Thesis etd-04062018-161742 |
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Thesis type
Tesi di laurea magistrale
Author
ORCIUOLO, FRANCESCO
URN
etd-04062018-161742
Thesis title
Modellazione ed analisi di un sistema basato sulla Pressure Retarded Osmosis
Department
INGEGNERIA DELL'ENERGIA, DEI SISTEMI, DEL TERRITORIO E DELLE COSTRUZIONI
Course of study
INGEGNERIA ENERGETICA
Supervisors
relatore Prof. Desideri, Umberto
correlatore Ing. Ferrari, Lorenzo
correlatore Ing. Ferrari, Lorenzo
Keywords
- fonti di energia rinnovabili
- osmosi
- pressure retarded osmosis
Graduation session start date
24/04/2018
Availability
Full
Summary
Data la necessità della riduzione dei consumi di combustibili fossili nell’ambito energetico al fine di rallentarne l’esaurimento e ridurne l’impatto ambientale, un crescente interesse è rivolto alle fonti di energia rinnovabili o quasi rinnovabili.
Oltre alle fonti più diffuse (solare, eolico e biomassa) sono studiate altre forme di energia potenzialmente sfruttabili che permettano l’ampliamento del mix energetico derivante da fonte rinnovabile.
Ne è un esempio la tecnologia basata sulla “Pressure Retarded Osmosis” (PRO), ancora allo stato sperimentale, che ha lo scopo di ottenere energia dall’espansione in turbina di un flusso d’acqua in pressione permeato attraverso una membrana semi-permeabile sfruttando il potenziale osmotico esistente tra due liquidi a diversa concentrazione.
La letteratura esistente si concentra sullo studio di applicazioni della PRO che utilizzano coppie di soluzioni con una consistente differenza di concentrazione ed una bassa concentrazione media, legata all’utilizzo di soluzioni poco saline come acqua di fiume.
Queste coppie presentano però degli svantaggi dovuti ad esempio alla aleatorietà della portata (quando una delle due soluzioni è acqua di fiume) e alla scarsa potenziale diffusione (quando una delle due soluzioni è acqua iper-salina dei
laghi salati). Per tali motivi in questo lavoro di tesi è stato proposto lo sfruttamento dell’acqua di mare come soluzione a bassa concentrazione in coppia con una portata costante di una soluzione a più alta concentrazione (salamoia) derivante da un processo industriale.
Dato che i modelli in letteratura si sono rivelati eccessivamente semplificati per permetterne l’utilizzo quando entrambe le soluzioni presentano alta concentrazione, l’obbiettivo del presente lavoro è ottenere un modello più versatile che non sia influenzato dalle caratteristiche degli ingressi al PRO.
Lo sviluppo di tale modello permette di valutare le prestazioni della tecnologia PRO per la produzione di potenza con flussi ad alta concentrazione salina anche integrata ad un processo industriale energivoro per ridurne i consumi.
Il processo industriale che meglio si presta è un processo di dissalazione ad osmosi inversa.
La scelta dell’integrazione con osmosi inversa è dettata da motivi pratici di affinità di processo riguardanti i fluidi utilizzati, i pre-trattamenti e post-trattamenti necessari e la possibilità di integrazione senza onerose aggiunte al sistema.
L’integrazione di un sistema basato sulla PRO ad un processo RO permette potenzialmente di ottenere un duplice vantaggio: riduzione del consumo specifico di energia (SEC) dell’RO e post-trattamenti meno intensivi, perché effettuati su una salamoia a concentrazione inferiore.
La possibilità di ridurre i consumi specifici è valutata secondo due layout impiantistici integrati che si differenziano in base alla localizzazione del recupero energetico e ai flussi che ne prendono parte.
Questi consumi sono messi a confronto con quelli derivanti da un dissalatore ad osmosi inversa non integrato.
Utilizzando una soluzione a bassa concentrazione (5 g/L), e una membrana sperimentale più performante, sono infine presentate le possibili prestazioni ottenibili allo stato attuale e in prospettiva nell’ambito dei sistemi integrati RO+PRO.
Oltre alle fonti più diffuse (solare, eolico e biomassa) sono studiate altre forme di energia potenzialmente sfruttabili che permettano l’ampliamento del mix energetico derivante da fonte rinnovabile.
Ne è un esempio la tecnologia basata sulla “Pressure Retarded Osmosis” (PRO), ancora allo stato sperimentale, che ha lo scopo di ottenere energia dall’espansione in turbina di un flusso d’acqua in pressione permeato attraverso una membrana semi-permeabile sfruttando il potenziale osmotico esistente tra due liquidi a diversa concentrazione.
La letteratura esistente si concentra sullo studio di applicazioni della PRO che utilizzano coppie di soluzioni con una consistente differenza di concentrazione ed una bassa concentrazione media, legata all’utilizzo di soluzioni poco saline come acqua di fiume.
Queste coppie presentano però degli svantaggi dovuti ad esempio alla aleatorietà della portata (quando una delle due soluzioni è acqua di fiume) e alla scarsa potenziale diffusione (quando una delle due soluzioni è acqua iper-salina dei
laghi salati). Per tali motivi in questo lavoro di tesi è stato proposto lo sfruttamento dell’acqua di mare come soluzione a bassa concentrazione in coppia con una portata costante di una soluzione a più alta concentrazione (salamoia) derivante da un processo industriale.
Dato che i modelli in letteratura si sono rivelati eccessivamente semplificati per permetterne l’utilizzo quando entrambe le soluzioni presentano alta concentrazione, l’obbiettivo del presente lavoro è ottenere un modello più versatile che non sia influenzato dalle caratteristiche degli ingressi al PRO.
Lo sviluppo di tale modello permette di valutare le prestazioni della tecnologia PRO per la produzione di potenza con flussi ad alta concentrazione salina anche integrata ad un processo industriale energivoro per ridurne i consumi.
Il processo industriale che meglio si presta è un processo di dissalazione ad osmosi inversa.
La scelta dell’integrazione con osmosi inversa è dettata da motivi pratici di affinità di processo riguardanti i fluidi utilizzati, i pre-trattamenti e post-trattamenti necessari e la possibilità di integrazione senza onerose aggiunte al sistema.
L’integrazione di un sistema basato sulla PRO ad un processo RO permette potenzialmente di ottenere un duplice vantaggio: riduzione del consumo specifico di energia (SEC) dell’RO e post-trattamenti meno intensivi, perché effettuati su una salamoia a concentrazione inferiore.
La possibilità di ridurre i consumi specifici è valutata secondo due layout impiantistici integrati che si differenziano in base alla localizzazione del recupero energetico e ai flussi che ne prendono parte.
Questi consumi sono messi a confronto con quelli derivanti da un dissalatore ad osmosi inversa non integrato.
Utilizzando una soluzione a bassa concentrazione (5 g/L), e una membrana sperimentale più performante, sono infine presentate le possibili prestazioni ottenibili allo stato attuale e in prospettiva nell’ambito dei sistemi integrati RO+PRO.
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