USO SOSTENIBILE E METODOLOGIE DI INCREMENTO...
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USO SOSTENIBILE E METODOLOGIE DI INCREMENTO DELLA RISORSA IDRICA gentilmente inviato da Paolo Carretto Tesi di Laurea Redattore: Paolo Carretto Relatore: Prof.ssa Alessandra Bonoli Facoltà di Ingegneria – Corso di Laurea in Ingegneria per l’Ambiente e il Territorio Università degli Studi di Bologna A.A. 2004/2005 Labelab srl – Via Mirasole 2/2 – 40124 Bologna (BO) – C.F./P.Iva: 02151361207
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USO SOSTENIBILE E METODOLOGIE DI
INCREMENTO DELLA RISORSA IDRICA
gentilmente inviato da Paolo Carretto
Tesi di Laurea
Redattore: Paolo Carretto Relatore: Prof.ssa Alessandra Bonoli
Facoltà di Ingegneria – Corso di Laurea in Ingegneria per l’Ambiente e il Territorio
Università degli Studi di Bologna
A.A. 2004/2005
Labelab srl – Via Mirasole 2/2 – 40124 Bologna (BO) – C.F./P.Iva: 02151361207
USO SOSTENIBILE E METODOLOGIE DI INCREMENTO
DELLA RISORSA IDRICA
ANALISI ED OBIETTIVI…………….……………………………………………………… I
CAPITOLO I LA LEGISLAZIONE DELLE ACQUE
Introduzione……………………………………………………………………………….............1
1. GERARCHIA DELLE ISTITUZIONI…………………………………………………………2
2. LA NORMATIVA EUROPEA……………………………………………………………….. 3
La Direttiva 91/271/CE……………………………………………………………………. 3
La Direttiva 98/83/CE………………………………………………………………..……. 4
La Direttiva Quadro 23 0ttobre 2000 (2000/60/CE) …………………………………….... 5
Le altre Normative Europee……………………………………………………………..... . 7
3. COMMENTI……………………………………………………………………………….…. 9
4. LA SITUAZIONE IN ITALIA………………………………………………………………. 10
Legge 5 Gennaio 1994 n. 36…………………………………………………………….... 12
D.Lgs. 11 maggio 1999 n. 152………………………………………………………......... 12
4.1. Obiettivi…………………………………………………………………………………….. 13
5. ACQUE DESTINATE AL CONSUMO UMANO……………………………………………15
6. CONCLUSIONI……………………………………………………………………………….16
CAPITOLO II LE ACQUE: DISTRIBUZIONE, DISPONIBILITA’ E FABBISOGNI
Introduzione …………………………………………………………………………………….. 19
2.1. CICLO IDROLOGICO E DISPONIBILITA’ DELLA RISORSA IDRICA………………. 20
2.1.1. Distribuzione della risorsa idrica e disponibilità………………………………………… 21
2.1.2. Prelievi, stime e strategie di risparmio della risorsa idrica……………………………….. 23
2.1.3. Captazione da acque superficiali…………………………………………………………. 25
2.1.4. Captazione da acque sotterranee…………………………………………………………..26
2.1.5. Considerazioni……………………………………………………………………………..26
2.2. INQUINAMENTO E CONSUMI…………………………………………………….…… 26
2.2.1. Inquinamento e consumo domestico…………………………………………………….. 27
2.2.2. Inquinamento e consumo industriale…………………………………………………..… 27
2.2.3. Consumo nel turismo e nel tempo libero………………………………………………… 27
2.2.4. Inquinamento di fiumi e laghi……………………………………………………………. 28
2.2.5. Depurazione…………………………………………………………………………….... 28
2.3. I FABBISOGNI……………………………………………………………………………. 29
2.3.1. Calcolo dei fabbisogni civili……………………………………………………….…….. 31
2.3.2. Calcolo dei fabbisogni industriali…………………………………………….…………. 33
2.3.2.1. Qualità delle acque per uso industriale…………………………………………………. 35
2.3.2.2. Risparmio della risorsa idrica nell’industria……………………………………...……. 36
2.3.3. Calcolo dei fabbisogni agricoli…………………………………………………………... 37
2.3.3.1. Qualità delle acque per uso agricolo…………………………………………….………38
2.4. GLI ACQUEDOTTI…………………………………………………………………..…… 39
2.4.1. Approvvigionamento…………………………………………………………………..….40
2.4.2. La Distribuzione……………………………………………………………………….….43
2.4.3. Le Perdite………………………………………………………………………………… 43
2.5. I COSTI………………………………………………………………………………..…... 45
2.5.1. Costi per le opere agricole……………………………………………………..………… 47
2.5.2. Costi per le opere civili ed industriali………………………………………….………… 47
2.5.3. Industria…………………………………………………………………………………...50
2.6. GLI INVESTIMENTI……………………………………………………………………... 51
2.7. CONCLUSIONI…………………………………………………………………………… 52
CAPITOLO III I PRINCIPI DELLA DISSALAZIONE
Introduzione……………………………………………………………………………………. 53
3.1. CARATTERISTICHE DELLE ACQUE MARINE……………………………………….. 53
3.2. LA DISSALAZIONE……………………………………………………………………… 57
3.2.1. Classificazione dei processi di dissalazione……………………………………….…….. 57
3.2.2. Analisi dei processi di dissalazione……………………………………………………… 58
3.3. PROCESSI TERMICI E NON TERMICI………………………………………..……….. 59
3.3.1. Dissalazione per evaporazione a singolo effetto……………………………..……………59
3.3.1.1. Funzionamento………………………………………………………………….……… 59
3.3.1.2. Parametri funzionali del processo………………………………………….………....... 60
3.3.2. Dissalazione per termocompressione del vapore………………………………….…….. 62
3.3.2.1. Funzionamento………………………………………………………………………… 62
3.3.2.2. Parametri funzionali del processo……………………………………………..………. 63
3.3.3. Dissalazione per compressione meccanica del vapore……………………….…………. 65
3.3.3.1. Funzionamento……………………………………………………………………........ 65
3.3.3.2. Parametri funzionali del processo……………………………………………………… 66
3.4. PROCESSI A MEMBRANA……………………………………………….…………....... 68
3.4.1. Osmosi diretta………………………………………………………………………..........69
3.4.2. Osmosi inversa…………………………………………………………………………….72
3.5. ELETTRODIALISI……………………………………………………………………........73
3.5.1. Funzionamento………………………………………………………………………....... 73
3.6. CONCLUSIONI…………………………………………………………………………… 75
CAPITOLO IV GLI IMPIANTI
Introduzione………………………………………………………………………………………77
4.1. DISTILLAZIONE A STADI MULTIPLI…………………………………………………. 77
4.1.1. Processo di dissalazione multiflash con ricircolo della salamoia……………………........ 78
4.1.1.1. Funzionamento……………………………………………………………………...........78
4.1.2. Evaporazione ad effetti multipli……………………………………………………………80
4.2. IMPIANTI DI DISSALAZIONE AD OSMOSI INVERSA………………………….......... 83
4.2.1. Funzionamento……………………………………………………………………………..83
4.2.2. Caratteristiche delle membrane……………………………………………………….........85
4.2.3. Sistemi per il recupero dell’energia…………………………………………………….….88
4.2.3.1. Impianti ad osmosi inversa con turbine per il recupero di energia………………….........89
4.3. IMPIANTI DI DISSALAZIONE PER ELETTRODIALISI………………………………...90
CAPITOLO V PROCESSI MINORI DI DISSALAZIONE
Introduzione………………………………………………………………………………………91
5.1. DISSALAZIONE PER CONGELAMENTO………………………………………………..91
5.1.1. Funzionamento……………………………………………………………………………..92
5.2. DISTILLAZIONE TRAMITE MEMBRANA……………………………………………....93
5.2.1. Funzionamento……………………………………………………………………………. 93
5.3. DISTILLAZIONE TRAMITE SCAMBIO IONICO E IMPIEGO DI SOLVENTI…………93
5.4. DISSALAZIONE MEDIANTE L’UTILIZZO DI FONTI DI ENERGIA RINNOVABILE..94
5.4.1. Dissalazione mediante l’utilizzo di energia eolica…………………………………………94
5.4.1.1. Energia eolica associata a processi di dissalazione ad osmosi inversa………………….. 94
5.4.1.2. Energia eolica associata a processi di dissalazione per compressione del vapore………. 94
5.4.1.3. Energia eolica associata a processi di dissalazione per congelamento…………………...95
5.4.1.4. Energia eolica associata a processi di dissalazione mediante elettrodialisi………………95
5.4.2. Dissalazione mediante l’utilizzo di energia mareomotrice…………………………………95
5.4.3. Dissalazione mediante l’utilizzo di energia solare…………………………………………96
5.4.3.1. Funzionamento……………………………………………………………………………96
5.4.4. Energia fotovoltaica associata ad impianti di dissalazione ad osmosi inversa…………......97
5.5. CONCLUSIONI……………………………………………………………………………...99
CAPITOLO VI LA GESTIONE DELLA DISSALAZIONE
Introduzione………………………………………………………………………………………101
6.1. ECONOMIA DELLA DISSALAZIONE………………………………………….………...102
6.2. ANALISI TECNICA DEI COSTI………………………………………………………….. 103
6.3. COSTO COMPLESSIVO……………………………………………………………………103
6.3.1. Impianti di evaporazione ad efferati multipli (MED) ……………………………………..105
6.3.2. Impianti di dissalazione ad espansioni multiple (multiflash) ……………………………. 108
6.3.3. Impianti ad osmosi inversa……………………………………………………………….. 110
6.3.4. Impianti ad elettrodialisi inversa…………………………………………………………..113
6.4. CONFRONTO TRA LE TECNOLOGIE DI DISSALZIONE……………………………...115
6.4.1. Esercizio di impianto………………………………………………………………………116
6.4.2. Confronto sulla qualità delle acque prodotta……………………………………………... 122
6.5. PROBLEMI AMBIENTALI……………………………………………………………….. 123
6.6. CONCLUSIONI……………………………………………………………………………. 126
CAPITOLO VII PRESENTAZIONE DI UN IMPIANTO IDEALE PER LA DISSALAZIONE
Introduzione………………………………………………………………………………………129
7.1. Premesse……………………………………………………………………………………..129
7.1.1. Caratteristiche dell’acqua da dissalare……………………………………………………..130
7.1.2. Scelta dell’impianto………………………………………………………………………..131
7.2. L’IMPIANTO………………………………………………………………………………..132
7.2.1. Descrizione del processo e scelte impiantistiche………………………………………….132
7.2.2. Descrizione del processo…………………………………………………………………..133
7.2.3. Effettiva efficienza dell’impianto………………………………………………..………..138
7.3. FORNITURA DI ENERGIA……………………………………………………………......139
7.3.1. Scelta impiantistica e tipologia di energia adottata……………………………………… 139
7.3.2. Specchi solari ……………………………………………………………………………..140
7.3.3. Collettori solari………………………………………………………………………….. 140
7.3.4. Scelta dello stagno solare (solar Pond) …………………………………………………. 141
7.3.4.1. Funzionamento………………………………………………………………………… 141
7.3.4.2. Struttura del solar pond………………………………………………………………… 142
7.3.4.3.Vantaggi economici…………………………………………………………………….. 143
7.3.4.4. Vantaggi ambientali………………………………………………..…………………... 143
7.3.5. La tecnologia dei solar ponds………………………………………...…………………. 144
7.3.5.1 .Determinazione della radiazione solare………………………………….…………….. 144
7.3.5.2. La convezione naturale………………………………………………………………… 145
7.3.5.3. La conduzione……………………………………………………………….………… 147
7.3.5.4. Spessore ottimale dello strato del gradiente salino………………….………………… 149
7.3.5.5. Il gradiente salino……………………………………………………………………….150
7.3.6. Estrazione del calore………………………………………………………….…………. 150
7.3.7. Conclusioni e dimensionamento di un solar pond……………………….……………… 153
CONCLUSIONI……………………………………………………………………….……....155
BIBLIOGRAFIA…………………………………………….………………………………157
I
ANALISI ED OBIETTIVI
Il miglioramento delle tecniche di prelievo, l’ottimizzazione dei sistemi di captazione e
distribuzione dell’acqua non sono sufficienti a soddisfare le attuali richieste idriche da parte
dell’utenza civile, agricola ed industriale. Le normativa Europee e Nazionali pongono limiti
quantitativi e qualitativi sul prelievo di acqua di falda e superficiale, al fine di preservare l’assetto
idrogeologico ed idromorfologico del territorio, proponendo politiche di uso sostenibile della risorsa
idrica.
Questa tesi vuole analizzare il problema dell’approvvigionamento della risorsa idrica con l’intento
di divulgare e promuovere l’utilizzo di acqua dolce ottenuta mediante tecniche di dissalazione di
acqua marina. Attualmente nel mondo ci sono più di 7500 impianti di dissalazione che producono
miliardi di metri cubi di acqua dolce al giorno. Le tecniche di dissalazione sono molte ed alcune di
queste consolidate, affidabili e valide, sia per la qualità che per la quantità dell’acqua prodotta.
Attraverso un’analisi tecnico-economica delle metodologie di approvvigionamento e delle
problematiche relative alla risorsa idrica, vedremo che i costi di produzione di acqua dissalata sono
ancora alti ma, in alcuni casi, competitivi rispetto ai costi dell’acqua prelevata dalle falde, dai pozzi
e dai bacini superficiali.
Affronteremo il problema idrico da un punto di vista legislativo e sociale, soffermandoci su quelli
che sono i problemi che vincolano l’economia legata all’acqua, creando le premesse per trattare
l’argomento della dissalazione delle acque marine da un punto di vista tecnico, economico,
energetico e sociale.
L’analisi delle tecniche e degli impianti di dissalazione evidenzieranno che non esiste un processo
ottimale di dissalazione, ma esistono tante possibili applicazioni che variano a seconda delle
condizioni sociali, economiche, ambientali ed energetiche, che vincolano lo sviluppo di queste
tecnologie.
Nell’ultimo capitolo del nostro lavoro si proporrà il progetto di un impianto ideale, con impatto
ambientale minimo, adatto a soddisfare le esigenze di una piccola comunità ed alimentato da
energia solare, riscontrando la possibilità che è possibile produrre acqua dolce praticamente allo
stesso prezzo di quella prelevata dalle falde o dai bacini superficiali.
1
CAPITOLO I
LA LEGISLAZIONE DELLE ACQUE
Introduzione
La scarsità e la preziosità della risorsa idrica hanno imposto ai Governi di tutto il mondo di
adeguare e riformare le normative inerenti al settore idrico per favorirne un uso sostenibile. L’anno
2003, anno internazionale dell’acqua, è stato l’anno nel quale si è deciso, a livello planetario, di
intensificare la mobilitazione a proposito della crisi idrica. Tra il 2002 ed il 2003 si è svolto il
World Summit a Johannesburg, il World Water forum a Kyoto nel quale sono state prese decisioni
significative riguardo l’emergenza idrica.
L’Unione Europea sta svolgendo un ruolo centrale nella promozione ed elaborazione di soluzioni
alla crisi idrica globale.
L’iniziativa sui temi idrici avviata dall’Unione Europea nel corso del World Summit di
Johannesburg nell'agosto 2002 (summit mondiale delle Nazioni Unite dedicato alla delicata
questione Sviluppo Sostenibile) ha fornito un quadro di riferimento essenziale per la progettazione
delle azioni.
E’ stata rilevata una crisi idrica che coinvolge tutti i Paesi del mondo, compresa l’Italia per la quale
è necessario intervenire non solo a livello di intenzioni ma anche a livello di fatti. Lo strumento
attraverso il quale si vuole raggiungere tale intento è la legislazione, composta di regolamenti,
normative e leggi, che impongano alla collettività ed ai singoli individui un diverso comportamento
nei confronti della risorsa idrica.
L’insieme delle norme che regolano l’Organizzazione e lo sviluppo della Comunità Europea
stabilisce che ogni Stato membro dell’Unione Europea abbia la propria legislazione ed il proprio
ordinamento, ma che tra Stati membri esistano rapporti di diritto internazionale, definiti come
l’insieme delle norme che regolano i rapporti tra gli Stati membri della Comunità internazionale.
Per favorire i rapporti e gli scambi tra Stati sono istituiti organismi internazionali ai quali sono
affidati compiti specifici ed assegnati mezzi finanziari, materiali e risorse umane. I più noti tra
questi sono l’ONU, la NATO ed il Consiglio Europeo.
Il diritto Internazionale nasce da una cooperazione spontanea tra gli stati membri dell’Europa e
stabilisce un ordinamento paritario nel quale tutti i soggetti sono su uno stesso piano; infine, le
norme Internazionali, per essere eseguite all’interno degli Stati, devono trasferirsi in norme di
diritto interno.
2
1. GERARCHIA DELLE ISTITUZIONI
A livello Europeo le istituzioni sono cinque ed ognuna di loro svolge un ruolo specifico:
• Il Parlamento Europeo (eletto dai cittadini degli Stati membri);
• Il Consiglio dell’Unione europea (che rappresenta i governi degli Stati membri);
• La Commissione europea (motore ed organo esecutivo);
• La Corte di giustizia (che garantisce la conformità con il diritto);
• La Corte dei conti (che verifica che la gestione del bilancio dell’Unione europea sia sana e
corretta ).
A tali istituzioni si affiancano altri cinque organi:
• Il Comitato economico e sociale europeo (che è il portavoce delle opinioni della società
civile organizzata su questioni economiche e sociali);
• Il Comitato delle regioni (che è il portavoce delle opinioni degli enti regionali e locali);
• La Banca centrale europea (che è responsabile della politica monetaria e della gestione
dell’euro);
• Il Mediatore europeo (che tratta le denunce presentate dai cittadini contro i casi di cattiva
amministrazione nell’azione di un’istituzione o di un organo dell’Unione europea);
• La Banca europea per gli investimenti (che contribuisce al conseguimento degli obiettivi
dell’Unione europea tramite il finanziamento di progetti di investimenti).
I mezzi attraverso i quali i cittadini sono portati a conoscenza sono:
• Le Direttive (rivolte agli Stati membri, vincolano lo Stato o gli Stati ai quali è rivolta
riguardo al risultato da raggiungere).
• I Regolamenti (destinati ai singoli cittadini e a tutti gli Stati facenti parte dell’Unione
Europea, hanno portata generale e sono obbligatori, nell’applicazione, in tutti i loro
elementi).
• Le decisioni (destinate ai singoli Stati, hanno portata specifica e sono obbligatorie in tutti i
loro elementi).
L’ordinamento giuridico Italiano ordina le fonti del diritto secondo il criterio della gerarchia:
• Costituzione
• Leggi Costituzionali
• Leggi Ordinarie
• Atti aventi forza di Legge
3
• Decreti Legge
• Decreti Legislativi
• Leggi Regionali
• Regolamento dell’esecutivo
• Regolamenti degli enti locali
Essendo l’Italia Stato membro dell’Unione Europea, le fonti del diritto internazionale sono
applicabili ed efficaci sul nostro territorio e sono da considerarsi prevalenti sulle fonti del diritto
interno: se la fonte del diritto italiana interferisce con la fonte del diritto comunitaria nella disciplina
di una stessa materia dovrà essere disapplicata la fonte italiana ed applicata la fonte comunitaria.
1.2. LA NORMATIVA EUROPEA
Le direttive in Italia che più di tutte hanno avuto impatto significativo nel settore sono state la
Direttiva 21 maggio 1991 91/271/CE, la Direttiva 03 novembre 1998 98/83/CE e la Direttiva
Quadro 23 ottobre 2000 2000/60/CE.
L’insieme delle normative é ben articolato e copre tutti i capitoli del settore idrico, rientrando nella
filosofia della politica Europea concernente la protezione dell’ambiente e delle risorse naturali.
Un cenno va fatto al Trattato di Amsterdam (entrato in vigore il 1 maggio 1999), che nell’articolo 2
ha sancito quelli che sono i principi dello sviluppo sostenibile.
La Direttiva 91/271/CE
Recepita dal D. Lgs 2.2.01 n. 31
La direttiva 91/271/CE tratta della prevenzione riguardo ai danni ambientali dovuti a scarichi di
acque reflue urbane ed industriali, specificando, inoltre, che tutti gli agglomerati urbani devono
essere provvisti di sistemi di raccolta delle acque reflue urbane.
Ad oggi tutti gli stati membri hanno recepito la Direttiva; in Italia (ultimo paese a recepirla) la
direttiva è stata recepita con il Decreto Legislativo 152/99 (testo unico delle acque).
Nella direttiva è imposto, secondo scadenze temporali graduali, che tutti gli agglomerati debbano
disporre di un sistema di raccolta e di trattamento primario, secondario o terziario, a seconda del
numero di abitanti e del bacino idrografico nel quale scaricano. In merito ai bacini idrografici, si
identificano aree sensibili sulla base di criteri ben definiti. I criteri fanno riferimento a tre gruppi di
aree sensibili:
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• Acque dolci e acque del litorale già eutrofizzate o esposte al rischio di eutrofizzazione in
assenza di interventi protettivi;
• Acque dolci superficiali destinate alla produzione di acqua potabile la cui concentrazione di
nitrati è, o potrebbe essere, superiore a 50 mg/l.
• Aree che necessitano di un trattamento complementare, quali quelle destinate alla pescicoltura
o alla balneazione.
L’Italia ha dichiarato 51 aree sensibili non tutte conformi alla Direttiva.
La Direttiva 98/83/CE
Recepita dal D. Lgs. 2 febbraio 2001, n. 31
Direttiva 98/83/CE concernente la qualità delle acque destinate al consumo umano; la direttiva ha lo
scopo di definire le norme qualitative essenziali a cui devono soddisfare le acque destinate al
consumo umano.
La direttiva nasce dalla necessità di proteggere la salute delle persone, stabilendo i requisiti di
salubrità e pulizia cui devono soddisfare le acque potabili della Comunità. La direttiva è applicata a
tutte le acque destinate al consumo umano, salvo le acque minerali naturali e le acque medicinali.
Gli Stati membri vigilano affinché l’acqua potabile non contenga una concentrazione di
microrganismi, parassiti o altre sostanze che rappresentino un potenziale pericolo per la salute
umana e che soddisfi i requisiti minimi (parametri microbiologici, chimici e relativi alla
radioattività) stabiliti dalla direttiva. Gli stati membri prendono, inoltre, tutte le altre misure
necessarie a garantire la salubrità e la pulizia delle acque destinate al consumo umano.
Ancora, gli Stati membri stabiliscono valori parametrici che corrispondono almeno ai valori stabiliti
dalla direttiva. Quanto ai parametri che non figurano nella direttiva, gli Stati membri devono fissare
valori limite, se necessario, per la tutela della salute; inoltre la direttiva impone agli Stati membri
l’obbligo di effettuare controlli regolari delle acque destinate al consumo umano, rispettando i
metodi di analisi specificati nella direttiva o utilizzando metodi equivalenti. A tal fine essi
determinano i punti di prelievo dei campioni ed istituiscono opportuni programmi di controllo.
In caso d’inosservanza dei valori di parametro, lo Stato membro interessato provvede affinché siano
tempestivamente adottati i provvedimenti correttivi necessari per ripristinare la qualità delle acque.
Indipendentemente dal rispetto o meno dei valori di parametro, gli Stati membri provvedono
affinché la fornitura di acque destinate al consumo umano, che rappresenta un potenziale pericolo
per la salute umana, sia vietata o ne sia limitato l’uso, e prendono qualsiasi altro provvedimento
necessario. I consumatori sono informati di tali misure.
La direttiva prevede che gli Stati membri possano stabilire deroghe ai valori di parametro fino al
5
raggiungimento di un valore massimo, purché la deroga non presenti un rischio per la salute umana,
purché l’approvvigionamento delle acque potabili nella zona interessata non possa essere mantenuto
con nessun altro mezzo congruo e purché la deroga abbia durata più breve possibile, non superiore a
un periodo di tre anni (è prevista la possibilità di rinnovare la deroga per due periodi addizionali di
tre anni).
Le deroghe devono indicare particolareggiatamente i motivi che hanno indotto a concederle, salvo
qualora lo Stato membro interessato ritenga che l’inosservanza del valore di parametro sia
trascurabile e che un’azione correttiva possa risolverla tempestivamente. Le deroghe non si
applicano alle acque messe in vendita in bottiglie o in contenitori.
La popolazione e la Commissione devono essere informate dallo Stato che si avvale delle deroghe.
La Commissione sottopone a controllo, con periodicità almeno quinquennale, i parametri stabiliti
dalla direttiva alla luce del progresso scientifico e tecnico. A tal fine è assistita da un comitato
composto da rappresentanti degli Stati membri.
Gli Stati membri pubblicano, con periodicità almeno triennale, una relazione sulla qualità
dell’acqua potabile, destinata ai consumatori. Sulla base di tale relazione, la Commissione elabora
ogni tre anni una relazione di sintesi sulla qualità delle acque destinate al consumo umano nella
Comunità.
La Direttiva Quadro 23 0TTOBRE 2000 (2000/60/CE)
Recepita dal D. Lgs. n.152/99
La Direttiva ha come obiettivo quello di fissare un quadro comunitario per la protezione delle acque
superficiali interne, delle acque di transizione, delle acque costiere e sotterranee, che assicurano la
prevenzione e la riduzione dell'inquinamento; che agevoli l’utilizzo idrico sostenibile, protegga
l’ambiente, migliori le condizioni degli ecosistemi acquatici e mitighi gli effetti delle inondazioni e
della siccità.
L’atto attraverso il quale la direttiva è attuata è la Direttiva 2000/60/CE del Parlamento europeo e
del Consiglio, del 23 ottobre 2000, che istituisce un quadro per l’azione comunitaria in materia di
acqua. E’ stata in seguito modificata dal seguente atto: Decisione n. 2455/2001/CE del Parlamento
europeo e del Consiglio, del 20 novembre 2001.
Ai fini dell’applicazione della presente direttiva gli Stati membri individuano tutti i bacini
idrografici presenti nel loro territorio e li assegnano a distretti idrografici. Un bacino idrografico che
si estende sul territorio di più Stati membri, sarà assegnato ad un distretto idrografico
internazionale. Per i singoli distretti idrografici, un’autorità competente è designata entro il 22
dicembre 2003.
6
Entro quattro anni dall’entrata in vigore della presente direttiva gli Stati membri provvedono
affinché, per ciascun distretto idrografico, siano effettuati l’analisi delle caratteristiche del distretto,
l’esame dell'impatto delle attività umane sulle acque e l’analisi economica dell’utilizzo idrico, e si
compili un registro delle aree alle quali è stata attribuita una protezione speciale. Deve essere
individuata l’ubicazione dei punti del corpo idrico sotterraneo usati per l’estrazione di acque
destinate al consumo umano che forniscono più di 10 m3 al giorno o servono più di 50 persone.
Entro nove anni dall’entrata in vigore della direttiva per ciascun distretto idrografico devono essere
predisposti un piano di gestione ed un programma operativo che tenga conto dei risultati delle
analisi e degli studi previsti dalla Direttiva.
Le misure previste nel piano di gestione del distretto idrografico sono destinate a prevenire la
deteriorazione, migliorare e ripristinare le condizioni delle acque superficiali, ottenere un buono
stato chimico ed ecologico di esse e ridurre l’inquinamento dovuto agli scarichi ed alle emissioni di
sostanze pericolose; inoltre devono proteggere, migliorare e ripristinare le condizioni delle acque
sotterranee, prevenirne l’inquinamento e la deteriorazione e garantire l’equilibrio fra l’estrazione ed
il rinnovo, infine, si devono preservare le zone protette.
Gli obiettivi di cui sopra devono essere conseguiti entro quindici anni dall’entrata in vigore della
direttiva, data che può essere però rinviata o resa meno vincolante, fermo restando il rispetto delle
condizioni stabilite dalla direttiva.
Con decorrenza dal 2010 gli Stati membri devono provvedere affinché le politiche dei prezzi
dell’acqua incoraggino gli utenti ad usare le risorse idriche in modo efficiente ed affinché i vari
comparti dell’economia diano un adeguato contributo al recupero dei costi dei servizi idrici,
compresi i costi per l’ambiente e le risorse.
La Commissione presenta un elenco degli inquinanti prioritari, selezionati fra quelli che presentano
un rischio significativo per l’ambiente acquatico, o trasmissibile tramite l’ambiente acquatico. La
Commissione presenta misure intese a mantenere sotto controllo tali sostanze e norme di qualità
relative alla concentrazione di esse. Le prime sono destinate a ridurre, arrestare od eliminare gli
scarichi, le emissioni e le perdite delle sostanze prioritarie. Tale elenco costituirà l’allegato X della
presente direttiva.
La direttiva prevede che gli Stati membri stabiliscano sanzioni efficaci, proporzionate e dissuasive
in caso d’infrazione alle disposizioni di essa.
Per la Direttiva 2000/60/CE è previsto un programma di applicazione:
2003: Istituzione dei distretti idrografici ed individuazione dell’autorità competente.
2004: Analisi dei distretti idrografici.
2006: Realizzazione del programma di monitoraggio.
7
2006-2008: Realizzazione delle consultazioni pubbliche.
2009: Adozione del piano di gestione del bacino idrografico.
2012: Applicazione del programma delle azioni identificate nel piano di gestione.
2013: Revisione ed aggiornamento delle analisi e dei dati raccolti sui distretti nel 2006.
Prima del 2015: Esame dei risultati del monitoraggio.
2015: Dichiarazione sul buono stato di salute delle acque e revisione ed aggiornamento dei piani di
gestione dei bacini.
La direttiva è stata modificata dalla Decisione n. 2445/2001/CE relativa all’istituzione di un elenco
di sostanze prioritarie in materia d’acque, che fissa norme qualitative e misure di riduzione delle
emissioni (diventa l’allegato X della direttiva quadro).
Le altre Normative Europee
Per completare il quadro della normativa si citano altre disposizioni che, a livello Comunitario,
sono vigenti e che sono state recepite dallo Stato Italiano soprattutto dal D. Lgs. 152/99 (testo unico
delle acque):
• Decisione 92/446/CEE concernente i questionari relativi alle direttive del settore “acque”
modificata da Decisione 95/337.
• Direttiva 91/676/CEE relativa alla protezione delle acque dall’inquinamento provocato dai
nitrati provenienti da fonti agricole.
• Direttiva 84/491 e successive modifiche, concernente i valori limite e gli obiettivi di qualità
per gli scarichi di esaclorocicloesano.
• Direttiva 83/513/CEE e successive modifiche, concernente i valori limite e gli obiettivi di
qualità per gli scarichi di cadmio.
• Direttiva 82/176 e successive modifiche, concernente i valori limite e gli obiettivi di qualità
per gli scarichi di mercurio del settore dell’elettrolisi dei cloruri alcalini.
• Direttiva 80/778 e successive modifiche, concernente la qualità delle acque destinate al
consumo umano: fissa le norme minime di qualità e di controllo delle acque potabili ed è
norma di riferimento per il programma di misure previsto dalla Direttiva 2000/60/CE
(allegato VI).
• Direttiva 80/777/CEE in materia di ravvicinamento della legislazione degli Stati membri
sull’utilizzazione e la commercializzazione delle acque minerali naturali.
• Direttiva 80/68 e successive modifiche, concernente la protezione delle acque
sotterranee dall’inquinamento provocato da certe sostanze pericolose.
(recepita dal D. Lgs 27.1.92 n. 132).
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• Direttiva 79/293/CEE e successive modifiche, relativa ai requisiti di qualità delle acque
destinate alla molluschicoltura.
• Direttiva 76/160/CEE e successive modifiche, concernente la qualità delle acque di
balneazione. L’obiettivo è quello di ridurre e prevenire l’inquinamento delle acque di
balneazione.
• Direttiva 75/440/CEE e successive modifiche, concernente la qualità delle acque superficiali
destinate alla produzione di acqua potabile negli Stati membri.
Altre norme e disposizioni correlate:
• COM (2000) 477 sulla tariffazione e gestione sostenibile delle acque (non ancora
pubblicata). La Commissione europea espone i temi e le soluzioni per la definizione delle
politiche di tariffazione dell’acqua che consentono di rafforzare la sostenibilità delle risorse
idriche.
• Decisione 97/622/CE relativa ai questionari per le relazioni degli Stati membri
sull’applicazione di talune direttive concernenti i rifiuti (applica la direttiva 91/692/CEE).
• Risoluzione del Consiglio n. 228/96 relativa alla protezione delle acque sotterranee.
• Direttiva 96/61/CE relativa alla prevenzione e riduzione integrate dell’inquinamento.
• Decisione 95/308/CE che approva la convenzione delle Nazioni Unite sulla protezione ed
utilizzazione di corsi d’acqua transfrontalieri e dei laghi internazionali.
• Decisione 94/741/CE relativa ai questionari per le relazioni degli Stati membri
sull’applicazione di talune direttive concernenti i rifiuti (applica la direttiva 91/692/CEE).
• Accordo n. 103/94 sullo Spazio economico europeo e successive modifiche.
• Risoluzione del Consiglio n. 306 del 1992 relativa alla futura politica comunitaria per le
acque sotterranee.
• Direttiva 91/692/CEE per la standardizzazione e la razionalizzazione delle relazioni relativa
all’attuazione di talune direttive concernenti l’ambiente (modifica la direttiva 76/464/CEE
sull’inquinamento provocato da sostanze pericolose).
• Risoluzione del Consiglio e dei rappresentanti dei governi degli Stati membri n. 1012/1984
sulle nuove forme di cooperazione in materia di acqua.
• Risoluzione del Consiglio n. 217 del 1983 relativa alla lotta contro l’inquinamento
dell’ambiente idrico.
Disposizioni riguardanti le acque marine:
• Direttiva 2002/59/CE relativa all’istituzione di un sistema comunitario di monitoraggio del
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traffico navale e d’informazione e che abroga la direttiva 93/75/CEE.
• Decisione n. 2850/2000/CE che istituisce un quadro comunitario di cooperazione nel settore
dell’inquinamento marino dovuto a cause accidentali od intenzionali.
• Decisione n. 802/1999/CE che adotta le modifiche alla convenzione per la protezione del
Mare Mediterraneo dall’inquinamento e al protocollo sulla prevenzione dell’inquinamento
dovuto allo scarico di rifiuti da parte di navi e di aeromobili.
• Decisione n. 800/1999/CE che adotta il protocollo relativo alle aree protette e alla diversità
biologica nel Mediterraneo.
• Direttiva 93/75/CEE e successive modifiche, relativa alle condizioni minime necessarie per
le navi dirette a porti marittimi della Comunità o che ne escono e che trasportano merci
pericolose od inquinanti.
• Risoluzione del Consiglio n. 818/1990 relativa alla prevenzione degli incidenti che
provocano l’inquinamento dei mari.
• Decisione 84/132/CEE che attua la convenzione sulle aree protette nel Mediterraneo.
• Decisione 83/101/CEE che attua la convenzione sul Mediterraneo per quanto riguarda
l’inquinamento d’origine tellurica.
• Decisione 81/420/CEE che attua la convenzione sul Mediterraneo per quanto riguarda
l’inquinamento da idrocarburi.
• Decisione 80/686/CEE e successive modifiche, relativa all’istituzione di un comitato
consultivo in materia di controllo e di riduzione dell’inquinamento marino da idrocarburi.
• Risoluzione del Consiglio n. 708/1978 concernente un programma d’azione delle Comunità
europee in materia di controllo e di riduzione dell’inquinamento marino da idrocarburi.
• Decisione 77/585/CEE convenzione sul Mediterraneo relativa ai rifiuti di navi e Aeromobili.
1.3 COMMENTI
La direttive nascono dall’esigenza della comunità di adottare una politica ambientale efficace ed
esaustiva che contribuisca a perseguire la difesa, la tutela ed il miglioramento della qualità
ambientale e all’utilizzazione attenta e razionale della risorsa idrica basata sulla precauzione e
sull’azione preventiva dei danni causati all’ambiente, basata sul principio di “chi inquina, paga”.
L’ottenimento della riduzione degli inquinanti avviene in maniera graduale, cercando di arrivare
alla riduzione totale di alcuni inquinanti particolarmente pericolosi che rendono difficile e costoso,
se non impossibile, il trattamento dell’acqua inquinata. Lo scopo è quello di impedire un ulteriore
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deterioramento degli ecosistemi acquatici ed agevolare un utilizzo idrico sostenibile fondato sulla
protezione a lungo termine delle risorse idriche disponibili.
Tutte le Direttive hanno come obiettivo comune quello di spingere l’utilizzo della risorsa idrica
verso un uso sostenibile integrando le diverse problematiche: prevenzione inquinamento,
trattamento e riutilizzo delle acque reflue.
1.4 LA SITUAZIONE IN ITALIA
In Italia l’organo istituzionale responsabile della gestione delle acque è il Ministero dell’Ambiente
al quale spetta il compito di valutare, periodicamente, la qualità dei corpi idrici e di predisporre
piani di monitoraggio e di raccolta dati, unitamente alla gestione ed al coordinamento dei
programmi di investimento in materia di risorsa idrica.
I governi regionali approvano le leggi regionali e sono responsabili del monitoraggio e
dell’inventario delle risorse idriche.
I governi provinciali gestiscono lo smaltimento dei rifiuti urbani e verificano la conformità alle
normative attraverso attività di monitoraggio e di registrazione degli scarichi nei corsi d’acqua.
Le amministrazioni comunali, con il supporto tecnico delle Unità Sanitarie Locali, sono
responsabili dell’amministrazione quotidiana e del monitoraggio dei permessi per gli scarichi.
Accanto alle istituzioni governative (Ministero dell’Ambiente, Regioni, Provincia e Comuni)
esistono anche enti speciali dedicati alla gestione delle risorse idriche: le Autorità di Bacino,
istituite dalla Legge 183/89, che hanno il compito di predisporre piani di bacino di guida per le
regioni e gli altri organismi operanti nel settore. Queste, inoltre, hanno la funzione di stabilire le
priorità d’investimento per le infrastrutture relative all’approvvigionamento idrico, alla raccolta ed
al trattamento dei reflui.
A partire dal secondo dopoguerra, la prima legge inerente il capitolo acque è stata la Legge Merli
(Legge n. 319/76), che aveva lo scopo di prevenire e ridurre i fenomeni di inquinamento delle
acque ed ha definito le norme per lo scarico dei reflui urbani ed industriali nelle acque di superficie
e nelle acque sotterranee.
Per quanto riguarda l’acqua potabile, il primo decreto è stato quello del Presidente della
Repubblica 515/1982 che implementa la direttiva CEE 75/440 e costituisce la prima legge italiana
che tratta specificamente di acqua potabile.
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Un’altra legge di enorme importanza è la Legge 183/1989, una legge quadro che istituisce le
Autorità di Bacino, allo scopo di elaborare piani di bacino da utilizzare come guida da parte delle
altre autorità territoriali nelle attività di pianificazione e di definizione degli obiettivi di qualità.
Le direttive comunitarie incorporate nella legge Italiana forniscono gli obiettivi dei finanziamenti
alle Regioni messi a disposizione con il Piano Triennale per la Gestione dell’Ambiente.
