Analisi tecnico-economica di un sistema isolato di dissalazione termica di piccola taglia alimentato da energia solare

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Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Energetica

Tesi di Laurea Magistrale

Analisi termico-economica di un

sistema isolato di dissalazione

termica di piccola taglia

alimentato da energia solare

Relatori

Ing. Andrea Baccioli

Prof. Lorenzo Ferrari

Ing. Angelica Liponi

Candidata

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Nel presente lavoro di tesi `e stato analizzato dal punto di vista termico-economico un impianto di dissalazione isolato alimentato da energia solare per il paese di Lamssid, situato nella parte meridionale del Marocco, avente una popolazione di 572 abitanti (da censimento 2014). L’impianto deve garantire l’accesso di base al-l’acqua, corrispondente a 20 litri pro capite al giorno [1], per un totale di 11.440 m3

acqua/giorno. La tecnologia di impianto scelta `e di tipo Multiple Effect

Distilla-tion (MED) perché, grazie alla sua minore temperatura (Top Brine Temperature TBT) rispetto alle tecnologie Multistage Flash Distillation (MSF), consente mi-gliore accoppiamento con tecnologie solari più semplici e richiede meno fabbisogno energetico. Inoltre, al contrario dei processi Reverse Osmosis (RO), i MED non necessitano di un pretrattamento dell’acqua in ingresso, rendendo il sistema ancora più semplice e più adatto a un contesto isolato.

Sono state considerate due principali configurazioni d’impianto, entrambe costi-tuite da un campo di collettori solari e da un serbatoio di accumulo per l’approv-vigionamento di energia termica. La differenza tra le configurazioni sta nel sistema di approvvigionamento di energia elettrica: nel primo caso è un generatore diesel e nel secondo un campo fotovoltaico e una batteria. Grazie all’implementazione di un modello multinodo per il serbatoio di accumulo è stato possibile simulare l’andamento delle temperature del serbatoio durante un anno tipico meteorologico al variare delle condizioni di progetto, e conoscere dunque le ore durante l’anno in cui il sistema solare non è in grado di soddisfare la richiesta termica dell’impianto. L’obbiettivo è identificare i parametri progettuali che consentono di ottenere costo dell’acqua minore. In particolare sono stati ottenuti risultati al variare della TBT dell’impianto, del numero di collettori, dell’inclinazione degli stessi e della capacità del serbatoio di accumulo per entrambe le configurazioni analizzate. Infine, si è valutato il risparmio ottenibile facendo uso di evaporatori in materiale plastico, i quali si sono ultimamente diffusi per queste tipologie di impianti.

Per la configurazione 1 si ottiene costo dell’acqua tra i 6.5 e gli 8.5 $/m3_{, con}

costo del campo solare compreso tra il 50 e il 60% del totale. Aumentando la capacit`a del serbatoio di accumulo i costi scendono molto. Confrontando poi il costo dell’acqua all’aumentare del costo del carburante per la configurazione 1 e il

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$/l. L’utilizzo di scambiatori in materiale plastico consente di abbattere i costi dal 25 al 36% e, anche in questo caso, aumentando il volume del serbatoio i costi si riducono ulteriormente: in questo caso il prezzo `e quasi in ogni condizione minore di 4.15 $/m3. Il COW minore si ottiene con n = 162 collettori, V = 110 m3 e collettori inclinati di 55°, pari a 4.06 $/m3_{. In questo caso il campo solare occupa}

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Elenco delle figure ₇

Elenco delle tabelle 10

1 Introduzione 11

1.1 La scarsit`a d’acqua . . . 11

1.1.1 Classificazione delle acque . . . 14

1.2 Dissalazione . . . 15

1.2.1 Classificazione dei processi . . . 16

2 Stato dell’arte dei dissalatori 21 2.1 Processi termici . . . 21

2.1.1 Solar Still . . . 21

2.1.2 Humidification Deumidification . . . 23

2.1.3 Multistage Flash Distillation . . . 24

2.1.4 Multiple Effect Distillation . . . 25

2.2 Processi a membrana . . . 28

2.2.1 Reverse Osmosis . . . 28

2.2.2 Electrodialysis (e Electrodialysis Reversal (EDR)) . . . 29

2.2.3 Membrane Distillation . . . 30

2.3 Impianti alimentati da energie rinnovabili . . . 31

2.3.1 Solare . . . 33

3 Struttura del sistema in esame ₃₆ 3.1 Potenziale energetico rinnovabile . . . 37

3.1.1 Energia idroelettrica . . . 37

3.1.2 Energia eolica . . . 38

3.1.3 Biomasse . . . 38

3.1.4 Energia solare . . . 38

3.2 Componenti del sistema . . . 40

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3.3.2 Collettori stazionari . . . 44

3.3.3 Performance dei collettori . . . 47

3.4 Accumulo Termico . . . 49

3.4.1 Serbatoio d’acqua calda perfettamente miscelato . . . 51

3.4.2 Serbatoio d’acqua calda stratificato . . . 53

4 Analisi del sistema 57 4.1 Dissalatore . . . 57

4.2 Campo solare . . . 61

4.2.1 La posizione del Sole nella volta celeste . . . 63

4.2.2 Radiazione solare incidente . . . 66

4.2.3 Collettori . . . 69

4.2.4 Effetto dell’ombreggiamento . . . 75

4.3 Accumulo . . . 79

4.3.1 Primo termine: portata dai collettori e dal carico . . . 82

4.3.2 Secondo termine: scambi di massa tra i nodi . . . 82

4.3.3 Terzo termine: perdite . . . 84

4.3.4 Scelta del time step . . . 84

4.4 Approvvigionamento elettrico . . . 85

5 Simulazione annuale 89 5.1 Variazione del volume di accumulo . . . 97

6 Analisi economica 98 6.1 Costo capitale dell’impianto . . . 99

6.2 Configurazione 1 . . . 103

6.2.1 Condizioni di riferimento . . . 103

6.2.2 Variazione prezzo carburante . . . 103

6.2.3 Variazione volume di accumulo . . . 104

6.3 Configurazione 2: campo PV . . . 106

6.3.1 Condizioni di riferimento . . . 107

6.3.2 Variazione volume di accumulo . . . 107

6.4 Evaporatori in plastica . . . 107

6.4.1 Costo evaporatori . . . 110

6.4.2 Costo dell’acqua nella configurazione 1 . . . 110

6.4.3 Costo dell’acqua nella configurazione 2 . . . 111

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WHO Organizzazione Mondiale della Sanit`a

SDG Sustainable Development Goals

TDS Total Dissolved Solids

PW Pure Water

RW River Water

BW Brackish Water

SW Seawater

BR Brine

MSF Multistage Flash Distillation

MED Multiple Effect Distillation

MVC Mechanical Vapour Compression

TVC Thermal Vapour Compression

HD Humidification Deumidification

RO Reverse Osmosis

ED Electrodialysis

EDR Electrodialysis Reversal

FO Forward Osmosis

CDI Capacitive Deionisation

MD Membrane Distillation

TBT Top Brine Temperature

SEW Specific Electrical Work

GOR Gained Output Ratio

PR Performance Ratio

RR Recovery Ratio

RED Renewable Energy Desalination

MENA Middle East and North Africa

FC Fattore di Concentrazione

FPC Flate Plate Collector

ETC Evacuated Tube Collector

CPC Compound Parabolic Collector

LFR Linear Fresnel Reflector

CTC Cylindrical Trough Collector

PTC Parabolic Trough Collettor

PDR Parabolic Dish Reflector

HFC Heliostat Field Collector

CSP Concentrated Solar Power

PV Photovoltaic

DNI Direct Normal Radiation

GHI Global Horizontal Radiation

DHI Diffuse Horizontal Radiation

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1.1 Livello di stress idrico fisico[2] . . . 13 1.2 Schema generale di funzionamento di un impianto di dissalazione . . 15 1.3 Andamento nel tempo della capacit`a di dissalazione [6]. . . 17 1.4 Diffusione degli impianti di dissalazione per tipologia e zona geografica 18 1.5 Diffusione delle varie combinazioni di impianto e acqua in ingresso . 19

