Vesipula on yksi globaalin ympäristön suurimmista ja kasvavista haasteista, jota kiihdyttävät väestönkasvu, kaupungistuminen ja ilmastonmuutos. Makean veden resurssit ovat yhä rajallisemmat, mikä tekee kestävien ratkaisujen löytämisestä elintärkeää juomaveden turvaamiseksi. Suolanpoisto, prosessi, jossa merivedestä tai suolapitoisesta vedestä poistetaan suolat ja muut epäpuhtaudet, on noussut käyttökelpoiseksi ratkaisuksi vesipulaan. Erilaiset suolanpoistomenetelmät, kuten termiset ja kalvopohjaiset prosessit, ovat suosittuja niiden luotettavuuden ja tehokkuuden vuoksi. Kuitenkin näiden prosessien optimointi tehokkuuden ja kestävyyden osalta vaatii edistyneitä mallinnus- ja simulaatiotyökaluja.

Aurinkoenergiaan perustuva kalvotiivistys (SMD, Solar Membrane Distillation) on yhä enemmän nähty mahdollisena vedenhankintaratkaisuna hajautetuilla alueilla. Tasalevymäiset aurinkokeräimet (FPC) ovat usein tutkittuja kalvotiivistysprosessin lämpöenergian lähteiksi niiden kyvyn vuoksi imeä matalan lämpötilan lämpöenergiaa. Muita menetelmiä, kuten aurinkosäteilyaltaat ja aurinkokäyttöiset suolanpoistojärjestelmät, on myös sovellettu moniin MD-järjestelmiin. Yhdistämällä perinteiset suolanpoistojärjestelmät aurinkokeräimiin on mahdollista luoda aurinkoenergiapohjaisia suolanpoistojärjestelmiä, jotka soveltuvat erityisiin käyttöskala- ja lämpötila tarpeisiin. Esimerkiksi yhdessä tutkimuksessa ehdotettiin integroitua aurinkoenergiapohjaista MD-järjestelmää, jossa käytettiin tyhjiölasiputkia tehokkaaseen energian siirtoon yhdessä putkimaisen MD-moduulin kanssa. Tämä järjestelmä saavutti maksimaalisen lämpötehokkuuden 78%, ja energiatehokkuus vaihteli 4–5%:n välillä kesäkuukausien huippuhetkinä, mikä osoittaa sen kyvyn tuottaa tarvittavaa lämpöenergiaa MD-prosesseille ja sen potentiaalin kestävän veden tuotannon kannalta.

Lisätutkimukset ovat keskittyneet aurinkoenergiapohjaisiin yhdistettyihin kalvotiivistysjärjestelmiin kotitalouskäyttöön. Yksi tällainen järjestelmä tuotti 250 litraa kuumaa vettä päivittäin ja 20 litraa tislettä päivittäin. On havaittu, että aurinkokäyttöisten lämpimän veden järjestelmien (SDHW) yhdistäminen SMD-järjestelmiin paransi keräimien tehokkuutta ja lisäsi aurinkosähkön osuutta koko vuoden ajan, vaikka tislettituotannon keskimääräinen kasvu oli pieni. Lisäksi tutkimuksissa, joissa optimoitiin veden tuotannon kustannuksia kaupallisilla matalalämpöisillä aurinkokeräimillä eri kokoonpanoissa ja paikoissa, havaittiin, että aurinkoenergian toimituskustannukset riippuvat vahvasti suolanpoistojärjestelmien erityisistä energiatarpeista. Kalvojen ja keräinten komponenttien kustannusten optimointi voi tehdä aurinkoenergiapohjaisista MD-järjestelmistä taloudellisesti toteutettavampia, ja lämpöhäviöiden vähentäminen sekä asennusten huolellinen suunnittelu ottaen huomioon sijainti ja raakaveden olosuhteet ovat keskeisiä tekijöitä järjestelmän suorituskyvyn parantamisessa.