Un importante aspetto del primo programma riguarda l’approvvigionamento idrico, i sistemi
fognanti e gli impianti di depurazione, per i quali vengono definiti i seguenti obiettivi:
• protezione delle fonti d’acqua potabile, incluse le sorgenti attraverso il controllo e la revisione
delle reti di approvvigionamento idrico e degli impianti di potabilizzazione e di depurazione e
attraverso la razionalizzazione delle pratiche agricole;
• protezione delle risorse idriche non destinate al consumo a scopo potabile;
• utilizzazione di acqua di bassa qualità e di acque reflue depurate per scopi non potabili;
• sviluppo di sistemi automatizzati per il monitoraggio delle risorse idriche e dei sistemi di
distribuzione dell’acqua;
• pianificazione di interventi per il Mar Adriatico e per il bacino mediterraneo in collaborazione
con altri paesi;
• monitoraggio dello stato d’eutrofizzazione dei mari.
Di fondamentale importanza è la Legge 36/1994 sulle risorse idriche (nota come Legge Galli) che
definisce le norme per incorporare i servizi idrici (approvvigionamento e depurazione) in unità di
gestione più estese, affidando alle Regioni ed ai Comuni l’autorità di definire le tariffe per i diversi
servizi idrici.
La più importante e recente legge sulle acque è il Decreto Legislativo 152/99 conosciuto come
Testo Unico sulle Acque che sostituisce ed ingloba molte delle precedenti leggi sulla qualità delle
acque, inclusa la legge Merli, ed implementa, allo stesso tempo, la direttiva CEE 91/271 sul
trattamento dei reflui urbani e la direttiva CEE 91/676 per la protezione delle acque dall’
inquinamento da nitrati di origine agricola.
La legislazione italiana sulle acque rispecchia quella dell’Unione Europea, in seguito al crescente
coinvolgimento dell’Italia nelle decisioni prese a livello comunitario. Pertanto molte delle direttive
e dei regolamenti Comunitari sulle acque sono stati implementati nelle leggi dello Stato Italiano. Le
direttive comunitarie incorporate nella legge italiana forniscono gli obiettivi dei finanziamenti alle
regioni messi a disposizione con il piano triennale della gestione dell’ambiente. Un importante
aspetto del primo programma riguarda l’approvvigionamento idrico, i sistemi fognari e gli impianti
di depurazione, per i quali vengono definiti gli obiettivi di protezione delle fonti di acqua potabile;
la protezione delle risorse idriche non destinate al consumo a scopo potabile; l’utilizzazione di
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acqua di bassa qualità e di acque reflue depurate per scopi non potabili; lo sviluppo di sistemi
automatizzati per il monitoraggio delle risorse idriche e dei sistemi di depurazione delle acque;
pianificare gli interventi per il Mar Adriatico e per il bacino mediterraneo in collaborazione con altri
paesi; monitorare lo stato di eutrofizzazione dei mare.
Attualmente la Normativa nazionale si basa, quindi, principalmente, sui seguenti provvedimenti:
Legge 5 gennaio 1994 n. 36
Disposizione in materia di risorse idriche. Conosciuta come legge Galli, che definisce le norme per
incorporare i servizi idrici (approvvigionamento e depurazione) in unità di gestione più estese
affidando alle regioni e ai comuni l’autorità di definire le tariffe per i diversi servizi idrici. Come
fine ha la modernizzazione e l’industrializzazione del settore idrico. La legge si pone come una vera
e propria riforma che come obiettivo ha quello di adottare un modello organizzativo di tipo
imprenditoriale in grado di garantire la gestione integrata della risorsa idrica (dalla captazione allo
smaltimento dei reflui) riducendo il numero dei gestori esistenti.
Le novità introdotte riguardano l’integrazione territoriale, al fine di raggiungere una dimensione
efficiente, istituendo bacini di utenza minimi definiti Ato (ambiti territoriali ottimali); altra novità é,
come detto, l’integrazione funzionale delle diverse attività del ciclo (dalla captazione allo
smaltimento) al fine di eliminare le tante gestioni: vengono eliminate le gestioni dirette da parte dei
Comuni e vengono creati “Enti d’ambito” affidando il servizio ad un gestore d’azienda, separando
le funzioni di controllo da quelle di gestione.
E’ riformato anche il servizio tariffario, con l’introduzione di una tariffa che sia idonea a finanziare
gli investimenti necessari al miglioramento delle infrastrutture e che sia in grado di garantire elevati
livelli di efficienza e qualità nel servizio.
D. Lgs. 11 maggio 1999 n. 152
Il D. Lgs. 11 maggio 1999, n. 152, che ha abrogato, tra le tante, la legge 10 maggio 1976, n 319 e
tratta le Disposizioni sulla tutela delle acque dall’inquinamento, recependo le direttive comunitarie:
91/271/CEE sul trattamento delle acque reflue industriali e la Direttiva 91/676/CEE sulla protezione
delle acque dall’inquinamento provocato dai nitrati provenienti da fonti agricole.
Il D. Lgs 152/99 è stato modificato ed integrato in modo considerevole dal D. Lgs. 18 agosto 2000,
n. 258, a sua volta pubblicato in testo coordinato Supplemento ordinario n. 153/L alla G.U. 18
settembre 2000, n. 218.
Il Decreto rappresenta il riordino di tutte le disposizioni sulla tutela delle acque da inquinamento.
Contiene la nuova disciplina di carattere generale per la tutela delle acque sia superficiali (interne e
13
marine) sia sotterranee e per questo motivo viene chiamato Testo Unico delle acque.
Il decreto ha abrogato e sostituito gran parte della normativa previdente, in particolare la Legge
319/76 conosciuta come “legge Merli”. Gli altri provvedimenti di rilevante importanza che sono
stati abrogati sono il Decreto legislativo 25 gennaio 1992, n. 130 in materia di qualità delle acque
dolci per l’idoneità della vita dei pesci; il Decreto legislativo 25 gennaio 1992, n. 132 in materia di
protezione delle acque sotterranee; il Decreto legislativo 1992, n. 133, in materia di scarichi
industriali di sostanze pericolose nelle acque.
Il decreto si ispira ai vigenti principi comunitari in tema di acque. Fondamentale il concetto della
tutela integrata dell’ambiente idrico, da attuarsi attraverso la definizione dei valori limite di
emissione e dei limiti di qualità ambientale e per specifica destinazione (d’uso).
Un ruolo fondamentale spetta alle Regioni che, tra l’altro, devono procedere al rilevamento dei dati
necessari per individuare le caratteristiche dei bacini idrografici.
Obiettivi
Il decreto definisce la disciplina generale per la tutela delle acque superficiali, marine e sotterranee
perseguendo i seguenti obiettivi:
• Prevenire e ridurre l’inquinamento ed attuare il risanamento dei corpi idrici inquinati;
• Conseguire il miglioramento dello stato delle acque e le adeguate protezioni di quelle
destinate a particolari usi;
• Perseguire usi sostenibili e durevoli delle risorse idriche, con priorità per quelle
potabili;
• Mantenere la capacità naturale di auto-depurazione dei corpi idrici, nonché la capacità di
sostenere comunità animali e vegetali ampie e ben diversificate.
Strumenti
Per raggiungere gli obiettivi il D. Lgs 152/99 si avvale di strumenti che sono volti alla:
• Individuazione di obiettivi di qualità ambientale, e per specifica destinazione, dei corpi
idrici;
• Tutela integrata degli aspetti qualitativi e quantitativi nell’ambito di ciascun bacino
idrografico ed un adeguato sistema di controlli e di sanzioni;
• Rispetto dei valori limite agli scarichi fissati dallo Stato, nonché la definizione di valori
limite in relazione agli obiettivi di qualità del corpo recettore;
• Adeguamento dei sistemi di fognatura, collettamento e depurazione degli scarichi idrici,
nell’ambito del servizio idrico integrato di cui alla Legge 5 gennaio 1994, n. 36;
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• Individuazione di misure per la prevenzione e la riduzione dell’inquinamento nelle zone
vulnerabili e nelle aree sensibili;
• Individuazione di misure tese alla conservazione, al risparmio, al riutilizzo ed al riciclo
delle risorse idriche.
Il D. Lgs è strutturato da 6 titoli che contengono 63 articoli, e da 7 allegati:
• Titolo I: Principi generali e competenze (artt. 1-3)
• Titolo II: Obiettivi di qualità (artt. 4-17)
• Titolo III: Tutela dei corpi idrici e disciplina degli scarichi (artt. 18-41)
• Titolo IV: Strumenti di tutela (artt. 42-53)
• Titolo V: Sanzioni (artt. 54-61)
• Titolo VI: Disposizioni Finali (artt. 62-63)
ALLEGATI
• Allegato 1: monitoraggio e classificazione delle acque in funzione degli obiettivi di qualità
ambientale.
• Allegato 2: criteri per la classificazione dei corpi idrici a specifica destinazione.
• Allegato 3: rilevamento delle caratteristiche dei bacini idrografici ed analisi dell’impatto
esercitato dall’attività antropica.
• Allegato 4: contenuti dei piani di tutela delle acque.
• Allegato 5: limiti d’emissione degli scarichi.
Un notevole passo avanti è stato fatto con la pubblicazione del Decreto del 12 giugno 2003, n. 185.
E’ un regolamento recante norme tecniche per il riutilizzo delle acque reflue in attuazione
dell’articolo 26, comma 2, del Decreto Legislativo 11 maggio 1999, n. 152 “per la depurazione e la
distribuzione delle acque reflue al fine del loro recupero e riutilizzo in campo domestico industriale
ed urbano”. Il decreto stabilisce le norme tecniche per il riutilizzo delle acque reflue domestiche,
urbane ed industriali attraverso la regolamentazione delle destinazioni d’uso e dei relativi requisiti
di qualità, ai fini della tutela qualitativa e quantitativa delle risorse idriche, limitando il prelievo
delle acque superficiali e sotterranee, riducendo l’impatto degli scarichi sui corpi idrici recettori e
favorendo il risparmio idrico mediante l'utilizzo multiplo delle acque reflue.
In particolare, il provvedimento indica tre possibilità di riutilizzo di queste acque recuperate: in
campo agricolo per l’irrigazione; in campo civile per il lavaggio delle strade, per l’alimentazione
15
dei sistemi di riscaldamento e raffreddamento e per l’alimentazione delle reti duali di adduzione; in
campo industriale per la disponibilità dell’acqua antincendio e per i lavaggi dei cicli termici.
Per poter riutilizzare l’acqua per uno qualsiasi di questi scopi, si deve in ogni modo raggiungere un
certo grado di qualità, soprattutto igienico-sanitaria. I trattamenti di tipo convenzionale non sono
quasi mai sufficienti e quindi la tecnologia si sta orientando verso la messa a punto di nuovi sistemi
alternativi di trattamento terziario e di disinfezione, finalizzati all’ottenimento di un elevato grado
di qualità dell’acqua, attraverso l’abbattimento della carica microbica, dei nutrienti e delle sostanze
tossiche.
Nello scenario dei vantaggi e delle prospettive future che può offrire il riciclo delle acque usate, si
collocano pertanto nuove tecnologie che cercano di ottenere processi efficienti a garanzia di un
approvvigionamento di acqua depurata a costi contenuti.
Legge 23 dicembre 2000 n. 388
Disposizioni per la formazione del bilancio annuale e pluriennale dello stato (legge finaziaria 2001).
1.5.ACQUE DESTINATE AL CONSUMO UMANO
Il delicato aspetto delle acque destinate al consumo umano è trattato da:
• D. Lgs. 2 febbraio 2001, n. 31
• DCPM 24 maggio 1998, n. 236
D. Lgs 2 febbraio 2001, n. 31:
“Attuazione della direttiva 98/83/CE sulla qualità delle acque destinate al consumo umano”.
Il decreto ha come oggetto la qualità delle acque destinate al consumo umano al fine di proteggere
la salute umana dagli effetti negativi derivanti dalla contaminazione delle acque, garantendone
salubrità e pulizia.
Il Decreto D. Lgs 2 febbraio 2001, n. 31 è composto da 20 articoli e 3 allegati.
Particolarmente importanti i contenuti degli allegati:
• Allegato 1: “Parametri e valori di parametro”.
• Allegato 2: Controllo (parametri da analizzare e loro tempistiche di rilevamento).
• Allegato 3: Specifiche per l’analisi dei parametri.
Restano in vigore le norme regolamentari e tecniche adottate ai sensi del decreto del Presidente
della Repubblica n. 236 del 1998.
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DCPM 24 maggio 1998, n. 236
I requisiti di qualità sono stabiliti dal DPCM 236/1988 mediante la definizione, in varie tabelle, di
valori guida (obiettivo da conseguire) e di concentrazioni massime ammissibili (da non superare)
per una serie di parametri organolettici (tab. 1), chimico fisici (tab. 2), contenenti sostanze
indesiderabili (tab. 3) e tossiche (tab. 4).
Per le acque sottoposte a trattamento d’addolcimento o di dissalazione è stabilito il valore della
concentrazione minima richiesta ed il valore della durezza (tabelle 6 e 7) contenute nell’allegato
DPCM 24/05/1988, n. 236.
Di rilevante interesse sono anche i Decreti del Ministero dell’ambiente:
- Decreto Ministero Ambiente 22 novembre 2001
Regola le modalità di affidamento in concessione a terzi della gestione del servizio idrico integrato
a norma dell’articolo 20, comma1, della Legge 5 gennaio 1994, n. 36 ( Testo vigente)
- Decreto Ministero Ambiente 12 giugno 2003, n. 185
Regolamento recante norme tecniche per il riutilizzo delle acque reflue in attuazione dell’articolo
26, comma 2, del decreto legislativo 11 maggio 1999, n. 152.
- Decreto Ministero Ambiente 6 novembre 2003 n. 367.
Regolamento concernente la fissazione di standard di qualità nell’ambiente acquatico per le
sostanze pericolose, ai sensi dell’articolo 3, comma 4, del decreto legislativo 11 maggio 1999, n.
152.
1.6 Conclusioni
Come si vede dall’analisi della Legislazione Comunitaria e Nazionale la direzione seguita è quella
di un uso sostenibile della risorsa idrica con particolare attenzione alla prevenzione, al riutilizzo e
alla ricerca di metodi per l’ottimizzazione della risorsa.
Si è passati, pertanto, da una cultura che considerava l’acqua come stato di diritto, ad una cultura
che la considera come un bene di consumo, così che la gestione dei servizi legati al settore idrico ha
assunto caratteristiche di tipo industriale, perdendo, in parte, quelle sociali, e portando
all’introduzione di una tariffa (a carico del consumatore e non più della collettività) idonea a
finanziare gli investimenti necessari per il miglioramento delle infrastrutture ed in grado di garantire
alti livelli qualitativi.
Si vede quindi come il recupero riutilizzo delle acque reflue e la dissalazione possano rappresentare
17
un metodo efficace per la gestione (ovviamente parziale) del settore idrico.
Il recupero, attraverso tecniche di depurazione delle acque usate, ed il successivo riutilizzo delle
acque reflue urbane, ad esempio per l’irrigazione di culture destinate sia alla produzione di alimenti
per il consumo umano ed animale anche a fini non alimentari, avrebbe positive ricadute, non solo
nel favorire il risparmio idrico (attraverso la diminuzione dei prelievi dalle falde e delle derivazioni
dai corsi d’acqua superficiali), ma anche nel ridurre l’impatto negativo degli scarichi sui corpi idrici
recettori. In questa maniera si arriverebbe al conseguimento dei requisiti di qualità imposti dalla
Normativa, tutelando qualitativamente e quantitativamente le risorse idriche.
Una nuova soluzione potrebbe essere rappresentata dalla “fabbricazione” dell’acqua dolce dal mare
mediante processi di dissalazione in maniera da avere acqua dolce non sottratta ad altre fonti o
importata da altri siti.
Bisogna considerare che la legge ora parla anche di costi dell’acqua e merita considerare che il
costo dell’acqua ottenuta da fonti tradizionali (invasi, condotte, pozzi) è andato progressivamente
aumentando anche in funzione dell’impoverimento delle falde; nello stesso periodo i progressi
tecnici nel campo della dissalazione e della depurazione hanno fatto diminuire i costi ed aumentato
la qualità dell’acqua trattata. Oggi la tecnica offre impianti di distillazione che forniscono acqua
priva di sali con l’impiego del calore; tale calore può essere prelevato dal calore di scarto di altre
attività (centrali termoelettriche o impianti industriali), il cui calore prodotto non è stato utilizzato
ma riversato nei corpi idrici recettori, alterandone le caratteristiche. Si vede come le fonti di calore
potrebbero alimentare i dissalatori risolvendo il problema idrico in prossimità della costa, dove
l’approvvigionamento è particolarmente costoso.
Altri impianti di dissalazione (ad osmosi inversa) utilizzano sistemi a membrane alimentati
dall’elettricità, disponibile vicino agli impianti industriali.
Il costo dell’acqua dissalata e quello dell’acqua prelevata dalle falde e trasportata in zone che hanno
bisogno d’acqua si equivalgono. La fabbricazione di distillatori è molto più rapida della costruzione
di grandi opere come condotte che, in molti casi, trasportano acqua attraversando regioni per
portarla da luoghi “ricchi” a luoghi “poveri”, subendo forti perdite durante il tragitto. Utilizzare
acqua dissalata e riutilizzare acqua depurata significa avere a disposizione l’acqua “più pregiata”
delle falde per utilizzi più “nobili”.
18
19
CAPITOLO II
LE ACQUE: DISTRIBUZIONE, DISPONIBILITA’ E FABBISOGNI
Introduzione
L’acqua è un bene prezioso da proteggere e la sua disponibilità è limitata: le stime indicano che la
Terra ha 1400 milioni di chilometri cubi di acqua, che coprono il 71% della superficie terrestre e di
questa il 97% è salata. L’acqua dolce rappresenta il 3% del totale, ma di questa il 68,7% è contenuta
nei ghiacciai e il 30% nelle falde sotterranee, troppo profonde per essere utilizzate, per cui solo lo
0,3% dell’acqua dolce si trova in superficie (fiumi, laghi e sorgenti) e può essere usata per usi
umani: pari allo 0,008% dell’acqua totale presente sulla Terra.
Il consumo di acqua nel mondo negli ultimi anni è aumentato di sei volte, ad un ritmo più del
doppio del tasso di crescita della popolazione, tanto che la disponibilità pro capite dal 1950 al 1995
è passata da 17000 m³ a 7500 m³. Questo in valori assoluti. A livello mondiale (questa stima
rispecchia i valori medi italiani) il 70% delle risorse idriche è consumato per l’agricoltura, il 20%
per l’industria e il 10% per altri usi.
Nella realtà delle singole regioni esistono gravi situazioni di stress idrico, quindi circa 1.4 miliardi
di persone non ha acqua potabile a sufficienza, 1 miliardo beve acqua non sicura, 3.4 milioni
muoiono ogni anno per malattie trasmesse dall’acqua.
Per quanto riguarda i consumi domestici, per poter parlare di condizioni accettabili di vita,
occorrono non meno di 50 litri d’acqua al giorno per ogni essere umano. Nel mondo si passa da una
disponibilità media di 425 litri al giorno di un abitante degli Stati Uniti a 10 litri al giorno di un
abitante del Madagascar. In Italia il consumo si attesta sui 237 litri/abitante/giorno.
La disponibilità di acqua costituisce un elemento indispensabile per la sopravvivenza di tutte le
specie viventi e le principali funzioni di una qualsiasi società richiedono acqua.
In questo capitolo ci occuperemo di quegli aspetti che devono essere considerati la base dell’intero
processo, che ci forniranno dati importanti per poter fare osservazioni in merito alla risorsa idrica e
che ci permetteranno di arrivare ad una considerazione finale in merito all’argomento.
Le prime considerazioni vanno fatte in merito ai seguenti argomenti:
• Ciclo idrologico e disponibilità di acqua;
• Risorse di acqua sotterranea;
• Risorse di acqua superficiale;
20
• Trasporto dell’acqua.
2.1. CICLO IDROLOGICO E DISPONIBILITA’ DELLA RISORSA IDRICA
Consideriamo una particella di acqua che per effetto della gravità passi dall’atmosfera alla crosta
terreste subendo un cambiamento di fase (gassoso-liquido); la stessa particella ritornerà in
atmosfera, per effetto dell’assorbimento di energia solare, con moto ascensionale e cambiamento di
fase inverso rispetto al precedente (liquido – gassoso).
Immagine tratta dal sito: ga.water.usgs.gov/edu/watercycleitalianhi.htm
Supponiamo che in un anno dalla superficie terrestre evapori un certo quantitativo di acqua, di
questa quantità l’86% proviene dai mari e dagli oceani, il restante 14% dalle terre continentali; per
il principio di conservazione della massa la stessa quantità ricade sulla terra (oceani e continenti)
sotto varie forme con proporzioni diverse da quelle di partenza: il 78% dell’acqua evaporata ricade
sugli oceani, il 22% ricade sulle terre continentali. Si vede come, attraverso l’evaporazione, i
continenti ricevono più acqua di quanta perdano. Dell’acqua che cade sui continenti, una parte è
assorbita dalla vegetazione, una parte finisce nei fiumi e nei laghi, una parte cade su terreni
impermeabili (tra cui i centri abitati) tornando, secondo svariati percorsi, ai fiumi ed ai laghi, una
parte, infine, s’infiltra nel sottosuolo alimentando le falde acquifere. L’uomo, attraverso
l’immissione di inquinanti, interviene nel ciclo idrologico sulla qualità, ma non alterando la
quantità. Si stima che sulla terra solo il 3% dell’acqua sia dolce e circa l’1% utilizzabile dall’uomo
con le attuali tecnologie e con costi di estrazione contenuti: di questo 3% circa la metà si trova nel
sottosuolo ad una profondità di 750 mt, la rimanente, si trova ad una profondità stimata e compresa
21
tra i 750 e i 3500 mt, la cui estrazione richiede alti costi di ricerca e tecniche complesse e di difficile
applicazione.
A livello Planetario l’acqua che va a rifornire le falde utilizzate dall’uomo, stimata attorno all’1%
del totale, ormai non è più sufficiente a soddisfare le esigenze della popolazione, ormai stabilizzata
sui 7 miliardi d’individui. Le potenzialità di sviluppo delle tecnologie volte al riutilizzo delle acque
e le potenzialità dell’acqua dissalata sono enormi, ma non ancora totalmente sfruttate.
Analizziamo la realtà della risorsa idrica.
2.1.1. Distribuzione della risorsa idrica e disponibilità
La distribuzione della risorsa idrica è molto disomogenea. In Italia si ha un’alta percentuale di
risorse utilizzabile al nord (65%), al centro le risorse idriche disponibili (superficiali e sotterranee)
sono il 15% del totale, mentre al sud la percentuale scende al 12%.
I prelievi in Italia sono sensibilmente superiori alla media U.E.
I settori che maggiormente incidono sia sul consumo che sull’inquinamento della risorsa idrica
sono: l’agricoltura, l’industria, l’energia, gli usi civili ed in minor misura il turismo.
Esiste una piccola differenza tra le situazioni Mondiali, Europee ed Italiane.
A livello mondiale il maggior consumo è effettuato dall’agricoltura, seguito dal consumo idrico per
l’industria ed infine dal settore civile:
Consumo idrico per l’agricoltura……………………..70%
Consumo idrico per l’industria……………………..…20%
Consumo idrico per usi civili…………………………10%
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In Europa si sta assistendo ad un costante e continuo aumento della richiesta idrica, specialmente
per usi agricoli; ad oggi il consumo è così suddiviso:
Consumo agricolo………………………30%
Consumo civile…………………………14%
Consumo industriale……………………56%
In Italia le medie del consumo agricolo si discostano poco dalle medie europee:
Consumo agricolo……………………..48%
Consumo civile………………………..19%
Consumo industriale……………….....33%
In sintesi abbiamo:
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23
Consumo
agricolo
Consumo civile Consumo
industriale
Mondo 70 10 20
Europa 30 14 56
Italia 48 19 33
In Italia, paragonato all’Europa, il dato del consumo agricolo dipende in parte dalla grande quantità
del territorio coltivato e, purtroppo, dalla non ottimizzazione dei sistemi di irrigazione; il consumo
per uso civile è sostanzialmente allineato con le medie mondiali ed europee e l’andamento è legato
alle abitudini quotidiane; nell’industria si ha un consumo di circa la metà rispetto all’Europa,
conseguente ad una scarsa attività e ad una non ottimizzazione dei sistemi di riciclaggio dell’acqua.
2.1.2. Prelievi, stime e strategie di risparmio della risorsa idrica
E’ interessante confrontare le percentuali di prelievo e di utilizzo e le varie destinazioni d’uso:
idropotabile, industriale ed agricolo (irriguo e zootecnico).
Soprattutto nel nord Italia i consumi per uso industriale ed idropotabile sono pressoché identici.
L’utilizzo di acqua in agricoltura è circa 16 volte il consumo di acqua nel comparto industriale e 17
volte il consumo idropotabile.
Analizzando i dati CNR IRSA relativi all’anno 1999 si stimano le risorse idriche espresse in milioni
di m3:
Precipitazioni Acque
superficiali
Acque
sotterranee
Risorse
rinnovabili
utilizzabili
% delle
utilizzabili
rispetto alle
risorse
disponibili
NORD 121.000 27.420 6.496 33.925 65
CENTRO 77.600 4.274 2.434 7.825 15
SUD 60.400 5.391 1.849 6.123 12
SARDEGNA 18.300 1.841 217 2.058 4
SICILIA 18.800 738 1.151 1.889 4
ITALIA 296.100 39.673 12.147 51.820 100
Nel nostro paese esiste una grande eterogeneità delle risorse che crea situazioni completamente
differenti tra il nord, il centro ed il sud. Nel nord le precipitazioni sono circa tre volte quelle del
sud, di conseguenza le riserve di acqua sia superficiali che di falda sono maggiori al nord rispetto al
24
sud; nonostante ciò, si rileva un continuo aumento della richiesta di acqua che suggerisce l’adozione
di politiche comuni tra nord e sud che vadano verso il risparmio idrico (soprattutto in agricoltura) e,
parallelamente, verso la ricerca di nuove fonti di approvvigionamento (ricerca e prelievo di acqua
da falde più profonde, miglioramento ed ottimizzazione delle tecniche di prelievo e delle tecniche
per il riciclo dell’acqua, prelievo di acqua dal mare e dissalazione).
Le proposte operative che ora sono adottate riguardano sia l’ottimizzazione del riciclo, sia
l’ottimizzazione della risorsa.
Per quanto riguarda il settore agricolo, ovvero quello che maggiormente deve essere sensibilizzato,
le strategie suggerite sono:
• Risparmio idrico mediante l’introduzione di sistemi di irrigazione innovativi, che vengono
oramai da decenni utilizzati altrove: irrigazione a goccia (dove possibile), irrigazione
cosiddetta “a pivot” o a pioggia, in sostituzione della pratica dello “scorrimento
superficiale” enormemente più dispendiosa. Nella pubblicazione della FAO su citata si
evidenzia come l’irrigazione per gocciolamento (utilizzata in Israele già da quarant’anni)
consenta un risparmio idrico valutabile tra il 30 ed il 60%.
• Approvazione da parte della regione di un “Manuale di buona pratica irrigua” che serva da
riferimento agli agricoltori.
• Introduzione di una politica agraria regionale che inviti gli agricoltori ad utilizzare le colture
a maggior “impatto idrico”, come riso e mais, solo sui terreni più adatti (quelli che, avendo
una buona capacità di immagazzinamento idrico, consentono adeguate produzioni senza
l’immissione di quantitativi enormi di acqua).
• Controllo sui prelievi relativi alle acque superficiali per evitare, come accade attualmente,
che non sia garantito il “Minimo deflusso vitale” nei corsi d’acqua all’uscita delle valli,
come previsto dal D.Lgs 152/99.
• Iniziare a valutare la possibilità di introdurre, come accade da tempo in altri paesi europei, il
pagamento dell’acqua, da parte degli utilizzatori in agricoltura, rispetto al reale volume
consumato e non rispetto alla superficie irrigata, come è accaduto sino ad ora.
• Campagne di informazione dei cittadini su questi aspetti, in particolare degli agricoltori, con
la collaborazione delle associazioni di categoria, per renderli consapevoli dei dati qui
riportati e delle possibilità di riduzione dei consumi.
• Proseguimento delle campagne di sensibilizzazione rispetto al consumo idrico nelle case ed
incentivazione, rispetto al comparto industriale, per ciò che riguarda la penetrazione delle
tecnologie dette di water saving.
25
• Per centri abitati sotto i 2000 abitanti, uso della fitodepurazione (processo naturale di
trattamento delle acque di scarico di tipo civile, agricolo, e talvolta industriale, basato su
processi fisici, chimici e biologici caratteristici degli ambienti acquatici e delle zone umide:
si tratta di sistemi ingegnerizzati progettati per riprodurre i naturali processi autodepurativi
che presentano consumi energetici nulli o quasi, assenza di fanghi di supero da smaltire,
ottimo inserimento paesaggistico, semplicità gestionale e manutentiva, buoni rendimenti
medi).
Per quanto concerne l’uso industriale, si adottano strategie basate sul riutilizzo delle acque, sul
riciclo e sull’ottimizzazione dei sistemi produttivi.
Per l’uso civile, le strategie che si adottano sono quelle volte alla modificazione delle abitudini del
singolo individuo, l’adozione di elettrodomestici a basso consumo di acqua e l’adozione di
dispositivi esterni ed interni alle abitazioni che ottimizzano l’uso dell’acqua.
Nonostante tutti gli sforzi, la disponibilità di acqua non soddisfa i fabbisogni ed ancora una volta ci
si trova davanti alla necessità di incrementare la risorsa idrica.
Il prelievo o captazione dell’acqua comporta delle conseguenze più o meno dirette che si
ripercuotono sull’ambiente.
2.1.3. Captazione da acque superficiali
Gran parte del prelievo idrico dedicato alle attività di irrigazione (oltre il 95% del totale) è da
attribuire a derivazioni attive sulle acque superficiali.
Una delle conseguenze più gravi dell’enorme quantitativo di prelievo dai corpi idrici superficiali è il
mancato rispetto del “Minimo deflusso vitale” definito nel D. Lgs. 152/99: la norma impone che
non venga in alcun caso, per nessun motivo ed in alcun periodo dell’anno, portato sotto il cosiddetto
minimo deflusso vitale un corso d’acqua, ciò, evidentemente, per garantire che dal punto di vista
ecologico siano mantenuti i minimi livelli accettabili, compatibilmente con la necessità di utilizzo
della risorsa.
E’ sufficiente andare in qualsiasi corso d’acqua all’uscita di una valle per verificare come questa
parte della legge sia periodicamente disattesa, proprio a causa del prelievo eccessivo e della quasi
totale mancanza di verifiche e controlli da parte delle autorità competenti.
2.1.4. Captazione da acque sotterranee
Per ciò che riguarda il prelievo da acque sotterranee i volumi di acqua prelevata nel settore agricolo,
industriale ed idropotabile, si equivalgono. Il problema più grave legato a questi prelievi è dato
26
dall’impoverimento delle falde che non riescono a rifornirsi in quanto l’acqua prelevata, sempre
maggiore, non bilancia l’acqua ricaduta.
2.1.5. Considerazioni
Si stima che oltre il 50% dell’acqua utilizzata per l’agricoltura venga consumata dall’evaporazione,
dall’inclusione nel raccolto e dalla traspirazione delle piante, mentre le acque per uso civile ed
industriale sono consumate solo, rispettivamente, per il 10% ed il 5%; la restante parte ritorna ai
fiumi ed agli acquiferi in forma di refluo.
Ad aggravare questa situazione c’è il periodo nel quale avvengono gli utilizzi: più o meno distribuiti
lungo l’arco dell’anno per gli usi civili ed industriali, concentrati nei tre mesi estivi per ciò che
concerne l’irrigazione (proprio i mesi che naturalmente sono più poveri d’acqua, poiché alle
temperature medie più elevate corrisponde un minimo di precipitazioni).
Si vede come l’agricoltura assorbe il maggior quantitativo di acqua e resta difficile da comprendere
per quale motivo tutte le campagne sul risparmio idrico si concentrino sull’acqua utilizzata per fare
la doccia o per gli scarichi domestici: anche in questo caso il risparmio è importante, ma il
consumo domestico non ha nulla a che vedere con il volume d’acqua utilizzato in agricoltura per le
pratiche di irrigazione delle colture. Questo è ancora più vero se si tiene conto che un utilizzo idrico
come quello descritto per l’agricoltura comporta un enorme consumo di acqua per evaporazione
durante le pratiche di irrigazione ed allagamento (vi sono recenti studi della FAO a dimostrarlo),
che non è paragonabile al consumo negli altri comparti industriale ed idropotabile che, viceversa,
restituiscono - anche se parzialmente inquinate - gran parte delle acque prelevate ai corsi di acqua
superficiale.
2.2. INQUINAMENTO E CONSUMI Uno dei principali problemi idrici è l’alterazione della qualità dell’acqua che è continuamente
peggiorata dagli inquinamenti, di conseguenza l’acqua di buona qualità diminuisce
progressivamente. L’inquinamento delle acque superficiali e sotterranee è originato, oltre che dalle
deposizioni dovute all’inquinamento atmosferico, dalle attività agricole e zootecniche intensive
(soprattutto nitrati e pesticidi), dalle attività industriali e commerciali (composti chimici, idrocarburi
e metalli pesanti), dalle discariche non controllate, dalle utenze domestiche (sostanze organiche e
chimiche) ed anche dal dilavamento delle superfici stradali. I nemici delle falde sono quindi
strettamente legati al nostro stile di vita.
Interventi apparentemente “economici” nell’uso del suolo – disboscamento, cementificazione,
eccessivo sfruttamento agricolo, eccessiva concentrazione urbana – fanno aumentare la richiesta di
acqua potabile, ma fanno anche diminuire la qualità dell’acqua esistente. Gli acquiferi sono come
27
delle gigantesche spugne sotterranee nelle quali l’acqua si muove normalmente solo di pochi
centimetri al giorno, una volta che l’inquinamento li raggiunge, ci vuole molto più tempo per la loro
pulizia rispetto ai laghi ed ai fiumi, e spesso, è quasi impossibile ripulirli.
2.2.1. Inquinamento e consumo domestico Quasi tutta l’acqua prelevata dagli acquedotti ritorna nel ciclo naturale come acqua inquinata da
detersivi, oli, ecc., ed un eccessivo consumo comporta maggiore inquinamento.
Il grande consumo di acqua minerale (circa il 70% del totale per uso alimentare), oltre ad essere la
conferma della diffidenza che hanno gli italiani dell’acqua del rubinetto, comporta seri problemi di
inquinamento a causa degli imballaggi di plastica che vengono abbandonati, seppelliti (in discarica)
o bruciati (raccolta differenziata).
2.2.2. Inquinamento e consumo industriale Le attività industriali e manifatturiere assorbono nel mondo circa il 20% dei prelievi (circa 25% in
Italia). Il peso del consumo idrico è rilevante soprattutto nei paesi industrializzati: l’acqua serve per
sciogliere, trasportare, lavare, raffreddare. Ad esempio, per produrre un pollo surgelato si usano 26
litri di acqua; tra i 2 e i 10 sono necessari per un litro di birra; la lavorazione di un’automobile ne
consuma 78.000, una tonnellata di cemento dai 160 ai 2.000 litri; un Kg. di carta 90 litri. L’industria
che maggiormente impiega acqua è quella farmaceutica: per ottenere 1 Kg di principio attivo sono
necessari in media 10.000 litri d’acqua. Il volume dei prelievi rappresenta solo uno degli aspetti che
preoccupano la situazione.
Un altro importantissimo aspetto riguarda la qualità dell’acqua che viene rimessa in circolo alla fine
del processo produttivo: più dell’85% dell’acqua che viene utilizzata nell’industria ritorna in natura
sotto forma di acqua inquinata da prodotti chimici e metalli pesanti, od in modo più sottile, dal
calore.
La presenza di corsi d’acqua è sempre stata un fattore fondamentale per la localizzazione delle
industrie di tutti i generi.
2.2.3. Consumo nel turismo e nel tempo libero Le attività turistiche, in continua crescita nel nostro paese, necessitano di grandi quantità di acqua
che in genere viene fornita attraverso le reti di acquedotti. Le situazioni più paradossali si hanno nel
Sud del mondo, dove capita che villaggi turistici abbiano a disposizione acqua da poter sprecare in
piscine e campi da golf, mentre la comunità locale viene lasciata a secco. Oltre al golf (un impianto
di medie dimensioni richiede un fabbisogno idrico giornaliero pari ad una città di 6.000 ab.), anche
gli impianti di innevamento artificiale si distinguono per gli elevati consumi di acqua, che viene
28
prelevata in un periodo stagionale che coincide, per l’ambiente alpino, con il periodo di minima
precipitazione annuale.
2.2.4. Inquinamento di fiumi e laghi I laghi sono le riserve di acqua dolce che più facilmente sono soggette a fenomeni di
eutrofizzazione o di grave inquinamento a causa dello scarso ricambio idrico. In Italia, da analisi
effettuate da Legambiente (2001), su diciotto grandi fiumi si è riscontrato che su 254 campioni, la
metà (il 49,2%) rientra nelle classi III, IV e V, indicative di ambienti inquinati o fortemente
inquinati; il 43,3% nella classe degli ambienti moderatamente inquinati (II classe) e solo il 7,5%,
per lo più in punti in prossimità delle sorgenti, nella I classe che caratterizza gli ambienti non
inquinati. I tratti di maggiore degrado sono quelli vicini ai centri urbani o dov’è più concentrata la
pressione antropica, a riprova della grave insufficienza dei sistemi di depurazione. Al contrario, i
tratti fluviali, che meglio “smaltiscono” gli apporti inquinanti e conservano una forte capacità
autodepurativa e sono quelli che mantengono accentuate le caratteristiche naturali. Il miglior
depuratore di un fiume è il fiume stesso a condizione che vi sia acqua sufficiente per sostenere il
naturale processo di autodepurazione. La naturalità, quindi, è l’arma principale per combattere
l’inquinamento e questo presuppone che i fiumi non siano oggetto di cementificazioni (per
infrastrutture stradali e/o insediamenti urbani e produttivi), dighe, captazioni indiscriminate di
acqua e/o ghiaia e sabbia, rettificazioni dell’alveo (anche con innalzamento degli argini),
distruzione delle vegetazione ripariale.
2.2.5. Depurazione Con il crescere dell’inquinamento la depurazione delle acque ha assunto un ruolo sempre più
rilevante. La depurazione viene applicata sia alla acque prelevate per la distribuzione alle utenze,
che alle acque reflue. Prendono sempre più piede i depuratori domestici che però solo con una
continua manutenzione danno risultati apprezzabili. Anche i depuratori delle reti fognarie, quando
ci sono, spesso funzionano male. Nel 2000, il 73% degli abitanti dei comuni capoluoghi era
allacciato ad un impianto funzionante, ma i sistemi di depurazione mancano ancora a Milano,
Imperia, Trapani, Benevento (8%), Firenze (13%), Oristano (18%), Pordenone (20%) Vibo Valentia
(20%) (dati AmbienteItalia 2002).
Una recente indagine del NOE ha evidenziato che solo il 63% della popolazione equivalente viene
servita da impianti, mentre la percentuale di acque depurate si colloca su livelli inferiori.
