Si prevede che la carenza di acqua dolce aumenterà nel nostro futuro più caldo e affollato. Già, 150 paesi dissalano l'acqua di mare, utilizzando combustibili fossili.

Ma fornire un fabbisogno di base sempre crescente con combustibili non rinnovabili crea una minaccia crescente, secondo il dottor Diego-César Alarcón-Padilla, che dirige SolarPACES Task VI presso l'Unità di desalinizzazione solare a Plataforma Solar de Almería (PSA).

"Oggi non esiste un impianto di desalinizzazione di grande capacità che funzioni utilizzando energie rinnovabili", ha affermato il dott. Alarcón-Padilla. "Non c'è nessuno."

"Con la desalinizzazione introduciamo un nuovo consumatore di energia. Con il cambiamento climatico, e l'aumento della popolazione umana, e la contaminazione delle attuali risorse idriche, anno dopo anno abbiamo bisogno di sempre più acqua dolce, " Egli ha detto.

"La desalinizzazione ha bisogno di energia. E oggi siamo già al limite nell'utilizzo delle fonti fossili, solo per la domanda ricorrente. Se vogliamo seriamente rispettare i nostri impegni di Parigi mantenendo la temperatura del pianeta all'innalzamento di 2°C, dobbiamo desalinizzare con energia pulita."

Con 16, 000 impianti di desalinizzazione già in tutto il mondo e un previsto aumento del 15% della desalinizzazione mentre il mondo si riscalda, è necessaria una politica per guidare la desalinizzazione solare. Il Dr. Alarcón-Padilla crede che l'industria della desalinizzazione non cambierà senza un driver politico.

Impara dalle politiche rinnovabili

Ci è voluta una legislazione per inserire prima nuove energie rinnovabili come il solare e l'eolico sulle reti elettriche. I regolatori hanno iniziato a richiedere ai generatori di includere l'energia rinnovabile all'inizio del 21° secolo. Mandati e sussidi hanno dato il via alla transizione.

Per sviluppare ora la desalinizzazione rinnovabile, Il Dr. Alarcón-Padilla propone l'adozione di politiche simili. "Abbiamo bisogno di qualcosa come un premio per metro cubo di acqua prodotta da questo impianto di dissalazione solare, o una garanzia da parte dello Stato che acquisteranno ogni metro cubo di acqua "pulita" richiesta dal pubblico. Proprio come abbiamo avuto una tariffa feed-in per l'elettricità prodotta da impianti di energia rinnovabile qui in Spagna".

A prezzi correnti, e a seconda delle differenze regionali, stima che il CSP (energia solare concentrata) potrebbe fornire acqua dolce dalla desalinizzazione ad osmosi inversa a circa 80 centesimi di USD per metro cubo, circa 30 centesimi in più rispetto alla desalinizzazione alimentata da combustibili fossili.

Una volta che la politica lo ha guidato, sono stati implementati progetti rinnovabili e sviluppate catene di approvvigionamento. I prezzi delle rinnovabili sono diminuiti. Ora, molti regolatori hanno fissato obiettivi per la completa decarbonizzazione entro il 2050. Ciò che inizialmente sembrava rischioso si è rivelato non così difficile. In molte regioni, solare ed eolico è ora l'opzione a basso prezzo.

Lo stesso potrebbe accadere nella desalinizzazione rinnovabile:"Perché allora inizieremo ad avere l'esperienza e impareremo come gestire le risorse solari variabili con la desalinizzazione. Quindi inizieremmo ad avere gli impianti di dissalazione solare di grande capacità di cui abbiamo bisogno".

Ha dettagliato le sfide e le opportunità per una transizione simile alla desalinizzazione solare al 100%.

Perché la desalinizzazione è un'industria conservatrice

La desalinizzazione è iniziata per la prima volta negli anni '50 nell'arido Medio Oriente, con tecnologie di dissalazione termica guidate da abbondante energia fossile.

"Arabia Saudita e Kuwait e Bahrain; tutta la loro acqua proviene dalla desalinizzazione. Hanno acqua sotto solo per pochi giorni, quindi non possono permettersi di correre alcun rischio, " Lui ha spiegato.

