Dissalazione: la nostra guida essenziale per la dissalazione e la crisi idrica globale

Dissalazione: estinguere la sete crescente in tutto il mondo

Con più di 20.000 piante ora contratte in tutto il mondo, la dissalazione sta consentendo ai paesi di fornire sicurezza idrica per le generazioni future in mezzo alle crescenti preoccupazioni climatiche. Convertendo l’acqua salina, il processo può offrire acqua dolce in aree prive di acque sotterranee naturali o riserve idriche superficiali. Insieme al riutilizzo dell’acqua, la desalinizzazione può offrire soluzioni alla scarsità d’acqua e, in alcuni paesi, fornisce oltre il 90% dell’approvvigionamento idrico totale. Il rapido progresso nel riutilizzo dell’acqua, in particolare il riutilizzo potabile diretto e indiretto delle acque reflue municipali, utilizza la tecnologia della membrana di desalinizzazione. Quali sono i processi e le tecnologie coinvolti nella desalinizzazione? Qual è la differenza tra il trattamento termico MED e MSF? Quali sono i pro ei contro della desalinizzazione? La nostra guida essenziale si tuffa più in profondità nella desalinizzazione e nei processi che include.

Che cos’è la desalinizzazione?

La dissalazione si riferisce a un processo che comporta l’estrazione del sale dall’acqua per renderlo potabile. La desalinizzazione comporta il trattamento di acqua marina o salmastra con l’obiettivo di creare acqua dolce. Per fare questo, gli impianti di desalinizzazione coinvolgono molteplici tecnologie, dal pretrattamento alle pompe e alle membrane.

Secondo il new International Desalination Association (IDA) Water Security Handbook, la capacità totale di dissalazione installata globale è pari a 97.4 milioni di metri cubi al giorno (m3/giorno) mentre la capacità totale cumulativa globale è di 104,7 milioni di m3/d.

Al 30 giugno 2018, più di 20.000 impianti di desalinizzazione erano stati appaltati in tutto il mondo. Secondo l’International Water Association (IWA), la desalinizzazione fornisce ancora solo l’uno per cento dell’acqua potabile del mondo, ma questo sta crescendo “anno su anno”.La notizia a favore della dissalazione è che gli oceani del mondo contengono oltre il 97,2 per cento delle risorse idriche del pianeta, è “a prova di siccità ed è praticamente illimitata”.

Il processo di desalinizzazione può concentrarsi su acqua salmastra o acqua di mare. Per acqua salmastra, l’acqua ha un contenuto di sale inferiore a 10.000 mg/L. nel Frattempo, l’acqua di mare ha una maggiore salinità, nell’intervallo di 30.000 a 44,000 mg/L.

Come salmastre e di mare, altre fonti possono includere pozzi superficiali (fiumi e torrenti), acque di scarico e industriale di mangimi e di acque di processo, secondo l’American Tecnologia a Membrana Associazione (AMTA).

Circa il 44 per cento della capacità globale di desalinizzazione totale si trova in Medio Oriente e Nord America, con una crescita prevista nel tasso di sette-nove per cento all’anno. L’IWA ha detto che i “punti caldi” attesi per l’attività di desalinizzazione accelerata includono in Asia, Stati Uniti e America Latina.

Anche il mercato della desalinizzazione industriale è importante per fare riferimento. Tra 2016-2017, questo mercato da solo è cresciuto del 21 per cento, secondo l’IDA. Nel 2017 anche l’attività petrolifera a monte e a valle & ha rappresentato una parte sostanziale della capacità industriale contrattata.

Anche il settore minerario ha registrato una contrazione di oltre 200.000 m3/giorno di nuova capacità solo nella prima metà del 2018. La microelettronica è un’altra industria assetata che sta portando a nuove opportunità per le tecnologie di desalinizzazione, con una capacità contrattuale più che raddoppiata tra 2016-2017.

Quali sono i processi di desalinizzazione?

Esistono due tipi principali di processi di desalinizzazione: membrana (osmosi inversa (RO) e nanofiltrazione (NF) e termica, che include la distillazione multi-effetto (MED), la distillazione flash multistadio (MSF) e la compressione meccanica del vapore (MVC). Altre tecnologie e processi includono elettrodialisi (ED), osmosi diretta (FO) e membranedistillation (MD).

