Concentrating solar power + desalination plants (CSP+D): models and performance analysis

Tese submetida à Universidade de Lisboa, Instituto Superior Técnico e aprovada em provas públicas para a obtenção do Grau de Doutor em Sistemas Sustentáveis de Energia.

Em 2013 a capacidade mundial para produção de água potável através de processos industriais de dessalinização era aproximadamente de 81 milhões de metros cúbicos por dia. Além disso, 9 dos 10 países com maior capacidade instalada para produzir água por dessalinização situam-se em regiões com altos níveis de irradiação solar. A combinação de centrais Solares Termoeléctricas de Concentração (CSP) e unidades de produção de água potável, poderá ser uma alternativa viável com vista a minimizar a poluição gerada com a cogeração de água e de electricidade. O trabalho apresentado descreve o desenvolvimento de modelos para a análise termodinâmica deste tipo de centrais em cogeração (em fase de pré-dimensionamento). Foi desenvolvido um novo modelo que descreve o processo de Destilação por Multi-Efeito (MED), tendo sido validado com dados de uma central comercial. Este modelo foi integrado num modelo existente capaz de simular a operação de centrais de CSP. A simulação de centrais de CSP em cogeração com centrais de Osmose Inversa (RO) também foi analisada. A região de Trapani, na Sicília foi utilizada como caso de estudo. Os resultados da utilização destas novas ferramentas apontam para um potencial bom desempenho térmico de centrais de dessalinização em cogeração com centrais de CSP.

In 2013 the global capacity for water desalination was approximately 81 million cubic meters per day and growing. Moreover, 9 of the top 10 countries in seawater desalination capacity reside in regions of very high solar insolation (most in the Mediterranean Sea or the Middle East). The combination of Concentrating Solar Power (CSP) and available commercial desalination technologies is one way to offset many of the negative impacts of running desalination plants. The work presented in this thesis shows the development of new models for the thermodynamic analysis of such systems in cogeneration, suitable for feasibility studies. In particular a new Multi-Effect-Distillation (MED) model was developed and validated against data from a commercial plant. This model was integrated into software capable of simulating the operation of CSP plants. The simulation of CSP plants in cogeneration with Reverse Osmosis (RO) units was also analyzed. The city of Trapani, Sicily was used as a case study. Detailed data from a commercial MED plant operating in this city, using a thermal vapor compressor (TVC) was used for data comparison and development of the models. The results of these new tools show that desalination units powered by CSP plants can potentially present good performances.