Theoretical analysis of high efficient multi-effect distillation processes and their integration into concentrating solar power plants

Abstract

Water scarcity and energy supply are currently two of the major problems faced by the global society. The growth of the world’s population along with the rise of industrial activities, especially in developing countries, is leading to a rapid increase of the energy consumption and the construction of new power plants. Most of these plants are based on fossil fuels, which emit harmful greenhouse gases (mainly CO2) and contribute to global warming on Earth. Power production technologies which use renewable energies (solar, wind, geothermal, etc.) as energy source represent clean and environmentally friendly alternatives to traditional methods, particularly Concentrating Solar Power (CSP) plants, which have been proved as a reliable system for power generation. On the other hand, although more than 70% of the Earth’s surface is water, fresh water represents only 2.5% of the total volume in the hydrosphere, approximately, being the rest saline water. Furthermore, of that fresh water percentage, a 69% is contained in form of glaciers and ice sheets, from which its extraction does not result neither economically nor environmentally viable. Therefore, the fresh water production by means of seawater desalination can help to solve water supply problems in arid areas of the world, as it has been proved in Middle East countries since the middle of the twentieth century. In addition, regions of the world suffering from water stress habitually have high levels of solar irradiation and access to the sea, which suggest the use of solar energy to produce fresh water by seawater desalination in those regions. Also, the power and water supply issues are linked, because power generation, either by conventional or renewable technologies, need great amounts of water (particularly for the cooling requirements of the power cycle), and fresh water production by seawater desalination require high amounts of energy. Therefore, the combined generation of power and fresh water by integrating desalination processes and concentrating solar power plants, concept known as CSP+D, may help to solve the issues emerged regarding the power and water supply in such regions of the world. The specific objectives and goals set out in the present research work are to develop a partial-load model for the Multi-Effect Distillation (MED) seawater desalination process with Thermal Vapour Compression (TVC) (variable nozzle thermocompressors) integrated in a CSP plant (similar to Andasol I plant) as a tool to simulate the plant performance regarding both, electricity and water production, and to analyse high efficient MED processes and their integration within parabolic trough concentrating solar power plants. To that end, firstly a literature review on CSP+D has been performed to present the state-of-the-art of this technology and different approaches to this concept. Then, a preliminary thermo-economic study has been carried out for a particular case of the combination of a parabolic trough CSP plant with direct steam generation and two different desalination technologies, Reverse Osmosis (RO) and multi-effect distillation. Results obtained show that the bet coupling option, which produce the lower levelised cost of water, is the RO process. Also, it is recommended its indirect integration with the CSP plant, connected directly to the local grid. It is concluded that, in view of the lack of agreement among scientific community about the most suitable technology for integrating with a CSP plant and due to the potential of the combined freshwater and power production with MED and CSP, further investigation with higher efficient MED plants is needed. In this regard, two methods to improve the efficiency of MED processes have been investigated: the increase of the number of effects, which leads to an increase in the Top Brine Temperature (TBT), and its coupling with thermocompressors. The first case has been assessed by using seawater pretreatments that permit to elevate the temperature of the MED process without scale formation, like the nanofiltration membranes. For this purpose, a detailed mathematical model has been developed for a MED plant with forward-feed configuration and the model was implemented within Engineering Equation Solver (EES) software environment. Such feed arrangement has been selected in order to minimize the scale risk on the tubes of the heat exchangers. Results show that the Gain Output Ratio (GOR) is greatly improved (up to a 70%), while the specific heat transfer area and specific energy consumption are significantly reduced (11 and 45%, respectively). Despite of the great potential of this improvement to the MED process, the analysis of its integration into a CSP plant has been not pursued because there are not commercial MED plants using the forward feed scheme. Moreover, the increase of auxiliary consumption attributable to nanofiltration pretreatment may be not suitable for solar applications. Most commercial MED plants are based on the parallel feed MED-TVC process, which presents several advantages for its coupling with power plants. Therefore, this technology has been selected for the analysis of its coupling with CSP plants. A preliminary evaluation has been performed for a particular case study, simulating the power and water productions of a parabolic trough CSP plant of 50 MWe, with features similar to commercial Andasol-I CSP plant, and a MED-TVC unit of 10,000 m3/d, based on commercial Trapani plant (Italy), during three representative days in winter and summer periods. Two different steam extractions have been considered to feed the MED-TVC unit, one from the high pressure turbine, and other from the low pressure turbine. The CSP model has been taken from the literature and implemented in MATLAB software environment, and the power block model, implemented in EES, has been developed to simulate part load conditions. From this assessment it is concluded that different integration schemes are needed to accomplish for the different profile demands of power and water during the year, in order to promote the power generation or the water production. Later, a parametric study of the integration of a parallel/cross MED-TVC, based on Trapani commercial plant, with a Rankine cycle power block similar to that one of Andasol-I, has been carried out in order to identify the best coupling arrangement, in terms of efficiency and minimum specific heat transfer area. To that end, a detailed design mathematical model of the MED-TVC unit has been developed and validated against actual data. It is found that the maximum GOR and minimum specific area are reached for a particular thermocompressor location, depending on the motive steam pressure fed into the thermocompressor. Also, an operation MED-TVC model has been developed, based on the design model, and used to determine the operational limits of the integration with a Rankine cycle power block that allowed the MED unit to work in nominal conditions (which has been possible by considering variable nozzle thermocompressors), for four different steam extractions of the turbines. For this purpose, the power block has been simulated at different loads, and a control algorithm has been also introduced in order to maintain the maximum brine salinity under 70,000 ppm and the end condenser temperature around 37 °C. Finally, annual simulations of the coupling between a parallel/cross MED-TVC unit and a parabolic trough CSP have been performed, considering Almería (Spain) as the geographical location of the cogeneration plant. The models previously presented for the solar field, power block and desalination unit (off-design models) have been used. As a particular case study, the daily, monthly and yearly power and water productions have been estimated, using two different steam extractions, equal to those ones identified in the previous analyses: one from the high pressure turbine, at 45.4 bar, and other from the low pressure turbine, at 3.63 bar, which have been used alternatively to feed the MED-TVC unit depending on the monthly power demand for that location.

