DOI: https://doi.org/10.1016/j.nexus.2026.100686
تاريخ النشر: 2026-02-27
المؤلف: Khalid M. Alzahrani وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات فصل الأغشية
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة دمج أنظمة تحلية المياه المعتمدة على التناضح العكسي (RO) المدفوعة بتوربينات الرياح ذات المحور العمودي (VAWT) مع تخزين الطاقة بالهواء المضغوط (CAES) لمعالجة تذبذب الطاقة المتجددة في تحلية المياه اللامركزية. تقدم إطار عمل جديد يجمع بين تحسين متعدد الأهداف وتقييم دورة الحياة (LCA) لتقييم الأداء الفني والاقتصادي والبيئي لمختلف التكوينات. من خلال نمذجة ستة متغيرات تصميم واستكشاف 118,800 تكوين، تحدد البحث التبادلات الرئيسية بين إنتاج المياه السنوي، وتكلفة المياه المستوية (LCOW)، وإمكانات الاحتباس الحراري (GWP). تم استخدام تقنيات التعلم الآلي لتطوير نماذج بديلة، مما يسهل تحديد الحلول المثلى وفقًا لمبدأ باريتو، بينما سلط تحليل TOPSIS الضوء على أربعة سيناريوهات تتماشى مع أولويات أصحاب المصلحة المتنوعة.
تشير النتائج إلى أن حجم وعدد توربينات الرياح ذات المحور العمودي (VAWT) يؤثر بشكل كبير على كل من LCOW وGWP. أسفر عملية التحسين عن سيناريو ذي أولوية LCOW بتكلفة 1.39 دولار أمريكي/م³ وسيناريو ذي أولوية GWP مع بصمة كربونية قدرها 0.70 كجم CO₂eq/m³. لا توفر هذه الدراسة أداة شاملة لصنع القرار لتحلية المياه المعتمدة على الطاقة المتجددة فحسب، بل تحدد أيضًا النقاط الساخنة الحرجة للاستدامة، مثل البنية التحتية لتوربينات الرياح ذات المحور العمودي (VAWT) التي تتطلب استثمارات كبيرة، حيث يمكن أن تقلل الجهود المستقبلية من التكاليف والانبعاثات بشكل فعال. تقترح الدراسة أن تركز الأبحاث اللاحقة على التخفيف من تباين الرياح، وتعزيز كفاءة تخزين الطاقة، وتحسين التوصيلات الميكانيكية لتحسين التطبيق العملي لتقنية VAWT-CAES-RO في المناطق التي تعاني من نقص المياه.
مقدمة
تتناول مقدمة هذه الورقة البحثية القضية العالمية الملحة المتعلقة بنقص المياه العذبة، التي تفاقمت بسبب النمو السكاني، والطلبات الصناعية، وتغير المناخ، مما ترك أكثر من 2.2 مليار شخص بدون وصول إلى مياه شرب آمنة اعتبارًا من عام 2022. يتوقع معهد الموارد العالمية أنه بحلول عام 2050، ستعاني 51 دولة من ضغط مائي شديد، خاصة في المناطق التي تفتقر إلى بنية تحتية مائية كافية. يتم تسليط الضوء على التحلية، وخاصة من خلال التناضح العكسي (RO)، كطريقة حاسمة لزيادة إمدادات المياه العذبة، ومع ذلك تواجه تحديات كبيرة بسبب استهلاكها العالي للطاقة وتأثيرها البيئي، خاصة عندما تكون مدفوعة بالوقود الأحفوري.
تقترح الورقة تكوينًا جديدًا يدمج توربينات الرياح ذات المحور العمودي (VAWTs)، وتخزين الطاقة بالهواء المضغوط (CAES)، وأنظمة RO لإنشاء حل مستدام لتحلية المياه. يهدف هذا النهج إلى التخفيف من التعقيدات والتكاليف المرتبطة بأنظمة الطاقة المتجددة التقليدية التي تعتمد غالبًا على البطاريات لتخزين الطاقة. تؤكد الدراسة على الحاجة إلى تحسين متعدد الأهداف وتقييم دورة الحياة (LCA) لتقييم أداء نظام VAWT-CAES-RO، مع التركيز على زيادة إنتاج المياه، وتقليل التكاليف، وتقليل انبعاثات الكربون. تهدف الأبحاث إلى سد فجوة في الأدبيات الحالية من خلال تقديم تقييم شامل لهذا النظام المتكامل، باستخدام تقنيات النمذجة والتحسين المتقدمة لمعالجة القيود الواقعية وتعزيز جدوى تقنيات تحلية المياه المستدامة.
