Solar micro gas turbines driving innovative water treatment systems. Theoretical and experimental assessment

• Autores: R. González-Almenara
• Directores de la Tesis: David Tomás Sánchez Martínez (dir. tes.), María de Lourdes García Rodríguez (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2025
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 213
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Idus
• Resumen
  • español

    La investigación doctoral presentada en este documento ha sido llevada a cabo, principalmente, en el marco del proyecto SOLMIDEFF (Ref. RTI2018-102196-B-I00), financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación. A la vista de los resultados favorables de trabajos previos del Grupo de Investigación en el desarrollo de microturbinas de gas solares (Solar micro Gas Turbine - SmGT) para producción de energía eléctrica renovable, se propone el acomplamiento de una microturbina solar con un sistema innovador de desalación de agua, compuesto por dos elementos. Una unidad innovadora de desalación, basada en la tecnología de ósmosis inversa (Reverse Osmosis - RO), alimentada por la potencia eléctrica generada por la microturbina de gas solar. Esta unidad de ósmosis inversa produce, por un lado, agua dulce y, por otro, una salmuera de alta concentración en sales. El segundo elemento es una unidad de vertido líquido nulo (Zero Liquid Discharge - ZLD), alimentada por la energía térmica residual disponible en la corriente de gases de escape de la microturbina de gas (aire a aproximadamente 250-300oC), donde el calor sensible de dicha corriente permite concentrar un efluente acuoso hasta la evaporación completa del disolvente.

    En este trabajo se ha ampliado la capacidad y nivel de detalle de herramientas computacionales para el diseño y análisis de componentes y sistemas basados en micro turbomáquinas, desarrolladas previamente por la Universidad de Sevilla. En primer lugar, dada la variabilidad del recurso solar, se ha evaluado la posibilidad de emplear turbocompresores y turbinas de geometría variable para mejorar el comportamiento fuera de diseño de la unidad de producción de potencia. Además, se han caracterizado y evaluado los efectos de escala en el turbocompresor, ocasionados por el bajo número de Reynolds característico en turbomáquinas de muy pequeño tamaño. Finalmente, se ha evaluado el efecto de la transferencia de calor entre turbina y compresor dado que este fenómeno tiene múltiples efectos negativos sobre el rendimiento del conjunto: pérdidas energéticas y modificación de la relación de compresión nominal del motor.

    En cuanto al sistema de tratamiento de agua, se ha llevado a cabo un análisis experimental de ambos subsistemas. En el caso del la unidad de ósmosis inversa, se ha evaluado una membrana de ósmosis directa (Forward Osmosis - FO) operando en un proceso de ómosis inversa asistida osmóticamente (Osmotically Assisted Reverse Osmosis - OARO). Este análisis por lo tanto supondría la evaluación experimental una parte del sistema de desalación completo, con el objetivo de verificar si las ecuaciones de transporte comunmente empleadas en RO siguen siendo aplicables en procesos OARO. El análisis se ha realizado tanto en condiciones estacionarias como en operación transitoria, evaluando su comportamiento así como propiedades de la membrana tales como la permeabilidad al agua y a las sales. En cuanto al sistema ZLD, se ha realizado la prueba de concepto de burbujear gases de escape en el seno de salmuera, hasta obtener residuo seco. Para ello se ha descrito el proceso de fabricación del propio sistema y se han discutido los resultados de la prueba. Se ha demostrado la viabilidad del concepto y su posible aplicación a funcionamiento en regimen continuo.

    Por último, una vez evaluado en detalle cada uno de los subsistemas que componen el concepto propuesto en este trabajo, se ha realizado un análisis comparando el sistema basado en microturbina de gas solar y RO, frente a sistemas similares alimentados por otras tecnologías de energía renovable. Se ha tomado como referencia una instalación no conectada a red en la cual se trata agua procedente de la industria minera de cobre en el Desierto de Atacama (Chile).

  • English

    The doctoral research presented in this document has been carried out in the framework of the SOLMIDEFF project (Grant Agreement RTI2018-102196-B-I00), funded by the Ministry of Science and Innovation (Government of Spain). Based on the favourable results of previous works by the research group coordinated by the supervisors on the development of Solar micro Gas Turbines (SmGTs) for renewable electricity generation, the coupling of a solar micro gas turbine with an innovative water desalination system comprised of two components, is proposed. An advanced desalination unit based on Reverse Osmosis (RO) technology is driven by the electric power produced by the micro gas turbine. This RO unit produces fresh water and a brine with high concentration of salts, which is further treated in the second element of the bottoming system. A Zero Liquid Discharge (ZLD) unit driven by the waste heat available in the exhaust of the micro turbine (air at some 250-300°C) makes use of the sensible heat of this latter stream to concentrate the aqueous effluent of the RO unit until the complete evaporation of the solvent.

    In this work, the capacity and level of detail of computational tools for the design and analysis of components and systems based on micro-turbomachinery, previously developed at Univer-sity of Seville, have been enhanced. Firstly, given the variable availability of the solar resource, the feasibility of using variable geometry compressors and turbines to improve the off-design performance of the power generation unit has been assessed. In addition, scale effects on the compressor caused by the low Reynolds number, characteristic of very small turbomachinery, have been evaluated. Finally, the effect of heat transfer between the turbine and compressor was assessed, as this phenomenon has several negative effects on the performance of the system, including energy losses and changes in the nominal pressure ratio of the engine.

    Regarding the water treatment system, an experimental analysis of both subsystems was carried out. In the case of the RO unit, a Forward Osmosis (FO) membrane operating in an Osmotically Assisted Reverse Osmosis (OARO) process has been evaluated. This analysis con-stitutes the experimental assessment of a part of the complete desalination system, aiming to assess the transport equations commonly used in RO applied to OARO processes. The analysis was carried out under both steady-state and transient operating conditions, evaluating the system performance as well as membrane properties such as water and salt permeability. For the ZLD system, a proof-of-concept was carried out by bubbling exhaust gases through the brine from the RO unit until a dry residue was obtained. The manufacturing process of the system itself are described and the results of the test are discussed. The viability of the concept and its potential application for continuous operation has been demonstrated.

    Finally, after a thorough evaluation of each of the subsystems that constitute the concept proposed in this work, a comparative analysis has been developed between the SmGT-RO based system and similar systems powered by other renewable energy technologies. A reference was taken from a stand-alone installation that treats water from the copper mining industry in the Atacama Desert (Chile). The competitiveness of each technology was quantified in terms of the levelised cost of electricity (LCoE) and the levelised cost of water (LCoW), assuming certain economic conditions. This parametric analysis has revealed that the technology with the lowest LCoE is not necessarily the most competitive in terms of LCoW, as factors such as consistency of production throughout the year and installed capacity for the same annual energy production play an important role.