Novel configuration of a hybrid sustainable water desalination system (RO­ HDH) power by solar energy. Modeling and exergy analysis

Abstract

La falta de acceso al agua potable es un problema en muchas regiones del planeta. Existe una creciente crisis en todo el mundo debido al rápido agotamiento de las fuentes de agua dulce, incluidos los ríos y las aguas subterráneas. A medida que crezca la población mundial, mejore el nivel de vida de las personas y se expanda la población industrial y agrícola, también lo hará la demanda de agua dulce. En este trabajo se utilizaron la Primera y la Segunda Ley de la Termodinámica para examinar y evaluar dos sistemas de desalinización de agua. El primero fue un sistema de humidificación-deshumidificación (HDH) basado en la desalinización térmica y el segundo un sistema de ósmosis inversa (OI) basado en la separación. Para el proceso HDH, se realizó la investigación experimental de un nuevo método de humidificación, empleando un atomizador ultrasónico. Se evaluaron el rendimiento y las limitaciones del nuevo método con respecto al método de humidificación convencional (atomización por pulverización). La configuración de la unidad HDH se basó en el principio de funcionamiento de la bomba de calor, utilizando aire atmosférico, suministro de agua y calentamiento de aire. Además, se desarrolló y validó un modelo teórico para simular los componentes de la HDH, como el condensador de la bomba de calor, el evaporador, el humidificador y el deshumidificador. Por otro lado, se evaluaron diferentes sistemas de ósmosis inversa equipados con dispositivos de recuperación de energía (ERD) (turbocompresor e intercambiador de presión). Los sistemas de ósmosis inversa se examinaron en diversas circunstancias de funcionamiento, como presiones, salinidades y caudales del agua de alimentación. También se utilizó un modelo exergético preciso para evaluar los componentes del sistema, empleando una definición adecuada de eficiencia exergética en cada sistema. Además, se presentó y evaluó el sistema híbrido de desalinización RO-HDH desde una perspectiva energética y exergética. Se introdujo un sistema solar fotovoltaico (FV) como fuente de energía eléctrica para el sistema RO-HDH, teniendo en cuenta las condiciones ambientales y de funcionamiento. Se realizaron dos enfoques para el sistema solar fotovoltaico; en uno se empleó almacenamiento en baterías mientras que en el otro no. Para evaluar el rendimiento de los sistemas se tuvieron en cuenta diversos parámetros, como el caudal de agua de mar de alimentación, la presión, la salinidad, el caudal de aire y la irradación solar. Los resultados mostraron que el atomizador ultrasónico mejoró la humidificación en un 25 % con respecto al atomizador de pulverización. Los atomizadores híbridos de pulverización y ultrasónico incrementaron la eficacia del humidificador hasta el 98 %. El análisis de costes para la unidad HDH con atomización por pulverización, ultrasónica e híbrida, indicó que el coste por kilogramo de agua dulce fue de 0,04, 0,027 y 0,025 dólares, respectivamente. El consumo específico de energía del sistema sin ERD mejoró en un 53 % y un 39,3 % utilizando un intercambiador de presión (PX) y un turbocompresor, respectivamente. El análisis exergético indicó que el uso de ERD en el sistema de ósmosis inversa reduce la destrucción de exergía. En el caso del sistema HDH, el uso de la bomba de calor tiene un papel significativo en el análisis exergético. La eficiencia exérgica del sistema híbrido de desalinización integrado con energía solar fotovoltaica varió del 14,13 % al 23,25 % durante el año 2022. El análisis de costes del sistema híbrido de desalación RO-HDH-PX-PV, realizado consideró dos enfoques: el primero con un sistema de almacenamiento en baterías, y sin almacenamiento en el segundo. Con el sistema de almacenamiento con baterías, el coste por metro cúbico varió de 3,3 a 5,1 dólares. Por el contrario, sin el sistema de baterías, el coste por metro cúbico osciló entre 3,96 y 7,12 dólares.