ΠΡΟΛΟΓΟΣ
ΝΕΡΟ – ΥΔΩΡ! Η πηγή της ζωής όλων των όντων του πλανήτη μας γη, αλλά ταυτόχρονα πηγή ανάπτυξης και πολιτισμού, εφόσον, εάν ανατρέξουμε στην ιστορία της ανθρωπότητας θα παρατηρήσουμε ότι όλοι οι μεγάλοι πολιτισμοί αναπτύχθηκαν, άνθισαν και ευδόκησαν κοντά σε μεγάλα υδάτινα ρεύματα ποταμών ή θαλασσών, σε εποχές όπου το νερό ήταν ακόμα ένα καθαρό φυσικό προϊόν και ευλογία της ζωής και της ανάπτυξης.
Ποια είναι όμως η σημερινή κατάσταση των ανά τον κόσμο υδάτινων ρευμάτων και αποθεμάτων; Η φύση εξακολουθεί να παράγει καθαρό χρησιμοποιήσιμο νερό, η λανθασμένη όμως και αλόγιστη χρήση ή και κατάχρηση των φυσικών υδάτινων αποθεμάτων και η εξίσου αλόγιστη ρύπανση του εδάφους με επικίνδυνες τεχνητές ουσίες, οι οποίες συσσωρεύονται στα υδροφόρα αποθέματα, η ραγδαία δημογραφική αύξηση και η διαρκώς αυξανόμενη ρύπανση από βιομηχανικά απόνερα έχουν φέρει την ανθρωπότητα στο κρίσιμο σημείο έλλειψης καθαρού νερού. Εκτός αυτού, η κλιματική αλλαγή έχει σαν συνέπεια την αιφνίδια ροή τεράστιων όγκων καταστρεπτικού νερού χωρίς την δυνατότητα τιθάσευσης και κανονικής χρήσης των.
Επομένως, συμπεραίνουμε ότι στην σημερινή εποχή το νερό αρχίζει να αποτελεί πλέον πρόβλημα που ανατρέπει, σε πολλές περιπτώσεις, τις συνθήκες επιβίωσης ολόκληρων ομάδων όντων. Και στην χειρότερη περίπτωση, ένα φυσικό αγαθό που έπρεπε να είναι ελεύθερα προσιτό σε όλα τα όντα, μπορεί να μετατραπεί σε όπλο εναντίον πιο αδύναμων
14
Θερμική Ηλιακή Αφαλάτωση
ομάδων με εκτροπές ποταμών αποξηράνσεις λιμνών κτλ. Εκτός όμως από όλα αυτά τα προβλήματα, το φυσικό χρησιμοποιήσιμο νερό είναι τελείως ανομοιόμορφα κατανεμημένο στις διάφορες περιοχές του πλανήτη, καθιστώντας ορισμένες από αυτές τελείως άνυδρες.
Όλα αυτά τα σημερινά προβλήματα είχαν σαν κατάληξη την ανάπτυξη και εφαρμογή της αφαλάτωσης, τόσο για τον καθαρισμό μολυσμένων υδάτινων ρευμάτων όσο και για την παραγωγή κατάλληλου προς χρήση νερού, από αλμυρά αποθέματα. Η αφαλάτωση, δηλαδή η απομάκρυνση της περίσσειας των αλάτων από αλμυρά νερά, όπως το θαλάσσιο, και κατά συνέπεια και διαφόρων άλλων ουσιών, είναι γνωστή από την αρχαιότητα, όπου ο Αριστοτέλης περιέγραψε διάφορους τρόπους απομάκρυνσης των αλάτων. Ίσως η πρώτη αναφορά αφαλάτωσης, απροσδιορίστου μεθόδου, αναφέρεται στην Έξοδο (Κεφάλαιο ιε'): … Ήλθον δε εις Μερρά, και ουκ ηδήνατο πιείν εκ 23. Μερράς, πικρόν γαρ, λόγω τούτο επονώμασε το όνομα του τόπου εκείνου, πικρία. και διελόγιζεν ο 24. λαός επί μωυσή, λέγοντας τι πιόμεθα.: Εβόησε ο 25. μωησής προς κύριον, και έδειξε αυτώ κύριος ξύλον, και ανέβαλεν αυτό εις το ύδωρ και εγλυκάνθει το ύδωρ. Η σε μεγαλύτερη κλίμακα τεχνική εφαρμογή της αφαλάτωσης άρχισε ουσιαστικά την δεκαετία του 1950, αρχικά με πειραματικές εγκαταστάσεις στις ΗΠΑ και αλλού, μεγάλης παροχής και διαφόρων μεθόδων, που ταχύτατα εξελίχτηκαν σε βιομηχανίες παραγωγής αφαλατωμένου νερού, στην αρχή με χρήση συμβατικών καυσίμων και αργότερα σε συνδυασμό με σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Ακολούθησαν μελέτες χρήσης ανανεώσιμων πηγών, κυρίως ηλιακής ενέργειας, με εφαρμογή σε μικρής έως μεσαίας παροχής εγκαταστάσεις. Τα ηλιακά συστήματα αφαλάτωσης αποτελούν σήμερα το μόνο μέσο επιβίωσης και ανάπτυξης των περίπου πέντε δισεκατομμυρίων ανθρώπων του τρίτου κόσμου οι οποίοι υποφέρουν από έλλειψη κατάλληλου νερού για οποιαδήποτε χρήση. Δεδομένου ότι συνήθως οι πλειοψηφία αυτών των ανθρώπων ζουν στις λεγόμενες ζώνες του ηλίου η εγκατάσταση ηλιακών σταθμών παραγωγής ρεύματος και αφαλατωμένου νερού μπορεί να αλλάξει ριζικά τις συνθήκες διαβίωσης της ζωής τους.
