Study on the Operation of the LUTsCO2 Test Loop with Pure CO2 and CO2 + SO2 Mixture Through Dynamic Modeling

Study on the Operation of the LUTsCO2 Test Loop with Pure CO2 and CO2 + SO2 Mixture Through Dynamic Modeling

Within the framework of the Horizon 2020 DESOLINATION (DEmonstration of concentrated SOLar power coupled wIth advaNced desAlinaTion system in the gulf regION) project, CO2-based mixtures will be used as the working fluid of the power cycle coupled with the desalination plant. Desalination technologies require temperatures above 50℃, therefore a fluid with a critical temperature above 70 ℃ is required to perform the compression step in the liquid phase, minimizing compression work and increasing cycle efficiency. Blending CO2 with other fluids, such as SO2, leads to an increase in the critical temperature of the mixture and makes it suitable for transcritical cycles in concentrated solar power applications, while preserving the advantages of pure CO2 over steam cycles. Throughout the DESOLINATION project, CO2 blends will be tested in the LUTsCO2 test loop to provide validation data for the design of heat exchangers. In this work, the adaptation of the test loop to the CO2 blend is investigated. A dynamic model of the test loop is built in MATLAB-Simulink, which allows each component to be modeled independently and to realize a closed-loop cycle model coupled with a controller and real gas property tables. Steady-state simulations of the system are performed and the dynamic model of each component is verified with the design values. As a result, the study highlights the key performance and fluid dynamic differences which arise from the use of a CO2 blend instead of pure CO2.

Keywords:

  • CO2 mixtures
  • Transcritical refrigeration cycle
  • Dynamic model
  • Simulink
Authors:

Giuseppe Petruccelli Lappeenranta-Lahti University of Technology LUT, Lappeenranta, Finland

Teemu Turunen-Saaresti Lappeenranta-Lahti University of Technology LUT, Lappeenranta, Finland

Aki Grönman Lappeenranta-Lahti University of Technology LUT, Lappeenranta, Finland

Afonso Lugo Lappeenranta-Lahti University of Technology LUT, Lappeenranta, Finland

Techno-Economic Analysis of Brine Treatment by Multi-Crystallization Separation Process for Zero Liquid Discharge

Techno-Economic Analysis of Brine Treatment by Multi-Crystallization Separation Process for Zero Liquid Discharge

This study analyses the concept of a novel multi-crystallization system to achieve zero liquid discharge (ZLD) for desalination plants using an innovative heat recovery system consisting of a heat transfer fluid and a compressor to reduce energy consumption. The main focus is to recover water and separately extract salts from seawater brines with high purity, including calcite, anhydrite, sodium chloride, and epsomite, which can be sold to the cement industry. The system is compared with a conventional brine treatment system. The energy demand and economic feasibility of both systems are assessed to evaluate profitability at a scale of 1000 kg/h. The results estimate that the utilization of a heat recovery fluid reduces energy consumption from 690 kWhth/ton of feed brine to 125.90 kWhth/ton equaling a total electric consumption of 60.72 kWhe/ton. The system can recover 99.2% of water and reduce brine discharge mass by 98.9%. The system can recover 53.8% of calcite at near 100% purity, 96.4% of anhydrite at 97.7% purity, 91.6% of NaCl at near 100% purity, and 71.1% of epsomite at 40.7% purity. Resource recovery accounts for additional revenues, with halite and water accounting respectively for 69.85% and 29.52% of the income. The contribution of calcite and anhydrite to revenue is very low due to their low production. The levelized cost of water (LCOW) of the multi-crystallization system is 13.79 USD/m3 as opposed to 7.85 USD/m3 for the conventional ZLD system. The economic analyses estimate that the conventional ZLD system can achieve payback after 7.69 years. The high electricity cost, which accounts for 68.7% of the annual expenses, can be produced from renewable sources.
Authors:
School of Water, Energy and Environment, Cranfield University, Bedford, Bedfordshire MK43 0AL, UK
Prof. Dr. Kumar Patchigoll School of Water, Energy and Environment, Cranfield University, Bedford, Bedfordshire MK43 0AL, UK
World Utilities Congress 2022 | Abu Dhabi

World Utilities Congress 2022 | Abu Dhabi

Our project partner Aalborg CSP received a very warm welcome at the World Utilities Congress, from May 9-11, 2022 and an excellent response from attendees, with around 150 visits to its stand presenting the DESOLINATION project.

Hosted by the Abu Dhabi National Energy Company (TAQA), and organised by dmg events, the World Utilities Congress is the global meeting place for senior local, regional and international utilities professionals to connect with governments, policy makers and industry leaders, to discuss trends and to explore technologies and innovations that influence future demand for energy and water.

