Διερεύνηση της απόδοσης καινοτόμου συστήματος αφαλάτωσης θαλασσινού νερού μέσω ηλιακής απόσταξης προς αρδευτική χρήση.

Μιχαηλάρης, Δημήτριος; Michailaris, Dimitrios

dc.contributor.author	Μιχαηλάρης, Δημήτριος	el
dc.contributor.author	Michailaris, Dimitrios	en
dc.date.accessioned	2024-04-18T06:49:05Z
dc.date.available	2024-04-18T06:49:05Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/59212
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.26908
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Επιστήμη και Τεχνολογία Υδατικών Πόρων”	el
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού - Μη Εμπορική Χρήση - Παρόμοια Διανομή 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/gr/	*
dc.subject	Ηλιακή αφαλάτωση	el
dc.subject	Ηλιακός αποστακτήρας	el
dc.subject	Συνεχής λειτουργία πεδίου	el
dc.subject	Solar desalination	en
dc.subject	Solar still	en
dc.subject	Continuous field operation	en
dc.title	Διερεύνηση της απόδοσης καινοτόμου συστήματος αφαλάτωσης θαλασσινού νερού μέσω ηλιακής απόσταξης προς αρδευτική χρήση.	el
dc.title	Efficiency assessment of a novel seawater desalination system using solar distillation for irrigation purposes.	en
heal.type	masterThesis
heal.classification	Αφαλάτωση	el
heal.classification	Desalination	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2023-11-13
heal.abstract	Η παρούσα μελέτη διερευνά την απόδοση ενός καινοτόμου συστήματος αφαλάτωσης θαλασσινού νερού, του οποίου η λειτουργία βασίζεται στις αρχές εξάτμισης και συμπύκνωσης του νερού. Οι εγκαταστάσεις του εν λόγω συστήματος βρίσκονται εν λειτουργία στο νησί της Τήνου, υπό την ονομασία HYDRO5 όπως αναπτύχθηκαν στα πλαίσια του ερευνητικού προγράμματος HYDROUSA το 2020. Η συγκεκριμένη περιοχή επιλέχθηκε λόγω του ελλειμματικού υδατικού της ισοζυγίου που απορρέει από τις υδρογεωλογικές και μορφολογικές της ιδιαιτερότητες, τον ανεπτυγμένο τουριστικό τομέα του νησιού και την μακρά ξηρή και θερμή περίοδο που βιώνει ετησίως. Τα παραπάνω διαμορφώνουν περιόδους υψηλής ζήτησης και ποσοτικής ανεπάρκειας υδατικών αποθεμάτων προς κάθε χρήση. Μεταξύ άλλων, ο αγροδιατροφικός τομέας στην Τήνο, δέχεται ισχυρές πιέσεις λόγω της έλλειψης επαρκών αποθεμάτων νερού προς άρδευση των καλλιεργειών. Το υπό μελέτη σύστημα, καλούμενο Mangrove Still System (MSS), σχεδιάστηκε από την ιταλική εταιρεία Planet SAS., ως ένα πρότυπο παθητικό σύστημα αφαλάτωσης, βασιζόμενο στις αρχές του βιομιμιτισμού. Λειτουργεί αξιοποιώντας την ηλιακή ακτινοβολία σε 80 κλιμακωτούς ηλιακούς αποστακτήρες, οι οποίοι δέχονται θαλασσινό νερό έπειτα από διήθηση, για την ανάκτηση αρδευτικού νερού. Το παραγόμενο νερό από το MSS, ικανοποιεί το σύνολο των ποιοτικών απαιτήσεων που τίθενται από τη Νομοθεσία για τη χρήση του προς απεριόριστη άρδευση. Συγκεκριμένα, με pH 7.3 είναι εντός του απαιτούμενου εύρους, χαρακτηρίζεται ως εξαιρετικής ποιότητας βάσει της ηλεκτρικής αγωγιμότητας (ΕC) που διατηρήθηκε σταθερά < 250 μS/cm, ενώ δεν αναφέρεται καμία άλλη φυσικοχημική και μικροβιολογική επιβάρυνση. Παράλληλα, το νερό από το MSS βρέθηκε να πληροί και τα ποιοτικά πρότυπα σχετικά με την ποιότητα του νερού ανθρώπινης κατανάλωσης, με μόνη απαίτηση τον εμπλουτισμό του σε Ca2+ και Mg2+ που στερείται λόγω της φύσης της διεργασίας. Στο ΗYDRO5, η εκροή του MSS αξιοποιήθηκε αποτελεσματικά για την ανάπτυξη των καλλιεργούμενων φυτών και την παραγωγή 517 kg τροπικών καρπών και αξιοποιήσιμης βιομάζας στο θερμοκήπιο (PGH) της εγκατάστασης. Το σύστημα δύναται επιπλέον να ανακτά 700 kg βρώσιμο αλάτι ετησίως μέσω περαιτέρω επεξεργασίας της άλμης η οποία προκύπτει ως παραπροϊόν της διεργασίας, ενώ διατάξεις συλλογής βρόχινου νερού συνεισφέρουν 55L/day νερού κλάσης C2-S1, στις αρδευτικές ανάγκες. Η συνολική έκταση τoυ HYDRO5 είναι ≈500 m2, επιμεριζόμενη σε 150 m2 για το MSS, 200 m2 για το PGH και 150 m2 για βοηθητικούς χώρους. Η εγκατάσταση στοχεύει στην πλήρη κυκλικότητα του νερού, όπου βάσει της χαμηλής ενεργειακής