Προσομοίωση και τεχνοοικονομική ανάλυση βιώσιμης αξιοποίησης της άλμης από μονάδα αφαλάτωσης στα πλαίσια της κυκλικής οικονομίας

Πρωτοπαπά, Παναγιώτα; Protopapa, Panagiota

dc.contributor.author	Πρωτοπαπά, Παναγιώτα	el
dc.contributor.author	Protopapa, Panagiota	en
dc.date.accessioned	2026-05-06T12:16:44Z
dc.date.available	2026-05-06T12:16:44Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/64525
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.32219
dc.rights	Default License
dc.subject	Αφαλάτωση	el
dc.subject	Άλμη	el
dc.subject	Κυκλική Οικονομία	el
dc.subject	Aspen Plus	en
dc.subject	Ηλεκτρόλυση	el
dc.subject	Desalination	en
dc.subject	Brine	en
dc.subject	Circular Economy	en
dc.subject	Aspen Plus	en
dc.subject	Electrolysis	en
dc.title	Προσομοίωση και τεχνοοικονομική ανάλυση βιώσιμης αξιοποίησης της άλμης από μονάδα αφαλάτωσης στα πλαίσια της κυκλικής οικονομίας	el
dc.title	Simulation and techno-economic analysis of sustainable brine valorization from a desalination plant within the framework of the circular economy	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Διαχείριση Βιομηχανικών Αποβλήτων	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2025-10-07
heal.abstract	Η αυξανόμενη ζήτηση για καθαρό νερό και οι επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής καθιστούν την αφαλάτωση θαλασσινού νερού κρίσιμη για την κάλυψη των υδατικών αναγκών σε άνυδρες και νησιωτικές περιοχές. Ωστόσο, η διεργασία αυτή συνοδεύεται από την παραγωγή σημαντικών ποσοτήτων άλμης, η οποία επιφέρει σοβαρές περιβαλλοντικές επιπτώσεις κατά την ανεξέλεγκτη διάθεσή της, αναδεικνύοντας έτσι την επιτακτική ανάγκη για τη διαχείρισή της. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μοντελοποίηση και τεχνοοικονομική ανάλυση μιας ολοκληρωμένης μονάδας διαχείρισης της άλμης, με ταυτόχρονη δέσμευση και αξιοποίηση του διοξειδίου του άνθρακα. Η μεθοδολογία περιλαμβάνει εκτενή βιβλιογραφική ανασκόπηση τεχνολογιών, καταλήγοντας στην επιλογή ηλεκτρόλυσης με τεχνολογία μεμβρανών για τη διαχείριση της άλμης και χημικής απορρόφησης για τη δέσμευση και αξιοποίηση του CO2. Ακολουθεί η προσομοίωση της διεργασίας στο Aspen Plus, επιλέγοντας ως μελέτη περίπτωσης την μονάδα αφαλάτωσης Βασιλικού στη Κύπρο, η οποία επεξεργάζεται 40.000 m3/d παραγόμενης άλμης. Στην προτεινόμενη διεργασία ενσωματώνεται η προεπεξεργασία της τροφοδοσίας που απαιτείται για την προστασία των μεμβρανών και την επίτευξη κορεσμένης τροφοδοσίας. Συγκεκριμένα, πραγματοποιείται χημική καταβύθιση των ιόντων σκληρότητας (Ca2+ και Mg2+) και συμπύκνωση της τροφοδοσίας μέσω πολυβάθμιας εκτόνωσης (MSF), επιτρέποντας την παραγωγή προϊόντων και την ανάκτηση νερού. Στη συνέχεια, επιτυγχάνεται η αξιοποίηση της άλμης μέσω της ηλεκτρόλυσης, με παραγωγή αερίων Cl2 και H2 υψηλής καθαρότητας (> 99,9%), καθώς και διαλύματος NaOH, το οποίο χρησιμοποιείται για τη δέσμευση CO2 στην διεργασία χημικής απορρόφησης προς παραγωγή διαλύματος Na2CO3. Η προτεινόμενη λύση είναι πλήρως κυκλική καθώς όλες οι απαιτούμενες πρώτες ύλες παράγονται εντός του συστήματος και ανακυκλώνονται. Επιπλέον παρουσιάζει συνολική ενεργειακή απαίτηση της τάξης των 180 MW. Για την περαιτέρω περιβαλλοντική βιωσιμότητα της διεργασίας ενσωματώνεται υβριδικό πάρκο ΑΠΕ δυναμικότητας 300 MW αιολικών και 225 MW φωτοβολταϊκών, για την κάλυψη του 62,56% των συνολικών ενεργειακών απαιτήσεων, επιτυγχάνοντας μηδενικό ισοζύγιο εκπομπών άνθρακα. Από τη συνολική διεργασία δεσμεύονται 42,3 tn/hr CO2 και παράγονται 2,0 tn/hr Mg(OH)2, 2,1 tn/hr CaCO3, 979,0 tn/hr Η2Ο, 68,8 tn/hr Cl2, 2,0 tn/hr H2 και 96,9 tn/hr Na2CO3. Η τεχνοοικονομική ανάλυση εκτιμά το συνολικό επενδυτικό κόστος (CAPEX) σε 1,48 δισ. €, το ετήσιο λειτουργικό κόστος (OPEX) σε 169,35 εκατ. € και τα ετήσια έσοδα (Revenues) σε 417,44 εκατ. €. Επιπλέον, η αξιολόγηση των οικονομικών δεικτών υπολογίζει καθαρή παρούσα αξία (NPV) σε βάθος 20 χρόνων 616,45 