India is experiencing a bitter challenge in terms of water resources, with the lack of access to safe drinking water being attributed to nearly 200 000 deaths per year. The rural population is especially exposed as groundwater make up 85 % of their drinking water, with widespread contamination being reported. One source of contamination is fluoride, which has been identified in concentrations far beyond the recommended limit from the World Health Organization (WHO), causing severe health problems such as skeletal fluorosis. While India has made significant progress in providing households connections to the grid, electricity access remains unreliable, particularly in rural areas. Membrane distillation (MD) is a thermally driven water purification technology which achieves excellent fluoride reduction rates. Several systems with various combinations of technologies integrated with MD has been researched, where the use of photovoltaic thermal hybrid solar collectors (PVT) and heat pumps (HP) has been receiving increased attention as of late. These two technologies have, to the Author’s best knowledge, never been integrated together for MD, which is the basis of this thesis. With the goal of providing an average of 1000 L of potable water a day, three novel off-grid systems are created using the energy modeling software Polysun with weather data from Balasore, India. Two PVT models and three different HPs identified on the market are considered for the systems. The PVTs differ in terms of glazing, and the HPs have various heating capacities and max water supply temperatures, with one being an air source heat pump (ASHP) and two water source heat pumps (WSHP). One configuration of each combination of PVT and HP is created and optimized in terms of MD modules, battery storage capacity, and feed flowrate, evaluated based on the Key Performance Indicators (KPI) production cost, PVT area, and average daily yield. Furthermore, two different controller strategies are evaluated based on their average daily yield, where one prioritize a high coefficient of performance (COP) for the HP, and the other energy recovery from the MD. The final configurations are thereafter compared based on their production cost. Nine out of the ten final configurations achieve a production cost between 60 - 72 $/m3 after being optimized, which is within the reported range for MD but at the higher end. The larger WSHP achieves the lowest production cost at 60.1 $/m3 paired with the glazed PVT, having a gross area of 323 m2. The glazed PVT performs better than the unglazed for all configurations in terms of both production cost and PVT area. However, the cost of the larger WSHP is based on the $/kW of the smaller WSHP while the two PVTs are assigned an identical $/m2, resulting in the price difference between the products being the determining factor for the actual configuration with the lowest production cost. The lowest PVT area for the final configurations is 294 m2. The required PVT area to reach the production goal is heavily dependent on the amount of MD modules, HP heating capacity and max water supply temperature, and battery storage capacity. Only one configuration achieved a higher yield when energy recovery was prioritized, which supplied 20 % of that system’s thermal energy while not utilizing 61 % of the energy recovery potential. / Indien upplever en bitter utmaning med vattenresurser, där bristande tillgänglighet till säkert dricksvatten är attribuerat nära 200 000 dödsfall per år. Befolkningen på landsbygden är särskilt utsatt då grundvattnet representerar 85 % av deras dricksvatten, som till stor del rapporterats som förorenat. En föroreningskälla är fluorid, vilket har identifierats i koncentrationer långt över den rekommenderade gränsen av World Health Organization (WHO), som leder till allvarliga hälsoeffekter som skelettfluoros. Även fast Indien har gjort stora framsteg inom elnätsanslutningar för hushåll, är elektricitetstillgången opålitligt, speciellt på landsbygden. Membrandestillation (MD) är en värmedriven vattenreningsteknik som uppnår utmärkta reduktionsnivåer av fluorid. Det har forskats om flera system med olika kombinationer av tekniker integrerade med MD, där användningen av hybridsolpaneler (PVT) och värmepumpar (HP) har fått ett ökande intresse på sistone. Dessa två tekniker har, till författarens bästa kännedom, aldrig blivit integrerade tillsammans för MD, vilket är grunden för denna uppsats. Med målet att uppnå en genomsnittlig dricksvattenproduktion på 1000 L per dag, har tre egenartade system skapats i energimodelleringsprogrammet Polysun med väderdata baserad på Balasore, Indien. Två PVT modeller samt tre olika värmepumpar är identifierade på marknaden och implementerade i systemen. PVT modellerna skiljer sig i främst i relation till glasering. Värmepumparna har olika värmekapaciteter samt övre gräns på levererad vattentemperatur, varav en är en luftvärmepump (ASHP) och de två resterande vattenvärmepumpar (WSHP). En konfiguration av varje kombination av PVT och HP skapas och optimeras i relation till MD moduler, batterilagring, och flödeshastighet, som utvärderas med prestandaindikatorerna (KPI) produktionskostnad, PVT yta, samt genomsnittlig dricksvattenproduktion. Två olika kontrollstrategier undersöks även baserat på dricksvattenproduktionen, där en strategi prioriterar en hög prestationskoefficient för HP, och den andra energiåtervinning från MD. De slutliga konfigurationerna jämförs sedan baserat på deras produktionskostnader. Nio av de tio slutliga konfigurationerna uppnår en produktionskostnad mellan 60 - 72 $/m3 efter optimeringen, vilket ligger inom det rapporterade intervallet men på den dyrare sidan. Den större WSHP uppnår den lägsta produktionskostnaden på 60.1 $/m3 i kombination med den glaserade PVT, som omfattar en bruttoarea på 323 m2. Den glaserade PVT presterar bättre än den oglaserad för alla konfiguration sett till produktionskostnad samt PVT area. Dock så är kostnad på den större WSHP baserad på $/kW kostnaden för den mindre WSHP, samt att båda PVT är tilldelade en identisk $/m2 kostnad. Detta leder till att den avgörande faktorn för den faktiska konfigurationen med lägst produktionskostnad är prisskillnaden mellan produkterna. Den lägsta PVT arean för de slutgiltiga konfigurationerna är 294 m2. Den nödvändiga PVT arean för att uppnå produktionsmålet är starkt beroende av mängden MD moduler, batterilagringskapacitet, samt värmekapacitet och övre gräns på levererad vattentemperatur för HP. Endast en konfiguration uppnår en större vattenproduktion när energiåtervinningprioriteras, där 20 % av systemets totala värmeenergi kom från energiåtervinning samtidigt som 61 % av den potentiella energiåtervinningen ej utnyttjas.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-315047 |
| Date | January 2022 |
| Creators | von Schultz, Erik |
| Publisher | KTH, Skolan för industriell teknik och management (ITM) |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-ITM-EX ; TRITA-ITM-EX 2022:343 |
Page generated in 0.0029 seconds