απαίτησης της των 10.1 kWh/day, προωθεί την εγκαθίδρυση του άξονα WEFE και την επίτευξη βιώσιμης διαχείρισης των πόρων, συνολικά. Δεδομένου ότι παρόμοια δεδομένα δεν είναι ευρέως διαθέσιμα έως σήμερα στη βιβλιογραφία, η απόδοση του MSS αξιολογήθηκε πιλοτικά υπό πλήρη λειτουργία 10 ωρών ημερησίως για διάστημα ενός έτους. Η ημερήσια παραγωγή αρδευτικού νερού βρέθηκε ίση με 123.6 L/day, με μέγιστη τα 280 L/day και αντίστοιχη ειδική παραγωγή 2.2 L/m2/day και 5 L/m2/day. Η προκύπτουσα απόδοση του συστήματος υπολογίστηκε σε 17.4%, με μέγιστη 29.4%, ενώ ο συντελεστής μέσης θερμικής απόδοσης του MSS βρέθηκε ίσος με 20.4%, με μέγιστη τιμή 58.1%. Το ειδικό κόστος νερού που προέκυψε από την επεξεργασία των αποτελεσμάτων ανήλθε στα 0.19 €/L ενώ η ειδική κατανάλωση ενέργειας ισούται με 0.05 kWh/L. Τα εν λόγω ευρήματα όπως απορρέουν υπό συνθήκες συνεχούς λειτουργίας στο πεδίο, απέχουν από εκείνα που εκτίμα ο κατασκευαστής του MSS, με μέση παραγωγή νερού τα 210 L/day, ειδική παραγωγή 3.8 L/m2/day, μέση απόδοση συστήματος 28%, θερμική απόδοση 32.1%, ειδικό κόστος νερού και κατανάλωση ενέργειας 0.11 €/L και 0.03 kWh/L, αντιστοίχως. Συνολικά, το σύστημα βρέθηκε εντός των τυπικών παραμέτρων για συστήματα ηλιακής απόσταξης όπως έχουν μελετηθεί βιβλιογραφικά. Ωστόσο, ως αναδυόμενη τεχνολογία εμφανίζεται υποδεέστερη των συμβατικών μεθόδων αφαλάτωσης, γεγονός που αποδίδεται κυρίως στη χαμηλότερη συγκριτικά δυναμικότητά τους, την υψηλή απαίτηση επιφάνειας και την εξάρτηση από κλιματικούς παράγοντες. Η λειτουργία του συστήματος βρέθηκε να εξαρτάται ισχυρά από την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας με συντελεστή συσχέτισης 0.9 και συντελεστή προσδιορισμού 0.7, αφού με την αύξηση αυτής αυξάνεται ο ρυθμός μετάδοσης θερμότητας μέσω συναγωγής από την επιφάνεια εξάτμισης του αποστακτήρα στο περιεχόμενο νερό και τελικά ο ρυθμός εξάτμισής του. Συγκεκριμένα, υπολογίστηκε 44.9% αύξηση της απόδοσης με την αύξηση της έντασης από 508.1 W/m2 σε 561.2 W/m2, υπό σταθερή θερμοκρασία περιβάλλοντος, ενώ μέγιστη παραγωγή νερού βρέθηκε σε εύρος θερμοκρασίας νερού στα πάνελ 35-43οC, έντασης ηλιακής ακτινοβολίας 500-600 W/m2, σε θερμοκρασία περιβάλλοντος 28.9οC. Συνολικά παρατηρήθηκε έλλειμα ≈30 L/day του παραγόμενου νερού έναντι των αρδευτικών αναγκών, το οποίο θα μπορούσε να αντισταθμιστεί με την εκμετάλλευση του συλλεγόμενου βρόχινου νερού. Ωστόσο, τόσο λόγω ποσοτικής ανεπάρκειας όσο και λόγω χαμηλής συσχέτισης της EC: 0.01 μS/cm με το δείκτη SAR 0.3, επιλέχθηκε η ανάμιξη με μικρότερη ποσότητα νερού από το δίκτυο. Σε περίπτωση πλήρους κάλυψης της άρδευσης με το παραγόμενο νερό, η EC του μπορεί εύκολα να διατηρηθεί στα απαιτούμενα επίπεδα. Για την αύξηση της ημερήσιας παραγωγής νερού στο MSS, πραγματοποιήθηκαν επιπρόσθετα δοκιμές βελτιστοποίησης της απόδοσής του μέσω εφαρμογής συγκεκριμένων τροποποιήσεων. Η απόδοση του συστήματος βρέθηκε να αυξάνει κατά 15%, με προθέρμανση του νερού στους 35οC, 9.5% με την εισαγωγή υλικού “φυτιλιού” στους αποστακτήρες και 6.8% με την μείωση του ρυθμού ροής στα πάνελ από 2 L/hr σε 1 L/hr. Η μέγιστη ημερήσια παραγωγή των 261.3 L/day επετεύχθη σε αποστακτήρα που εφαρμόστηκε το σύνολο των τροποποιήσεων, με ειδική παραγωγή 4.6 L/m2/day, διαμορφώνοντας το ειδικό κόστος νερού στα 0.087 €/L. Ωστόσο, χωρίς προθέρμανση εισόδου, ο συνδυασμός των δύο άλλων τροποποιήσεων έδειξε τη βέλτιστη ενίσχυση απόδοσης σε ποσοστό 15.9% έναντι του συμβατικού, υποδηλώνοντας πως απλές χαμηλού κόστους εφαρμογές μπορούν να αυξήσουν την απόδοση του MSS χωρίς πρόσθετη απαίτηση ενέργειας. Τελικά το MSS, αποτελεί ένα απλό και αξιόπιστο σύστημα με χαμηλή απαίτηση ενέργειας, συντήρησης και εξειδίκευσης, και ανάγκες πλήρους απασχόλησης 66 ημερών ετησίως. Χαρακτηρίζεται από ευελιξία αφού είναι επεκτάσιμο μέσω προσθήκης επιπλέον αποστακτήρων, και ευκολία χειρισμού με δυνατότητα απομακρυσμένου ελέγχου μέσω αισθητήρων χαμηλού κόστους, τροφοδοτούμενοι με AΠΕ. Συνιστά, έτσι ιδανική εναλλακτική για αγρότες μικρής κλίμακας σε αποκεντρωμένες παράκτιες περιοχές που χαρακτηρίζονται από υψηλές πιέσεις προς τη διαθεσιμότητα ασφαλούς νερού, έντονη ηλιοφάνεια και υψηλή διαθεσιμότητα γης. Περαιτέρω χρηματοδότηση, μελέτη και εξέλιξη συστημάτων ηλιακής απόσταξης θα συμβάλει στο μετριασμό φαινομένων λειψυδρίας και στη διαχείριση του νερού στα πλαίσια της βιωσιμότητας.	el