L’intervento in questo campo è prioritario in quanto, migliore è la copertura depurativa, più
adeguata è l’efficienza dei processi di trattamento, maggiore è la salvaguardia dell’ambiente
dall’inquinamento localizzato.
29
Avere acqua di buona qualità è sempre più difficile e costoso. Trattamenti di potabilizzazione,
depuratori giganteschi, pompaggi sempre più complessi, acquedotti sempre più lunghi, faranno
sentire il loro peso. Il contenimento dei consumi e degli inquinamenti non rende più poveri, anzi,
richiede lo sviluppo della ricerca scientifica e di innovazioni tecniche nell’irrigazione, negli
strumenti domestici, nei processi industriali.
Altri interventi indispensabili sono il miglioramento delle reti di distribuzione, le doppie condutture,
il riuso delle acque reflue civili in campo agricolo ed industriale, i cicli chiusi nei processi
industriali.
2.3. I FABBISOGNI
I consumi crescono nel tempo, con la popolazione ed in seguito allo sviluppo culturale ed
industriale delle aree servite. Attualmente ci si trova in difficoltà nel calcolo del fabbisogno idrico
per i problemi connessi al rallentamento del ritmo di crescita della popolazione, ai flussi migratori
di difficile previsione ed al fenomeno dell’immigrazione.
Le crisi idriche sono sempre più ricorrenti e la necessità di trasferire volumi d’acqua nelle aree di
maggior fabbisogno è oramai diventata una consuetudine.
I fabbisogni idrici si suddividono in tre principali categorie:
• Fabbisogni civili: assorbono il 19% del totale dell’acqua, fra il 1975 ed il 1987 si è
verificato un aumento significativo dei prelievi, con un incremento del 35% che
fortunatamente si è stabilizzato nei periodi successivi. Gli usi sono civili domestici (attività
dei singoli cittadini all’interno delle abitazioni private) e civili non domestici (riguardanti
strutture ad uso sociale e pubblico o privato collettivo quali piscine, ospedali, uffici, negozi).
Sia per usi civili domestici ché non domestici si tende ad utilizzare acqua potabile che, per
oltre il 90%, viene prelevata da falde e sorgenti; per altri tipi di attività (pulizia delle strade,
acque di innaffiamento dei giardini e quelle utilizzate negli impianti di riscaldamento e
condizionamento, acque destinate alla conservazione dell’ecosistema ed alla ricarica delle
falde) viene utilizzata acqua non potabile proveniente da attività di riciclo.
• Fabbisogni industriali: assorbono il 33% della risorsa idrica disponibile; rappresenta
l’acqua impiegata per usi industriali del settore terziario e commerciale per la parte non
potabile. E’ impiegata nelle centrali destinate alla produzione di energia termica, elettrica e
forza motrice.
30
• Fabbisogni agricoli: assorbono il 48% del fabbisogno idrico; è impiegata per uso irriguo e
zootecnico. L’acqua è prelevata in gran parte da fonti superficiali che variano in funzione
dell’andamento climatico e delle disponibilità delle colture. Si sta diffondendo una nuova
concezione dell’agricoltura volta al risparmi idrico integrando l’ottimizzazione dei sistemi
di irrigazione e la tipologia delle colture, a seconda delle caratteristiche del terreno e del
clima. Nel sud del nostro paese si è ancora, nella maggior parte dei casi, in condizioni di
arretratezza tecnologia e ciò non indirizza verso il risparmio.
Da dati CNR-IRSA relativi all’anno 1999 otteniamo:
Nel complesso il settore idrico ha, in Italia, un giro di affari di circa 5 miliardi di euro e rappresenta
un’opportunità di investimento vantaggiosa; un altro dato riguarda gli alti consumi pro capite che
nel nostro Paese si attestano ai 908 m3 all’anno, mentre la media europea è valutata in 604 m3 .
Lo sviluppo della domanda idrica va di pari passo con la crescita demografica (valutata intorno allo
0,9%), l’aumento del tenore di vita e l’ottimizzazione delle pratiche agricole.
L’Italia è al primo posto come prelievi per usi domestici, valutati intorno ai 249 litri/abitante/giorno
e le perdite rappresentano il 33%, contro la media europea del 10%; inoltre l’Italia è ai primi posti
in Europa come rapporto tra acqua prelevata e disponibilità della risorsa. In agricoltura l’Italia ha il
più alto consumo di acqua per ettaro.
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31
2.3.1. Calcolo dei fabbisogni civili
Al fine di stimare quanta sia l’acqua ad uso potabile che effettivamente serve all’uomo nelle sue
attività quotidiane si procede ad una stima basata su modelli matematici, evidenziandone i limiti e
rilevando quelle che sono le difficoltà legate alla previsione, dato il rapido cambiamento degli usi
della popolazione.
Fare una stima della popolazione futura, sulla quale impostare il calcolo dei fabbisogni idrici, deve
comprendere sia la popolazione residente ché quella fluttuante.
Per centri in continuo sviluppo si adotta generalmente la legge:
pn = po (1+ i)n
dove:
p0 = popolazione attuale
pn = popolazione prevista tra n anni
i = tasso percentuale medio annuo d’incremento storico
Per i centri ancora in sviluppo ma che tendono alla saturazione conviene usare la legge descritta
dalla:
pt = p0 + p∞ − p0
1+ ae−bt dove:
p∞ = popolazione asintotica superiore, da assumere o calcolare in funzione delle possibilità
insediative del centro;
a, b = costanti da determinare interpolando i dati storici.
I metodi per determinare la popolazione futura, e quindi il fabbisogno idrico, si basano sull’ipotesi
che la popolazione abbia un andamento interpolabile mediante equazioni matematiche; la stima
delle costanti che compaiono nelle equazioni, ottenute interpolando dati storici, non sempre fornisce
risultati attendibili, poiché dà lo stesso peso ai dati storici disponibili senza assegnare peso
maggiore ai dati più recenti, che meglio esprimono le tendenze evolutive in atto.
Il consumo dell’acqua è soggetto a variazioni giornaliere, mensili ed annuali: esse dipendono dalle
abitudini, dallo stato sociale e dai ritmi della popolazione.
La relazione matematica usata per il calcolo della dotazione idrica giornaliera può essere espressa
dalla:
32
q = PD86400
dove:
q = portata media di approvvigionamento (litri/ giorno)
P = popolazione (futura) servita
D = dotazione assunta (litri/giorno x abitante)
Il fabbisogno giornaliero varia nel corso dell’anno e di conseguenza la portata media Q nel giorno
di massimo consumo è calcolata scegliendo il valore del coefficiente:
ci = Q
q e per calcoli di prima approssimazione ci vale 1,5.
La portata oraria giornaliera rappresenta un dato fondamentale per la progettazione della rete ed è
rappresentabile in un diagramma; i dati ottenuti, espressi in litri, per un centro abitato di media
importanza (A), per un centro abitato di media alta importanza (B) e per un centro abitato di grande
importanza (C), sono rappresentati nella tabella:
Il grafico è ottenuto misurando i valori del coefficiente di punta giornaliera espresso dalla:
αg =Qg,max
Qg dove:
αg = coefficiente di punta giornaliera
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33
Qg,max = portata giornaliera massima
Qg = portata giornaliera
Le dotazioni, espresse in litri/giorno per abitante, crescono con la dimensione del centro urbano,
poiché aumentano i fabbisogni accessori. Consultando il Piano Regolatore Regionale e valutando la
previsione fino all’anno 2015, le dotazioni idriche da adottare nella progettazione di un acquedotto
per usi civili possono essere schematizzate nella tabella:
Case sparse Centri con
popolazione
<10.000 ab.
Centri con
popolazione
<100.000 ab.
Centri con
popolazione
>100.000 ab.
Litri/giorno
per abitante
100-150 200-300 300-450 >450
I dati riportati in tabella mostrano la necessità di ricercare nuove tecnologie volte all’incremento
della risorsa idrica ed in grado di potere essere fornite con elasticità durante la giornata, poiché si
sta andando incontro ad una crescente scarsità dell’acqua che comporta un conseguente aumento dei
costi.
In attesa di un uso massiccio e quotidiano delle nuove tecnologie si adottano strategie di risparmio
idrico legate alla coscienza del singolo cittadino e quindi di difficile controllo.
Per la caratteristica sociale dell’acqua, un aumento della tariffa non sta portando ad una
significativa diminuzione degli sprechi.
2.3.2. Calcolo dei fabbisogni industriali
Stabilire un valore che definisca il fabbisogno industriale è molto difficile poiché il fabbisogno
dipende dalla natura del prodotto, dalla grandezza dell’industria e dalle tecnologie adottate. Un
valore orientativo viene assegnato in 1-2 litri/secondo per ettaro insediativo.
Impossibile, invece, è una previsione a lungo termine sulla richiesta idrica nel settore industriale,
poiché troppe sono le variabili che insistono sul settore, prima tra tante, il progresso tecnologico.
I diversi usi della risorsa idrica in campo industriale possono essere riassunti in tabella:
UTILIZZO APPLICAZIONI PRINCIPALI
34
Vapore Caldaie, Umidificatori d’aria
Scambio di calore Condensazione di Vapore, raffreddamento dei
fluidi e dei solidi, riscaldamento
Depurazione Gas Siderurgia, Incenerimento rifiuti urbani,
desolforizzazione del fumo.
Lavaggio solidi, trasporto solidi, risciacquo
superficiale, trasporto ionico
Carbone, grezzo, prodotti agricoli, carta,
carbone, macero, industria agro-alimetare,
pigmenti elettroforesi, trattamenti superficiali,
microelettronica.
Quenching Coke, scorie metalliche
Energia cinetica Disincrostatura dell’acciaio, granulazione
Manifattura Birra, bibite
Prendendo in considerazione alcuni dei principali processi industriali analizziamo i dati relativi ai
quantitativi di acqua: per le centrali termiche convenzionali (800 Watt), adibita alla produzione di
energia, la richiesta d’acqua si stima intorno ai 20-21 m3/s.
Altra applicazione che richiedono grossi quantitativi di acqua sono tutti i processi industriali di
raffreddamento che, a seconda del tipo di industria e del tipo di gas o materiale trattato da
raffreddare, consumano quantitativi diversi di acqua.
Indicando il quantitativo di acqua in tonnellate per m3 di gas trattato, le principali sono
TIPO DI INDUSTRIA QUANTITATIVO
MINIMO (m3/t)
QUANTITATIVO
MASSIMO (m3/t)
Industria di
fertilizzanti
1) NH3 250 350
2) UREA 65 100
3) NH4NO3 80 100
Impianti di produzione
del coke
30 40
Forni 20 30
35
Un altro settore nel quale si ha un grande uso di acqua è il settore dell’industria cartaria, dove i
consumi variano e la media va da un minimo di 32,2 m3/t ad un massimo di 66,5 m3/t, a seconda
della tecnologia impiegata.
Da citare, anche, il consumo di acqua per l’industria tessile che varia da tessuto a tessuto, ma che in
media si attesta su valori che oscillano tra 17 e gli 84 litri d’acqua per kg di prodotto trattato (dati
EPA, 1996).
2.3.2.1. Qualità delle acque per uso industriale
Le norme relative alla qualità delle acque richieste per gli utilizzi industriali sono elencate nel D.M.
185/2003 che definisce la possibilità di riutilizzo delle acque reflue depurate in campo industriale
nei seguenti ambiti: “come acqua antincendio, di processo, di lavaggio e per i cicli termici dei
processi industriali, con l’esclusione degli usi che comportano un contatto tra le acque reflue
recuperate e gli alimenti od i prodotti farmaceutici e cosmetici” (art. 3 DM 185/2003).
L’applicabilità del riutilizzo delle acque dipende dai livelli di qualità richiesti per i differenti
processi industriali.
Sinteticamente, la tabella indica, secondo i termini di legge, come possono essere destinate le acque
nell’industria. ll riutilizzo delle acque reflue è possibile per processi di lavaggio e di raffreddamento
esclusivamente dopo trattamenti di depurazione secondari, mentre per altri processi sono previste
acque di maggiore qualità, per cui diventano interessanti tecniche di trattamento terziario e di
disinfezione, che permettono l’abbattimento della carica microbica, dei nutrienti e delle sostanze
tossiche.
Usi Fonti di acqua ammissibile
(anche dopo adeguato
pretrattamento)
ACQUA PER INDUSTRIA
NOBILE
Birra, bibite gassate, industria
alimentare, prodotti
farmaceutici, carta bianca,
prodotti tessili, prodotti di
Acqua con contenuto medio di
minerali, potabile, di pozzo o
superficie poco contaminata
36
finitura, prodotti chimici
ACQUA
DEMINERALIZZATA
Prodotti farmaceutici, caldaie
ad alta e media pressione,
preparazione di diversi bagni,
risciacquo di processi di
lavatura, desalificazione con
osmosi inversa
Acqua di pozzo o superficiale
poco contaminata
ACQUA DI
RAFFREDDAMENTO IN
SISTEMA DI RICIRCOLO
APERTO
Torri di raffreddamento Acque superficiali a basso
contenuto di cloro, acque
reflue dopo trattamento
terziario
ACQUA DI
RAFFREDDAMENTO IN
SISTEMA A PERDERE
Condensatori e scambiatori Acque superficiali, di mare
provenienti da reflui trattati
ACQUE DI DEPURAZIONE
GAS, ACQUE DI
LAVAGGIO PRODOTTI,
ACQUE DI TRASPORTO
Depurazione del gas in
metallurgia e incenerimento;
depurazione del carbone
Acque superficiali dopo
trattamenti primari; acque
reflue dopo trattamenti
secondari
2.3.2.2. Risparmio della risorsa idrica nell’industria
Le finalità di risparmio delle risorse idriche possono essere perseguite attraverso l’uso razionale
delle risorse, attraverso la riduzione dei consumi ed attraverso il diverso utilizzo dell’acqua (a
diversi livelli di qualità), secondo le destinazioni d’uso.
Per quanto riguarda il riutilizzo delle acque reflue all’interno del medesimo stabilimento o
consorzio industriale che le ha prodotte, non disciplinato dal DM 185/2003 (art.3 DM 185/2003),
devono essere considerati i livelli di qualità richiesti dai diversi processi.
Negli altri casi si devono considerare anche le indicazioni definite dal DM 185/2003, che prevede il
“riutilizzo in condizioni di sicurezza ambientale, evitando alterazioni agli ecosistemi, al suolo ed
alle colture, nonché rischi igienico-sanitari per la popolazione esposta e comunque nel rispetto delle
vigenti disposizioni in materia di sanità e sicurezza e delle regole di buona prassi industriale e
agricola”, inoltre, limita le possibilità di riutilizzo ai seguenti usi: come acqua antincendio, di
processo, di lavaggio e per i cicli termici dei processi industriali, con l’esclusione degli usi che
37
comportano un contatto tra le acque reflue recuperate e gli alimenti od i prodotti farmaceutici e
cosmetici.
I possibili interventi per la riduzione dell’utilizzo di acqua sono così riassumibili:
• Modifica dei processi industriali;
• Riuso diretto delle acque per processi successivi che richiedono un livello di qualità
inferiore;
• Rigenerazione dell'acqua di scarico attraverso trattamenti parziali o totali che ne
incrementino la qualità e ne permettano il riutilizzo in processi a valle;
• Rigenerazione dell’acqua attraverso la rimozione della contaminazione in modo da
permetterne il ricircolo in testa al processo stesso.
Una scala gerarchico-funzionale nell’uso dell’acqua che risponda ad esigenze di fattibilità
tecnica e di convenienza economica, deve considerare come obiettivi da perseguire:
• La minimizzazione della generazione di reflui;
• La minimizzazione delle portate di trattamento delle acque;
• La massimizzazione del riutilizzo.
Inoltre:
• Deve possedere le caratteristiche per poter essere scaricata nell’ambiente;
• Deve possedere le caratteristiche per poter essere riutilizzata.
I costi da sostenere sono di natura economico-ambientale in quanto il costo riguarda sia gli
investimenti per le migliori tecnologie, sia i costi dell’impatto sul recettore alternativo al riuso.
2.3.3. Calcolo dei fabbisogni agricoli
L’utilizzo di acqua in agricoltura è circa 3 volte il consumo di acqua nel comparto industriale ed a 6
volte il consumo idropotabile.
Si osserva che, gran parte del prelievo idrico dedicato alle attività di irrigazione (oltre il 95% del
totale) è da attribuire a derivazioni attive sulle acque superficiali.
Una delle conseguenze più gravi dell’enorme quantitativo di prelievo dai corpi idrici superficiali è il
mancato rispetto del “Minimo deflusso vitale” definito nel D. Lgs. 152/99: la norma impone che
non venga in alcun caso, per nessun motivo ed in alcun periodo dell’anno, portato sotto il cosiddetto
minimo deflusso vitale un corso d’acqua, ciò per garantire che dal punto di vista ecologico siano
mantenuti livelli minimi accettabili, compatibilmente con la necessità di utilizzo della risorsa.
Il calcolo del fabbisogno di acqua per usi agricoli si basa sul concetto di consumo idrico unitario,
che rappresenta il rapporto tra la quantità di acqua complessivamente consumata (espressa in litri)
38
nell’intero ciclo vegetativo di una coltura e la quantità di sostanza organica secca (espressa in
chilogrammi) formatasi nel ciclo stesso. Il rapporto muta a seconda della pianta che si coltiva, a
seconda del tipo di terreno e del clima; i consumi idrici unitari si riducono, a parità di condizioni, al
crescere della fertilità del terreno ed in condizioni di clima temperato. Un risparmio idrico lo si
ottiene coltivando piantagioni tipiche della zona e non esportate in luoghi lontani da caratteristiche
ambientali della stessa.
Alcuni esempi danno l’ordine di grandezza della quantità di acqua necessaria:
COLTURA LITRI ACQUA Kg di prodotto
Erba medica 400-500 1
Mais 130-200 1
Frumento 300-450 1
2.3.3.1. Qualità delle acque per uso agricolo
La normativa che fissa i parametri che debbono possedere le acque destinate all’uso agricolo è
sostanzialmente il DM 185/2003 che definisce le possibilità di riutilizzo delle acque reflue depurate
“per l'irrigazione di colture destinate sia alla produzione di alimenti per il consumo umano ed
animale, sia a fini non alimentari, nonché per l’irrigazione di aree destinate al verde o ad attività
ricreative o sportive”. Il DM 185/2003 definisce inoltre che “l’impiego delle acque destinate all’uso
irriguo o civile all’uscita dell'impianto di recupero deve essere confrontato con la necessità di
verificare la loro compatibilità con i sistemi irrigui attualmente utilizzati, sia a pieno campo, sia
puntuali e di verificare gli effetti igienico-sanitari connessi al loro impiego” ed eventuali divieti nel
rispetto comunque dei valori previsti per lo scarico in acque superficiali dalla tabella 3 dell’allegato
5 del D. Lgs 152/199 (art. 4 e 11 DM 185/2003).
Il riutilizzo è comunque subordinato al rispetto del codice di buona pratica agricola definito nel
Decreto del Ministro per le politiche agricole e forestali del 19 aprile 1999 n. 86.
Secondo stime OCSE la richiesta di acqua per scopo irriguo è pari ad oltre il 50% del fabbisogno
idrico complessivo. Mediamente si producono 180 litri di liquame procapite/giorno; il reimpiego di
quest’acqua di scarto, opportunamente trattata, potrebbe coprire una parte rilevante del fabbisogno
di acqua necessario per l’agricoltura. Tuttavia i severi standard microbiologici attualmente fissati
dalla normativa in materia ne limitano le possibilità di riuso. La potenzialità dei reflui di trasmettere
39
malattie dipende da numerosi fattori quali, ad esempio, la persistenza nell’ambiente dell’agente
eziologico, la dose infettante, la copertura immunitaria delle persone esposte.
Secondo studi epidemiologici, il rischio sanitario legato al pericolo di diffusione di patogeni con il
riuso dei reflui è sufficientemente limitato ed esistono una serie di processi che possono abbatterlo,
senza incidere molto sul costo della risorsa prodotta. La minimizzazione della diffusione dei rischi
igienico-sanitari legati al riuso delle acque reflue depurate e per il riutilizzo in agricoltura, può
essere raggiunta con sistemi di multibarriere, meglio se basate su processi fisicomeccanici (es.
sedimentazione, filtrazione, stabilizzazione per stoccaggio) e chimici (es. disinfezione).
Il vero problema connesso con il reimpiego delle acque in agricoltura è quello pedologico. Le acque
reflue, anche se ricche di nutrienti utili per le piante (composti azotati, fosfati e sostanze organiche)
hanno una composizione ionica diversa da quella richiesta dal suolo e dalle piante (prevalenza di
sodio e calcio su potassio e magnesio): esiste il pericolo che un uso non razionale possa portare ad
una modificazione della permeabilità del suolo e ad un arricchimento in cloruri delle falde
superficiali.
2.4. GLI ACQUEDOTTI
Per acquedotto si intende il complesso delle opere di presa, convogliamento e distribuzione
dell’acqua necessaria ad una o più utilizzazioni. Gli acquedotti, a seconda del loro utilizzo, possono
essere suddivisi in civili, industriali e rurali. Secondo la natura delle acque utilizzate (sotterranee di
sorgente, di falda o superficiali) e della fonte di approvvigionamento, la captazione delle acque è
fatta mediante opere di diverso tipo. Oramai da tempo il trasporto dell’acqua è fatto mediante
condotte in pressione e non più a pelo libero; successivamente l’acqua viene accumulata in serbatoi
che garantiscono una diffusione uniforme a seconda delle oscillazioni giornaliere; alle condotte
sono allacciate le utenze e, a loro volta, se necessario, le opere di potabilizzazione e gli impianti di
sollevamento.
La legge prevede l’installazione di reti duali nei nuovi insediamenti abitativi, commerciali e
produttivi di rilevanti dimensioni: la doppia rete assicura che siano divise le acque potabili dalle
acque destinate ad altri usi. Per l’approvvigionamento idrico dei centri abitati non risulta in genere
economicamente conveniente realizzare due distinti acquedotti con caratteristiche di potabilità, per
cui tutti i fabbisogni vengono soddisfatti con acqua potabile; per gli stabilimenti industriali, che in
generale sono distanti dal centro urbano, si realizzano appositi acquedotti che distribuiscono acque
non potabili, più facilmente reperibili e meno costose da usare.
40
Le fasi principali che costituiscono un acquedotto sono:
• Approvvigionamento (captazione, adduzione, potabilizzazione);
• Distribuzione e vendita;
• Fognatura;
• Depurazione e smaltimento.
Ognuna delle fasi presenta problematiche di gestione differenti con miglioramenti significativi se la
gestione delle singole fasi è integrata.
Italia solo negli ultimi anni ci si sta avvicinando ad una gestione integrata del settore idrico (grazie
alla riforma legislativa). Attualmente le gestioni risultano integrate per quanto riguarda il servizio
fornito nelle aree urbane, mentre resta frammentaria la gestione delle aree extraurbane.
2.4.1. Approvvigionamento
La fase di approvvigionamento è il complesso delle operazioni atte a garantire un quantitativo di
acqua necessario ai diversi tipi di utenze.
Nella fase di approvvigionamento si possono distinguere la:
• Captazione: complesso di attività che garantiscono il recupero della risorsa. Considerata
anche come la fase di produzione dell’acqua, riveste un ruolo di fondamentale importanza
per quanto concerne gli aspetti qualitativi e di impatto ambientale. Una peculiare
caratteristica, che costituisce un handicap notevole per l’Italia nell’ambito della captazione,
è dato dal particolare assetto idrogeologico del territorio, caratterizzato da un gran
quantitativo di sorgenti di modesta produttività e da corsi di acqua superficiali a carattere
prevalentemente torrentizio e, quindi, poco sfruttabili e ai quali non può essere applicata una
economia di scala.
Le opere di presa sono prevalentemente costituite da pozzi e sorgenti, lasciando una piccola
percentuale all’approvvigionamento di acque superficiali:
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41
Nel nord del paese si ricorre prevalentemente ad acqua proveniente da pozzi ed acque
superficiali; al centro, l’acqua proviene soprattutto dalle sorgenti e al sud e sulle isole,
l’acqua proviene soprattutto da fonti superficiali o addirittura da altre regioni.
In tabella vengono indicati i valori percentuali delle singole regioni.
Nord e Centro
Piemonte Veneto Emilia
Romagna
Toscana Umbria Marche Lazio
ACQUE
SUPERFICIALI
14 7 93 15 3 14 1
ACQUE DA
POZZI
56 56 6 59 42 28 37
ACQUE DA
SORGENTI
29 37 1 26 56 57 63
Sud ed Isole
Abruzzo Campania Puglia Basilicata Calabria Sicilia Totale
ACQUE
SUPERFICIALI
1 0 0 87 24 17 15
ACQUE DA
POZZI
21 40 100 1 39 60 45
ACQUE DA
SORGNETI
78 80 0 12 37 23 40
42
• Potabilizzazione: complesso delle attività atte al trattamento delle acque. In Italia il processo
di potabilizzazione si trova ancora in uno stadio poco avanzato: l’80% delle acque
sotterranee vengono rese potabili solo con processi di clorazione/disinfezione. Solo le reti
maggiori riescono a realizzare trattamenti sofisticati ed hanno la possibilità di introdurre
tecnologie innovative quali membrane ed ozonizzazione. Dimensioni di impianti di
potabilizzazione troppo contenute sono antieconomiche da un punto di vista della
costruzione e della gestione.
• Adduzione: complesso di infrastrutture che garantiscono la distribuzione dell’acqua.
Materialmente costituito da un sistema di condotte per il trasporto dell’acqua, da un sistema
di serbatoi, che garantiscono un’erogazione costante durante le varie ore della giornata, ed
eventualmente da bacini artificiali costruiti per essere utilizzati come grandi serbatoi.
Per contenere i costi e per migliorare le procedure di intervento le reti di adduzione seguono
i percorsi lungo la sede stradale o ai margini di esse.
L’eccessiva dispersione dei punti di prelievo, il problema dell’inquinamento delle falde e
l’insufficienza, o in alcuni casi, l’inefficienza degli schemi idrici del meridione, mettono in crisi il
sistema di approvvigionamento.
La gestione integrata del servizio, la concentrazione dei punti di prelievo e l’ottimizzazione dei
sistemi di adduzione migliorerebbe la situazione.
La gestione integrata delle fonti consente di ottimizzare l’uso delle risorse, scegliendo di poter
sostituire in maniera flessibile, se necessario, la captazione da fonti superficiali con fonti
sotterranee. Oggi accade spesso che una società non possa gestire più di una fonte di
approvvigionamento: il risultato è la difficoltà di gestione dovuta ad una mancata coordinazione tra
i diversi gestori.
Sono necessarie strategie di aggregazione che consentano l’instaurarsi di economie più stabili e
solide.
Nella fase di captazione è più probabile ottenere economie di scala, nel caso di bacini superficiali
artificiali o nel caso di impianti di dissalazione, rispetto al caso di corpi idrici sotterranei o sorgivi.
Nella fase di adduzione si ottengono economie di scala solo quando le condotte sono di medie e
lunghe distanze, in quanto il costo di costruzione è meno che proporzionale rispetto alla portata ed i
costi operativi sono in larga misura fissi.
2.4.2. La Distribuzione
La rete di distribuzione è costituita dal complesso di manufatti e tubazioni che si sviluppano nei
centri abitati per rifornire i singoli utenti.
43
Il parametro identificativo di una rete di distribuzione è dato dal rapporto tra la lunghezza della rete
ed il numero di abitanti serviti. Un rapporto alto denota una rete di distribuzione lunga che, nei
centri urbani indica che c’è una buona capillarità del servizio; nei centri extraurbani denota che i
punti di approvvigionamento sono lontani e si deve ricorrere a lunghe condotte per la soddisfazione
del servizio. Da ricordare che più lunga è la condotta più le perdite sono alte.
In Italia il valore medio della lunghezza pro capite della rete di distribuzione è di circa 6,5 metri,
assumendo valore minimo di 3 metri in Puglia e il suo valore massimo di 9,7 metri in Abruzzo.
2.4.3. Le Perdite
A causa della forte incidenza delle perdite nel ciclo di prelievo-immissione-erogazione solo un 73%
del volume totale prelevato ed immesso negli acquedotti è realmente utilizzato.
Le perdite dei sistemi di captazione e distribuzione, nel nostro Paese, sono tra le più alte in Europa.
Un peso indicativo nel bilancio degli acquedotti è rappresentato dalle perdite e dagli sprechi che
oscillano tra il 5% ed il 50 % dell’acqua immessa in rete e dipendono dallo stato di conservazione
delle condotte e dalla tempestività di intervento sui guasti e soprattutto dalla vetustà degli organi.
Solo nella fase di captazione il valore medio delle perdite si attesta sul 27%, con valori che possono
arrivare al 50% al sud.
I fattori che maggiormente incidono sulle perdite sono:
• estensione della rete;
• qualità delle acque (più o meno corrosive);
• lavaggi delle reti e dei serbatoi;
• stato delle infrastrutture (vetustà, materiali, architettura, protezione) e delle condizioni di
utilizzo (lavoro in pressione, lavoro ad intermittenza);
• furti e prelievi abusivi dalla rete;
• letture errate o non effettuate dei contatori da parte dei comuni;
• perdite effettive dalle condotte.
In fase di distribuzione le perdite sono definite come la differenza tra il volume immesso in rete ed
il volume effettivamente erogato e rappresentano uno dei parametri per valutare lo stato di
manutenzione delle infrastrutture.
Le perdite complessive della rete spaziano tra un valore minimo del 20%, dell’Emilia Romagna, ad
un valore massimo del 57%, dell’Abruzzo.
Perdite in percentuale distribuite regione per regione:
44
Piemonte Veneto Emilia
Romagna
Toscana Umbria Marche Lazio
PERDITE 27 27 20 41 35 28 48
Abruzzo Campania Puglia Basilicata Calabria Sicilia Totale
PERDITE 57 52 56 23 56 42 42
Al fine di effettuare una corretta progettazione, costruzione e gestione degli acquedotti è utile
valutare alcuni particolari dati:
• Censimento delle risorse idriche suddivise per qualità (acque naturalmente potabili, acque
potabilizzabili, acque che non conviene potabilizzare).
• Le dotazioni minime di acqua da assegnare ai diversi distretti urbani.
• I fabbisogni di acqua non potabile.
• Gli schemi generali per la gestione delle risorse idriche disponibili (utilizzazioni in cascata
con trattamenti rigenerativi, acquedotti misti con diverse qualità dell’acqua circolante).
• Le norme di gestione e di controllo.
• Effettuare una corretta valutazione delle perdite utilizzando una idonea strumentazione in
grado di rilevare l’acqua introdotta e quella contemporaneamente prelevata.
2.5. I COSTI
I cambi avuti negli ultimi decenni, tanto per il forte aumento demografico insieme con il processo di
urbanizzazione delle zone costiere, come l’espansione dei settori agricolo, turistico e ricreativo,
hanno portato a situazioni ogni volta più frequenti di scarsezza della risorsa e peggioramento della
sua qualità. Nonostante la crescente affermazione della coscienza ambientale dei cittadini, i conflitti
politici tra le amministrazioni ed i fattori tecnici dovuti alla carenza di posti idonei per nuove
infrastrutture, causano enormi difficoltà nella realizzazione di nuove opere di regolazione e
risaltano la necessità di un miglioramento nella gestione e pianificazione delle risorse idriche.
La fase attuale, comune a molti paesi sviluppati, si denomina come “economia matura dell’acqua” e
si caratterizza per:
• Costi crescenti per l’ottenimento di incrementi della offerta dell’acqua;
• Diretta ed intensa competenza tra gli utenti;
• Interdipendenza tra gli usi;
45
• Limitata disponibilità delle risorse finanziarie pubbliche.
I problemi che questa fase innesca, impongono nuove politiche di gestione che superano il metodo
tradizionale, orientato principalmente alla massimizzazione dell’offerta e comprendono aspetti
fondamentali, come la internazionalizzazione dei costi relazionati con l’uso dell’acqua, la gestione
della domanda, la razionalizzazione e l’ efficienza economica.
Se fino agli ultimi due decenni l’obiettivo prioritario delle politiche idrauliche era l’impulso per lo
sviluppo delle comunità rurali mediante l’inversione del capitale pubblico, negli ultimi anni si pone
la crescente attenzione dei governi nazionali riguardo le nuove problematiche relazionate con la
pianificazione delle risorse idriche.
Le aspettative di disporre dell’acqua come una risorsa quasi gratuita e le sovvenzioni vincolate
all’uso dell’acqua in alcuni settori sono all’origine dei problemi attuali, relazionati con la scarsezza
delle risorse idriche e fanno in modo che, molte volte, non si incontrino i sufficienti incentivi. Sulla
linea di incrementare l’utilizzazione degli strumenti economici, per favorire la razionalizzazione del
consumo, nasce la necessità dell’analisi economica dell’uso dell’acqua in ogni bacino ed il recupero
dei costi dei servizi relazionati con l’acqua, inclusi i costi ambientali e quelli relativi alle risorse. La
conseguenza più importante dell’immissione di questo principio è che i sussidi tenderanno a sparire
e gli ingressi saranno a costo di tariffe più alte, e questi rifletteranno un valore più reale del prezzo
dell’acqua ed una condizione di maggior efficienza del sistema.
Sono alla studio modelli matematici per la valutazione del costo dell’acqua che hanno, come
obiettivo primario, quello di conseguire l’integrazione delle componenti economiche nei
tradizionali modelli di simulazione, ed in questa maniera, stimare il costo della risorsa ambientale.
Le sue principali caratteristiche sono:
• Analisi economica a scala di bacino: il bacino idrografico è considerato la scala ideale per
la stima del costo della risorsa (Commissione Europea, 2000);
• Modellazione congiunta delle acque superficiali e sotterranee: nei sistemi nei quali
l’uso delle risorse sotterranee è importante, nel modello si deve tenere conto della
interazione tra le due componenti, col fine di valutare ciò che viene prodotto per il
funzionamento degli acquiferi come, per esempio, i costi per il pompaggio.
• Incorporazione delle funzioni economiche delle domande e dei costi di operazione: le
domande sono caratterizzate dalle funzioni economiche mensili od annuali che
rappresentano la relazione tra il somministro di acqua e la disposizione a pagare per la
stessa considerando periodi a lungo termine. Le funzioni economiche si introducono come
dati nella valutazione, che basandosi sui somministri di acqua calcolati nella simulazione di
46
uno scenario di gestione della risorsa, stima l’eccedente economico totale degli utenti
dell’acqua per ogni posto e periodo mediante integrazione.
Altra applicazione della metodologia consiste nella stima del costo della risorsa e del costo
ambientale e si basa sull’analisi di uno scenario di gestione della risorsa:
• Stima del costo della risorsa: per ottenere un’approssimazione del costo della risorsa in un
determinato punto del bacino idrografico e in un determinato istante di tempo, si procede
aggiungendo (o sottraendo), in ogni periodo di simulazione, un volume di acqua
differenziale (� Volume) all’elemento interessato. Il modello si incarica di effettuare una
nuova ripartizione (distribuita nell’incremento della risorsa) utilizzando le regole di gestione
stabilite e di calcolare il beneficio totale che provoca detto incremento. Il costo marginale
della risorsa si ottiene dividendo la differenza tra il beneficio economico totale del caso base
e il caso modificato per il volume differenziale sottratto al sistema (�beneficio/�volume) e
rappresenta il costo economico di scarsità in accordo con le regole di gestione adottate.
• Stima del costo ambientale: una forma di valutare il costo rappresentato dalla introduzione
delle restrizioni ambientali che affettano la gestione della risorsa, come le portate ecologiche
nei rami del fiume o il volume minimo di invaso, è mediante la differenza tra l’eccedente
economico relativo all’analisi economica del caso base, con l’eccedente risultante dalla
simulazione del modello con le restrizioni ambientali.
2.5.1. Costi per le opere agricole
La fornitura di acqua, anche nel caso in cui la distribuzione avvenga per caduta naturale senza
problemi di sollevamento, nel percorso tra la fonte di approvvigionamento ed il punto di
utilizzazione, comporta tutta una serie di costi che sono sostanzialmente di due tipi: fissi e variabili.
I costi fissi comprendono le spese per la costruzione dell’opera irrigua e tutte quelle che ricorrono
ogni anno, indipendentemente dall’uso dell’impianto: quote di ammortamento, canoni per i diritti di
acqua, canoni consortili, diritti per i minimi dovuti all’allacciamento elettrico, oneri per la
manutenzione ordinaria. Una volta sostenuti i costi di costruzione, le spese fisse vengono ad
identificarsi sostanzialmente con le quote di ammortamento del capitale, in quanto tutti gli altri costi
sono di un’entità molto modesta rispetto ad esse.
Le spese variabili sono invece quelle che dipendono dalle ore effettive di esercizio irriguo e sono
rappresentate dai costi per l’energia (carburanti e lubrificanti), per la manodopera necessaria
all’attività degli impianti, per le riparazioni, ecc.
47
È importante, inoltre, osservare che i costi delle opere irrigue nell’ambito di un territorio sono
generalmente crescenti col passare del tempo perché, mentre all’inizio vengono utilizzate le risorse
idriche più vicine ed accessibili e gli impianti realizzati sono di modesta entità, l’estensione della
superficie irrigata comporta un aumento delle spese, in relazione alla maggiore dimensione delle
opere ed alla crescente distanza delle fonti di approvvigionamento dalle zone di utilizzazione.
2.5.2. Costi per le opere civili ed industriali
Esistono situazioni assai disomogenee nel territorio legate alla diversità delle condizioni
idrogeologiche ed alla eterogeneità delle dimensioni e delle strutture.
Per questi motivi, sono stati prescelti schemi di riferimento assai analitici, suddivisi sia in senso
“verticale”, cioè secondo le diverse “fasi tecnologiche” (adduzione, distribuzione), sia in senso
“orizzontale”, cioè secondo le diverse “componenti di costo” (oneri di capitale, di personale, ecc.).
In tal modo è stato possibile rendere confrontabili situazioni disomogenee e dedurre gli oneri che si
avranno allorché le regolamentazioni dei servizi saranno unificate e le situazioni organizzative
saranno razionalizzate.
Riportiamo qui di seguito le « fasi tecnologiche » prescelte:
A) Costo all’origine
• Oneri di derivazione;
• Protezione igienica delle acque;
• Restituzioni a terzi sottesi.
B) Adduzione
• Regolamentazione, Raccolta, Captazione;
• Potabilizzazione (Dissalazione), Disinfezione;
• Sollevamento e Produzione idroelettrica;
• Trasporto esterno.
C) Smistamento e modulazione
• Centri di smistamento e relativi sollevamenti di settore;
• Condotte adduttrici;
• Centri di modulazione e distribuzione e relativi sollevamenti di zona.
D) Distribuzione
• Rete di alimentazione di zona;
48
• Rete di distribuzione.
E) Utenza
• Prese e derivazioni;
• Colonne montanti;
• Strumenti di misura;
• Gestione amministrativa dell’utenza.
F) Scarico
• Aliquota sistema fognante;
• Aliquota depurazione acque nere;
• Aliquota scarico.
Le componenti di costo individuate sono suddivise tra costi fissi e costi variabili:
COSTI FISSI:
• Oneri di capitale: interessi, ammortamenti;
• Personale;
• Materiali di manutenzione;
• Varie (prestazioni di terzi, ecc.).