Η αφαλάτωση, μια βιομηχανική μέθοδος, δεν πρέπει να θεωρηθεί πλήρως οικολογική διεργασία, ακόμα και όταν γίνεται χρήση ηλιακής ενέργειας, διότι υπεισέρχονται διάφοροι, δευτερεύοντες, παράγοντες μη οικολογικής διεργασίας, όπως άλλωστε συμβαίνει με κάθε τεχνολογική ή βιομηχανική εφαρμογή. Ως παράδειγμα αναφέρεται το πρόβλημα αποχέτευσης των τεράστιων ποσοτήτων θερμής άλμης από τις εγκαταστάσεις αφαλάτωσης, ιδίως της απόσταξης, που παρόλη την μερική διευθέτηση της θερμοκρασίας απόρριψης, η πυκνότερη από το θαλάσσιο νερό θερμή άλμη μπορεί να επιφέρει οικολογική ανισσοροπία στο θαλάσσιο περιβάλλον της περιοχής. Oι μέθοδοι αφαλάτωσης επομένως δεν είναι δυνατόν να συγκριθούν με τις φυσικές διεργασίες παραγωγής καθαρού νερού οι οποίες είναι πλήρως οικολογικές.
Πρόλογος
15
Σε αυτό το βιβλίο επιχειρείται να δοθούν βασικές θεωρητικές και τεχνικές πληροφορίες, καθώς και οι κυριότερες μαθηματικές σχέσεις που διέπουν τη λειτουργία των μεθόδων, κυρίως των ηλιοκινούμενων, αφαλάτωσης αποσκοπώντας σε διατύπωσή που να τις καθιστά κατανοητές σε όσους ανατρέχουν για πρώτη φορά στα συστήματα αφαλάτωσης. Σε ολόκληρη την φύση δεν υπάρχει τίποτα πιο εύπλαστο κι’ ενδοτικό από το νερό. Κι’ όμως αν του δώσεις χρόνο, διαβρώνει ακόμα και τα σκληρότερα βράχια. Τίποτα δεν μπορεί να το νικήσει επειδή τίποτα δεν μπορεί να το αποφύγει. ΤΑΟ ΤΕ ΚΙΝΓΚ Δρ. Έμμυ Δεληγιάννη
ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Ένα από τα «προβλήματα» που θα συνεχίσουν να βρίσκονται στο μέτωπο του παγκόσμιου ενδιαφέροντος είναι η «ενέργεια» με τις τρεις εκφάνσεις του: είδος ενέργειας, περιβάλλον και νερό. Στο παρόν σύγγραμμα αναπτύσσεται διεξοδικά μία από τις μεθόδους αφαλάτωσης, η «Θερμική Ηλιακή Αφαλάτωση» και οι «Εφαρμογές της Ηλιακής Ενέργειας στην Αφαλάτωση».
Η αφαλάτωση, δηλαδή η απομάκρυνση των διαλυμένων αλάτων από το νερό, είχε επισημανθεί από την αρχαιότητα, κυρίως, από τον Αριστοτέλη, ως μια πρακτική απολαβής πόσιμου νερού. Με το πέρασμα των αιώνων έγιναν πολλές μνείες και πειράματα μικρής κλίμακας για την εφαρμογή της, χωρίς όμως σημαντικά αποτελέσματα, κυρίως λόγω έλλειψης στοιχειώδους τεχνολογίας. Το πρόβλημα των αλμυρών νερών άρχισε να γίνεται αισθητό, ιδίως σε περιοχές με έλλειψη φυσικών υδάτινων πόρων κατά την βιομηχανική επανάσταση, οπότε και άρχισαν οι πρώτες προσπάθειες αφαλάτωσης θαλάσσιου νερού με απόσταξη. Η πλήρης ανάπτυξη ήρθε στις αρχές του δεύτερου ήμισυ του 20ου αιώνα που επί μια περίπου εικοσαετία εντατικές έρευνες κατέληξαν στην εφαρμογή των διαφόρων μεθόδων αφαλάτωσης με αποτέλεσμα μεγάλες άνυδρες περιοχές, όπως π.χ. η Αραβική χερσόνησος, να αναπτυχθούν και να εξαρτώνται πλέον κυρίως από το αφαλατωμένο νερό. Σήμερα παράγονται εκατομμύρια κυβικά μέτρα αφαλατωμένου την ημέρα ανά την υφήλιο σε άνυδρες περιοχές παρόλο που υπάρχουν ακόμα περίπου 1.3 δισεκατομμύρια (440 εκατ. στην Αφρική, περίπου 800 εκατομμύρια στην Ασία και τα νησιά του ειρηνικού Ωκεανού και περίπου άλλα 200 εκατ. σε διάφορα άλλα μέρη) άνθρωποι που δεν έχουν καμία πρόσβαση σε ασφαλές πόσιμο νερό.
Σε αυτό το σύγγραμμα επιχειρείται μια ανάπτυξη των ηλιακών θερμικών μεθόδων, δηλαδή των μεθόδων που λειτουργούν με προσαγωγή ηλιακής θερμικής ενέργειας. Είναι συνήθως συστήματα μικρής ή μεσαίας παραγωγικότητας και βρίσκουν εφαρμογή σε περιοχές, όπως π.χ. στις αποκαλούμενες «ζώνες του ήλιου», που έχουν μεν έλλειψη καθαρού ή γενικά νερού κατάλληλου για χρήση αλλά ταυτόχρονα διαθέτουν έντονη ηλιακή ακτινοβολία. Παράλληλα αναπτύσσονται τα συστήματα αφαλάτωσης που χρησιμοποιούν συμβατικά καύσιμα τα οποία βασικά είναι τα ίδια που συνδέονται με συγκεντρωτικούς συλλέκτες για την παροχή θερμικής ή ηλεκτρικής ενέργειας, μόνο που συνήθως κατασκευάζονται σε μικρότερη κλίμακα ή ελαφρώς τροποποιημένα.
