مبادل ضغط

استرجاع الطاقة

من جانب آخر، محطات التناضح العكسي التي عملت لتحلية مياه البحر لإنتاج مياه شرب على نطاق صناعي كلها على وجه التقريب مجهزة بنظام استرجاع طاقة أساسه العنفات. تشغل هذه العنفات بواسطة المحلول المركز (الأجاج) الذي يغادر المحطة وتنقل الطاقة المحتواة في الضغط المرتفع لهذا المحلول المركز بشكل ميكانيكي عادةً إلى مضخة الضغط المرتفع. في مبادل الضغط تنتقل الطاقة المحتواة في الأجاج هيدروليكيًّا وبمردود يبلغ نحو 98% إلى خط التغذية. يخفض هذا الحاجة الطاقية لعملية التحلية (التقطير) إلى حدّ كبير وبالتالي تنخفض تكاليف التشغيل. من هنا ينتج استرجاع طاقة اقتصادي، يتراوح زمن إهلاك رأس المال لأنظمة كهذه بين سنتين وأربع سنوات حسب مكان التشغيل.

ومن ناحية أخرى، من الأمثلة التي يمكن تطبيق محرك تبادل ضغط فيها إنتاج مياه صالحة للشرب باستخدام عملية غشاء التناضح العكسي. في هذه العملية، يُضخ محلول ملحي مغذي إلى مصفوفة الأغشية بضغط مرتفع. ينقسم المحلول الملحي الداخل بعدها إلى محلول ملحي فائق (أجاج) عند ضغط مرتفع ومياه صالحة للشرب عند ضغط منخفض. رغم عدم إمكانية الاستفادة من الأجاج مرتفع الضغط في هذه العملية كمائع، إلا أن طاقة الضغط التي يحتويها لها قيمة مرتفعة. يطبق محرك تبادل ضغط لاسترجاع طاقة الضغط في الأجاج ونقلها إلى محلول التغذية الملحي. بعد نقل طاقة الضغط في تدفق الأجاج، يُلفظ الأجاج عند ضغط منخفض إلى المصرف.

علاوةً على ذلك، في سبعينيات القرن العشرين طورت عملية تناضح عكسي لمياه البحر تستخرج المياه الصالحة للشرب من مياه البحر عن طريق إخضاعها لضغط مرتفع يجبرها على المرور عبر غشاء محكم يصفي الأملاح والشوائب. يتخلص جهاز التناضح العكسي لمياه البحر من هذه الشوائب على شكل محلول أجاج مركز في تيار مستمر، يحتوي على كمية كبيرة من طاقة الضغط المرتفع. أغلب هذه الطاقة يمكن أن تُسترجع بجهاز مناسب. كان للعديد من أوائل محطات التناضح العكسي لمياه البحر التي أنشئت في سبعينيات القرن العشرين وبداية ثمانينياته استهلاك طاقي يزيد عن 6.0 كيلوواط ساعي لكل متر مكعب من المياه الصالحة للشرب التي تنتجها؛ بسبب أداء الغشاء المنخفض، والقيود الناجمة عن هبوط الضغط، وغياب أجهزة استرجاع الطاقة.

كذلك، التكاليف الطاقية والرأسمالية المنخفضة تعني أنه بات من الممكن لأول مرة إنتاج مياه صالحة للشرب من مياه البحر بكلفة دون دولار واحد للمتر المكعب في الكثير من الأماكن في العالم. مع أن الكلفة يمكن أن تكون أعلى قليلًا في الجزر ذات تكاليف الطاقة المرتفعة، فإن مبادلات الضغط يمكنها توسعة سوق تحلية مياه البحر بشكل سريع.

ومن جهة أخرى، استعملت التصاميم الأولى لمحطات التحلية عدة تقنيات تبخير. أكثرها تقدمًا التحلية متعددة المراحل بالتبخير الفجائي في محليات مياه البحر التبخيرية، التي تستعمل عدة مراحل ولها استهلاك طاقي مرتفع يزيد عن 9 كيلوواط ساعي لكل متر مكعب من المياه الصالحة الشرب التي تنتجها. لهذا السبب كانت تبنى محليات مياه البحر الكبيرة في مواقع ذات تكاليف طاقة منخفضة، كالشرق الأوسط، أو إلى جوار محطات عمليات ذات هدر حراري.

إضافةً إلى ذلك، عن طريق تطبيق نظام تبادل ضغط، كالذي يستعمل في مجالات أخرى بالفعل، يمكن تحقيق أنظمة تناضح عكسي ذات مراديد استرجاع طاقي أعلى بكثير من تلك التي يمكن تحقيقها باستخدام المضخات أو العنفات العكسية. يناسب نظام تبادل الضغط، أكثر من أي شيء آخر، المحطات الكبرى، أي التي لها إنتاج أكبر من أو يساوي 2000 مترًا مكعبًا في اليوم على وجه التقريب.

وفي هذا الصدد، أنتجت محطات تحلية مياه البحر مياهًا صالحةً للشرب لسنوات عديدة. ولكن حتى وقت قريب كانت التحلية تستعمل فقط في ظروف خاصة بسبب الاستهلاك الطاقي المرتفع للعملية.

التناضح العكسي

كذلك، توفر مبادلات الضغط الطاقة في هذه الأنظمة عن طريق تخفيض الحمل على مضخة الضغط المرتفع. في جهاز تناضح عكسي لمياه البحر يعمل بنسبة استرجاع مياه 40% للأغشية، يوفر جهاز استرجاع الطاقة 60% من تدفق تغذية الغشاء. تُستهلك الطاقة من قبل مضخة التدوير، ولكن لأن هذه المضخة تدوّر الماء وحسب دون أن ترفع ضغطه فإن استهلاكها الطاقي يمكن إهماله على وجه التقريب؛ يشكل أقل من 3% من الطاقة المستهلكة من مضخة الضغط المرتفع. لذا فنحو 60% من تدفق تغذية الغشاء يُضغط دون دخل طاقي على وجه التقريب.