Solare

Come precedentemente accennato, l’energia solare `e la pi`u diffusa per l’accoppia- mento con le tecnologie di dissalazione. Le regioni del mondo dove maggiormente si presenta il problema della scarsit`a d’acqua potabile, come i paesi africani e asiatici e la regione MENA, caratterizzata da climi semi aridi e soleggiati, sono spesso an- che quelle con i maggiori valori di intensit`a di radiazione solare, con irraggiamento solare globale medio di 5-7 kWh/m2_{giorno [11]. Inoltre il picco dell’energia solare}

si presenta durante le stagioni estive, nelle quali `e pi`u alta anche la domanda di acqua. Di conseguenza, lo sviluppo di tecnologie a energia solare accessibili, ine- sauribili e pulite avr`a significativi benefici a lungo termine. Aumenter`a la sicurezza energetica attraverso l’uso di una risorsa locale e indipendente dall’importazione, migliorer`a la sostenibilit`a, ridurr`a l’inquinamento, abbasser`a i costi di mitigazione dei cambiamenti climatici e manterr`a bassi i prezzi dei combustibili fossili [11].

Figura 2.10: Classificazione dei processi diretti e indiretti

I processi di dissalazione ad energia solare sono generalmente divisi in due ca- tegorie, sistemi diretti e indiretti. Nei primi l’intercettazione della radiazione e la dissalazione avvengono nello stesso dispositivo sfruttando l’effetto serra, come ac- cade nei Solar Still. Sono principalmente adatti a piccoli sistemi di produzione in regioni in cui la domanda di acqua dolce `e inferiore a 200 m3_{/giorno. Nei secondi,}

invece, l’impianto `e separato in due sottosistemi, il sistema di captazione dell’ener- gia solare e l’unit`a di dissalazione: l’energia solare `e usata per produrre calore e/o energia elettrica da fornire ad uno degli impianti descritti precedentemente [11][13]. I sistemi di dissalazione convenzionali sono ormai ampiamente commercializza- ti, sono tecnologicamente e operativamente maturi, di solito di grande capacit`a e relativamente compatti. Il loro funzionamento `e realizzato con l’utilizzo di energia termica (per metodi di distillazione) o con corrente elettrica (per metodi a membra- na). Per convertire l’energia solare in energia termica possono essere usati collettori piani (FPC), a tubi evacuati (ETC) o sistemi solari a concentrazione (Concentrated Solar Power (CSP)). I processi che invece richiedono energia elettrica (RO e ED) possono essere accoppiati con sistemi fotovoltaici (Photovoltaic (PV)).

Nei sistemi di piccola taglia possono anche essere usati i cosiddetti stagni solari o Solar Pond: sono bacini pieni di acqua salata dove incide la radiazione solare. In realt`a qualsiasi stagno con fondo nero `e in grado di captare l’energia solare, ma l’ef- ficienza di raccolta `e scarsa perch`e l’acqua riscaldata sul fondo sale per convezione verso l’alto, dove il calore viene rapidamente dissipato nell’ambiente. I movimenti convettivi possono essere minimizzati dalla presenza di un forte gradiente di densit`a dal basso verso l’alto. Questo gradiente pu`o essere generato usando un’alta con- centrazione di sali nella parte inferiore dello stagno e acqua a bassa salinit`a nella

parte superiore, come negli stagni solari.

Figura 2.11: Schema generale di un Solar Pond

Gli stagni solari sono poco profondi e la radiazione raggiunge facilmente il fon- do; quest’ultimo `e solitamente dipinto di nero per aumentare l’assorbimento della radiazione. Quando i raggi solari colpiscono il fondo dello stagno provocano un aumento della temperatura degli strati d’acqua adiacenti. La diminuzione di den- sit`a provocata dall’aumento di temperatura non `e sufficiente per far risalire l’acqua a causa dell’elevata salinit`a degli ultimi strati. Questa impossibilit`a di scambio, riduce le perdite termiche verso l’ambiente esterno, permettendo il raggiungimento di temperature molto elevate sul fondo (90°C) e basse sulla superficie (30°C). Gli stagni solari quindi sfruttano la loro grande capacit`a di accumulo termico con la captazione di energia solare per avere una struttura a tre strati: in quello superiore e inferiore sono presenti i moti convettivi e la temperatura e la salinit`a sono costan- ti. In quello intermedio si ha un gradiente di temperatura e salinit`a che impedisce la formazione di movimenti convettivi verso l’alto. Il calore accumulato nella parte inferiore pu`o essere estratto rimuovendo la salamoia dalla zona inferiore e raffred- dandola in uno scambiatore di calore esterno o inserendo uno scambiatore di calore all’interno della zona inferiore del Solar Pond. La grande capacit`a di accumulo pu`o essere sfruttata in modo continuo; gli stagni solari non fanno parte di una tipologia di processi di desalinizzazione vera e propria, ma sono delle apparecchiature che si possono integrare ai processi sopra menzionati (svolgono, ad esempio, una funzio- ne simile a quella dei collettori solari). Un vantaggio legato al grande accumulo presente `e quello di permettere di far funzionare gli impianti anche nei momenti di assenza di insolazione e di notte.