"Così puoi immaginare, questo settore è molto conservatore, dove le riserve idriche sono molto scarse. La popolazione cresce anno dopo anno nei paesi arabi. E la risorsa di acqua dolce non cresce:non possono permettersi il lusso di fallire nella realizzazione di un impianto di desalinizzazione».

Il Golfo Persico è un mare chiuso, senza fiumi d'acqua dolce che vi si immettono, e le alte temperature aumentano l'evaporazione, aumentando ulteriormente sia la salinità che la temperatura.

"Ci sono alcuni posti dove puoi ottenere circa 45 o anche 50 grammi per litro (g/L) di sale. Inoltre, si possono avere fuoriuscite di petrolio e fioriture di alghe che potrebbero causare un guasto nel sistema di pretrattamento di, Per esempio, un impianto ad osmosi inversa, " Egli ha detto.

La desalinizzazione termica è una tecnologia collaudata che ben si adatta alle dure condizioni del Golfo, ma da un punto di vista energetico è abbastanza inefficiente rispetto alla più diffusa osmosi inversa odierna. Ma un'acqua di mare così "difficile" può danneggiare le membrane, fermare un impianto di osmosi inversa:"Quindi non abbandoneranno completamente le tecnologie di dissalazione termica. Vogliono avere entrambe".

Quando combinare la dissalazione termica con CSP

Inizialmente l'energia solare termica è stata proposta come la più adatta ai processi di dissalazione termica, che essenzialmente utilizzano il calore per far evaporare l'acqua. Però, il calore per la dissalazione termica è necessariamente localizzato nel sito dell'impianto di dissalazione, che crea una sfida.

"Ci sono due problemi con gli impianti di cogenerazione basati su CSP per la generazione simultanea di elettricità e dissalazione termica dell'acqua di mare:corrosione salina, e quel DNI sulla costa non è così buono come nell'entroterra. Quindi c'è una penalità nei costi di elettricità e acqua dolce. L'opzione migliore per questo scenario è collocare l'impianto CSP nell'entroterra, lontano dagli effetti dell'ambiente salino, e l'impianto di osmosi inversa sulla costa, " ha osservato.

Elettricità per osmosi inversa La sesalinizzazione può essere trasmessa da lontano, ma il calore per la dissalazione termica non può. Così, in questo caso, CSP sembra meglio abbinato all'osmosi inversa, quando le condizioni dell'acqua di mare consentono l'utilizzo di questa tecnologia senza problemi.

Per gli impianti di cogenerazione CSP, la dissalazione termica è alimentata dal calore residuo disponibile all'uscita della turbina a vapore. La fattibilità di questa opzione rispetto alla produzione separata di energia elettrica e acqua desalinizzata (utilizzando parte di tale energia elettrica) dipende da due fattori:il grado di penalizzazione nella produzione di energia introdotto stabilendo un valore di pressione più elevato per il vapore all'uscita della turbina ( richiesto dall'impianto di distillazione termica) e il costo di investimento specifico dell'unità di distillazione.

Per esempio, gli impianti CSP raffreddati a secco producono acqua in inverno a circa 50°C - 60°C in estate, prossima alla temperatura di ingresso di 70°C di cui necessitano i dissalatori termici (MED a bassa temperatura).

Negli ultimi anni, si sta facendo un grande sforzo di ricerca nello sviluppo di nuove superfici di scambio termico a base di materiali polimerici per impianti di distillazione termica. Tali sviluppi possono ridurre sostanzialmente l'impatto del costo dell'investimento sul costo finale dell'acqua dolce.

Nel caso di impianti di dissalazione solari termici autonomi, CSP è la migliore opzione per fornire l'energia termica a media temperatura richiesta da configurazioni ad alta efficienza:distillazione multieffetto con termocompressione, distillazione multieffetto abbinata a pompe di calore ad assorbimento e nanofiltrazione+distillazione multieffetto.