2.1 Schema di un processo Solar Still . . . 22 2.2 Schema di un impianto Humidification Deumidification (HD) . . . . 23 2.3 Schema di un impianto Multistage Flash Distillation (MSF) . . . . 24 2.4 Schema di un impianto Multiple Effect Distillation (MED) . . . 26 2.5 Solubilit`a del solfato di calcio e Top Brine Temperature (TBT) per

le diverse configurazioni . . . 27 2.6 Principio dell’osmosi inversa . . . 28 2.7 Schema generale di un processo di Electrodialysis (ED) . . . 29 2.8 Schema generale di un processo Membrane Distillation (MD) . . . . 30 2.9 Fonti di energia rinnovabile usate in impianti Renewable Energy

Desalination (RED) [11] [12] . . . 33 2.10 Classificazione dei processi diretti e indiretti . . . 34 2.11 Schema generale di un Solar Pond . . . 35

3.1 Potenziale idroelettico nella regione Middle East and North Africa (MENA) [GWh] [17] . . . 37 3.2 Velocit`a del vento media annuale a 80 m di altezza [m/s] [17] . . . . 38 3.3 Media della Direct Normal Radiation (DNI), GHI e potenziale PV

dal 1994 al 2018 [18] . . . 39 3.4 Posizione dell’impianto [Google] . . . 40 3.5 Configurazioni d’impianto [25] . . . 43 3.6 Schema di un collettore piano Flate Plate Collector (FPC) [21] . . . 45 3.7 Schema di un collettore Compound Parabolic Collector (CPC) [20] . 46 3.8 Schema di un tubo di un collettore Evacuated Tube Collector (ETC)

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3.11 Radiazione in ingresso e perdite di calore di un collettore piano [20] 49

3.12 Rendimento dei collettori CSV 25R . . . 50

3.13 Metodi di accumulo dell’energia termica: a) calore sensibile, b) calore latente, c) reazioni termochimiche [23] . . . 51

3.14 Un tipico sistema con un serbatoio d’accumulo di acqua calda [21]. . 51

3.15 Serbatoi di accumulo stratificati a 5 (a) e 3 (b) nodi [21] . . . 53

4.1 Portate e temperature in ingresso e uscita dall’i-esimo effetto . . . . 59

4.2 Portate e temperature in ingresso e uscita dal condensatore . . . 60

4.3 Angolo di declinazione solare δ [20] . . . 64

4.4 Rappresentazione di alcuni angoli caratteristici [21] . . . 65

4.5 Radiazione diretta su superficie orizzontale e inclinata [20] . . . 68

4.6 Radiazione giornaliera incidente nei 12 giorni medi mensili al variare di β . . . 70

4.7 Coppia di righe di collettori [21] . . . 72

4.8 Disposizione delle file di collettori e angoli interessati. . . 73

4.9 Numero di collettori e area totale del campo senza ombreggiamenti 74 4.10 Angolo di altezza solare α . . . 76

4.11 Radiazione incidente al variare di β e αmin . . . 77

4.12 Radiazione incidente al variare di β e αmin . . . 78

4.13 Potenza termica ottenibile giornalmente dal campo solare . . . 80

4.14 Schema del sistema . . . 81

4.15 Andamento delle temperature . . . 86

5.1 Radiazione massima giornaliera e totale giornaliera (Wh/m2giorno) 90 5.2 Andamento delle temperature con β = 25° . . . 92

5.3 Andamento delle temperature con β = 55° . . . 93

5.4 Temperature ottenute fermando l’impianto . . . 94

5.5 Area totale del campo solare, fattore di utilizzazione enumero di collettori . . . 96

5.6 Fattore f al variare della capacit`a del serbatoio . . . 97

6.1 Andamento dei costi nella configurazione 1 in condizioni di riferimento104 6.2 Andamento dei costi nella configurazione 1 al variare del prezzo del carburante . . . 105

6.3 Andamento del costo dell’acqua al variare del volume di accumulo . 106 6.4 Andamento dei prezzi nella configurazione 2 . . . 108 6.5 Costo dell’acqua con scambiatori di plastica nella configurazione1 . 112

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riferimento (giallo) o imposto per ogni caso pari al minimo (verde) . 113 6.7 Andamento dei costi con scambiatori in plastica nella configurazione

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1.1 Livello di servizio e quantit`a di acqua raccolta [1] . . . 12

1.2 Classificazione delle acque [6] . . . 14

1.3 Salinit`a delle acque in alcuni mari e oceani [7] . . . 14

1.4 Classificazione dei principali processi . . . 16

2.1 Esempi di impianti di dissalazione alimentati con energia rinnovabile [12] . . . 32

3.1 Impianti esistenti MED alimentati da solare [19] . . . 41

3.2 Tipologie di collettori solari con FC e range di temperatura operativa [22] . . . 44

3.3 Parametri caratteristici dei collettori considerati . . . 49

4.1 Parametri in gioco al variare della TBT . . . 62

4.2 Angolo di inclinazione ottimale durante i vari mesi . . . 69

4.3 Valori di riferimento per ogni mese . . . 70

4.4 Valori dell’angolo di inclinazione relativo alla massima radiazione . 79 4.5 m3 _{necessari al variare del mese scelto per la progettazione . . . . .} ₈₀

4.6 Temperature dei nodi nell’ultimo time step del giorno simulato . . . 85

4.7 Valori di potenza necessari per il MED . . . 87

4.8 Potenza elettrica necessaria all’impianto . . . 87

5.1 TBT 50 . . . 95

6.1 Stima preliminare del costo dell’impianto MED tramite le due cor-relazioni . . . 101

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Introduzione

1.1 La scarsit`

a d’acqua

L’accesso all’acqua potabile e ai servizi igienico-sanitari è essenziale per la salute pubblica e, insieme alle risorse idriche, è un fattore determinante in tutti gli aspetti dello sviluppo sociale, economico e ambientale. Il miglioramento dell’approvvigio-namento e della gestione delle risorse idriche possono favorire la crescita economica e contribuire notevolmente alla riduzione della povertà.

Nel 2010 l’Assemblea Generale delle Nazioni Unite (UNGA) ha esplicitamente riconosciuto il diritto ai servizi igienico sanitari e all’acqua sicura, pulita e fisica-mente ed economicafisica-mente accessibile come un diritto umano. Nel gennaio 2003, la Commissione delle Nazioni Unite per i Diritti Economici, Sociali e Culturali (CE-SCR) ha adottato il “General Comment No. 15” sul diritto all’acqua, secondo il quale “L’acqua è una risorsa naturale limitata e un bene pubblico fondamentale per la vita e la salute. Il diritto umano all’acqua è indispensabile per condurre una vita dignitosa. È un prerequisito per la realizzazione di altri diritti umani.”

L’interesse globale si estende oltre la sola qualità dell’acqua, includendo tutti gli aspetti necessari per un adeguato approvvigionamento, come la quantità, l’acces-sibiltà, intesa sia in senso fisico (accessibility, la percentuale della popolazione che ha un ragionevole accesso all’acqua) che economico (affordability), e la continuità, ovvero la quantità di tempo durante il quale l’acqua potabile è disponibile (gior-nalmente, settimanalmente o stagionalmente). In particolare la quantità identifica il livello di servizio, un indicatore utile e facilmente misurabile della distanza dalla rete idrica e della porzione della popolazione con accesso a diversi livelli di approv-vigionamento di acqua potabile (ad es. nessun accesso, accesso di base, accesso intermedio e accesso ottimale) [1].

Le stime della quantit`a d’acqua necessaria per la salute sono molto varie. Nei valori di riferimento dell’Organizzazione Mondiale della Sanit`a (WHO) il consumo

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Tabella 1.1: Livello di servizio e quantit`a di acqua raccolta [1]

Livello di servizio Distanza/tempo Volume di acqua raccolta Nessun accesso Pi`u di 1 km/pi`u di 30 min

andata e ritorno

5 l pro capite al giorno

Accesso di base Entro 1 km/entro 30 min andata e ritorno

Accesso intermedio Acqua fornita tramite alme-no un rubinetto

Accesso ottimale Fornitura di acqua attraver-so pi`u rubinetti

100-200 l pro capite al giorno

pro capite giornaliero di acqua potabile destinata all’idratazione è di circa 2 litri per gli adulti, sebbene il consumo effettivo vari a seconda del clima, del livello di attività e della dieta. Sulla base dei dati attualmente disponibili, un volume minimo di 7,5 litri pro capite al giorno fornirà acqua sufficiente per l’idratazione e per la preparazione degli alimenti per la maggior parte delle persone nella maggior parte delle condizioni. Le stime del volume d’acqua necessario per scopi sanitari variano ampiamente [1].

