Μελέτη της παραγωγής ενέργειας από την οσμωτική πίεση με χρήση υπολογιστικής ρευστομηχανικής (CFD)

Abstract

Η ενέργεια που δημιουργείται απο τη μίξη γλυκού και αλμυρού νερού αποτελεί μια πηγή ανανεώσιμης ενέργειας η οποία μπορεί να αξιοποιηθεί μέσω της καθυστεριμένης ώσμωσης (pressure retarded osmosis - PRO). Στο PRO, νερό από ένα διάλυμα με χαμηλή συγκέντρωση αλατιού περνάει μέσα από μία μεμβράνη σε ένα συμπιεσμένα διάλυμα με υψηλή περιεκτικότητα σε αλάτι. Η ισχύς προκύπτει αποσυμπιέζοντας το νέο διάλυμα αλατόνερου, που έχει αυξημένη παροχή, με μία τουρμπίνα. Ο συνδυασμός του αξημένου ενδιαφέροντος στις εναλλακτικές πηγές ενέργειας και στη σύγχρονη εξέλιξη στην τεχνολογία των μεμβρανών έχει οδηγήσει σε ένα αυξημένο ενδιαφέρον για την τεχνολογία PRO την τελευταί δεκαετία. Αυτό το ενδιαφέρον οδήγησαι στο πρώτο πρότυπο εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας με τη χρήση του PRO, το οποίο λειτουργεί στη Νορβηγία από το 2009. Αν και πολλοί ερευνητές έχουν μελετήσει την παραγωγή ενέργειας μέσω του PRO υπάρχει ακόμα έλλειψη θεωριτικού και τεχνολογικού υποβάθρου που θα εξασφαλίσουν την επιτυχία του PRO. Η παρούσα εργασία παρουσιάζει ένα μοντέλο CFD (υπολογιστική ρευστομηχανική) για να μελετήσει τη διεργασία του PRO σε μιά δοκιμαστική γεωμετρία. Τα αποτελέσματα συγκ΄ρινονται με τα πειραματικά μιας δημοσιευμένης εργασίας και γίνονται προτάσεις για βελτίωση ώστε να επιτευχθεί μεγαλύτερη ακρίβεια. Ο ρόλος του πλέγματος και της μεθόδου επίλυσης έχουν μελετηθεί επίσης, Επιπλέον, έχει μελετηθεί η επιροή βασικών παραμέτρων (παροχή εισόδου, συγκέντρωση αλατιού, συντελεστής περατότητας του νερού για τη μεμβράνη) στο PRO και βάσει αυτόν έχουν εξαχθεί συμπεράσματα για τον ρόλο τους στο PRO. Τέλος, 2 καινούριες γεωμετρίες βασισμένες στην αρχική δοκιμάζονται για τις επιδόσεις τουσ στο PRO και εξάγονται συμπεράσματα για το πώς συγκεκριμένες αλλάγες στη γεωμετρία επηρεάζουν την απόδοση, και με βάση αυτά γίνονται προτάσεις για μελλοντική έρευνα.

The energy released from the mixing of freshwater with saltwater is a source of renewable energy that can be harvested using pressure retarded osmosis (PRO). In PRO, water from a low salinity solution permeates through a membrane into a pressurized, high salinity solution; power is obtained by depressurizing the permeate through a hydro turbine. The combination of increased interest in renewable and sustainable sources of power production and recent progress in membrane science has led to a high increase in PRO interest in the last decade. This interest led in the first prototype installation of PRO which opened in Norway in late 2009. Although many researchers have studied the power production through PRO there is still lack of theoretical and experimental investigations to ensure the success of PRO. The present work introduces a Computational Fluid Dynamics (CFD) model to study the PRO process in a test cell, examines its accuracy by comparing these results with those experimental and of an existing model, and makes suggestions for improvements in order to provide more precision. The role, also, of the grid and of the solution method have been addressed. Moreover, the effects of basic variables (inlet volumetric flow, salt concentration difference, water permeability of the membrane) in the PRO process have been investigated and conclusions were made about their role in PRO. Finally, by testing two new designs, conclusions have arisen about how certain modifications in the design affect the process and also suggestions for further investigation of the design have been made.