18
Θερμική Ηλιακή Αφαλάτωση
Στο κείμενο παρεμβάλλονται, εκτός από διαγράμματα και διάφορες φωτογραφίες εγκαταστάσεων αφαλάτωσης. Σκαριφήματα εγκαταστάσεων δεν αποδίδουν το πραγματικό μέγεθος ή την πραγματική μορφή ενός συστήματος παρά μόνο την πορεία. Από την άλλη μεριά οι φωτογραφίες παρέχουν μια ιδέα του μεγέθους και της εξωτερικής διαμόρφωσης της εγκατάστασης αδυνατούν όμως να δώσουν την εξαιρετική πολυπλοκότητα των εσωτερικών τμημάτων μιας μονάδας αφαλάτωσης, η περιγραφή του οποίου δεν είναι του παρόντος συγγράμματος. Γενικά το σύγγραμμα, σαν μια εγκυκλοπαιδική εισαγωγή, απευθύνεται κυρίως σε όσους θέλουν για πρώτη φορά, να καταλάβουν το τι είναι η αφαλάτωση ηλιακή ή συμβατική και τις δυνατότητες εφαρμογής της. Απευθύνεται όμως και σε όσους θέλουν να διευρύνουν τις γνώσεις τους ως προς τους μαθηματικούς κανόνες που διέπουν τη λειτουργία αυτών των τεχνικών αφαλάτωσης. Η αφαλάτωση είναι ένα πεδίο το οποίο και αυτό απαιτεί διαρκή έρευνα ώστε να καθίσταται οικονομικά προσιτό σε μεγάλη κλίμακα και να βελτιστοποιείται, παρόλο που υπάρχουν πολλές εφαρμογές μικρής κλίμακας. Τα κεφάλαια που απαρτίζουν το βιβλίο είναι:
Κεφάλαιο 1. Εδώ δίνεται μια συνοπτική περιγραφική εισαγωγή όλων γενικά των μεθόδων αφαλάτωσης, με συμβατικά καύσιμα ή με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας που έχουν προταθεί ή εφαρμοστεί μέχρι σήμερα, ώστε ο αναγνώστης να πάρει μια γενική μεν αλλά ουσιαστική ιδέα των μεθόδων αφαλάτωσης και των παρελκόμενων συστημάτων, όπως π.χ. είναι το νερό και η ενέργεια που αποτελούν την βάση της αφαλάτωσης αλλά και την βάση οποιαδήποτε τεχνολογικής, επιστημονικής ή πολιτιστικής ανάπτυξης.
Κεφάλαιο 2. Σε αυτό το κεφάλαιο αναπτύσσονται οι ηλιακοί αποστακτήρες, απλές συσκευές απόσταξης αλμυρών νερών, που έχουν βρει εφαρμογή, σε απόμακρες ή/και πολύ φτωχές περιοχές με έλλειψη νερού αλλά με μεγάλη ηλιοφάνεια και υψηλής έντασης ηλιακή ακτινοβολία. Είναι συσκευές ύγρανσης-αφύγρανσης σε μια και την αυτή συσκευή. Λόγω της απλής και σχετικά οικονομικής κατασκευής και λειτουργίας τους έχει αναπτυχθεί μια μεγάλη σειρά από σχετικούς τύπους ηλιακών αποστακτήρων, ενώ έχουν προταθεί και τα αντίστοιχα μαθηματικά μοντέλα. Οι περισσότεροι από αυτούς δεν έχουν βρει ευρύτερη εφαρμογή σε μικρές η μεγαλύτερες εγκαταστάσεις αφαλάτωσης, αντίθετα με τον απλό συμβατικό αποστακτήρα τύπου θερμοκηπίου, ο οποίος, πλεονεκτεί ως προς την απλότητα κατασκευής, εγκατάστασης και λειτουργίας. Για την περιγραφή και την ανάπτυξη των ηλιακών αποστακτήρων έγινε μια επιλογή ώστε να δοθούν οι πιο αντιπροσωπευτικοί τύποι.
Τα τελευταία 15-20 χρόνια ενώ γενικά υπάρχουν πάρα πολλές εργασίες, κυρίως θεωρητικές, δεν έχει αναφερθεί καμία εγκατάσταση ηλιακής αφαλάτωσης πραγματικής κλίμακας, δηλαδή μιας εγκατάστασης από εν σειρά συνδεδεμένων ηλιακών αποστακτήρων, για σχετική μεγαλύτερη παροχή αφαλατωμένου νερού από ότι παρέχεται από έναν κοινό ηλιακό αποστακτήρα. Η χρήσης τους, ως μονάδες, παραμένει οικογενειακή ή το πολύ, πολύ
Εισαγωγή
19
μικρής κλίμακας εγκαταστάσεις. Δίνεται, παρόλα αυτά μια συνοπτικότατη περιγραφή των μεγάλων εγκαταστάσεων ηλιακής απόσταξης, που κατασκευάστηκαν κυρίως κατά την χρονική περίοδο 1960 - 1980 και οι οποίες δεν βρίσκονται πλέον σε λειτουργία. Η εκτενής βιβλιογραφία μπορεί να βοηθήσει όσους ενδιαφέρονται για λεπτομερέστερη έρευνα των ηλιακών αποστακτήρων η οποία εξακολουθεί τουλάχιστον θεωρητικά να προκαλεί το ερευνητικό ενδιαφέρον έως σήμερα.
