4.1 – Il fabbisogno energetico degli impianti SWRO
Come è stato descritto nei capitoli precedenti, data l’era di scarsità di acqua in cui viviamo sono sempre di più i Paesi che si stanno interessando alla tecnologia di dissalazione dell’acqua di mare. Il consumo energetico elevato è un problema inevitabilmente associato a questo processo: in letteratura sono riportati valori del consumo specifico di energia (SEC) per i processi SWRO tra 2.5-4.0 kWh/m3 mentre quelli per un impianto SWRO su scala reale sono di circa 3.5-4.5 kWh/m3, compresi i processi di pre e post trattamenti.
All’elevato fabbisogno energetico è legato anche un maggior uso di combustibili fossili e, quindi, la generazione di gas a effetto serra come la CO2 che possono contribuire al cambiamento climatico.
Tuttavia, il valore teorico di energia specifica minima per la dissalazione dell’acqua di mare (TDS=35000 mg/l) con un recupero del 50% è di 1.07 kWh/m3; questo dato fa capire che esiste un ampio margine per il miglioramento del processo sotto il profilo energetico che consentirebbe di:
- rendere la dissalazione un processo a bassa “carbon footprint” (tanto che la Global Clean Water Desalination Alliance ha lanciato il concetto di “H2O-CO2” con lo scopo di ridurre le emissioni di CO2 dal processo dissalatore) [44];
- ridurre il costo unitario dell’acqua dissalata prodotta che è strettamente correlato ai costi energetici dell’impianto.
Per ridurre il consumo di energia è prima necessario capire quali sono i fattori principali che influenzano i valori SEC dei processi SWRO in modo da attivare opportune strategie.
Il tipico impianto di dissalazione SWRO (figura 40) è costituito da una prima fase di pretrattamenti (per rimuovere le particelle e i solidi sospesi nell’alimentazione), successivamente si entra nel sistema di RO che opera ad elevate pressioni di esercizio per superare la pressione osmotica dell’acqua di mare per cui è impiegata una pompa ad alta pressione (HPP); dopo il modulo RO si ottiene acqua dolce dissalata, che necessita di post trattamenti di remineralizzazione, e la salamoia che, prima di essere scaricata in mare, è generalmente inviata in un dispositivo di recupero energetico (ERD) che permette di recuperare la sua energia di pressione.
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Figura 40: Tipico schema di impianto di dissalazione ad osmosi inversa [44]
Il consumo specifico dell’impianto SWRO dipende da svariati fattori come: la salinità dell’acqua di alimentazione, la qualità e la quantità del prodotto finale, la performance della membrana e l’efficienza delle pompe (HPP, BP) e del tipo di dispositivo ERD usati. Di seguito saranno analizzati alcuni dei fattori principali.
Figura 41: SEC di un impianto SWRO con diversi tipi di ERD. FT: turbina Francis. PT: Turbina Pelton. DWEER:
recupero energetico dello scambiatore a doppio lavoro. PX: scambiatore di pressione. [44]
Nel corso degli anni l’efficienza energetica degli impianti SWRO è aumentata grazie all’introduzione di dispositivi di recupero energetico. Gli ERD sono essenziali per ridurre il SEC in un sistema RO, quindi sono stati fatti molti sforzi per poter aumentare la loro efficienza: nelle prime applicazioni si usavano turbine Francis (FT) e Pelton (PT) che non avevano alte efficienze a causa della doppia conversione di energia (dall’energia idraulica della salamoia si passava a quella meccanica per ruotare l’albero e poi nuovamente in idraulica nell’alimentazione) ma, come si vede dal grafico in figura 41, negli ultimi anni si
68 ricorre a ERD isobarici come gli scambiatori di pressione (PX) che hanno efficienze maggiori al 95% 8 e hanno permesso di portare il SEC di un impianto SWRO tra 3.0-5.3 KWh/m3.
Figura 42: Effetto della capacità sulla SEC degli impianti SWRO. L'efficienza delle pompe è influenzata dalla capacità dell'impianto. PI: intervallo di previsione. CI: intervallo di confidenza. [44]
Figura 43: Capacità degli impianti di dissalazione SWRO. MENA: Medio Oriente e Nord Africa. [44]
L’efficienza delle pompe HPP e BP è determinante per il consumo energetico dell’intero sistema e può essere migliorata aumentando le loro dimensioni (cioè la portata di fluido che evolve al loro interno): un impianto SWRO con una capacità grande è vantaggioso nella riduzione del SEC, come si vede anche dalla linea di tendenza del grafico in figura 42 che diminuisce all’aumentare della capacità.