εκατ. €, με εσωτερικό συντελεστή απόδοσης (IRR) 11,09% και χρόνο αποπληρωμής 6,9 έτη, επιβεβαιώνοντας την οικονομική βιωσιμότητα της προτεινόμενης διεργασίας. Τέλος, η ανάλυση ευαισθησίας υπογραμμίζει την επίδραση του κόστους της ηλεκτρικής ενέργειας από το δίκτυο για τη διατήρηση της κερδοφορίας του έργου, ενώ παράλληλα αναδεικνύει το αέριο χλώριο ως κρίσιμο προϊόν για την οικονομική ισορροπία της μονάδας. Στην εργασία αυτή προτείνεται μια οικονομικά και περιβαλλοντικά βιώσιμη διεργασία αξιοποίησης της άλμης, συμβατή με τις αρχές κυκλικής διαχείρισης των αποβλήτων της βιομηχανικής αφαλάτωσης.	el
heal.abstract	The increasing demand for fresh water and the impacts of climate change make seawater desalination critical for meeting water needs in arid and island regions. However, this process generates significant amounts of brine, which, this process is accompanied by the production of significant quantities of brine, which causes severe environmental impacts when discharged uncontrolled, highlighting the urgent need for its management. The purpose of this thesis is the modeling and techno-economic analysis of an integrated brine management unit, with simultaneous CO2 capture and utilization. The methodology includes an extensive literature review of technologies, leading to the selection of membrane electrolysis for brine management and chemical absorption for CO2 capture and utilization. This is followed by process simulation in Aspen Plus, using the Vasilikos desalination plant in Cyprus as a case study, which processes 40,000 m3/d of produced brine. The proposed process incorporates feed pretreatment required for membrane protection and achieving saturated feed. Specifically, chemical precipitation of hardness ions (Ca2+ and Mg2+) and feed concentration via Multi-Stage Flash (MSF) distillation are performed, enabling product generation and water recovery. Subsequently, brine valorization is achieved through electrolysis, producing high-purity Cl2 and H2 gases (> 99,9%), as well as NaOH solution, which is used for CO2 capture in a chemical absorption process to produce Na2CO3. The proposed solution is fully circular, as all required raw materials are produced and recycled within the system. It presents a total energy requirement of approximately 180 MW. For further environmental sustainability, a hybrid renewable energy park with a capacity of 300 MW wind and 225 MW solar PV is integrated, covering 62,56% of the total energy demand and achieving net carbon zero emissions. The overall process captures 42,3 tn/hr of CO2 and produces 2,0 tn/hr Mg(OH)2, 2,1 tn/hr CaCO3, 979,0 tn/hr Η2Ο, 68,8 tn/hr Cl2, 2,0 tn/hr H2 and 96,9 tn/hr Na2CO3. The techno-economic analysis estimates the total capital expenditure (CAPEX) at €1,48 billion, the annual operating cost (OPEX) at €171,67 million and annual revenues at €412,35 million. Additionally, the evaluation of financial indicators shows a net present value (NPV) over a 20-year horizon of €629,43 million, an internal rate of return (IRR) of 11,17% and a payback period of 6,9 years, confirming the economic viability of the proposed process. Finally, sensitivity analysis underscores the impact of grid electricity costs on maintaining project profitability, while simultaneously highlighting chlorine gas as a critical product for maintaining economic balance of the unit. In this study, an economically and environmentally sustainable process for the utilization of brine is proposed, compatible with the principles of circular management of desalination industry waste.	en
heal.advisorName	Bouroushian, Mirtat	en
heal.committeeMemberName	Kollia, Konstantina	en
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Χημικών Επιστημών (I). Εργαστήριο Γενικής Χημείας	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	127 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false