الطرق
يستخدم قسم المنهجية في الدراسة تقييم دورة الحياة (LCA) من المهد إلى البوابة وفقًا لمعايير ISO 14,040 و14,044، باستخدام برنامج SimaPro 10 وقاعدة بيانات Ecoinvent 3.10 لتقييم الأثر البيئي الشامل. يركز التقييم على نظام توربينات الرياح ذات المحور العمودي – تخزين الطاقة بالهواء المضغوط – التناضح العكسي (VAWT-CAES-RO)، مشتملاً على جميع المراحل من استخراج الموارد إلى الإنتاج، مع استبعاد الأنشطة اللاحقة مثل توزيع المياه. يتم استخدام طريقة ReCiPe midpoint (H) لتقييم 18 فئة تأثير، مع التركيز بشكل خاص على إمكانات الاحتباس الحراري على مدى 100 عام (GWP100) لقياس انبعاثات غازات الدفيئة.
بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدام تقنية تفضيل الطلب من خلال التشابه مع الحل المثالي (TOPSIS) لتحديد التكوينات المثلى من نتائج التحسين متعدد الأهداف. يتم تحليل أربعة سيناريوهات، كل منها يعطي الأولوية لأهداف مختلفة – إنتاج المياه السنوي (Q_p)، تكلفة المياه المستوية (LCOW)، وGWP – مع توزيعات وزن متغيرة. يتضمن التحليل تفصيلًا دقيقًا لـ LCOW وGWP لكل سيناريو، مع الأخذ في الاعتبار النفقات الرأسمالية (CAPEX) والنفقات التشغيلية (OPEX) على مدى عمر 25 عامًا. يسهل هذا التفصيل تقييمًا مقارنًا للأداء الاقتصادي والبيئي، مما يبرز التبادلات المتعلقة بالاستدامة ويحدد النقاط الساخنة داخل التكوينات.
النتائج
تنظم نتائج الدراسة في أربعة أقسام رئيسية: نماذج بديلة لوحدات التناضح العكسي (RO)، نتائج تقييم دورة الحياة (LCA)، نماذج بديلة للنظام بالكامل تركز على ثلاثة أهداف، ونتائج التحسين متعدد الأهداف المدعومة بتحليل TOPSIS. تشير نتائج LCA إلى أن إمكانات الاحتباس الحراري (GWP) لتوربينات الرياح ذات المحور العمودي (VAWTs) تزداد مع الحجم، مع انبعاثات قدرها 3357.72 كجم CO₂eq للوحدات الصغيرة و21,619.29 كجم CO₂eq للوحدات الكبيرة. ومع ذلك، فإن GWP لكل كيلووات ينخفض مع زيادة الحجم، مما يعكس تحسين كفاءة الطاقة. يتأثر GWP التراكمي للنظام بشكل كبير بالضواغط الهوائية والاستبدال المتكرر لأغشية RO، مما يبرز الحاجة إلى خيارات تصميم مستدامة.
تظهر النماذج البديلة التي تم تطويرها لإنتاج المياه السنوي (Q_p)، وتكلفة المياه المستوية (LCOW)، وGWP دقة عالية، مع أخطاء جذر متوسط المربعات (RMSE) تبلغ 250، 0.03، و0.016، على التوالي. يكشف التحليل أن عدد توربينات الرياح ذات المحور العمودي (VAWTs) وحجمها هما عاملان حاسمان يؤثران على كل من Q_p وLCOW، مع تحديد التكوينات المثلى من خلال التحسين متعدد الأهداف باستخدام خوارزمية جينية. يقوم تحليل TOPSIS بمزيد من تحسين هذه النتائج من خلال تقييم أربعة سيناريوهات بناءً على تفضيلات أصحاب المصلحة، مما يبرز التبادلات بين زيادة Q_p وتقليل LCOW وGWP. تشير النتائج إلى أن نظام VAWT-CAES-RO يقدم تكلفة مياه مستوية تنافسية وGWP أقل بكثير مقارنة بأساليب التحلية التقليدية، مما يوضح إمكاناته لإنتاج مياه مستدام وفعال.
