RENEWABLE ENERGY-POWERED HYBRID NF/FO/RO MEMBRANE SYSTEM FOR BRACKISH WATER DESALINATION. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF Thesis_Draft_Final_V2.pdf Download (2MB) | Preview

Arabic Abstract

عملية تحلية المياه هي طريقة مهمة وفعالة لمقابلة الطلب المتزايد على المياه النقية وكحل لتناقص موارد المياه العذبة. أكبر جانب سلبي للتقنيات المستخدمة في تحلية المياه هو الاستهلاك العالي للطاقة الذي يؤدي بدوره لارتفاع تكلفة الماء المنتج. يمكن تصنيف التقنيات المستخدمة في تحلية المياه الى تقنيات حرارية وتقنيات تستخدم الأغشية. تحلية المياه باستخدام الأغشية هي احدى طرق تحلية المياه التي لها نصيب كبير من السعة الكلية لمحطات المياه التي تم انشائها على مستوى العالم. تمتاز هذه التقنية بانخفاض نسبي في استهلاك الطاقة. الهدف الرئيس لهذا البحث هو دراسة نظام تحلية مياه غشائي هجين (NF/FO/RO) يعمل بالطاقات المتجددة (طاقة الشمس وطاقة الرياح) بالتركيز على الأداء والجدوى الاقتصادية لكذا نظام بأخذ الظروف الجوية وتوفر الطاقات المتجددة في المملكة العربية السعودية في الحسبان. تم أولا في هذا البحث عمل نموذج رياضي للنظام الغشائي الهجين باستخدام برنامج حل المعادلات الهندسية (EES). تم التحقق من صحة معاملات الأداء بمقارنة نتائج النموذج الرياضي بأخرى منشورة في عمل سابق. كان أهم معاملات الأداء التي تم التحقق منها كان استهلاك نظام الغشاء النسبي للطاقة. من نتائج النموذج الرياضي ان كان الاستهلاك النسبي للطاقة 2.3، 2.48، و2.76 (kWh/m3) لثلاثة مواقع مقترحة ذات ملوحة 3000، 6000 و10000 (mg/l) على التوالي. بعد ذلك تم استخدام الاستهلاك النسبي للطاقة للنظام الغشائي الهجين في تحديد الطاقة المطلوبة لإنتاج كمية معلومة من الماء في المواقع الثلاثة المقترحة في المملكة العربية السعودية. تم عمل نماذج لأنظمة طاقة بديلة هجين باستخدام برنامج (HOMER) لدراسة أنظمة الطاقة وتمت محاكاة أداء كل منها وتحديد أيها ذو أعلى جدوى من بين كل التراكيب الممكنة. بعد أن تم الحصول على كل التراكيب المجدية اقتصاديا تم اختيار أفضلها اعتمادا على أيها اقل استهلاكا للطاقة. للموقع المقترح في وادي الدواسر كانت أفضل تركيبة هي ديزل/رياح والتي انتجت كهرباء بكلفة 0.086 ($/kWh) بينما في الموقعين المقترحين في كل من القصيم وتبوك كانت تكلفة انتاج الكهرباء 0.091 و0.087 ($/kWh) على التوالي. أيضا تمت مقارنة هذه التركيبات بأفضل تركيبة تحتوي على ديزل/رياح/طاقة شمسية في كل المواقع المقترحة. تم عرض متوسط انتاج الكهرباء الشهري لكل من التركيبات المقترحة كما تم عرض نسبة مشاركة الطاقات المتجددة في الطاقة الكهربائية الكلية المنتجة التي كانت 57، 4 و7% على التوالي. أيضا تمت مقارنة نسبة الانخفاض في انبعاثات الغازات من التركيبات المثلى مع تلك الناتجة من نظام طاقة يستخدم الديزل فقط وكانت 45، 7 و9% للمواقع المقترحة في وادي الدواسر، القصيم وتبوك على التوالي. أخيرا، تم عرض مخطط التدفق النقدي لمكونات كل من التركيبات المثلى. تم أيضا حساب تكلفة إنتاج الماء للأنظمة المحددة في وادي الدواسر، القصيم وتبوك ووجد أنها 0.61، 0.56 و0.55 ($/m3) على التوالي. تم أخيرا اختيار حالتين وتم عمل أمثلة لهما لإيجاد ظروف التشغيل التي ينتج عنها أقل استهلاك نسبي للطاقة. الحالة الأولى كانت لنظام NF لوحده والثانية لكامل النظام الغشائي الهجين.

English Abstract

Water desalination is an important and effective way to meet the increasing demand for freshwater and as a solution to supplement freshwater resources. The major drawback of the current desalination technologies is their high-energy consumption. The desalination processes can be broadly classified into thermal and membrane technologies. Membrane desalination is one of the desalination technologies that has a high share of the installed capacity of desalination plants worldwide. This technology has always been associated with relatively low energy requirement. The main objective of the current research work is to evaluate the performance and economic feasibility of an NF/FO/RO hybrid system powered by solar PV and wind energies under the weather conditions of Saudi Arabia. This work started with modeling the performance of the NF/FO/RO system using EES. The performance parameters were validated against published work in the literature. The most important parameter in the modeling process was the specific power consumption of the membrane system. The specific power consumption was 2.3, 2.48, and 2.76 kWh/m3 corresponding to water salinities of 3000, 6000, and 10000 mg/l respectively. The specific power consumption of the membrane system was then used to determine the power required to produce certain amounts of water in three locations in Saudi Arabia. Proposed renewable energy systems were simulated in HOMER software to assess their performance and determine all the feasible system combinations. The best combination of all the feasible combinations was determined based on the cost of energy resulting from that combination. For the location in Wadi Dawasir the best configuration is Diesel/Wind producing electricity at a rate of 0.086 $/kWh, while in Qassim and Tabuk Diesel/PV is the best option resulting in electricity cost of 0.091 and 0.087, respectively. These best combinations were also compared with the best combination in the category that includes all power sources (Diesel/Wind/PV) at all three locations. The monthly average electricity production of each location is presented along with the fraction of renewable energy used in each system at Wadi Dawasir, Qassim, and Tabuk, which are 57, 4, and 7%, respectively. The resultant drop in gas emissions at Wadi Dawasir, Qassim, and Tabuk for the combined systems compared to the case when only diesel is used is 45, 7, and 9%, respectively. The cash flow summary for the components of each combination was obtained and is presented. The product water cost was also estimated for the systems in Wadi Dawasir, Qassim, and Tabuk, which was found to be 0.61, 0.56, and 0.55 $/m3, respectively. An optimization was conducted for the NF system alone and for the overall hybrid membrane system. The best operating conditions (at the lowest specific energy consumption) were determined.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Al-Sulaiman, Fahad
Committee Members:	Mokheimer, Esmail and Antar, Mohamed
Depositing User:	MOHAMMED MUSA (g201402520)
Date Deposited:	01 Oct 2018 08:10
Last Modified:	31 Dec 2020 08:20
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140821