COSTI VARIABILI:
• Energia;
• Materiali di esercizio, ecc.
I costi operativi relativi alla fase di approvvigionamento sono generati da alcuni fattori principali:
personale, energia, materiali, ammortamenti specifici. I costi operativi unitari di
approvvigionamento (m3 immessi nella rete di distribuzione) presentano valori variabili, anche in
rapporto al fatturato delle aziende idriche. In media, si attestano al 21%, oscillando tra un minimo
del 9% ed un massimo del 34%. Pur essendo le aziende considerate in gran parte verticalmente
integrate, infatti, pesano sul rapporto tra costi di approvvigionamento e fatturato, le diverse
condizioni idrogeologiche dei territori.
L’energia ha un ruolo rilevante sui costi di approvvigionamento: dall’11% ad oltre il 60% dei costi
specifici. In rapporto al fatturato, questi incidono, in media, per il 6%, in un range che va dal 3% al
49
14%. I costi energetici sono una componente ancor più significativa se si considera l’intera gestione
degli acquedotti: sommando la spesa energetica nella fase di approvvigionamento e nella fase di
distribuzione (in media 6%), si arriva ad una incidenza media intorno al 15% sul fatturato, con
punte di oltre il 25%. Questo dato, unitamente agli aspetti inerenti l’impiantistica idroelettrica,
potrebbe indurre a considerate le sinergie con il settore elettrico.
I costi medi, espressi in �/m3, solo degli acquedotti sono:
Piemonte Veneto Emilia
Romagna
Toscana Umbria Marche Lazio
Costi
dell’acquedotto
�/m3
0,45 0,37 0,71 0,66 0,58 0,58 0,50
Abruzzo Campania Puglia Basilicata Calabria Sicilia Media
Costi
dell’acquedotto
�/m3
0,49 0,57 0,94 0,60 0,52 0,71 0,59
2.5.3. Industria
Per il momento si sono presi in considerazione i costi che riguardano l’approvvigionamento da
acque dolci, escludendo l’acqua di mare e salmastra.
Come utilizzazione produttiva si è inteso individuare quella di stabilimento per impiego di processo
o tecnologico. Non sono stati quindi compresi gli usi potabili, igienico-sanitari ed antincendio, a
meno che gli usi stessi, promiscui con quelli di processo e tecnologici, non producano variazione
del costo di approvvigionamento globale.
I costi valutati sono i costi di carattere industriale, comprendenti cioè i costi fissi ed i costi variabili,
senza includere la quota parte delle spese generali di azienda. I costi comprendono le spese
sostenute a partire dalla presa dell’acqua per arrivare, in successione di operazioni, fino alla prima
distribuzione.
I costi dell’acqua approvvigionata indirettamente (fornita cioè da società, pubbliche o private, di
erogazione) sono stati considerati a parte.
Si sono considerate le provenienze di acqua da:
50
• estrazione da pozzi di sottosuolo;
• derivazione da corpi idrici superficiali;
• captazione di sorgenti al punto di affioramento.
II complesso di opere che debbono essere prese in considerazione per valutare i costi sono:
Presa o captazione od estrazione:
• dighe di ritenuta, pozzetti delle sorgenti, pozzi di sottosuolo;
• stazioni di pompaggio;
• serbatoi o bacini di accumulo e regolazione a monte dell'adduzione (ed opere annesse).
Adduzione:
• canali di derivazione;
• condotte in pressione;
• serbatoi o bacini a valle dell'adduzione.
Distribuzione:
• stazioni di pompaggio a valle dell’adduzione.
2.6. GLI INVESTIMENTI
Le infrastrutture in Italia sono mediamente deficitarie rispetto a quelle dei maggiori paesi Europei,
ciò è principalmente causato dalla riduzione degli investimenti degli ultimi venti anni.
Dai dati Istat relativi all’anno 2000 si vede come lo sforzo effettuato verso la metà degli anni ’80
non sia stato sostenuto nei periodi più recenti: questo è dovuto alla politica di contenimento della
spesa pubblica che ha fortemente limitato gli interventi nel settore. Negli ultimi 15 anni gli
investimenti sono calati di circa un terzo.
Dai dati Istat relativi all’anno 2000 ricaviamo la seguente tabella:
1985 1990 1995 2000
ADDUZIONE E
DISTRIBUZIONE
840 804 280 260
51
FOGNATURA 1113 888 319 361
DEPURAZIONE 359 222 147 113
TOTALE 2312 1914 746 734
Oggi si rendono necessari investimenti per rendere operativi, in termini di efficienza, efficacia ed
economicità, gli Ambiti Territoriali Ottimali (Ato) istituiti a termini di legge:
• ricostruzione delle opere che per obsolescenza o cattiva funzionalità non sono in grado di
svolgere il servizio a cui sono destinate, oltre al loro mantenimento nel periodo del piano;
• captazione ed adduzione di nuova risorsa;
• estensione dei servizi di acquedotto, fognatura e depurazione, mediante l’ampliamento di
reti ed impianti;
• aumento della capacità di accumulo;
• ricostruzione delle opere obsolete o mal funzionanti;
• protezione delle risorse con la realizzazione delle aree di salvaguardia;
• riduzione delle perdite, garantendo la possibilità di maggiori consumi futuri
compatibilmente con la riduzione delle immissioni in rete;
• controllo e sostituzione dei contatori;
• realizzazione di un’adeguata rete di telecontrollo.
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52
Il finanziamento di queste opere, stimato per un totale di circa 50 miliardi di euro per i prossimi 25
anni, deve pervenire dalle tariffe che per questo motivo dovrebbero crescere in maniera
significativa nei prossimi anni.
2.7. CONCLUSIONI
Dai paragrafi sviluppati in questo capitolo si nota come il settore idrico necessiti non solo di una
ristrutturazione generale, ma anche di una diversa politica economica.
L’approvvigionamento della risorsa diventa sempre più difficile e costoso creando notevoli
problemi di carattere sociale, economico ed ambientale: ammodernare le reti non significa solo
ristrutturare o ricostruire manufatti in cattive condizioni, ma significa aprire la ricerca, in maniera
efficace, verso nuove forme di approvvigionamento idrico.
L’economia legata all’approvvigionamento idrico inteso in senso tradizionale è debole a causa della
scarsa integrazione tra gli enti gestori ed a causa della fluttuazione della risorsa prima.
Non si riescono ad effettuare ancora previsioni attendibili sul quantitativo di acqua a disposizione,
poiché questo parametro dipende dall’andamento climatico per il quale mancano modelli
matematici che diano risultati di previsione attendibile per estrapolare dati revisionali sulle risorse
idriche.
I dispositivi, le tecnologie ed i provvedimenti per andare incontro alle emergenze idriche non
sempre sono sufficienti: assistiamo sempre più frequentemente a fenomeni di razionamento
dell’acqua o a crisi del settore idrico o industriale.
In Italia, a differenza di altri paesi dell’Unione Europea dell’area del Mediterraneo, non si ricorre a
tecnologie ormai affermate come i processi di dissalazione che potrebbero fornire importanti risorse
idriche per gli usi civili ed industriali, lasciando molta più acqua per gli usi agricoli.
La proposta di una nuova fonte di approvvigionamento, solo per usi industriali e civili, faciliterebbe
la gestione integrata del servizio e renderebbe più solida l’economia dell’acqua attraverso una
razionalizzazione dei costi.
In Italia su 21 regioni, solamente 5 non sono bagnate dal mare ed in linea teorica si possono
costruire grandi impianti di dissalazione cercando di limitare l’impatto ambientale. Grandi impianti
sarebbero in grado di ammortizzare i costi di costruzione e di gestione in maniera efficiente,
potrebbero fornire un apporto idrico significativo proprio dove c’è scarsità di acqua, diminuendo i
costi di trasporto e le perdite.
53
CAPITOLO III
I PRINCIPI DELLA DISSALAZIONE
Introduzione
Il problema dell’approvvigionamento dell’acqua è complesso e varia da paese a paese e da zona a
zona ed è affrontato con strategie operative diverse. Per il momento, la maniera più economica è
quella di raccogliere le acque dove ci sono, o dove sono inutilizzate, e trasportarle con le opere di
captazione e di trasporto nelle zone in cui l’acqua manca.
Si è visto che l’economia che regge questo sistema non è ancora del tutto ottimizzata e che le
perdite incidono in maniera significativa sul complesso del volume idrico captato.
Analizzando le caratteristiche dell’acqua si vede come l’acqua pura in natura non esista e che a
seconda del luogo dal quale proviene ha composizione chimica differente. La tecnologia permette,
con processi chimico–fisici, di modificare stabilmente l’acqua, o portandola a standard di potabilità
od, in generale, di utilizzabilità.
3.1. CARATTERISTICHE DELLE ACQUE MARINE
Ciò che caratterizza un’acqua da un’altra acqua è, escludendo gli agenti inquinanti, il contenuto di
sostanze solide disciolte totali, generalmente espresse in parti per milione (ppm): 1 ppm corrisponde
ad una concentrazione di 1 mg/kg oppure ad 1 gr/tonn.; per praticità, riferendoci all’acqua, si può
ritenere che 1 ppm. corrisponda ad 1 gr/m3 .
L’acqua dei fiumi o dei laghi ha generalmente un contenuto di soldi totali disciolti variabile tra 50-
1000 ppm e la salinità varia a seconda della natura geologica del terreno. L’acqua del mare ha una
salinità che varia tra 35000 e 45000 p.p.m., a seconda del tipo di mare.
La composizione chimica dell’acqua di mare è molto complessa, poiché dipende da molteplici
fattori: l’apporto delle acque continentali e degli scarichi di acque e materiali dovuti alle attività
umane, gli scambi e l’interazione tra superficie marina ed atmosfera, i processi tra gli ioni in
soluzione ed i minerali costituenti i sedimenti del fondo e in sospensione, i processi biochimici.
La caratteristica dell’acqua marina è quella di contenere grandi quantità di sali in soluzione. Su tutti
prevale il cloruro di sodio (NaCl), il quale costituisce in peso il 78% della salinità; seguono i cloruri
54
di magnesio, di calcio e di potassio, i solfati ed i bromuri. Vi sono pure piccolissime quantità di
zinco, ferro, cromo, nichelio, argento, oltre ad ossigeno, azoto ed anidride carbonica.
Come diretta conseguenza della salinità, l’acqua marina, alla stessa temperatura, è più densa di
quella dolce e congela ad una temperatura di -2 °C.
In tabella sono indicati gli elemento presenti nell’acqua di mare:
elemento mg/l elemento mg/litro elemento mg/litro
Cloro Sodio
Magnesio Zolfo Calcio
Potassio Bromo
Carbonio Stronzio
Boro Silicio Fluoro Argo Azoto Litio
Rubidio Fosforo Iodio Bario
18.980 10.540 1.350 885 400 380 65 28 8
4,6 3
1,3 0,6 0,5 0,17 0,12 0,07 0,06 0,03
Indio Zinco Ferro
Alluminio Molibdeno
Selenio Stagno Rame
Arsenico Uranio Nichel
Vanadio Manganese
Titanio Antimonio
Cobalto Cesio Cerio Ittrio
0,02 0,01 0,01 0,01 0,01 0,004 0,003 0,003 0,003 0,003 0,002 0,002 0,002 0,001 0,0005 0,0005 0,0005 0,0004 0,0003
Argento Lantanio Cripto Neon
Cadmio Tungsteno
Xeno Germanio
Cromo Torio
Scandio Piombo
Mercurio Gallio
Bismuto Niobio Tallio Elio Oro
0,0003 0,0003 0,0003 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,00007 0,00005 0,00005 0,00004 0,00003 0,00003 0,00003 0,00002 0,00001 0,00001 0,000005 0,000004
La salinità subisce variazioni soprattutto nell’ambito superficiale, in rapporto all’entità
dell’evaporazione, degli apporti delle precipitazioni meteoriche e delle acque continentali (fiumi ed
acque di fusioni dei ghiacciai). Nei mari polari la salinità superficiale assume valori di 32-33 gr./l,
nei mari caldi delle fasce tropicali, dove massima è l’evaporazione, si registrano valori di 36-37
gr./l; nei bacini interni le variazioni sono più ampie a causa della scarsità di comunicazione e di
mescolamento con le acque oceaniche: così nel Mar Baltico settentrionale la salinità è anche di 5-6
gr./litro, mentre nel Mar Rosso supera i 40 gr./litro.
In superficie ed in prossimità delle coste la salinità presenta variazioni anche stagionali;
in profondità, in genere, la salinità è leggermente inferiore ai valori di superficie e non subisce
sensibili variazioni.
Al fine di uniformare i parametri di salinità dell’acqua di mare si fa riferimento ad un’acqua di mare
standard (creata artificialmente nei laboratori di analisi di Copenhagen attorno agli anni ‘60), la cui
salinità ha una percentuale di sali attorno al 3,5%, corrispondente a 35 gr./litro, ovvero 35 kg. per
un m3. Come si vede dalla tabella, la salinità, nella pratica, può variare tra i 5 ed i 50 gr./litro.
55
Per motivi pratici ed economici la salinità dell’acqua di mare viene misurata valutando la
concentrazione del Cl�, ottenuto tramite titolazione, e moltiplicandola per un coefficiente che vale
1,8. Possono essere effettuate anche misure della salinità misurando la conducibilità elettrica del
campione di acqua
La somma di sodio (Na +) e cloro (Cl-) costituisce l’85% dei sali presenti in mare ed il cloruro di
sodio ( NaCl) , il quale rappresenta il composto più diffuso nelle acqua del pianeta.
56
3.2. LA DISSALAZIONE
La dissalazione è il processo attraverso il quale è possibile ottenere acqua dolce, potabile o non
potabile, da acqua a forte concentrazione di sale (acque salmastre) o da acqua di mare.
Il processo non è un’invenzione dell’uomo ma un fenomeno che avviene spontaneamente in natura:
dall’analisi del ciclo idrologico si vede come il sole assolva alle funzioni di un evaporatore e di
pompa, facendo evaporare l’acqua dalla superficie del mare e la faccia ricadere in mare e sulla
terraferma sotto forma di precipitazione e priva di concentrazioni di sale.
Pur essendo un processo naturale l’uomo ha ideato fin dall’antichità strategie che gli consentissero
di ricavare acqua dolce da acque salmastre o marine.
3.2.1. Classificazione dei processi di dissalazione
La classificazione dei processi di dissalazione si basa sull’individuazione di due gruppi di processi:
• termici
• non termici
Schematicamente:
DISSALAZIONE
��������������� �����������
�� ������ �� ����������������� ������������� �� ��
� ����
Processi basati sul cambiamento di stato (termici)
Estrazione del sale con solventi Processi basati su membrane Processi basati sullo scambio ionico
Umidificazione/ Deumidificazione
Termocompressione del vapore
Osmosi inversa
Osmosi diretta
Elettrodialisi
Compressione meccanica del vapore
Compressione del vapore per assorbimento
Compressione del vapore per adsorbimento
Per congelamento
Pannelli solari
57
3.2.2. Analisi dei processi di dissalazione
L’acqua dissalata si ottiene con processi e metodologie diverse; una classificazione interessante è
quella che differenzia i processi in base al tipo di energia impiegata:
Nei processi che sfruttano energia termica la separazione avviene per evaporazione o
cristallizzazione del solvente ed il calore viene fornito dalla combustione diretta di un combustibile
o, indirettamente, dalla cessione di calore latente da parte di vapore. Di questo gruppo fanno parte
anche i processi ad energia solare, intesa proprio come energia termica irradiata.
L’unico processo alimentato da energia elettrica é il processo di elettrodialisi, che utilizza energia
elettrica per generare un campo elettrico che muoverà le cariche dalla soluzione salina alla salamoia
concentrata.
I processi che sfruttano energia meccanica, nei quali l’energia viene fornita al vapore attraverso un
compressore che ne aumenta l’entalpia, la compressione è sufficiente ad alimentare il processo di
evaporazione del solvente ed è l’unica fonte energetica del processo. Un altro processo alimentato
da energia meccanica è anche quello ad osmosi inversa nel quale la forza spingente per la
separazione è la differenza di pressione generata tra le due facce di una membrana semipermeabile
che permette passaggio di solvente dalla soluzione salina al prodotto dissalato.
DISSALAZIONE
ENERGIA ELETTRICA
ENERGIA MECCANICA
ENERGIA TERMICA
COMPRESSIONE MECCANICA DEL
VAPORE
OSMOSI INVERSA ELETTRODIALISI SOTTRAZIONE CALORE
SOMMINISTRAZIONE CALORE
ENERGIA SOLARE
VAPORE
58
Esistono, ma sono ancora in fase di sperimentazione, il processo di compressione del vapore per
assorbimento ed il processo di dissalazione per compressione del vapore per adsorbimento, per i
quali non sono ancora forniti dati concreti dalla sperimentazione
3.3. PROCESSI TERMICI E MECCANICI
I processi che utilizzano la fonte energetica termica sono attualmente quelli numericamente più
rilevanti sul totale dal punto di vista della capacità di dissalazione giornaliera in m3. In particolar
modo la tecnologia MSF (acronimo inglese di multi-stage flash process, tradotto in italiano:
distillazione o evaporazione a stadi multipli) costituisce ancora il riferimento fondamentale,
specialmente per impianti di capacità elevata.
I principi di funzionamento degli impianti di dissalazione che utilizzano energia termica sono:
• dissalazione per evaporazione a singolo effetto;
• termo-compressione del vapore;
• compressione meccanica del vapore.
3.3.1. Dissalazione per evaporazione a singolo effetto
Le maggiori applicazioni sono nel campo nautico. Il processo è caratterizzato da bassi rendimenti
ma ha un funzionamento semplice e le dimensioni impiantistiche sono ridotte; spesso costituisce la
cella elementare di impianti più complessi.
3.3.1.1. Funzionamento
Gli elementi che compongono impianti che utilizzano questo processo sono principalmente:
evaporatore e condensatore.
L’evaporatore è uno scambiatore di calore a fascio di tubi, nel quale è presente, sul fondo, una zona
di accumulo della salamoia concentrata; nella parte superiore vi è una zona destinata all’acqua
evaporata, nella quale è c’è un demister (fitta rete metallica), attraverso il quale viene fatto passare
il vapore per eliminare possibili goccioline di soluzione salata trascinate.
Il vapore, uscito dall’evaporatore, viene inviato verso il condensatore che è rappresentato da uno
scambiatore di calore in controcorrente. Il condensatore ha le funzioni di condensare il vapore
ottenuto nell’evaporatore e fornire il calore necessario per preriscaldare la soluzione salina
prelevata dal mare.
59
Dal mare viene prelevata una portata di acqua (Mf + Mcw) alla temperatura Tcw che viene inviata al
preriscaldatore; raggiunta la temperatura Tf, la portata Mf (di alimentazione) raggiunge
l’evaporatore, mentre la portata Mcw (acqua di raffreddamento) viene rimessa in mare.
Dal lato opposto dell’evaporatore entra una portata di vapore Ms alla temperatura Ts che cede il suo
calore latente alle goccioline di soluzione salata (Mf) che, spruzzate sui tubi dello scambiatore,
formano un sottile film attraverso il quale avviene lo scambio termico. Tale passaggio di calore
consente il riscaldamento della soluzione fino alla temperatura di ebollizione Tb e poi
l’evaporazione di un’aliquota di solvente (Md). Dall’altro lato la salamoia non evaporata (Mb) si
concentra sempre più e viene quindi rigettata in mare dopo essere stata unita all’acqua di
raffreddamento (in genere a seguito di un ulteriore raffreddamento necessario a non scaricare una
soluzione troppo calda).
Il vapore prodotto viene quindi fatto passare attraverso il demister per poi essere condensato nel
preriscaldatore dove cede il suo calore latente alla soluzione in ingresso.
In prossimità dell’uscita del distillato dal condensatore (quindi nella zona più fredda con
temperature prossime alla Tcw) è previsto lo spurgo dei gas incondensabili: questa operazione è
necessaria per evitare che i gas non condensati si accumulino all’interno del condensatore riducendo
i coefficienti di scambio termico e la pressione parziale del vapore abbassando, quindi, anche la
temperatura alla quale esso condensa, riducendo l’efficienza dell’unità.
A causa della presenza del soluto l’evaporazione del solvente dalla soluzione salata avviene ad una
temperatura Th maggiore della temperatura di ebollizione dell’acqua pura. La salamoia lascia
l’evaporatore alla temperatura Tb; il vapore saturo torna alla temperatura di saturazione Tv.
Il passaggio attraverso il demister e le condotte di processo generano un gradiente di pressione che
fa abbassare, nel condensatore, la temperatura di saturazione fino a Td.
3.3.1.2. Parametri funzionali del processo
I parametri che descrivono e permettono di controllare il funzionamento del processo sono: il
rendimento del processo, la portata specifica dell’acqua di raffreddamento e la superficie di
scambio specifica.
Il rendimento, indicato con η é definito dal rapporto tra l’acqua dissalata ottenuta dM e la quantità
di vapore utilizzato sM :
S
d
MM=η
dove:
dM = portata di acqua in uscita dal dissalatore (m3);
60
sM = portata di vapore prodotto (m3).
Questo parametro cala al crescere della temperatura di ebollizione ed assume valori compresi tra
0,9 e 1. Un rendimento pari ad 1 significa che per ottenere un m3 di acqua dissalata occorre circa un
m3 di vapore; questo rappresenta il motivo principale per il quale si utilizzano impianti che, anche
se più complessi, hanno rendimenti migliori.
Il parametro che indica la portata di acqua di raffreddamento necessaria a tutto il processo è definito
come il rapporto tra la portata d’acqua di raffreddamento prelevata dal mare CWM e la portata
d’acqua dissalata misurata in uscita dM :
d
CW
MM=φ
dove:
CWM = portata di acqua di raffreddamento (m3);
dM = portata di acqua dissalata (m3).
L’acqua di raffreddamento diminuisce al crescere della temperatura di ebollizione e diminuisce al
diminuire della temperatura dell’acqua prelevata.
Il parametro φ definisce indirettamente la quantità di calore perso durante il procedimento; impianti
di questo tipo necessitano di molta acqua di raffreddamento e hanno grandi perdite di calore e per
questo motivo vengono impiegati a bordo di unità navali marine e sono poco utilizzati per impianti
di dissalazione delle acque salmastre.
La superficie di scambio termico specifica dell’evaporatore e del condensatore definita da:
d
EC
MAA )( +=ϑ
dove:
EA = la superficie di scambio dell’evaporatore (m2);
CA = la superficie di scambio del condensatore(m2);
dM = la portata di acqua dissalata in uscita (m3).
La superficie di scambio specifica ϑ è influenzata dalla temperatura di ebollizione; ϑ cresce al
crescere della salinità.
61
Un quarto parametro indica la quantità di acqua trattata ed è definito dal rapporto:
f
d
MM=ψ
dove:
dM = la portata di acqua dissalata (m3);
fM = la portata di acqua di alimentazione (m3).
Nella figura 1 è rappresentato schematicamente il processo di dissalazione per evaporazione ad
effetto singolo:
Figura 1
3.3.2. Dissalazione per termocompressione del vapore
Rappresenta il modulo elementare dei processi di dissalazione ad effetti multipli con termo-
compressione del vapore.
3.3.2.1. Funzionamento
È un dispositivo semplice sia per quanto riguarda la progettazione che per la gestione; presenta
bassi costi di manutenzione ed è costituito sostanzialmente da tre elementi: un evaporatore, un
62
eiettore ed un condensatore che assolve anche alla funzione di preriscaldatore dell’acqua di
alimentazione.
L’acqua marina prelevata, Mf, prima di essere immessa nell’evaporatore, viene riscaldata e trattata
chimicamente al fine di abbassare il pericolo di incrostazioni e per eliminare i gas disciolti in essa; a
questo punto, con un sistema a spruzzo, viene immessa nell’evaporatore. Nell’evaporatore si
formano goccioline di soluzione che scorrono sui tubi orizzontali dello scambiatore e formano un
sottile strato che evapora a causa del calore latente dei tubi.
La temperatura di ebollizione della soluzione è dettata dalla pressione all’interno dell’unità e dalla
salinità della soluzione (si ricordi che Tv = Tb - EPE).
Il vapore (Md) viene fatto passare attraverso un demister per evitare che le goccioline di soluzione
salata vengano trascinate via; sul fondo dell’evaporatore cade e si accumula la salamoia concentrata
(Mb), che periodicamente viene asportata.
Il vapore condensato all’interno dei tubi dell’evaporatore in parte viene rilasciato in atmosfera ed in
parte viene riutilizzato per produrre vapore utile al processo.
La soluzione evaporata, una volta passato il demister, viene prelevata dall’evaporatore e quindi
divisa in due correnti.
La prima corrente, (Md - Mev), va al condensatore e cede il calore latente alla soluzione salina
prelevata dal mare; al fine di ottenere più semplici operazioni di pulizia e disincrostazione la
soluzione salina viene fatta passare al lato dei tubi.
La seconda corrente,Mev, viene aspirata da un eiettore alimentato da vapore surriscaldato, Ms,
ottenendo, in uscita, il vapore che andrà ad alimentare l’evaporatore.
Nel condensatore è previsto uno sfogo dei gas incondensabili che potrebbero accumularsi nell’unità.
Tale operazione è necessaria perché la presenza di gas causa un abbassamento dei coefficienti di
scambio termico ed una diminuzione della pressione parziale del vapore, con la conseguenza di
ostacolare la condensazione del vapore. Lo spurgo viene però effettuato nella parte terminale dello
scambiatore (questo è un altro vantaggio del flusso in controcorrente), dove la temperatura del
distillato in uscita è minima, in modo da minimizzare le perdite di vapore non ancora condensato.
3.3.2.2. Parametri funzionali del processo
Il rendimento del processo è espresso dal rapporto:
m
d
MM=η d
dove :
Mm = portata di vapore che alimenta l’eiettore (m3);
63
dM = portata di vapore che esce dal condensatore (m3).
Il rapporto di compressione è definito dalla:
ev
S
PP=κ
dove:
=sP pressione del vapore della miscela in uscita dall’eiettore (KPa);
=EVP pressione del vapore aspirato dall’eiettore (KPa).
Pm = pressione del vapore motore (KPa). II rendimento η decresce al crescere della temperatura di ebollizione ( bT ) e del rapporto di
compressione.
Il valore di η nelle condizioni di esercizio standard (Tb compresa tra 50 e 100°C, Pm tra 500 e 1500
kPa e κ tra 2 e 5) è dell'ordine di 1.5, con variazioni che possono raggiungere il 25%.
Il coefficiente che esprime la superficie di scambio è:
d
EC
MAA )( +=ϑ
dove:
CA = superficie di scambio del condensatore (m2);
EA = superficie di scambio dell’evaporatore (m2);
=dM portata di acqua dissalata (m3).
Un altro parametro è la portata dell’acqua di raffreddamento, definito da:
d
CW
MM=φ
dove:
CWM = portata d’acqua di raffreddamento prelevata dal mare (m3);
=dM portata di acqua dissalata (m3).
64
Sia ϑ che φ diminuiscono all’aumentare della temperatura di ebollizione e del rapporto di
compressione, restando indipendenti dalla pressione Pm (pressione di alimentazione dell’eiettore).
La dipendenza dalla temperatura di ebollizione è legata all’aumento dei coefficienti di scambio, al
crescere della temperatura e della pressione di esercizio.
Nella pratica industriale le unità a termocompressione del vapore non sono mai utilizzate come
unità a stadio singolo, ma vengono accoppiate a sistemi a evaporazioni multiple, quindi non è
possibile presentare alcun dato industriale su questo tipo di processo.
Nella figura 2 è rappresentato schematicamente il processo di dissalazione per evaporazione ad
effetto singolo:
Figura 2
3.3.3. Dissalazione per compressione meccanica del vapore
È l’unico processo termico a stadio singolo utilizzato nell’industria. Presenta notevoli vantaggi
soprattutto per piccole utenze e per questo è spesso impiegato negli impianti di dissalazione in
piccole isole o presso comunità isolate. Ha la peculiarità di avere struttura molto compatta e di non
avere il condensatore. La fonte di energia impiegata per l’intero processo è esclusivamente di natura
elettrica ed ha bassi costi di investimento e buona affidabilità. Funziona sviluppando basse
temperature di funzionamento limitando, in questa maniera, il problema delle incrostazioni.
Una delle migliori caratteristiche è data dalla modularità dell’impianto che lo rende adatto a fornire
portate variabili nel corso dell’anno; con facilità si può ampliare con la semplice aggiunta di
moduli. Fornisce acqua dissalata di alta qualità e mantiene sempre una buona efficienza.
3.3.3.1. Funzionamento
Ogni modulo dell’impianto è costituito essenzialmente da tre elementi: evaporatore, compressore e
65
due preriscaldatori.
La caratteristica di questo processo è che il compressore è praticamente unito all’evaporatore
formando con questo un’unica unità.
L’acqua salata, dopo essere stata sottoposta ai pretrattamenti necessari ad abbassarne la durezza, a
diminuire la quantità di gas disciolti ed ad aggiungere additivi antincrostanti, viene fatta passare
attraverso i due preriscaldatori. Questi sono a loro volta alimentati dalle correnti di salamoia e
distillato in uscita. In questo modo si ottiene un notevole recupero energetico che aumenta
l’efficienza del processo.
La soluzione riscaldata viene immessa all’interno dell’evaporatore attraverso degli ugelli che la
spruzzano sulla superficie di scambio. Lo scambiatore è, in genere, a fascio di tubi orizzontali.
All’interno dei tubi dello scambiatore passa del vapore saturo che cede il proprio calore latente
facendo condensare la soluzione salina in arrivo che evapora parzialmente. Il vapore prodotto passa
attraverso un demister, che trattiene le particelle di soluzione, e si immette nella condotta di
aspirazione del compressore.
Il vapore viene compresso e rimandato nello scambiatore al lato tubi per cedere l’energia fornitagli
dal compressore, condensando e facendo evaporare altra acqua al lato mantello.
Intanto il condensato (Md ) viene raccolto all’uscita dei tubi dello scambiatore per essere mandato al
preriscaldatore, qui avviene il recupero del calore in uscita con il distillato attraverso il
preriscaldamento dell’alimentazione. Lo stesso avviene con la corrente di salamoia in uscita lato
mantello dell’evaporatore, Mb.
I due preriscaldatori sono spesso costituiti da scambiatori a piastre, ideali per lavorare a queste
condizioni di salinità.
II compressore è in genere mosso da motori elettrici, per cui l’unica forma di energia utile al
processo è proprio l’energia elettrica che possa alimentare il compressore e le pompe per la
movimentazione delle correnti di processo.
Grazie al notevole recupero di calore effettuato nei preriscaldatori, il compressore deve fornire
soltanto una piccola aliquota di energia, necessaria a compensare le perdite di calore del sistema e la
piccola quantità di calore in uscita con il distillato e la salamoia.
3.3.3.2. Parametri funzionali del processo
I parametri che individuano il processo e possono fornirci indicatori sul comportamento
dell’impianto sono:
• la potenza specifica assorbita [kWh/Kg], espressa dalla:
66
���
�
�
���
�
�
−���
�
�⋅⋅
−⋅=
���
�
� −
1)1(
1γ
γ
γηγ
V
SV P
PRTW
dove:
γ = esponente della politropica;
=V
S
PP
rapporto di compressione caratteristico del processo;
Tv = temperatura del vapore in ingresso al compressore (K);
η = rendimento del compressore.
Un secondo parametro è la superficie di scambio specifica espressa dalla:
D
BDE
MAAA ++=ϑ
dove:
=EA superficie si scambio dell’evaporatore (m2 );
=DA superficie del primo preriscaldatore (m2 );
=BA superficie di scambio del secondo preriscaldatore (m2 );
dM = portata di acqua dissalata (m3);
L’ottimizzazione del processo prevede temperature di evaporazione del vapore intorno agli 80°C
(quindi con una pressione interna all’evaporatore leggermente inferiore a quella atmosferica) e per
un recupero spinto del calore; le differenze di temperatura tra alimentazione in ingresso, e
distillato/salamoia in uscita, sono mantenute tra 1 e 5 °C. La temperatura di condensazione del
vapore Ts è mantenuta di 5-10°C maggiore rispetto a quella del condensato Td. Questi campi di
variazione rappresentano di norma un buon compromesso tra i benefici dati dai ridotti consumi
energetici ed i maggiori costi di impianto dovuti all'aumento di ϑ conseguente alle modeste forze
spingenti per lo scambio termico.
Gli impianti di dissalazione con compressione meccanica del vapore sono costruiti industrialmente
per produzioni che arrivano anche a 3000 m3/giorno e sono in genere caratterizzate da consumi
energetici di circa 12 kWh/m3 di acqua dolce prodotta.
67
Aumentando la dimensione dell’impianto ed ottimizzando i processi, i consumi si riducono: la
situazione ottimale si raggiunge per impianti che producono fino a 3000 m3/giorno, per i quali il
consumo energetico scende fino ad arrivare a 7 kWh/m3.
Nella figura 3 è rappresentato schematicamente il processo di dissalazione per compressione
meccanica del vapore:
Figura 3
3.4. PROCESSI A MEMBRANA
Il progresso tecnologico e progettuale sembra aver rinforzato alcuni percorsi che dovrebbero
rendere economicamente e tecnicamente fattibile (specialmente per gli impianti di dimensione
medio piccola) il passaggio dai processi termici verso i processi a membrana, con particolare
riguardo verso i processi che sfruttano l’osmosi inversa e l’osmosi diretta.
In particolare, per il processo ad osmosi inversa, sono oggi disponibili membrane in grado di
diminuire significativamente il numero delle fasi necessarie ad ottenere acqua di qualità
soddisfacente (anche considerando elevate concentrazioni saline di partenza) senza sacrificarne
aspetti di affidabilità e di efficienza energetica (qualche tempo fa solo auspicabili).
Dei tre principali processi a membrana per la dissalazione delle acque, due di questi sfruttano il
principio dell’osmosi.
L’osmosi (dal greco osmòs = spinta) consiste nel fluire spontaneo del solvente attraverso una
membrana che separa due soluzioni aventi differente concentrazione; il solvente fluisce sempre
dalla soluzione meno concentrata verso quella più concentrata, seguendo il proprio gradiente di
68
concentrazione, contrario naturalmente a quello del soluto. In questo fenomeno, mentre le molecole
di solvente attraversano liberamente la membrana nei due sensi, quelle di soluto (in stato
d’agitazione termica in analogia alla teoria cinetica dei gas) la urtano senza poterla attraversare,
secondo un meccanismo insito nella membrana stessa. Le membrane di questo tipo, dette appunto
semipermeabili, sono molto diffuse in natura: un esempio è rappresentato dalle membrane cellulari
che lasciano passare sali e certe molecole disciolte, realizzando così una semipermeabilità che
regola lo scambio di sostanze nelle cellule o tra le stesse ed i liquidi intercellulari.
I processi di dissalazione a membrana si possono classificare in:
• Dissalazione per osmosi diretta;
• Dissalazione per osmosi inversa;
• Dissalazione per elettrodialisi.
3.4.1. Osmosi diretta
Il fenomeno dell’osmosi presenta una forte analogia tra il comportamento termodinamico delle
molecole di soluto nel solvente (per soluzioni diluite) e le molecole dei gas; da questa analogia si
giunge alla relazione della pressione osmotica (n), simile all’equazione di stato dei gas perfetti.
La relazione dei gas perfetti, dedotta dalla teoria cinetica dei gas, è descritta dalla:
pV=nRT
dove:
p = pressione;
V= volume;
n = numero di moli;
R= costante dei gas;
T= la temperatura assoluta.
La relazione della pressione osmotica è descritta dalla:
π =CmRTi
dove:
π = pressione osmotica
Cm= concentrazione molare della soluzione [data da n/V (moli/litro)];
R = costante molare dei gas (0.082 litri x atm/moli*K);
69
T = temperatura espressa in gradi Kelvin (K);
i = coefficiente correttivo di Van’t Hoff per elettroliti (dipende dalla concentrazione e dalla
costituzione dell’elettrolita).
La semipermeabilità di certe membrane può essere spiegata inizialmente da un modello molto
semplice (modello “a setaccio”). Si supponga che la membrana sia costituita da una “matrice di
fori”, il cui diametro massimo sia fissato, in tal caso le molecole di soluto non riusciranno ad
oltrepassare la membrana, a differenza delle molecole di solvente che hanno un diametro minore.
In realtà la membrana è permeabile sia al soluto ché al solvente, ma con coefficienti di diffusione
notevolmente differenti (quello relativo al soluto molto minore di quello legato al solvente); infatti,
la velocità di diffusione è tanto più elevata quanto più piccola è la massa delle particelle che
diffondono. Quando due soluzioni con lo stesso solvente hanno la stessa concentrazione esse hanno
anche la stessa pressione osmotica e si dicono isotoniche, indipendentemente dalla natura del
soluto; fra le soluzioni a concentrazione diversa, si dicono ipertoniche le più concentrate ed
ipotoniche quelle meno, perciò, il flusso spontaneo di solvente è sempre dalla soluzione ipotonica
verso l’ipertonica e costituisce il fenomeno dell’osmosi.
Nella figura 4 è rappresentato schematicamente il processo di dissalazione per osmosi diretta:
Figura 4
70
L’acqua “dolce” è una soluzione a bassissima concentrazione rispetto all’acqua salata, e tra le due
soluzioni si ha inizialmente un equilibrio idrostatico; l’osmosi diretta, che porta l’acqua dolce a
diluire quella salata, perdura sino a che le due soluzioni diventano isotoniche.
La forza motrice di tale flusso è stata prodotta dalla pressione osmotica, che può essere
sperimentalmente determinata utilizzando un pistone a tenuta ideale che eserciti una pressione sulla
superficie della soluzione ipertonica, in modo da mantenere la superficie delle due soluzioni alla
medesima quota. La pressione esercitata sarà la pressione osmotica differenziale, che è quella
considerata quando si vuole definire la pressione osmotica di una soluzione (situazione di equilibrio
del processo).
Praticamente succede che se una soluzione di acqua dolce ed una di acqua salata vengono separate
in un contenitore per mezzo di una membrana semipermeabile che lascia passare solo l’acqua, ma
non i sali, l’acqua diffonde attraverso la membrana stessa dall’acqua dolce a quella salata, fino a
che la pressione idrostatica non eguaglierà la pressione osmotica .
Nella figura 5 viene rappresentata schematicamente il processo di osmosi allo stato di equilibrio:
Figura 5
Considerando acqua pura ed acqua di mare, la differenza delle pressioni osmotiche è equivalente a
circa 24 atm, ovvero, la pressione esercitata da una colonna d’acqua dell’altezza di 240 metri.
71
3.4.2. Osmosi inversa
Immaginando l’esistenza di un pistone che chiuda il contenitore sulla superficie dell’acqua salata,
qualora esso esercitasse una pressione superiore a quella d’equilibrio, il solvente fluirebbe dalla
soluzione più concentrata alla meno concentrata. In questo caso saremmo entrati nel campo delle
filtrazioni tramite membrana che trovano vastissime applicazioni.
Nella figura 6 è rappresentato schematicamente il processo di osmosi inversa:
Figura 6
La tendenza alla migrazione viene equilibrata applicando dal lato della soluzione salata una
pressione pari a quella osmotica. Aumentando ulteriormente tale pressione si ottiene un’inversione
del flusso di solvente che passerà dalla soluzione salata all’altra (processo di dissalazione per
osmosi inversa).