Κεφάλαιο 3. Εδώ περιγράφεται μια σχετικά νεώτερη μέθοδος ηλιακής απόσταξης, αυτή της Ύγρανσης/Αφύγρανσης (Υ/Α), η οποία ουσιαστικά αποτελεί μια επέκταση της ηλιακής απόσταξης, όπου όμως η ύγρανση και η αφύγρανση του αέρα γίνεται σε χωριστές συσκευές με διαφορετική τεχνική από ότι η ηλιακή απόσταξη. Η μέθοδος, είναι, μικρής ή μεσαίας παραγωγικότητας και παρόλο έχει βρει τελευταίως τεράστια εφαρμογή σε συνδυασμό με θερμοκήπια όπου ταυτόχρονα παράγεται αφαλατωμένο νερό και παρέχεται υγρασία για την ανάπτυξη φυτών. Λειτουργεί με συμβατικά καύσιμα κυρίως όμως κινείται με ηλιακή ενέργεια. Δίνεται μια σχετικά συνοπτική περιγραφή των μεθόδων και της τεχνικής που έχει αναπτυχθεί έως σήμερα, με τα αντίστοιχα μαθηματικά μοντέλα για κάθε σύστημα.
Κεφάλαιο 4. Αυτό το κεφάλαιο περιλαμβάνει μια μέθοδο απόσταξης με την βοήθεια ειδικών μεμβρανών, την απόσταξη με μεμβράνη (MD). Είναι μια μέθοδος απλή και οικονομική που λειτουργεί αποδοτικά με θερμική ενέργεια παρεχόμενη τόσο από συμβατικά καύσιμα όσο και από ηλιακά συστήματα. Η αφαλάτωση των αλμυρών νερών βασίζεται στην ιδιότητα μικροπορωδών υδρόφοβων μεμβρανών να επιτρέπουν την δίοδο δια των πόρων τους μόνο του υδρατμού ο όποιος συμπυκνώνεται στην αντίθετη επιφάνεια της μεμβράνης. Αρχικά, γίνεται μια σύντομη ιστορική εισαγωγή και επεξήγηση των ειδικών όρων που υπεισέρχονται στην διεργασία MD. Περιγράφεται η αρχή λειτουργίας της μεθόδου, οι βασικές διαμορφώσεις της, καθώς και τα πλεονεκτήματα – μειονεκτήματα και οι διάφορες εφαρμογές της. Στη συνέχεια παρατίθενται οι βασικές σχέσεις μεταφοράς μάζας και θερμότητας που διέπουν την κάθε μια από τις κύριες τέσσερις διαφορετικές διαμορφώσεις της διεργασίας. Ιδιαίτερα επιχειρείται μια εκτενέστερη περιγραφή των ερευνών της απόσταξης με μεμβράνες με χρήση της ηλιακής θερμικής ενέργειας ως πηγή ενέργειας ένα πεδίο όπου κυρίως κατευθύνεται η έρευνα και η εφαρμογή της μεθόδου.
Ακολουθεί μια εκτενής περιγραφή των διάφορων τύπων μεμβράνης που χρησιμοποιούνται στην διεργασία MD. Αρχικά, γίνεται μια εισαγωγή για τις μεμβράνες που αφορούν την διεργασία MD και των χαρακτηριστικών ιδιοτήτων τους. Στη συνέχεια αναλύονται οι διάφοροι τύποι μεμβρανών, η δομή, η μορφολογία τους και οι τροποποιήσεις που υφίστανται με σκοπό την βελτιστοποίηση της απόδοσης τους. Επίσης παρατίθενται οι αποδόσεις των μεμβρανών σε διάφορες συνθήκες λειτουργίας για διαφορετικές διαμορφώσεις της διεργασίας. Σε Πίνακες αναφέρονται οι εμπορικά διαθέσιμες μεμβράνες και οι αποδόσεις μεμβρανών από διάφορους ερευνητές. Αυτό το κεφάλαιο το ανέπτυξε ο Δρ. Παναγιώτης Μπούτικος, εξωτερικός συνεργάτης του Εργαστηρίου Ηλιακών και άλλων Ενεργειακών Συστημάτων του ΕΚΕΦΕ “ΔΗΜΟΚΡΙΤΟΣ”.
