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
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NF
1%
MSF
74%
MSF/RO
7%
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UNITA’ DI MISURA: PRODUZIONE
1 MIGD = 4546 m3/d
1 MIGD = fabbisogno di 215,000 individui
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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
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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
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DEAREATORE
7
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8
IL PROCESSO MED
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9
IMPIANTO MED
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10
IL PROCESSO RO
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11
UN MODULO DI OSMOSI INVERSA
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12
ACQUA + ENERGIA
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13
Energia
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kgD/kgV
TERMICI
Rendimento
RO
Salinità
g/l
ENERGIA CONSUMATA PER TECNOLOGIA
kWh/m3
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UNITA’ DI MISURA: RENDIMENTO
Gained Output Ratio GOR
GOR
kg D
D
s
V kgV
s
Performance Ratio
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kgD/kgV
PR
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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
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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.)
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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
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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
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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
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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
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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.
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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
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23
Acqua tramite
dissalazione
Processi ed esperienze
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