Dai rifiuti: energia ed acqua potabile

Waste to energy nel contesto di un'economia circolare

Introduzione
La crescita della popolazione, l'intenso sviluppo agricolo, l'urbanizzazione e la crescita industriale comportano un'aumento della domanda di acqua, per far fronte al fabbisogno idrico.
L'approvvigionamento idrico ed il consumo d'acqua richiedono energia in tutte le fasi: l'acqua viene prelevata da una fonte e distribuita al bacino di utenza. In genere la pendenza può essere sufficiente, ma in alcuni casi l'acqua deve essere pompata su lunghe distanze e terreni ripidi, trattata attraverso una varietà di processi che richiedono energia, Inoltre l'energia viene utilizzata dalle utenze domestiche, negli uffici, nei cicli industriali per riscaldare, raffreddare, depurare e pompare acqua. Le acque reflue prodotte per essere riutilizzate devono deve essere sottoposte ad un trattamento di depurazione con dispendio di energia.

Carbon footprint della dissalazione dell'acqua di mare
Le principali tecniche di trattamento per dissalare l'acqua marina, possono così riassumersi.
Distillazione termica; Distillazione solare, Demineralizzazione a scambio ionico, Elettrodialisi, Separazione mediante Congelamento, Osmosi inversa.
Fra questi siatemi quelli più diffusi sono: l'Osmosi Inversa ed i processi basati sulla distillazione termica, questi ultimi possono essere raggruppati nelle seguenti categorie:
Sistemi basati sulla distillazione per via termica;
MSF: Distillazione flash a stadi multipli;
MED: Distillazione ad effetti multipli;
VCD: Distillazione con compressione di vapore;
Qui di seguito viene presentato un confronto tra la Carbon Footprint della dissalazione e del riciclo dell'acqua, facendo riferimento a parametri energetici ed economici.
La dissalazione generalmente ha una "Carbon Footprint" più elevata rispetto al riciclo dell'acqua.
Si riporta qui di seguito in Tab.1 il valore della carbon footprint (C.F.) del riciclo dell'acque e della dissalazione:
Come si evince dalla Tab.1, la dissalazione generalmente ha una C.F. più elevata rispetto al riciclo dell'acqua.
L'utilizzo di energia elettrica, da un contributo sostanziale alla C.F. della dissalazione e al riuso dell'acqua. L'impiego di energie rinnovabili, ed il recupero di risorse, può mitigare la C.F. di questi sistemi.
La Tab.2 riporta i valori della C.F. riferita al consumo di energie elettrica per diversi sistemi di dissalazione.
L'elevata quantità della richiesta di energia dei processi basati sulla distillazione termica, comporta grossi quantitativi di emissioni di CO2, mentre il processo di Osmosi Inversa, produce semplicemente i due terzi delle emissioni dei processi termici.
La Tab.3 riporta un confronto tra la C.F. dei processi di dissalazione ed il riciclo dell'acqua. (rif. Impianto da 15.000 mc/giorno), mentre la Tab.4 riporta i consumi energetici ed i costi di gestione.
La maggior parte degli impianti WTE producono energia elettrica ed utilizzano il calore della combustione per produrre vapore che alimenta il generatore di una turbina. Per massimizzare la resa elettrica, il vapore di scarico dalla turbina viene inviato a un condensatore raffreddato ad aria o ad acqua, quindi riciclato dalla caldaia.
L'Efficienza energetica degli impianti WTE:
per migliorare l'efficienza energetica degli impianti WTE, parecchi impianti Europei fanno ricorso alla Cogenerazione (CHP).
In Fig.2 riporta il ciclo funzionale di un impianto di dissalazione alimentato da impianto di cogenerazione a biogas.
L'efficienza energetica dell'impianto (E.E.) deve essere < o uguale a 65% per gli impianti in funzione dal 2009 e > o uguale a 60% per gli impianti operanti prima del 2009.
L'E.E. viene calcolata secondo l'equazione:
E.E. = [(Ep - (Ef +Ei)] / 0,97 x (Ew + Ef) x C.C.F. dove
E.E. = efficicienza energetica;
E.p = energia prodotta (elettricità o calore) GJ / anno;
E.f = consumo energetico come combustibile in GJ / anno;
EW = contenuto energetico dei rifiuti in GJ/ anno;
E i = energia importata annua escludendo Ew e Ef in GJ/ anno;
C.C.F. = Climate Correction Factor
Per migliorare l'efficienza energetica degli impianti WTE, in Europa vi sono molti impianti di cogenerazione (CHP). Queste strutture distribuiscono il vapore di scarico dalla turbina al sistema di teleriscaldamento (DH). Un impianto di CHP- WTE da 10 T/h e il 50% di recupero nell'estrazione del vapore può produrre fino a 5 MWh di energia elettrica ed in più 31.000-62.500 MJ/h di calore. Anche se il 20% dell'energia elettrica viene sacrificato, nel complesso l'efficienza aumenta dal 20% ad almeno il 65%.
L'efficienza termica per questi impianti può raggiungere l'80-90% Sistema di recupero del calore.
Tuttavia, l'uso del vapore di scarico WTE per il teleriscaldamento è limitato ai climi freddi ed anche al costo di costruzione del sistema di distribuzione del teleriscaldamento (D.H.).