La escasez de agua y el abastecimiento energético son actualmente dos de los mayores retos a los que se enfrenta la sociedad global. El crecimiento de la población mundial junto con el aumento de las actividades industriales, especialmente en los países en vía de desarrollo, está provocando un rápido incremento del consumo energético y, en consecuencia, de la construcción de nuevas plantas de producción de potencia. La mayoría de dichas plantas están basadas en la utilización de combustibles fósiles, los cuales emiten en su combustión gases de efecto invernadero (principalmente CO2), contribuyendo al calentamiento global del planeta. Las tecnologías de producción de potencia que emplean energías renovables (solar, eólica, geotérmica, etc.) como fuente energética representan una alternativa limpia y respetuosa con el medio ambiente, en particular las plantas solares de concentración, las cuales han demostrado ser un sistema fiable para la generación de energía eléctrica. Por el contrario, aunque más del 70% de la superficie terrestre es agua, el agua dulce representa aproximadamente el 2.5% del volumen total de la hidrosfera, siendo el resto agua salada. Además, de dicho porcentaje de agua dulce, alrededor del 69% está incluida en glaciares y nieves permanentes, siendo su extracción poco viable, tanto desde un punto de vista económico como medioambiental. Por lo tanto, la producción de agua dulce mediante la desalación de agua de mar puede ayudar a resolver los problemas de abastecimiento de agua en las zonas áridas del planeta, como ha sido probado en los países de Oriente Medio desde la segunda mitad del siglo XX. Asimismo, aquellas regiones del mundo que sufren problemas de estrés hídrico presentan habitualmente altos niveles de irradiación solar, lo que sugiere la utilización de la energía solar para producir agua dulce mediante la desalación de agua de mar en dichas zonas con acceso directo a la costa. Existe también una conexión entre los problemas asociados al abastecimiento de agua y energía, debido a que la generación de electricidad, ya sea por medios convencionales o tecnologías renovables, requiere grandes cantidades de agua (en particular para la refrigeración del ciclo de potencia), y a su vez, la producción de agua mediante desalación de agua de mar precisa de un alto consumo energético. De los anteriores razonamientos puede concluirse que la cogeneración de agua y electricidad mediante la integración de procesos de desalación de agua de mar y plantas termosolares de concentración, podría ayudar a resolver, al menos parcialmente, los problemas de suministro energético y de agua dulce en dichas zonas del planeta. Los principales objetivos de este trabajo de investigación son el desarrollo de un modelo a carga parcial para procesos de destilación multiefecto (Multi-Effect Distillation, MED) con compresión térmica de vapor (Thermal Vapor Compression, TVC), integrados en una planta termosolar de concentración (Concentrating Solar Power, CSP) con tecnología de captadores cilindroparabólicos (Parabolic Trough, PT) de similares características a la planta CSP comercial Andasol-I, como una herramienta que permita simular la eficiencia de la producción conjunta de agua y electricidad, y el análisis de procesos MED de alta eficiencia integrados en plantas PT-CSP. A este fin, primero se ha llevado a cabo una revisión bibliográfica sobre dicho tema para presentar el estado actual de la tecnología propuesta y los diferentes acercamientos a este concepto. Posteriormente, se ha realizado un estudio termoeconómico preliminar para un caso particular de la integración de una planta de termosolar de captadores cilindroparabólicos con generación directa de vapor y dos tecnologías de desalación: ósmosis inversa y destilación multiefecto. Los resultados han revelado que la ósmosis inversa es la mejor opción de integración ya que genera los menores costes anualizados de producción de agua. Además, se recomienda la integración indirecta con la planta termosolar, conectándose directamente a la red eléctrica local. De dichos análisis se ha concluido que no existe acuerdo entre la comunidad científica en cuanto a la tecnología de desalación más adecuada para su combinación o acoplamiento con una planta termosolar de concentración. Además, debido al potencial mostrado por la destilación multiefecto para su integración con plantas CSP, se requiere una investigación más profunda sobre las posibilidades de aumento de eficiencia de esta tecnología. En esta línea, han sido evaluados dos métodos para aumentar la eficiencia del proceso de destilación multiefecto: el aumento del número de efectos, que conduce a un incremento de la temperatura máxima de salmuera, y la introducción de la compresión térmica de vapor. En el primer caso, el aumento de la temperatura máxima de salmuera sin aparición de incrustaciones salinas en los tubos de los intercambiadores de calor (scaling) precisa la utilización de un pretratamiento del agua de mar tal como la nanofiltración, la cual elimina los iones bivalentes causantes de dicho efecto. Para este propósito se ha desarrollado un modelo matemático detallado del proceso de destilación multiefecto con alimentación frontal (o hacia delante), el cual ha sido implementado en el entorno Engineering Equation Solver (EES). Dicha configuración ha sido elegida para minimizar los riesgos de aparición incrustaciones en los tubos de los intercambiadores de calor. Los resultados han mostrado que la eficiencia térmica del proceso, medida mediante el Gain Output Ratio (GOR), se incrementa considerablemente (hasta en un 70%), mientras que el área específica de transferencia y consumo energético específico se reducen significativamente (en un 11 y 45%, respectivamente). A pesar del gran potencial mostrado por esta mejora del proceso MED, no se ha analizado su integración en plantas CSP debido a que no existen unidades MED comerciales utilizando dicha configuración, y además el aumento del consumo auxiliar causado por el pretratamiento de nanofiltración podría no ser adecuado para aplicaciones solares. La mayoría de plantas comerciales tienen configuración de flujo paralelo/cruzado con compresión térmica de vapor, la cual presenta ventajas para su acoplamiento con plantas CSP. Una primera evaluación de esta integración ha sido realizada para un caso particular de estudio, simulando la producción conjunta de agua y electricidad en una planta PT-CSP de 50 MWe, con características similares a la planta comercial Andasol-I en Granada (España), y una unidad MED-TVC de 10,000 m3/d, basada en la planta comercial de Trapani (Italia), durante tres días representativos de invierno y tres días de verano. Se han considerado dos extracciones diferentes de turbina para alimentar la planta desalinizadora, una del cuerpo de turbina de alta presión y otra del cuerpo de turbina de baja presión. El modelo del campo solar de la planta CSP se ha tomado de la literatura científica y ha sido implementado en el entorno MATLAB, mientras que el bloque de potencia, implementado en EES, se ha desarrollado para simular condiciones de operación a carga parcial. De este estudio se ha concluido que se requieren diferentes esquemas de integración para cumplir con los diferentes perfiles de demanda de agua y electricidad durante el año, de manera que se otorgue mayor prioridad a la producción de agua o la generación de energía eléctrica. Más tarde se ha realizado un estudio paramétrico de la integración de una planta desalinizadora MED-TVC, basada en la configuración de la planta comercial de Trapani, con un ciclo de potencia Rankine similar al de la planta CSP Andasol-I, con objeto de identificar el mejor acoplamiento, desde el punto de vista de eficiencia y área de intercambio de calor mínima. A este fin, se ha desarrollado un modelo matemático detallado del proceso MED-TVC con alimentación en paralelo/cruzado y se ha validado con datos de una planta real. Se ha encontrado que el máximo GOR y la mínima área específica se obtienen para una posición particular del termocompresor, dependiendo de la presión del vapor motriz que alimenta al termocompresor. Además, se ha desarrollado un modelo de operación del proceso MED-TVC, basado en el modelo de diseño, y se ha utilizado para determinar los límites de operación de la integración con ciclos de potencia Rankine tales que permitían trabajar a la unidad MED en condiciones nominales (lo cual fue posible considerando termocompresores de área variable), para cuatro extracciones de vapor diferentes. Para este propósito, se ha simulado la operación del bloque de potencia a diferentes cargas y se ha introducido un algoritmo de control para mantener la salinidad máxima de la salmuera en valores por debajo de 70,000 ppm y la temperatura del condensador final alrededor de su valor de diseño, 37 °C. Para finalizar, se han efectuado simulaciones anuales de la integración de una unidad de destilación multiefecto con compresión térmica de vapor (en flujo paralelo/cruzado) y una planta termosolar de captadores cilindroparabólicos, considerando Almería (España) como la localización geográfica de la hipotética planta de cogeneración. Los modelos presentados previamente del campo solar, bloque de potencia y unidad de desalación (modelos para la operación a caga parcial) han sido utilizados en las simulaciones. Como un caso particular de estudio, se ha estimado la producción diaria, mensual y anual de electricidad y agua considerando dos extracciones de vapor de diferentes presiones, iguales a las identificadas en el estudio anterior: una perteneciente a la turbina de alta presión, a 45.4 bar, y otra de la turbina de baja presión, a 3.63 bar, las cuales se han utilizado alternativamente para alimentar la unidad MED-TVC dependiendo de la demanda mensual de electricidad y agua en dicha localización.