La dissalazione a membrana continua a fornire la stragrande maggioranza della capacità di dissalazione installata. Per mettere questo in prospettiva, nel 2017, la tecnologia a membrana rappresentava il 95,6 per cento della capacità annuale contratta mentre i processi termici rappresentano solo il 4,4 per cento.

 Grafico di dissalazione-osmosi

  • Dissalazione a membrana
  • Secondo AMTA: L’osmosi inversa (RO) e la nanofiltrazione (NF) sono i principali processi a membrana a pressione. Le configurazioni della membrana includono la ferita a spirale, la fibra cava e lo strato con la spirale che è il più ampiamente usato. Le membrane contemporanee includono principalmente materiali polimerici con acetato di cellulosa ancora usato in misura molto minore. Un esempio notevole è la membrana composita a film sottile (TFC), che include la poliammide come strato attivo. A seconda della salinità dell’acqua di alimentazione, le pressioni di esercizio per RO e NF sono comprese tra 50 e 1.000 PSIG (da 3,4 a 68 bar, da 345 a 6896 kPa). Il RO dell’acqua di mare richiede l’energia elettrica di 3,0-3,5 kWhr / m3.

  • Distillazione a più effetti (MED)
  • Un processo termico a bassa temperatura, MED ottiene acqua dolce recuperando il vapore dell’acqua di mare bollente in una sequenza di recipienti, noti come “effetti multipli”. Il vapore bollito in un recipiente può quindi essere utilizzato per riscaldare quello successivo, poiché il punto di ebollizione dell’acqua diminuisce contemporaneamente alla diminuzione della pressione. Di conseguenza, secondo Sidem, solo la prima nave richiede una fonte esterna di calore. In breve: dalla prima all’ultima nave, sia la pressione che la temperatura diminuiscono dal caldo al freddo. Il processo MED richiede input di calore ed energia elettrica da 0,9 a 1,5 kWhr / m3.

  • Distillazione flash multistadio (MSF)
  • In uso commerciale dal 1950, come MED, flash multistadio (MSF) coinvolge una serie di fasi. L’acqua di mare o la salamoia riciclata che scorre all’interno dei tubi viene riscaldata dal vapore esausto dalle turbine nello scambiatore di calore, chiamato riscaldatore di salamoia. Questa acqua di mare riscaldata scorre attraverso il riscaldatore della salamoia agli stadi dell’evaporatore, ciascuno funzionante a una temperatura e una pressione più basse. Di conseguenza, la salamoia lampeggia generando vapore acqueo, che si condensa sui tubi e viene raccolto in ogni fase come prodotto distillato. Il vapore acqueo condensante pre-riscalda la salamoia dell’acqua di mare che scorre nei tubi e recupera il calore. Nelle fasi di recupero del calore, le ultime fasi di MSF, lo scarico della salamoia e il distillato vengono raffreddati e il calore rimanente viene respinto nella sezione di rifiuto del calore di MSF. Il processo MSF richiede un apporto di calore e una potenza elettrica da 3,5 a 4 5 kWhr / m3.

  • Compressione meccanica del vapore (MVC)
  • Nel processo MVC, l’acqua di mare entra nell’unità di preriscaldamento dove scambia energia termica con gli effluenti dell’acqua concentrata e del prodotto. L’acqua di mare pre-riscaldata viene spruzzata su fasci di tubi di scambio termico, che si trovano a una temperatura più elevata dell’acqua di mare. Qui, l’acqua di mare evapora parzialmente. I vapori d’acqua vengono compressi utilizzando un compressore meccanico e vengono pompati all’interno del tubo dei fasci di scambio termico. Il vapore compresso si condensa all’interno del tubo, rilasciando energia che viene trasferita all’acqua di mare spruzzata sul tubo e provoca la sua evaporazione.

  • Elettrodialisi (ED)
  • I processi di elettrodialisi (ED) e inversione di elettrodialisi (EDR) sono guidati da corrente continua (DC) in cui gli ioni fluiscono attraverso membrane ion-selettive verso elettrodi di carica opposta, secondo AMTA. Questo è l’opposto rispetto all’acqua nei processi guidati dalla pressione come descritto sopra. Nei sistemi EDR, la polarità degli elettrodi viene invertita periodicamente. Le membrane anioniche e cationiche a trasferimento ionico (perm-selettive) separano gli ioni nell’acqua di alimentazione. Questi sistemi sono utilizzati principalmente in acque con bassi solidi totali disciolti (TDS).