In questo modo, si spiega anche l’andamento in figura 43 che riporta la crescita della capacità installata degli impianti costruiti a partire dal 1980 [44].
È necessario sottolineare che, però, i grandi impianti SWRO richiedono diverse stazioni di pompaggio, quindi negli ultimi anni non si tende più a realizzare impianti eccessivamente grandi; si può affermare che si è raggiunto un livello massimo di espansione della loro capacità che si aggira attorno ai 200000 m3/giorno (figura 43).
Per ridurre il consumo energetico degli impianti RO si potrebbe pensare di:
- diluire il feed: un’alimentazione caratterizzata da un’elevata salinità possiede una maggiore pressione osmotica, quindi è necessario applicare una pressione idraulica più elevata per la produzione di acqua dissalata che comporta un aumento del SEC dell’impianto; recentemente è stato sviluppato un metodo che prevede di diluire il
8 Si veda il paragrafo 2.11
69 feed del processo RO tramite l’integrazione con la Forward Osmosis (FO) che è usata per la bonifica delle acque reflue ma, al momento, mancano studi di fattibilità approfonditi;
- migliorare l’efficienza energetica dei dispositivi di recupero di energia ma, se si considera l’attuale livello di sviluppo tecnologico raggiunto (alcuni PX hanno µPX=98%), si capisce che si sono praticamente già raggiunti i massimi livelli di efficienza;
- recuperare l’abbondante energia osmotica presente nella salamoia concentrata tramite l’integrazione con il processo di osmosi ritardata da pressione [44].
Tra tutte, l’opzione che al momento sembra essere la più promettente è proprio quella che prevede il processo ibrido SWRO-PRO che verrà analizzato sotto il profilo energetico nel prossimo paragrafo.
4.2 – Processo integrato RO-PRO: il profilo energetico
Nel paragrafo precedente si è visto che i provvedimenti impiegati fino ad ora per la riduzione del consumo energetico di un impianto di dissalazione ad osmosi inversa erano mirati all’aumento del fattore di scala degli impianti e al miglioramento dell’efficienza energetica dei dispositivi ERD ma entrambi hanno praticamente raggiunto il livello di saturazione.
Tuttavia, una zona che può essere ancora ampiamente investigata e che negli ultimi anni è stata oggetto di numerosi studi e pubblicazioni è quella che prevede l’integrazione dei processi SWRO-PRO con l’obiettivo di ridurre al minimo il consumo specifico di energia del processo RO grazie all’utilizzo (nella sezione PRO) dell’energia osmotica della corrente concentrata [45].
Per far vedere la grande potenzialità del processo ibrido RO-PRO rispetto al semplice processo SWRO di seguito si analizzeranno tre configurazioni:
- il processo RO stand-alone (figura 44);
- il processo RO-PX1, per il recupero dell’energia di pressione della salamoia (figura 45);
- il processo RO-PX1-PRO (processo integrato), per il recupero dell’energia di pressione (nel PX1) e osmotica (PRO) della salamoia (figura 46).
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Figura 44: Configurazione 1, RO stand-alone
Figura 45: Configurazione 2, RO-PX1
Figura 46: Configurazione 3, RO-PX1-PRO
In tutti i sistemi valgono le considerazioni fatte nei paragrafi 3.2 e 3.3:
- la temperatura di processo è costante e pari a 30°C;
- la concentrazione dell’acqua di mare è pari a 4.3%;
- NaCl è l’unico soluto disciolto in soluzione (è un’ipotesi accettabile poiché NaCl costituisce l’86% del TDS dell’acqua di mare);
- non si prendono in considerazione i pre e post trattamenti;
- si considerano i seguenti valori per l’efficienza delle pompe: ηHP=85%, ηBP=75%
[46];
71 - si considera un valore di 1000 m3/h come portata di alimentazione;
- si lavora con un fattore di recupero del 40%;
- si considerano i risultati ottenuti dai bilanci di materia riportati nelle tabelle 6,7,8.
