Vědci pod vedením Massachusettského technologického institutu (MIT) navrhli nový a levný odsolovací systém napájený fotovoltaickou elektrárnou založený na technologii obrácení elektrodialýzy v čase (EDR). Navrhovaný systém údajně dosahuje nižších vyrovnaných nákladů na vodu než konvenční solární technologie odsolování.
Globální skupina vědců vedená Massachusettským technologickým institutem (MIT) vyvinula nový levný solárně poháněný systém odsolování brakické vody. Ten může údajně snížit vyrovnané náklady na vodu (LCOW) ve srovnání s konvenčními odsolovacími systémy poháněnými fotovoltaickými články.
Navrhovaný systém odsolování využívá technologii zpětného chodu elektrodialýzy (EDR), kterou výzkumníci vyvinuli jako flexibilní variantu tradičního odsolování EDR. „Náš výzkum si klade za cíl řešit nedostatek vody na indickém venkově, kde je většina podzemní vody příliš slaná, než aby se dala pít. Přístup k elektrické síti a stabilita nejsou dobré, trpí častými výpadky proudu,“ uvedl odpovídající autor Wei He.
„Modul EDR se skládá ze sady iontoměničových membrán. A využívá tak elektrické pole k přesunu iontů ze zředěných průtokových kanálů do kanálů solanky mezi každou membránou,“ uvedla výzkumná skupina. ,,Toto elektrické pole může být přerušovaně obráceno, aby se zabránilo usazování vodního kamene na membráně.“
Vzhledem k přerušované povaze sluneční energie však klasické EDR není ideální. Ke svému provozu vyžaduje stálou energii, a proto FV-EDR elektrárny potřebují podporu baterií nebo předimenzovaných solárních systémů. Zejména tak na začátku a na konci dne, kdy je solární energie nízká.
Flexibilní levný odsolvací systém dosahující nižších vyrovnaných nákladů na vodu
„Abychom tyto problémy překonali, vyvinuli jsme flexibilní dávkovou technologii EDR. Ta zahrnuje časově závislé nastavení napětí a průtoku,“ vysvětlili akademici. ,,Metoda řízení založená na modelu umožňuje systému EDR sladit spotřebu energie s dostupnou solární energií v každém časovém kroku. A zároveň optimalizovat výrobu vody za různých solárních podmínek.“
Pro řízení provozu vytvořil tým dopředný hlavní řídicí systém založený na modelu běžící v Pythonu, aby vypočítal optimální průtok čerpadla a napětí zásobníku EDR na základě údajů ze snímačů v reálném čase. Ve výzkumném zařízení se postavil prototyp. Ten přesně odrážel typické konstrukční parametry a provozní podmínky pro komunitní systém PV-EDR dimenzovaný na produkci 6 m3 sladké vody denně. Poháněl jej solární panel o ploše 37 m2 a náklonu 30 stupňů.
Tento pilotní systém se testoval pro jednodenní a šestidenní analýzu a porovnán s tradičním systémem EDR s konstantním provozem. Oba systémy se napájely vodou s průměrnou výchozí salinitou 970 mg l−1. Systém se nastavil na konzervativně nízký poměr regenerace vody 60 %.
„Flexibilní systém má schopnost přímo využít v průměru 77 % dostupné sluneční energie ve srovnání s pouze asi 40 % v konvenčním systému (nárůst o 91 %),“ zdůraznili vědci. ,,To naznačuje, že konvenční systém by vyžadoval mnohem větší plochu solárních panelů, aby fungoval přímo (to znamená bez jakéhokoli skladování energie). Což zvyšuje kapitálové náklady.“
Kromě toho analýza ukázala, že průměrná minimální kapacita baterie požadovaná pro levný flexibilní systém činila 0,27 kWh. Což je 92 % snížení ve srovnání s 3,3 kWh v konstantním systému. „Výsledky nakonec ukazují, že flexibilní systém může dosáhnout objemu výroby až o 54 % rychleji než konvenční systém,“ dodali.
Případová studie analýzy nákladů
Na základě experimentálních výsledků vědci provedli případovou studii analýzy nákladů pro použití takového systému v Chelluru, venkovské vesnici v Indii nedaleko Hajdarábádu. Pomocí počítačové simulace a optimalizace se porovnával s konvenčním systémem PV-EDR, nejmodernějším konstantním PV-EDR a komerčním systémem odsolování reverzní osmózy (RO) na mřížce. ,,RO používá tlak k protlačení vody přes polymerní membránu. Zatímco její konstitutivní ionty se blokují membránou,“ uvedla skupina.
„Optimalizované vyrovnané náklady na vodu (LCOW) dosažené navrhovaným flexibilním systémem PV-EDR činí 40 Kč/m−3. Což zvyšuje náklady o 22 % ve srovnání se současným nejmodernějším systémem PV-EDR a 46 % ve srovnání s konvenčním systémem PV-EDR,“ zjistili vědci. ,,LCOW pro on-grid RO je 41 Kč/m-3, 3 % nad LCOW flexibilního PV-EDR.“
Jejich zjištění se prezentovala v „Flexibilní dávkové elektrodialýze pro nízkonákladové solární odsolování brakické vody“, publikované v Nature Water. Tým zahrnoval výzkumníky z King’s College London ve Velké Británii. A také výzkumníky z Helmholtz Institute Erlangen-Nürnberg for Renewable Energy (HI ERN) v Německu.
„Dalším krokem je prozkoumání dlouhodobé výkonnosti a rozšíření aplikačního rozsahu naší technologie PV-EDR nad rámec odsolování brakické vody. Což představuje významnou příležitost k řešení širší řady globálních problémů souvisejících s nakládáním s vodou a kapalným odpadem,“ uzavřel He.
Zdroj: pv-magazine, Vapol