Esempio di impianto ORC MED con apporto di energia solare

Da qualche decennio la captazione e conversione dell’energia solare ha raggiunto un appropriato livello di consolidazione tecnologica, tanto che vi è un aumento del numero di applicazioni accop- piabili alla generazione di energia dalla fonte solare. Solitamente nei paesi maggiormente affetti da siccità e da scarsità di acqua dolce si riscontrano i più alti valori di insolazione, con anche il più alto numero di ore equivalenti; è risaputo che le zone geografiche in questo questione appartengono alle fasce climatiche con stagioni calde tra le più intense e caratterizzate da basse precipitazioni. Ciò pone le condizioni per prevedere, nei territori urbanizzati colpiti da siccità, l’installazione di impianti dissalativi alimentati da collettori solari o, più in generale, alimentati da dispositivi di conversione dell’energia solare, garantendo così una riduzione della spesa energetica ed eventual- mente economica, nel caso i risparmi di combustibile bruciato superassero i costi di installazione dell’impianto rinnovabile. Sono possibili due metodologie di sfruttamento dell’energia solare nei processi di dissalazione:

• conversione dell’energia solare in energia elettrica tramite moduli fotovoltaici o tramite im- pianti solar power (CSP: Concentrating Solar Power, ovvero produzione di potenza elettrica attraverso un ciclo termodinamico alimentato dalla fonte solare) che forniscano l’energia elettrica all’azionamento che sostiene un processo di dissalazione meccanico.

• captazione dell’energia solare e trasmissione del calore raccolto in un fluido di servizio che alimenta un processo di dissalazione termico

Negli ultimi anni sono state proposte sia soluzioni di desalinizzazione solare diretta (Solar still, So- lar Chimney, Solar Humidification-DeHumidification) [25] che soluzioni di desalinizzazione solare

indiretta (Solar MED, Solar MSF, Solar VCD, Solar Pond per i sistemi termici e Solar RO, Solar ElectroDialysis, Solar Membrane Desalination per i sistemi a membrana). Al momento la comu- nità scientifica riconosce il gran potenziale che ha la dissalazione solare, tuttavia non ha ancora avuto una diffusione su scala industriale: ciò a causa del fatto che la tecnologia esistente seppur tecnologicamente realizzabile, prevede dei costi di produzione dell’acqua dolce non competitivi con le tecnologie convenzionali di dissalazione termica e a osmosi inversa.

Dalla letteratura tecnica sull’argomento si può affermare che tra tutte le possibili configurazioni di connessione tra sistema di dissalazione dell’acqua di mare e impianto solare di potenza, la com- binazione con solar field come sorgente termica e MED come impianto di dissalazione è la più promettente[26].

Rispetto ad un sistema MSF un MED richiede metà dell’energia elettrica per azionare i sistemi di pompaggio e circa la stessa energia termica dalla sorgente con la differenza che un MED richiede una sorgente di qualità inferiore (si passa dai 70°C di TBT di un MED ai 120°C di TBT di un MSF per avere prestazioni paragonabili). Nel corso degli ultimi anni sono stati realizzati numerosi impianti pilota di dissalazione solare implementando PTCs (Parabolic Through Concentrators), collettori solari sotto vuoto e colletori solari piani. Per grosse capacità fu realizzata nel 1985 un’u- nità MED da 6000 m3_{/day alimentata da un sistema di PTCs nel Golfo Arabico [27]}

Per taglie piccole è stato realizzata un’unità MED da 14 effetti con una capacità da 40 m3_/day

alimentata da collettori a tubi sottovuoto, costruito nei Caraibi Francesi. La letteratura mostra chiaramente come sia possibile optare per diversi tipi di accoppiamento campo solare - MED in base ai volumi di acqua potabile/dissalata e i vari impianti pilota realizzati forniscono indicazioni vitali per lo sviluppo di questa tecnologia. Resta tuttavia da proseguire l’investigazione di queste soluzioni tecniche anche a livello teorico e a livello di simulazioni. Citando l’articolo di Sharaf, Nafey e al. [28] si può avere un’idea delle caratteristiche di un impianto integrato ORC-MED a energia solare sulla base delle condizioni idriche e climatiche della regione del Golfo di Suez. In questo lavoro si sfrutta il calore da smaltire al condensatore dell’ORC per alimentare il primo effetto del MED (dimensionato in modo da produrre 100 m3_/day).

Il generatore di vapore dell’ORC è alimentato da un campo di collettori solari che captano e veico- lano l’energia solare nel fluido di lavoro (Therminol - VP 1). In primo luogo gli autori optano per effettuare un’analisi exergetica dell’impianto proposto per poi verificarne la fattibilità economica stimando una vita utile dell’impianto pari a 20 anni, attualizzando gli introiti e le spese con un tasso di sconto del 5%. Gli autori valorizzano l’energia elettrica con un prezzo di 0,06 $/kWh I parametri di lavoro imposti dagli autori sono:

Località regione del Golfo di Suez -

Duratà del giorno 10.37 h

Irradianza solare media giornaliera 21.76 MJ/m2

Acqua distillata prodotta 100 m3_/day

Temperatura di Inlet Acqua di alimento 25 °C

Salinità acqua di alimento 42000 ppm

Temperatura di scarico brina 40 °C

Salinità di scarico della brina 70000 ppm

Numero effetti MED 16 -

Temperatura ambiente 20 °C

Temperatura outlet PTC 350 °C

Fluido organico evolvente nel ciclo di potenza Toluene - Fluido di scambio termico Therminol VP-1 -

Top Brine Temperature (TBT) 70 °C

Efficienza turbina ORC 85 %

Efficienza generatore ORC 95 %

Efficienza pompa ORC 75 %

Modello di PTC installato LS-3 -

Area complessiva collettori 1353 m2

Potenza elettrica prodotta 56,76 kWelett

Il lavoro in questione si conclude affermando che una tale scelta delle taglie (100 m3_{/day di acqua}

dissalata e 60 kWelett) risulta poco conveniente dal punto di vista economico a causa degli alti

costi specifici sia del campo solare sia dei componenti di potenza e del sistema di dissalazione tanto che si ottiene un TWP (Total Water Price) di 5 $/m3 _{di acqua prodotta; dirigendosi verso taglie}

più consistenti (migliaia di m3 _{di acqua desalinizzata e MW di potenza elettrica - nell’articolo si}

esamina un caso studio da 4,8 MWelett e 5000 m3/day) il TWR si riduce a 1,845 $/m3.

Il risultato è interessante e indica la direzione verso cui questa tecnologia deve indirizzarsi per rag- giungere traguardi interessanti, tuttavia l’autore sottostima i costi di produzione dell’acqua sopra riportati in quanto non tiene conto di alcuni costi diretti e indiretti legati all’effettiva installazione e realizzazione dell’intero impianto (viene trascurato il piping del MED e vengono ignorati tutti i costi extra componente dell’ORC). Si noti come i costi di produzione dell’acqua indicati (ovvero

Figura 3.4: Schema di un sistema cogenerativo MED-ORC alimentato a energia solare

il valore oltre cui conviene vendere l’acqua per avere un ritorno nell’investimento economico) ri- sultino ben più alti dei valori normalmente indicati relativamente alla tecnologia al momento più competitiva: l’osmosi inversa, con la quale, generalmente, si riesce a scendere fino al valore di 0,8 $/m3_.