Solar sea water desalination

Abstract

El acceso a agua potable se ve como uno de los grandes problemas de la humanidad en un futuro cercano: Actualmente, hay más de 2.FFF millones de personas afectadas. El crecimiento exponencial de la población y el cambio climático, que no sólo tiende a un aumento de la temperatura, sino también al de los desastres naturales, son dos factores que hacen que esta terrible cifra aumente. Una de las posibles soluciones más habladas es la desalinización del agua mediante plantas desalinizadoras. Éstas sin embargo, suelen ser grandes plantas que funcionan con energía fósil, que requieren de grandes inversiones y de elevados costes de mantenimiento. Esto hace que dichas plantas, no solo contribuyan al cambio climático, sino que además sólo son construidas por grandes empresas en zonas de gran aglomeración. Son las zonas rurales, y aquellas zonas con mala infraestructura aisladas en la costa, las que tienen mayor necesidad de agua potable. Es precisamente para estas zonas, para las que se está investigando una planta desalinizadora pequeña, sencilla de montar, de bajo coste, y que funcione con energía solar, pero tenga una alta eficiencia. El AquaCUBE (desarrollado por la TU München) es una planta desalinizadora de aproximadamente 1 m3 basado en el principio de humidificación-deshumidificación para la potabilización de agua salada, agua salobre o agua contaminada por elementos menos volátiles que el agua. El agua salada o contaminada, que se encuentra inicialmente en un depósito cerrado, y que sirve de medio para recircular el agua, es bombeada al condensador donde el agua es precalentada. De ahí se pasa a un colector solar donde se eleva la temperatura del agua a unos 85ºC. Después de pasar por un sistema de distribución, el agua cae en forma de gotas en el evaporador, donde al ponerse en contacto con el aire, es parcialmente evaporada. El agua suelta de esta manera su entalpía de evaporización, que es recogida por el aire. El vapor de agua es transportado al condensador, mientras el aire seco vuelve a entrar por la parte inferior del evaporador, creándose un ciclo natural convectivo. Este ciclo permite el precalentamiento del agua en el condensador, obteniendo unos ratios de eficiencia (GOR1 ) de entre 3 y 4 (equivalente al de grandes plantas). En la figura 3.2 del proyecto, se puede ver un esquema de funcionamiento general de la planta. El colector solar tiene que ser resistente al agua salada, para así poder calentar el agua, sin la necesidad de calentar otro fluido previamente. Se consigue así un colector solar de alto rendimiento, manteniéndolo bajo coste. Para evitar la formación de bloques de sal, hay que mantener la concentración de sal debajo de los 2FFg/kg, teniéndose que cambiar el depósito cuando dicha concentración es alcanzada. Las relativas bajas temperaturas, el funcionamiento a presión ambiente y la sencillez de la planta, permiten hacer de esto un sistema sencillo, de bajo coste y alta eficiencia. En este proyecto se ha hecho especial hincapié en el montaje, puesta en funcionamiento y análisis de los resultados del AquaCUBE. Los resultados teóricos obtenidos por Seifert [SEIFF6] y Homing [HORNF7] han servido de base para la comparación de dicho resultado. Mediante las gráficas y los datos, que se han podido obtener en su mayoría gracias a la conexión de la planta con el ordenador, se obtienen los siguientes resultados: • La temperatura óptima de 85ºC a la entrada del evaporador se confirma como óptima. A medida que se va acercando a esta temperatura, la pendiente de la gráfica, que nos muestra la cantidad de agua destilada obtenida, va aumentando exponencialmente hasta el punto en el que llega a dicha temperatura, donde la pendiente de la curva disminuye. • Dicha temperatura es la que presenta mayor influencia en el agua destilada obtenida, y por tanto, en el GOR. Por ello todos los experimentos que se hicieron a continuación, fue manteniendo constante ésta temperatura a 85ºC y cambiando los demás parámetros.Es importante la regulación del caudal a la entrada del colector solar. De esta manera se consigue alcanzar rápidamente la temperatura de 85ºC y con ello un mayor rendimiento de la planta. Dicho caudal es regulado automáticamente acercándose a esa temperatura sin grandes oscilaciones después de ajustar una serie de parámetros. Este caudal varía desde 8F l/h, cuando la planta es puesta en marcha, hasta los 3FF l/h en el momento de mayor producción. • Se confirma la temperatura calculada de 42ºC [HORNF7] en el depósito como óptima, para el funcionamiento de la planta. Dicha temperatura, y el grado de salinidad serán los parámetros que sirvan para el cálculo del tamaño del depósito. En caso de tener acceso continuo a agua salada, se empieza con una cantidad de 15F 1 en el depósito, alcanzando rápidamente la temperatura. Una vez alcanzada, se mantiene esta temperatura aumentando el caudal de agua que es bombeada. • El agua destilada obtenida resulta ser de gran calidad. Aunque los experimentos realizados hayan sido con agua de grifo, pasamos de tener 15F mg/kg de sólidos disueltos en el agua a 5 mg/kg en el agua destilada. Con esto, el hecho de que el agua salada no pase del lado del evaporador al lado del condensador, queda confirmado. El AquaCUBE, cuyos resultados teóricos obtenidos previamente resultan confirmarse, necesita sin embargo de una serie de modificaciones: • El calentador industrial utilizado, tiene su límite de temperatura regulado en 85 ºC. Como consecuencia, el sistema de seguridad salta y es desconectado, cuando es puesto en funcionamiento durante un tiempo prolongado. Este tiempo varía entre una y tres horas, dependiendo de la potencia utilizada. • Resulta de gran