Nella configurazione 1 l’intero feed (1000 m3/h) costituito da acqua di mare pretrattata è pressurizzato fino a 70 bar tramite la pompa ad alta pressione (HP) ed è inviato al modulo di osmosi inversa.
Nella configurazione 2 il feed pretrattato (PSW) è diviso in due correnti: la prima PSW1
(390 m3/h) è mandata tramite la pompa ad alta pressione (HP) alla pressione di esercizio di RO (70 bar), la seconda corrente PSW2 (610 m3/h) entra nello scambiatore di pressione PX1
in ugual quantità alla salamoia in uscita dal modulo RO (HP/BR). Nel PX1 la salamoia (che con buona approssimazione si trova alla pressione di esercizio di RO) scambia la sua energia di pressione con l’acqua PSW2 in arrivo (alla pressione atmosferica), all’uscita la corrente PSW2 avrà una pressione di 66 bar mentre la salamoia a bassa pressione (1 bar) viene scaricata. Per portare PSW2 a 70 bar si utilizza la pompa booster BP1. Infine, i flussi PSW1
e PSW2 si ricongiungono ed entrano nel modulo di osmosi inversa.
Nella configurazione 3 l’acqua di mare di alimentazione è divisa in due flussi: il primo PSW1 (60 m3/h) è diretto all’RO ed è pressurizzato fino a 70 bar tramite HP; il secondo flusso PSW2 (940 m3/h) è inviato allo scambiatore di pressione PX2 che permette di recuperare parte della pressione dell’acqua salmastra HP/BW in uscita dal modulo PRO alla pressione di 30 bar. PSW2 in uscita da PX2 avrà aumentato la sua pressione fino a 28 bar e viene divisa in due: una parte PSW2-2 (330 m3/h) è mandata tramite la BP3 all’unità RO mentre il resto PSW2-1 (610 m3/h) è diretto allo scambiatore PX1 per recuperare l’energia di pressione della salamoia (HP/BR). Nello scambiatore (PX1) PSW2-1 aumenta la sua pressione da 28 fino a 66 bar e, tramite la pompa booster BP1, si uniforma la sua pressione a quella di esercizio in RO (70 bar).
I tre flussi (PSW1, PSW2-1, PSW2-2) sono quindi miscelati ed entrano in RO per produrre acqua dissalata (FW, 390 m3/h) e salamoia (HP/BR, 610 m3/h). Dopo il passaggio attraverso il PX1 la salamoia (LP/BR) è a 29 bar, quindi la sua pressione viene aumentata fino a 30 bar (pressione di esercizio di PRO) tramite la pompa BP4 e viene utilizzata come soluzione draw nell’unità PRO. Qui la soluzione di alimentazione diluita è acqua depurata (330 m3/h) che viene inviata all’interno della sezione PRO ad una pressione di 5 bar tramite la pompa BP2.
72 Il flusso di acqua salmastra in uscita da PRO (HP/BW, a 30 bar) è quello usato nel PX2 da cui, poi, uscirà a pressione ambiente e verrà diretto verso lo scarico.
Per i calcoli inerenti agli scambiatori di pressione delle configurazioni 2, 3 si considera l’efficienza definita come [46]:
𝜂𝑃𝑋 = 𝑃𝐻𝑃𝑆𝑜𝑢𝑡 𝑃𝐻𝑃𝑆𝑖𝑛
(21)
dove PHPS è la pressione del flusso ad alta pressione mentre gli indici in,out indicano se si considera il flusso in ingresso o in uscita.
