Popolnoma nov koncept izkoriščanja odpadne toplote in sončne energije
Rony Michaud/Pixabay
Datum objave:
Raziskovalci Fakultete za strojništvo UL pod vodstvom doc. dr. Primoža Poredoša so v sodelovanju z raziskovalci inovacijske ekipe ITEWA Univerze v Šanghaju razvili nov koncept koriščenja ultra-nizkotemperaturne (odpadne) toplote s hkratnim vnosom sončne energije in nizkotemperaturne toplote v sistem. Kot prvi na svetu so predstavili popolnoma nov koncept pridobivanja destilirane vode iz slane, neprečiščene vode s toplotno gnano membransko destilacijo (MD).
Večstopenjske solarno gnane membransko destilacijske enote (Slika 1A) temeljijo na izhlapevanju slane vode ter prenosu molekul vodne pare skozi membrano, ki je nameščena med napajalno (slano, neprečiščeno) vodo in destilirano vodo. V nasprotju s tradicionalnimi MD enotami (slika 1A), kjer se toplota dovaja v prvo stopnjo, so avtorji raziskovali učinke hkratnega segrevanja tako prve kot nižjih stopenj večstopenjske naprave MD (Slika 1B). Paradoksalno so avtorji z ultra-nizkotemperaturno toploto segrevali, namesto hladili kondenzatorje v nižjih stopnjah (Slika 1B), kar je omogočilo skorajšnjo podvojitev destilata vode na posamezno stopnjo naprave glede na obstoječo literaturo. Prelomna raziskava je objavljena v prestižni multidisciplinarni reviji Nature Communications (IF = 14.7) založnika Springer Nature.
Avtorji so najprej predstavili vlogo osnovnih fizikalnih načel pri povečevanju pretoka destilata znotraj zračne vrzeli naprave MD (slika 1C) ter na podlagi začetnih študij kasneje izgradili tri naprave z vgrajenimi grelniki za uporabo zelo nizkotemperaturne toplote (slika 1D, konfiguracije K1, K2 in K3). Eksperimentalni podatki so pokazali prelomno vrednost pretoka destilata nad 9,0 L m-2 h-1 in učinkovitost pretvorbe vstopne energije v destilat 407 % v primeru segrevanja kondenzatorjev z gostoto toplotne moči 250 W m-2 v 7. in 8. stopnji in v 1. stopnji z intenziteto sončnega sevanja 1000 W m-2. Preračunano na posamezno stopnjo, so avtorji dosegli rekordno velikost pretoka destilata z vrednostjo 1,13 L m-2 h-1 S-1, kar za približno 88 % presega trenutne mejnike, postavljene v literaturi (Slika 1E).
Globalno se vsaj 16 % svetovne rabe primarne energije sprosti kot odpadna toplota, pri čemer več kot 63 % te toplote nastane pri zelo nizkih temperaturah pod 100 °C. Posledično skozi študijo avtorji opozarjajo na kritično potrebo po učinkovitejši uporabi odpadne toplote.
Na osnovi eksperimentalno validiranih simulacij v COMSOL Multiphysics orodju so avtorji ugotovili, da ima lahko 16-stopenjski sistem na osnovi MD+STB potencial za zmanjšanje kapitalskih stroškov za več kot 70 % na liter proizvedene vode, kar bi ga naredilo konkurenčnejšega drugim sodobnim rešitvam, kot je na primer fotovoltaika z reverzno osmozo (PV+RO).
Raziskava je izredno pomembna, saj pomanjkanje vode postava vse resnejši globalni izziv, ki že vpliva na življenja nekaj več kot štiri milijarde ljudi po vsem svetu. Podnebne spremembe še dodatno otežujejo varnost oskrbe z vodo, kar ogroža tako naravne ekosisteme kot tudi življenjske pogoje in gospodarski razvoj. Uporaba obnovljivih in trajnostnih virov energije, kot sta sončna energija in odpadna toplota, tako predstavlja učinkovito rešitev za pridobivanje sveže vode iz obstoječih zemeljskih vodnih virov.