dificultad encontrar una bomba comercial, cuyo caudal sea regulable entre los 8F 1/ h y los 3FF l/h, y que a su vez tenga fuerza suficiente para vencer la pérdida de presión de la planta. Se busca también, conseguir que la bomba funcione exclusivamente con energía fotovoltaica. Las bombas que funcionan con DC, encarecen considerablemente el precio de las mismas. Se estudia en posibilidad de un transformador de corriente.The access to drinking water is seen as one of the big problems of humanity in the near future. Nowadays, there are more than two billion people facing scarcity of water. The exponential growth of the population together with climate change do not only increases towards in temperature, but also towards natural disasters. One of the most discussed solutions is desalination of water through desalination plants. However, these big plants usually work with fossil energy and require significant investments and high maintenance costs. As a result, desalination plants do not only contribute to climate change, but they are only built up in the big urban areas by big companies. Rural areas and areas isolated from the coast and with bad infrastructure are those with the highest needs of potable water. It is exactly for these areas for which a small, lowcost and easy to assemble plant is being investigated. This plant is planned to work with solar energy and a high efficiency. The AquaCUBE (investigated at the TU München) is a desalination plant of lm3 based in the principle of humidification-dehumidification for the purification of seawater, brackish water or contaminated water by elements that are less volatile than water. The seawater or brackish water, which is initially stored in a closed tank, is used as means to re-circulate the water. Water is pumped from the tank to the condenser where water is preheated. From there it gets into the solar collector, where water is heated up to a temperature of 85ºC. After circulating through a distribution system, water falls in the form of drops in the evaporator. As water gets in contact with air, it is partially evaporated, the brine is cooling down by releasing the evaporation enthalpy and the vapor is taken up by the air. At the top of the evaporator, the density of the humid air is lower than at the bottom because of the higher temperature and the higher concentration of vapor. This density variation within the system generates a natural convection of the enclosed air. This issue allows the obtaining of efficient ratios (GOR1 ) between 3 and 4 (comparable to big desalination plants). In figure 3.2 ofthe master thesis, a sketch ofthe working principle can be seen. The solar collector must be seawater proof, so it can heat up the water without the need of preheating another fluid. A solar collector of a high efficiency rate and low cost is obtained. To avoid scaling the concentration of salt has to be kept under is critical point of 200 g/kg. When this concentration is reached the water of the deposit has to be changed. Low temperatures and ambient pressure allow the use of corrosion free materials. This together with the simplicity of the plant, makes the AquaCUBE a low cost and easy to operate plant. In this master thesis special attention has been placed to the building, running and analyzing of the results of the AquaCUBE. The theoretical calculations obtained by Seifert [SEIF06] and Horning [HORN07] has been an important issue for the comparison of the results. Graphics and data, which mostly have been able to be obtained due to the connection of the plant to a personal computer, show the following results: • The optimal temperature of 85ºC at the entrance of the evaporator is confirmed to be optimal. It can be seen that the slope increases rapidly until this temperature is reached. At this moment the slope <loes not increase so fast anymore. • This temperature is the most influencing one in the distilled water obtained. Therefore, all the experiments which were made after this conclusion, were maintaining the temperature of 85ºC, and changing the others parameters. • It is important to regulate the mass flow at the entrance of the solar collector. The temperature of 85ºC is reached in a shorter time and therefore the efficiency of the plant. This mass flow, which varies between the 80 l/h and 300 l/h, is regulated automatically, reaching the temperature without oscillations. • The temperature of 42ºC is confirmed as optimal for the running of the plant. This temperature and the salinity of the water are the parameters which define the optimum capacity of the tank. In case there is constant access to sea water, the tank is filled up with little water (1501) and is filled upas the temperature of 42ºC is reached. Salinity has to be kept below the 200g/kg • The distilled water obtained has a high quality. Although the experiments have been made with tap water (150mg/l), a water of 5mg/Kg of solids dissolved in water has been obtained. This issue confirms the fact that no seawater is getting into the evaporator side. The AquaCUBE theoretical calculations have been confirmed. Nevertheless sorne modifications still need to be made. • The industrial heater has its temperature regulated on 85ºC. As a result, the running of the plant during a long while cannot be achieved. This time varies between one and two hours. • It is very difficult to find a commercial pump, which mass flow can be regulated between the 80 l/h and 300 l/h and that it has power enough to pump with the big loss of pressure produced in the AquaCUBE. It is also important to make run the pump with only photovoltaic energy. Pumps running with DC increase the prince of the pump. The possibility to change DC into AC is studied.