Ponendo ηPX=95% ed essendo note le pressioni delle correnti in ingresso si trovano le pressioni dei flussi in uscita riportate nella tabelle sottostanti:
Tabella 10: Correnti e pressioni in-out scambiatori di pressione nelle configurazioni 1, 2
Per ricavare il consumo energetico specifico (SEC, [kWh/m3]) di ogni configurazione si utilizzerà l’equazione (22) [45]:
𝑆𝐸𝐶 = 𝑃𝑝𝑜𝑚𝑝𝑒𝑇𝑂𝑇 [𝑘𝑊]
𝑄𝐹𝑊 [𝑚3/ℎ]
(22)
Dove QFW corrisponde alla portata di acqua dissalata prodotta (in questo caso 390 m3/h) e 𝑃𝑝𝑜𝑚𝑝𝑒𝑇𝑂𝑇 è la somma della potenza consumata da ogni pompa [45]:
PSW2-out 610 66 PSW2-1-out 610 66
HP/BWin 940 30
73 I risultati ottenuti da ogni configurazione sono in tabella 11:
Tabella 11: Risultati considerazioni energetiche nelle configurazioni 1, 2, 3
Dai risultati si nota che con il recupero dell’energia di pressione della salamoia (config.2) si recupera il 56% della potenza che sarebbe necessaria nella configurazione 1 e nel processo integrato in cui si effettua anche il recupero dell’energia osmotica della salamoia il recupero sale al 63%. Naturalmente, anche dal punto di vista del consumo energetico specifico il processo più conveniente è indubbiamente il terzo, caratterizzato da un SEC=2.13 kWh/m3 contro i 2.52 kWh/m3 del processo RO-PX1 e i 5.8 kWh/m3 nel processo RO stand alone.
Grazie alla tabella 11 appare evidente l’enorme potenzialità che ha il processo integrato SWRO-PRO per la riduzione del fabbisogno energetico dei processi di dissalazione che, inevitabilmente, si riflette anche sul costo del prodotto finale come verrà analizzato nei prossimi paragrafi.
4.3 – L’impianto di dissalazione Fujairah 2
Figura 47: Localizzazione dell'impianto Fujairah 2 [47]
Figura 48: Organizzazione dell'impianto Fujairah 2
Fujairah è uno dei sette Emirati, situato sulla costa orientale degli Emirati Arabi Uniti sul Golfo di Oman. Il paese sta affrontando una forte crescita demografica con un conseguente aumento della domanda di elettricità e di acqua potabile. L’impianto di dissalazione ad osmosi inversa di Fujairah 2 (F2) fa parte del più grande impianto di dissalazione ibrida al
PHP,
Configurazione 3 135 90 49 513 45 832 63 2.13
74 mondo, essendo collegato a una centrale elettrica di 2 MW e ad un impianto di dissalazione termico (MED) da 450000 m3acqua/giorno con una produzione totale di 591000 m3/giorno.
136500 m3/giorno sono prodotti attraverso il processo di osmosi inversa e sono in grado di soddisfare la richiesta di acque di 600000 A.E.
L’organizzazione dell’impianto è rappresentata in figura 48: a seguito di adeguati pretrattamenti l’acqua arriva nella sezione RO dove vengono impiegate membrane in poliammide spiral-wound e il permeato prodotto subisce due passaggi di RO; come dispositivi di recupero di energia sono impiegate turbine Pelton con un’efficienza dell’87%.
Successivamente il permeato prodotto dall’impianto RO è miscelato con il distillato proveniente dal processo MED e subisce opportuni post-trattamenti così da ottenere acqua potabile secondo le disposizioni del “Drinking Water Regulations” e, infine, avviene lo stoccaggio finale in quattro serbatoi da 100000 m3 adiacenti all’impianto.
Le caratteristiche dell’acqua di mare prelevata, della qualità del prodotto finale e le informazioni generali del processo RO di Fujairah 2 sono riportate nella tabella sottostante [47]:
Tabella 12: Principali caratteristiche del processo nell'impianto Fujairah 2
Volendo verificare la potenzialità del processo integrato RO-PRO (figure 36,46) per l’impianto Fujairah 2 si ripetono i calcoli svolti nei paragrafi 3.3 e 4.2 adattandoli ai nuovi dati (i risultati ottenuti sono riportati in tabella 13)
FUJAIRAH 2 Flusso, Q
75
Tabella 13: Risultati calcoli bilanci di materia ed energia del processo integrato RO-PRO adattato all'impianto Fujairah 2
Pensando di sostituire i dispositivi di recupero energetico attualmente disponibili (turbine Pelton) con scambiatori di pressione con ηPX=95% (definita secondo l’equazione (21)) e considerando i rendimenti delle pompe ηHP=80 % e ηBP=75%, si calcola il nuovo valore di SEC della sezione RO tramite l’equazione (22):
Tabella 14: Calcolo potenza consumata e SEC del processo integrato RO-PO
Confrontando i risultati ottenuti con i dati in tabella 12 si nota che, grazie all’integrazione del processo PRO, si ha una notevole diminuzione del valore del consumo energetico specifico del processo di osmosi inversa.
