Modeling, controlling and optimizing the application of photovoltaic energy on CDI cells

Ghamrawi, Alaa (2023). Modeling, controlling and optimizing the application of photovoltaic energy on CDI cells. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Energy has traditionally been the most expensive component in most water desalination technologies. Reverse osmosis technology has reduced its energy footprint by up to 50%, thanks to modern thermodynamic systems for the treatment of seawater. However, this energy efficiency drops to 10% for treatment less concentrated water such as brackish water. According to figures from the water treatment industry, it is estimated that this energy accounts for more than 65% of the cost of producing water. The Capacitive De-Ionizer (CDI) is a desalination method that directly affects the ions in the solution and attracts them to the electric double layers which release the pure water from the cell. CDIs have been discovered for more than 50 years, but they have recently recognized an increasing development, due to the carbon electrodes development and the reduced energy consumption for salt removal. Recent studies on CDI have attributed a great energy advantage to this technique, especially for applications of low concentration solutions.

Add to this reduced energy aspect, that the needs for filtered / potable water are more pressing in the sunniest countries (absence of rivers, lakes, etc.) and that the electrification works at the point of production and treatment remains not only an energy consumption challenge, but also a monetary burden for the states in charge.

In this research, we present a model for the application of the photovoltaic energy not only to supply the CDI cell, but also to take advantage of the flow control impact on the cell to optimize the solar panel energy behavior considering a stable concentration on the product water.

Titre traduit

Modélisation, commande et optimisation de l’application de l’énergie photovoltaique sur des cellules CDI

Résumé traduit

L’énergie était traditionnellement la composante la plus coûteuse dans la plupart des technologies de dessalement de l’eau. La technologie de l’osmose inversée a diminué son empreinte énergétique jusqu’à 50% grâce aux systèmes modernes thermodynamiques pour le traitement de l’eau de mer. Cependant, cette efficacité énergétique tombe jusqu’à 10% pour le traitement de l’eau moins concentrée tel que l’eau saumâtre. Selon les chiffres de l’industrie de traitement de l’eau, on estime que cette énergie représente plus de 65% du coût de la production de l’eau. Le condensateur dé-ionisateur (CDI) est une méthode de dessalement qui affecte directement les ions dans la solution et les attire vers les doubles couches électriques pour libérer l’eau qui sort pure de la cellule. Les CDI ont été découverts depuis plus de 50 ans, mais ils ont reconnu récemment un développement croissant, grâce au développement des électrodes au carbone et la consommation énergétique de cette technologie. De plus, les récentes études sur les CDI ont attribué un grand avantage énergétique sur cette technique surtout pour les applications des solutions à faible concentration.

En outre de cet aspect énergétique réduit, les besoins de l’eau filtrée/potable sont plus pressants dans les pays les plus ensoleillés (absence des rivières, fleuves, lac. . . ) et que les travaux d’électrification au point de production et de traitement constituent un fardeau non seulement énergétique, mais aussi monétaire pour les états en charge.

Dans cette recherche, un modèle d’exploitation de l’énergie photovoltaïque est développé non seulement pour alimenter la cellule CDI, mais aussi pour profiter de l’incidence du contrôle du débit de l’eau pour optimiser l’énergie apportée par le panneau solaire, tout en respectant une concentration stable à la sortie de la cellule.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 117-133).
Mots-clés libres:	énergie, CDI, photovoltaïque, cellule, photo-CDI, osmose inversée, contrôle du débit, dessalement
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Saad, Maarouf
Codirecteur:	Codirecteur Mougharbel, Imad
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	21 déc. 2023 16:06
Dernière modification:	21 déc. 2023 16:06
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3327

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