Sistem Pengumpulan Surya Tidak Langsung / Indirect Collection Systems pada Desalinasi Air

Prinsip operasi sistem pengumpulan tidak langsung melibatkan implementasi dari dua subsistem terpisah yaitu sistem energi terbarukan (pengumpul surya, PV, turbin angin, dll.) dan pabrik untuk mengubah energi yang dikumpulkan menjadi air tawar. Beberapa contoh menggunakan energi terbarukan untuk tenaga pabrik desalinasi disajikan di bagian ini. Subsistem pabrik didasarkan pada salah satu dari berikut:

Proses perubahan fase , yang menggunakan multi-stage flash (MSF), multiple effect boiling (MEB), atau vapor compression (VC) digunakan.
Proses membran, dimana reverse osmosis (RO) atau elektrodialisis (ED) diterapkan.

Prinsip operasi proses perubahan fase memerlukan penggunaan kembali kalor laten penguapan untuk memanaskan umpan sementara pada saat yang sama mengembunkan uap untuk menghasilkan air tawar. Kebutuhan energi sistem ini secara tradisional terdefinisi pada unit distilat yang diproduksi per satuan massa (kg atau lb) dari uap atau per 2326 kJ (1000 Btu) masukan panas, yang sesuai dengan kalor laten dari penguapan pada 73° C. Rasio dimensi ini dalam kg/2326 kJ atau lb/1000 Btu dikenal sebagai rasio kinerja / performance ratio (PR). Prinsip pengoperasian proses membran mengarah pada produksi langsung listrik dari energi matahari atau angin, yang digunakan untuk menjalankan pabrik. Energi konsumsi biasanya diungkapkan dalam kWh_e /m³.

The Multi-Stage Flash (MSF) Process

Proses MSF terdiri dari serangkaian elemen, yang disebut tahapan/stages. Di setiap tahap, uap kondensasi digunakan untuk memanaskan umpan air laut. Dengan pemecahan perbedaan suhu keseluruhan antara sumber hangat dan air laut menjadi sejumlah tahap yang besar, sistem mendekati pemulihan kalor laten total yang ideal. Pengoperasian sistem ini membutuhkan gradien tekanan di pabrik. Instalasi komersial saat ini dirancang dengan 10 – 30 tahap (penurunan suhu 2° C per tahap).

Sistem dibagi menjadi bagian pemulihan panas dan penolakan panas. Air laut diumpankan melalui bagian penolakan panas, yang menolak energi panas dari pabrik dan membuang produk dan air garam pada suhu serendah mungkin.

Umpan kemudian dicampur dengan sejumlah besar air, yang disirkulasikan kembali parbik. Air ini kemudian melewati serangkaian heat exchanger untuk menaikkan suhu. Air selanjutnya memasuki array kolektor surya atau pemanas air garam untuk menaikkan suhunya mendekati suhu saturasi pada tekanan sistem maksimum. Air kemudian memasuki tahap pertama melalui lubang orifice sehingga tekanannya berkurang. Karena air awalnya berada di suhu saturasi untuk tekanan yang lebih tinggi, air tersebut menjadi superheated dan menjadi uap. Uap dihasilkan melewati wire mesh (demister) untuk menghapus setiap tetesan air garam masuk dan kemudian ke heat exchanger di mana airnya kental dan menetes ke dalam baki destilat. Proses ini diulangi melalui pabrik karena baik aliran air asin maupun distilat saat mereka memasuki tahap selanjutnya berada pada tekanan rendah berturut-turut.

The Multiple-Effect Boiling (MEB) Process

Proses MEB juga terdiri dari sejumlah elemen, yang disebut efek. Uap dari satu efek digunakan sebagai pemanas cairan dalam efek lain yang saat mengembun menyebabkan penguapan suatu bagian dari larutan asin. Uap yang dihasilkan melewati efek berikut, di mana, saat mengembun, membuat beberapa larutan lain menguap, dan sebagainya. Agar prosedur ini memungkinkan, efek yang dipanaskan harus dijaga pada tekanan lebih rendah daripada efeknya dari uap pemanas berasal. Larutan-larutan terkondensasi oleh semua efek yang digunakan untuk memanaskan umpan terlebih dahulu. Dalam proses ini, uap air diproduksi oleh flashin dan dengan merebusnya, tapi sebagian besar distilat dihasilkan dengan cara direbus. Tidak seperti pabrik MSF, proses MEB biasanya beroperasi sebagai sistem sekali melalui tanpa resirkulasi massal air garam sekitar pabrik. Desain ini mengurangi persyaratan pemompaan dan kecenderungan scaling.