Naturalmente, nei calcoli svolti in questo paragrafo sono state fatte delle semplificazioni quindi i risultati ottenuti sono puramente indicativi in quanto il SEC calcolato tiene conto della sola potenza consumata dalle pompe (che come si è visto nel paragrafo 4.1 tendono ad aumentare il consumo energetico dell’impianto). Per una visione globale vanno considerati anche i consumi di tutti gli altri componenti dell’impianto, dei pre e post trattamenti e dei
Acqua di mare
Acqua depurata FW 1 28 0 116025 1
Acqua salmastra
ad alta pressione HP/BW 30 28 4.3 334525
Acqua salmastra a
76 processi di pulizia delle membrane, tuttavia dai risultati in tabella 14 è certamente possibile affermare che la realizzazione di un processo ibrido RO-PRO consente di diminuire il fabbisogno energetico complessivo del processo di dissalazione e, conseguentemente, permette anche di ottenere un prodotto finale con un costo unitario inferiore.
4.4 – La riduzione del costo unitario dell’acqua dissalata prodotta
I fattori principali che determinano il costo unitario dell’acqua prodotta sono correlati alla scelta della tecnologia (MED, MSF, SWRO), alle dimensioni dell’impianto e la sua configurazione, al costo dell’energia, alla qualità dell’acqua di alimentazione e di prodotto e ai requisiti di conformità ambientale (che nella maggior parte dei casi dipendono dall’area specifica in cui sorge l’impianto). I costi complessivi sono diminuiti rapidamente nel corso degli anni sia per i processi termici ma in particolar modo per l‘osmosi inversa (i grafici nelle figure 49 e 50 riportano l’andamento del costo unitario dell’acqua dissalata prodotta tramite RO nell’arco temporale dal 2000 al 2015 e in relazione alla capacità dell’impianto e per due zone geografiche differenti).
Figura 49: Costo dell'acqua prodotta dall'osmosi inversa nelle regioni del mediterraneo e del Golfo Arabico e Golfo di Oman) in funzione della capacità, . Dati adattati da [48]
77
Figura 50: Costo dell'acqua prodotta dall'osmosi inversa nelle regioni del mediterraneo e del Golfo Arabico e Golfo di negli anni. Dati adattati da [48]
Un fattore che ha un’influenza significativa sul costo generale dell’acqua dissalata è la dimensione dell’impianto, infatti nella maggior parte delle tecnologie di dissalazione ci sono economie di scala (figura 49). Storicamente la dimensione ottimale di un impianto SWRO è tra 100000-200000 m3/giorno (con costi di produzione di circa 1 $/m3) dato che l’economia di scala diminuisce per impianti più grandi di 200000 m3/giorno come si evince dalla figura 51. Impianti SWRO con capacità maggiori di 200000 m3/giorno sono costruiti tramite il parallelo di sistemi di dissalazione da 100000-200000 m3/giorno che condividono intake e uscita.
Per le tecnologie basate sull’osmosi inversa la qualità dell’acqua di alimentazione incide sui costi, sulle prestazioni e sulla durata dell’impianto: all’aumentare della salinità e della temperatura del feed aumenteranno anche i costi di pre e post trattamento.
Figura 51: La dimensione ottimale per gli impianti SWRO è tra 100-200 MLD [48]
78 Nella figura 52 sono riportate le principali voci di costo negli impianti SWRO che influiscono sul prezzo del prodotto finale (0.76 $/m3 nel 2018). Si nota che le due voci di costo più grandi sono l’energia (che influisce per il 31.6% sul costo finale) e i costi di recupero del capitale (che influiscono per il 38.2%); il restante 30.2% è ripartito tra i costi variabili come il costo delle membrane, dei prodotti chimici e costi di O&M.
Figura 52: Ripartizione delle voci di costo in un impianto SWRO [48]
Figura 53: Riduzione del consumo energetico impianti RO dal 1970 al 2010 [48]
Al fine di ridurre ulteriormente il costo della dissalazione, bisogna intervenire sulle voci che influiscono in misura maggiore sul costo unitario del prodotto finale ma, considerando l’ambito di interesse della tesi, ci si concentrerà solo sulla parte energetica.