20
Θερμική Ηλιακή Αφαλάτωση
Κεφάλαιο 5. Σε αυτό το κεφάλαιο γίνεται μια συνοπτική περιγραφή της λειτουργίας των μεγάλης παροχής, συμβατικών μεθόδων απόσταξης (MSF, MED, TVC και ΜVC) που έχουν διαμορφωθεί κατάλληλα ώστε να λειτουργούν με ηλιακή ενέργεια. Η ενέργεια και το νερό είναι τα βασικά μέσα με τα οποία λειτουργεί η αφαλάτωση. Η ενέργεια σε αυτήν την περίπτωση αναφέρεται στη ηλιακή θερμότητα που συλλέγεται για να λειτουργήσει το σύστημα. Λόγω του ότι, γενικά η απόσταξη είναι μια ενεργοβόρος διεργασία τα συμβατικά συστήματα απόσταξης με την ασταθή και αραιή παροχή ηλιακής ενέργειας, παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον μελέτης. Σε αυτό το κεφάλαιο δίνεται μια συνοπτική περιγραφή των δυνατοτήτων ή/και των εφαρμογών δυαδικών εγκαταστάσεων (dual purpose plants) συμβατικής τεχνικής αφαλάτωσης που τροφοδοτούνται με ηλιακή ενέργεια από μεγάλα πεδία συγκεντρωτικών ή επίπεδων συλλεκτών. Η περιγραφή των ηλιακών συστημάτων παραλείπεται ως διαφορετική τεχνολογία από αυτήν της αφαλάτωσης παραπέμποντας τον ενδιαφερόμενο στα αντίστοιχα συγγράμματα. Δίνεται μια συνοπτική κατατοπιστική περιγραφή των συμβατικών μεθόδων απόσταξης με τα βασικά μαθηματικά μοντέλα λειτουργίας τους και οι καταλληλότεροι συνδυασμοί με ηλιακά πεδία συγκεντρωτικών κατόπτρων για βελτιωμένη οικονομική και λειτουργική εφαρμογή. Κεφάλαιο 6. Το κεφάλαιο αυτό είναι αφιερωμένο στην μέθοδο της διαφορικής ώσμωσης (Forward osmosis – FO), ένα πρόσφατο σύστημα αφαλάτωσης που βασίζεται στην ωσμωτική διαφορά δύο υγρών. Η νέα αυτή τεχνική αποτελεί μια θερμική μέθοδο με χρήση ειδικών μεμβρανών σε μονάδες ανάλογες με αυτές της αντίστροφης ώσμωσης. Η μέθοδος αναπτύχθηκε ταχύτατα με πιλοτικές εγκαταστάσεις, προς το παρόν, λειτουργεί υπό ατμοσφαιρική πίεση, χαμηλές θερμοκρασίες και με χαμηλή κατανάλωση ενέργειας. Αναπτύσσονται οι βασικές εξισώσεις του φαινομένου της διαφορικής ώσμωσης, τα μέχρι τώρα δοκιμασθέντα διαλύματα προσρόφησης που καθορίζουν την απόδοση της μεθόδου και δίνεται μια συνοπτική περιγραφή των μεμβρανών που μελετήθηκαν.
Κεφάλαιο 7. Τα αλμυρά νερά και ιδιαίτερα το θαλάσσιο νερό είναι η βασική πρώτη ύλη για την αφαλάτωση αλλά ταυτόχρονα το νερό αποτελεί επίσης το παραγόμενο προϊόν. Επομένως ιδιαίτερη μέριμνα πρέπει να δίνεται στις ιδιότητες της πρώτης ύλης αλλά και του προϊόντος, του αφαλατωμένου νερού. Επιχειρείται επομένως σε αυτό το κεφάλαιο μια συνοπτική καθοδηγητική περιγραφή των νέων δεδομένων της ωκεανογραφίας που αφορούν στις νέες βελτιωμένες προδιαγραφές των φυσικών, χημικών και θερμοδυναμικών ιδιοτήτων του θαλάσσιου νερού δηλαδή την βάση για τον σχεδιασμό και την λειτουργία των μεγάλων συμβατικών τεχνικών αφαλάτωσης που λειτουργούν ως δυαδικές εγκαταστάσεις (dual purpose plants). Σε αυτό το κεφάλαιο περιλαμβάνονται πίνακες των βασικών ιδιοτήτων του θαλάσσιου νερού που προήλθαν από πειραματικά δεδομένα κατά την αρχή των εφαρμογών της αφαλάτωσης (1960 και μετά) τα οποία διαμορφώθηκαν ανάλογα, σύμφωνα με τις βελτιωμένες τιμές των νέων ωκεανογραφικών προδιαγραφών του 2008-2010.
Εισαγωγή
21
Παράρτημα Ι. Περιέχει γενικά δεδομένα μονάδων του SI, γενικές και δευτερεύουσες ειδικότερα δε μονάδες ηλιακής ενέργειας όπως έχουν δοθεί από την ISES (International Solar Energy Society). Παράρτημα ΙΙ. Περιλαμβάνει πίνακες της περιεκτικότητας των χημικών στοιχείων και ιχνοστοιχείων του θαλάσσιου νερού και ιδιότητες των φυσικών καθαρών νερών. Σε αυτό το παράρτημα περιλαμβάνονται και πίνακες που αφορούν τις διαλυτότητες αερίων στο θαλάσσιο νερό, όπως του οξυγόνου και του διοξειδίου του άνθρακα που συμβάλουν στην διάβρωση των μεταλλικών επιφανειών των συστημάτων απόσταξης.
Παράρτημα ΙΙΙ. Τέλος δίνεται ένα γλωσσάριο στα ελληνικά και αγγλικά των κυριοτέρων λέξεων που αφορούν άμεσα τα συστήματα και τις μεθόδους αφαλάτωσης.