La pressione osmotica che caratterizza l’equilibrio tra acqua marina (considerando una salinità di
35000 ppm) ed acqua dolce è di circa 24 atm (corrispondenti a 2,5 MPa ovvero ad una colonna
d’acqua di 240 metri).
Nei processi di dissalazione si utilizzano pressioni in genere superiori a 60 atm, arrivando in alcuni
casi a 80 o 90 atm. Nel caso di processi per acque salmastre le pressioni in gioco sono
significativamente ridotte, poiché la pressione da applicare dipende dalla salinità dell’acqua da
trattare.
La pressione osmotica da contrastare nelle unità a membrane per la dissalazione è maggiore rispetto
a quella teorica, poiché la concentrazione salina in corrispondenza della superficie della membrana
è maggiore della concentrazione salina in ingresso e quindi si crea un gradiente di concentrazione,
72
dovuto al fatto che il solvente passa, mentre il soluto rimane bloccato dalla membrana, che fa si che
la salinità in prossimità della membrana sia maggiore di quella nel bulk; questo fenomeno è detto
polarizzazione delle concentrazioni.
Un impianto di dissalazione per osmosi inversa è costituito principalmente da tre stadi:
• pretrattamento dell’acqua in ingresso, necessario ad eliminare i solidi in sospensione e a
disinfettare l’acqua per evitare la formazione di alghe e l’intasamento delle membrane
stesse;
• pompaggio ad alta pressione, per portare la pressione dell’alimentazione ai valori richiesti
dal processo;
• separazione del soluto dal solvente per mezzo delle membrane.
3.5. ELETTRODIALISI
Rappresenta uno dei processi più efficienti ed economici per la dissalazione di acque salmastre a
bassa salinità, mentre, a causa della fortissima dipendenza del consumo energetico che aumenta
con la salinità dell’acqua da trattare, non vi sono prospettive di applicazione nel campo della
dissalazione di acque marine.
3.5.1. Funzionamento
Il processo si basa sull’utilizzo di batterie di membrane che permettono selettivamente il passaggio
di anioni e cationi.
Un flusso di acqua salata viene fatto passare tra un anodo ed un catodo che generano un campo
elettrico uniforme; le membrane vengono posizionate in maniera alternata tra i due elettrodi (una
membrana anioni-selettiva è seguita da una cationi-selettiva) creando in questa maniera una serie di
celle attraversate dal flusso di acqua da dissalare; il campo elettrico generato dal catodo e dall’
anodo dà vita ad un moto uniforme degli ioni in soluzione (in particolare gli anioni si dirigono in un
verso e i cationi nel verso opposto); il passaggio da una cella alla successiva è permesso in maniera
alternata, in modo che gli ioni riescono ad uscire dalle celle dispari, rimanendo intrappolati in quelle
pari (o viceversa) e creando, in questo modo, dei flussi di acqua dissalata in uscita dalle celle dispari
e di salamoia da quelle pari.
Un impianto ad elettrodialisi è composto tipicamente da centinaia di coppie di celle poste in
successione ed all’interno del campo elettrico generato dagli elettrodi.
73
Come per gli altri impianti è necessario inserire una fase di pretrattamento della soluzione in
ingresso per evitare la presenza di corpi che possono danneggiare le membrane e per abbassare il
rischio di incrostazioni.
Per evitare l’intasamento delle membrane, dovuto alla presenza di solidi in sospensione o di
microalghe che vengono spinti verso le membrane riducendo l’efficienza del processo, si inverte la
polarità degli elettrodi, ad intervalli di tempo fissati, e regolati attraverso dei sensori che misurano il
grado di intasamento (si tratta in genere di almeno un paio di interventi per ogni ora di esercizio), in
maniera da invertire il verso di attraversamento delle membrane. In questo modo l’intasamento
delle membrane è evitato e l’efficienza mantenuta per lunghi periodi di attività dell’impianto.
Negli impianti moderni si utilizza ormai quasi esclusivamente questo processo denominato
dissalazione per elettrodialisi inversa.
Nella figura 7 è rappresentato il principio dell’elettrodialisi:
Figura 7
74
3.6. CONCLUSIONI
In questo capitolo si sono analizzati quelli che sono i principi su cui si basano i moderni impianti di
dissalazione.
Si è assistito negli ultimi anni ad un forte incremento della produzione di acqua dissalata: nel
periodo 1996-2000, a livello mondiale, si è avuto un aumento di circa il 25% della produzione.
PAESE PRODUZIONE DI
ACQUA
DISSALATA
(m3/giorno) NEL 1996
PRODUZIONE DI
ACQUA
DISSALATA
(m3/giorno) NEL
2000
Arabia Saudita 5.253.208 5.429.334
USA 3.092.533 4.327.596
Emirati Arabi 2.164.507 2.890.689
Kuwait 1.538.426 1.164.861
Giappone 745.318 945.163
Libia 683.308 701.303
Quatar 566.908 572.870
Spagna 529.891 1.233.835
Italia 518.711 581.478
Baharain 309.158 473.391
Oman 192.586 377.879
Il procedimento di dissalazione (o con altri sinonimi equivalenti meno impiegati: potabilizzazione,
desalazione, desalinizzazione, desalinazione, dissalamento e desalificazione) richiede energia
termica, meccanica ed elettrica per l’ottenimento di acqua dolce dall’acqua salata (generalmente
acqua marina) e tale energia rappresenta circa il 35-55% del coste complessivo dell’acqua ottenuta.
L’ammontare energetico complessivo richiesto varia dai 6 ai 20 kWh per m3 di acqua dolce
prodotta ed è in relazione sia al tipo di processo impiegato, ché alla fonte energetica utilizzata.
Il tipo di impianto con relativa tecnologia e la fonte energetica di base costituiscono i punti critici di
maggiore rilevanza tecnico-economica. I costi del capitale investito, la somma dei costi energetici e
75
di quelli d’impianto varia, a seconda della struttura, tra il 70 al 90% del costo totale dell’acqua
prodotta.
Complessivamente i processi che utilizzano la fonte energetica termica sono attualmente quelli
numericamente più rilevanti sul totale dal punto di vista della capacità di dissalazione giornaliera in
m3.
In particolar modo la tecnologia MSF (acronimo di multi-stage flash process, in italiano:
distillazione o evaporazione a stadi multipli) rappresenta ancora il riferimento fondamentale,
specialmente per impianti di capacità elevata.
I più recenti progressi sia tecnologici ché progettuali sembrano aver rinforzato alcuni percorsi
alternativi che dovrebbero rendere economicamente e tecnicamente fattibile (specialmente per gli
impianti di dimensione medio piccola) il passaggio verso l’osmosi inversa e la distillazione ad
effetto multiplo.
In particolare, per il processo ad osmosi inversa sono oggi disponibili membrane in grado di
diminuire significativamente il numero delle fasi necessarie ad ottenere acqua di qualità
soddisfacente (anche considerando elevate concentrazioni saline di partenza) senza sacrificarne
aspetti di affidabilità e di efficienza energetica.
Il combustibile necessario per ottenere l’evaporazione di una tonnellata di acqua salata varia tra i 40
kg del metano, fino ad arrivare ai 222 kg del monossido di carbonio:
TIPO DI COMBUSTIBILE
COMBUSTIBILE NECESSARIO PER
OTTENERE 1 t. DI ACQUA DISSALATA
(Kg)
PETROLIO 51
CARBONE BITUMINOSO 81
LEGNO 123
IDROGENO 15,9
METANO 40,6
MONOSSIDO DI CARBONIO 222
BUTANO 44
76
77
CAPITOLO IV
GLI IMPIANTI
Introduzione
Un impianto è la combinazione più o meno complessa dei processi di funzionamento visti nel
capitolo precedente.
In tutto il mondo esistono grandi impianti di dissalazione basati su processi e tecnologie consolidate
che hanno raggiunto la piena maturità applicativa, affiancati da tecnologie innovative ancora in fase
di sperimentazione. Lo sviluppo delle tecnologie ha consentito di realizzare impianti di dissalazione
che hanno una produzione di oltre 100.000 m3/giorno e con costi di produzione di 0.780 � per ogni
m3 d’acqua prodotta. La potenzialità di dissalazione complessivamente installata in tutto il mondo si
aggira sui 26 milioni di m3/giorno e rappresenta quasi il doppio rispetto ai dati di 10 anni fa. Il
numero degli impianti installati in oltre 120 Paesi supera i 12.500.
I paesi che maggiormente producono acqua dissalata sono i paesi del Golfo, che coprono il 43 %
della dissalazione mondiale.
In alcuni di questi Paesi (Malta, Emirati Arabi, Bahrein, Kuwait, Arabia Saudita) la quasi totalità
delle acque dolci disponibili sono prodotte con impianti industriali di dissalazione.
Facendo riferimento a dati ENEA, troviamo che il consumo energetico dei grandi impianti ad
osmosi inversa (OI) per la produzione di acqua dolce da acqua di mare, varia dai 2 ai 5 KWh per
ogni metro cubo di acqua prodotta.
Per gli impianti di recente realizzazione il consumo energetico si attesta in media sui 5 KWh/m3, ma
con la tecnologia attuale è già possibile scendere a 3 KWh/m3 e si prevede un’ulteriore riduzione
nei prossimi anni fino al valore di 2 KWh/m3.
4.1. DISTILLAZIONE A STADI MULTIPLI
Impianto che per praticità viene indicato con la sigla MSF (dall’inglese: Multi Stage Flash). È il
processo di evaporazione più diffuso nell’industria della dissalazione. La lunga esperienza
78
accumulata e le notevoli dimensioni e capacità degli impianti finora costruiti sono il punto di forza
di questo processo che però, in realtà, si presenta oggi come uno dei processi meno efficienti e con
costi di impianto più elevati.
Il peso sostenuto dal processo multiflash nella produzione di dissalato è ancora elevatissimo
(superiore al 65% della produzione totale) e per questo è di notevole importanza, in questo studio,
analizzare in dettaglio le caratteristiche degli impianti Multi Stage Flash.
Nel processo multiflash l’evaporazione avviene nel bulk della soluzione a causa di una diminuzione
della pressione dell’ambiente in cui essa viene immessa (processo di flashing) e non più sulla
superficie dei tubi di uno scambiatore di calore. In questo modo si by-passano tutti i problemi legati
alla corrosione ed alle incrostazioni dei fasci di tubi, guadagnando in affidabilità e costi di
manutenzione. Questo era il maggiore vantaggio dei processi multiflash che rimpiazzarono negli
anni cinquanta i primi impianti di dissalazione industriali, che di fatto erano impianti ad effetti
multipli. Oggi i problemi legati alla corrosione ed alle incrostazioni sono agevolmente superati
utilizzando additivi o materiali speciali, e per questo, altri tipi di impianto stanno tornando ad essere
riconsiderati, dati i notevoli vantaggi energetici che essi presentano rispetto ai MSF.
Esistono diverse configurazioni per i processi MSF, ognuna delle quali presenta particolari vantaggi
gestionali o di costo rispetto alle altre.
Analizziamo una delle configurazioni più diffuse: la circolazione della salamoia. Altre con-
figurazioni esistono, ma sono in genere sistemi ibridi ricavate dalla precedente e da altri processi
minori, sviluppate per ottimizzare il processo.
4.1.1. Processo di dissalazione multiflash con ricircolo della salamoia
È il più diffuso industrialmente tra i processi Multi Stage Flash ed è caratterizzato da alcuni
accorgimenti che lo rendono più efficiente degli altri processi. I vantaggi sono legati alle migliori
prestazioni, ai minori consumi di reagenti ed alla possibilità di controllare facilmente la temperatura
del processo tramite il controllo della temperatura di alimentazione.
4.1.1.1. Funzionamento
L’impianto è costituito principalmente tre sezioni: nella prima si trova il riscaldatore, nella seconda
alloggiano gli stadi dai quali si recupera il calore, nella terza vi sono gli stadi di raffreddamento. Il
numero complessivo degli stadi varia da 4 a 40 per impianto. Il rendimento è proporzionale al
79
numero degli stadi; generalmente nei grandi impianti si hanno rendimenti da 6 a 10, ovvero per ogni
kg di vapore si ottengono dai 6 ai 10 kg di acqua.
Una portata (Mr + Mcw) di acqua marina viene prelevata dal mare e mandata al fascio tubi della
sezione di raffreddamento, dove si riscalda, consentendo la condensazione del vapore formatosi
nelle camere di flashing; l’acqua di raffreddamento Mcw viene rigettata in mare, mentre l’ali-
mentazione Mf, dopo essere stata trattata, viene immessa nell’ultima camera della sezione di
raffreddamento, dove si miscela con la salamoia. La portata di ricircolo Mr, prelevata dall’ultima
camera, è mandata al fascio di tubi della sezione di recupero calore, dove si riscalda recuperando il
calore di condensazione del vapore che si forma nelle unità di flashing; a questo punto Mr entra
nella sezione di riscaldamento; qui il vapore fornito dall’esterno porta la temperatura della salamoia
alla temperatura massima del processo To. La salamoia alla temperatura To viene immessa nella
prima camera di flashing, dove inizia l’evaporazione causata dalla diminuzione della pressione
all’interno della camera, il vapore formatosi attraversa il demister e si condensa a contatto con la
superficie del fascio di tubi, quindi il distillato viene raccolto ed avviato verso la camera successiva,
così come la salamoia sul fondo. Tale processo si ripete nelle n camere che costituiscono l’unità;
passando da uno stadio al successivo la pressione decresce, assieme alla temperatura di salamoia e
vapore, mentre la concentrazione salina della salamoia cresce nella stessa direzione.
Questo tipo di impianto ha una produzione di acqua dolce che varia dai 4.000 m3 ai 30.000 m3 al
giorno.
Le temperature più elevate di funzionamento (non considerando il riscaldatore) variano da un
minimo circa di 90°C ad un massimo intorno ai 120°C: maggiore è la temperatura, maggiore è
l’efficienza dell’impianto; di contro, si ha che aumentando la temperatura insorgono problemi
operativi, quali l’accelerazione nella corrosione delle superfici in metallo delle strutture od un
incremento delle incrostazioni calcaree, dannose al trasferimento termico fra gli stadi.
Controllando il pH della salamoia, riducendo la temperatura di esercizio del riscaldatore e
mantenendo costante l’operatività del sistema, si riesce ridurre il fenomeno della corrosione e delle
incrostazioni.
In figura 1 è rappresentato un impianto di dissalazione del tipo muli stage flash:
80
Figura 1
4.1.2. Evaporazione ad effetti multipli
II processo di evaporazione ad effetti multipli viene utilizzato in vari ambiti dell’industria di
processo per concentrare soluzioni (prevalentemente cartiere e zuccherifici) ed è stato soppiantato
dall’industria della dissalazione, a favore del processo MSF che prese piede nella seconda metà del
secolo, vedendo un incredibile sviluppo soprattutto nei paesi ricchi di petrolio ed accoppiato spesso
ad impianti di generazione di energia elettrica.
Date le problematiche di tipo energetico ed il superamento degli inconvenienti tecnici legati alla
resistenza dei materiali per gli scambiatori ed ai problemi di incrostazioni, ha fatto si che il processo
di evaporazione ad effetti multipli (indicato con la sigla MED, dall’inglese Multi Effect Distillation)
riprendesse piede (è caratterizzato da consumi energetici mediamente più bassi); attualmente si
pone come una valida alternativa al processo MSF.
L’evaporazione ad effetti multipli consiste nel mettere in serie più unità a singolo effetto,
utilizzando il vapore prodotto in una unità come vapore da mandare all’evaporatore della seconda.
In questo modo l’energia termica fornita nel primo stadio viene utilizzata con un’efficienza
maggiore che nell’unità monostadio, raggiungendo alla fine del processo temperature dei fluidi in
uscita più basse.
Il processo MED può avere differenti configurazioni classificate sulla base di come vengono
alimentate.
81
Il processo che generalmente ha maggior impiego a livello industriale e maggiormente interessa
l’industria della dissalazione è quello denominato Parallel-Feed, che viene preferito per la
semplicità impiantistica e gestionale. Per meglio comprendere questo tipo di impianti si rende
necessario analizzare un processo più semplice: il Foward Feed.
I processi MED si differenziano non solo per il tipo di configurazione, ma anche in base alla
temperatura di processo: esistono processi ad alta temperatura (HT) che sono caratterizzati da
temperature massime (primo effetto) che superano i 100°C e processi a bassa temperatura (LT) le
cui temperature non superano i 70- 80°C.
I vantaggi di un processo LT, rispetto ad uno HT, sono il minor rischio di incrostazioni, la
possibilità di utilizzare materiali meno costosi (si possono usare addirittura materiali polimerici) e
con caratteristiche di conduttività migliori, la minore incidenza dei consumi energetici.
Lo svantaggio principale è, invece, il sensibile aumento della superficie di scambio specifica, che
incide notevolmente sui costi d’impianto.
Il processo Forward Feed:
Questo processo MED è in pratica costituito dalla messa in serie di tante unità ad effetto singolo.
In generale, un impianto MED è costituito da una serie di evaporatori analoghi a quelli visti per le
unità a singolo effetto (il cui numero può andare da 2 a 12 in genere); da un condensatore che
svolge anche la funzione di preriscaldatore, che è posto nella parte finale dell’impianto; da alcuni
preriscaldatori, posti come interstadio; da dei flashing boxes, interposti tra gli stadi successivi per
permettere l’evaporazione parziale della salamoia che passa da uno stadio al successivo incorrendo
in un abbassamento della pressione dell’ambiente; da un eiettore a vapore per estrarre i gas
incondensabili dalla corrente di condensato all’uscita dagli effetti e dal condensatore finale.
Una portata di acqua prelevata dal mare (Mf + MCW) viene immessa nel preriscaldatore (lato tubi),
dove viene riscaldata assorbendo il calore latente del distillato che condensa (lato mantello); l’acqua
di raffreddamento (Mcw) viene rigettata a mare, mentre l’alimentazione (Mf), è sottoposta a
pretrattamenti che diminuiscono il rischio di incrostazioni ed abbassano la concentrazione dei gas
disciolti; riscaldandosi ulteriormente attraverso i riscaldatori interstadio, viene avviata al primo
evaporatore (effetto); una corrente di vapore (Ms) viene mandata al primo effetto (lato tubi) per
fornire il calore necessario all’evaporazione dell’alimentazione; il vapore Ms condensa e viene
rimandato in caldaia; il vapore prodotto nell’evaporatore attraversa il demister ed avviato verso il
prossimo effetto dove fungerà da vapore di riscaldamento, infine la salamoia si accumula sul fondo,
dove è raccolta per essere mandata anch’essa all’effetto successivo.
82
Il secondo effetto funziona in maniera simile al primo, con la differenza che il vapore di
riscaldamento e l’alimentazione sono costituiti rispettivamente dal vapore e dalla salamoia
provenienti dall’effetto precedente; il condensato proveniente dal lato tubi dell’evaporatore viene
mandato al flashing box, che si trova ad una pressione inferiore ché nell’evaporatore (è la pressione
dell’effetto successivo), dunque una parte di condensato evapora nuovamente e viene mandato al
preriscaldatore, dove cede il proprio calore latente alla corrente di alimentazione che si riscalda
passo dopo passo; ceduto il proprio calore latente, il condensato ritorna alla linea del distillato verso
il prossimo flashing box.
Questo procedimento si ripete in tutti gli effetti, nei quali la pressione e la temperatura di
ebollizione, diminuiscono nella stessa direzione dei flussi; giunti all’ultimo effetto la salamoia in
uscita viene rigettata a mare, mentre il vapore prodotto nell’evaporatore e nel flashing box viene
mandato al condensatore/preriscaldatore finale dove condensa per poi uscire con il distillato.
Nella figura 2 è rappresentato un impianto di dissalazione ad effetti multipli che adotta una
tecnologia Forward Feed:
Figura 2
Il processo Parallel feed:
La configurazione ad alimentazioni parallele è simile alla Forward-Feed, con la differenza
principale che nella prima l’alimentazione viene mandata alle stesse condizioni in tutti gli effetti.
In questi impianti l’alimentazione viene preriscaldata unicamente nel condensatore finale, per poi
essere mandata dopo eventuali pretrattamenti (necessari per prevenire le incrostazioni e per
83
degasare l’acqua) ai vari effetti attraverso i distributori; il vapore prodotto all’interno dei flashing
boxes si somma a quello in uscita dall’evaporatore ed, insieme, costituiscono il vapore di riscal-
damento dell’effetto successivo.
Mentre i rendimenti di un impianto monostadio determinano una produzione di circa 1 kg di acqua
per ogni kg di vapore, con un impianto a doppio stadio, per 1 kg di vapore si possono ottenere
anche 1,75 kg di acqua distillata e via di questo passo nel caso di una pluralità di effects successivi.
Questi impianti, sia che siano disposti con uno sviluppo orizzontale (come mostrato in figura), sia
che siano disposti con uno sviluppo verticale, riescono ad avere una produzione variabile da 2.000
a 10.000 m3 al giorno e con temperature di esercizio massime nel primo stadio, almeno per le più
recenti, di circa 70°C .
4.2. IMPIANTI DI DISSALAZIONE AD OSMOSI INVERSA
L’osmosi inversa rappresenta il processo a membrana più utilizzato ed ha assunto un’importanza
paragonabile al processo MSF, superandolo spesso in economicità di impianto e di gestione.
La dissalazione di acqua marina per osmosi inversa è una realtà importante, sebbene il costo e la
resa degli impianti per acque salmastre rimangano nettamente più convenienti a causa dei minori
costi di pompaggio, delle minori sollecitazioni a cui sono sottoposte le membrane e della necessità
di utilizzo di leghe speciali (data la salinità dell’acqua di mare) negli impianti per acqua salata.
I vantaggi del processo ad osmosi inversa sono dati dal costo relativamente basso dell’impianto,
dall’esclusivo utilizzo di energia meccanica/elettrica, dalla modularità delle unità, dal basso
impatto ambientale (non necessita energia termica quindi combustibili), dai bassi consumi
energetici , che diminuiscono con il passare degli anni per via del miglioramento tecnologico.
L’utilizzo di membrane necessita un pretrattamento spinto della soluzione in ingresso, nel quale
devono essere eliminate le sostanze in sospensione (che potrebbero intasare le membrane stesse),
abbassata la durezza dell’acqua ed aggiunti additivi o ossidanti per evitare il processo di formazione
di alghe sulle superfici delle membrana.
4.2.1. Funzionamento
Un impianto ad osmosi inversa è costituito essenzialmente da alcune unità di pretrattamento
dell’acqua in ingresso, necessarie ad eliminare i solidi in sospensione e a disinfettare l'acqua per
evitare la formazione di alghe e l'intasamento delle membrane stesse; da un sistema di pompe ad
alta pressione per portare la pressione dell'alimentazione ai valori richiesti dal processo; una o più
84
unità di separazione a membrane nella quale avviene la separazione tra acqua dissalata e salamoia.
Sarà data adesso una breve descrizione delle singole unità.
In maniera molto schematica ed approssimativa un impianto ad osmosi inversa è rappresentato in
figura 3:
Figura 3
La qualità dell’acqua in arrivo è un parametro di fondamentale importanza per la vita ed il
mantenimento dell’efficienza delle membrane per osmosi inversa: è necessario controllare la
durezza dell’acqua (per evitare incrostazioni sulla superficie delle membrane), la torbidità, la
quantità di sostanze organiche in sospensione o disciolte, la temperatura ed il pH.
Nei processi ad osmosi inversa le operazioni di pretrattamento influiscono sull’economia del
processo molto di più che in tutti i processi termici visti in precedenza.
Il pretrattamento inizia con una disinfezione dell’alimentazione con agenti ossidanti o antialghe,
quali cloro, ipoclorito, ozono. La portata di acqua passa poi attraverso delle griglie/setacci che
eliminano le particelle più grosse in sospensione. Quindi vengono aggiunti agenti flocculanti (FeCl3
o polielettrolita, iniettati spesso a monte di una piccola vaschetta di contatto per lasciare più tempo
alla formazione degli agglomerati di particelle), che facilitano la separazione delle particelle più
piccole in sospensione. La corrente viene fatta passare attraverso dei filtri a sabbia, caratterizzati,
da velocità di attraversamento molto basse. Infine l’alimentazione è raffinata grazie a dei filtri a
cartuccia, dopo i quali è pronta per essere pompata e mandata alle membrane.
Spesso si interviene anche con l’aggiunta di agenti antincrostanti, di acidi (H2SO4), che spostano
l’equilibrio dei carbonati verso la CO2 (che può essere più facilmente eliminabile) abbassando il
rischio di incrostazioni, e di stabilizzatori di pH e di cloro attivo (si usa in genere il bi-solfito di
sodio, iniettato il più vicino possibile all'aspirazione della pompa per protrarre gli effetti della
disinfezione lungo tutte le tubature).
I costi del pretrattamento sono in genere abbastanza alti e possono costituire fino al 60% dei costi
finali dell’acqua dissalata.
85
Lo sviluppo delle tecnologie delle membrane permette di sostituire i filtri a sabbia con unità di
microfiltrazione, costituite da moduli precostituiti di membrane sintetiche di minimo ingombro e
massima efficienza, riducendo gli spazi e le gestioni da problemi di gestione e manutentivi, richiesti
dai filtri a sabbia.
I costi relativi al pompaggio e alle perdite di carico sono molto ridotti grazie alle basse velocità del
flusso ed ai frequenti lavaggi permessi dalle particolari configurazioni delle membrane nei moduli;
in particolare, il consumo elettrico è di circa 0,1 kWh/m3 di filtrato, quindi dell’ordine dei pochi
percento rispetto ai costi totali del processo OI.
4.2.2. Caratteristiche delle membrane
L’utilizzo di membrane semipermeabili nei processi di dissalazione è relativamente recente, infatti i
primi studi a riguardo risalgono agli anni ‘60. In compenso la tecnologia delle membrane ha visto
uno sviluppo esponenziale in questi decenni, portando alla sintesi di membrane caratterizzate da
grande resistenza meccanica, elevata permeabilità e spinta selettività, tutte qualità che le rendono
ideali per i processi di dissalazione.
I materiali più utilizzati nella produzione di membrane per OI sono acetati di cellulosa o materiali
compositi a base di poliammide, le cui proprietà variano al variare delle condizioni alle quali essi
vengono prodotti.
Le membrane in poliammide mostrano caratteristiche nettamente superiori a quelle in acetato di
cellulosa, ma presentano lo svantaggio di essere particolarmente sensibili alla presenza di cloro
libero.
I principali parametri che caratterizzano una membrana per osmosi inversa sono:
- la selettività, ovvero la percentuale di soluto trattenuta dalla membrana, espressa in %; essa
dipende dalle proprietà chimico-fisiche della membrana, ma anche dalle condizioni operative alle
quali è soggetta;
- il flusso, ovvero la quantità di solvente che passa per unità di superficie di membrana, espresso in
m3 /(m2*d*Mpa);
- la durata, ovvero la vita della membrana, associata anche alle perdite di efficienza della stessa col
passare dei mesi;
- la resistenza meccanica, ed infine,
- la resa, ovvero il rapporto tra portata di dissalato e portata di soluzione salata alimentata.
Le membrane utilizzate per la dissalazione devono lavorare in condizioni operative di salinità 3000
ppm e pressioni da 0,5 a 3 Mpa circa; hanno la caratteristica di fornire un’elevata permeabilità al
solvente, anche a pressioni molto basse (ultra-low pressure membrane). Così si è passati da una
86
selettività del 95-97% per le prime membrane in acetato di cellulosa, ad una del 99,5% per le più
recenti membrane in poliammide.
La portata di acqua dissalata varia da 0,3 m3/(m2-d-MPa) per le membrane in acetato di cellulosa, a
circa 1,0 m3/(m2-d-MPa) per le normali membrane in poliammide, fino ad un massimo di circa 2,0
m3/(m2-d-MPa) per le recentissime (1999) Super Ultra Low Pressure Membrane, anch’esse in
poliammide.
Una particolare attenzione deve essere rivolta alla resistenza meccanica delle membrane stesse: le
membrane devono resistere ad alte pressioni e solitamente devono essere in grado di sostenere
pressioni fino ai 10 Mpa.
La superficie specifica della membrana rappresenta uno dei parametri più importanti nei processi di
osmosi. Al fine di massimizzare il rendimento della superficie sono in continuo studio nuove forme
che rispettano i parametri di resistenza ed efficacia. Le configurazioni che sono maggiormente
impiegate sono quelle a fibre cave (Hollow Fiber) e quelle avvolte a spirale (Spirai Wound).
Nelle unità con modulo a fibre cave il modulo è costituito essenzialmente da un fascio di tubicini
dal diametro esterno di un centinaio di micron e quello interno di circa una cinquantina di micron. Il
fascio è in genere piegato in due e racchiuso all’interno di un tubo metallico. La soluzione in
ingresso viene distribuita all’interno del cilindro e il dissalato passa dall’esterno all'interno dei
tubicini, uscendo dalle due estremità, per essere quindi raccolto nei condotti di uscita.
Questa configurazione è quella che offre la maggiore superficie di passaggio specifica, una
caratteristica che permette, oltre che di ridurre gli ingombri dei moduli, alte rese (si arriva anche a
valori del 50%) con bassi flussi di permeato, rendendo minimi gli effetti di polarizzazione delle
concentrazioni.
La compattezza del fascio di fibre necessita di un’elevata qualità dell’alimentazione in termini di
solidi sospesi, per evitare l’intasamento dell'unità. Si sono verificati casi di intasamento totale delle
membrane in periodi di tempo brevi (1 o 2 anni) che hanno quindi mostrato una troppo elevata
sensibilità di questo tipo di moduli ai problemi di intasamento.
87
Nella figura 4 è rappresentata schematicamente un modulo a fibre cave per osmosi inversa:
Figura 4
Nelle unità avvolte a spirale la geometria è totalmente differente; tra due fogli di membrana viene
posto un foglio di materiale poroso atto a raccogliere il permeato, i tre fogli sono chiusi da tre lati
mentre il quarto è lasciato libero per permettere la fuoriuscita del prodotto. A questi tre fogli è
aggiunto un altro foglio poroso che funge da spessore e attraverso il quale passa, invece, l’acqua
salata. Quindi il tutto viene avvolto attorno ad un tubo, collegato al lato aperto dal quale esce il dis-
salato, che funge da collettore e condotta del permeato in uscita.
La soluzione salata viene immessa ad alta pressione nel separatore; l’acqua osmotizzata passa nel
foglio poroso attraverso il quale raggiunge la condotta di uscita.
Le rese tipiche dei moduli Spirai Wound sono del 10-20%, dunque nettamente inferiori ai moduli
precedenti. Per aumentare la resa delle unità è possibile unire dai 3 ai 6 moduli in serie, arrivando in
condizioni normali di esercizio a rese del 50%.
88
Nella figura 5 è rappresentato un modulo a membrana a spirale per osmosi inversa:
Figura 5
In entrambe le configurazioni i moduli hanno dimensioni che variano da 1 a 1,5 metri di lunghezza
e tra i 20 e 30 centimetri di diametro.
Le pompe utilizzate per comprimere l’acqua di alimentazione devono raggiungere valori di
compressione fino a 60-80 atm e generalmente sono turbo pompe centrifughe. I materiali utilizzati
sono acciaio inossidabile accoppiato con materiali plastici ad alta resistenza meccanica ed
all’abrasione. Ultimamente si è passati anche all’uso di pompe volumetriche che risultano più
efficienti.
4.2.3. Sistemi per il recupero dell’energia
Da sempre gli impianti per la dissalazione sono stati penalizzati a causa della grande richiesta di
energia per il trattamento delle acque. Attualmente si può disporre di sistemi per il recupero
energetico che sono validi sia per l’affidabilità ché per i costi.
I sistemi di recupero permettono di ridurre il consumo energetico specifico a meno di 3 kWh/m3 e
di allungare la vita delle membrane di un impianto OI; tali dispositivi sono oramai parte integrante
della progettazione di un impianto e sono allo studio sistemi che abbiano la possibilità di essere
inseriti anche su vecchi impianti.
Attualmente i dispositivi di recupero energetico sono di due categorie:
• tecniche convenzionali, basate sull’impiego di una turbina che, recuperando energia dal
flusso di acqua concentrata pressurizzata uscente dai moduli, alimenta energeticamente la
pompa ad alta pressione;
89
• sistemi innovativi, fondati sulla pressurizzazione diretta dell’alimento da parte dell’acqua
concentrata (salamoia) pressurizzata, uscente dai moduli.
4.2.3.1. Impianti ad osmosi inversa con turbine per il recupero di energia
I dispositivi convenzionali sono basati sul principio della conversione dell’energia della portata
d’acqua concentrata pressurizzata in energia meccanica, tramite pompe reversibili, turbine
idrauliche o turbine Pel ton. Questi dispositivi presentano efficienza ridotta a causa della perdita
d’energia per l’utilizzo di elementi rotanti. Il percorso di conversione dell’energia della pressione di
un flusso in lavoro meccanico e poi ancora in pressione, è meno efficiente rispetto ad uno scambio
diretto di pressione tra due fluidi (lo scarico e l’alimento, rispettivamente).
Questi sistemi denominati ERT (Energy Recovery Turbine) hanno comunque trovato utilizzo in
impianti, siti in regioni con adeguata copertura di rete elettrica, con grandi capacità produttive e
dove, perciò, il costo unitario (per kWh) dell’energia elettrica è sufficientemente basso.
Gli impianti convenzionali RO dotati di ERT prevedono:
• il pompaggio del 100% della portata d’alimento con necessità di pompe centrifughe multi-
stadio (meno efficienti delle volumetriche) operanti su alte portate;
• importanti costi d’investimento iniziale in caso di grandi impianti;
• consumo energetico specifico che varia tra i 4 ed i 6 kWh/m3.
Un sistema di questo tipo può avere rendimenti che vanno dal 40 al 50% per portate di 500
m3/giorno, arrivando ad una massimo variabile compreso tra il 70 e l’80% per portate superiori ai
50.000 m3/giorno.
Il risparmio nei consumi energetici è dell’ordine del 10-15% rispetto al sistema di recupero
semplice.
I sistemi ERT convenzionali, presentano costi d’investimento elevati e gli interventi di
manutenzione richiedono il completo arresto dell’impianto per rutta la durata dell’intervento.
Attualmente, nel campo della dissalazione, il miglior sistema per il recupero energetico è il sistema
PES (Pressure Exchange System).
II sistema a scambio di pressione PES realizza il trasferimento diretto di pressione dalla salamoia
pressurizzata uscente dai moduli OI al flusso d’acqua che alimenta i moduli. Tale trasferimento di
pressione tra fluidi, a contatto diretto o indiretto con l’interposizione di opportuni separatori
(pistoni), è molto efficiente. Il primo prototipo è del 1987. I vantaggi legati a questo sistema
dipendono dal fatto di avere una efficienza che supera il 95%, unita ad una riduzione dei costi
impiantistici e di esercizio.
90
Il risparmio effettivo di energia si attesta nella pratica sul 30% rispetto ad impianti convenzionali. I
consumi energetici, esclusi quelli necessari al sollevamento dell’acqua, sono di circa 2,5 kWh/m3 .
4.3. IMPIANTI DI DISSALAZIONE PER ELETTRODIALISI
Il processo di elettrodialisi rappresenta uno dei processi più efficienti ed economici per la
dissalazione di acque salmastre a bassa salinità (valori dei TDS al massimo si 20gr./litro); poiché il
consumo energetico sale con la salinità dell’acqua da trattare, non viene impiegato nella
dissalazione delle acque marine. Per il processo si rimanda alla spiegazione svolta nel capitolo
terzo.
91
CAPITOLO V
PROCESSI MINORI DI DISSALAZIONE
Introduzione
Le tecniche di dissalazione minori sono ancora in fase di studio e sperimentazione e fanno fatica a
collocarsi nei sistemi di produzione di acqua dolce convenzionalmente adottati negli impianti
esistenti.
La tecnica del congelamento, quella della distillazione tramite membrane, quella tramite scambio
ionico, la distillazione tramite solventi, la distillazione mediante energia solare e la loro interazione
rappresentano dei processi di dissalazione di minor impiego, ma interessanti da un punto di vista
tecnologico.
5.1. DISSALAZIONE PER CONGELAMENTO
Questa tecnica si basa sui principi della termodinamica: nel momento in cui la temperatura della
soluzione acqua-sale scende al di sotto di quella di congelamento dell'acqua, si determina una
dissociazione tra i cristalli di acqua pura (che solidificano) e la soluzione a maggior concentrazione
salina per il fatto che ha un più basso punto di congelamento, in pratica, durante il processo di
congelamento si formano cristalli costituiti da acqua senza sale. Successivamente alla fase di
congelamento le masse cristallizzate vengono allontanate per rimuoverne i sali che rimangono
attaccati esternamente; lo scongelamento permette di ottenere infine l’acqua dolce.
Le tecniche sviluppate per ottenere il congelamento sono diverse tra loro e si contraddistinguono o
per l’impiego dell’acqua come sostanza congelante (direct freezing process), oppure per
l’immissione nell’acqua di un liquido refrigerante (secondary refrigerarti freezing).
Nella seconda ipotesi possiamo distinguere due differenti situazioni:
La prima tecnica prevede che il liquido refrigerante si misceli con l’acqua salata, solitamente
denominata secondary refrigerant direct freezing; la seconda prevede che il refrigerante venga
separato dall’acqua mediante un’apposita superficie di trasferimento del calore che è chiamata
secondary refrigerant indirect freezing.
Se comparata con gli altri processi attualmente dominanti, la dissalazione per congelamento,
almeno da un punto di vista teorico, mostra molteplici vantaggi: minori quantità di energia
92
necessaria per lo svolgimento del ciclo, minimi inconvenienti legati alle incrostazioni e corrosioni
di qualunque tipo.
Il problema maggiore, risiede nella gestione del ghiaccio e delle miscele che si formano, ed è
proprio per questi motivi che tale tecnologia non ha incontrato molto successo nelle realtà legate
alle produzioni per comunità.
Un rilevante aspetto tecnico che fino ad ora sembrava inibirne l’utilizzo è legato all’impiego del
compressore refrigerante; in particolare, il ciclo di lubrificazione e congelamento non sono
facilmente conciliabili a livello operativo, determinando la necessità di ulteriori dispositivi che,
oltre a complicare il sistema nel suo complesso, ne abbassavano il rendimento e ne facevano
lievitare i costi. Oggi, una recente innovazione in questo campo (il compressore refrigerante
idraulico) sembra allargarne gli orizzonti, by-passando i problemi tipici legati all’adozione dei
compressori convenzionali; in particolare, una potenziale ed economica applicazione potrebbe
individuarsi nella produzione di acqua dolce a scopo irriguo.
5.1.1. Funzionamento
Il vapore freddo del liquido refrigerante a bassa pressione entra al punto 1 (fig. 8), nel condotto
dove circola l’acqua, formando una serie di bolle che si mescolano all'acqua stessa. Proseguendo il
loro percorso verso il basso, queste bolle passano attraverso stadi nei quali aumenta il livello di
pressione e, in corrispondenza del punto 2, si separano ed entrano nel condensatore dove passano
allo stato liquido punto 3, mentre l'acqua presente nel condotto continua il suo percorso. Il
passaggio dal condensatore all’evaporatore avviene attraverso una valvola di espansione che fa
diminuire la temperatura. A questo punto il ciclo si ripete.