Eppure tuttora, a livello globale, 2,2 miliardi di persone continuano a non avere accesso a servizi di acqua potabile gestiti in maniera sicura, ovvero fonti idriche sufficientemente vicine, disponibili quando necessario e libere da contaminazioni [1], e oltre 2 miliardi di persone vivono in paesi caratterizzati da un forte stress idrico1_{, la maggior parte dei quali situati nel Nord Africa e in Medio Oriente [2].}

L’uso dell’acqua è cresciuto rapidamente, circa dell’1% all’anno dagli anni ’80, e con esso è cresciuta anche la quota di stress: in alcune aree, gli eccessivi prelievi di acque sotterranee hanno causato il declino dei livelli delle falde acquifere, danneggiando la risorsa. Si prevede che la domanda globale di acqua continuerà a salire con un ritmo simile fino al 2050, con un aumento dal 20 al 30% superiore all’attuale livello di utilizzo [2]: rendere la sicurezza idrica sostenibile sarà perciò una prova sempre più impegnativa. L’agricoltura (compresa l’irrigazione, l’allevamento e l’acquacoltura) è di gran lunga il maggiore consumatore idrico (69%), seguita dal settore industriale (compresa la produzione di energia) (19%) e dall’uso domestico (12%) [2]. Per

1_{Il livello di stress fisico `}_{e definito come il rapporto tra l’acqua dolce totale prelevata da tutti}

i principali settori, compresa la richiesta idrica ambientale, rispetto alla totale quantità di risorse di acqua dolce rinnovabile [%]. Tale valore non prende in considerazione la scarsità economica, ovvero non considera i paesi dove l’accesso all’acqua non è limitato a causa della quantità di risorse idriche esistenti, ma dalla mancanza di infrastrutture per raccogliere, trasportare e trattare l’acqua per scopi umani.

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Figura 1.1: Livello di stress idrico fisico[2]

questi motivi l’accesso alle risorse idriche è il tema centrale di uno dei Sustainable Development Goals (SDG), ovvero uno dei 17 Obbiettivi di Sviluppo Sostenibile perseguiti dal settembre 2015 da più di 150 stati, per contribuire allo sviluppo globale, promuovere il benessere umano e proteggere l’ambiente. Il sesto obbiettivo mira infatti a “garantire la disponibilità e la gestione sostenibile delle risorse idriche e servizi igienico-sanitari per tutti”: comprende, oltre all’accesso all’acqua potabile e servizi igienici, la protezione e il ripristino degli ecosistemi legati all’acqua (tra cui montagne, foreste, zone umide, fiumi e laghi) e la riduzione dell’inquinamento delle acque, attraverso un miglioramento dell’efficienza e delle tecnologie disponibili [3]. Nonostante i continui progressi nella produttività idrica, si sta procedendo troppo lentamente per colmare il divario sempre più ampio tra domanda e offerta: una gestione efficiente e strategica delle risorse sarà perciò sempre più essenziale per far fronte alle minacce alla sicurezza idrica e alla crescente frequenza e gravità delle siccità e delle inondazioni derivanti dai cambiamenti climatici.

In questo scenario la dissalazione ricopre un ruolo fondamentale: data la sua immunità alle variazioni di precipitazioni e temperatura dell’aria e alla siccità, è una buona candidata per affrontare i rischi dei cambiamenti climatici. Gli impianti di dissalazione vengono infatti sempre più studiati e perfezionati e, ad oggi, sono presenti in più di 150 paesi.

Nonostante il costo della dissalazione sia significativamente diminuito negli ul-timi due decenni, rimane tuttavia un processo più costoso rispetto ad altri metodi di approvvigionamento idrico e deve essere perciò utilizzato in modo strategico: laddove le condizioni fisiche e socio-economiche lo consentono, può offrire una solu-zione sostenibile e a lungo termine per parte di questa crescente domanda di acqua [4].

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1.1.1 Classificazione delle acque

L’acqua salata non è tutta uguale: contiene dei sali disciolti e altri composti in soluzione o in sospensione, la cui quantità varia a seconda delle condizioni locali e delle stagioni. Uno dei parametri più importanti per la classificazione dell’acqua è la salinità, tipicamente espressa in ppm o mg/kg, la quale ci fornisce una misura delle sostanze solide disciolte presenti (Total Dissolved Solids (TDS)) e ci consente di catalogare l’acqua in sei tipologie, mostrate in Tabella 1.2. Salinità e conducibilità

Tabella 1.2: Classificazione delle acque [6]

Salinit`a [ppm] Tipologia

Fino a 500 Acqua dolce, adatta ad uso potabile Pure Water (PW). 500 ÷ 3000 Acqua leggermente salmastra, River Water (RW) 3000 ÷ 20000 Acqua salmastra, Brackish Water (BW)

20000 ÷ 50000 Acqua marina, Seawater (SW) > 50000 Brine (BR)

elettrica dell’acqua (µS/cm) sono strettamente legate: spesso quest’ultima viene usata come indice di salinità, poichè più facilmente misurabile. La frazione di salinità dell’acqua ha delle conseguenze sulle sue proprietà termodinamiche: riduce il calore specifico e il punto di congelamento e aumenta la densità e il punto di ebollizione. Nei grandi bacini idrici l’acqua è distribuita uniformemente a causa delle forti correnti, ma tra i vari mari e oceani esistono differenze significative nella quantità di TDS. Alcuni dei sali disciolti sono il cloruro di sodio, il bicarbonato di calcio e solfato di magnesio, sostanze che contribuiscono a dare un sapore all’acqua. Se le sostanze solide disciolte sono assenti o sono troppo elevate (come nell’acqua di mare) essa avrà un sapore sgradevole.

Tabella 1.3: Salinit`a delle acque in alcuni mari e oceani [7]

Mare/Oceano TDS [ppm] Mare/Oceano TDS [ppm] Mar Baltico 7000 Oceano Indiano 33800 Mar Caspio 13500 Sud Atlantico 36200 Mar Nero 20000 Mediterraneo 39000 Nord Atlantico 29000 Mar Rosso 43000 Mar Adriatico 31400 Golfo Persico 50000 Oceano Pacifico 33600 Mar Morto 220000

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1.2 Dissalazione

La dissalazione dell’acqua di mare permette la rimozione dei sali da una soluzione acquosa. É un processo conosciuto fin dall’antichità, adottato fino al 1800 a bordo delle navi. Le prime applicazioni pratiche di cui si abbia notizia risalgono agli inizi del secolo scorso, in particolare al 1912, quando venne installato in Egitto un impianto con una capacità di 75 m3_{/g [5]. Uno schema generale di funzionamento}

di un impianto di dissalazione `e rappresentato in Figura 1.2. L’acqua salata in entrata, grazie all’apporto di una quota di energia, si suddivide all’uscita in due flussi, uno di acqua dissalata dolce e uno di brina.

Figura 1.2: Schema generale di funzionamento di un impianto di dissalazione

La dissalazione è perciò un processo che richiede un certo dispendio di energia. Per il passaggio da un sistema a più elevato contenuto di entropia, come l’acqua di mare contenente sali disciolti, ad uno ad entropia minore, come l’acqua dolce, è necessario infatti spendere del lavoro, la cui quantità teorica (reversibile) dipende unicamente dallo stato iniziale e da quello finale.

[H2O] + [N aCl] ←→ [H2O + N aCl] + E

Il lavoro reversibile richiesto prende il nome di lavoro minimo e la sua entità è indipendente dalle scelte impiantistiche: nei processi reali è necessario spendere una quantità maggiore di energia dipendente dal tipo di tecnologia utilizzata, a causa dell’inefficienza tecnologica e alla non idealità. Pertanto si può affermare che questi processi sono in ogni caso energeticamente dispendiosi. In particolare il termine E può essere:

• calore di dissoluzione: calore che si sviluppa durante la dissoluzione del sale in acqua;

• gradiente ebullioscopico: differenza di temperatura di evaporazione di una soluzione contenente sali rispetto al solvente puro;

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• pressione osmotica: differenza di pressione che si crea quando una membrana semipermeabile `e posta tra due soluzioni a differente concentrazione di soluto.