المناقشة
يجمع نظام VAWT-CAES-RO بين توربينات الرياح ذات المحور العمودي (VAWTs)، وتخزين الطاقة بالهواء المضغوط (CAES)، وتحلية المياه بالتناضح العكسي (RO) لتوفير حل مستدام لإنتاج المياه في المجتمعات النائية غير المتصلة بالشبكة. تقوم توربينات الرياح بتحويل طاقة الرياح إلى عزم ميكانيكي، مما يدفع ضاغط هواء لتخزين الطاقة في خزان هواء مضغوط. يتم بعد ذلك استخدام هذه الطاقة المخزنة لتشغيل مضخة عالية الضغط تسهل تحلية مياه البحر من خلال وحدة RO، مما يقضي بشكل فعال على الحاجة إلى مولدات كهربائية أو بطاريات. تسمح المحاكاة التي تم إجراؤها باستخدام MATLAB/Simulink بتحليل الأداء والتحسين، مع دمج نماذج فرعية مفصلة لكل مكون واستخدام بيانات الرياح المحددة للموقع وخصائص مياه البحر.
يعمل نظام CAES كعازل لتثبيت إمدادات الطاقة لوحدة RO، مع الحفاظ على ضغط هواء ثابت بين 8 و11 بار، وهو أمر حاسم لأداء RO الأمثل. يستخدم نظام RO غشاء Seamaxx-440، مع تحسين متغيرات التصميم مثل عدد عناصر RO ووعاء الضغط من أجل الكفاءة. تم تطوير نماذج بديلة لمخرجات RO باستخدام برنامج Water Application Value Engine (WAVE)، مما يتيح توقعات دقيقة لمعدل تدفق المنتج، والمواد الصلبة الذائبة الكلية، وضغط التركيز بناءً على ظروف التشغيل المتغيرة. بالإضافة إلى ذلك، تم إجراء تقييمات دورة الحياة (LCA) لأنظمة VAWT وCAES وRO لتقييم آثارها البيئية، مع التركيز على إمكانات الاحتباس الحراري (GWP) وتكلفة المياه المستوية (LCOW)، مما يدعم التحسين متعدد الأهداف للنظام بأكمله.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.nexus.2026.100686
Publication Date: 2026-02-27
Author(s): Khalid M. Alzahrani et al.
Primary Topic: Membrane Separation Technologies
Overview
This study investigates the integration of vertical axis wind turbine (VAWT)-driven reverse osmosis (RO) systems with compressed air energy storage (CAES) to address renewable energy intermittency in decentralized water desalination. It introduces a novel framework that combines multi-objective optimization with life cycle assessment (LCA) to evaluate the technical, economic, and environmental performance of various configurations. By modeling six design variables and exploring 118,800 configurations, the research identifies key trade-offs among annual water production, levelized cost of water (LCOW), and global warming potential (GWP). Machine learning techniques were employed to develop surrogate models, facilitating the identification of Pareto-optimal solutions, while a TOPSIS analysis highlighted four scenarios aligned with diverse stakeholder priorities.
The findings indicate that the sizing and number of VAWTs significantly influence both LCOW and GWP. The optimization process yielded an LCOW-prioritized scenario with a cost of 1.39 US$/m³ and a GWP-prioritized scenario with a footprint of 0.70 kg CO₂eq/m³. This research not only provides a comprehensive decision-making tool for renewable-powered desalination but also identifies critical sustainability hotspots, such as capital-intensive VAWT infrastructure, where future efforts can effectively reduce costs and emissions. The study suggests that subsequent research should focus on mitigating wind variability, enhancing energy storage efficiency, and optimizing mechanical couplings to improve the practical application of VAWT-CAES-RO technology in water-stressed regions.
Introduction
The introduction of this research paper addresses the urgent global issue of freshwater scarcity, exacerbated by population growth, industrial demands, and climate change, which has left over 2.2 billion people without access to safe drinking water as of 2022. The World Resources Institute projects that by 2050, 51 countries will experience severe water stress, particularly in regions lacking adequate water infrastructure. Desalination, especially through reverse osmosis (RO), is highlighted as a crucial method to augment freshwater supplies, yet it faces significant challenges due to its high energy consumption and environmental impact, primarily when powered by fossil fuels.