Nella figura 1 è rappresentato il processo di dissalazione per congelamento:
Figura 1
93
5.2. DISTILLAZIONE TRAMITE MEMBRANA
La distillazione tramite membrana viene applicata ad impianti di piccola dimensione fornendo
un’ottima qualità di acqua dissalata.
5.2.1. Funzionamento
Il processo di dissalazione tramite membrana si articola su diverse fasi: la prima fase determina il
riscaldamento fino all'evaporazione dell'acqua da trattare, convoglia il vapore che si forma verso
una membrana permeabile al vapore (e non all’acqua) e provoca la condensazione su una superficie
più fredda della membrana; la differenza di temperatura rappresenta la “forza motrice” per lo
svolgimento del ciclo. Con la condensazione si ha perciò la produzione di acqua dissalata che, a
questo punto, non può ripercorrere in senso inverso il percorso seguito a causa della microporosità
idrorepellente della pellicola.
I principali problemi applicativi sono legati alle necessità di ampi spazi operativi e di un elevato
fabbisogno energetico per lo svolgimento del processo.
I vantaggi risiedono nella relativa semplicità e nelle minime differenze di temperature necessarie.
Le migliori applicazioni sono possibili quando si disponga di energia termica proveniente, ad
esempio, da collettori solari o da attività industriali.
5.3. DISTILLAZIONE TRAMITE SCAMBIO IONICO E IMPIEGO DI SOLVENTI
Questi processi due processi rivestono un’importanza marginale nel panorama complessivo della
dissalazione.
Va ricordato però che la tecnica di scambio ionico (anche chiamata talvolta di demineralizzazione
visto che rimuove solamente elementi di natura minerale) si presenta particolarmente interessante
per tutte quelle applicazioni in cui l’acqua da utilizzare deve essere di particolare purezza, come ad
esempio, nella produzione di acqua per gli impianti per la produzione di energia elettrica, dove si
raggiungono alte temperature e notevoli pressioni operative e che impiegano delicate turbine a
vapore che vanno protette da fenomeni di corrosione ed incrostazione. Un altro esempio è
rappresentato dall’acqua necessaria all’industria dei semiconduttori, della microelettronica e della
produzione farmaceutica che necessitano di acqua, per i rispettivi cicli, ad elevato grado di purezza.
94
5.4. DISSALAZIONE MEDIANTE L’UTILIZZO DI FONTI DI ENERGIA RINNOVABILE
L’impiego di fonti di energia rinnovabile nel campo della dissalazione è ancora nella fase di ricerca
e sperimentazione e ricoprono un ruolo marginale nel panorama complessivo. Le fonti di energia
sulla quale si stanno facendo sperimentazioni sono l’energia eolica, il fotovoltaico, l’energia
mareomotrice; si sta abbandonando, per motivi tecnico-economici, la ricerca nel settore geotermico.
5.4.1. Dissalazione mediante l’utilizzo di energia eolica
L’energia eolica è una fonte di energia utilizzabile solo in determinate aree geografiche ed ha la
caratteristica di non essere costante ed uniforme, di avere bassa intensità, e di essere
immagazzinabile mediante accumulatori generalmente costosi e non troppo efficienti.
Nella dissalazione l’energia eolica viene fornita dal vento e convertita in energia meccanica tramite
aerogeneratori; successivamente viene trasformata in energia elettrica mediante dei caricatori ed
immagazzinata in accumulatori.
Il sistema di produzione di energia eolica può essere adottato per impianti di modeste dimensioni e
per sistemi in grado di produrre quantitativi di acqua dolce non inferiori ai 1.000 m3 giornalieri.
5.4.1.1. Energia eolica associata a processi di dissalazione ad osmosi inversa L'utilizzo dell’energia eoliche per alimentare un impianto ad Osmosi Inversa costituisce una
potenzialità per l’industria della dissalazione, in special modo per servire piccole isole nelle quali la
fonte di energia eolica è in genere presente in abbondanza, tanto quanto è scarsa la possibilità di
utilizzare agevolmente energia elettrica.
Questo sistema prevede che un aerogeneratore, o un sistema di aereo generatori, vengano collegati
ad un generatore elettrico che viene controllato sia in tensione che in corrente; generalmente
nell’impianto si deve provvedere ad applicare degli accumulatori con la funzione di immagazzinare
energia elettrica prodotta, in maniere a discontinua, dai generatori eolici.
Il costo del dissalato è comunque alto a causa di elevati costi di gestione/manutenzione, nonostante
il contributo dei costi energetici sia praticamente nullo (0,02 $/m3).
5.4.1.2. Energia eolica associata a processi di dissalazione per compressione del vapore Negli impianti di questo tipo solitamente sono presenti: un evaporatore, un compressore ed uno
scambiatore di calore. L’energia termica necessaria all’evaporazione dell’acqua viene fornita dalla
condensazione del vapore compresso sulla superficie esterna dei tubi di evaporazione ed, in questo
95
caso, la generazione tramite energia rinnovabile eolica viene collegata alla sezione di compressione
per il suo sostentamento funzionale.
Da un punto di vista teorico, impiegando una pala di 80 m di diametro ad una velocità media del
vento di circa 50 km/h, la produzione elettrica di questo dispositivo si può calcolare intorno ai
3.710 kW per una produzione di acqua dissalata pari a 2.800 m3 giornalieri.
5.4.1.3. Energia eolica associata a processi di dissalazione per congelamento L’energia elettrica generata mediante la fonte eolica viene impiegata per fornire energia ad un
compressore refrigerante a vuoto e al sistema di raffreddamento a serpentina. Il dimensionamento di
questa applicazione sembra ottimale per produzioni intorno ai 3.000 m3 di acqua dolce giornaliera.
5.4.1.4. Energia eolica associata a processi di dissalazione mediante elettrodialisi L’energia elettrica viene utilizzata per separare il sale disciolto nell’acqua; l’energia elettrica viene
fornita, come nel caso precedente, da un generatore eolico e convertita in energia elettrica da un
generatore ed accumulata in apposite batterie.
In tutti questi casi, la generazione di energia elettrica mediante generatori eolici, può venire
impiegata sia per la fase di dissalazione che nella fase di approvvigionamento (pompaggio dal
mare).
5.4.2. Dissalazione mediante l’utilizzo di energia mareomotrice Date le caratteristiche del bacino del Mediterraneo, scarsamente interessato dal fenomeno delle
maree, non si può pensare ad una applicazione vantaggiosa nelle nostre regioni; diversamente nei
Paesi soggetti al di fenomeno delle maree dove l’ipotesi di utilizzo di energia fornita è concreta.
L’utilizzo dell'energia derivante dalle maree si concretizza con l’impiego di sistemi pompa-turbina
accoppiati ad alternatori elettrici. La determinazione del potenziale energetico ottenibile può essere
calcolata in funzione dell'area del bacino, dove si manifestano tali fenomeni, e del dislivello che la
marea determina nel corso del suo verificarsi.
Le possibilità di dissalazione, che l’Autore stima, sembrano particolarmente interessanti (intorno ai
10.000.000 di m3 giornalieri), benché vi siano alcuni limiti economici che ne frenano l'utilizzo
(elevati costi di impianto e di costi operativi per i primi anni di esercizio).
Le potenzialità future di queste strutture sembrano da ricondurre, essenzialmente, ad impianti a
doppio scopo in cui vi sia la combinazione tra centrali per la produzione elettrica destinata alla
distribuzione in rete ed impianti di dissalazione a grande capacità produttiva.
96
5.4.3. Dissalazione mediante l’utilizzo di energia solare
Procedimento che adotta l’energia solare come sorgente termica per lo svolgimento del ciclo di
dissalazione. Gli impianti che ricorrono a questa tecnologia sono molto semplici, sia dal punto di
vista costruttivo ché operativo. Nella pratica, sono impianti caratterizzati da alti costi di gestione.
Le spese di investimento iniziale sono più elevate di ogni altro impianto utilizzante una tecnologia
alternativa avente la medesima capacità di acqua dissalata ottenuta. Sono rari i casi in cui i costi
dell’impianto sono contenuti.
5.4.3.1. Funzionamento
Viene impiegata l’energia radiante solare che, filtrando attraverso una parete trasparente, va a
riscaldare l’acqua di un bacino sottostante; il vapore così formatesi si condensa poi sulla superficie
interna della parete e quindi viene raccolto.
Il motivo per il quale questo processo di dissalazione non viene adottato risiede in alcuni problemi
che sembrano, allo stato attuale, insormontabili: sono, infatti, impianti che necessitano di aree estese
dove operare (perciò il costo finale complessivo è molto dipendente da quello dell’acquisizione di
terreni idonei e quindi dalle disponibilità iniziali di capitale) e la regola generale da tenere in
considerazione è quella che individua un fabbisogno d’area (superficie necessaria per posizionare i
collettori solari) di circa 1 m2 per ottenere intorno ai 4 litri giornalieri di acqua dissalata; un secondo
problema risiede nella variabilità meteorologica che costituisce un vincolo strettamente legato alla
quantità di acqua da ottenere.
Gli impianti ad energia solare possono essere impiegati come ausilio ad altri impianti.
Attualmente, valutando le capacità di dissalazione, le opportunità applicative di tale tecnologia sono
adattabili a comunità medio-piccole (da 20 m3 a diverse centinaia di m3 al giorno), mentre per
esigenze maggiori la convenienza economica è ancora appannaggio dei processi classici.
97
Si rappresenta schematicamente nella figura 2 il processo di dissalazione solare:
Figura 2
5.4.4. Energia fotovoltaica associata ad impianti di dissalazione ad osmosi inversa II problema principale dello sfruttamento dell'energia solare è il costo elevato degli impianti, legato
alla necessità di ampie aree su cui installarli.
Piccoli impianti ad osmosi inversa alimentati da celle fotovoltaiche sono già in esercizio da qualche
anno.
Se si impiegano sistemi convenzionali, la produzione di acqua dissalata è di circa 215 1itri di acqua
dissalata al giorno per ogni m2 di superficie occupata dalle celle fotovoltaiche.
Per impianti che adottano sistemi di pompaggio efficienti associati a tecnologie di osmosi inversa
con recupero di energia, si possono raggiungere efficienze impiantistiche migliori stimate intorno ai
350 1itri di acqua dissalata al giorno per ogni m2 di superficie occupata dalle celle fotovoltaiche,
con un consumo di energia di 2,4 kWh/ m3.
I costi di impianto sono ancora abbastanza elevati, anche se alcune previsioni mostrano un
abbattimento dei costi nel lungo periodo di esercizio (20 anni) di impianti fotovoltaici accoppiati a
sistemi con il riciclo della salamoia, con costi che scendono a 3 $/m3 di dissalato.
Recentemente sono stati sviluppati sistemi ad alta efficienza per lo sfruttamento dell’energia solare,
essi sono:
• dish-Stirling (DS), consiste in un sistema di raccolta di calore (piatti o superfici metalliche)
che alimenta una macchina di Stirling in grado di trasformare tale energia termica in energia
meccanica e quindi elettrica;
98
• thermal-dish (TD), simile al precedente ad eccezione del fatto che l’energia termica
accumulata alimenta direttamente un sistema DDE (Direct Drive Engine) illustrato di
seguito;
• thermal trough (TT), consiste in un collettore di calore formato da un canale di sezione
parabolica nel cui fuoco viene concentrata l'energia solare che scalda un tubo assorbente a
fino a temperature prossime ai 400°C; all'interno del tubo viene quindi fatto passare un
liquido (in genere olio sintetico) vettore di calore che alimenta un sistema DDE. Questi
sistemi vengono poi accoppiati a due sistemi di pompaggio/recupero di energia studiati per
impianti ad osmosi inversa, che sono:
• EMD (Electric Motor Drive), sistema integrato di pompaggi/recupero di energia,
caratterizzato da altissime efficienze, piccolo ingombro ed elevata versatilità, che può essere
alimentato da unità fotovoltaiche o Stirling-dish;
• DDE (Direct Drive Engine), sistema che trasforma energia termica (che può essere fornita
da differenti fonti, dall'energia solare a quella di combustione di un combustibile comune) in
energia meccanica; caratterizzato anch’esso da grande efficienza, versatilità e dalla possi-
bilità di integrare un sistema solare con l'utilizzo di fonti convenzionali di energia termica
nel caso in cui la fonte primaria venisse a mancare (giornate nuvolose, orari notturni).
Funzionamento delle macchine di Stirling: la macchina di Stirling è nella struttura simile ad un
motore a scoppio: costituita da un pistone, collegato all'albero motore attraverso una biella, il cui
movimento è generato dai processi di riscaldamento e raffreddamento di un gas contenuto nel
cilindro.
Le principali differenze con il motore a scoppio sono che nella macchina di Stirling il sistema è
chiuso, cioè il gas contenuto nel cilindro non viene espulso dopo l’espansione, ma viene raffreddato
con una sorgente fredda e di seguito riscaldato nuovamente da una sorgente calda.
La fonte di calore può essere combustibile convenzionale, ma può essere anche il liquido vettore di
calore che attraversa i collettori solari parabolici.
Le applicazioni della macchina di Stirling sono rimaste ancora poco diffuse (esistono prototipi o
impianti di piccole dimensioni dai costi ancora molto alti), data la complessità tecnologica dell’
apparecchiatura.
99
La variazione dei rendimenti per unità di superficie in relazione al sistema adottato:
PROCESSO PROCESSO
TERMICO
CELLE
FOTOVOLTAICHE
+ SISTEMA EMD
MACCHINA DI
STYRLING +
SISTEMA EMD
THERMALDISH
+
SISTEMA DDE
TERMAL
TROUGHT +
SISTEMA DDE
CONSUMO
ENERGETICO
2,4 kWh/m3 2,4 kWh/m3 2,1 kWh/m3 2,1 kWh/m3
PRODUZIONE
GIORNALIERA
LITRI/m2
4-40 352 931 1.187 852
I costi di impianto non sono ancora quantificabili; l’aumento del potenziale di questi impianti è
funzione del progresso tecnologico nel settore delle fonti alternative.
In figura 3 è rappresentato uno schema di impianto di dissalazione ad osmosi inversa mediante
l’impiego di energia solare:
Figura 3
5.5. CONCLUSIONI
Per una politica di sviluppo sostenibile che si basi su azioni a lungo termine, la dissalazione di
acqua marina può essere considerata tra le possibili alternative per la riduzione del problema idrico.
Nel prossimo futuro sarà necessario incentivare i programmi di Ricerca e Sviluppo di questo generi
di impianti affinché si possano abbassare i costi della produzione di acqua dolce dall’acqua di mare
100
e rendere così disponibili le tecnologie a tutti i paesi, in particolare all’area Sud del pianeta che
volge in una profonda crisi idrica e al contempo economica.
Attualmente vengono considerate le possibilità di sfruttare le energie rinnovabili per alimentare gli
impianti di dissalazione e le possibili soluzioni vedono distinguere gli impianti in due classi: i siste-
mi alimentati con un solo tipo di fonti rinnovabili o in alternativa sistemi che sfruttano differenti
tipologie di energie rinnovabili, i cosiddetti sistemi ibridi.
I primi sono i sistemi più semplici dove l’impianto di dissalazione è direttamente collegato alla rete
di alimentazione proveniente dal generatore di energia. Le fonti utilizzate saranno strettamente
legate alla locazione geografica dell'impianto e per assicurare una continuità nel funzionamento sarà
comunque necessario predisporre dei sistemi di accumulo dell’energia prodotta o l’allacciamento
alla rete elettrica se l’impianto non si trova in zone isolate. Sono in fase di progettazione impianti
di dissalazione di acqua di mare ad osmosi inversa alimentati con aerogeneratori, da pannelli
fotovoltaici e al contempo connessi ad un gruppo elettrogeno diesel per assicurare la continuità di
funzionamento.
I sistemi ibridi di dissalazione sono alimentati da diverse fonti di energie rinnovabili che possono
essere combinati in modo differente per poter ottenere l’alimentazione energetica dell’impianto in
modo continuo.
Rappresentazione in figura 4 di un sistema ibrido che sfrutta energie alternative:
Figura 4
101
CAPITOLO VI
LA GESTIONE DELLA DISSALAZIONE
Introduzione
Gli impianti di dissalazione sono realtà tecnologiche complesse ed avanzate che nel loro insieme
necessitano di essere valutate anche per quanto riguarda l’aspetto gestionale, l’impatto ambientale e
l’impatto economico.
Un grosso limite alla diffusione di questi impianti è proprio legato alle scelte strategiche di
investimento ed alla scelta del tipo di impianto. Tali valutazioni di carattere economico ed
ambientale dipendono da fattori legati alla qualità delle acque da trattare, alla qualità delle acque da
fornire, alla regione nelle quali operano e dalla risorsa energetica disponibile: la scelta del tipo di
impianto ha forti ripercussioni di carattere economico, sociale ed energetico.
Non esiste una soluzione impiantistica ottimale ma di vola in volta si dovrà procedere ad una attenta
valutazione di carattere economico, sociale ed energetico.
In questa sezione cercheremo di valutare, confrontando le varie caratteristiche di impianto, le scelte
da fare in base alle richieste da soddisfare ed alle risorse da sfruttare.
Ad oggi, solo l’l % dell’acqua potabile nel mondo deriva da impianti di dissalazione. La percentuale
per usi industriali è anche più bassa, mentre quella per usi irrigui è praticamente nulla. La
produzione nell’anno 2000 dei dissalatori installati in tutto il mondo ammonta a circa 26 milioni di
m3/giorno; da sottolineare che nel quinquennio precedente si è avuto un aumento medio annuo di
produzione pari a circa 1 milione di m3/giorno. I volumi idrici dissalati derivano per il 60% circa
dall’acqua di mare e per il 40% da acque salmastre.
Il mercato della dissalazione è in aumento ed i motivi per i quali è lecito prevedere un incremento
della dissalazione risiedono in alcune realtà quali:
• aumento della popolazione in molte zone costiere del mondo, con conseguenti maggiori
richieste di acqua potabile ed esigenza di aumentare la disponibilità d’acqua per
l’agricoltura e per gli usi non potabili;
• notevoli passi avanti compiuti negli ultimi anni nei processi e nelle tecnologie disponibili,
che hanno portato ad un forte abbattimento dei costi di investimento e di esercizio degli
impianti.
102
6.1. ECONOMIA DELLA DISSALAZIONE
I dati relativi ai costi di impianto ed ai costi di esercizio non sempre sono tra loro congruenti: è
difficile stabilire il costo medio dell’acqua dissalata, poiché questo varia da regione e regione, dalle
condizioni impiantistiche e dalle agevolazioni fiscali adottate dai Paesi produttori di acqua dissalata.
Per gli impianti di dissalazione di acqua marina di notevoli dimensioni, come quelli recentemente
costruiti in Israele, Arabia Saudita, Kuwait, Dubai, Giordania, Florida, Honolulu, Trinidad, Spagna,
con produzioni fino a 500.000 m3/giorno, si possono stimare dei costi di investimento specifici
variabili:
- MSF: da 1100 a 1600 $/m3/giorno per impianti di grande capacità;
- MED: da 900 a 1250 $/m3/giorno per impianti di media capacità;
- OI : da 500 a 1000 $/m3/giorno per impianti di varia capacità.
I valori effettivi possono subire variazioni anche sostanziali a seconda del sito, del livello di salinità
dell’acqua trattata e dei tipi di energia ed elettricità disponibili.
Per i costi di esercizio, negli impianti di nuova generazione, si riscontrano, a causa del progresso
tecnologico e dell’ottimizzazione dei processi, costi minori negli impianti di nuova realizzazione
rispetto agli impianti già installati.
Altro fattore che incide sullo sviluppo delle tecniche di dissalazione è dato dall’aumento dei costi
dei metodi tradizionali di trattamento e gestione delle acque superficiali e sotterranee. Le cause di
questo aumento sono, come visto nei capitoli precedenti, diverse e spesso collegate: la diminuzione
della disponibilità delle fonti tradizionali, l’abbassamento o l’inquinamento delle falde (con la
necessità di scavare pozzi sempre più profondi). La legislazione ora considera l’acqua come un
bene economico soggetto a regole di mercato, come conseguenza, gli enti gestori hanno cominciato
a mettere in atto, oltre che una politica di miglioramento dell’approvvigionamento e di gestione a
scala pluristagionale, anche il ricorso a soluzioni alternative, quali il riuso delle acque reflue, la
distribuzione di acque di qualità diverse a seconda delle necessità, il trasferimento di acqua da
regione a regione o addirittura l’importazione dai paesi più dotati, la dissalazione.
Altro fattore rilevante, che spingerà sicuramente all’incremento di queste risorse, è dovuto al fatto
che il 70% della popolazione mondiale è insediata ad una distanza dai mari e dagli oceani che non
supera i 100 Km.
L’Arabia Saudita è il paese al mondo con il maggior numero di impianti, avendo da sola il 20%
degli impianti di grossa potenzialità. Secondo recenti proiezioni di mercato, con il maturare
dell’esperienza e con le tecniche sempre più evolute, questo trend continuerà a crescere e si
diffonderà a molte altre regioni costiere dell’Asia e dell’Africa.
103
L’economia della dissalazione non è legata solo ai grandi impianti. Alcuni tipi di tecnologia, quali
l’osmosi inversa, hanno la caratteristica di essere un processo applicabile sia a grande scala ché a
piccola scala, avendo la capacità di assolvere a differenti capacità produttive.
Gli impianti che maggiormente vengono utilizzati per produzione di acqua dissalata di buona
qualità sono gli MSF e OI .
La realtà gestionale odierna vede la tendenza da parte dei costruttori a fornire un pacchetto
completo alle amministrazioni, occupandosi di progettare, finanziare, costruire e gestire l’impianto
in prima persona, vendendo poi direttamente l’acqua dissalata, ciò rende l’economia della
dissalazione più forte di quella applicata nella gestione dell’acqua di falda e dell’acqua superficiale.
6.2. ANALISI TECNICA DEI COSTI
I costi del processo di dissalazione dipendono da molti fattori: questo tipo di tecnologia richiede,
oltre alle spese di investimento e di gestione ordinaria, anche quantitativi variabili di energia
termica, meccanica od elettrica per l’ottenimento del prodotto finale; attualmente l’energia
rappresenta una quota variabile tra il 35% ed il 55% del costo complessivo dell’acqua.
La richiesta energetica di un impianto di dissalazione varia tra i 6 ed i 20 kWh per m3 di acqua
dolce prodotta e questa variazione dipende, come abbiamo visto in precedenza, dalla tecnologia
utilizzata.
Il tipo di impianto, la tecnologia adottata e la fonte di energia impiegata, costituiscono i fattori sui
quali si articola tutto il problema passato, presente e futuro della dissalazione.
Dalle analisi svolte si rileva che i costi del capitale investito, la somma dei costi energetici e di
quelli di impianto varia, dal 70 al 90% del costo totale dell’acqua prodotta; questo dato rileva come
i costi di personale siano ridotti e come la diminuzione dei costi sia legata al progresso tecnologico
applicato.
6.3. COSTO COMPLESSIVO
II costo totale può essere scomposto nelle sue componenti principali: i costi di capitale necessari per
l’investimento, i costi energetici per lo svolgimento del processo, i costi operativi ed i costi di
manutenzione degli impianti produttivi.
Il costo complessivo di un’opera dipende dalle principali componenti di costo:
104
• Costi di capitale;
• Costi di energia;
• Costi operativi;
• Costi di manutenzione;
• Costi sociali.
I costi di realizzazione di un impianto di dissalazione possono essere studiati ed analizzati
considerando tutti i diversi aspetti relativi ai costi delle singole parti dell’impianto, ai costi di
engineering e a quelli legati ad aspetti finanziari (finanziamenti, interessi, ecc.).
Per effettuare una corretta analisi dei costi si deve fare riferimento alle analisi economiche
effettuate su impianti esistenti, per i quali i costi si dividono in:
Costi diretti (70+85%), costituiti da:
• acquisto ed installazione apparecchiature, 50-60% (negli impianti ad osmosi inversa il
costo dei moduli a membrana ammonta in genere al 50-60% dei costi diretti);
• eventuali costi legati alla produzione del vapore, elettricità, aria compressa, pozzi,
cisterne, che variano tra l’8 ed il 35%;
• costi per opere di presa a mare e di scarico effluenti, influiscono per il 5-10%;
• costi per opere civili varie, variabili tra il 6 ed il 20%.
Costi indiretti (15+30%), costituiti da:
• costi di ingegneria e supervisione, variabili tra il 4 ed il 21%;
• spese varie (assicurazione, servizi medici, permessi, costi legati ai finanziamenti, ecc.),
variano tra il 5 ed il 22%;
• costi di contingenze (calamità naturali, errori umani, variazione nei prezzi dei
componenti, ecc.), anche questi attestati tra il 5 ed il 20%.
E’ facile notare che molti di questi valori sono fortemente dipendenti dalla natura del processo
(processi non convenzionali potrebbero avere maggiori costi indiretti, legati alla maggiore
incertezza nella progettazione, al maggiore rischio, ecc.), dalla natura del sito (possono variare i
costi delle opere civili, delle opere di presa a mare e scarico, ecc.), dal costo della manodopera e dal
tipo di finanziamento ottenuto.
Ai costi di realizzazione sopra indicati vanno aggiunti i costi di esercizio, per i quali sarebbe utile
effettuare una suddivisione dei costi totali in costi energetici, costi di manutenzione e costi di
105
reagenti utilizzati (non sempre però è possibile fare questa suddivisione, poiché non sempre sono
reperibili dati in forma così dettagliata).
Sono dunque riportati di seguito alcuni paragrafi relativi alle tecnologie più diffuse, con dati
industriali sui costi di produzione di acqua dissalata da acqua marina o, in alcuni casi, da acque
salmastre.
Nell’eseguire l’analisi dei costi conviene distinguere, per meglio fare un confronto finale, i costi di
realizzazione dai costi di gestione.
6.3.1. Impianti di evaporazione ad efferati multipli (MED)
Per gli impianti di dissalazione tramite evaporazione ad effetti multipli i dati variano a seconda
dell’impianto, della capacità, della configurazione adottata e della zona geografica.
Dal punto di vista economico-progettuale può essere interessante valutare il numero ottimale di
stadi che devono comporre il sistema per ottenere le efficienze richieste ed in tal caso dobbiamo
considerare i fattori principali che determinano il costo degli impianti, cioè:
• i costi fissi (interessi sul capitale investito, ammortamento, imposte e spese di
manutenzione) che si possono, seppur semplificando, ritenere proporzionali al numero di
stadi (N);
• il costo giornaliero del vapore di riscaldamento che, anche in questo caso, semplificando,
possiamo valutare essere inversamente proporzionale al numero N di stadi. Da ciò
individuiamo la relazione fondamentale di riferimento:
BNC
xNCC Sf ++=
dove: C = costo totale per unità di acqua prodotta; N = numero di stadi;
Cf = costi fissi (come sopra individuati) per singolo stadio;
Cs = costo del vapore di riscaldamento;
B = variabile che comprende tutti quei componenti di costo che sono indipendenti dal numero di
stadi che compongono l’impianto (per esempio i costi di lavoro ordinario).
Effettuando il calcolo della derivata rispetto a N del costo totale avremo:
106
2xNCCdNdC
Sf −=
Ponendo la derivata uguale a zero:
0=dNdC
Si ottiene Ottimale che sarà dato da:
21
���
�
�=
F
SOTTIMALE C
CN
Il numero intero che più si avvicina a quello ottenuto fornisce il dimensionamento ottimale del numero degli stadi per un impianto ad effetto multiplo. Il rapporto Cs/Cf rappresenta il fattore economico vincolato alle condizioni esistenti nei luoghi in
cui vengono costruiti gli impianti; dipende dal costo del combustibile e dai materiali con i quali
l’impianto è realizzato.
Nella tabella 1 sono riassunti ed indicati i costi di realizzazione di impianti MED, espressi in
dollari statunitensi :
COSTO TOTALE
IMPIANTO
CAPACITA’
GIORNALIERA
(m3/giorno)
COSTO PER
UNITA’ DI
PRODOTTO
($/(m3/giorno))
ANNO DI
COSTRUZIONE
35.050.000 22.730 1.562 1993
42.200.000 17.280 2.442 2002
57.600.000 35.000 1.646 2002
67.200.000 32.000 2.100 1993
70.400.000 37.850 1.860 1992
89.700.000 48.000 1.869 2002
187.100.000 340.956 548 1994
244.000.000 239.680 1.018 2002
Tabella 1
Si nota come l’andamento dei costi specifici varia con l’anno di realizzazione e con la capacità
dell’impianto; la differenza sta nel luogo dove è ubicato l’impianto.
I parametri di costo più significativi sono il rapporto di performance (consumo di energia termica),
il consumo di energia elettrica per il pompaggio, i costi legati ai tempi di manutenzione ed i costi e
le problematiche relative alla quantità e tipologia di reagenti chimici immessi nelle correnti in per la
dissalazione.
107
Nella tabella 2 sono riportate informazioni sui costi di esercizio e su alcuni dei suddetti dati
gestionali di impianti realizzati in varie parti del mondo: un altro fattore che può influenzare il costo
è il pre-trattamento e il il post-trattamento (trattamento medio di potabilizzazione) del dissalato.
(I costi specifici delle varie fasi del processo sono riportati solo quando reperiti)
Anno
Capacità [m3/giorno]
Note
Consumo energetico [$/m3]
Reagenti chimici [$/m3]
Rapporto di rendimento
Costo unitari. [$/m3]
1992
37.850
0,35
0,024
1,08+
1993
22.730
0,49
0,061
1,24+
1993
32.000
Recupero di calore da turbine a gas
1,147
0,207
1,31
1994
340.956
Vertical Stack, 30 effetti
0,129
0,04
0,48+
1998
9.600
MED con pompe di calore ad assorbimento e cogenerazione
0, 1 65
0,08
21
0,35*
1999
35.000
2 unità LT-MED con termocompr. e cogenerazione
-
-
-
0,834+*
1998
10.000
MED con cogenerazione
5 kWh/m3
1999
5.000
LT-MED TVC a 17 effetti (1981)
-
-
13-14
-
1999
9.000
HT- MED a 17 effetti (1973)
-
-
7-8
-
1999
50.000
LT-MED TVC a 12 effetti (Trapani, 1992)
1 kWh/m3
-
16
1,75*
+ Considerando i costi d’ammortamento dell’impianto * Sottraendo i guadagni provenienti dalla vendita di energia prodotta Tabella 2
108
Si può fare, in base ai dati raccolti, una stima sul consumo e sui costi dei reagenti chimici usati negli
impianti MED convenzionali, indicati in tabella 3:
Reagente
Costo unitario [$/tonn]
Dosaggio [p.p.m.]
Corrente di dosaggio
Costo specifico ($/m3/di dissalato)
NaClO
284
14
Acqua di mare prelevata
0,04
Anti-incrostante (Belgard EV+)
I486
5+10
Alimentazione
Variabili da 0,014 a 0,02
NaClO
284
3
Distillato
0,0009
CaCl
210
18
Distillato
0,004
NaHCO3
270
23
Distillato
0,006
Tabella 3.
6.3.2. Impianti di dissalazione ad espansioni multiple (multiflash)
La tecnologia MSF è diffusa ed affermata; anche in questo caso l’andamento dei costi di impianto
varia con l’anno di realizzazione e con la capacità dell’impianto. Il costo specifico è rimasto
costante negli anni, pur presentando notevoli variazioni dovute alle differenze tra i siti e la tipologia
d’impianto.
Si nota una netta diminuzione del costo specifico all’aumentare della capacità dell’impianto,
specialmente per impianti di dimensioni relativamente piccole (capacità che variano dai 30.000 ai
50.000 m3/giorno sono da ritenersi piccole per un impianto MSF).
È possibile sintetizzare i costi legati alla realizzazione di questi impianti in una tabella (tabella 4),
nella quale si possono notare la costanza del costo specifico e la differenza di costo dovuta
all’ubicazione geografica:
109
Anno
Costo totale dell’impianto [$]
Capacità dell’impianto [m3/giorno]
Luogo Costo per unità di prodotto [$/(m3/giorno)]
1993
72.600.000
32.000
2.269
1993
76.817.000
45.460
1.690
1992
60.500.000
37.850
1.598
1999
168.000.000
136.200
Bharain
1.233
1989
516.000.000
262.400
Kuwait
1.966
2001
330.000.000
227.000
Emirati Arabi
1.454
1998
476.400.000
454.000
Arabia Saudita
1.049
1985
372.000.000
392.400
Kuwait
948
Tabella 4
Come nel caso dei costi di impianto, anche i costi di esercizio su impianti MSP, sono di difficile
reperimento nella letteratura internazionale.
Nella tabella 5 sono riportate alcune informazioni raccolte nella letteratura che riportano i costi
totali di produzione e, in tre casi, i costi energetici e dei reagenti chimici.
Anno
Capacità impianto (m3/giorno)
Particolari
Consumo energetico specifico ($/m3)
Reagenti chimici ($/m3)
Costo per unita di prodotto ($/m3)
1992
37.850
0,35
0.024
1,25
1993
45.461
0.88
0.058
1,61
1993
32.000
Con recupero di calore da turbine a gas
1,098
0.207
1,44
l987
Con cogenerazione
-
-
0.77
l987
Senza cogenerazione
-
-
1,84
Considerando i costi d’ammortamento dell’impianto Tabella 5
110
6.3.3. Impianti ad osmosi inversa
Per impianti che adottano la tecnologia dell’osmosi inversa i costi di produzione e di impianto
possono variare significativamente al variare della salinità, della qualità dell’acqua, della
percentuale di solidi sospesi, della ubicazione geografica.
Anche per gli impianti ad osmosi inversa è stata effettuata un’analisi degli andamenti dei costi
specifici al variare dell’anno di realizzazione e della capacità dell’impianto, ed altri parametri, dai
quali può dipendere la grandezza dei pretrattamenti ed i costi di manutenzione.
Nella tabella 6 sono riassunti i costi di impianto dedotti da impianti esistenti e nella loro
interpretazione si devono tenere presenti i parametri di variabilità dei costi:
Anno
Costo totale dell'impianto[$]
Capacità dell'impianto (m3/giorno)
Note
Costo per unità di prodotto [$/(m3/giorno)]
1981
924.000
1 .000
Acqua marina
924
1992
49.700.000
37.850
Acqua marina
1.313
1993
53.300.000
32.000
Acqua marina
1 .666
1999
98.000.000
94.625
Alimentazione con salinità da 26 a 30 gr/litro
1 .035
200l
42.400.000
32.822
Acqua marina; costo comprensivo di opere civili
1 .292
2001
37.700.000
32.822
Acqua marina; costo comprensivo di opere civili
1.149
l998
11 .000.000
10.000
Impianto costruito ad Eilat (Mar Rosso) Salinità alim. 37 gr/lt
1.100
1998
20.240.000
20.000
Impianto costruito ad Eilat (Mar Rosso) Salinità alim. 37 gr/lt
1.012
111
1998
14.355.000
15.000
Isole Canarie
957
2002
163.000.000
108.800
Kuwait
1.498
2002
41.210.000
40.000
Giappone
2.280
2002
90.070.000
42.000
Spagna
2.145
2002
45.000.000
54.000
Cipro
833
Tabella 6 I costi di impianto ed i costi di esercizio nei processi a membrana diminuiscono drasticamente al
diminuire della salinità dell’acqua da trattare. Dalle analisi delle acque prodotte si riscontra che
questa tecnologia è in costante e continuo miglioramento.
L’andamento dei costi è inversamente proporzionale alle capacità dell’impianto.
Nell’analisi dei costi gestionali di diversi impianti ad osmosi inversa esistenti si considerano anche i
costi relativi ai processi di pretrattamento e di condizionamento dell’alimentazione (utilizzo di
reagenti, flocculanti e disinfettanti).
Nella tabella 7 sono indicati alcuni dati sui costi di reagenti chimici utilizzati in generale nei
processi di dissalazione ad osmosi inversa:
Reagente
Costo unitario [$/Kg]
Dosaggio [p.p.m.]
Costo specifico [$/m3]
Acido solforico
0,09
25-50
0,002-0,004
Bisolfito di Sodio
0,5
0-140
0,07
Cloruro Ferrico
0,2
0-25
0,05
Alluminato di Sodio
-
0-45
-
Carbonato di Sodio
-
0-300
-
Soda caustica
0,7
0-14
0,0098
Anti-incrostante
1.9
5-10
0,009 - 0,02
Cloro
0,5
4-10
0,002 - 0,005
Tabella 7
112
I consumi energetici ed i costi di produzione sono dedotti dai dati ricavati da vari impianti ad
osmosi inversa esistenti nel mondo, riportati nella tabella 8:
Anno
Capacità [m3/giomo]
Note
Consumo energetico specifico [kWh/m3]
Prodotti chimici [$/m3]
Sostituz. membrane & riparazioni [$/m3]
Costi energetici specifici [$/m3]
Costo unitario [$/m3]
1992
37.850
-
-
0,153
0,35
1,09
1993
32.000
-
-
0,27
0,63
1,39
1990
100
0,35
0,17
2,37
1994
20.000
0,07
0,3
0,58
1999
94.625
Salinità: 26 a 30 gr/litro
-
-
-
-
0,55
2001
32.822
4,27*
0,047
0,143
0,128
0,823+
2001
32.822
3,53*
0,047
0,131
0,106
0,747+
1999
6.000
Jersey (GB) Salinità alim. 38000 ppm
6,76"
0,13
-
0,338
0,69+
1998
20.000
Eilat (Mar Rosso) Salinità alim. 37000 ppm
4,2*+
0,035
0,065
0,252
0,732+
1994
15.000
Isole Canarie
5,6*+
0,336
0,834+
2002
550
Isola di Oia (Grecia)
7,6
0,133
0,40
0,57
1,390-
2002
2.000
Isola di Syros (Grecia)
4,4
0,048
0,11
0,33
0,888'
2002
1.500
Isola di Myconos (Grecia)
0,3
0,06
0,36
0,023
0,759"
Tabella 8
113
I costi di un impianto per osmosi inversa variano in funzione delle dimensioni dello stesso. In
generale, la percentuale sul capitale d’investimento per l’acquisto delle membrane necessarie, può
variare tra il 10 ed il 40%, rispettivamente per piccoli e grandi impianti. La parte di spese che
riguarda gli altri componenti del circuito (pompe, valvole, tubazioni, contenitori) può raggiungere
anche il 40% dei costi totali nei grandi impianti; invece, la parte elettronica di controllo automatico
del sistema (PLO) può arrivare al 15% dell’investimento. I lavori di tipo civile legati all’ubicazione
dell’impianto diventano importanti per grossi impianti, dato che, spesso, è possibile inserire il
sistema in poco spazio.
Per quel che riguarda i costi operativi, la sostituzione delle membrane richiede la spesa maggiore,
tra il 30 ed il 45% del totale; infatti, la vita media delle stesse può variare tra i 6 mesi, in trattamenti
di acque particolarmente aggressive, ed i 4-6 anni (di solito la garanzia allegata è però di 2-3 anni).