heal.abstract	The present study investigates the performance of an innovative seawater desalination system whose operation is based on the principles of water evaporation and condensation. The demo site currently in operation, is located on the island of Tinos and is called HYDRO5, which was developed in the context of HYDROUSA project in 2020. This particular area was chosen due to its water deficit resulting from its hydrogeological and morphological particularities, its well-developed tourism sector combined with the annual long, dry and hot season. These factors result in periods of high demand and quantitative shortage of fresh water. Consequently, the agricultural and food sector in Tinos comes under severe pressure due to the insufficient supply of irrigation water supplies. The system under study, called the Mangrove Still System (MSS), was developed by the Italian company Planet SAS, as a prototype,of a passive desalination system, based on the principles of biomimicry. It uses solar radiation to power 80 solar stills, which are fed with filtered seawater to recover irrigation water. The water produced by the MSS was found to meetthe legislation’s quality requirements for use in unlimited irrigation. within particular, it is within the required range with a pH average value of 7.3 and it’s also characterized as of excellent quality based on its electrical conductivity (EC) which consistently maintained below 250 μS/cm. No other physicochemical restriction or microbiological contamination was reported. At the same time, the MSS fresh water was also found to meet the drinking water quality standards, with the only requirement being its enrichment with Ca2+ and Mg2+, which is not present due to the nature of the process. In HYDRO5, MSS effluent was efficiently valorized to produce 517 kg of fruits and usable biomass, received from the tropical cultivation into the greenhouse (PGH) of HYDRO5. In addition, the system is capable of recovering 700 kg per year of edible salt, through further treatment of the brine,which is the by-product of the process, while rainwater harvesting devices adjusted in the system collect 55 L/day water of C2-S1 class, contributing to PGH irrigation. HYDRO5 covers an area of ≈ 500 m2, divided into 150 m2 for the MSS, 200 m2 for the PGH and 150 m2 for ancillary areas. The plant aims to achieve full water circularity, while based on its low energy demand of 10.1 kWh/day, it promotes the establishment of WEFE nexus and the sustainable management of resources. Considering that comparable data are not available in the literature, this pilot study evaluates the performance of MSS at full operation of 10 hrs/day over a period one year period. The daily water production of the MSS was found to be 123.6 L of irrigation water/day, with a maximum of 280 L/day, while the corresponding specific production was 2.2 L/m2/day and 5 L/m2/day. The resulting system yield was 17.4%, with a maximum of 29.4%, while its average thermal efficiency was 20.4%, with a maximum of 58.1%. The specific water cost determined from the results amounted to 0.19 €/L while the specific energy consumption was 0.05 kWh/L. These results obtained from continuous field operation of the MSS, are far from those estimated by its manufacturer, which indicate an average water production of 210 L/day, a specific production of 3.8 L/m2/day, 28%, mean yield, 32.1% thermal efficiency and a specific water cost and energy consumption of 0.11 €/L and 0.03 kWh/L, respectively. In