Τέλος, μας είναι εξαιρετικά ευχάριστη υποχρέωση να εκφράσουμε στην Μαρία Χριστοδουλίδου, MSc, Ενεργειακός Μηχανικός, Υπεύθυνη Διασφάλισης Ποιότητας του Εργαστηρίου Ηλιακών και άλλων Ενεργειακών Συστημάτων του ΕΚΕΦΕ “ΔΗΜΟΚΡΙΤΟΣ”, την ευγνώμονα αναγνώριση για την κατά την αρχική τούτη έκδοση του παρόντος, πολύ πρόθυμα πολύτιμη βοήθεια της. Βασίλειος Μπελεσιώτης Σωτήριος Καλογήρου
Έμμυ Δεληγιάννη
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ
Βιογραφικά Συγγραφέων ............................................................................................ Πρόλογος.................................................................................................................... Εισαγωγή.................................................................................................................... 1. ΜΕΘΟΔΟΙ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΑΦΑΛΑΤΩΣΗΣ-ΝΕΡΟ-ΕΝΕΡΓΕΙΑ .......... 1.1 Εισαγωγή ................................................................................................................... 1.2 Τι είναι αφαλάτωση-Που εφαρμόζεται...................................................................... 1.3 Μέθοδοι αφαλάτωσης................................................................................................ 1.3.1 Θερμικές μέθοδοι αφαλάτωσης ........................................................................ 1.3.2 Μέθοδοι αφαλάτωσης κινούμενες με ηλεκτρισμό ........................................... 1.4 Θερμικές μέθοδοι....................................................................................................... 1.5 Μέθοδοι κινούμενες με ηλεκτρισμό ή μηχανική ενέργεια ........................................ 1.6 Άλλες μέθοδοι αφαλάτωσης ...................................................................................... 1.6.1 Μέθοδοι κρυστάλλωσης ................................................................................... 1.6.2 Αφαλάτωση με εναλλάκτες ιόντων................................................................... 1.7 Πορεία διεργασίας των συστημάτων αφαλάτωσης ................................................... 1.8 Νερό και ενέργεια ...................................................................................................... 1.8.1 Αφαλάτωση με πυρηνική ενέργεια ................................................................... 1.9 Απαιτούμενη ενέργεια για την αφαλάτωση............................................................... 1.10 Θερμική αφαλάτωση με ηλιακή ενέργεια.................................................................. 1.11 Νέες τάσεις στην τεχνική αφαλάτωσης ..................................................................... 1.11.1 Υβριδικοί συνδυασμοί μεθόδων ..................................................................... Αναφορές-Γενικά βιβλία............................................................................................ 2. ΗΛΙΑΚΗ ΑΠΟΣΤΑΞΗ–ΗΛΙΑΚΟΙ ΑΠΟΣΤΑΚΤΗΡΕΣ ..................................... 2.1 Εισαγωγή ................................................................................................................... 2.1.1 Ορισμοί ............................................................................................................. 2.2 Ηλιακοί αποστακτήρες............................................................................................... 2.2.1 Συμβατικοί μονοβάθμιοι ηλιακοί αποστακτήρες..............................................
6
2.3
2.4
2.5 2.6
3. 3.1 3.2
Θερμική Ηλιακή Αφαλάτωση
2.2.1.1 Κατασκευή και συντήρηση............................................................................ 2.2.1.2. Υλικά κατασκευής ηλιακών αποστακτήρων................................................. 2.2.1.3. Η συλλογή της βροχής .................................................................................. 2.2.1.4. Συνθήκες εγκατάστασης ηλιακών αποστακτήρων ....................................... Αρχές λειτουργίας των ηλιακών αποστακτήρων ....................................................... 2.3.1 Η διεργασία στον κλειστό θάλαμο του αποστακτήρα ...................................... 2.3.2 Η κλίση του καλύμματος .................................................................................. 2.3.3 Οι ιδιότητες του διαφανούς καλύμματος .......................................................... 2.3.3.1 Ανακλαστικότητα ........................................................................................... 2.3.3.2 Απορροφητικότητα ........................................................................................ 2.3.3.3 Διαπερατότητα ............................................................................................... 2.3.4 Μεταφορά θερμότητας στους ηλιακούς αποστακτήρες .................................. 2.3.4.1 Ισοζύγιο μάζας και θερμότητας ..................................................................... 2.3.4.2 Μεταφορά θερμότητας στον αποστακτήρα-Βασικές εξισώσεις.................... 2.3.4.3 Η επίδραση της κίνησης του αέρα ................................................................. 2.3.4.4 Ρυθμοί μεταφοράς θερμότητας εξωτερικά του αποστακτήρα ....................... 2.3.4.5 Η απόδοση των ηλιακών αποστακτήρων....................................................... 2.3.4.6 Νυκτερινή και ημερήσια λειτουργία-επίδραση του βάθους του νερού ......... 2.3.5 Συνθήκες αύξησης της απόδοσης ..................................................................... 2.3.5.1 Αυξάνοντας τον ρυθμό συμπύκνωσης ........................................................... 2.3.5.2 Αύξηση της απορροφητικότητας της ηλιακής ακτινοβολίας......................... 2.3.53 Αύξηση της θερμότητας νερού τροφοδότησης............................................... Διάφορες μορφές ηλιακών αποστακτήρων................................................................ 2.4.1 Ηλιακοί αποστακτήρες με πολλαπλές θρυαλλίδες ........................................... 2.4.2 Ηλιακοί αποστακτήρες πολλαπλών βαθμίδων.................................................. 2.4.3 Κεκλιμένοι ηλιακοί αποστακτήρες ................................................................... 2.4.4 Σωληνωτοί ηλιακοί αποστακτήρες ................................................................... 2.4.5. Κατακόρυφοι ηλιακοί αποστακτήρες .............................................................. 2.4.6 Άλλες μορφές αποστακτήρων-εγκαταστάσεις.................................................. Οικονομική εκτίμηση των ηλιακών αποστακτήρων.................................................. Γενικά συμπεράσματα για την ηλιακή απόσταξη...................................................... Αναφορές ................................................................................................................... ΜΕΘΟΔΟΙ ΥΓΡΑΝΣΗΣ-ΑΦΥΓΡΑΝΣΗΣ (Υ/Α) .................................................. Εισαγωγή ................................................................................................................... Ορισμοί ......................................................................................................................