Decidendo di adoperare membrane ceramiche anziché polimeriche, si andrà incontro ad una spesa
iniziale maggiore, bilanciata però da una durata più lunga delle membrane esposte alle medesime
condizioni. I pretrattamenti sono un altro fattore molto importante, da valutare per ogni singolo
caso, mentre, la pulizia delle membrane contribuisce mediamente al 5-10% sul totale dei costi
operativi.
I costi legati alla dissalazione dell’acqua marina sono, normalmente, dell’ordine di $ 0,55-0,80 per
m3 d’acqua permeata, nel caso in cui l’impianto produca più di 50000 m3/die.
Per impianti da 10000 a 50000 m3/giorno, i costi salgono a $ 0,68-0,81 per m3. Nel caso di acqua
salata con un grado di TDS pari a 33g/l, la norma prevede costi di $ 0,25-0,28 per m3, ma è facile
intuire che la dissalazione di acqua salmastra sarà più economica della dissalazione dell’acqua
marina. In generale, comprendendo anche i costi di ammortamento del capitale, le spese per il
personale addetto alla manutenzione, si deve considerare, un costo reale totale di circa $ 2 per m3 di
acqua dissalata.
Tecniche innovative di recupero energetico applicate al flusso possono abbassare i costi almeno del
10%.
6.3.4. Impianti ad elettrodialisi inversa Anche per questo tipo di impianto si sono cercati di riassumere in tabelle i costi di impianto ricavati
da dati forniti da impianti esistenti
Dalla tabella 9 si nota che i costi di impianto sono abbastanza bassi, molto simili a quelli visti per
l’osmosi inversa di acque, confermando la maggiore efficacia dei processi a membrana per la
dissalazione delle acque salmastre.
114
Costo totale dell’impianto [$]
Capacità dell’impianto [mVgiorno]
Note
Costo per unità di prodotto [$/(m3/giorno)]
3.490.000
3.788
USA (1999)
921
40.870.000
45.420
USA (1994)
900
620.000
600
Giappone (2000)
1.033
13.300.000
15.000
Iran (1994)
887
7.320.000
8.000
Spagna (1987)
915
13.900.000
14.400
Italia (1992)
965
Tabella 9 Nell’analisi dei costi d’esercizio sarebbe molto utile effettuare una suddivisione dei costi totali in
costi energetici, costi di manutenzione e costi di reagenti utilizzati. Tutto ciò è stato fatto ove
possibile, mentre in alcuni casi le informazioni si limitano soltanto ad alcune voci, lasciando al
lettore la possibilità di estrapolare gli altri valori utilizzando le informazioni relative agli impianti
più simili.
Per individuare le condizioni operative ottimali per il funzionamento dell’impianto si può
determinare l’espressione che individua il costo totale dell’acqua per questo processo; tale costo
dipende da:
• il costo dell’energia elettrica necessaria al processo (che è proporzionale alla produzione
dell'impianto);
• i costi legati al numero di celle funzionanti che possiamo in via approssimativa considerare
come spese derivanti da: interessi sul capitale investito, ammortamento ed altri costi
connessi direttamente imputabili. Tali costi sono inversamente proporzionali al tasso
produttivo (e quindi all’energia elettrica utilizzata) in quanto caratterizzati da una minore
incidenza all’aumentare delle unità prodotte;
• i costi derivanti dai processi di trattamento chimico effettuati.
Il costo totale può essere individuato dalla:
115
21
���
�
�=
E
OOTTIMALE C
CI C
IC
ICC OET +�
�
�
�+×=
dove:
TC = costo totale per produrre l’acqua nel ciclo;
EC = tariffa energetica della densità di corrente elettrica impiegata per lo svolgimento del processo;
I = densità di corrente necessaria per lo svolgimento del processo (riferita sia alla fase di
elettrodialisi vera e propria, ché alla potenza motrice della pompa di alimentazione dell’acqua del
sistema.
OC = costi legati al numero di celle funzionanti
C = costi per i trattamenti chimici ed altri costi generalmente, e per larga parte, non dipendenti
dall’energia elettrica impiegata.
Calcolando la derivata rispetto ad I ed uguagliandola a zero si ottiene il valore ottimale di densità di
corrente necessario al ciclo:
21
���
�
�=
E
OOTTIMALE C
CI
Il numero di celle da impiegare deve essere scelto in modo da uguagliare i costi di fornitura
energetica ed i costi annuali totali per interessi, ammortamenti ed altri costi fissi direttamente
inerenti.
6.4. CONFRONTO TRA LE TECNOLOGIE DI DISSALAZIONE
Un confronto tra le tecnologie descritte nei capitoli precedenti ci permette di capire meglio i limiti e
le caratteristiche dei diversi processi di dissalazione. Tra le tecnologie che andremo a valutare
tralasciamo volutamente i processi minori di dissalazione trattati nel capitolo quarto, poiché sono
ancora in una fase di sperimentazione e non sono commercialmente diffuse.
Le tecnologie che possono essere confrontate sono:
• Osmosi Inversa;
• Multiflash (Multi Stage Flash);
• Effetti multipli;
• Compressione meccanica del vapore.
116
6.4.1. Esercizio di impianto I diversi processi vengono classificati in base alla semplicità tecnologica adottata (1 asterisco:
semplici; 5 asterischi: complessi) ed in base al tempo medio di avviamento; questi due parametri
sono importanti per valutare il grado di complessità che influenza i costi e la manutenzione e
l’elasticità dell’impianto. Un avviamento rapido denota un impianto idoneo a situazioni di
emergenza o situazioni nelle quali è richiesta elasticità di erogazione; un avviamento lento,
proporzionale alla complessità di un impianto, indica un impianto idoneo a grandi produzioni di
acqua dissalata, ma che non ha elasticità operativa.
In tabella 10 è indicato il confronto riferito alla semplicità di esercizio e al tempo di avviamento:
Classifica (dal più semplice al più complesso)
Tecnologia
Tempo medio di avviamento (ore)
*
Osmosi inversa
2
**
Compressione meccanica del vapore
2
****
Effetti multipli
Più di 3 ore
*****
Multiflash
Più di 4 ore
Tabella 10 La manutenzione degli impianti è un’altra voce che incide in maniera determinante sia sulla scelta
dell’impianto (costi di investimento), sia sui costi di gestione; i processi termici sono quelli che
richiedono minor manutenzione, poiché il loro elemento base è una apparecchiatura statica
(l’evaporatore), soggetta solo a problemi di incrostazione e corrosione.
Gli impianti multiflash sono i meno impegnativi, consentendo periodi di esercizio che possono
raggiungere i due anni di lavoro continuo. Gli impianti per evaporazione ad effetti multipli, pur
lavorando in genere a temperature molto basse (al di sotto dei 60-70 °C) e quindi presentando scarsi
problemi di incrostazioni, richiedono la manutenzioni dei fasci di tubi degli evaporatori, più o meno
frequenti a seconda dell’acqua di alimentazione.
L’osmosi inversa, invece, presenta problemi per la manutenzione della pompa principale (che per
dissalare acqua di mare lavora attorno ad una pressione variabile tra le 60 e le 80 atm) e per il fatto
117
che le membrane hanno una vita limitata (massimo 5 anni), per cui in media dopo tre anni di
servizio è richiesta la graduale sostituzione.
La teorica semplicità di esercizio degli impianti ad osmosi inversa può essere compromessa dalla
presenza di stadi di pretrattamento dell’acqua di mare, necessari per preservare a lungo l’efficienza
delle membrane.
Il processo ad osmosi inversa richiede che l’acqua in alle membrane abbia la caratteristica di non
torbidità, per questo sono previsti pretrattamenti che in alcuni casi, per il loro costo e per la loro
superficie occupata, inducono ad abbandonare la tecnologia ad osmosi inversa. L’uso di questa
tecnologia è sconsigliato quando le caratteristiche chimico/fisiche dell’acqua siano variabili nel
tempo, come ad esempio nei mari caratterizzati da bassi fondali sabbiosi, nei quali la torbidità varia
notevolmente con il variare delle condizioni climatiche locali. I pretrattamenti si scelgono in base
alla qualità delle acque a disposizione: solitamente come pretrattamento si adottano sistemi in grado
di rimuovere particelle dell’ordine dei 5 µm (filtri a sabbia, iniezioni di reagenti chimici per il
controllo del pH, clorazione).
Per gli impianti che adottano una tecnologia della compressione meccanica del vapore, il problema
principale è dato dal compressore che, trattando il vapore umido in condizioni di alte pressioni, è
soggetto a vibrazioni e a deterioramento meccanico, che impone un costante e continuo controllo.
Le incrostazioni riducono l’efficienza operativa e richiedono, per essere eliminate, lavaggi acidi che
deteriorano i materiali dell’impianto (giunzioni e guarnizioni).
L’affidabilità degli impianti è inversamente proporzionale alla richiesta di manutenzione; la
classificazione sull’affidabilità è dedotta dalla manutenzione e dai dati provenienti dagli impianti: i
procedimenti più affidabili sono sicuramente il processo che adotta tecnologia multiflash e il
processo per evaporazione ad effetti multipli, poiché sono i primi processi ad essere stati adottati e
sono i più collaudati; seguono i processi di dissalazione per compressione meccanica del vapore e,
come meno affidabili, i processi ad osmosi inversa. La non affidabilità è controllata con un’attenta
manutenzione che, come è successo per gli altri processi di dissalazione, calerà con la diffusione
degli impianti ed attraverso l’impiego di tecnologie meno delicate e più efficienti.
118
La tabella 11 rappresenta, in maniera schematica, il confronto delle tecnologie, indicando anche il
grado di complessità:
Tecnologia
Tipo di manutenzione
Oggetti di particolare manutenzione
Affidabilità
Multiflash Effetti multipli
Ordinaria
Pompe; regolazione
****
Compressione meccanica del vapore
Eccezionale
Compressore
***
Osmosi inversa
Continua
Membrane; pompa principale
*
Tabella 11 L’energia necessaria al processo di dissalazione varia da impianto ad impianto e, nel caso di uguali
scelte impiantistiche, varia a seconda della tecnologia adottata per il recupero del calore (nei
processi termici) e varia a seconda della qualità dell’acqua da trattare.
Si è visto nei capitoli precedenti che i processi di dissalazione si classificano in base al tipo di
energia utilizzata: i processi ad osmosi inversa e quelli di compressione meccanica del vapore
utilizzano esclusivamente energia elettrica, rendendo l’installazione di questi impianti svantaggiosa
in quei luoghi dove scarseggia l’energia elettrica; in alcuni casi, per ovviare alla mancanza di
energia elettrica questi impianti, non idonei dove vi è scarsità di energia elettrica, si sono installate
centrali di produzione per l’uso dei dissalatori. Negli ultimi anni si sono studiati alcuni sistemi che
accoppiano fonti energetiche alternative e processi di dissalazione ad alte rese, risolvendo in alcuni
casi il problema dell’approvvigionamento idrico in siti isolati, proprio come le isole minori.
Gli impianti Multiflash e ad effetti multipli necessitano di una piccola quantità di energia elettrica
(utilizzata esclusivamente per far lavorare le pompe che prelevano l’acqua dal mare); la restante
energia richiesta al funzionamento dell’impianto è di tipo termico ed è legata ai costi dei
combustibili.
119
Nella tabella 12 sono rappresentate le percentuali di energia utilizzata dai diversi impianti:
Impianto
Energia elettrica
Energia termica pregiata (vapore)
Consumo totale energetico (%)
Effetti multipli
5
95
100
Multiflash
10
90
100
Osmosi inversa
100
-
100
Compressione meccanica del vapore
100
-
100
Tabella 12 Nella tabella 13 sono rappresentati i consumi energetici necessari a produrre 1m3 di acqua dissalata: Impianto
Energia elettrica (kWh/m3)
Energia termica pregiata (Kg di vapore/Kg di dissalato)
Effetti multipli
1-3 0,07-0,11
Multiflash
2-4
0,08-0,13
Osmosi inversa
4-8
-
Compressione meccanica del vapore
8-17
-
Tabella 13 Nella tabella 14 è indicata la quantità di combustibile necessaria per creare la fase per gli impianti che utilizzano energia termica: COMBUSTIBILE Combustibile necessario per ottenere l’evaporazione di 1 m3 di acqua Petrolio 51 kg Carbone bituminoso 81 kg Metano 40,6 kg Butano 45,6 kg Monossido di Carbonio 222 kg Tabella 14
120
I costi, sia pur in maniera approssimata, possono essere paragonati con difficoltà, poiché i fattori
che intervengono in un sistema di dissalazione sono di diversa natura e hanno caratteristiche molto
differenti tra loro.
I confronti che si riescono a fare sono a carattere orientativo e limitati alle unità di dissalazione,
escludendo tutte le opere che completano gli impianti.
Per praticità, conviene suddividere gli impianti secondo tre classi, riferite alla capacità produttiva di
acqua dissalata.
Nella tabella 15 si indicano con un asterisco, gli impianti meno costosi e, con 5 asterischi, gli impianti più costosi: Fino a 500 m3/giorno
Da 500 a 2000 m3/giorno
Oltre 2000 m3/giorno
Indice di costo
OI
OI
OI
*
MVC
MED
MED
**
MED
MSF
MSF
****
MSF
MVC
MVC
*****
Tabella 15 Si vede come il costo cresce all’aumentare della complessità impiantistica e della tecnologia di
recupero energetica adottata; le tecnologie per il recupero energetico in media sono recuperate
nell’arco di venti anni di esercizio.
A titolo di riepilogo relativo ai costi di impianto si riportano in tabella 16 i costi impiantistici di
realtà esistenti:
Tipologia di processo
Capacità impianto (m3 /giorno)
Costo per m3/ giorno di prodotto [$/(m3 /giorno)]
Osmosi inversa
1.000
924
Osmosi inversa
95.000 (salinità da 26 a 30 gr/litro)
1.035
Osmosi inversa
1.000
894
Compressione meccanica dl vapore
1.200
1.322
Multiflash
37.850
1.598
Multiflash
32.000
2.269
121
Effetti multipli
32.000
2.100
Effetti multipli
22.700
1.562
Tabella 16
Anche i costi di esercizio sono fortemente influenzati dalle tecnologie adottate e non può essere
fatto un confronto dettagliato. I costi di esercizio non sono, come nel caso precedente, strettamente
legati alla portata di dissalato prodotta o alla tecnologia di dissalazione impiegata.
Nella tabella 17 si indicano con un asterisco gli impianti meno costosi, e con 5 asterischi gli
impianti più costosi da un punto di vista della gestione:
IMPIANTO INDICE DI COSTO Osmosi inversa * Compressione meccanica del vapore ** Effetti multipli *** Multiflash ***** Tabella 17
Riferendoci a dati rilevati nelle realtà impiantistiche esistenti nel mondo, in tabella 18 sono indicati
i costi di esercizio di alcuni impianti, suddivisi per tipologia, capacità ed indicando il costo unitario
(espresso in dollari) di 1 m3 di dissalato (nei dati riportati si escludono i costi di ammortamento):
Tipologia di impianto
Capacità dell’impianto (m3 /giorno)
Note
Costo unitario [$/m3]
Effetti multipli
37.850
1 ,08
Effetti multipli
32.000
Con recupero di calore da turbine a gas
1.31
Effetti multipli
Con cogenerazione
0.87
Effetti multipli
Senza cogenerazione
1 ,95
Effetti multipli
340.956
Vertical Stack, 30 effetti
0.48
122
Effetti multipli
9.600
MED con pompe di calore ad assorbimento e cogenerazione
0,35
Multiflash
37.850
1 ,25
Multiflash
45.461
1,61
Multiflash
32.000
Recupero di calore da turbine a gas
1,44
Multiflash
Con cogenerazione
0,77
Multiflash
Senza cogenerazione
1,84
Osmosi inversa 20.000
0,58
Osmosi inversa 32.822
Acqua marina
0,823
Osmosi inversa 32.822
Ricircolo della salamoia
0.747
Osmosi inversa 6.000
Jersey (Gran Bretagna), Salinità 38000 ppm
0,69
Tabella 18 6.4.2. Confronto sulla qualità delle acque prodotta I processi termici e per compressione meccanica del vapore producono acqua distillata con un
contenuto salino generalmente inferiore alle 10 ppm di solidi disciolti totali, indipendentemente
dalla qualità dell’acqua da trattare e da sue variazioni.
Il processo ad osmosi inversa invece abbatte il contenuto salino dell’acqua da trattare portandola
solitamente intorno ai 300-500 ppm. In funzione del contenuto salino in ingresso si seleziona il
numero di membrane in serie: se il contenuto salino dell’acqua da trattare in un impianto ad osmosi
inversa varia, le stesse variazioni si riscontreranno sul prodotto (variazioni che possono verificarsi
ad esempio nel caso di acque salmastre che diventano via via più saline all’aumentare
dell’estrazione), per cui occorre modificare l’impianto per adattarlo alla nuova situazione.
123
La vita media di un impianto dipende dalla tipologia del processo utilizzato. I processi termici sono
quelli che danno meno problemi di manutenzione ed in particolare il processo Multiflash e quello
ad effetti multipli sono caratterizzati da una elevata affidabilità che ne garantisce anche una lunga
vita. La grande esperienza maturata in campo mondiale sulla tecnologia Multiflash ha mostrato che
un impianto ben gestito può raggiungere una vita di 30-40 anni.
Per quanto riguarda i processi a membrana il fattore determinante è ancora una volta l’usura delle
membrane: i moduli per l’osmosi inversa vanno sostituiti al massimo ogni 5 anni di esercizio. Il
tempo di utilizzo efficace dei moduli varia al variare della qualità dell’alimentazione, riducendosi a
2-3 anni nel caso di alimentazioni a bassi di salinità. Gli altri componenti di un impianto ad osmosi
inversa sono invece soggetti all’usura come nelle altre tipologie d’impianto, potendo dunque
garantire una vita media che può andare dai 20 ai 30 anni.
Anche per questo motivo continuano a svilupparsi nel mondo arabo tecnologie basate non
sull’osmosi inversa, ma su impianti che resistono maggiormente alla quantità di sali disciolti.
6.5. PROBLEMI AMBIENTALI
Anche le tecnologie di dissalazione, come tutte le tecnologie industriali, presentano problemi di
carattere ambientale. Il problema comune di tutte le tecnologie di dissalazione è lo smaltimento
della salamoia, che contiene di solito una quantità di sali doppia rispetto all’acqua di mare in
ingresso, ad una temperatura più elevata e ad un pH più basso. Nella maggior parte dei casi nella
salamoia sono contenuti anche gli agenti chimici utilizzati per il pretrattamento dell’acqua di
alimentazione.
Lo smaltimento della salamoia è un aspetto che incide sia per quanto riguarda l’impatto ambientale,
sia per la gestione economica.
Lo smaltimento della salamoia avviene in maniera differente, a seconda che si tratti di un impianto
di dissalazione costiero o di un impianto di dissalazione posto nell’entroterra.
Se consideriamo un impianto costiero, la salamoia viene rigettata in mare senza alcun trattamento di
purificazione, ma questa non potrà essere a lungo la soluzione allo smaltimento di tale effluente: si
sono riscontrati, in prossimità di impianti di dissalazione, mutazioni sulla flora e sulla fauna marina.
Sono allo studio modelli matematici che si basano sulla diluizione e lo spargimento della salamoia
su una zona più ampia, che potrebbero risolvere il problema, analogamente a quanto avviene, ad
esempio, con lo smaltimento di acque reflue depurate a valle di un impianto di trattamento a
servizio di un centro urbano.
124
Sarebbe quindi necessario, per un attento spargimento della salamoia in mare, adottare alcune
accortezze:
• Verificare la possibilità di scarico della salamoia in ampie zone, senza andare a ledere
equilibri di zone soggette a particolari restrizioni;
• Limitare l’uso dei prodotti chimici usati nei pretrattamenti e nei processi di manutenzione
delle membrane;
• Scaricare la salamoia con apposite condotte in zone distanti dalla costa, poste sul fondo ed
in zone non soggette alla pesca.
Per impianti di dissalazione posti nell’entroterra, come quelli per la dissalazione di acque salmastre,
il problema acquista un valore fondamentale: bisogna fare in modo di non inquinare le acque
superficiali o profonde con la salamoia prodotta. I metodi di smaltimento usualmente utilizzati
comprendono la diluizione, l’iniezione in falde acquifere di bassa qualità (quindi non utilizzabili),
l’evaporazione, il trasporto tramite condotta fino ad un opportuno punto di smaltimento.
Ovviamente tutti questi trattamenti incrementano i costi dell’acqua dissalata prodotta.
Allo stato attuale questo potrebbe essere un fattore limitante dello sviluppo della dissalazione in
zone laddove essa è giustificata economicamente. Una tendenza interessante in tal senso è quella di
cercare di limitare pretrattamenti dell’acqua di mare con prodotti chimici a favore di trattamenti
meno impattanti sull’ambiente, come quelli di tipo tradizionale (anche se a minore efficienza), nel
caso di siti particolarmente sensibili.
Un’altra strada percorribile, che trova i suoi limiti nella disponibilità di spazi, sarebbe quella di
creare discariche per la salamoia e trattarla in maniera simile ai fanghi prodotti con in processi di
depurazione delle acque; essiccando termicamente la salamoia in appositi forni si avrebbe il
vantaggio di ottenere grandi quantità di sali (ovviamente da depurare dai reagenti chimici), grande
quantità di vapore riutilizzabile per il funzionamento dei forni, con l’incoveniente di avere una
corrente gassosa da trattare (ciò inciderebbe sui costi di produzione di acqua dissalata).
Il processo ad osmosi inversa è senza dubbio il più problematico perché richiede, oltre ai normali
dosaggi di disinfettante (in genere cloro attivo) e di reagenti che abbassano il rischio di corrosione e
incrostazione delle unità, dei pretrattamenti spinti (spesso con l’aggiunta di flocculanti) e l’utilizzo
di dosi significativamente più elevate di reagenti antincrostanti o di prodotti che inibiscono la
formazione di alghe. Le percentuali di dosaggio dipendono fortemente anche dalla natura dell’acqua
da dissalare, dal suo contenuto di solidi sospesi, dalla sua durezza e da altri fattori secondari.
125
Nella tabella 19 si riportano dosaggi di sostanze chimiche nei diversi impianti espressi in ppm: REAGENTE
MED e MVC
OI
MSF
Acido solforico
20
25-50
50
Bisolfito di Sodio
-
0+140
.
Ipoclorito di Sodio
15
Cloruro Ferrico
-
0-25
-
Alluminato di Sodio
-
0-45
-
Carbonato di Sodio
-
On-300
-
Soda caustica
-
0-14
Anti-incrostante
5
5-10
Cloro
5
4-10
Tabella 19
Il processo ad Osmosi Inversa è quello che più di tutti necessita di reagenti chimici, la cui quantità
ancora una volta può dipendere fortemente dalla qualità delle acque.
I processi ad effetti multipli a bassa temperatura richiedono solo piccole quantità di antincrostanti
ed eventualmente qualche additivo degasante.
Gli impianti che adottano tecnologia multiflash richiedono quantità più elevate di antincrostante,
maggiori trattamenti di degasaggio e lavaggi acidi con acido solforico che deve poi essere smaltito.
Lo smaltimento della salamoia in uscita può essere dunque un problema da prendere in
considerazione volta per volta, in modo da prevedere, ove necessario, opere di scarico a mare
attraverso diffusori che consentano una utile diluizione della soluzione fino a valori inferiori ai
limiti di nocività.
Sono interessanti gli studi che si stanno conducendo per valutare la fattibilità economica di separare
i sali disciolti nella salamoia di scarto: i risultati evidenziano una convenienza solo per la
separazione di cloruro di sodio, magnesio e bromo. Altri minerali e sali possono essere ottenuti a
costi molto minori da altre fonti e quindi non vi è economicità attuale nell’operare in questo senso.
Diviene necessario, quindi, tendere verso sistemi per la dissalazione che abbiano un più elevato
grado di ecocompatibilita complessivo.
126
6.6. CONCLUSIONI
Se da un punto di vista operativo suddividiamo gli impianti di dissalazione a seconda della loro
capacità produttiva, si arriva a stabilire:
• impianti di piccola dimensione (fino a 100 m3 al giorno di produzione);
• impianti di media dimensione (da 100 m3 a 200 m3 giornalieri);
• impianti di grande dimensione (oltre i 200 m3).
I primi soddisfano situazioni di emergenza idrica i piccoli insediamenti urbani, isolati dal contesto
acquedottistico e per i quali i costi di approvvigionamento mediante acquedotto sarebbero più
elevati e più scomodi da realizzare.
Le tecnologie applicabili in questi casi possono anche avvalersi della distillazione solare che, per
capacità operative inferiori ai 70 m3, presenta una convenienza economica rispetto sia alle
tecnologie utilizzanti la compressione del vapore o la distillazione multiflash, ché a qualsiasi
trasporto da una fonte originaria ubicata a distanze superiori ai 16 km dal luogo d’impiego. In tutti i
casi, se il valore (costo d’acquisizione) del terreno su cui sono costruiti gli impianti ad energia
solare è basso, si verificano senza dubbio le condizioni per l’utilizzo economico di queste
tecnologie “alternative”, date le maggiori aree coinvolte rispetto a quelle necessarie per le
tecnologie tradizionali.
Per impianti di dissalazione di piccole dimensioni si può adottare la tecnica della deumidificazione,
che però non sembra avere particolari connotati di diffusibilità: è un procedimento che ottiene
acqua dolce dalla deumidificazione dell’aria ed è attualmente in fase di studio per quelle zone dove
la temperatura dell’aria è superiore a quella dell’acqua, e dove i tassi d’umidità sono molto elevati e
non difficili da trovare.
Gli impianti di dimensione media sono quelli idonei all’approvvigionamento idrico di cittadine con
popolazioni sotto le 10.000 unità oppure di complessi industriali. In questi casi, i processi
applicabili danno risultati globalmente soddisfacenti, anche se i costi dell’acqua ottenuta sono
sensibilmente differenti.
127
Nella tabella 20 vengono riportati, in maniera approssimata, alcuni valori sul costo dell’acqua
dissalata relativa ad impianti di media dimensione, che producono dai 100 ai 200 m3 di acqua
dissalata al giorno; i costi sono espressi in $/litro di acqua dissalata:
Processo
Multiflash
Compressione meccanica del vapore
Osmosi inversa
Costi di capitale e di costruzione impianto
0,65
0,42
0,56
Costo energetico e di fornitura
1,48
1,15
1,19
Costo delle sostanze chimiche impiegate
0,32
0,02
1,67
Costo di sostituzione di componenti
0
0
0,37
Costo dell'acqua per m3 in dollari
2,45
1,59
3,79
Tabella 20
Gli impianti di grande dimensione stanno acquisendo ruoli di sempre maggior rilievo per le
forniture delle comunità cittadine più grandi; la scelta dell’impianto viene fatta sulla base dei costi,
dell’affidabilità, della qualità dell’acqua in entrata e sulla qualità dell’acqua dolce in uscita.
Nella tabella 21 sono riportati i valori dei costi relativi a grandi impianti di dissalzione con capacità
di produzione giornaliera intorno ai 6.000 m3 :
Processo
Multiflash
Effetti multipli
Osmosi inversa
Investimento in milioni di $
9,00
14,00
7,00
Ammortamento ( $/m3)
0,58
0,89
0,45
Manutenzione ($/m3)
0,08
0,13
0,06
Energia ($/m3)
0,54
0,17
0,44
Prodotti chimici ($/m3)
0,06
0,03
0,03
Membrane ($/m3)
0
0
0,15
Costo totale ($/m3)
1,26
1,22
1,13
Tabella 21
128
I processi ad Osmosi Inversa e quelli Multiflash sono quelli attualmente più convenienti per le
produzioni di grandi quantitativi d’acqua; la distillazione ad effetto multiplo a bassa temperatura,
presenta notevoli vantaggi termodinamici ed i minori inconvenienti a livello di incrostazioni che
può vantare; l’osmosi inversa presenta interessantissime opportunità future di sviluppo per effetto
dei considerevoli risparmi energetici che sembrano conseguibili. I costi dell’acqua ottenuta con i
metodi di distillazione ed osmosi inversa sono racchiusi entro valori che oscillano tra gli 1,4 e gli
1,9 $/m3 di acqua prodotta (dati riferiti all’anno 1991 e per grandi quantitativi prodotti).
Attualmente, elemento vincolante per la diffusione degli impianti di dissalazione, è la dimensione
delle unità impiantistiche: un impianto di grande dimensione non determina necessariamente
diminuzioni significative nei costi.
Il valore dell’acqua dissalata dovrebbe scendere sotto ai 0,15 $ per poter essere utilizzata a grande
scala, come per esempio in agricoltura.
Ancora, le tecniche di dissalazione non ci permettono di affermare che dissalare è più conveniente
ché trasportare acqua da luoghi dove abbonda a luoghi dove scarseggia; i dati a disposizione
evidenziano che rispetto ad un lungo trasporto, oltre i 100 km, è più conveniente dissalare in loco,
piuttosto ché ricorrere ad approvvigionamento idrico tradizionale dall’acquedotto.
129
CAPITOLO VII PRESENTAZIONE DI UN IMPIANTO IDEALE PER LA DISSALAZIONE
Introduzione A conclusione del lavoro svolto si vuole presentare la metodologia di progettazione di un impianto
ideale da noi ideato. La scelta è stata orientata verso un impianto di media capacità che evidenzi
tuttavia gli aspetti progettuali comuni ai grandi impianti, senza tralasciare la valutazione
dell’impatto ambientale dell’opera.
Il primo punto che abbiamo valutato è stato il quantitativo di acqua da produrre ovvero, trattandosi
di un impianto civile, il numero di persone da servire.
Il secondo passo è stato quello di stimare la miglior tecnologia applicabile. Si è così proceduto ad
una valutazione critica delle risorse energetiche a disposizione, individuando quella che è sembrata
essere la migliore e la più economica, privilegiando quelle rinnovabili, con il minor impatto
ambientale possibile. Scelta la tecnologia si è proceduto alla progettazione dell’impianto,
comprensivo di tutte le opere necessarie al suo funzionamento: reti di captazione, impianti di
potabilizzazione, allacciamento alla distribuzione e progettazione della rete di distribuzione.
7.1. Premesse L’impianto che si propone è un impianto di medie capacità produttive che come fonte energetica
sfrutta, applicando la tecnologia degli stagni solari, l’energia solare.
Supponendo che l’impianto debba servire una piccola comunità composta da circa 130.000 abitanti
ed ipotizzando una richiesta di acqua dolce di circa 300/litri al giorno per abitante, le portate
necessarie per il dimensionamento dell’impianto e degli organi connessi, espresse in litri e m3, sono
le seguenti:
• Portata giornaliera:
130.000 x 300 = 39.000.000 litri /giorno; 000.39000.1
000.000.39 = m3/giorno
• Portata oraria:
000.625.124
000.000.39 = litri /h; 162524000.39 = m3/h
130
• Portata istantanea:
=86400
39.000.000451,4 litri/sec; 451,0
36001625 = m3/sec;
• Portata annua:
39.000.000 x 365= 14,2x109 litri/anno; 39.000x365= 14.235.000 m3/anno.
Al fine dei calcoli, facendo lecite approssimazioni, per il dimensionamento dell’impianto adottiamo
le grandezze indicate in tabella 1:
PORTATA m3 LITRI
Annua 14,2 x 106 14,2 x 106
Giornaliera 39.000 39.000.000
Oraria 1625 1.625.000
Al secondo 0,45 450
Tabella 1
7.1.1. Caratteristiche dell’acqua da dissalare
Attenendoci a dei valori teorici, basati sulla media di acque presenti nel bacino del Mediterraneo,
possiamo considerare un’acqua con le caratteristiche mostrate nella tabella 2:
Temperatura 15-35 °C
pH 8
Totali solidi disciolti 35,1745 gr/Kg
Sodio 10,7678 gr/Kg
Magnesio 1,2975 gr/Kg
Calcio 0,4081 gr/Kg
Potassio 0,3876 gr/Kg
Stronzio 0,0136 gr/Kg
Cloruro 19,3605 gr/Kg
Solfati 2,70017 gr/Kg
Bicarbonato 0,1425 gr/Kg
Bromo 0,0659 gr/Kg
Fluoruro 0,0013 gr/Kg
Silicio 0,004 gr/Kg
altri 0,0278 gr/Kg
Tabella 2
131
Ipotizziamo che le caratteristiche dell’acqua dissalata siano in linea con le disposizioni di legge,
abbiano, quindi, le caratteristiche indicate in tabella 3:
pH
6-7
Conducibilità
circa 1000
�s/cm
Calcio
<5
mg/1
Magnesio
<3
mg/1
Sodio
100-150
mg/1
Cloruri
150-200
mg/1
Ferro
0,02 - 0,09
mg/1
Nichel
0,01 - 0,04
mg/1
Solfati
<25
mg/1
Tabella 3
7.1.2. Scelta dell’impianto
I dissalatori di modeste dimensioni, dell’ordine delle centinaia di m3/giorno, sono del tipo ad
osmosi inversa, caratterizzati da un elevato consumo di energia elettrica che varia tra gli 8 e gli 11
kWh/m3, da elevati costi di manutenzione dovuti, soprattutto, al costo delle membrane, e da una
notevole rumorosità che li rende di difficile installazione nei pressi di centri abitati. Per questi
motivi il prezzo dell’acqua dissalata fornita da dissalatori ad osmosi inversa, nel caso di piccole
comunità, risulta essere 4-5 volte il costo dell’acqua proveniente dall’acquedotto.
I costi finali dell’acqua potabile proveniente dai dissalatori, facendo una media tra i vari impianti in
Italia, viene a costare all’incirca 2 �/m3 e questo prezzo dipende strettamente dai costi dell’energia
legata al processo di dissalazione.
Le caratteristiche che deve avere il nostro impianto devono essere quelle di:
• Avere una produzione continua e costante di acqua dolce potabile per soddisfare l’utenza
civile;
132
• Avere un basso consumo di energia;
• Avere un impatto ambientale il più contenuto possibile;
Dall’analisi svolta nei capitoli precedenti, la tecnologia che più di tutte accontenta le nostre richieste
impiantistiche è quella della dissalazione per evaporazione ad effetti multipli: questa tecnologia è
quella che presenta il minor consumo di energia elettrica (variabile tra 1 e 3 KWh/m3); ha una
complessità impiantistica, se paragonata alle altre tecnologie, di grado medio medio; richiede una
manutenzione ordinaria, legata soprattutto alle incrostazioni saline; ha costi impiantistici contenuti;
è caratterizzata da un’elevato consumo di energia termica.
Le caratteristiche dell’impianto, relazionate agli altri processi di dissalazione, sono indicate nella
tabella 4:
Consumo di energia elettrica *
Consumo di energia termica ***
Complessità impiantistica **
Gardo di manutenzione *
Tabella 4 Dove: * = basso; ** =medio; *** = alto.
7.2. L’IMPIANTO
Ipotizzando un impianto di dissalazione che debba soddisfare una utenza di 130.000 abitanti che
consumano 300 litri di acqua al giorno, l’impianto deve avere una portata di 39.000 m3/giorno,
corrispondenti a 450 litri/sec. ( potenzialità annua 14,2x106 m3).
Ipotizziamo un impianto di dissalazione di evaporazione ad effetti multipli, costituito da quattro
moduli MED, ognuno a 12 effetti e della potenzialità, ognuno, di 9.750 m3/giorno, equivalneti a
1.128,8 litri/sec.
7.2.1. Descrizione del processo e scelte impiantistiche
Nel suo complesso un impianto di dissalazione si compone di diverse sezioni, che opportunamente
combinate, ottimizzano il processo. In particolare si deve porre l’attenzione a:
• Progettare un’opera di presa idonea alle caratteristiche impiantistiche;
• Progettare un’opera di trasferimento dell’acqua dal mare all’impianto, che minimizzi le
perdite ed il consumo energetico di pompaggio;
133
• Progettare una sezione idonea al pretrattamento dell’acqua prelevata dal mare, al fine di
preservare l’impianto e facilitare l’opera di dissalazione;
• Progettare ed adottare un sistema di scambiatori di calore che preriscaldino l’acqua
prelevata, prima che essa entri nella unità vera e propria di dissalazione;
• Individuare il tipo di tecnologia per dissalare che si adatti alle richieste progettuali;
• Individuare il numero di moduli necessari al processo di dissalazione, sulla base della
portata d’acqua da dissalare e sui componenti reperibili sul mercato;
• Dimensionare le caldaie necessarie per l’operazione di dissalazione;
• Progettare una sezione di potabilizzazione e sterilizzazione dell’acqua;
• Progettare e dimensionare una vasca di accumulo per l’acqua dissalata;
• Valutare, e nel caso progettare, i sistemi di collegamento tra l’impianto e la rete di
distribuzione;
• Valutare la strategia migliore per il recupero della salamoia.
7.2.2. Descrizione del processo
Opera di presa:
Dal mare viene prelevata l’acqua di alimentazione mediante un’opera di presa ad una profondità e
ad una distanza della costa adeguate alle caratteristiche di temperatura e di limpidezza richieste dal
processo di potabilizzazione. L’opera di presa dovrebbe distare dalla costa 300-400 metri, essere
posta ad una profondità di non meno di 15 metri di profondità, per mantenere costanti i valori della
temperatura, e posta su un fondale di tipo roccioso per evitare il sollevamento di sabbia o, ancor
peggio, di alghe.
Pompaggio dell’acqua:
L’acqua di mare viene convogliata in una condotta e portata in una stazione di pompaggio ubicata
in prossimità della battigia, qui viene trasferita all’impianto di dissalazione con una condotta in
pressione; tutto il trasferimento dell’acqua, dal punto di prelievo all’impianto, viene fatto con
l’impiego di 5 pompe centrifughe verticali, di cui 4 in esercizio ed 1 in attività solo durante le fasi
di manutenzione delle altre;
Per un impianto a 4 effetti singoli, il rendimento è definito da:
prodotto vapore dissalata acqua=η
134
Che ha un valore compreso, ricavato da tabelle in letteratura, tra 2 e 3; supponiamo che il
rendimento sia 2,5.
Dovendo produrre 1.625 m3/h di acqua dolce, allora il vapore prodotto ogni ora equivale a:
1.625/2,5 = 650 m3/h.
Per produrre 650 m3 di vapore occorrono esattamente 650 m3 di acqua, quindi dal mare la quantità
di acqua che deve essere prelevata equivale a 650 m3/h. Essendo 4 le pompe operative, ogni pompa
dovrà prelevare una portata di acqua pari a 650 /4=162,5 m3/h.
La potenza e la scelta della pompa si ricava dal grafico delle linee caratteristiche fornito da ogni
ditta costruttrice.
Pretrattamento:
Prima di entrare nell’impianto di dissalazione, l’acqua passa attraverso una vasca di decantazione
che ha lo scopo di un dissabbiatore; uscita dalla vasca di dissabbiazione, l’acqua viene filtrata per
eliminare anche le componenti più fini di sabbia.
Processo di dissalazione:
In questo stadio l’acqua viene dissalata secondo un processo ad effetti multipli con
termocompressione del vapore; il vapore da alimentare al primo effetto viene prodotto da un
compressore che aspira tutto il vapore in uscita dall’ultimo effetto e lo fornisce dell’energia
necessaria a sostenere il processo.