Press release: DESOLINATION presented in the French Plein Soleil Webzine!

Press release: DESOLINATION presented in the French Plein Soleil Webzine!

قامت مجلة Plein Soleilil، وهي مجلة رقمية فرنسية رائدة تركز على الطاقة المتجددة في المباني، بعرض مشروعنا المبتكر DESOLINATION. ندعوك لزيارة موقعهم الإلكتروني لقراءة البيان الصحفي الكامل ومعرفة المزيد عن هذا المشروع المثير.

يمثل مشروع DESOLINATION، وهو مشروع أوروبي رائد بقيمة 10 ملايين يورو يضم 19 شريكًا من 12 دولة في الاتحاد الأوروبي. تهدف المبادرة إلى تطوير اقتران فريد وفعال بين الطاقة الشمسية المركزة وتقنيات تحلية مياه البحر. سيتم نشر أول محطة تجريبية في المملكة العربية السعودية، مما يشير إلى خطوة كبيرة إلى الأمام في الإنتاج المستدام للمياه.

ابتداءً من 1 يونيو 2021، وحتى مايو 2025، سيقدم مشروع أفق 2020 لتحلية المياه تقنيات رائدة لتعزيز كل من الأنظمة المستقلة والمقترنة للطاقة الشمسية وتحلية المياه. سيكون النظام التجريبي النهائي هو محطة توليد طاقة بقدرة 2 ميجاوات في المملكة العربية السعودية، تجمع بين هاتين التقنيتين الواعدتين لتحقيق كفاءات غير مسبوقة.

مياه عذبة منخفضة الكربون ومنخفضة التكلفة ومنخفضة الكربون بالطاقة الشمسية

مع التركيز على منطقة دول مجلس التعاون الخليجي، ستختبر ديسولينايشن نموذجها الأولي وتنشره في جامعة الملك سعود في الرياض، المملكة العربية السعودية. وبالاستفادة من موارد الطاقة الشمسية العالية والطلب الكبير على المياه المحلاة، يهدف النموذج الأولي إلى توفير الكهرباء المتجددة بتكاليف منخفضة (أقل من 90 يورو/ميغاواط ساعة) ومياه عذبة بأسعار معقولة (أقل من 0.9 يورو/م3). وبالإضافة إلى ذلك، سيقلل النظام بشكل كبير من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون مقارنة بطرق التحلية التقليدية: 301 تيرابايت ثلاثي فلورو مقارنة بأنظمة التناضح المباشر، و401 تيرابايت ثلاثي فلورو ثلاثي فلورو ثلاثي مقارنة بالتناضح العكسي، و701 تيرابايت ثلاثي فلورو ثلاثي فلورو ثلاثي مقارنة بالتحلية الحرارية.

سوف تبتكر شركة DESOLINATION في مجالات مختلفة. على صعيد الطاقة الشمسية، ستؤدي خلطات ثاني أكسيد الكربون إلى دورات طاقة أكثر كفاءة وفعالية من حيث التكلفة مع بارامترات يمكن التحكم فيها. وفي مجال تحلية المياه، سيتم تطوير التناضح المباشر وربطه بالتقطير الغشائي باستخدام الحرارة المهدرة من دورة الطاقة لإنتاج المياه العذبة. سيمكن هذا المزيج الفريد من نوعه النظام المقترن المعطل من تحقيق كفاءة عالية في تحويل الحرارة المهدرة إلى مياه عذبة.

وسيتعاون الاتحاد الأوروبي ودول مجلس التعاون الخليجي خلال المشروع لتقديم عرض تكنولوجي عالي المستوى. ويجمع مشروع DESOLINATION بعض الخبراء الرائدين في العالم في مجال الطاقة الشمسية المركزة، وتصميم دورة طاقة ثاني أكسيد الكربون، وعمليات تحلية المياه، وأغشية الفصل، وتكامل الأنظمة لتحقيق أهداف المشروع وضمان استيعاب السوق بقوة بعد اكتماله. يضم المشروع 19 شريكاً من 9 دول في الاتحاد الأوروبي و3 دول من دول مجلس التعاون الخليجي، ويضم 13 من أفضل الجامعات ومراكز الأبحاث و6 شركاء من الشركات الصناعية والشركات الصغيرة والمتوسطة.

تفضل بزيارة موقع بلين سولييه على الإنترنت لقراءة البيان الصحفي الكامل واكتشاف المزيد عن مشروع DESOLINATION المبتكر.