Perché CSP è meglio abbinato alla desalinizzazione ad osmosi inversa (RO)

La tecnologia di desalinizzazione predominante di oggi utilizza un processo in cui viene utilizzata solo elettricità, inviando energia 24 ore su 24 per pompare l'acqua attraverso una serie di membrane per estrarre l'acqua dolce attraverso l'osmosi inversa (RO).

"Nella maggior parte del mondo, per applicazioni di desalinizzazione su scala industriale, un impianto CSP accoppiato a un impianto RO che utilizza l'elettricità per la centrale sarebbe un'opzione migliore rispetto all'accoppiamento con la dissalazione termica, " ha osservato.

"Il RO è più efficiente quando si dispone di quella che chiamiamo acqua "non difficile", come nel Mar Mediterraneo, in Nordafrica, e anche nel Mar Rosso dove la salinità è un po' più alta, " ha detto. "Ad esempio nel Mar Mediterraneo la salinità è di soli 35 grammi per litro (g/L) e non si ha il problema di condizioni mutevoli che potrebbero danneggiare le membrane".

Il consumo specifico di energia dipende dalla salinità dell'acqua. Maggiore è la salinità maggiore è il consumo specifico di energia:"Ad esempio, al massimo dell'efficienza, qui in Spagna con una salinità di circa 34-35 g/L il consumo energetico specifico tipico di cui ha bisogno ogni modulo RO è di circa 3 kWh per metro cubo di acqua dolce prodotta."

"Ma il Medio Oriente con maggiore salinità, da 40 a 45 g/l, ha un maggiore consumo di elettricità, perché hai bisogno di una pressione più alta, quindi in genere hanno bisogno di fino a 4,5 kWh per metro cubo."

CSP + stoccaggio =100% dissalazione solare

Alarcón-Padilla sostiene che l'unica vera desalinizzazione solare al 100% è con CSP, grazie alla sua capacità di fornire energia stabile per lunghi periodi con accumulo di energia termica (TES). Citando lo stabilimento Metito recentemente annunciato in Arabia Saudita, riferito alimentato da solare fotovoltaico, ha osservato che quando cala la notte l'impianto passerà alla rete elettrica.

"Per me questa non è dissalazione solare, " ha detto. "La vera desalinizzazione solare è quando si affronta la sfida di affrontare una fonte variabile di energia come il solare. CSP può fornire un profilo molto piatto. Ha un vantaggio per la sua spedibilità."

"In linea di principio il fotovoltaico sembra più economico, ma hai il problema della non spedibilità. L'erogazione di energia non è piatta. È variabile durante la giornata. Inoltre, il fotovoltaico non ha spazio di archiviazione economico disponibile per grandi capacità."

La desalinizzazione non può essere disattivata quando passano le nuvole, ha sottolineato. "Puoi avere problemi di ridimensionamento nella membrana se continui ad accenderla e spegnerla.

Di conseguenza, quando viene proposto il PV, deve essere eseguito il backup sulla rete, con conseguente desalinizzazione solare molto inferiore al 100%:"Quando questo impianto di desalinizzazione "solare" preleva elettricità dalla rete, per me questo è solo un impianto fotovoltaico che immette elettricità in rete"

Lo stesso problema si applica a CSP senza spazio di archiviazione, Certo. Al tramonto, senza energia immagazzinata, CSP passerebbe anche alla rete elettrica. Lo stoccaggio aiuta anche finanziariamente:"Vuoi mantenere l'impianto RO funzionante il numero massimo di ore per ridurre l'impatto del costo di investimento e il costo finale dell'acqua".

Ma c'è più di un tipo di archiviazione. Oltre all'accumulo termico di CSP, sia esso che il fotovoltaico possono semplicemente immagazzinare il "solare versato" in eccesso in acqua dolce, aumento della redditività.

"L'immagazzinamento dell'energia è molto costoso, ma l'immagazzinamento dell'acqua, solo in un normale serbatoio dell'acqua, è molto economico, "Alarcon-Padilla ha osservato. "Quando la domanda di elettricità è bassa è possibile mettere in funzione i moduli di desalinizzazione per produrre più acqua dolce".