Come emerge dai dati riportati in figura 53 l’osmosi inversa, nel corso degli anni, ha richiesto un apporto energetico via via inferiore passando da un massimo di 16 kWh/m3 del 1970 all’attuale range di 2.55-5 kWh/m3. Questo è stato possibile grazie alle continue innovazioni tecnologiche nei pretrattamenti, nel design dei filtri e delle membrane e nei dispositivi ERD che hanno permesso di ottenere un trend decrescente del costo dell’acqua dissalata (figure 49, 50) [48].
Nei paragrafi precedenti si è visto come il processo integrato RO-PRO sia un’alternativa percorribile per la riduzione del consumo specifico del processo RO (SEC, [kWh/m3]) per valori del 40-50%.
Per analizzare, in prima approssimazione, l’influenza della diminuzione consumo energetico sul costo unitario del prodotto finale si può fare riferimento ai dati più recenti trovati in letteratura che indicano come negli ultimi 15 anni il costo dell’acqua dissalata abbia subito
79 numerose oscillazioni senza scendere mai al di sotto dei 0.53 $/m3 [49]. Sapendo che l’energia influisce per il 31,6% sul costo finale, si può scomporre il costo dell’acqua:
𝑐𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑎𝑐𝑞𝑢𝑎[$/𝑚3] = 𝑠𝑝𝑒𝑠𝑎 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑒𝑡𝑖𝑐𝑎 [$/𝑚3] + 𝑎𝑙𝑡𝑟𝑖𝑓𝑎𝑡𝑡𝑜𝑟𝑖 [$/𝑚3] (24) 0.53 $/𝑚3 = 0.17 $/𝑚3+ 0.36 $/𝑚3
considerando una riduzione del consumo energetico nel processo integrato del 50% si ottiene che la spesa energetica diminuisce a 0.09 $/m3 mentre quella degli altri fattori resta invariata, portando il costo complessivo a 0.45 $/m3. Quindi, ricorrendo al processo RO-PRO si riesce a oltrepassare quella che fino ad oggi è stata la barriera di 0.53 $/m3.
In generale, si prevede che le tendenze attuali nella riduzione dei costi della dissalazione continueranno nel prossimo futuro. Si immagina che nei prossimi 20 anni, grazie al continuo sviluppo tecnologico delle membrane impiegate e al consolidamento della tecnologia PRO, la tecnologia di riferimento sarà proprio l’osmosi inversa e che i costi di tale trattamento subiranno una riduzione fino al 60%.
Tabella 15: Previsioni di alcuni parametri per impianti SWRO di medie e grandi dimensioni [48]
Stando alle previsioni riportate in tabella 15 è ragionevole pensare che la sfida globale di Awerbuch di “trovare nuove soluzioni per portare il prezzo dell’acqua dissalata ad un livello di 0.25 $/m3 ogni 1000 litri di acqua prodotta [50]” sia sempre più raggiungibile.
4.5 – Sviluppi futuri
Il mondo della dissalazione è in continua evoluzione e alla ricerca di una sinergia tra processo industriale, uso delle risorse e attenzione all’ambiente: un esempio inequivocabile è sicuramente l’impianto Keppel Marina East Desalination Plant (KMEDP) ufficialmente inaugurato il 4 febbraio 2021 a Singapore. Il KMEDP è il quarto impianto presente sull’isola ed è unico nel suo genere in quanto rappresenta il primo impianto di dissalazione dual-mode su larga scala al mondo che è in grado di trattare alternativamente sia acqua dolce che acqua di mare a seconda delle condizioni metereologiche. L’impianto è collocato in prossimità del bacino idrico della Marina Reservoir e del mare, ha una capacità di 137000 m3/giorno ed è
80 dotato di doppi intakes in modo tale che durante la stagione secca, quando il livello nel serbatoio urbano della Marina Reservoir è basso, nell’impianto venga mandata acqua di mare mentre quando il livello nel serbatoio urbano è alto venga trattata acqua dolce, consentendo
80 dotato di doppi intakes in modo tale che durante la stagione secca, quando il livello nel serbatoio urbano della Marina Reservoir è basso, nell’impianto venga mandata acqua di mare mentre quando il livello nel serbatoio urbano è alto venga trattata acqua dolce, consentendo