  • Osmosi diretta (FO)
  • Rispetto al RO, dove l’acqua salina viene spinta attraverso una membrana, invece, l’osmosi diretta (FO) utilizza la pressione osmotica generata da un gradiente di concentrazione salina naturale come forza motrice attraverso una membrana. Per questo lavoro, c’è l’acqua di alimentazione – spesso acqua di mare – su un lato e membrana e poi una soluzione pareggio sul lato opposto. AMTA ha detto che questo significa senza applicare alcuna pressione esterna, l’acqua dalla soluzione di alimentazione migrerà naturalmente attraverso la membrana alla soluzione di estrazione. La soluzione diluita viene quindi lavorata per separare il prodotto dalla soluzione di estrazione riutilizzabile.

Costi di dissalazione

Il costo della dissalazione può essere suddiviso nei seguenti elementi: costo fisso (37%), manodopera (4%), sostituzione della membrana (5%), manutenzione e parti (7%), materiali di consumo(3%) ed energia elettrica (44%).

La desalinizzazione è stata storicamente percepita come un’opzione più costosa rispetto al trattamento tradizionale delle acque superficiali o sotterranee, con prezzi di circa US US 1 per metro cubo ($/m3). Tuttavia, uno dei più recenti progressi nella desalinizzazione è stato un miglioramento dei costi complessivi, comprese le spese operative (OPEX), nonché le spese iniziali in conto capitale (CAPEX). Negli ultimi 20 anni questo è stato ridotto dell ‘ 80% a causa dei progressi nella tecnologia e nelle attrezzature.

Molto recentemente, le gare di progetto ad Abu Dhabi, Arabia Saudita e Israele hanno visto il prezzo scendere sotto $0.50/m3 per la prima volta. “Dopo un decennio in cui il prezzo è andato alla deriva verso l’alto a causa degli alti costi dei materiali e dei maggiori costi energetici, questa è un’ottima notizia. In effetti, ci aspettiamo che 2019 sia l’anno migliore di sempre nel mercato della desalinizzazione”, ha dichiarato Christopher Gasson, editore di GWI.

Con la desalinizzazione dell’acqua di mare a $0.40/m3, il costo si sta avvicinando al riutilizzo indiretto potabile, con prezzi nella gamma $0.30-$0.40.

Nel manuale IDA Water Security, ci sono diversi fattori in gioco perché il costo della dissalazione ha raggiunto un minimo storico di recente. Ciò include “l’ottimizzazione economica del processo di costruzione”, a seguito dell’esperienza degli appaltatori dopo anni di costruzione di progetti su larga scala. Ciò, insieme a nuovi modelli contrattuali e finanziari, insieme a tassi di interesse più bassi nel settore finanziario, contribuiscono a “spingere i ribassi tariffari”.

Inoltre, il costo ridotto dei componenti degli impianti di desalinizzazione a causa dei prezzi più bassi del petrolio sta anche contribuendo a spingere il prezzo verso il basso.

“Inoltre, il risparmio energetico è stato realizzato attraverso i progressi nelle membrane che richiedono meno pressione di ingresso, dispositivi di recupero ad alta efficienza energetica e treni ad osmosi inversa più grandi con pompe e motori più grandi in grado di aumentare l’efficienza”, ha aggiunto Carlos Cosín, IDA e CEO di Almar Water Solutions.

Quali sono i più grandi impianti di desalinizzazione del mondo?

Come riportato da Aquatech Global Events, il progetto Rabigh 3 recentemente premiato in Arabia Saudita è stato considerato uno degli impianti più grandi del mondo, con una capacità di 600.000 m3/giorno. Tuttavia, ci sono impianti di desalinizzazione molto più grandi in funzione in tutto il mondo. Di seguito è riportato un elenco di cinque dei più grandi progetti del mondo.

