Αφαλάτωση με χρήση ΑΠΕ στα άνυδρα νησιά του Νοτίου Αιγαίου

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζεται η κάλυψη των υδρευτικών αναγκών των άνυδρων νησιών του Νοτίου Αιγαίου από μονάδες αφαλάτωσης οι οποίες θα παράγουν πόσιμο νερό. Ένα μέρος των ενεργειακών αναγκών της αφαλάτωσης θα καλύπτεται από παραγωγή ενέργειας από Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας. Σκοπός είναι η απεξάρτηση των νησιών από τις μεταφερόμενες ποσότητες νερού από την ηπειρωτική Ελλάδα. Έτσι ανεβαίνει το βιοτικό επίπεδο του νησιού και το κράτος εξοικονομεί σημαντικά χρηματικά ποσά που δαπανώνται ετησίως σε καύσιμα και μεταφορά νερού. Επίσης, στόχος είναι η εκμετάλλευση του υψηλού αιολικού και ηλιακού δυναμικού που παρουσιάζουν τα νησιά. Ακόμη, μειώνονται κατά πολύ τα αέρια του θερμοκηπίου που οφείλονται στην κατανάλωση ρεύματος, αφού ένα μέρος της ενέργειας που καταναλώνει η μονάδα αφαλάτωσης παράγεται από κάποια ανανεώσιμη πηγή. Στο πρώτο κεφάλαιο αναλύεται η υφιστάμενη κατάσταση υδροδότησης των άνυδρων νησιών του Νοτίου Αιγαίου η οποία συνίσταται κυρίως από τις μεταφερόμενες ποσότητες νερού με υδροφόρα πλοία από την ηπειρωτική χώρα και τις γεωτρήσεις, ιδιωτικές ή δημοτικές. Επίσης, γίνεται αναφορά στις εγκατεστημένες μονάδες αφαλάτωσης στα νησιά και παρουσιάζονται παραδείγματα νησιών όπως η Μήλος και η Ηρακλειά όπου υπάρχουν μονάδες αφαλάτωσης που κάνουν χρήση ενέργειας που παράγεται από μονάδα ΑΠΕ. Στο τέλος του κεφαλαίου αυτού τίθεται ένα σημαντικό ζήτημα, αυτό της υπερκατανάλωσης εμφιαλωμένου νερού στα νησιά λόγω της έλλειψης πόσιμου νερού από το τοπικό δίκτυο. Στη συνέχεια, στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφονται οι μέθοδοι αφαλάτωσης οι οποίες χωρίζονται σε θερμικές και μεμβρανών. Οι πρώτες περιλαμβάνουν αλλαγή φάσης, ενώ οι δεύτερες πραγματοποιούνται σε μία μόνο φάση, δηλαδή την υγρή. Από τις μεθόδους της αφαλάτωσης, η αντίστροφη όσμωση κατέχει μια εξέχουσα θέση στις εφαρμογές, καθώς και στις προτιμήσεις των ενδιαφερόμενων μηχανικών. Η τεχνική αυτή παρουσιάζει μία αξιοθαύμαστη ευελιξία. Επιτρέπει την κατασκευή διατάξεων και συστημάτων από την πιο μεγάλη εγκατάσταση για την ύδρευση μίας κοινότητας ή μίας πόλης, έως και την κατασκευή της πιο μικρής συσκευής προορισμένης να καλύψει τις ανάγκες μιας οικογένειας. Ο συνδυασμός συστήματος αφαλάτωσης με ΑΠΕ είναι τεχνικά εφικτός. Δύο είναι οι πιθανοί τρόποι συνδυασμού των δύο τεχνολογιών, τα πλήρως αυτόνομα συστήματα τα οποία δεν απαιτούν τη σύνδεση τους σε κάποιο δίκτυο διανομής ηλεκτρικής ενέργειας, καθώς είναι ικανά να παράγουν από μόνα τους την απαιτούμενη για τη λειτουργία τους ηλεκτρική ενέργεια, και τα συνδεδεμένα συστήματα στο δίκτυο παροχής ηλεκτρικής ενέργειας στα οποία η μονάδα αφαλάτωσης καθώς και η μονάδα ΑΠΕ συνδέονται στο δίκτυο. Η παροχή της μονάδας ΑΠΕ σε ηλεκτρική ενέργεια καλύπτει ένα μέρος των ενεργειακών καταναλώσεων της αφαλάτωσης. Στο 3ο κεφάλαιο της εργασίας γίνεται αναφορά στο θεσμικό πλαίσιο της αφαλάτωσης, στα κριτήρια χωροθέτησης μίας μονάδας αφαλάτωσης, ενός αιολικού πάρκου και ενός φωτοβολταϊκού σταθμού. Στη συνέχεια επισημαίνονται τα περιβαλλοντικά ζητήματα που προκύπτουν, με σημαντικότερο αυτό της διάθεσης της άλμης, ενός ρεύματος νερού με υψηλή περιεκτικότητα σε άλατα. Το συμπυκνωμένο θαλασσινό νερό από τις μονάδες αφαλάτωσης οδηγείται στη θάλασσα με ελεύθερη ροή μακριά από το σημείο προσαγωγής με τέτοιο τρόπο ώστε να ελαχιστοποιούνται οι αρνητικές επιπτώσεις στο θαλάσσιο περιβάλλον. Στο 4ο και στο 5ο κεφάλαιο παρουσιάζεται η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε για την διαστασιολόγηση μονάδων αφαλάτωσης στα νησιά, για την επιλογή και την διαστασιολόγηση των μονάδων ΑΠΕ που θα καλύπτουν μέρος των ενεργειακών αναγκών της αφαλάτωσης, για τον υπολογισμό ενεργειακών ισοζυγίων της λειτουργίας του διασυνδεδεμένου στο δίκτυο συστήματος αφαλάτωσης με ΑΠΕ, και, τέλος, για τον υπολογισμό του κόστους παραγόμενου νερού και της τιμής πώλησής του ώστε η επένδυση να είναι βιώσιμη και συμφέρουσα για τον επενδυτή. Στη συνέχεια θα δούμε πως αυτή η μεθοδολογία εφαρμόστηκε και ποια αποτελέσματα έδωσε για τρία νησιά του Αιγαίου με διαφορετικά χαρακτηριστικά (Πάτμος, Λειψοί, Θηρασιά). Τέλος, στο 6ο κεφάλαιο παρατίθενται τα τελικά συμπεράσματα της μελέτης και προτάσεις επί της διαβούλευσης που έδωσε τον Απρίλιο του 2010 η Γενική Γραμματεία Αιγαίου και Νησιωτικής Πολιτικής του Υπουργείου Υποδομών, Μεταφορών και Δικτύων που αφορά στη δημιουργία μονάδων αφαλάτωσης σε όλα τα νησιά που εξυπηρετούνται σήμερα (μερικώς ή αποκλειστικά) με μεταφορά νερού.