Käytännön sovellukset ovat myös osoittaneet pienimuotoisten järjestelmien elinkelpoisuuden, kuten sellaiset, jotka yhdistävät kierteiset, suoraan koskettavat kalvotiivistysmoduulit tasalevymäisiin aurinkokeräimiin. Tällaiset järjestelmät ovat kyenneet tuottamaan yli 140 kg tislettä päivässä todellisissa sääolosuhteissa, ja lämpötehokkuus vaihtelee 0-0,5 välillä vuorokaudenajasta riippuen. Toinen tutkimus kehitti ja testasi aurinkolämpöjärjestelmän Yhdistyneissä Arabiemiirikunnissa, joka tarjosi sekä kylmää juomavettä että kuumaa kotitalousvettä. Käyttämällä FPC:itä järjestelmä simuloitiin Transient System Simulation Tool (TRNSYS) -ohjelmalla, ja taloudelliset analyysit paljastivat, että takaisinmaksuaika oli vain 6,75 vuotta. Järjestelmä tarjosi myös merkittäviä taloudellisia ja ympäristöetuja, mukaan lukien 109 tonnin CO2-päästöjen väheneminen vuosittain.

Lisäksi tutkimuksia on käytetty TRNSYS-ohjelmistolla mallintamaan suuria kalvotiivistysmoduuleja puhtaan veden ja kuuman veden yhteistuotantoon kaupunkitalouksissa. Testattu SCMD-järjestelmä pystyi tuottamaan samanaikaisesti 20 litraa päivässä puhdasta vettä ja 250 litraa päivässä kuumaa vettä ilman apulämmitystä, ja tislettituotannon väheneminen oli vain 6%, samalla kun kotitalouslämpimän veden tuotanto tuplaantui. FPC:iden ja kierteisten MD-moduulien kokeet ovat edelleen osoittaneet, että syöttövirran nopeus vaikuttaa merkittävästi moduulin suorituskykyyn lämpötilan ja virtaustekniikoiden muutosten vuoksi.

Simulaatiot aurinkolämpöä hyödyntävästä suolanpoistojärjestelmästä Freiburgissa, Saksassa, FPC:iden ja kierteisten MD-moduulien kanssa osoittivat, että kompakti järjestelmä, jossa on alle 6 m² keräinalaa eikä lämpövarastointia, voi tislata 120–160 litraa vettä kesäpäivänä. Tämä korostaa yksinkertaisuuden, pitkän huoltovapaan toiminnan ja korkealaatuisen juomaveden tuottamisen tärkeyttä onnistuneen toteutuksen kannalta.

Tässä luvussa keskitytään mallintamaan termisiä suolanpoistojärjestelmiä TRNSYS-ohjelmiston avulla, erityisesti ilmakuiluista kalvotiivistystä (AGMD) ja tasalevymäisiä aurinkokeräimiä erilaisissa ilmastollisissa olosuhteissa. Tutkimus tarkastelee erilaisten lämmönsiirtovälineiden (vesi, etyleeniglykoli ja vesiliuos-etyleeniglykoliseos) vaikutuksia lämpötehokkuuteen ja tisleveden tuotantoon. Eri ilmastojen, erityisesti kuumien (Adrar), lämpimien (Port Said) ja kylmien (Whitehorse) alueiden vaikutuksia järjestelmän suorituskykyyn ja tisleveden tuotantoon tarkastellaan. Tutkimuksessa pyritään myös arvioimaan, kuinka lämmönsiirtovälineen tehokkuus ja nesteen lämmityskapasiteetti vaikuttavat tuotantoon ja järjestelmän kokonaissuorituskykyyn.

Kuinka ydinvoima voi parantaa meriveden suolanpoistoa ja veden tuotannon tehokkuutta?

Ydinvoiman ja hybridisten suolanpoistolaitosten yhdistäminen meriveden suolanpoistoon tarjoaa uudenlaisen ratkaisun rannikkokaupunkien veden ja sähkön tuotantoon. Tällainen yhdistelmä yhdistää osittain erilaisten suolanpoistotekniikoiden, kuten käänteisosmoosin (RO) ja monivaiheisen haihdutusmenetelmän (MED), hyödyt. Tavoitteena on saavuttaa tehokas, taloudellinen ja ympäristöystävällinen veden puhdistusprosessi, joka tuottaa erilaisia vesilaatuja teollisuuskäyttöön ja kotitalouksille. Tämän tyyppinen kokoonpano on erityisen hyödyllinen alueilla, joilla on rajalliset vesivarat, kuten Patagonian rannikkokaupungeissa.

