Utilization of wave energy for seawater desalination and electricity production

Abstract

The wave energy sector is still on the pre-commercial stage but in future waves may become a potential renewable energy source. The utilization of wave energy for seawater reverse osmosis and electricity production is studied in the master's thesis. Fresh water and electricity are needed everywhere in the world and especially remote areas and developing countries would benefit from wave energy.

Principles of waves and wave energy capture are studied in the work and in addition, a wave energy desalination and electricity production system is modelled. The model includes an oscillating wave energy converter which pressurizes seawater. The water is then fed to a reverse osmosis plant. The interaction between waves and the converter is analytically approached. One of the most important results achieved is the impact of the right phase shift between the wave and converter in order to enable the optimum power capture. Another important remark is that wave energy converters oscillating in two modes of motion may theoretically absorb all incident wave energy while the converters having only one mode of motion are capable of 50 % absorption.

The reject flowing from the reverse osmosis membranes is very saline but high-pressure water and Pelton turbines seem to be suitable for the case of combined production of fresh water and electricity and Clark pumps for the case of fresh water production. Altogether, five different process alternatives are modelled as a whole from the converter to the end products. Energy conversions reduce the efficiency but electricity as an intermediate stage provides more constant water feed for the desalination. In addition, a small survey is made of the utilization and prices of fresh water and electricity produced in a wave power plant: fresh water seems more profitable in comparison with electricity.

Aaltoenergia-ala on vielä esikaupallisessa vaiheessa, mutta tulevaisuudessa aalloista voi kehkeytyä potentiaalinen uusiutuva energialähde. Tässä diplomityössä tutkitaan aaltoenergian hyödyntämistä meriveden käänteisosmoosiin ja sähköntuotantoon. Makeaa vettä ja sähköä tarvitaan kaikkialla ja erityisesti syrjäiset alueet ja kehittyvät maat voisivat hyötyä aaltoenergiasta.

Työssä tutkitaan aaltojen ja aaltoenergian talteenoton periaatteita ja mallinnetaan lisäksi aaltoenergialla toimivaa suolanpoisto- ja sähköntuotantosysteemiä. Mallissa oskilloivalla aaltoenergialaitteella paineistetaan merivesi, joka sitten syötetään käänteisosmoosilaitokseen. Aaltojen ja aaltoenergialaitteen vuorovaikutusta lähestytään analyyttisesti. Yksi tärkeimmistä tuloksista on oikean aaltojen ja aaltoenergialaitteen välisen vaihesiirron vaikutus optimaalisen tehonsaannin varmistamiseksi. Toinen tärkeä huomio on, että kahteen liikesuuntaan oskilloivat aaltoenergialaitteet voivat teoriassa absorboida kaiken energian aallosta, kun yksi liikesuunta mahdollistaa vain 50 % hyötysuhteen.

Käänteisosmoosimembraaneilta poistuva rejekti on hyvin suolaista mutta korkeapaineista vettä, ja Pelton-turbiinit voisivat sopia yhdistettyyn makean veden ja sähköntuotantoon ja Clark-pumput makean veden tuotantoon. Kaiken kaikkiaan viisi eri prosessivaihtoehtoa mallinnetaan kokonaisuutena aaltoenergialaitteesta lopputuotteisiin asti. Energian muuntaminen pienentää hyötysuhdetta, mutta sähkö välivaiheena mahdollistaa tasaisemman veden syötön suolanpoistolaitokselle. Lisäksi pieni tutkimus tehdään aaltovoimalalla tuotetun makean veden ja sähkön hyödyntämisestä ja hinnoista: makea vesi vaikuttaa kannattavammalta tuotteelta kuin sähkö.