Utilizzo del vapore di scarico di una turbina, come fonte di energia per la desalinizzazione dell'acqua di mare per l'approvvigionamento idrico
Il processo ad Osmosi Inversa ha un consumo di e.e., mentre il processo di distillazione ad effetti multipli (MED) e evaporazione flash multistadio (MSF), ha un consumo di energia termica ed e.e.. Con consumo energetico inferiore di 1-7 kWh/m3 e costo decrescente di 0,11-0,88 euro/m3, la desalinizzazione ad Osmosi Inversa, rappresenta il 60% della capacità installata in tutto il mondo. Le unità di dissalazione di MSF richiedono un'alta temperatura relativa, 100-130 °C per il vapore di alimentazione e 90-120 °C per operazione, con conseguente consumo di energia superiore di 13,5-25,5 kWh/m3 elettrici equivalente e costo di 0,44-1,54 euro/m3.
Il processo MED può funzionare con un livello di bassa pressione (0,3-0,5 bar), vapore a bassa temperatura (70-90 °C), Con un consumo elettrico inferiore di 1,5-2,5 kWh/m3 rispetto a MSF, il costo di produzione di MED è di circa 0,81 euro/m3, competitivo rispetto alla tecnologia ad Osmosi Inversa.
Ispirato dagli impianti di cogenerazione per la DH, viene esaminato: l'impianto di cogenerazione di desalinizzazione WTE St. Barth. La capacità produttiva di 1,5 t/h, lo stabilimento di St. Barth WTE vende il 67% dell'energia recuperata dall'impianto di desalinizzazione MED che produce 1350 m3 di acqua dolce al giorno. Il consumo di calore per la produzione di acqua potabile è 8.6MJ/m3 (40.6kWh/m3). Inoltre, circa l'8,5% dell'energia dei RSU viene trasformata in elettricità, sufficiente per il consumo elettrico sia del processo WTE che del processo MED. In breve, questo impianto di St. Barth risolve anche il problema di approvvigionamento dell'acqua dell'isola e dello smaltimento dei rifiuti urbani.
Impianto WTE per la produzione di acqua potabile nell'isola di Saint-Barthelemy: 7.237 Abitanti.
Saint-Barthelemy è un'isola delle Antille che ha risolto il problema della smaltimento dei rifiuti: 9.762 Tonnellate di r.s.u. l'anno. Nell'isola è stato realizzato un impianto WTE che utilizza l'energia prodotta per alimentare un impianto di dissalazione per l'approvvigionamento idrico dell'isola. Si riportano qui di seguito in Talbella 5 i valori relativi alla produzione di energia dai rifiuti.
Con un rendimento dell'80%, il WTE produce 3 T di vapore che alimenta un dissalatore tipo MED con una produzione media di 1.200 - 1.720 mc/giorno ed un consumo di energia termica di circa 8,6 MJ/mc. Generalmente il consumo idrico nell'isola è di 1.350 mc/giorno.
Questo esempio, dimostra che la cogenerazione è ecologica e è una soluzione economica, sia per le centrali elettriche WTE che per quelle alimentate a combustibili fossili.
Considerando i benefici e i requisiti degli impianti di cogenerazione desalinizzazione WTE,
i luoghi più promettenti per questa tecnica sono quelle isole tropicali o città del golfo con scarso accesso a combustibili ed acque.