Progettazione del singolo effetto:
La progettazione del singolo effetto alla base del processo di dissalazione si affronta facendo
dapprima un bilancio di materia e di energia per individuare le portate di acqua in entrata ed in
uscita, le superfici di scambio dell’evaporatore e del condensatore.
Bilanci di materia:
Definendo Xb e Xf le salinità della salamoia e della soluzione in ingresso rispettivamente, si può
scrivere:
Mf = Md + Mb
MfXf = MbXb
135
Dalle quali si trovano:
Mb = Md(Xf /(Xb-Xf))
Mf = Md(Xb/(Xb-Xf))
dove:
M b= portata di salamoia non evaporata;
Md = portata di solvente evaporato;
Mf = portata di acqua di alimentazione.
Assumendo che il vapore in ingresso all’evaporatore Ms sia saturo e che esso scambi solo calore
latente, ed assumendo che i Cp delle soluzioni non varino significativamente al variare della salinità
e della temperatura entro i range che interessano il processo, il carico termico all’evaporatore ed al
condensatore sono rispettivamente:
Qe = MfCp(Tb-Tf) + Mdlv = Msls Qc = (Mf+ Mcw)Cp(Tf -Tcw) = Mdlv dove:
Ms = portata di vapore saturo;
Mcw= portata di acqua di raffreddamento;
Qe = quantità di calore in entrata nell’evaporatore;
Qc = quantità di calore in entrata del condensatore;
Cp = calore latente della soluzione;
Tb = temperature di ebollizione della temperature;
Tf = temperature della soluzione in uscita;
Tcw = temperatura dell’acqua prelevata dal mare;
lv = frazione di vapore;
ls = frazione di soluzione.
Il bilancio globale di energia è dato da:
Ms ls = MbCp (Tb-Tcw) + Md Cp (Td - Tcw) + Mcw Cp (Tf-Tcw)
Si arriva a definire l’indice di rendimento, che è dato dalla:
S
d
MM=η
136
Per il calcolo delle superfici di scambio si utilizza la:
d
EC
MAA )( +=ϑ
dove:
EA = superficie di scambio dell’evaporatore (m2) ;
CA = superficie di scambio del condensatore (m2);
dM = portata di acqua dissalata in uscita (m3).
La superficie di scambio specifica ϑ è influenzata dalla temperatura di ebollizione; ϑ cresce al
crescere della salinità.
In figura 1 è rappresentato lo schema impiantistico di un modulo a singolo effetto scelto per
l’impianto:
Figura 1
Il preriscaldamento dell’alimentazione avviene attraverso un recupero di energia termica dalle
correnti di distillato e salamoia in uscita, utilizzando due preriscaldatori.
II consumo specifico di energia di un impianto a compressione meccanica del vapore varia a
seconda del numero di effetti e della temperatura di esercizio. Valori realistici per impianti a 4
effetti, usati industrialmente assieme ai single effect, sono compresi tra 9 e 16 kWh/m3 di dissalato,
dove i valori più bassi si riferiscono a temperature di esercizio maggiori, recuperi termici più spinti
nei preriscaldatori e condizioni di lavoro ottimizzate.
Il valore della superficie di scambio si adotta pari a 500 m2/(Kg/s).
137
Le temperature di esercizio si aggirano attorno agli 80-90 °C.
Lo schema d’impianto è indicato nella figura 2:
Figura 2
Il vapore necessario ad assicurare l’energia richiesta dal processo di dissalazione viene generato per
mezzo di due caldaie alimentate dal riscaldamento prodotto dallo stagno solare, del quale vedremo
nei paragrafi successivi il funzionamento. Le caldaie sono dotate di un sistema di
demineralizzazione dell’acqua di alimento attraverso l’utilizzo di resine scambiatrici.
L’acqua dissalata esce dall’unità di dissalazione con un basso contenuto salino: in parte viene
derivata per essere utilizzata come reintegro per l’acqua di caldaia (quella che serve a produrre
vapore), la restante parte invece viene mineralizzata e disinfettata per renderla idonea all’uso
potabile.
Potabilizzazione:
Il processo di potabilizzazione avviene con l’addizione di sali minerali tramite calce idrata,
bicarbonato di sodio ed anidride carbonica che ha lo scopo di abbattere la torbidità e, mandando in
soluzione la calce idrata, ossigenare l’acqua dissalata che avendo subito un processo a caldo esce
dai moduli avendo perso tutti i gas in soluzione (e quindi anche profondamente impoverita di ossi-
geno). Questo processo ha luogo in un’apposita unità di potabilizzazione, in modo tale da
ripristinare il contenuto salino all’interno dei valori consigliati dalla normativa italiana per il
consumo umano.
I quantitativi di sostanze per mineralizzare l’acqua sono indicati in tabella 5:
138
PRODOTTO QUANTITA’ (gr di prodotto
per m3 di acqua dissalata)
Calce idrata 95 gr/m3
Bicarbonato di sodio 14 gr/m3
Anidride carbonica 110 gr/m3
Tabella 5
Sterilizzazione:
Dopo essere stata potabilizzata l’acqua necessita, per poter essere distribuita nell’acquedotto, di una
sterilizzazione. L’operazione di sterilizzazione consiste in una clorazione che può essere effettuata
con varie soluzioni: si sceglie di clorare l’acqua mediante un’operazione di elettroclorazione,
usando come disinfettante ipoclorito di sodio.
In questo stadio l’acqua potabile è raccolta in una vasca d’accumulo di adeguata capacità, dalla
quale è successivamente distribuita alla rete acquedottistica per mezzo di elettropompe di
sollevamento e condotte di trasferimento.
Una parte della salamoia, ottenuta dalla dissalazione della corrente di alimento, viene restituita al
mare attraverso una condotta separata, tenendo conto dei profili batimetrici, delle correnti prevalenti
e che non si verifichino interferenze tra il flusso di acqua prelevata ed il flusso di salamoia rigettata;
un’altra parte della salamoia viene impiegata per alimentare il ciclo dello stagno solare, dal quale
viene prelevata l’energia per tutto il processo.
7.2.3. Effettiva efficienza dell’impianto
Per motivi legati a disservizi e a manutenzione si possono ipotizzare circa 35 giorni all’anno nei
quali l’impianto non lavora; quindi si assume un fattor di servizio non più del 100% ma del 90%
(realistico); i quattro moduli, a regime, producono il 90% della potenzialità annua, quindi produce
12.780.000 m3/anno di dissalato.
La produttività effettiva viene perciò calcolata su 330 giorni, e non su 365: ogni modulo ha una
produttività di 9.750 m3/giorno, i moduli sono 4 ed i giorni lavorativi 330: possiamo dire che il
quantitativo di dissalato annuo è:
9.750 x 4 x 330 = 12.870.000 m3/anno di dissalato.
139
In figura 3 è rappresentato lo schema dell’impianto:
Figura 3
7.3. FORNITURA DI ENERGIA
7.3.1. Scelta impiantistica e tipologia di energia adottata
I dissalatori di modeste dimensioni (dell’ordine delle centinaia di m3/giorno), sono solitamente del
tipo ad osmosi inversa, e sono caratterizzati da un elevato consumo di energia elettrica (8-11
kWh/m3), da elevati costi di manutenzione (consumo delle membrane), e da una notevole
rumorosità. I costi dell’energia elettrica e quelli di manutenzione fanno si che il prezzo dell’acqua
potabile, per impianti di piccole/medie dimensioni, sia circa 4-5 volte quello usuale che
orientativamente è di 1 � /m3.
In generale tutte le tecniche di dissalazione attualmente in uso sono caratterizzate da alti costi in
termini di qualità e di quantità dell’energia usata ed i costi finali dell’acqua potabile dipendono
considerevolmente dai costi dell’energia e si situano intorno ai 2 � /m3.
L’energia solare può essere raccolta utilizzando diverse tecnologie, e, tra di esse, la più idonea
viene individuata sulla base del processo al quale è destinata. Tuttavia, al di là della tecnica usata, la
dimensione dell’impianto è circa la stessa. Infatti l’energia media che arriva su 1 m2 è di circa 220
W. Di questa, a seconda della tecnica usata, se ne può convertire una parte (da 40 al 70%) in calore
140
a bassa temperatura (80-100 C) ed una parte in energia elettrica (non più del 15%). Siccome per
dissalare 1 m3 d’acqua servono 8-11 kWh elettrici, o 50-100 kWh termici, si può calcolare che la
superficie di raccolta necessaria per un impianto da 40000 m3 al giorno è dell’ordine del Km2, una
superficie quindi di grande ampiezze e di considerevole impatto ambientale.
I pannelli a celle fotovoltatiche producono direttamente energia elettrica, quindi si prestano per
essere abbinati ad un impianto ad osmosi inversa.
Sono stati realizzati nel mondo diversi impianti di dissalazione ad osmosi inversa, di modeste
dimensioni (poche centinaia di m3/giorno), accoppiati a pannelli fotovoltaici (efficienza di
conversione solare/elettrico <15%). Questo metodo non è adatto per la dissalazione di grossi
quantitativi giornalieri di acqua (diverse decine di migliaia di m3/giorno), sia per via degli alti costi
dei pannelli solari, ché dei costi di manutenzione delle membrane dell’impianto ad osmosi inversa.
Non siamo riusciti a valutare il costo per m3 di acqua dolce prodotta per l’assenza di grandi impianti
e di esperienze sistematiche; tuttavia, sapendo che il costo di un pannello di 1 m2 è di circa 600 �, il
chè comporta un costo complessivo dell’impianto di circa 600.000 �, le dimensioni
dell’investimento sono tali da renderlo improponibile, a prescindere da altre considerazioni. Non a
caso lo scopo di questi impianti è quasi sempre strategico: piccole unità su sistemi isolati.
7.3.2. Specchi solari
La sostituzione dei pannelli solari con specchi parabolici lineari permetterebbe un abbattimento dei
costi dell’energia elettrica ed un utilizzo combinato del calore residuo del processo di produzione di
energia elettrica. Tuttavia sono necessarie vaste superfici di raccolta (tra l’altro l'impianto solare a
specchi occupa circa il 20% della superficie totale di terreno dedicata alla raccolta, che quindi deve
essere di almeno 5 Km2 ) e richiede, comunque, l’integrazione dell’energia solare con combustibili
fossili oppure sistemi di accumulo dell’energia da attivare in sostituzione della radiazione solare
nelle giornate nuvolose o durante le ore notturne.
7.3.3. Collettori solari
I collettori solari sono solitamente utilizzati per la produzione di acqua calda per uso domestico, ma
possono agevolmente arrivare a temperature superiori ai 100 °C. Il loro costo è minore di quello
degli specchi, ma si deve cambiare la concezione del dissalatore e procedere a sistemi non elettrici e
a più bassa temperatura. Si escludono, quindi, i termocompressori che richiedono un forte consumo
di energia elettrica e si lavora con sistemi multiflash o con multieffect evaporators.
Il costo dell’acqua resta elevato a causa dell’elevato costo dei collettori per m2 . Una stima precisa
non è possibile per mancanza di impianti di questo tipo funzionati, ma un impianto di un Km2 di
141
pannelli, presenta una stima approssimata di 170.000 � ed una superficie effettiva di almeno 3
Km2.
7.3.4. Scelta dello stagno solare (solar Pond)
7.3.4.1. Funzionamento
Gli impianti di dissalazione a distillazione come quelli MSF o MED richiedono energia termica
sotto forma di vapore a temperature relativamente modeste (da 80 a 100 °C) e per essi una
interessante alternativa alle tecniche di raccolta dell’energia solare ricordate sopra è rappresentata
dai solar ponds.
Un solar pond è una massa di acqua in grado di raccogliere ed immagazzinare energia solare.
Normalmente l’energia solare riscalda l’acqua (esposta al sole), la quale, tuttavia, tende a perdere
questo calore. Infatti l’acqua, riscaldata dal sole, si espande e tende a muoversi verso l’alto man
mano che diventa meno densa. Si instaurano quindi moti convettivi e l’acqua superficiale è
sempre più calda dell’acqua profonda ed evapora rapidamente raffredandosi e cedendo il calore
all’aria. L’acqua fredda, che è più pesante, si muove verso il basso. In questo modo un bacino di
acqua mantiene una temperatura relativamente bassa negli strati profondi e, se viene
maggiormente irraggiato, aumenta la velocità di circolazione dell’acqua ed intensifica
l’evaporazione.
Se però si realizza un sistema in cui la massa d’acqua ha salinità stratificata, con valore massimo sul
fondo e valore minimo in superficie (solar pond), i moti convettivi vengono inibiti. Infatti il peso
specifico dell’acqua calda ad alta salinità è comunque maggiore di quello dell’acqua fredda a
salinità modesta, per cui il calore resta intrappolato nel fondo del solar pond.
L’assenza di moti convettivi inibisce il mescolamento dell’acqua ad alta salinità con quella
superficiale. La salinità degli strati superficiali aumenta solo per diffusione e questo avviene su
tempi molto lunghi (dell’ordine degli anni) e quindi maggiori del tempo di ricambio dell’acqua del
solar pond che va alimentato per compensare le perdite di evaporazione.
Si è dimostrato di poter raggiungere temperature di poco inferiori a 100 °C, ed un'efficienza di
raccolta dell'energia dell’ordine del 40%. In effetti, il 95% circa della radiazione solare penetra nel
solar pond ma di questa una parte rilevante (circa un terzo) si ferma nel primo strato e meno del
50% arriva nello strato profondo. Assumendo che il 90% venga trattenuto si ottiene una efficienza
di circa il 45%.
I solar ponds presentano diversi aspetti che li rendono allettanti per un loro utilizzo nella
dissalazione:
• i costi di installazione sono bassi, intorno a 15 � /m2;
142
• viene raccolta sia l’energia diretta che quella diffusa (a differenza degli specchi);
• l’energia solare viene raccolta ed immagazzinata per un periodo molto lungo (anche
mesi), permettendo ad un impianto di distillazione ad esso associato di operare in
continuo, e quindi con un’efficienza maggiore;
• basso impatto ambientale in quanto le superfici in gioco sono minori (1 Km2 di solar
pond occupa una superficie del 10% superiore. Inoltre, il solar pond si presenta come
uno stagno e quindi come una formazione naturale;
• bassi costi di manutenzione.
• Un’analisi dei costi e della fattibilità dell’impianto, che qui non intendiamo
approfondire, porta alle conclusioni che la produzione di acqua potabile possa essere
realizzata a prezzi competitivi con le condizioni attuali di mercato, che fissano il
costo dell’acqua potabile tra i 0,50 ed i 0,70 �/m3.
7.3.4.2. Struttura del solar pond La tecnologia dei solar ponds è estremamente semplice, tanto da risultare di gran lunga la più
economica tra tutte quelle attualmente disponibili nel campo del solare termico. In particolare, la
bassa efficienza dell’impianto (~25-30%) é ampiamente compensata da costi di installazione ed
esercizio molto bassi, laddove siano disponibili vaste aree pianeggianti e grandi quantità di sale a
basso costo: in pratica i solar ponds vanno realizzati vicino al mare e la situazione ideale è la
preesistenza di saline.
I solar ponds sono ampi bacini di acqua della profondità di 2-3 metri e sono costituti da tre strati. Lo
strato superficiale è uno strato di circa mezzo metro di acqua dolce o di mare a salinità normale (0-
35 g/kg) e a temperatura ambiente (20-25 oC). Lo strato più profondo è costituito da acqua ad alta
salinità (200-250 g/kg) e ad alta temperatura (80-90 oC). A separare queste due zone si trova una
zona caratterizzata da un gradiente di concentrazione di sale decrescente dal basso verso l’alto.
L’acqua nella zona del gradiente salino non può salire perché l’acqua che le sta sopra ha un
contenuto salino inferiore, ed è perciò più leggera. Per la stessa ragione, l’acqua degli strati alti non
può scendere, perché l’acqua dello strato inferiore ha un contenuto salino maggiore ed è più
pesante, ed anche se la sua densità decresce al crescere della temperatura, resta sempre più densa
dell’acqua degli strati superiori.
Per esemplificare questo aspetto del problema si ricorda che la densità dell’acqua aumenta di circa
0.75 kg/m3 per ogni kg di NaCl aggiunto ad 1m3 di H2O, e che il coefficiente volumetrico di
espansione termica di una soluzione acquosa di NaCl è circa 4 x 10-4 K-1. Da questi dati si deduce
che la densità di una soluzione acquosa di NaCl contenente 35 g/kg a T=25oC è circa il 9% meno
densa di una soluzione di NaCl contenente 200 g/kg a T = 80 oC.
143
In figura 4 è rappresentato il principio di funzionamento di un solar pond:
Figura 4
7.3.4.3.Vantaggi economici
Il solar pond a gradiente salino rappresenta una vantaggiosa alternativa ai collettori solari. Il basso
costo di realizzazione è dovuto al fatto che si basa su materiali molto economici, come il
calcestruzzo, la plastica ed il sale.
I principali vantaggi economici dei solar ponds sono:
• bassi costi di investimento per superficie di impianto;
• l’immagazzinamento termico incorporato nel sistema di raccolta dell’energia solare;
• sfruttamento anche della radiazione diffusa (dominante nelle giornate nuvolose);
• possibilità di realizzazione di impianti solari di vaste dimensioni, con generazione di energia
su larga scala
• costi di manutenzione molto modesti, e comunque assai inferiori rispetto alle altre
tecnologie del solare termico.
I solar ponds esistenti hanno dimensioni variabili tra 2000 e 250000 m2, hanno un tempo di vita da
20 a 30 anni e hanno richiesto tempi di realizzazione da 24 a 48 mesi.
I costi di installazione dipendono dall’economia locale e dalle caratteristiche del territorio e variano
tra un minimo di 9.5 $/m2 ed un massimo di 43 $/m2 in località particolarmente svantaggiate. Anche
i costi di esercizio e di manutenzione sono fortemente dipendenti dal mercato locale: le stime fatte
per impianti realizzati negli Stati Uniti si attestano intorno ad un valore di circa 0.58$/m2/anno.
7.3.4.4. Vantaggi ambientali
Il principale vantaggio ambientale della tecnologia dei solar ponds è quello di poter disporre di una
fonte di energia termica a basso costo ottenuta dall’irraggiamento solare e non dalle fonti di energia
144
convenzionali, quali i combustibili fossili, la cui combustione, come è ben noto, rilascia in
atmosfera dannosi inquinanti, tra i quali ossidi di azoto e di zolfo.
Rispetto ad altre tecnologie del solare termico, quali i collettori solari o gli specchi parabolici, i
solar ponds hanno un ulteriore vantaggio rappresentato da un minore impatto sul territorio. Infatti la
realizzazione di uno stagno artificiale, specialmente in una zona di stagni naturali, modifica e
disturba l’ambiente in misura modesta e comunque assai minore di un esteso campo di pannelli
solari.
Inoltre, poiché i solar ponds sono perfettamente impermeabilizzati sul fondo e l’acqua è soggetta al
trattamento con prodotti chimici non volatili, quali flocculanti a base di polialluminati, l’impatto
atmosferico o sul terreno è inesistente.
Infine l’eventuale smantellamento dell’impianto può essere fatto a basso costo e con un facile
ripristino del territorio.
7.3.5. La tecnologia dei solar ponds
7.3.5.1. Determinazione della radiazione solare
Gli elementi base per determinare la cattura di radiazione da parte del solar pond sono:
• la valutazione e misura della radiazione solare sulla superficie terrestre in funzione dell’ora e
del giorno;
• l’analisi della percentuale della radiazione che entra in acqua a seconda dell’angolo di incidenza
della radiazione stessa;
• l’assorbimento differenziale alle varie profondità del solar pond.
Consultando una mappa dell’insolazione, mostrata in figura 5, troviamo la conferma che in Italia
l’iradiazione solare permette di installare tranquillamente i solar pond su più della metà del
territorio:
145
Figura 5
Tralasciando il calcolo per il calcolo dell’assorbimento differenziale dell’energia solare,
occupiamoci del trasporto di calore, necessario ad alimentare tutto il ciclo di dissalazione; il
trasporto di calore all’interno del solar pond avviene per:
• trasporto di calore per convezione all’interno della salamoia e dello strato superficiale;
• trasporto di calore per conduzione nello strato a gradiente salino;
• perdite di calore per conduzione verso il suolo.
Questi fenomeni fisici dipendono dalle proprietà assorbenti ed isolanti del rivestimento del solar
pond e dalle scelte per gli spessori dei diversi strati fluidi che costituiscono il solar pond stesso.
7.3.5.2. La convezione naturale
Come abbiamo già avuto modo di discutere, lo strato superficiale e lo strato profondo del solar pond
sono caratterizzati dalla trasmissione del calore per convezione naturale. Naturalmente, il calore
viene trasmesso anche per conduzione, ma, laddove sia presente la convezione, la conduzione
risulta trascurabile.
La trasmissione di calore per convezione naturale ha luogo con trasporto macroscopico di materia:
le porzioni di fluido più vicine alla sorgente di calore si dilatano diventando più leggere e meno
dense di quelle sovrastanti; le porzioni di fluido più calde prendono il posto di quelle più fredde e
viceversa dando così luogo all'instaurarsi di una corrente fluida con trasporto di calore.
146
Il calore di convezione è definito come:
,zT
NukQconv ∆∆×=
dove, ∆T è la differenza di temperatura tra due superfici piane e parallele distanti ∆z, k è la
conducibilità termica e Nu è il numero di Nusselt, definito, per questo tipo di configurazione, come:
33.0062.0 RaNu =
dove Ra é il numero di Rayleigh ed é dato da:
κν
β TzgRa
∆∆=
3
dove g é l'accelerazione di gravità, in m/s2, β é il coefficiente volumetrico di espansione termica in
K-1, κ é il coefficiente di diffusione in m2/s e ν é la viscosità cinematica in m2/s.
Va ricordato che i coefficienti β, κ, ν e κ sono, in generale, delle funzioni della temperatura e della
densità.
Il calore assorbito nello strato convettivo superficiale, viene portato in superficie essenzialmente per
convezione (la conduzione è trascurabile) e qui disperso per evaporazione nell’atmosfera. La
variazione di temperatura, ∆T1, tra z= 0 m e z= z1 m (nel caso in esame z1= 0.5 m), si calcola
conoscendo Qconv che sappiamo essere:
[ ])ln( 101zfbaWQconv ×−=
Pertanto:
[ ]Nuk
zfbaWzT
××−×=∆
1
1011
)ln(
Analogamente, nello strato di immagazzinamento si ha:
147
[ ])ln( 202zfbaWQconv ×−= e
[ ]Nuk
zfbaWzT
××−×=∆
2
2022
)ln(
Nella tabella 6 sono mostrati i valori dei coefficienti β, κ, e ν in corrispondenza di T1= 25 oC,
S1= 35 g/kg e di T2= 80 oC, S2= 35 g/kg, dove S é la salinità.
β�(K-1) κ��m��s� ν��m��s�
Caso A 3x10-4 0.143x10-6 1.01x10-6
Caso B 5.7x10-4 0.164x10-6 0.37x10-6
Tabella 6
Utilizzando i dati indicati in Tab.6 e le equazioni riportate sopra, assumendo, inoltre, W0= 220
Watt/m2, f= 1.25 e k = 0.64 Watt/m/K, si ottiene che lo strato convettivo superficiale (compreso tra
z= 0 m e 0.5 m) ha un valore di ∆T pari a 1.04 K e lo strato convettivo del fondo del solar pond
(compreso tra z= 2.5 m e 3.5 m) di 0.55 K.
7.3.5.3. La conduzione
Si definisce come conduzione termica il trasferimento di calore per effetto delle vibrazioni degli
atomi, delle molecole e degli elettroni senza movimento della massa del fluido.
La quantità di calore, Qcond, che fluisce attraverso uno spessore dz, per unità di superficie e di tempo
è proporzionale al gradiente termico:
dzdT
kQcond −=
dove k é la conducibilità termica, che assumiamo in prima approssimazione costante nel range di
temperature in esame, e dove il segno negativo indica che il calore fluisce nella direzione della
temperatura decrescente. Per calcolare il gradiente termico nella zona del gradiente salino del solar
pond dobbiamo risolvere l’equazione:
qdz
Tdk �=− 2
2
dove q è la quantità di calore assorbito per unità di volume
148
dzdW
q −=� [ ]{ })ln(0 xbaWdzd −−=
[ ]{ })ln(0 fzbaWdzd −−= ,0
zbW=
per cui possiamo scrivere:
,02
2
kzbW
dzTd −=
da cui, per successive integrazioni, otteniamo dapprima, il gradiente di temperatura:
10 )ln( CzkbW
dzdT +−=
e poi la distribuzione della temperatura:
[ ] 210 )ln( CzCzzzk
bWT ++−−=
con C1 e C2 costanti di integrazione i cui valori sono determinati dalle seguenti condizioni al
contorno:
[ ] 2111110
1 )ln( CzCzzzk
bWT ++−−=
[ ] 2212220
2 )ln( CzCzzzkbW
T ++−−=
Pertanto abbiamo:
[ ] 21220
22 )ln( zCzzkbW
TC −−+=
12
112200
12
121
)ln()ln(zz
zzzzkbW
kbW
zzTT
C−−+−
−−=
Dopo aver attraversato 0.5 m di profondità, arriva meno della metà della radiazione incidente a terra
(48.57%) e a 2.5 m di profondità la radiazione si è ridotta al 33.5% di quella iniziale. In particolare,
avendo assunto per l’irraggiamento a terra il valore di 220 Watt/m2, che corrisponde a quello
misurato come media su un periodo di 5 anni nelle regioni che stiamo considerando, ed avendo
149
considerato un’inclinazione media dei raggi solari per cui il cammino effettivo della luce nell’acqua
è x = 1.25z m, si ha che per z= 0.5 m, la potenza solare trasmessa è di 106.9 Watt/m2 (48.6 %), e per
z= 2.5 m di 73.7 Watt/m2 (33.5%).
La temperatura tende a crescere all’aumentare della profondità, ma può raggiungere un valore
massimo prima che si arrivi allo strato profondo.
7.3.5.4. Spessore ottimale dello strato del gradiente salino
Nell’ipotesi che non ci siano perdite di calore per convezione o per conduzione dal fondo del solar
pond, la quantità di calore immagazzinabile è:
[ ] groundzraccum QzT
kfzbaWQ −∂∂−−=
2)ln( 2
[ ] groundr
r QCzk
bWkfzbaW −�
�
���
� +−−−= 122 )ln()ln(
[ ] groundrrrr Qzz
zzzzbWbW
zzTT
kzbWfzbaW −−−
−+−−
−+−=12
1122
12
1222
)ln()ln()ln()ln(
dove Qground è il calore perso per conduzione nel terreno, e non dipende, ovviamente, da z2 .
Lo spessore ottimale del gradiente salino che massimizza la quantità di calore immagazzinata si ha
imponendo la condizione:
,02
=∂
∂z
Qaccum
Cioè:
[ ] [ ]{ })ln()ln(1)ln()( 221121221 zzzzzzzk
bWTT r −++−−=−
150
7.3.5.5. Il gradiente salino:
Il principio di funzionamento di un solar pond è basato sull’esistenza di una zona caratterizzata da
un gradiente salino permanente. Poiché la diffusione molecolare tende ad eliminare i gradienti di
concentrazione, è utile stimare i tempi coinvolti in questo processo. Per questo tipo di valutazione si
ricorre alla ben nota seconda legge della diffusione di Fick:
2
2
xC
DtC
∂∂−=
∂∂
la cui soluzione richiede le seguenti condizioni al contorno:
1. una concentrazione iniziale degli atomi che diffondono C0,
2. t = 0 all'inizio del processo,
3. x= 0 all’istante t= 0.
Da cui si ottiene:
��
�
�−=−−
Dtx
erfCCCC
s
x
21
0
0
dove C0 e Cx sono la concentrazione iniziale e finale nella regione in cui diffondono le molecole del
soluto, rispettivamente, Cs è la concentrazione iniziale nella zona che contiene le molecole del
soluto prima che queste incomincino a diffondere, e D è il coefficiente di diffusione molecolare.
Per un solar pond in cui lo strato di immagazzinamento sia spesso 0.5 m e contenga 200 g/l di NaCl,
e quello del gradiente salino sia alto 1.5 m, devono trascorrere circa 5.4 anni prima che tale
concentrazione si sia dimezzata ed il sale sia diffuso, raggiungendo una concentrazione uniforme,
nello strato superiore del gradiente salino (abbiamo assunto un coefficiente di diffusione di NaCL in
acqua di 1.5 cm2s-1).
7.3.6. Estrazione del calore
La salamoia calda del solar pond viene fatta circolare in un circuito chiuso, del quale il solar pond
costituisce solo una parte. Infatti, una volta fuori dal solar pond la salamoia viene fatta passare su
uno scambiatore di calore, dal quale viene estratta una parte dell’energia termica, ed infine
reimmessa nello strato profondo del solar pond ad una temperatura più bassa.
151
L’energia estratta nello scambiatore di calore viene utilizzata per fornire calore ad un impianto di
distillazione dell’acqua di mare. Sulla base della quantità di acqua che si vuole dissalare
giornalmente e del consumo energetico richiesto si opera il dimensionamento del solar pond.
In un impianto di distillazione ad effetti multipli il consumo energetico varia in funzione del
numero di effetti (unità di evaporazione/condensazione) di cui è costituito l’impianto stesso e della
temperatura di ingresso dell’acqua da dissalare. Un buon impianto di dissalazione ad effetti multipli
può produrre acqua con un costone energetico di 55 kWh/m3 (termici).
Pertanto, supponendo di voler produrre 39000 m3/giorno di acqua dissalata, e fissando il consumo
dell’impianto ad effetti multipli a 55 kWh/m3, la potenza richiesta dal sistema è di circa 90 MW.
Se consideriamo una insolazione media nel periodo primaverile-estivo di 220 W/m2, ed
un’efficienza di immagazzinamento dell’energia solare nello strato profondo del solar pond pari al
25%, troviamo che è necessaria una superficie di solar pond di 1,52 Km2.
Se assumiamo che la salamoia calda del solar pond esca alla temperatura di 90 oC e rientri a 70 oC,
il flusso di massa necessario all’estrazione dei 90 MW di potenza è:
��
���
�=
×××=
∆××=
sm
14.1205.35149.1115
1090 36
Tcppotenza
Qρ
dove ρ è la densità in kg/m3, cp è la capacità termica in J/kg/K, ∆T è il salto di temperatura in K.
Per assicurarci che il moto della salamoia sia laminare, condizione necessaria affinché non provochi
un trascinamento dello strato sovrastante del gradiente salino, il solar pond deve essere
dimensionato in modo tale che la velocità di flusso sia bassa rispetto alla velocità dei moti
convettivi naturali, in particolare dobbiamo analizzare la velocità dei moti convettivi naturali nella
salamoia.
Nel caso di convezione naturale, la velocità ad essa associata può essere stimata in prima
approssimazione dalla relazione:
1Re2 =Gr
,
dove Gr è il numero di Grashof e Re è il numero di Reynolds, da cui, tenendo conto che:
ννβ LVTgL
Gr =∆= Re,2
3
152
dove L è lo spessore della strato di salamoia calda, g è l’accelerazione di gravità, β è il coefficiente
di espansione termica , v è la viscosità cinematica e V è la velocità, si ottiene:
��
���
�=××××=∆= −
sm
055.55.0107.518.9 4TgLV β
Bisogna, quindi, che la velocità del flusso di estrazione sia bassa rispetto alla velocità tipica che è di
circa 5 cm/s.
La scelta che sembra essere più conveniente è quella di una struttura modulare con solar pond
rettangolari di lunghezza pari a 1,5 Km e larghezza 50 m. Molti moduli affiancati (20) costituiscono
l’intero impianto. La salamoia calda viene prelevata ad una estremità dell’impianto e reimmessa più
fredda di 20 oC all’altra estremità.
I 90 MW di potenza necessaria sono forniti dal salto entalpico della salamoia cioè dal flusso di 1.14
m3/s.
Il fronte di prelievo ha una lunghezza complessiva di 50 x 20 = 1000 m e quindi la velocità di flusso
è di circa 1.5 mm/s pari a 5.4 m/h. Questa velocità è circa 30 volte più piccola di quella dei moti
convettivi naturali e quindi non perturba in modo apprezzabile l’equilibrio del solar pond.
Nella figura 6 e 7 è rappresentato un solar pond di un impianto pilota, molto simile a quello
progettato:
Figura 6
Figura 7
153
7.3.7. Conclusioni e dimensionamento di un solar pond Alla base di un solar pond c’è lo studio dell’irraggiamento solare dell’area di installazione. Facendo
una media di diffusione delle aree supponiamo di poter disporre di una radiazione media di 150
Watt/m2 nel periodo autunnale-invernale (freddo) che è anche quello di minor fabbisogno idrico e
di 300 Watt/m2 nel periodo primaverile-estivo (caldo).
L’efficienza di cattura e la possibilità di estrazione di calore varia in questi due periodi ed è del 22%
nel primo e del 30% nel secondo.
Di conseguenza abbiamo a disposizione 30 Watt/m2 nel periodo freddo e 90 watt/m2 nel periodo
caldo.
La produzione di 39.000 m3 di acqua potabile al giorno è in media realizzabile con un solar pond di
1,5 km2.
La struttura che si pensa di realizzare è modulare, costituta da 20 unità di 50x1600 m e in esso il
flusso del liquido caldo scorre lentamente alla velocità di circa 6 m/h, garantendo un ricambio
complessivo in circa 15 giorni.
Il solar pond ipotizzato avrà una superficie di 1,5 km2 (lunghezza di 1,5 km su un fronte di 1 km)
una profondità di 3.5 m. Si tratta, quindi, di un invaso di circa 5,25 milioni di m3 di acqua e quindi
di un enorme accumulatore di energia termica.
Il sistema accumula energia solare al ritmo di 90 MW (la sua andata a regime richiede circa due
mesi) e la può trattenere per molte settimane; il sistema si presta quindi a compensare sbalzi termici
giorno/notte e, in una certa misura, anche variazioni stagionali.
L’energia termica può essere sottratta al solar pond attraverso un flusso laminare di acqua calda
dello strato profondo, la quale viene successivamente indirizzata ad uno scambiatore di calore
dell’impianto di dissalazione.
Questa è la soluzione più pratica ed economica e comporta velocità di scorrimento della salamoia
dell’ordine di 5 metri/ora, compatibile con una totale assenza di turbolenze e moti convettivi.
Il flusso di salamoia a circa 90 oC entra nell’impianto di dissalazione e cede calore all’acqua di
mare attraverso uno scambiatore di calore. L’acqua, così riscaldata, viene distillata e immessa nei
bacini di trattamento per potabilizzarla, seguendo il processo descritto nei paragrafi precedenti. La
salamoia del solar pond viene reimessa ad una temperatura di circa 70 oC nel solar pond dalla parte
opposta a quella in cui è stata prelevata. Le acque reflue del processo di dissalazione sono a salinità
un pò più alta dell’acqua di mare. Una piccola parte di queste può essere reimmessa nel solar pond
per compensare perdite per evaporazione; il grosso dovrà essere scaricato a mare in punti distanti
dalla presa d’acqua in ingresso, seguendo le modalità e gli accorgimenti visti.
154
155
CONCLUSIONI
L’analisi svolta nei capitoli di questa tesi mostra che il problema dell’acqua si va facendo sempre
più grave con il passare del tempo: l’acqua di buona qualità e ad un buon prezzo comincia a
scarseggiare.
La dissalazione dell’acqua di mare non rappresenta l’unica, universale e definitiva soluzione al
problema idrico; i processi noti di dissalazione richiedono perfezionamenti tecnici ed economici che
si spera di raggiungere nei prossimi anni.
La legislazione in materia di acqua fissa gli indirizzi per la protezione delle acque che ne impedisce
il deterioramento, ne protegge e migliori lo stato attuale ed agevoli l’uso sostenibile della risorsa e
per garantire questo occorre una politica integrata attraverso un quadro legislativo efficace.
Le tariffe devono garantire la copertura totale dei costi sostenuti per l’erogazione del servizio: si è
passati da una cultura che considerava l’acqua come stato di diritto ad una cultura che la considera
come un bene di consumo e questo, unito al costo dei necessari interventi di ristrutturazione della
filiera idrica, non farà che apportare aumenti delle tariffe. Un altro fattore determinante per
l’aumento dei costi è l’impoverimento delle falde, sempre più sfruttate e sempre più inquinate. La
legge prevede e approva che vengano adottate forme per incrementare la risorsa idrica e noi
crediamo che la dissalazione possa essere una di queste.
Lo studio affrontato in questa tesi evidenzia che le tecnologie utilizzabili ai fini della dissalazione
sono sostanzialmente due: quelle che utilizzano energia termica e quelle che non la utilizzano.
Entrambe le tecnologie hanno lo stesso intento di arrivare a produrre acqua a costi competitivi
rispetto all’acqua di falda e superficiale ed in parte ci sono riuscite: in molti impianti si arriva alla
produzione di acqua dissalata al costo variabile tra i 40 ed i 70 centesimi di euro, avvicinandosi
molto al costo di 40-60 centesimi di euro dell’acqua di falda o superficiale.
Dobbiamo domandarci se convenga produrre acqua dal mare oppure captarla da sorgenti e
trasportarla: dai dati elaborati si vede come il costo di una serie di dissalatori equivale al costo di
investimento per grandi condotte senza contare il fatto che la fabbricazione e la gestione di un
dissalatore è molto più rapida ed efficiente della costruzione e gestione di grandi condotte; dalla
nostra analisi si evidenzia la convenienza a produrre acqua dissalata in loco anziché trasportarla da
un sito ad un altro sito.
La costruzione di un dissalatore non è complessa e richiede minimi accorgimenti per arrivare a
standard qualitativi e quantitativi elevati: ne è un esempio il dissalatore da noi progettato che
rappresenta la realizzazione di un’opera a basso costo d’investimento (realizzata con tecnologie
156
consolidate, reperibili ed affidabili) e a bassi costi di gestione (utilizza come fonte energetica quella
solare); in questa maniera abbiamo realizzato un impianto che riesce a fornire acqua dolce ad un
costo variabile tra i 50 ed i 70 centesimi di euro ponendosi su di una fascia di mercato competitiva.
I progetti realizzabili in tal senso sono tanti e tutti legati al progresso tecnologico della dissalazione
e alle metodologie di produzione dell’energia; Paesi Europei quali la Spagna e la Francia
incominciano a stanziare risorse umane e fondi per affrontare lo studio della dissalazione
abbandonando lo sfruttamento delle acque superficiali e sotterranee ormai arrivate ad un punto di
collasso e tutelate dalle Normative Comunitarie che dettano rigidi parametri per la conservazione e
al salvaguardi del patrimonio ambientale.
157
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Culligan italiana S.p.A. Via Gandolfi, 6 40057 Cadriano di Granarolo nell’ Emilia (BO) Idroconsult s.r.l. via Lidice 4 , 40016 San Giorgio di Piano ( BO ) Italy Sartorelli depurazione S.r.l. via Provinciale Nord, 227 42017 Novellara (RE)- Italy
Maretto Engineering via Ugo Foscolo, 6/A, 35020 Albignasego - Padova - Italy Barchemicals Group Via Allende, 14 41051 Castel nuovo Rangone (Modena) – Italy
SELMAR Via Oberdan, 119, Trapani. Italy
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