La dissoluzione di sali in acqua dolce è un processo esotermico e il calore liberato può essere misurato come aumento della temperatura della soluzione. É possibile in questo modo calcolare il lavoro minimo necessario al processo. Si può pensare di dissolvere nell’acqua dolce a temperatura ambiente una miscela di sali in modo da ottenere dell’acqua salata con salinità di circa 40000 ppm. Questo processo genera un aumento di temperatura della soluzione finale pari a 0.64°C, corrispondente a circa 0.75 kWh/m3 _{[8]. Per processi reversibili si pu`}_{o quindi esprimere l’equazione}

chimica come segue:

acqua dolce + sali = acqua salata + 0.75kWh/m3

1.2.1 Classificazione dei processi

Nel corso degli anni sono stati studiati e messi a punto numerosi metodi di dissala-zione. Alcuni di essi sono totalmente sviluppati e consolidati a livello industriale su larga scala mentre altri, non ancora arrivati a maturità tecnologica, sono usati solo in piccoli impianti dimostrativi o per scopi di ricerca e sviluppo. Le tecnologie che hanno avuto maggiore diffusione globale possono essere suddivise in due categorie principali, i processi termici e quelli a membrana, mostrati in Tabella 1.4. Nei primi l’energia teoricamente necessaria per la dissalazione viene fornita sotto forma di gradiente ebullioscopico: il calore applicato permette l’evaporazione dell’acqua salata e il vapore cos`ı formato condensa in acqua pura separandosi dalla maggior parte dei sali e delle impurità. Nei secondi l’energia viene invece fornita sotto forma di pressione osmotica: questi impianti fanno uso di membrane che consentono o im-pediscono selettivamente il passaggio di sali. Un’ulteriore suddivisione può essere fatta in relazione alla tipologia di energia che necessitano in ingresso, ovvero ter-mica, meccanica o elettrica. I processi termici che hanno avuto maggiore diffusione

Tabella 1.4: Classificazione dei principali processi

Termici A membrana

Multistage Flash Distillation (MSF) Reverse Osmosis (RO) Multiple Effect Distillation (MED) Electrodialysis (ED)

Mechanical Vapour Compression (MVC) Electrodialysis Reversal (EDR) Thermal Vapour Compression (TVC) Forward Osmosis (FO)

Humidification Deumidification (HD) Membrane Distillation (MD) Solar Still

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su scala industriale sono Multistage Flash Distillation (MSF) e Multiple Effect Di-stillation (MED). Per aumentare l’efficienza dei processi MED il vapore necessario può essere compresso meccanicamente (Mechanical Vapour Compression (MVC)) o termicamente (Thermal Vapour Compression (TVC)). Per quanto riguarda i processi a membrana le tecnologie principali includono Reverse Osmosis (RO) e Electrodialysis (ED): nella RO è richiesta energia di pressione mentre nell’ED è necessaria corrente elettrica per la separazione del sale.

Ad oggi sono presenti nel mondo 15906 impianti di dissalazione operativi con una capacit`a totale di circa 95.37 milioni di m3_{/giorno. Fino agli anni ’80 la}

tecno-logia predominante era la termica: l’84% dell’acqua globalmente dissalata veniva prodotta tramite MSF e MED. Negli anni successivi l’aumento dell’uso delle tec-nologie a membrana, in particolare RO, ha spostato gradualmente il primato dalle tecnologie termiche a quelle a membrana: nel 2000 la quantit`a di acqua dissalata con processi termici (dominati da MSF) e a membrana (RO) era approssimativa-mente uguale a 11.6 milioni di m3_{/g e 11.4 m}3_{/g rispettivamente, rappresentando}

insieme il 93% del volume totale di acqua prodotta. Dal 2000, sia il numero che la capacit`a di impianti RO sono aumentati in maniera esponenziale, mentre le tecno-logie termiche hanno solo sperimentato aumenti marginali. L’attuale produzione di acqua dissalata dall’osmosi inversa raggiunge 65.5 milioni di m3_{/g, pari al 69%}

del volume totale. Le due principali tecnologie termiche, MSF e MED, ricoprono rispettivamente il 18% e il 7% della capacit`a e, insieme alla RO, costituiscono il 94% del totale [6].

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Quasi la metà della capacità globale di dissalazione è situata in Medio Oriente e in Nord Africa (48%), grazie al contributo dell’Arabia Saudita (15.5%), degli Emirati Arabi Uniti (10.1%) e del Kuwait (3.7%). Seguono poi le regioni dell’Asia orientale e del Nord America che producono rispettivamente il 18.4% e l’11.9% dell’acqua to-tale, principalmente grazie all’elevata capacità della Cina (7.5%) e degli Stati Uniti (11.2%). Per quanto riguarda l’Europa occidentale (9.2%) il maggiore contributo è dato dalla Spagna (5.7%) [6].

(a) Tipologie d’impianto (b) Zona geografica (MENA = Middle East and North Africa)

(c) Settore d’uso dell’acqua dissalata (d) Acqua di alimentazione

Figura 1.4: Diffusione degli impianti di dissalazione per tipologia e zona geografica

Quasi la metà del numero totale di impianti produce acqua per il settore indu-striale. Il settore municipale destinato al consumo umano ha invece il primato in termini di capacità (62.3% contro i 30.2% per applicazioni industriali). Questo accade perchè, generalmente, gli impianti che producono acqua a scopi industriali hanno minore capacità di quelli che la producono per consumo umano (in media 3712 e 12126 m3_{/g rispettivamente). Successivamente troviamo i settori}

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Figura 1.5: Diffusione delle varie combinazioni di impianto e acqua in ingresso

di alimentazione in ingresso, la maggior parte della dissalazione avviene a partire da Seawater (SW) (acqua marina, 61%), seguita da Brackish Water (BW) (acqua salmastra, 21%) e River Water (RW) (acqua leggermente salmastra, 8%).

La combinazione tra tecnologia d’impianto (RO, MSF o MED) e acqua di ali-mentazione (SW, BW o RW) è importante. I processi di dissalazione possono essere infatti considerati semi-specializzati dato che operano in modo più efficiente quan-do utilizzano determinate tipologie di acqua in ingresso: alcune combinazioni sono perciò significativamente più prevalenti di altre. La RO è un processo economica-mente realizzabile con diverse categorie di Feed : l’acqua utilizzata dipende perciò dalla disponibilità locale. Il 50% e il 27% dell’acqua dissalata prodotta dagli im-pianti RO, cioè il 34% e il 19% della capacità di dissalazione globale, provengono rispettivamente da acqua SW e BW. Segue l’utilizzo di RW, che copre il 7%. Negli impianti termici sono utilizzate quasi esclusivamente le acque di alimentazione di bassa qualità, ovvero altamente saline. Il 99.9% degli impianti MSF e il 92% degli impianti MED utilizzano acqua di mare (SW), che rappresenta rispettivamente il 18% e il 6% del volume totale di acqua desalinizzata. Al contrario, gli impianti che funzionano con ED come tecnologia di desalinizzazione richiedono in genere acqua di qualità superiore, ovvero con bassa salinità. Il 60% e il 20% dell’acqua prodotta da ED utilizza rispettivamente BW e RW [6].

Per definire l’efficienza dei sistemi di dissalazione in letteratura si trovano diversi parametri: lo Specific Electrical Work (SEW), definito dal rapporto tra la potenza (elettrica) in ingresso ˙W e l’acqua acqua dissalata in uscita ˙md:

SW = ˙ W ˙ md kWh m3

Il Gained Output Ratio (GOR), definito come il rapporto tra la portata d’acqua distillata e la portata di vapore in ingresso richiesta

GOR = m˙d ˙ mvap

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Il Performance Ratio (PR), definito come il rapporto tra il calore latente necessario per vaporizzare la massa di acqua dissalata ˙mdλ e il calore addizionale richiesto ˙Q:

PR = m˙dλ ˙ Q

In letteratura il PR `e definito anche come la massa in kg di acqua dissalata ottenuta per 2326 kJ di calore consumato, che rappresenta il calore latente di vaporizzazione dell’acqua a 73°C. Infine il Recovery Ratio (RR), dato dal rapporto tra l’acqua dissalata in uscita dal processo e quella di alimentazione in ingresso:

RR = m˙d ˙ mf

`

E da osservare che mentre i consumi di energia elettrica sono presenti in tutti i tipi di processi presi in considerazione, il PR e il GOR si possono definire solo per i processi che richiedono un consumo di energia termica.

Nel capitolo seguente si descrivono brevemente i principi di funzionamento dei principali processi di dissalazione.

