L’osmosi inversa (RO) rappresenta oggi circa il 66-69% della capacità di dissalazione globale installata, e nella maggior parte della copertura di settore questo dato viene letto come un verdetto: le membrane hanno vinto, il termico ha perso. Il quadro è in realtà meno definito. Valutata in base all’efficienza exergetica (secondo principio), la distillazione multi-effetto (MED) è il processo termodinamicamente più completo tra le tre tecnologie principali — e in particolare negli stati del Consiglio di Cooperazione del Golfo, la dissalazione termica (MED più flash multistadio, MSF) detiene ancora quasi l’85% del mercato. Questa ripartizione non è frutto di inerzia. Riflette una differenza reale in ciò che a ciascun processo viene effettivamente chiesto di fare: la RO acquista elettricità a basso costo e contrasta la pressione osmotica con una pompa; la dissalazione termica acquista vapore a basso costo (spesso altrimenti sprecato) e non contrasta altro che le proprie perdite di trasferimento di calore. Quale dei due prevalga è una domanda che riguarda il mercato energetico e la chimica dell’acqua di alimentazione di un sito specifico, non una domanda con un’unica risposta valida su scala globale.
Questo articolo ripercorre la fisica su cui si fonda ciascun processo, il motivo per cui i loro requisiti di pretrattamento divergono di circa un ordine di grandezza, come confrontare il loro consumo energetico su una base comune nonostante uno funzioni a elettricità e l’altro a vapore, e cosa hanno effettivamente fatto con questi compromessi tre impianti reali su scala industriale — Sorek II in Israele, Taweelah negli Emirati Arabi Uniti e il complesso ibrido di Ras Al Khair in Arabia Saudita.
La soglia energetica che nulla può superare
La dissalazione è, dal punto di vista termodinamico, una separazione — la scomposizione di una soluzione salina diluita in acqua pura e in una salamoia più concentrata. Si tratta di un processo che riduce l’entropia del sistema acqua/sale, e richiede quindi un apporto energetico esterno minimo indipendentemente dalla tecnologia che esegue la separazione. Per una soluzione binaria diluita ideale di acqua e sale, l’energia libera di Gibbs di miscelazione è:
dove n è il numero totale di moli, R la costante universale dei gas, T la temperatura assoluta, e x_w, x_s le frazioni molari di acqua e sale. Poiché l’acqua di mare è diluita in senso termodinamico (x_s è piccolo), questa espressione si semplifica, tramite uno sviluppo in serie di Taylor, in:
Normalizzando il lavoro di separazione reversibile rispetto al volume di acqua prodotta si ottiene il consumo energetico specifico minimo teorico (SEC_min). Alla salinità standard dell’acqua di mare e a 25°C, SEC_min dipende dal rapporto di recupero a cui punta il sistema — la frazione di alimentazione convertita in permeato. Al limite in cui il recupero tende a zero (un prelievo infinitesimale da un serbatoio effettivamente infinito), SEC_min ≈ 0.78 kWh/m³. A un rapporto di recupero del 50% — valore più vicino a quanto avviene realmente negli impianti — la salamoia residua si è concentrata a sufficienza da far salire sensibilmente la sua pressione osmotica, e SEC_min sale a circa 1.1 kWh/m³.
Questa è la soglia minima. Nessuna soluzione ingegneristica può portare un impianto reale a questo valore, perché i sistemi reali devono comunque scontare le perdite idrauliche di pompe e turbine, l’attrito nei canali della membrana, la resistenza al trasferimento di massa nello strato limite e il trasferimento di calore non all’equilibrio — nessuna di queste è opzionale. L’utilità di questa soglia sta nel fornire un termine di paragone: quando un impianto RO dichiara 2.5-4.0 kWh/m³, si tratta di circa 2-4 volte il minimo reversibile a un recupero realistico, e colmare quel divario residuo è, in sostanza, ciò di cui si è occupato un secolo di ingegneria della dissalazione.
Come la RO fa effettivamente passare l’acqua attraverso una membrana
La RO è una separazione a membrana guidata dalla pressione: la pressione idraulica applicata, superiore alla pressione osmotica dell’acqua di alimentazione, spinge le molecole d’acqua contro il proprio gradiente di potenziale chimico, attraverso uno strato attivo di poliammide denso e sostanzialmente non poroso, mentre gli ioni disciolti vengono respinti sul lato di alimentazione.
