Acqua mediante dissalazione: processi ed esperienze
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Acqua mediante dissalazione: processi ed esperienze
Acqua mediante dissalazione: processi ed esperienze Autore: E. Ghiazza (Fisia Italimpianti - Genova) Abstract L’utilizzo dell’acqua di mare per la produzione di acqua potabile mediante rimozione dei sali è un processo conosciuto fin dall’antichità. Tuttavia le prime applicazioni a livello industriale risalgono al secolo scorso, indicativamente agli anni Cinquanta. I metodi utilizzati appartengono a due grandi famiglie, che sfruttano rispettivamente l’energia termica o l’energia meccanica per la dissalazione. All’interno di ogni famiglia i singoli processi si differenziano poi per alcuni dettagli di principio relativamente al modo di utilizzare la sorgente di energia. L’energia disponibile per la dissalazione costituisce infatti uno dei parametri fondamentali per la scelta della tecnologia migliore da utilizzare, e va attentamente valutata sia in termini qualitativi che quantitativi. Ogni processo presenta inoltre ovviamente vantaggi e svantaggi, e deve essere accuratamente scelto caso per caso anche sulla base delle condizioni ambientali, dei vincoli e degli obiettivi che si vogliono perseguire. La potenzialità degli impianti di dissalazione è cresciuta esponenzialmente negli anni, mentre l’affinamento dei diversi processi ha consentito una contemporanea riduzione dei costi dell’acqua prodotta. L’area di maggior concentrazione degli impianti di grande capacità, prevalentemente basati su processi termici, è quella delle zone costiere della penisola arabica, principalmente nei Paesi che si affacciano sul Mar Rosso e sul Golfo Persico. Nonostante i processi di dissalazione industriale siano ormai impiegati da oltre mezzo secolo, si continua ancora oggi a ricercare nuove soluzioni e migliorie, sia in termini di processo che in termini di materiali, volte ad aumentare la vita utile degli impianti e la loro affidabilità, il che si traduce in ultima analisi in una minimizzazione del costo unitario dell’acqua prodotta. Questo consente una sempre più ampia possibilità di distribuzione di questa risorsa, che tutti riconosciamo come fondamentale non solo al benessere delle popolazioni, ma alla sopravvivenza stessa di ogni forma di vita presente sul nostro pianeta. La dissalazione dell’acqua di mare consiste nella rimozione del sale disciolto al fine di ottenere acqua distillata o potabile. Ad esempio, facendo bollire un contenitore di acqua salata e condensandone il vapore su una superficie fredda, il liquido che si ottiene è praticamente privo di sali. Le tecnologie disponibili si possono distinguere in Processi termici e Processi fisici, a seconda che l’energia utilizzata sia di tipo termico o meccanico: Fisia Italimpianti è leader mondiale nella realizzazione di impianti termici di grossa capacità, ed opera prevalentemente nell’area del Golfo Persico, in Paesi quali UAE, Qatar, Kuwait, Bahrain, Arabia Saudita. Per impianti di grande potenzialità l’unità di misura dell’acqua prodotta è il MIGD (Millions of Imperial Gallons per Day), corrispondente a 189,420 litri/ora. Il principale processo termico utilizzato per impianti di grandi dimensioni è il processo Multi-Stage Flash (MSF), di cui è rappresentato di seguito uno schema di processo: L’acqua di mare viene riscaldata alla sua temperatura massima, e poi fatta evaporare in camere successive a pressioni via via decrescenti. Ogni impianto è costituito da diverse unità identiche, ciascuna di dimensioni molto grandi, come si può vedere dalla fotografia. Un altro processo termico utilizzato per impianti di dimensioni medie è il processo Multiple Effects Distillation (MED), di cui sono visualizzati di seguito uno schema di processo ed una fotografia: Il processo meccanico più diffuso è la filtrazione attraverso membrane tramite osmosi inversa (RO), di cui sono visualizzati di seguito uno schema di processo ed una