  1. Ras Al Khair, Arabia Saudita: 1.036.000 m3 / giorno
  2. Comunemente considerato come il peso massimo di desalinizzazione del mondo, il massiccio Ras Al-Khair è un progetto ibrido che utilizza sia le tecnologie thermal multistage flash (MSF) che Reverse osmosis (RO). Situato a 75 km a nord-ovest di Jubail e al servizio di Riyadh, il sito ha anche una notevole componente di generazione di energia, con una capacità di 2.400 MW. L’appaltatore principale per la costruzione di impianti era Doosan e il suo partner consortile Saudi Archirodon, con Poyry in qualità di consulente per il progetto.

  3. Taweelah, Emirati Arabi Uniti – 909.200 m3/giorno
  4. La Emirates Water and Electricity Company e ACWA Power, hanno firmato l’accordo di acquisto dell’acqua, per il più grande impianto di desalinizzazione ad osmosi inversa dell’acqua di mare del mondo da costruire a Taweelah Power and Water Complex, 50 km a nord di Abu Dhabi. ACWA Power, con lo sviluppatore principale del progetto e un azionista del 40 per cento, ha confermato la chiusura finanziaria di successo del più grande impianto SWRO del mondo, ad un costo di US US 847m, ha la tariffa di acqua desalinizzata 49.05 centesimi/m3. La costruzione del progetto è iniziata a maggio 2019 con il completamento previsto a ottobre 2022. L’impianto dovrebbe fornire 909.200 metri cubi di acqua al giorno. Una volta completato, il Taweelah power and water development dovrebbe aumentare la percentuale dell’emirato di acqua desalinizzata prodotta da RO dal 13% attuale al 30% entro il 2022.

  5. Shuaiba 3, Arabia Saudita – 880.000 m3/giorno
  6. Un consorzio che coinvolge Siemens della Germania per la centrale elettrica e Doosan per l’impianto di desalinizzazione termica è stato selezionato da ACWA Power per fornire l’ingegneria del progetto, l’approvvigionamento e la costruzione dell’impianto. Un’espansione all’impianto è stata completata e un’espansione è in fase di costruzione finale con un totale aggiuntivo di 400.000 m3/giorno di capacità RO aggiunta, secondo ACWA Power. Una volta completato, Shuaiba alla fine supererà Ras Al Khair come il più grande impianto di dissalazione operativo con una capacità totale di 1.282.000 m3/giorno.

  7. Sorek, Israele – 624.000 m3/giorno
  8. Sorek potrebbe essere considerato l’impianto a membrana più pesante del mondo in funzione con un’enorme capacità di 624.000 m3/giorno. Situato a 15 km a sud di Tel Aviv in Israele e sviluppato da IDE Technologies, il progetto era e continua ad essere unico nell’uso di membrane ad osmosi inversa con acqua di mare da 16 pollici ma in formazione verticale. Un ulteriore sviluppo-Sorek 2-IDE Technologies e Bank Leumi hanno vinto la gara PPP del governo israeliano per costruire e gestire l’impianto di desalinizzazione dell’acqua Sorek 2. IDE ha ora vinto quattro delle cinque gare d’appalto per la gestione di impianti di desalinizzazione in Israele. L’offerta, con un prezzo senza precedenti di USD 0.41 per metro cubo d’acqua, prevede la produzione annua di 200 milioni di metri cubi d’acqua (capacità nominale di 548.000 m3/giorno). Una volta completato, Sorek 2 sarà il sesto impianto di desalinizzazione ad operare in Israele insieme ad Hadera, Ashkelon, i primi Sorek, Palmachim e Ashdod.

  9. JUBAIL 3A IWP – 600.000 m3/giorno
  10. Quest’anno ad aprile 2020 è stato firmato l’accordo di acquisto di acqua di 25 anni con la Saudi Water Partnership Company (SWPC) da un consorzio guidato da ACWA Power che include Gulf Investment Corporation (GIC) e Al Bawani Water & Power Company (AWP). Secondo i termini della partnership, il consorzio guidato da ACWA Power progetterà, costruirà, commissionerà, gestirà e manterrà l’impianto di desalinizzazione, nonché lo stoccaggio di acqua potabile associato e le strutture speciali elettriche. Il consorzio ACWA ha presentato il costo dell’acqua più basso, pari a 0,41 USD per m3. Con un valore di investimento di USD million 650 milioni, il Jubail 3A Independent Water Plant (IWP) genererà 600.000 m3 di acqua potabile al giorno. Il progetto greenfield seawater reverse osmosis desalination sarà a Jubail, Regno dell’Arabia Saudita. Il contratto di costruzione Engineering Procurement è stato assegnato a un consorzio composto da Power China, SEPCO-III e Abengoa.