This thesis examines the cover of water needs in the arid islands of southern Aegean using desalination plants which will produce potable water. Part of the desalination energy requirements will be covered by energy produced from Renewable Energy Sources (RES). The purpose is to detox the islands of the quantities of water being transported with ships from mainland Greece. Αs a result of that, the standard of living of the island will be improved and the Greek State will save significant amounts of money to be spent annually on fuel and water transportation. Furthermore, the aim is to exploit the rich wind and solar resources of greek islands. This would greatly reduce the greenhouse gases caused by power consumption, since a part of the energy consumed by the desalination plant is produced from a renewable resource. In the first chapter, the current situation of water supply in the arid islands of the southern Aegean is explained. It mainly consists of the transported water quantities from the mainland and private or municipal wells. Furthermore, the installed desalination plants on the islands are referred as well as examples of islands (such as Milos and Irakleia) where desalination plants use energy generated from a RES. At the end of this chapter an important issue is raised, that of over-consumption of bottled water in the islands due to the lack of potable water from the local water supply system network. The second chapter describes the two categories of desalination-thermal and membrane. The first include phase change, while the second are carried out in the liquid phase. The desalination method that has a prominent position on applications and preferences of interested engineers is reverse osmosis This technique presents a remarkable flexibility as it allows the construction of devices and systems in a great range; starting from the construction of the smallest device intended to meet the water needs of a family to the most extensive facility for water supply of a community or a town. The combination of Renewable Energy Sources and desalination plant is technically feasible. There are two possible ways of combining the two technologies, the fully autonomous system that do not require connection to an electricity distribution network and is capable of generating on its own the necessary electricity for its functioning, and a system connected to the grid where both the desalination plant and the RES unit are connected to the grid. The electricity provision of the RES unit covers part of the energy consumption of desalination. The third chapter refers to the institutional framework of desalination, the criteria for a desalination plant’s site, as well as the site criteria of a wind farm and a photovoltaic power plant. Apart from that, the important environmental issues of the desalination, such as the brine disposal, are highlighted. The concentrated salt water from the desalination is driven with the free flow away from the point of flow so as to minimize adverse impacts on the marine environment. The reject may be sent to inland aquifers, an inland water body or to inland evaporating ponds or the sea. In all cases the disposal must have a minimum of adverse impact on the receiving water bodies or the land. In the fourth and fifth chapter the methodology for dimensioning desalination plants on the islands, the selection and the dimensioning of RES plants that will cover some of the energy requirements of desalination, for calculating energy balances of the operation of the connected to the grid desalination system using RES and, finally, calculate the cost of the desalinated water and the selling price of that so as the investment to be viable and profitable for the investor, is presented. Then we'll see how this methodology is applied and what results gives in three islands with different features (Patmos, Lipsi, Thirassia). At the end of the thesis, the final conclusions of the study are presented along with suggestions on the consultation relating to the creation of desalination plants on the islands served today (partially or exclusively) by transportation of water, given in April 2010 by the General Secretariat of Aegean and Island Policy of the Ministry of Infrastructure, Transport and Network.