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Stato dell’arte dei dissalatori

2.1 Processi termici

2.1.1 Solar Still

La distillazione solare passiva o Solar Still consiste in un ciclo idrologico naturale su piccola scala: è un concetto molto antico che può attualmente risultare attraen-te nelle regioni in cui c’è molta disponibilità di terreno. Per questo sistema sono infatti necessarie grandi aree per produrre quantità relativamente piccole di acqua. Uno schema semplificato mostrato in Figura 2.1 rappresenta il dispositivo ”passi-vo”, ovvero senza elementi azionati da elettricità, come pompe o ventilatori, e senza alcun elemento aggiuntivo per il riscaldamento attivo, come i collettori solari. Il funzionamento di questo sistema è quindi completamente generato dalla radiazione solare [15].

Questo tipo di distillatore è costituito da una copertura trasparente all’interno della quale si trova una vasca riempita con acqua salata: è una struttura molto simile a una serra caratterizzata da semplicità di costruzione e manutenzione. Il principio di funzionamento è semplice: quando la radiazione passa attraverso il vetro si crea un effetto serra che innalza la temperatura dell’acqua salata contenuta nel bacino. L’acqua in superficie comincia cos`ı ad evaporare e il vapore sale all’interno della camera. Una volta raggiunta la parte interna del vetro, il vapore condensa a causa della minore temperatura della copertura a contatto con l’aria e, grazie all’inclina-zione della superficie, il liquido cos`ı formato cade in apposite bacinelle.

Questo sistema è caratterizzato da una bassa efficienza (<45% [15]) e bassa produt-tività, principali difetti insieme all’elevata superficie necessaria per il funzionamento [15]: le unità ben progettate possono produrre dai 2 ai 4 l/m2 _{al giorno [11][13][14].}

Per questo motivo è importante ridurre al minimo i costi utilizzando materiali da costruzione economici. In compenso l’acqua prodotta è di alta qualità e il sistema

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Figura 2.1: Schema di un processo Solar Still

`e semplice, senza parti in movimento e con bassi costi operativi: per questi motivi, sebbene le prestazioni siano molto basse, tali dispositivi sono ancora ampiamente utilizzati.

Oltre al semplice Solar Still, sono stati sviluppati sistemi e configurazioni al-ternative per aumentare la produttività e semplificare la produzione. Nel sistema mostrato in Figura 2.1 il calore latente di condensazione viene dissipato nell’am-biente incidendo negativamente sulla produzione. Per sfruttare al meglio il calore di condensa esistono Solar Still a più stadi, dove l’energia termica viene usata per preriscaldare l’acqua di alimentazione: questo comporta un aumento della resa [14][15]. Si sono anche diffusi i cosiddetti Active Solar Still, sistemi nei quali è presente una sorgente di calore esterna data da collettori solari, calore di scarto proveniente da altri processi industriali o da caldaia. L’accoppiamento con questi sistemi contribuisce al miglioramento della produttività per unità di area. Altri parametri che hanno un effetto significativo sulla resa del distillato sono il mate-riale di copertura della condensa, la sua inclinazione, la profondità dell’acqua e il rivestimento dell’assorbitore. La migliore resa si ha utilizzando una copertura di vetro come superficie di condensazione con un’inclinazione uguale alla latitudine del luogo per la profondità minima dell’acqua [14].

La tecnologia Solar Still richiede una vasta area per la raccolta solare: non è quindi praticabile per la produzione su larga scala, specialmente vicino alle città in cui la terra è scarsa e costosa. I costi di installazione tendono ad essere consi-derevolmente più alti di quelli degli altri sistemi e sono anche vulnerabili ai danni causati dalle condizioni meteorologiche. Tuttavia, possono essere economicamen-te soseconomicamen-tenibili per la produzione su piccola scala per famiglie e piccole comunità, specialmente dove l’energia solare e la manodopera a basso costo sono abbondanti [11]. Il principale potenziale di miglioramento tecnico è rappresentato dalla ridu-zione del costo dei materiali. Una maggiore affidabilità e superfici di assorbimento più performanti potrebbero aumentare leggermente la produzione per m2[13].

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2.1.2 Humidification Deumidification

Nell’umidificazione-deumidificazione l’acqua salata evapora grazie all’apporto di energia termica. La successiva condensazione dell’aria umida che viene generata (normalmente a pressione atmosferica) produce acqua dolce [11]. Il funzionamento di questo processo si basa sul fatto che l’aria può trattenere grandi quantità di vapore acqueo e la capacità di trasporto dell’umidità aumenta all’aumentare del-la temperatura. Il principio è lo stesso del Solar Still ma, mentre prima le fasi di riscaldamento dell’acqua, evaporazione e condensazione avvenivano in un unico spazio, causando bassa inefficienza termica, nell’HD i singoli sotto-processi sono separati. Generalmente l’HD comprende quattro fasi: il sistema di trasferimento dell’energia termica (l’assorbimento della radiazione solare), il riscaldamento del-l’acqua di mare, il rilascio deldel-l’acqua dolce e la circolazione dell’aria. Questi hanno luogo rispettivamente in uno scambiatore di calore (un sistema di collettori), un umidificatore (evaporatore), un deumidificatore (condensatore) e un sistema di cir-colazione dell’aria [15]. Uno schema semplificato di processo è mostrato in Figura 2.2.

Figura 2.2: Schema di un impianto HD

L’acqua di mare, passando attraverso il condensatore, viene preriscaldata dal calore latente di condensazione dell’acqua dolce. Successivamente, grazie all’apporto di energia termica (passaggio nei collettori solari), viene riscaldata fino alla tempe-ratura di circa 85 °C e viene mandata all’evaporatore. Qui l’acqua calda riscalda e umidifica un flusso d’aria fatto passare in controcorrente. L’aria umida entra quindi nel condensatore dove, a contatto con le superfici fredde dei tubi dove scorre l’acqua in ingresso, viene deumidificata e crea acqua pura.

La produzione di acqua dolce dipende principalmente dalla portata e tempera-tura dell’acqua di alimentazione, dall’aria in ingresso e dal flusso di calore incidente e potrebbe essere aumentata preriscaldando sia l’aria che l’acqua. Il riciclaggio di

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salamoia scartata potrebbe ridurre il consumo specifico di energia termica e au-mentare la produzione di acqua dolce. L’analisi economica del sistema ha mostrato che il sistema è più adatto e competitivo se operato in piccoli intervalli di capacità [14]. L’HD presenta numerosi vantaggi: il funzionamento a basse temperature e a pressioni quasi atmosferiche permette facilità di controllo, consente l’utilizzo di materiali a basso costo e rende possibile l’accoppiamento con l’energia solare. Inol-tre i singoli sottoprocessi operano in componenti diversi, in modo che ciascuna fase possa avere una migliore efficienza.

2.1.3 Multistage Flash Distillation

Gli impianti MSF si basano sul processo di flash, il quale consiste nell’evaporazione parziale di un fluido: se un liquido ad una certa pressione si trova alla temperatura di saturazione, quando passa ad una pressione inferiore la temperatura di satura-zione diminuisce ed esso evapora parzialmente. Il vapore e il liquido cos`ı formati si raffreddano fino al raggiungimento dell’equilibrio termodinamico con il nuovo am-biente, ovvero della temperatura di saturazione alla pressione inferiore. Un esempio di un impianto MSF semplificato `e mostrato nello schema in Figura 2.3. L’acqua di

Figura 2.3: Schema di un impianto MSF

alimentazione (Feed) viene innanzitutto preriscaldata nel passaggio all’interno degli evaporatori di ogni stadio, da quello a temperatura minore a quello a temperatura maggiore. Successivamente entra nello scambiatore principale (Brine Heater) dove, grazie alla condensazione di un fluido di scambio, viene portata alla sua massima temperatura relativamente alla pressione di esercizio e senza essere vaporizzata, la TBT. Successivamente l’acqua `e introdotta nel primo stadio, mantenuto ad una pressione inferiore alla pressione di saturazione corrispondente alla TBT: questo causa l’evaporazione flash dell’acqua. Il vapore cos`ı rilasciato `e formato solamente da acqua, mentre il sale non evapora e rimane disciolto nella componente liquida. L’acqua evaporata sale nella parte alta del primo stadio, passando attraverso un demister per eliminare ogni goccia di liquido che potrebbe essere trascinata dal flus-so, fino a raggiungere i tubi dove fluisce l’acqua fredda di alimentazione diretta al

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Brine Heater. Il vapore inizia quindi a condensare, trasferendo il suo calore latente alla Feed, e l’acqua dissalata cos`ı formata viene raccolta in un’apposita vasca al di sotto dei tubi. La componente liquida, ad alto contenuto di sali, raggiunge lo stadio successivo subendo un altro processo di flash. Questo processo `e ripetuto in vari stadi successivi, fino a 40, che operano a valori di pressione e temperatura via via decrescenti per permettere l’evaporazione flash: in uscita l’acqua dissata (Fresh Water) viene estratta separatamente dalla salamoia (Brine) che non `e riuscita a vaporizzare nei vari stadi.