Recupero di energia termica dai rifiuti
Uno dei limiti principali alla sostenibilità delle città è lo smaltimento dei rifiuti, con la rapida crescita delle aree metropolitane, in molte aree vi è una concomitante crescita in una varietà di rifiuti del matabolismo urbano. Tutto ciò che la moderna civiltà industriale genera, sotto forma di ricchezza materiale, in quantità sempre più crescenti, si trasforma inesorabilmente in rifiuto.
Trasformare i rifiuti in energia, può essere la chiave per un'economia circolare che consente di mantenere sul mercato il valore dei prodotti, dei materiali e delle risorse più a lungo possibile, riducendo al minimo il consumo di rifiuti e di risorse.
Con la crescita della popolazione e l'aumento degli standard di vita nel mondo, il consumo dei beni è in aumento, da un lato il consumo porta ad un aumento della produzione di rifiuti, mentre il settore Waste-to-Energy presenta un enorme potenziale di business con valore finanziario in nuovi modelli di business circolari, consentendo alle aziende di ottenere guadagni economici sostanziali e diventare più competitivi. L'energia termica recuperata dai rifiuti solidi urbani (RSU), in genere viene erogata sotto forma di vapore, elettricità o acqua calda. Contemporaneamente il volume dei rifiuti può essere ridotto fino a 80% -90% con una riduzione di massa del 50%.
Va notato che tale processo fa pochissimo uso dell'energia contenuta in vapore di scarico dalla turbina e le perdite oltre il 60% dell'energia liberata dalla combustione controllata di RSU.
Usano il vapore prodotto dalla combustione condotta dalla turbina di generazione elettrica, il vapore di scarico della turbina viene inviato al condensatore per il raffreddamento, quindi riciclato dalla caldaia o iniettato nel sistema idrico naturale.
Per ridurre le perdite di energia dell'elettricità, paesi come l'Europa e la Corea del Sud utilizzano l'energia recuperata in diversi modi. Molti dei loro impianti WTE sono impianti solo di calore o calore combinato (CHP). Queste strutture forniscono energia termica come loro prodotto in forma di vapore o acqua calda e lo vende per il teleriscaldamento (DHC) o per altri processi di produzione industriale correlati. In genere le strutture che creano efficienza termica sono circa l'80%, molto più alte delle centrali elettriche. Inoltre, è possibile ottenere vantaggi economici tangibili allo stesso tempo. Basato sul successo in Europa, DH è una grande scelta per molti luoghi per sfruttare appieno l'energia in vapore di scarico. Tuttavia, questa applicazione è limitata dalla richiesta e dal costo elevato di Costruzione del sistema di trasmissione DH e condizioni climatiche adeguate della zona. Attualmente una nuova valutazione è posta dalla scarsità di acqua dolce in tutto il mondo - usando il vapore di scarico come fonte di energia per la desalinizzazione dell'acqua termale.
La desalinizzazione dell'acqua si riferisce a processi che rimuovono una certa quantità di sale e altro minerali dall'acqua salata per fornire alle persone l'acqua dolce necessaria. Le limitate risorse di acqua dolce (1%) e una popolazione in continua crescita, la scarsità di risorse floride di acqua e la necessità di forniture idriche aggiuntive stanno già ponendo problemi importanti per più di un miliardo di persone in tutto il mondo. Questo problema è molto importante in molte regioni aride del mondo e molti di loro non hanno nemmeno una superficie fiorente di risorse idriche come fiumi e laghi, e molti hanno solo risorse idriche sotterranee limitate.
Fino al 2012, l'acqua di mare ha già rappresentato quasi i due terzi di tutta l'acqua di alimentazione]. Stimolato dalla sete dell'acqua e abbondante fornitura di petrolio, il mercato della dissalazione è guidato dal Medio Oriente, gli Stati del Golfo, con una quota del 53,4%, seguita dal Nord America (17%) e dall'Europa (10%). La tecnologia il progresso e l'ampia adozione della dissalazione causano anche una riduzione significativa del costo che a sua volta accelera ulteriormente lo sviluppo del mercato della desalinizzazione.
Il costo dell'acqua desalinizzata è sceso a 0,40~0,88 euro/m3 nel 2013 rispetto ai 7,92 euro/m3 nel 1970 di conseguenza, i costi di trasporto, energia e ambiente ora hanno sostituito la tecnologia come principale ostacolo alla desalinizzazione su larga scala e come la parte più dominante, i conti dei costi energetici al 30 ~ 45% del costo totale operativo.
Come accennato, sono stati realizzati alcuni impianti di cogenerazione per la desalinizzazione dell'energia su larga scala costruiti negli ultimi anni, per lo più nella zona dell'Arabia Saudita, per sfruttare l'energia dei rifiuti dalle vicine centrali elettriche riducono il costo energetico della desalinizzazione. Simile a molti le centrali elettriche tradizionali, anche le centrali WTE hanno un potenziale considerevole fornitore di energia per impianti di desalinizzazione termica. Questo potrebbe aumentare notevolmente l'efficienza dell'energia degli impianti WTE creando al contempo acqua responsabilmente per mitigare la scarsità d'acqua.