The paper proposes a novel configuration integrating vertical axis wind turbines (VAWTs), compressed air energy storage (CAES), and RO systems to create a sustainable desalination solution. This approach aims to mitigate the complexities and costs associated with traditional renewable energy systems that often rely on batteries for energy storage. The study emphasizes the need for multi-objective optimization and life cycle assessment (LCA) to evaluate the performance of the VAWT-CAES-RO system, focusing on maximizing water production, minimizing costs, and reducing carbon emissions. The research aims to fill a gap in existing literature by providing a comprehensive evaluation of this integrated system, utilizing advanced modeling and optimization techniques to address real-world constraints and enhance the feasibility of sustainable desalination technologies.
Methods
The methodology section of the study employs a cradle-to-gate Life Cycle Assessment (LCA) following ISO 14,040 and 14,044 standards, utilizing SimaPro 10 software and the Ecoinvent 3.10 database for comprehensive environmental impact evaluation. The assessment focuses on the Vertical Axis Wind Turbine – Compressed Air Energy Storage – Reverse Osmosis (VAWT-CAES-RO) system, encompassing all stages from resource extraction to production, while excluding downstream activities like water distribution. The ReCiPe midpoint (H) method is used to evaluate 18 impact categories, particularly emphasizing Global Warming Potential over a 100-year horizon (GWP100) to quantify greenhouse gas emissions.
Additionally, the Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution (TOPSIS) is employed to identify optimal configurations from the multi-objective optimization results. Four scenarios are analyzed, each prioritizing different objectives—annual water production (Q_p), levelized cost of water (LCOW), and GWP—with varying weight distributions. The analysis includes a detailed breakdown of LCOW and GWP for each scenario, considering capital expenditures (CAPEX) and operational expenditures (OPEX) over a 25-year lifespan. This breakdown facilitates a comparative evaluation of economic and environmental performance, highlighting sustainability trade-offs and identifying hotspots within the configurations.
Results
The results of the study are organized into four main sections: surrogate models for reverse osmosis (RO) units, life cycle assessment (LCA) findings, surrogate models for the entire system focusing on three objectives, and multi-objective optimization results complemented by TOPSIS analysis. The LCA results indicate that the global warming potential (GWP) of vertical axis wind turbines (VAWTs) increases with size, with emissions of 3357.72 kg CO₂eq for small units and 21,619.29 kg CO₂eq for large units. However, the GWP per kW decreases as size increases, reflecting improved energy efficiency. The cumulative GWP of the system is significantly influenced by the air compressors and the frequent replacement of RO membranes, emphasizing the need for sustainable design choices.
The surrogate models developed for annual water production (Q_p), levelized cost of water (LCOW), and GWP demonstrate high accuracy, with root mean square errors (RMSE) of 250, 0.03, and 0.016, respectively. The analysis reveals that the number of VAWTs and their size are critical factors influencing both Q_p and LCOW, with optimal configurations identified through multi-objective optimization using a genetic algorithm. The TOPSIS analysis further refines these findings by evaluating four scenarios based on stakeholder preferences, highlighting trade-offs between maximizing Q_p and minimizing LCOW and GWP. The results indicate that the VAWT-CAES-RO system offers competitive LCOW and significantly lower GWP compared to conventional desalination methods, demonstrating its potential for sustainable and efficient water production.
Discussion
The VAWT-CAES-RO system integrates vertical axis wind turbines (VAWTs), compressed air energy storage (CAES), and reverse osmosis (RO) desalination to provide a sustainable solution for water production in remote off-grid communities. The VAWTs convert wind energy into mechanical torque, which drives an air compressor to store energy in a compressed air tank. This stored energy subsequently powers a high-pressure pump that facilitates seawater desalination through the RO unit, effectively eliminating the need for electrical generators or batteries. Simulations conducted using MATLAB/Simulink allow for performance analysis and optimization, incorporating detailed sub-models for each component and utilizing site-specific wind data and seawater characteristics.
The CAES subsystem serves as a buffer to stabilize the energy supply to the RO unit, maintaining a consistent air pressure between 8 and 11 bar, which is crucial for optimal RO performance. The RO subsystem employs the Seamaxx-440 membrane, with design variables such as the number of RO elements and pressure vessels being optimized for efficiency. Surrogate models for the RO outputs were developed using the Water Application Value Engine (WAVE) software, enabling accurate predictions of product flow rate, total dissolved solids, and concentrate pressure based on varying operational conditions. Additionally, life cycle assessments (LCA) were performed for the VAWT, CAES, and RO subsystems to evaluate their environmental impacts, with a focus on global warming potential (GWP) and levelized cost of water (LCOW), thereby supporting the multi-objective optimization of the entire system.