La depressione presente in ogni stadio `e mantenuta da un eiettore azionato da va-pore ad alta pressione o da una pompa meccanica a vuoto, i quali permettono di estrarre gas come l’ossigeno e l’anidride carbonica disciolti nell’acqua salata. In-fine, viene utilizzata anche dell’energia elettrica per alimentare le pompe per la circolazione dell’acqua.

In questo processo le fasi di evaporazione e condensazione sono accoppiate in stadi successivi cos`ı che il calore latente di evaporazione possa venir riutilizzato per il preriscaldamento dell’acqua in ingresso, riducendo la quantità di calore che deve essere fornita dall’esterno. Solitamente il numero di stadi è compreso tra 4 e 40, mentre la capacità dell’impianto va da 10000 a 35000 m3/giorno [9]. La tem-peratura massima che viene raggiunta dall’acqua di mare è solitamente compresa nell’intervallo 90-110°C. Un aumento della TBT consentirebbe di aumentare la quo-ta di flash e di conseguenza migliorare la produzione e le presquo-tazioni. Tutquo-tavia la scelta della massima TBT è limitata dalla solubilità dei sali disciolti: all’aumentare della temperatura infatti diminuisce la solubilità, e i sali potrebbero creare delle incrostazioni e avere influenze negative sullo scambio termico e sulla performance dell’impianto [9].

2.1.4 Multiple Effect Distillation

Un’altra tipologia di impianto evaporativo che ha avuto diffusione su scala indu-striale `e rappresentata dagli impianti MED. In questo processo il vapore si forma in minima parte per il fenomeno del flash e per la maggior parte per evaporazione. Uno schema semplificato di un processo a 4 effetti (Figura 2.4) mostra un impianto costituito da 4 evaporazioni in serie, disposte in modo che ognuna condensi il va-pore generato dalla precedente e generi il vava-pore con cui alimentare la successiva. ´

E quindi necessario uno scambiatore finale che, preriscaldando l’acqua di alimenta-zione in ingresso, permette di condensare il vapore generato nell’ultimo effetto. In questa configurazione l’acqua di alimentazione (Feed ) ha, per ogni effetto, stessa temperatura e salinit`a: dopo essere stata preriscaldata viene spruzzata nella parte superiore degli evaporatori, dove cade sotto forma di film sottile lungo le file di tubi posti orizzontalmente. All’interno dei tubi del primo effetto scorre un fluido di

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Figura 2.4: Schema di un impianto MED

scambio (Heating Steam) proveniente da un qualsiasi processo esterno che cede il calore necessario per l’evaporazione dell’acqua in ingresso. Il vapore cos`ı formato si separa dalla brina altamente concentrata e, dopo il passaggio attraverso un demi-ster per separare le goccioline di salamoia, viene mandato nei tubi orizzontali del secondo effetto. Il vapore generato in ogni stadio permette quindi l’evaporazione dell’acqua nello stadio successivo, dato che ogni effetto `e ad una pressione e tempe-ratura inferiore rispetto al precedente. Allo stato attuale la massima tempetempe-ratura dell’acqua salata di alimento (TBT) che si raggiunge nel primo effetto `e inferiore a 70°C per limitare la formazione di incrostazioni e corrosioni. Generalmente la taglia di un impianto MED va da 600 a 30000 m3_{/giorno [9]. La compressione del}

vapore si può aggiungere ad un processo MED con lo scopo di aumentarne l’efficien-za. In questi processi il vapore prodotto in uno stadio è parzialmente compresso: aumentando la pressione del vapore la temperatura di saturazione aumenta e può quindi essere usato per scaldare il primo stadio. Il vapore può essere compresso con un compressore meccanico (Mechanical Vapour Compression) o con un eiettore a vapore (Thermal Vapour Compression). Il vantaggio rispetto ad un impianto MSF è la più bassa temperatura richiesta del vapore di alimentazione, che consente lo sfruttamento di fonti termiche a bassa temperatura e il recupero di calore di scarto. Esistono tre diverse configurazioni degli impianti MED: Forward (in avanti), Backward (all’indietro) o Parallel Feed (in parallelo). La differenza sta nella di-rezione del flusso di vapore e della brina generati in ogni effetto. La selezione tra le configurazioni si basa sulla variazione della solubilità del sale in funzione della temperatura e concentrazione massima della salamoia. A temperature o concentra-zioni più elevate, si forma calcare all’interno e all’esterno delle superfici dei tubi. Ciò comporta la riduzione della sezione di passaggio disponibile all’interno dei tu-bi, che provoca un aumento della caduta di pressione e dell’energia richiesta dal pompaggio, e l’aumento della resistenza termica per il trasferimento di calore. La

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(a) Forward e Backward Feed

(b) Parallel Feed (c) Parallel/Cross Flow

Figura 2.5: Solubilit`a del solfato di calcio e TBT per le diverse configurazioni

Figura 2.5 mostra la variazione della solubilità del solfato di calcio in funzione del-la concentrazione e deldel-la temperatura nelle tre configurazioni. Nell’alimentazione all’indietro, l’acqua di mare viene introdotta nell’ultimo effetto, ovvero quello a temperatura e pressione più bassa all’interno del sistema. La salamoia scorre verso il primo effetto, verso temperature e pressioni sempre maggiori: è quindi necessaria un’unità di pompaggio della brina tra ogni stadio, che aumenta la potenza neces-saria e i costi di manutenzione. Inoltre in questo sistema la salamoia con la più alta concentrazione è soggetta alla temperatura più alta (Figura 2.5a), superando i limiti di solubilità per il solfato di calcio. La configurazione Backward Feed risulta perciò inapplicabile per la dissalazione dell’acqua di mare. Nell’impianto con ali-mentazione in parallelo, il cui schema è quello riportato in Figura 2.4, l’acqua in ingresso è divisa in una serie di flussi paralleli, entranti nei singoli effetti. In ogni stadio l’acqua di mare viene riscaldata alla temperatura di saturazione dell’effetto

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prima che inizi l’evaporazione. Questa risulta essere la configurazione più semplice rispetto agli altri layout. Nell’impianto Forward Feed l’acqua di alimentazione vie-ne introdotta vie-nel primo effetto (a temperatura e pressiovie-ne maggiore) e scorre via via in tutti gli stadi fino all’ultimo. Non è una configurazione molto utilizzata a causa della complessità impiantistica.

2.2 Processi a membrana

2.2.1 Reverse Osmosis

Figura 2.6: Principio dell’osmosi inversa

Il processo di desalinizzazione mediante osmosi inversa si basa sull’uso di mem-brane semipermeabili che consentono il passaggio dell’acqua ma sono impermeabili ai sali. In circostanze normali, quando una membrana viene utilizzata per separa-re due soluzioni con diversa concentrazione di sale, l’acqua scorsepara-re dalla soluzione meno concentrata a quella più concentrata, fino al raggiungimento dell’equilibrio. Questo fenomeno è noto come osmosi e si trova comunemente in natura, nei tessuti di piante, animali ed esseri umani. Nell’osmosi inversa, invece, si applica, sul lato della membrana ad alta concentrazione, una pressione tale da invertire la direzione del flusso: in questo modo l’acqua scorre verso il lato a bassa concentrazione, se-parandosi dalla salamoia. Questo è il principio alla base degli impianti a RO. La quantità di pressione che è necessario applicare per determinare questa inversione dipende dalla pressione osmotica1 _{e aumenta all’aumentare della salinit`}_{a della}

solu-zione. Per questo motivo la potenza di pompaggio richiesta per dissalare l’acqua di mare (SW), che necessita di pressioni dai 50 agli 80 bar, `e molto pi`u alta di quella richiesta per dissalare l’acqua salmastra (BW), con la quale invece si opera dai 15

1_{La pressione osmotica `}_{e una propriet`}_{a associata alle soluzioni. Due soluzioni con lo stesso}

solvente, ma con concentrazioni diverse di soluto, sono separate da una membrana semipermeabile. La pressione che occorre applicare alla soluzione affinch´e il passaggio del solvente non avvenga `e detta pressione osmotica.

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ai 30 bar[10]. Questi impianti includono i seguenti sottoprocessi: prelievo d’acqua, pretrattamento, sistema di pompaggio, sistema di separazione a membrana, even-tuale sistema di recupero energia e post-trattamento.