both cases, the system was found to be within the typical parameters of solar distillation systems as described in the literature. However, as an emerging technology it appears to be inferior to the conventional desalination technologies, mainly due to its comparatively low capacity, its high surface area demand and its dependence on climatic factors. The system was found to be strongly dependent on solar irradiation intensity with a correlation coefficient of 0.9 and a coefficient of determination of 0.7, since the increase of solar irradiation increases the heat transfer rate from the evaporation surface to the contained water, leading to an increase in the evaporation rate. More specifically, an efficiency rise of 44.9% was calculated by increasing the solar intensity from 508.1 W/m2 to 561.2 W/m2, under constant ambient temperature, while maximum water production was achieved at a water inlet temperature range of 35-43°C, solar radiation intensity of 500-600 W/m2 and an average ambient temperature of 28.9°C. Using the ΜSS, an overall water deficit of 40 L/day was observed compared to irrigation water demand, which could be compensated for by using the daily collected rainwater. Furthermore, the quality of the produced water was found to meet the quality standardsfor unrestricted irrigation, classified as excellent quality (electrical conductivity (EC) was stably measured below 250 μS/cm). However, due to both quantitative inadequacy and its combined low EC value of 0.01 μS/cm and SAR indicator value of 0.3, the use of mixed MSS fresh water together with a small amount of tap water was chosen. However, in case of full coverage of PGH irrigation with the produced water, its EC can be easily maintained at the required levels. Furthermore, yield optimization tests were carried out for MSS, in which various modifications were applied. The system performance was found to increase by 15% by using preheated water inflow at a temperature of 35°C, 9.5% by applying wick material into the stills and 6.8% by reducing the flow rate from 2 L/hr to 1 L/hr. A maximum daily production of 261.3 L/day was achieved by applying all the modifications simultaneously, with corresponding specific production of 4.6 L/m2/day, reducing the specific water cost to 0.087 €/L. However, without the preheating treatment, the combine application of the remaining modifications resulted to an optimal yield enhancement of 15.9% compared to the conventional still, indicating that these simple and cost-effective applications can increase the MSS performance without additional energy requirements. Ultimately, MSS was found to be a simple and reliable system with low energy, maintenance and expertise requirements, with a demand of a full-time equivalent of 66 days/year. It is characterised by flexibility due to its upscaling potential through a simple addition of extra stills, and ease of operation with remote control feasibility via low cost, renewable energy powered sensors. It is therefore, an ideal alternative for small-scale farmers in decentralized coastal areas characterized by water stressed periods, intense sunlight and high land availability. Further funding and research into the progress of solar distillation systems will help to mitigate future water scarcity phenomena in conjunction with the achievement of sustainable water management.	en
heal.advisorName	Μαλαμής, Συμεών-Αλέξανδρος	el
heal.advisorName	Malamis, Symeon-Alexandros	en
heal.committeeMemberName	Μαμάης, Δανιήλ	el
heal.committeeMemberName	Νουτσόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Μαλαμής, Συμεών-Αλέξανδρος	el
heal.committeeMemberName	Mamais, Daniil	en
heal.committeeMemberName	Noutsopoulos, Konstantinos	en
heal.committeeMemberName	Malamis, Symeon-Alexandros	en
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	153 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false