Valutazione dell'impatto ambientale di un impianto di dissalazione dell'acqua di mare
Lo studio di fattibilità per la localizzazione di un dissalatore, richiede le seguenti fasi:
• Indagine conoscitiva del territorio al fine di selezionare aree costiere idonee ad accogliere l'impianto di dissalazione e verificarne la compatibilità dello stesso, in relazione agli utilizzi attuali e potenziali delle zone di influenza a breve e lungo termine (aree urbanizzate, aree industriali, aree agricole);
• Scelta del trattamento di dissalazione che tenga in considerazione gli impatti residui, al fine di determinare eventuali misure di prevenzione destinate ad equilibrare l'impatto sul territorio di tale opera;
• Selezione delle aree idonee, in rapporto alla loro vocazione ad accogliere il progetto e alla compatibilità dello stesso in relazione agli utilizzi attuali e potenziali delle zone di influenza;
• Ottimizzazione delle scelte specifiche, al fine di soddisfare le finalità primarie e del progetto e di no creare problemi di incompatibilità ambientale e conflittualità sociali;
• Considerazioni degli impatti residui e inevitabili (probabilmente molto localizzati) al fine di determinare eventuali misure di compensazioni destinate a equilibrare il bilancio costi-benefici all'interno del bacino di utenza.;
• Indagine conoscitiva: superficie e popolazione residente e fluttuante;
• Elevati valori ambientali la cui tutela rappresenta il vincolo primario per adeguate politiche di sviluppo turistico;
• Presenza di forti punte estive di: produzione dei rifiuti,acque reflue riversate lungo la costa, elevati consumi idrici nel periodo estivo;

Conclusioni
Con l'aumento della popolazione e della domanda d'acqua, cresce la necessità di approvvigionamenti idrici alternativi di sistemi di riutilizzo di acque reflue e dissalazione dell'acqua di mare. Per una sicurezza idrica futura è fondamentale esaminare attentamente:
l'intensità energetica e le emissioni climalteranti GHG associate a queste strategie alternative; Man mano che le città si espandono e le aree esistenti vengono riqualificate, aumenta anche il consumo di energia associato alla distribuzione d'acqua. Capire l'energia usata per la fonte idrica, consentirà all'industria idrica di ridurre le emissioni di gas serra e facilitare la progettazione di sistemi di trattamento idrico, di riutilizzo delle acque reflue e dissalazione dell'acqua di mare, capaci di ridurre l'Embodied Energy e la Carbon Footprint del sistema del ciclo idrico integrato.