Περιεχόμενα
3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9
3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 4. 4.1 4.2 4.3
4.4
7
Αρχές λειτουργίας της μεθόδου ύγρανσης -αφύγρανσης .......................................... 3.3.1 Τεχνικές λειτουργίας ......................................................................................... 3.3.2 Βασική λειτουργία μονοβάθμιας συμβατικής Υ/Α........................................... Τα διαγράμματα ενθαλπίας-υγρασίας (h – x) ............................................................ Μαθηματική ανάλυση συμβατικού συστήματος Υ/Α ............................................... 3.5.1 Ισοζύγιο θερμότητας και μάζας στον πύργο εξάτμισης.................................... 3.5.2 Ισοζύγιο θερμότητας και μάζας στον πύργο συμπύκνωσης ............................. Η μέθοδος Dewvaporation (Δροσο-εξάτμισης)......................................................... Ύγρανση-αφύγρανση πολλαπλών βαθμίδων (MEH) ................................................ 3.7.1 Λειτουργία πύργου αφύγρανσης με σχηματισμό φυσαλίδων........................... Θέρμανση και των δύο ρευστών................................................................................ Άλλες διαμορφώσεις της μεθόδου Υ/Α ..................................................................... 3.9.1 Μέθοδος απορρόφησης – εκρόφησης............................................................... 3.9.2 Μέθοδος Υ/Α με κυμαινόμενη πίεση στο σύστημα.......................................... 3.9.3 Υ/Α με συμπίεση του υγρού αέρα..................................................................... 3.9.4 Ύγρανση με μεμβράνη ξήρανσης..................................................................... Σύνδεση με αποθήκευση θερμότητας ........................................................................ Υβριδικά συστήματα Υ/Α.......................................................................................... Συλλέκτες θέρμανσης αέρα ....................................................................................... Η οικονομία της τεχνικής ύγρανσης-αφύγρανσης..................................................... Μέθοδοι Υ/Α σε συνδυασμό με θερμοκήπια ............................................................. Αναφορές ................................................................................................................... ΑΠΟΣΤΑΞΗ ΜΕ ΜΕΜΒΡΑΝH (MD) .................................................................. Εισαγωγή ................................................................................................................... 4.1.1 Σύντομη ιστορική εισαγωγή ............................................................................. Ορολογία.................................................................................................................... Απόσταξη με μεμβράνη ............................................................................................. 4.3.1 Η διεργασία....................................................................................................... 4.3.2 Διαμορφώσεις της διεργασίας........................................................................... 4.3.3 Πλεονεκτήματα – Μειονεκτήματα και εφαρμογές ........................................... Μεταφορά μάζας και θερμότητας.............................................................................. 4.4.1 Απόσταξη με μεμβράνη άμεσης επαφής (DMCD) ........................................... 4.4.1.1 Μεταφορά μάζας............................................................................................ 4.4.1.2 Μεταφορά θερμότητας .................................................................................. 4.4.2 Απόσταξη με μεμβράνες με διάκενο αέρα (AGMD)........................................
8
Θερμική Ηλιακή Αφαλάτωση
4.4.3.1 Μεταφορά μάζας............................................................................................ 4.4.2.2 Μεταφορά θερμότητας .................................................................................. 4.4.3 Απόσταξη με μεμβράνες με κομιστή αέριο (SGMD) ....................................... 4.4.4 Απόσταξη με μεμβράνες υπό κενό (VMD)....................................................... 4.4.5 Παράμετροι απόδοσης της διεργασίας MD...................................................... 4.5 Χαρακτηριστικά των διαμορφώσεων της MD .......................................................... 4.6 Συστήματα με ανάκτηση θερμότητας........................................................................ 4.7 Ηλιοκινούμενη απόσταξη με μεμβράνη (SPMD)...................................................... 4.7.1 Τεχνοοικονομική απόδοση ηλιοκινούμενων συστημάτων ............................... 4.8 Χαρακτηριστικές ιδιότητες μεμβράνης ..................................................................... 4.8.1 Διαπερατότητα της μεμβράνης ......................................................................... 4.8.2 Πίεση εισόδου διαβροχής ................................................................................. 4.9 Μονάδες μεμβράνης .................................................................................................. 4.10 Τύποι μεμβρανών....................................................................................................... 4.10.1 Εμπορικές μεμβράνες ..................................................................................... 4.10.2 Σύνθεση μεμβρανών ....................................................................................... 4.10.2.1 Πολυμερικές μεμβράνες .............................................................................. 4.10.2.2 Σύνθετες μεμβράνες..................................................................................... 4.10.2.3 Κεραμικές μεμβράνες .................................................................................. 4.10.2.4 Νανοσωλήνες άνθρακα................................................................................ 5.10.2.5 Μεμβράνες με ήλεκτρο-περιδίνηση ............................................................ Αναφορές ................................................................................................................... 5. ΕΜΜΕΣΗ ΗΛΙΑΚΗ ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ (ΗΛΙΟ-ΚΙΝΟΥΜΕΝΗ ΑΦΑΛΑΤΩΣΗ)......................................................................................................... 5.1 Εισαγωγή .................................................................................................................. 5.1.1 Η διαθέσιμη ηλιακή ενέργεια ........................................................................... 5.2 Μικρή ιστορική διαδρομή.......................................................................................... 5.3 Ηλιακοί συλλέκτες ..................................................................................................... 5.3.1 Επίπεδοι ηλιακοί συλλέκτες.............................................................................. 5.3.1.1 Ηλιακές λίμνες ............................................................................................... 5.3.1.2 Επίπεδοι ηλιακοί συλλέκτες........................................................................... 5.3.1.3 Σωλήνες κενού ............................................................................................... 5.3.2 Ηλιακοί συγκεντρωτικοί συλλέκτες.................................................................. 5.3.2.1 Οι παραβολικές σκάφες ................................................................................. 5.3.2.2 Συγκεντρωτικά γραμμικά συστήματα Fresnel...............................................