fotografia: Questo processo viene generalmente utilizzato per impianti di piccole dimensioni e acqua di mare non troppo salata. Gli impianti di dissalazione, avendo bisogno di energia, sono in genere accoppiati ad impianti termoelettrici, che possono presentarsi in diverse configurazioni, in funzione del rapporto fra energia prodotta ed acqua prodotta che viene di volta in volta richiesto. L’energia necessaria varia a seconda delle diverse tecnologie, dell’efficienza dell’impianto e delle caratteristiche dell’acqua di mare. Per gli impianti termici l’efficienza si misura mediante il Rendimento (PR), che esprime la quantità di acqua prodotta utilizzando un dato quantitativo di energia termica. Anche i requisiti di processo, in termini di caratteristiche e quantità di energia necessaria, nonché di caratteristiche dell’acqua mare da trattare, sono diversi per le varie tecnologie, siano esse termiche o meccaniche. Come quasi sempre accade, non esiste un processo di dissalazione in assoluto migliore degli altri, ma ogni tecnologia presenta vantaggi e svantaggi, e si può mostrare più o meno adatta di altre a seconda della capacità produttiva dell’impianto. La continua ricerca ed evoluzione tecnologica ha fatto sì che i costi di investimento diminuissero nel tempo, fino ad essere oggi quasi la metà rispetto ai primi anni ’80. Essendo oggi la vita utile di un impianto di dissalazione di 25 – 30 anni, oltre al costo di investimento riveste un ruolo di fondamentale importanza il costo operativo, cioè il costo per la conduzione e la manutenzione dell’impianto, costituito dal costo dell’energia, dei materiali di consumo, del personale e della manutenzione. Sulla base del costo di investimento e dei costi operativi viene determinata la tariffa dell’acqua prodotta. Nonostante l’applicazione industriale su larga scala delle tecnologie di dissalazione risalga ai primi anni ’70, la ricerca su come migliorare i processi sia dal punto di vista economico sia dal punto di vista dell’efficienza continua ancora oggi, in particolar modo nella scelta di nuovi materiali (impianti termici) e nello studio di sistemi di ottimizzazione energetica (impianti meccanici). 1 Acqua tramite dissalazione Processi ed esperienze Ing. E. Ghiazza - Fisia Italimpianti - Genova Roma, 22 Marzo 2011 Giornata dell'Acqua e dell'Energia 2 COSA E’ LA DISSALAZIONE ? Roma, 22 Marzo 2011 Giornata dell'Acqua e dell'Energia 3 LE TECNOLOGIE DISPONIBILI Processi termici Processi fisici • Processi a membrana Osmosi Inversa (RO) • Distillazione Flash a Stadi Multipli (MSF) • Distillazione a Effetti Multipli (MED) MED 10% RO 8% Fonte: IDA Desalination Yearbook Roma, 22 Marzo 2011 Giornata dell'Acqua e dell'Energia NF 1% MSF 74% MSF/RO 7% 4 UNITA’ DI MISURA: PRODUZIONE 1 MIGD = 4546 m3/d 1 MIGD = fabbisogno di 215,000 individui Roma, 22 Marzo 2011 Giornata dell'Acqua e dell'Energia L’AREA GEOGRAFICA 5 SHOAIBA NORD – 2007 45 migd RAS LAFFAN - 2004 40 MIGD SITRA 1987 21 MIGD RAS ABU FONTAS B2” 2007 30 MIGD AL HIDD 1999 30 MIGD JEBEL ALI “L II” 2007 55 MIGD SHUWEHIAT 2004 100 MIGD JEBEL ALI “L I” 2005 70 MIGD JEBEL ALI “K II” 2003 40 MIGD REMOTE ISLAND 1987 4 MIGD MIRFA 2002 22.5 MIGD RUWAIS 2000 6.6 MIGD RAK 2005 3,3MIGD JEBEL ALI “K I” 2001 20 MIGD JEBEL ALI “G” 2000 7.5 MIGD AL TAWEELAH B 1997 76 MIGD Roma, 22 Marzo 2011 AL TAWEELAH B N.E. 2008 79 e MIGD Giornata dell'Acqua dell'Energia UMM AL NAR 1987 21.7 MIGD IL PROCESSO MSF 6 25°C 30°C 100°C VAPORE ACQUA MARE RISCALDATORE SALAMOIA DISTILLATO 1° STADIO RITORNO CONDENSE ULTIMO STADIO 1 ata 0,03 ata 100°C 30°C SCARICO RICIRCOLO Roma, 22 Marzo 2011 Giornata dell'Acqua e dell'Energia DEAREATORE 7 Roma, 22 Marzo 2011 Giornata dell'Acqua e dell'Energia 8 IL PROCESSO MED Roma, 22 Marzo 2011 Giornata dell'Acqua e dell'Energia 9 IMPIANTO MED Roma, 22 Marzo 2011 Giornata dell'Acqua e dell'Energia 10 IL PROCESSO RO Roma, 22 Marzo 2011 Giornata dell'Acqua e dell'Energia 11 UN MODULO DI OSMOSI INVERSA Roma, 22 Marzo 2011 Giornata