Laitteiston rakenne on monivaiheinen ja sisältää useita keskenään kytkettyjä komponentteja, kuten keskipakopumput, paineastiat ja suodattimet. Tämä monivaiheinen rakenne mahdollistaa sekä sarja- että rinnakkaiskytkennät RO-membraanien kanssa. RO-järjestelmässä käytetään kahta erilaista membraania, TORAY TMG10 ja TORAY TM810L, jotka tarjoavat mahdollisuuden testata erilaisia vedenlaatua ja suolanpoistoprosessien tehokkuuksia. Järjestelmään on asennettu mittauslaitteet paineen, virtauksen ja sähkönjohtavuuden seurantaa varten, niin permeaattilinjalla kuin konsentraattipuolellakin.

Laitteiston energiansyöttö on optimoitu lämmitysjärjestelmän (ICR) avulla, joka käyttää ydinvoimalan hukkalämpöä veden esilämmittämiseen. Tämä lämmin vesi kierrätetään ultra-suodattimen (UF) ja RO-prosessin läpi, mikä vaikuttaa suolanpoiston tehokkuuteen ja energian kulutukseen. Korkeampi lämpötila voi parantaa prosessien nopeutta ja vähentää energiankulutusta. Tämän kokeellisen kokoonpanon tarkoituksena on tutkia lämpötilan vaikutuksia prosessin muuttujiin ja veden laatuihin.

Hybridilaitoksen tärkeimpiä etuja on energiatehokkuus ja ympäristövaikutusten minimointi. Yhdistelmä, jossa hyödynnetään sekä termisiä että kalvojen suolanpoistotekniikoita, vähentää merkittävästi veden tuotannon sähköntarvetta verrattuna perinteisiin yksittäisiin suolanpoistomenetelmiin. Ydinvoiman hukkalämmön hyödyntäminen vähentää polttoaineen ja muiden resurssien käyttöä, mikä johtaa alhaisempaan hiilijalanjälkeen ja pienempiin käyttö- ja huoltokustannuksiin.

Veden tuotannon kustannusrakenne hybridijärjestelmässä on monivaiheinen. Suurin osa kustannuksista liittyy sähköön (38 %), vuosittaiseen investointimaksuun (30 %), kemiallisiin esikäsittelyihin (11 %), henkilöstökuluihin (12 %), huoltoon (4 %) ja muihin kuluihin (5 %). Tämä kustannusrakenne osoittaa, että yhdistetty MED+RO-järjestelmä on kilpailukykyinen verrattuna perinteisiin suolanpoistomenetelmiin, erityisesti alueilla, joilla on rajalliset vesivarat ja suuria energiakustannuksia.

Yhteensopivuus ydinvoiman kanssa tarjoaa myös mahdollisuuden tuottaa sekä raikasta vettä että sähköä pienille rannikkokaupungeille, joissa ei ole muuta mahdollisuutta tyydyttää kasvavaa veden ja energian kysyntää. Tällaisella hybridiratkaisulla voidaan saavuttaa sekä tekninen että taloudellinen toteutettavuus.

Veden tuottaminen yhdistetystä MED+RO-järjestelmästä, jossa hyödynnetään ydinvoimaa, tarjoaa myös merkittäviä etuja verrattuna perinteisiin desalinointitekniikoihin. Ydinvoiman yhdistäminen suolanpoistoon mahdollistaa vesihuollon ja energiantuotannon yhdistämisen, joka on kestävämpää ja vähemmän ympäristölle haitallista. Lisäksi tämäntyyppinen järjestelmä on taloudellisesti järkevä erityisesti alueilla, joilla veden ja energian saatavuus on rajoitettua, mutta joissa on mahdollisuus hyödyntää ydinvoiman tarjoamaa vakautta ja energiaa.

Miten sähköauton latausjärjestelmien hallinta toimii ja miksi se on tärkeää?
Miten muistot jäävät elämään – ikuistetut hetket ajassa
Kuinka Markov-prosessit konvergoivat ja saavuttavat pysyviä jakaumia?