonomiczne, kiedy koszty energii są niskie, jak to ma miejsce na przykład w wielu krajach Środkowego Wschodu.

Jednakże w wielu innych regionach świata, gdzie nie są dostępne tradycyjne surowce energe-tyczne, koszty produkcji wody słodkiej metodą odsalania są wysokie. Postępy technologiczne w wymianie ciepła, technologii membranowej, oprzyrządowaniu do odzysku energii, cenach chemikaliów zużywanych w uzdatnianiu wody oraz łączeniu metod czy procesów powodują zmniejszenie zużycia energii w odsalaniu, a tym samym obniżają koszty pozyskiwania wody słodkiej (Van der Bruggen i Vandecasteele 2002). Stosuje się dwa zasadnicze podejścia do obniżenia zużycia energii w odsalaniu wody (Van der Bruggen i Vandecasteele 2002):

Y optymalizacja i minimalizowanie zużycia energii w procesach odsalania, Y wykorzystanie alternatywnych źródeł energii.

Zmniejszenie zużycia energii może zostać zrealizowane przez zastosowanie instalacji o  skojarzonej produkcji energii elektrycznej i  wody odsolonej, wykorzystanie procesów hybrydowych lub wprowadzanie zmian w  projektowaniu procesów tradycyjnych (Van der Bruggen i Vandecasteele 2002).

Tradycyjne źródła energii na kuli ziemskiej są ograniczone, a jej koszty znacznie zróż-nicowane. Stosowanie do produkcji energii surowców tradycyjnych (kopalnych) zwiększa emisję gazów cieplarnianych. W tym aspekcie badania związane z zastosowaniem alterna-tywnych i odnawialnych rodzajów energii są ważne by w przyszłości można je wykorzystać w procesie odsalania wody (Tsiourtis 2001; Van der Bruggen i Vandecasteele 2002). Dostępne formy energii, które musza być brane pod uwagę w procesie odsalania są następujące (Tsio-urtis 2001):

Rys. 2.10. Zużycie energii w różnych etapach procesu odsalania metodą RO (na podstawie Bodzek i Konieczny 2005)

Fig. 2.10. Energy consumption in various stages of the RO desalination process (based on Bodzek and Konieczny 2005)

1. Energia nieodnawialna – ten rodzaj energii dotyczy paliw kopalnych i energii ato-mowej. Energia z paliw kopalnych może być uzyskiwana w formie ciepła lub energii elektrycznej, a jej wadą jest wytwarzanie gazów cieplarnianych.

2. Energia odnawialna może być dostępna w  następujących formach: geotermalna, wiatru, promieniowania słonecznego i  hydrologiczna. Warto podkreślić, że energia odnawialna i odsalanie to dwie różne technologie, które mogą być łączone na różne sposoby. Na ogół energia generowana na miejscu ze źródeł odnawialnych pomaga w systemie odsalania. Energia ta może być generowana w różnej formie jak na przy-kład jako ciepło, energia elektryczna lub energia mechaniczna. W  ostatnich latach obserwuje się istotny wzrost zainteresowanie wykorzystaniem energii słonecznej w procesach odsalania.

Systemy odsalania z  energią odnawialną można podzielić na dwie kategorie: procesy termiczne i elektromechaniczne. W zależności od źródeł energii instalacje odsalające napę-dzane energią odnawialną tworzą układy nieskonsolidowane w miejscach braku elektrycz-ności (Mathioulakis i in. 2007). Układy nieskonsolidowane są często układami hybrydowy-mi, łączącymi więcej niż jedno źródło energii odnawialnej, na przykład, energię wiatrową i słoneczną lub z włączeniem generatora diesla. W celu zapewnienia ciągłej lub półciągłej eksploatacji, systemy nieskonsolidowane zwykle zawierają urządzenia magazynujące energię.

Energia wiatrowa jest wykorzystywana w formie turbin wiatrowych i konwertowana na energię mechaniczną i elektryczną, która może zostać wykorzystana w odsalaniu wody. Małe instalacje odsalające z wykorzystaniem energii wiatrowej zostały już zbudowane (Tsiourtis 2001), głównie na wyspach. Typowym przykładem takiej lokalizacji są Wyspy Kanaryjskie (Gran Canaria – Hiszpania), gdzie pracują systemy RO oparte na energii wiatrowej (Gar-cia-Rodriguez i  in. 2001). Energia wiatru może przyczynić się do znacznej redukcji kosz-tów jednostkowych produkowanej wody metodą RO, zakładając, ze średnia prędkość wiatru przekracza 5 m/s (Kiranoudis i in. 1997). Konieczne są jednak dalsze udoskonalenia tech-nologiczne w kierunku redukcji kosztów eksploatacji turbin wiatrowych. Wadą takiego roz-wiązania są sezonowe zmiany siły wiatru, co może powodować przerwy w dostawie energii elektrycznej, a więc i wody odsolonej.

Energia słoneczna dostępna w niektórych krajach charakteryzuje się obecnie wysokimi kosztami inwestycyjnymi stosownych ogniw słonecznych (Tsiourtis 2001; Van der Bruggen i Vandecasteele 2002). Jedną z koncepcji jest wykorzystanie energii słonecznej do odsalania wody morskiej jako kombinacja destylacji słonecznej i MED (Van der Bruggen i Vandeca-steele 2002). Energia słoneczna, w tych układach, może być użyta do wstępnego ogrzania wody morskiej lub do tworzenia pary. Stosuje się też ją w bezpośredniej destylacji słonecz-nej (stawy słoneczne) oraz w instalacjach kojarzących produkcję energii elektryczsłonecz-nej i wody odsolonej, w połączeniu z MED lub hybrydowymi systemami MED/RO (Glueckstern 1995).

Proste odsalanie słoneczne polega na przykryciu zbiornika wody przeźroczystą osłoną prze-puszczającą promieniowanie słoneczne, pod którą woda morska odparowuje i jest zbierana po kondensacji w specjalnych kolektorach (Van der Bruggen i Vandecasteele 2002).

Połączenie RO ze słonecznymi ogniwami fotowoltaicznymi umożliwia konwersję energii termicznej w mechaniczną, co wydaje się bardziej skomplikowane niż proces destylacji opar-ty na konwencjonalnych źródłach energii. Jednakże dzięki mniejszemu zużyciu energii w RO

wykorzystanie energii słonecznej, w  tym wariancie, wydaje się być opłacalne w  regionach o dużym nasłonecznieniu (Voros i in. 1998). Niewielkie instalacje łączące ogniwa fotowol-taiczne z  odwróconą osmozą o  wydajności 1 m³/d zostały zainstalowane na wyspie Gran Canaria – Hiszpania i obecnie pracują bezawaryjnie (Herold i Neskakis 2001). Połączenie ogniw fotowoltaicznych jest również możliwe z elektrodializą (Van der Bruggen i Vandeca-steele 2002).

Ogólną tendencją jest łączenie energii termicznej (słonecznej termicznej i geotermicznej) z procesami odsalania termicznego, energii elektromechanicznej z procesami odsalania wy-magającymi energii mechanicznej lub elektrycznej. Dlatego najczęściej używanymi opcjami stosującymi energię odnawialną są:

Y odwrócona osmoza, elektrodializa lub kompresja par zblokowana z PV lub wiatrem, Y energia słoneczna lub geotermiczna zblokowana z procesem destylacji.