dell'Acqua e dell'Energia 12 ACQUA + ENERGIA Roma, 22 Marzo 2011 Giornata dell'Acqua e dell'Energia 13 Energia Roma, 22 Marzo 2011 kgD/kgV TERMICI Rendimento RO Salinità g/l ENERGIA CONSUMATA PER TECNOLOGIA kWh/m3 Giornata dell'Acqua e dell'Energia 14 UNITA’ DI MISURA: RENDIMENTO Gained Output Ratio GOR GOR kg D D s V kgV s Performance Ratio Roma, 22 Marzo 2011 kgD/kgV PR Giornata dell'Acqua e dell'Energia kgD/2326kJ 15 REQUISITI DI PROCESSO MED Vapore a bassa pressione MSF RO p = 0,8 bar a da 8 a 12 % l’acqua prodotta p = 2,0 bar a da 10 a 12 % l’acqua prodotta Energia elettrica 2,5-3 kWh/m3 acqua prodotta 3,5-4 kWh/m3 4-6 kWh/m3 acqua acqua prodotta prodotta Acqua mare da 5 a 6 volte l’acqua prodotta da 6 a 9 volte l’acqua prodotta Roma, 22 Marzo 2011 Giornata dell'Acqua e dell'Energia da 2,5 a 4 volte l’acqua prodotta 16 PRO E CONTRO DELLE DIVERSE TECNOLOGIE MSF MED RO • Adattabilità alle variazioni di torbidità/salinità dell’acqua Ottima Buona Bassa • Consumo globale energia Medio Medio/Basso Medio/Alto • Facilità di conduzione Buona Buona Media • Costo di manutenzione Basso Basso Alto • Costo investimento Medio Medio Basso • Impatto ambientale Medio Medio Medio/Basso • Capacità max.singola unità Molto alta Media Bassa • Qualità dell’acqua prodotta Molto pura Molto pura Potabile (2-5 p.p.m.) (5-25 p.p.m.) (300-400 p.p.m.) Roma, 22 Marzo 2011 Giornata dell'Acqua e dell'Energia 17 TAGLIE UNITA’ (m3/d) PER TECNOLOGIA 79800 80000 70000 56640 60000 MSF MED 50000 RO 36360 40000 30000 22800 22800 15000 20000 10000 1368 912 4560 10300 8208 2280 0 ante 1990 Roma, 22 Marzo 2011 1990-95 1995-2000 Giornata dell'Acqua e dell'Energia post 2000 I COSTI DI INVESTIMENTO NEL TEMPO $/IGPD $/MIGD 18 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 12 RO Min TERMICI Max 8 8 7 6 6 5,5 4,8 1985-90 1991-95 1996-00 2000-04 Roma, 22 Marzo 2011 Giornata dell'Acqua e dell'Energia 6,5 5 2005 19 I COSTI DELLE VARIE TECNOLOGIE: IMPIANTO TIPO GOLFO DA 40 MIGD CARATTERISTICHE MSF MED + TVC RO PRODUZIONE x UNITA’ 4 x 45500 m3/d 12 x 15166 m3/d 24 x 7576 m3/d RENDIMENTO Termico 9 9 - SALINITA’ acqua mare 45000 45000 45000 CONSUMO Elettrico MW 30 23 41 EXERGIA Tot kWh/m3 12 13 5,5 PROCESSO MSF MED RO COSTO IMPIANTO COSTO MAT. CONSUMO €/m3 COSTO PERSONALE COSTO MANUTENZ. TOTALE O&M M€ COSTO ENERGIA Ele + Term. €/m3 €/m3 €/m3 €/m3 195 0,60 0,03 0,03 0,02 0,68 185 0,65 0,03 0,05 0,03 0,76 160 0,28 0,30 0,08 0,08 0,74 Roma, 22 Marzo 2011 Giornata dell'Acqua e dell'Energia 20 I COSTI DELLE VARIE TECNOLOGIE: IMPIANTO TIPO MEDITERRANEO DA 40 MIGD CARATTERISTICHE MSF MED + TVC RO PRODUZIONE x UNITA’ 4 x 45500 m3/d 12 x 15166 m3/d 24 x 7576 m3/d RENDIMENTO Termico 9.5 12 - SALINITA’ acqua mare 30000 30000 30000 28 25 34 11.5 8 4,5 CONSUMO Elettrico MW EXERGIA Tot kWh/m3 PROCESSO MSF MED RO COSTO IMPIANTO COSTO MAT. CONSUMO €/m3 COSTO PERSONALE COSTO MANUTENZ. TOTALE O&M M€ COSTO ENERGIA Ele + Term. €/m3 €/m3 €/m3 €/m3 190 0,50 0,03 0,03 0,02 0,66 170 0,40 0,03 0,05 0,03 0,51 140 0,23 0,25 0,08 0,08 0,64 Roma, 22 Marzo 2011 Giornata dell'Acqua e dell'Energia IMPIANTI IBRIDI 21 • La combinazione di distillazione e processi a membrana può migliorare l’efficienza globale MSF / RO • risposta ottimale alla variazione stagionale della domanda di acqua ed elettricità; • massima efficienza power plant; • minimo impatto ambientale CO2; • il miscelamento del prodotto permette di raggiungere la qualità desiderata dell’acqua con vincoli meno stringenti nella sezione RO. Roma, 22 Marzo 2011 Giornata dell'Acqua e dell'Energia 22 RECENTI INNOVAZIONI • MSF/MED: Nuovi materiali adottati per evaporatori e fasci tubieri (es. titanio al posto del rame) • RO : Sistemi di recupero energia del concentrato ad alta efficienza sono di uso comune su tutti gli impianti Roma, 22 Marzo 2011 Giornata dell'Acqua e dell'Energia 23 Acqua tramite dissalazione Processi ed esperienze Ing. E. Ghiazza - Fisia Italimpianti - Genova Roma, 22 Marzo 2011 Giornata dell'Acqua e dell'Energia