Solar-driven thermo-hydraulic process for reverse osmosis desalination
Procédé thermo-hydraulique solaire pour le dessalement par osmose inverse
Résumé
Reverse osmosis is the most widely used desalination technique today, mainly because of its low specific energy consumption. Reverse osmosis processes powered by a solar energy source are more and more developed because of their energy efficiency and the solar resource availability, matching particularly with high water stress areas. In this framework, an innovative solar thermo-hydraulic desalination process is here developed. It is analyzed and evaluated with the aim of producing autonomously fresh water from brackish water compatible with the needs of a remote village.This innovative reverse osmosis desalination process exploits a low-grade temperature heat source (50-80°C), converted into hydraulic energy by a thermodynamic engine cycle in which the expansion of a working fluid directly pressurizes the brackish water. A dynamic modeling of this process has been carried out to allow an evaluation of the process whose cyclic operation is highly dynamic. A particular attention has been paid to the dynamic behavior of the membrane module, subjected to cyclic pressure variations, which has needed a specific dynamic model of the reverse osmosis module that has been experimentally validated. The behavior of the overall process has been then simulated and analyzed over few cycles first, then over a whole day with different sunshine conditions. These simulations permit to evaluate the impact of variable operating conditions, as well as the water salinity and temperature on the dynamics of the process operation. Suitable command and control strategies to maximize the performances of the thermo-hydraulic process were also established. A study on the relevant geographical areas for its implantation has also been conducted. These simulations showed that this process should produce 450 to 750 liters of fresh water per day and per unit area of the solar collector for salinities ranging from 2 to 6 g.L-1, with a specific thermal energy consumption of order of 6 kWhth.m-3 and for a cost, estimated in first approximation from the cost of a prototype currently under development, of about 8 per m3 of produced water.
L’osmose inverse est la technique de dessalement la plus utilisée actuellement, principalement pour sa faible consommation spécifique d’énergie. Les procédés d’osmose inverse alimentés par une source d’énergie solaire se développent de plus en plus du fait de l’efficacité énergétique de ce procédé membranaire et de la disponibilité de la ressource solaire, particulièrement importante dans les zones à fort stress hydrique. Un procédé de dessalement thermo-hydraulique solaire est ici analysé et évalué avec pour objectif une production autonome d'eau douce à partir d’eaux saumâtres compatible avec les besoins d’un village décentralisé.Ce procédé innovant de dessalement par osmose inverse permet d'exploiter une source de chaleur basse température (50-80°C) convertie en énergie hydraulique par un cycle thermodynamique moteur dans lequel la détente d’un fluide de travail permet directement de pressuriser l’eau saumâtre à traiter. Une modélisation dynamique de ce procédé a été réalisée pour permettre une évaluation du procédé dont le fonctionnement cyclique est fortement dynamique. Une attention particulière a été portée sur le comportement dynamique du module membranaire, soumis à des variations cycliques de pression, dont le modèle dynamique d’osmose inverse qui a été validé expérimentalement. Le comportement du procédé global a ainsi été simulé et analysé sur quelques cycles, puis sur une journée entière avec des conditions d'ensoleillement différentes, pour évaluer l'impact des conditions opératoires variables, ainsi que de la salinité et de la température de l'eau sur la dynamique de fonctionnement du procédé et établir des stratégies de contrôle-commande pour maximiser ses performances. Une réflexion sur les zone d’implantations géographiques a également été menée. Ces simulations ont montré que ce procédé permet de produire de 450 à 750 litres d'eau douce par jour et par unité de surface du capteur solaire pour des salinités variant de 2 à 6 g.L-1, avec une consommation d’énergie spécifique de l'ordre de 6 kWhth.m-3 et pour un coût, estimé en première approximation à partir du coût d'un prototype actuellement en cours de développement, d’environ 8 m-3 d’eau produite.
Origine : Version validée par le jury (STAR)