Esistono sul mercato numerose tipologie di membrane: le più diffuse sono quelle a spirale avvolta e quelle a fibra cava. In particolare le prime, anche se di maggior complessità costruttiva, sono più resistenti al fouling e più facili da pulire. Le mem-brane per l’osmosi inversa sono molto sensibili alle azioni di vari agenti chimici, al pH, all’ossidazione e alle deposizioni di particolato e fouling. Sono perciò necessari pretrattamenti, sia fisici che chimici, per rallentare il deterioramento delle membra-ne, aumentare la loro vita utile e mantenere la performance ad un livello elevato riducendo i costi operativi. Il post-trattamento è necessario per rendere l’acqua prodotta conforme ai parametri di qualità dell’acqua indicati dalla normativa. La brina separata contiene molta energia di pressione che viene recuperata attraverso appositi sistemi.

`

E importante notare che i continui miglioramenti delle proprietà delle membrane e i vari sistemi efficienti per il recupero di energia dal flusso di salamoia ad alta pressione, hanno portato la RO ad essere il metodo più efficiente dal punto di vista energetico per la dissalazione dell’acqua attualmente disponibile [10]. É una tecno-logia matura e la più comunemente utilizzata. La capacità installata è compresa tra 0,1 m3_{/g (utilizzata in applicazioni domestiche e marine) e 395.000 m}3_{/g (per}

applicazioni commerciali) [9].

2.2.2 Electrodialysis (e EDR)

Figura 2.7: Schema generale di un processo di ED

L’Electrodialysis (ED) è un processo di separazione elettrochimica che opera a pressione atmosferica e utilizza corrente elettrica diretta per spostare selettivamente gli ioni salini attraverso la membrana, separandosi dall’acqua fresca. Un’unità di questo impianto è costituita da due elettrodi, uno carico positivamente (anodo) e l’altro negativamente (catodo), connessi esternamente a una sorgente di corrente continua, e da membrane poste in parallelo in maniera tale da formare dei canali. Le membrane sono selettive: una permette il passaggio dei cationi (Na+)e l’altra degli

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anioni (Cl−), ma non delle molecole d’acqua. Pertanto, quando una soluzione viene posizionata tra una coppia di queste membrane, grazie alla differenza di potenziale generata dalla sorgente di corrente continua, gli ioni salini si dirigono verso gli elettrodi in base alla loro carica. In questo modo all’uscita del canale centrale si ottiene acqua dissalata, mentre nei due canali adiacenti `e presente la salamoia.

In una variante del processo ED, chiamato elettrodialisi inversa EDR, la polarit`a degli elettrodi viene periodicamente invertita per invertire la direzione del flusso, in modo da prevenire la formazione di incrostazioni e depositi e fornendo cos`ı un meccanismo autopulente. Questi processi richiedono acqua di alimentazione con ridotto contenuto di sali: non sono infatti usati con acqua marina SW.

Sono processi maturi e consolidati da un punto di vista commerciale e le capa-cit`a tipiche vanno dai 2 ai 145.000 m3_{/g [9], [10]. Una caratteristica interessante di}

questi impianti risiede nel fatto che, dato che utilizzano tensione in corrente conti-nua, sono adatti per l’accoppiamento con impianti fotovoltaici senza la necessit`a di un convertitore DC/AC.

2.2.3 Membrane Distillation

Figura 2.8: Schema generale di un processo MD

Nel processo di distillazione a membrana MD si fa uso di una membrana idrofo-bica porosa che separa l’acqua salata e il vapore di condensazione: essa impedisce il passaggio all’acqua di mare e lo consente solo al vapore generato [16]. La se-parazione tra acqua dolce e salamoia è ottenuta grazie alle differenze di pressione tra le superfici della membrana. Un lato della membrana è a contatto diretto con l’acqua calda salata e l’altro lato è in contatto diretto o indiretto con l’acqua fredda dolce. Il vapore, passando attraverso la membrana, si condensa sul lato freddo e produce il distillato. Una tipica unità di distillazione a membrana è mostrata in Figura 2.8. Esistono quattro configurazioni di processi a membrana: a contatto diretto (Direct Contact DCMD), con intercapedine d’aria (Air Gap AGMD), con gas ampio (Sweeping Gas SGMD) e sotto vuoto (Vacuum VMD) [15][16]. In tutti

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questi processi il flusso di alimentazione caldo è a diretto contatto con la superficie della membrana [15]. La MD richiede sia energia termica che meccanica; può es-sere accoppiata col solare utilizzando calore proveniente da collettori solari o dallo stagno solare e usando elettricità proveniente da un impianto fotovoltaico [16].

Le membrane utilizzate in questo processo devono essere altamente idrofobiche e porose e devono avere bassa conduttività termica. Il flusso di permeato aumenta all’aumentare della dimensione dei pori, generalmente compresa tra 0,1 e 0,4 mm, e con la riduzione dello spessore della membrana (30-60 mm). I parametri operativi, come la temperatura dell’acqua di alimentazione, la portata, lo spessore del trafer-ro, lo spessore della membrana, la conduttività termica della membrana e la sua porosità hanno effetti sulla resa del distillato. La distillazione a membrana presenta più vantaggi rispetto al RO: il funzionamento a basse pressioni consente l’utilizzo di tubazioni più sottili, le perdite sono ridotte, non è necessario il pretrattamento dell’acqua di alimentazione e l’efficienza del sistema è indipendente dalla salinità dell’acqua di alimentazione [15].

Complessivamente, i processi MD accoppiati col solare sono ancora in fase di sviluppo: possono anche operare con i cosiddetti stagni solari, anche se il flusso di permeato ottenuto con i collettori solari è maggiore. Rispetto ai sistemi MSF e MED hanno lo svantaggio di una resistenza in più al trasporto di massa da parte della membrana. Tuttavia, grazie al minor costo dei materiali, questo svantaggio può essere compensato utilizzando una maggiore area per il trasferimento di calore e massa. Inoltre, potrebbero essere utilizzati per trattare acqua ad alta concen-trazione di sale, che non potrebbe essere dissalata con un impianto RO a causa dell’elevato consumo energetico richiesto.

2.3 Impianti alimentati da energie rinnovabili

Una delle maggiori criticit`a degli impianti di dissalazione `e il loro inevitabile con-sumo energetico: si stima che per la produzione di 1.000 m3_{/giorno di acqua siano}

necessarie 10.000 tonnellate di prodotti petroliferi all’anno [11], una richiesta ener-getica significativa, troppo alta per la maggior parte dei paesi che soffrono di carenza idrica. L’industria della dissalazione è in continua evoluzione riducendo i costi e producendo in modo affidabile acqua di altissima qualità. La maggior parte delle innovazioni si concentra sulla riduzione della domanda di energia, poiché essa è associata a costi operativi elevati [13]. I sistemi di dissalazione convenzionali sono gestiti con combustibili fossili: la sostituzione dell’approvvigionamento energetico convenzionale con risorse rinnovabili e sostenibili è diventata un’esigenza cruciale per ridurre le emissioni di gas serra e la carbon footprint [12]. Inoltre l’utilizzo

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di fonti rinnovabili è emerso come una promettente soluzione sostenibile per l’ap-provvigionamento di acqua dolce nelle regioni in cui manca l’apl’ap-provvigionamento energetico. Ciò può essere particolarmente significativo nelle aree in cui è neces-saria acqua e dove sono disponibili risorse rinnovabili come l’Africa e la regione del Medio Oriente: in aree remote in cui e infrastrutture elettriche sono carenti e la fornitura di energia inadeguata e inaffidabile, lo sviluppo di sistemi di piccola scala, alternativi e compatti è indispensabile per l’accesso all’acqua pulita e sicura [11]. Affinché la desalinizzazione rimanga un’opzione praticabile in un mondo con un clima che cambia, le fonti di energia rinnovabile devono perciò essere utilizzate per soddisfare almeno una parte dei suoi requisiti di energia [13].