Περιεχόμενα
9
5.3.2.3 Παραβολικά πιάτα ......................................................................................... 5.3.2.4 Συστήματα πύργου......................................................................................... 5.4 Ορισμοί – Ορολογία .................................................................................................. 5.5 Παράγοντες που επηρεάζουν την επιλογή του συστήματος ...................................... 5.5.1 Οι απαιτήσεις σε ενέργεια ................................................................................ 5.5.2 Η ζήτηση του νερού .......................................................................................... 5.6 Παράγοντες που επηρεάζουν την επιλογή του ηλιακού συ-στήματος....................... 5.7 Καταλληλότητα ηλιακών συλλεκτών για την αφαλάτωση........................................ 5.8 Τα συμβατικά συστήματα απόσταξης........................................................................ 5.8.1 Απόσταξη πολλαπλών βαθμίδων ...................................................................... 5.8.1.1 Η κατανομή των θερμοκρασιών .................................................................... 5.8.1.2 Συνοπτική μαθηματική ανάλυση ................................................................... 5.8.1.3 Συστήματα MED χαμηλής θερμοκρασίας ..................................................... 5.8.2 Απόσταξη πολλαπλών εκτονώσεων.................................................................. 5.8.2.1 Θερμική ανάλυση συστήματος MSF ............................................................. 5.8.2.2 Ισοζύγιο μάζας και ενέργειας......................................................................... 5.8.2.3 Ισοζύγιο θερμότητας και μάζας στο τμήμα ψύξης ........................................ 5.8.2.4 Συντελεστές μεταφοράς θερμότητας ............................................................. 5.8.2.5 Περιοχές θερμοκρασιών ................................................................................ 5.8.3 Απόσταξη με συμπίεση ατμού .......................................................................... 5.8.3.1 Μηχανική συμπίεση ατμών ........................................................................... 5.8.3.2 θερμική ανασυμπίεση ατμών ......................................................................... 5.9 Συνδυασμοί ηλιακών πεδίων – αφαλάτωσης............................................................. 5.10 Δυαδικές εγκαταστάσεις ............................................................................................ 5.11 Τα υβριδικά συστήματα αφαλάτωσης........................................................................ Αναφορές ................................................................................................................... 6. ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΩΣΜΩΣΗ......................................................................................... 6.1 Εισαγωγή ................................................................................................................... 6.2 Αρχές λειτουργίας της διαφορικής ώσμωσης ............................................................ 6.3 Πόλωση συγκέντρωσης ............................................................................................. 6.3.1 Εξωτερική συμπυκνούμενη και αραιούμενη πόλωση ...................................... 6.3.2 Αραιούμενη εσωτερική πόλωση συμπύκνωσης................................................ 6.4 Τα διαλύματα προσρόφησης ...................................................................................... 6.4.1 Οργανικές υδροζελατίνες.................................................................................. 6.5 Οι μεμβράνες της μεθόδου FO ..................................................................................
10
Θερμική Ηλιακή Αφαλάτωση
6.5.1 Το υλικό των μεμβρανών και των στηριγμάτων............................................... 6.5.2 Οι συσκευές μονάδων της διαφορικής ώσμωσης ............................................. 6.6 Η χρήση της ηλιακής ενέργειας στην μέθοδο FO..................................................... Αναφορές ................................................................................................................... 7. ΤΟ ΝΕΡΟ ΩΣ ΠΡΩΤΗ ΥΛΗ ΑΦΑΛΑΤΩΣΗΣ ..................................................... 7.1 Το νερό ως πρώτη ύλη για αφαλάτωση ..................................................................... 7.2 Τι είναι πράγματι το νερό; ......................................................................................... 7.3 Τα φυσικά νερά .......................................................................................................... 7.4 Διαθέσιμες πηγές νερού............................................................................................. 7.5 Η ζήτηση του νερού ................................................................................................... 7.6 Οι ιδιότητες του θαλάσσιου νερού ............................................................................ 7.7 Η χημεία του θαλάσσιου νερού ................................................................................. 7.1.1 Τι είναι αλμυρότητα και χλωρινότητα .............................................................. 7.8 Η συνάρτηση του Gibbs – Η εξίσωση αναφοράς ...................................................... 7.9 Ειδικές έννοιες και ορισμοί ιδιοτήτων του νερού...................................................... 7.9.1 Οι βασικές χημικές σχέσεις .............................................................................. 7.10 Φυσικοχημικές και θερμικές ιδιότητες του νερού ..................................................... 7.10.1 Το θαλάσσιο νερό ως ηλεκτρολυτικό διάλυμα ............................................... 7.11 Πίνακες φυσικο-θερμικών ιδιοτήτων του θαλάσσιου νερού ..................................... Αναφορές ................................................................................................................... ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Ι......................................................................................................... Ι.1 Γενικά ................................................................................................................... Ι.2 Συντμήσεις στην αφαλάτωση ............................................................................... ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΙΙ ....................................................................................................... ΙΙ.1 Συστατικά του θαλάσσιου νερού ........................................................................ ΙΙ.2 Ιδιότητες καθαρών φυσικών νερών..................................................................... ΙΙ.3 Ιδιότητες κορεσμένου ατμού στον αέρα ............................................................. ΙΙ.4 Ηλεκτρικές ιδιότητες συστατικών θαλάσσιου νερού.......................................... ΙΙ.5 Διαλυτότητα αερίων στο θαλάσσιο νερό ............................................................ ΙΙ.6 Διάφορα χαρακτηριστικά των φάσεων του νερού .............................................. ΓΛΩΣΣΑΡΙΟ.............................................................................................................. Ορισμοί αφαλάτωσης , υδάτων και ηλιακής ενέργειας ............................................. Λεξιλόγιο Αγγλικών όρων .........................................................................................