Pro e contro della dissalazione

Contro della dissalazione

Una delle sfide ambientali più ampie associate alla dissalazione è la gestione del sottoprodotto della salamoia, un rifiuto ad alta salinità prodotto durante il processo.

Nel 2019 le Nazioni Unite (ONU) hanno sostenuto un documento intitolato “Lo stato della desalinizzazione e della produzione di salamoia: una prospettiva globale”.

Il documento si riferiva alla salamoia come un “dilemma salato”, con impianti di desalinizzazione in tutto il mondo che scaricano collettivamente 142 milioni di metri cubi di salamoia ipersalina al giorno.

Quattro nazioni del Medio Oriente – Arabia Saudita, Kuwait, Emirati Arabi Uniti e Qatar – sono risultate responsabili di oltre la metà della produzione globale di salamoia, con gli autori del rapporto che affermano che le piante del Medio Oriente producevano “quattro volte più salamoia per metro cubo di acqua pulita delle piante in cui dominano i processi di membrana dell’acqua fluviale”. Tuttavia, va notato che l’acqua del fiume non contiene i livelli di sale come acqua di mare, quindi il confronto qui non è uguale.

Un’altra preoccupazione riguarda i potenziali impatti di impingement e trascinamento (I &E) associati al funzionamento delle prese in mare aperto per gli impianti di desalinizzazione dell’acqua di mare.

L’impingement può verificarsi quando organismi sufficientemente grandi da evitare di passare attraverso gli schermi sono intrappolati contro di loro dalla forza dell’acqua di sorgente che scorre, secondo l’EPA.

Nel frattempo, il trascinamento si verifica quando gli organismi marini entrano nell’impianto di desalinizzazione, vengono aspirati nel sistema di aspirazione e passano attraverso gli impianti di trattamento.

Tuttavia, il livello di impatto ambientale sugli organismi marini causato direttamente dall’impingement e dal trascinamento delle prese di acqua di mare è site-specific, secondo l’associazione Water Reuse. Può variare significativamente da un progetto all’altro e gli impianti più moderni che sostengono gli standard ambientali sperimentano livelli estremamente bassi di I&E.

Pro della desalinizzazione

A livello globale, più di 300 milioni di persone si affidano all’acqua desalinizzata per alcune o tutte le loro esigenze quotidiane. In totale, la desalinizzazione è praticata in 150 paesi in tutto il mondo con un totale di 20.516 impianti di desalinizzazione ora contratti.

In futuro, la domanda di acqua dolce aumenterà in tandem con le popolazioni in espansione del mondo. Tuttavia, le forniture di acqua dolce disponibili sono limitate e scarsamente distribuite.

Con il cambiamento climatico che intensifica siccità e inondazioni, la desalinizzazione può fornire una fonte garantita di acqua potabile dall’acqua di mare per garantire che l’approvvigionamento idrico soddisfi sufficientemente la domanda idrica.

Insieme al riutilizzo dell’acqua, la dissalazione fornisce ai paesi una soluzione affidabile per aumentare le riserve idriche esistenti e disporre di capacità aggiuntive che fungano da “polizza assicurativa”, qualora ne avessero bisogno.

“La desalinizzazione e il riutilizzo dell’acqua sono soluzioni di approvvigionamento idrico non convenzionali e rispettose dell’ambiente in linea con l’economia circolare dell’acqua e offrono soluzioni alla scarsità d’acqua”, secondo l’IDA.

Si stanno accelerando anche gli sviluppi sull’accoppiamento dei processi di desalinizzazione con le energie rinnovabili, come il solare fotovoltaico. Le tecnologie rinnovabili e di desalinizzazione possono essere combinate per ridurre l’impronta di carbonio della desalinizzazione nel breve termine. Inoltre, l’evoluzione della tecnologia delle batterie viene vista come fondamentale per realizzare un impianto di dissalazione alimentato in modo indipendente 24/7. Un obiettivo 2020-2025 è stato fissato per il 20 per cento dei nuovi impianti per essere alimentato da fonti rinnovabili dalla Global Clean Water Desalination Alliance.

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