Tabella 2.1: Esempi di impianti di dissalazione alimentati con energia rinnovabile [12]

Plant Name Location Technology Capacity [m3/g] Energy Source

Kimolos Greece MED 200 Geothermal

Keio University Japan MED 100 Solar collectors

PSA Spain MED 72 CSP

Ydriada Greece RO 80 Wind Turbine

Morocco Morocco RO 12-24 PV

I sistemi di dissalazione alimentati da fonti rinnovabili (RED) si stanno infat-ti diffondendo sempre di più: il costo della dissalazione e dei sistemi di energia rinnovabile sono in costante calo, mentre i prezzi dei combustibili fossili stanno au-mentando cos`ı come le preoccupazioni sulla sicurezza energetica [11]. Nel 2012 solo l’1% dell’acqua totale desalinizzata utilizzava energia proveniente da fonti rinnova-bili [11], ma negli ultimi anni sono stati aperti più di 130 impianti in tutto il mondo [12]. Le principali fonti di energia usate in questi impianti sono solare (fotovoltaico o collettori solari), eolica e geotermica. L’energia idroelettrica e le biomasse non sono invece adatte all’abbinamento con la dissalazione poichè richiedono risorse idriche che potrebbero non essere disponibili nei paesi con scarsità d’acqua [12]. In Tabella 2.1 sono riportati degli esempi di impianti di dissalazione alimentati da energie rinnovabili. Considerando le varie tecnologie di dissalazione e le varie fonti di energia rinnovabile è possibile un’ampia varietà di accoppiamenti, ognuna con i suoi vantaggi in termini di produzione di acqua, disponibilità 24 ore su 24 di fonti di energia rinnovabile per alimentare l’impianto o costi. È improbabile che una singola combinazione possa essere la migliore in tutte le situazioni: una scelta razionale delle tecnologie dipenderà da molti fattori e dovrebbe essere presa sulla base di considerazioni economiche, ambientali e di sicurezza. Uno degli ostacoli alla RED è rappresentato dal fatto che le tecnologie per le energie rinnovabili e la tec-nologia di dissalazione sono stati sviluppati separatamente: questo ha un impatto

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sull’affidabilit`a e sulla modularit`a dell’intero sistema [10] [11].

Figura 2.9: Fonti di energia rinnovabile usate in impianti RED [11] [12]

Nel 2017 circa il 70% degli impianti RED sono gestiti da energia solare [11] [12]: con essa si può produrre sia la quota di energia termica che quella elettrica richiesta da qualsiasi processo di dissalazione [12] e, pur essendo aleatoria, è comunque una risorsa abbastanza prevedibile [17]. L’energia geotermica utilizza l’alta temperatura del sottosuolo per produrre vapore o immagazzinare l’energia termica. L’energia del vento è più adatta alle aree costiere in cui sono disponibili il vento e l’acqua: è per lo più combinata con i sistemi di desalinizzazione RO ed ED perché richiedono elettricità piuttosto che calore. Anche l’energia delle onde e dalle maree è adatta alle zone costiere. La primo impianto commerciale con energia dalle onde utilizzato per l’impianto di dissalazione è stato installato a Perth, in Australia [12]. La Figura 2.9 mostra il contributo di ciascuna fonte di energia rinnovabile alla dissalazione a livello globale [11] [12].

2.3.1 Solare

Come precedentemente accennato, l’energia solare è la più diffusa per l’accoppia-mento con le tecnologie di dissalazione. Le regioni del mondo dove maggiormente si presenta il problema della scarsità 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 intensità 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 è più alta anche la domanda di acqua. Di conseguenza, lo sviluppo di tecnologie a energia solare accessibili, ine-sauribili e pulite avrà significativi benefici a lungo termine. Aumenterà la sicurezza energetica attraverso l’uso di una risorsa locale e indipendente dall’importazione, migliorerà la sostenibilità, ridurrà l’inquinamento, abbasserà i costi di mitigazione dei cambiamenti climatici e manterrà bassi i prezzi dei combustibili fossili [11].

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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 è separato in due sottosistemi, il sistema di captazione dell’ener-gia solare e l’unità di dissalazione: l’energia solare è 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 capacità e relativamente compatti. Il loro funzionamento è 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 realtà qualsiasi stagno con fondo nero è in grado di captare l’energia solare, ma l’ef-ficienza di raccolta è scarsa perchè 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 densità dal basso verso l’alto. Questo gradiente può essere generato usando un’alta con-centrazione di sali nella parte inferiore dello stagno e acqua a bassa salinità nella

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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 è 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-sità provocata dall’aumento di temperatura non è sufficiente per far risalire l’acqua a causa dell’elevata salinità degli ultimi strati. Questa impossibilità 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 capacità 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 salinità sono costan-ti. In quello intermedio si ha un gradiente di temperatura e salinità che impedisce la formazione di movimenti convettivi verso l’alto. Il calore accumulato nella parte inferiore può 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 capacità di accumulo può 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 è quello di permettere di far funzionare gli impianti anche nei momenti di assenza di insolazione e di notte.

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Struttura del sistema in esame

La zona geografica presa in esame è 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 è 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 è sostenibile e le risorse idriche stanno diminuendo sempre di più. L’acqua potabile in queste zone può essere trasportata da navi cisterna o serbatoi o prodotta da piccole unità 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 unità convenzionali di desalinizzazione che utilizzano combustibili fossili, come il gasolio, può essere comunque non conveniente, dato che l’approvvigionamento del combustibile può riscontrare gli stessi problemi che si incontrano nel trasporto di acqua dolce, vale a dire le spese di trasporto e l’affidabilità [25].

La desalinizzazione è in aumento nei paesi MENA, ma i processi convenzionali sono ad alta intensità energetica e uno dei maggiori costi nelle spese operative di questi impianti è il costo dell’energia. Quest’ultimo risulta infatti una delle mag-giori preoccupazioni sull’uso della dissalazione come mezzo per fornire acqua dolce a comunità 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, è diventato chiaro che l’inquinamento ambientale causato dal rilascio di gas a effetto serra derivanti dalla combustione di combusti-bili fossili è responsabile della riduzione dell’ozono e del riscaldamento atmosferico [25]. Le maggiori sfide saranno perciò 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.

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La MENA è investita da abbondanti radiazioni solari che possono essere utiliz-zate come fonte di energia per piccole unità di dissalazione. Recentemente, è 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, difficoltà 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 potenzialità 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.

3.1.1 Energia idroelettrica

La risorsa rinnovabile più conosciuta e commercialmente consolidata è l’energia idroelettrica. Tuttavia, nella regione MENA, la stessa carenza idrica che rappre-senta una sfida alla crescita economica causa opportunità limitate di sfruttamento commerciale dell’energia idroelettrica che, nel 2012, forniva meno del 2,5% dell’e-lettricità della regione. Le aree della zona con maggiore potenziale sono l’Egitto, l’Iran e l’Iraq. In tutto il resto della regione la scarsità d’acqua limita il potenziale di sviluppo idroelettrico [17].

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3.1.2 Energia eolica

Il crescente interesse per lo sfruttamento dell’energia eolica e la disponibilit`a di tec-nologie avanzate ha portato alla ricerca di risorse eoliche commercialmente sfrut-tabili in diverse localit`a del mondo. Nella regione MENA, il vento viene sfruttato lungo la costa del Nord Africa, soprattutto in Marocco, Algeria ed Egitto.

Figura 3.2: Velocit`a del vento media annuale a 80 m di altezza [m/s] [17]

3.1.3 Biomasse

La produttività della biomassa varia su tutta la superficie terrestre in funzione della temperatura superficiale, dell’energia solare e delle precipitazioni o dell’umidità disponibile. Sfortunatamente, le forniture di biomassa nel MENA sono limitate dallo stesso deficit idrico che modella gran parte della vita in tutta la regione. In tutta la zone esclusa una piccola parte della costa mediterranea, la produttività annuale primaria della biomassa è minore di 2,5 tonnellate per ettaro.

3.1.4 Energia solare

La maggiore risorsa è la radiazione solare, disponibile ampiamente in tutta la regio-ne: ha un potenziale 1000 volte maggiore delle altre risorse rinnovabili combinate e l’energia solare per chilometro quadrato all’anno è equivalente alla quantità di ener-gia generata da 1–2 milioni di barili di petrolio [17]. Tuttavia, non tutta questa energia è utilizzabile perché gran parte della superficie della terra viene utilizzata in modi che vietano di dedicarla alla raccolta di energia solare. Chiaramente, il potenziale di energia solare di MENA è senza eguali e, se correttamente sfruttato, potrebbe alimentare tutto il fabbisogno energetico della regione. Si ritiene che il migliore accoppiamento per l’impianto MED sia con i collettori solari.

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(a) DNI [kWh/m2_]

(b) Global Horizontal Radiation (GHI) [kWh/m2]

(c) Potenziale PV [kWh/kWp]