Seperti halnya pabrik MSF, air garam yang masuk dalam proses MEB lolos melalui serangkaian pemanas, tetapi setelah melewati yang terakhir ini, alih-alih memasuki pemanas air garam, umpan memasuki efek atas, di mana uap pemanas menaikkan suhunya ke suhu saturasi untuk tekanan efek. Sejumlah uap baik dari sistem kolektor surya atau boiler konvensional digunakan untuk menghasilkan penguapan dalam efek ini. Uap kemudian pergi, sebagian memanaskan umpan masuk dan sebagian untuk menyediakan pasokan panas untuk efek kedua yang berada pada tekanan lebih rendah dan menerima umpannya dari air garam efek pertama. Proses ini diulangi sepanjang jalan melalui (bawah) pabrik. Distilat juga melewati pabrik. Baik air garam maupun sulingan flash saat mereka bepergian di pabrik karena pengurangan tekanan progresif.

The Vapor Compression (VC) Process

Di pabrik VC, pemulihan panas didasarkan pada peningkatan tekanan uap dari tahap dengan menggunakan kompresor. Dengan demikian, suhu kondensasi meningkat dan uap dapat digunakan untuk menyediakan energi ke tingkat yang sama datang dari atau ke tahap lain. Seperti sistem MEB, uap yang dihasilkan pada efek pertama digunakan sebagai masukan panas ke efek kedua, yaitu pada tekanan yang lebih rendah. Uap yang dihasilkan pada efek terakhir kemudian diteruskan ke kompresor uap, di mana ia dikompresi dan suhu saturasinya dinaikkan sebelum dikembalikan ke efek pertama. Kompresor mewakili energi utama masukan ke sistem, dan karena kalor laten secara efektif bersiklus di sekitar pabrik, proses memiliki potensi untuk menghasilkan nilai PR tinggi.

Sistem kompresi uap dibagi dalam dua kategori utama mechanical vapor compression (MVC) dan thermal vapor compression (TVC). MVC mempekerjakan kompresor mekanis untuk mengompres uap, sedangkan TVC menggunakan kompresor jet uap.

Reverse Osmosis (RO)

Sistem RO tergantung pada sifat membran semipermeabel yang ketika digunakan untuk memisahkan air dari larutan garam, memungkinkan air tawar untuk masuk ke kompartemen air garam di bawah pengaruh tekanan osmotik. Jika sebuah tekanan lebih dari nilai yang diterapkan pada larutan asin, air tawar akan lolos dari air garam ke bagian air. Secara teoritis, satu-satunya energi yang dibutuhkan adalah memompa air umpan pada tekanan di atas tekanan osmotik. Dalam prakteknya, tekanan yang lebih tinggi harus digunakan, biasanya 50 – 80 atm, untuk mendapatkan jumlah air yang cukup untuk melewati luasan membran. Umpan diberi tekanan oleh tekanan tinggi pompa dan dibuat untuk mengalir melintasi permukaan membran. Bagian dari umpan ini melewati melalui membran, di mana sebagian besar zat terlarut padat dihilangkan. Pengingat, bersama dengan garam yang tersisa, ditolak pada tekanan tinggi. Di pabrik yang lebih besar, secara ekonomi layak untuk memulihkan air garam yang ditolak energi dengan turbin air garam yang sesuai. Sistem seperti itu disebut sistem pemulihan energi reverse osmosis (ER-RO).

Energi matahari dapat digunakan pada sistem RO sebagai sumber penggerak utama pompa atau dengan produksi langsung listrik melalui penggunaan panel fotovoltaik. Energi angin juga dapat digunakan sebagai sumber penggerak utama. Karena biaya satuan listrik yang dihasilkan dari sel fotovoltaik tinggi, pembangkit RO bertenaga fotovoltaik dilengkapi dengan turbin pemulihan energi. Keluaran sistem RO sekitar 500 – 1500 L/d/m² membran, tergantung pada jumlah garam dalam air dan kondisinya dari membran. Membran pada dasarnya adalah fliter yang sangat halus dan sangat peka terhadap pengotoran biologis dan non-biologis. Untuk menghindari pengorotan, pra-perawatan umpan diperlukan sebelum diizinkan untuk kontak dengan permukaan membran.

Electrodialysis (ED)

Sistem elektrodialisis bekerja dengan mengurangi salinitas dengan mentransfer ion dari kompartemen air umpan, melalui membran, di bawah pengaruh perbedaan potensial listrik. Proses menggunakan medan arus listrik DC untuk menghapus ion garam di air payau. Air garam umpan mengandung terlarut garam dipisahkan menjadi sodium bermuatan positif dan ion klorin bermuatan negatif. Ion-ion ini bergerak ke arah berlawanan elektroda bermuatan yang direndam dalam larutan, yaitu, ion positif (kation) pergi ke elektroda negatif (katoda) dan ion negatif (anion) ke elektroda positif (anoda). Jika membran khusus, sebagai alternatif kation permeabel dan anion berpori, pisahkan elektroda, celah tengah antara membran ini adalah garam habis. Dalam proses yang sebenarnya, membran kation dan anion bolak-balik ditumpuk bersama, terpisah oleh spacer plastik aliran yang memungkinkan lewatnya air. Karena proses beroperasi dengan daya DC, energi matahari dapat digunakan dengan elektrodialisis dengan secara langsung menghasilkan beda potensial yang diperlukan dengan panel fotovoltaik.