Struttura del sistema in esame

La zona geografica presa in esame `e compresa nel Middle East and North Afri- ca (MENA), una delle regioni del Mondo che sperimenta il maggior stress fisico e carenza d’acqua. Attualmente la gestione dell’acqua in questa zona `e pessima: l’ir- rigazione occupa l’81% dell’acqua estratta e molti paesi sfruttano eccessivamente le proprie falde acquifere fossili per soddisfare la crescente domanda di acqua. Niente di tutto questo `e sostenibile e le risorse idriche stanno diminuendo sempre di pi`u. L’acqua potabile in queste zone pu`o essere trasportata da navi cisterna o serbatoi o prodotta da piccole unit`a di dissalazione convenzionali utilizzando l’acqua salata disponibile. Il trasporto da parte di navi cisterna o serbatoi comporta molte spese e problemi logistici che possono rendere l’approvvigionamento di acqua dolce non solo molto costoso quando disponibile, ma frequentemente interrotto. L’uso di pic- cole unit`a convenzionali di desalinizzazione che utilizzano combustibili fossili, come il gasolio, pu`o essere comunque non conveniente, dato che l’approvvigionamento del combustibile pu`o riscontrare gli stessi problemi che si incontrano nel trasporto di acqua dolce, vale a dire le spese di trasporto e l’affidabilit`a [25].

La desalinizzazione `e in aumento nei paesi MENA, ma i processi convenzionali sono ad alta intensit`a energetica e uno dei maggiori costi nelle spese operative di questi impianti `e il costo dell’energia. Quest’ultimo risulta infatti una delle mag- giori preoccupazioni sull’uso della dissalazione come mezzo per fornire acqua dolce a comunit`a remote. Oltre alle implicazioni sui costi energetici, vi sono preoccu- pazioni ambientali per quanto riguarda gli effetti dell’utilizzo di fonti energetiche convenzionali. Negli ultimi anni, `e diventato chiaro che l’inquinamento ambientale causato dal rilascio di gas a effetto serra derivanti dalla combustione di combusti- bili fossili `e responsabile della riduzione dell’ozono e del riscaldamento atmosferico [25]. Le maggiori sfide saranno perci`o quelle di ridurre il costo dell’acqua desaliniz- zata, ridurre la sua dipendenza dai combustibili fossili e garantire che diventi una soluzione accettabile dal punto di vista ambientale.

La MENA `e investita da abbondanti radiazioni solari che possono essere utiliz- zate come fonte di energia per piccole unit`a di dissalazione. Recentemente, `e stata prestata molta attenzione all’uso dell’energia solare come fonte di energia per la desalinizzazione a causa dell’elevato costo del combustibile fossile in aree remote, difficolt`a nell’ottenerlo, interesse a ridurre l’inquinamento atmosferico e la mancan- za di una fonte di energia elettrica in zone isolate. Nella sezione seguente si mostra la potenzialit`a delle energie rinnovabili nella regione MENA e i principali metodi di conversione dell’energia solare in energia termica.

3.1

Potenziale energetico rinnovabile

L’accoppiamento di fonti energetiche rinnovabili con la dissalazione ha il potenziale per fornire una fonte sostenibile di acqua potabile. Nel 2012 le energie rinnovabili coprivano meno del 4% del bilancio energetico primario nella regione MENA: il limitato contributo delle rinnovabili in questa zona contrasta nettamente con la tendenza nel resto del mondo, che ha invece assistito a una rapida crescita fino al raggiungimento del 16% del consumo finale globale di energia. Il potenziale delle principali fonti rinnovabili nella regione MENA `e sintetizzato di seguito.