Il modello meccanicistico dominante è quello soluzione-diffusione: solvente e soluto vengono trattati come specie che si dissolvono nella matrice della membrana e la attraversano per diffusione in modo indipendente, spinte da gradienti diversi. Il flusso d’acqua segue il differenziale di pressione netto effettivo:
dove A è il coefficiente di permeabilità all’acqua della membrana, ΔP il differenziale di pressione applicato, e ΔΠ il differenziale di pressione osmotica attraverso la membrana. È fondamentale notare che il flusso di soluto (sale) è governato da una forza motrice completamente diversa — il solo gradiente di concentrazione, indipendente dalla pressione applicata:
dove B è il coefficiente di permeabilità al soluto della membrana e C_m, C_p sono le concentrazioni di soluto rispettivamente sulla superficie della membrana e nel permeato. Questo disaccoppiamento è il motivo per cui la reiezione salina della RO non migliora semplicemente facendo funzionare l’impianto a pressioni più elevate — spingere più acqua attraverso la membrana non rallenta il sale, lo diluisce soltanto in un volume maggiore di permeato.
La complicazione è la polarizzazione da concentrazione: poiché il sale viene continuamente respinto sulla superficie della membrana, lì si forma uno strato limite con salinità sensibilmente superiore a quella dell’alimentazione in massa. Questo gonfia il termine ΔΠ effettivo proprio dove conta di più, riducendo la forza motrice disponibile per J_w, e aumenta anche il rischio locale che sali poco solubili cristallizzino sulla superficie della membrana ben prima che la soluzione in massa si avvicini alla saturazione.
Come MED e MSF estraggono acqua facendola bollire, non spremendola
MED e MSF sono entrambi processi termici, ma il modo in cui estraggono il calore latente è sufficientemente diverso da farli comportare, in pratica, come tecnologie distinte, non come varianti di uno stesso schema.
La MED fa cascata di vaporizzazione e condensazione attraverso una serie di vasche evaporative (“effetti”) mantenute a pressione progressivamente decrescente. Il vapore motore condensa nel fascio tubiero del primo effetto, facendo bollire l’acqua di mare spruzzata sul lato mantello; il vapore che si sviluppa è leggermente più freddo del vapore motore, quindi il secondo effetto viene mantenuto a pressione inferiore in modo che il vapore possa comunque far bollire l’alimentazione anche lì — e così via lungo il treno, con il vapore dell’effetto finale che condensa contro l’alimentazione fredda in ingresso. Ogni unità di energia del vapore in ingresso svolge di fatto il proprio lavoro di condensazione/evaporazione più volte man mano che scende lungo la scala di pressione, ed è proprio questo l’argomento chiave dell’efficienza della MED.
La temperatura massima della salamoia (TBT, top brine temperature) della MED è volutamente limitata, tipicamente nell’intervallo 65-70°C. Non si tratta tanto di un limite impiantistico quanto di un limite legato alla chimica delle incrostazioni — spingendosi a temperature più elevate, l’incrostazione alcalina accelera nettamente.
La MSF funziona in modo diverso: non si basa affatto sull’ebollizione contro una superficie di scambio termico. L’acqua di mare preriscaldata e pressurizzata viene portata alla sua TBT (tipicamente 90-110°C) in un riscaldatore di salamoia, quindi viene sottoposta a flash — rilasciata stadio dopo stadio in camere mantenute a pressione progressivamente decrescente. In ciascuno stadio il liquido è momentaneamente surriscaldato rispetto alla pressione di saturazione locale, e questo calore sensibile in eccesso si converte quasi istantaneamente in vapore di flash. Poiché il tempo di permanenza in ciascuna camera di flash è breve, il fluido raramente raggiunge il vero equilibrio termodinamico prima di passare allo stadio successivo; il divario di temperatura che ne risulta è il margine di non equilibrio (Non-Equilibrium Allowance, NEA), ed è la singola fonte più grande di perdita termodinamica specifica della MSF — un meccanismo di perdita che RO e MED semplicemente non hanno un equivalente.
Vale la pena segnalare un ingresso più recente, ancora di nicchia: la dissalazione termodiffusiva (TDD) sfrutta l’effetto Soret — la diffusione termica di ioni disciolti lungo un gradiente di temperatura — per dissalare senza alcun cambiamento di fase. Un singolo passaggio TDD è una fase di dissalazione modesta, ma stadi in cascata possono raggiungere una dissalazione profonda, e poiché non c’è ebollizione né pompaggio ad alta pressione, il consumo elettrico è estremamente basso. Questa combinazione (bassa richiesta elettrica, tolleranza al calore di bassa qualità, nessuna idraulica ad alta pressione da mantenere) rende la TDD una soluzione plausibile per isole remote e non collegate alla rete, con abbondante calore di bassa qualità e sostanzialmente nessuna alimentazione elettrica di rete affidabile — non una concorrente di RO/MED/MSF su scala di pubblica utilità.
Perché i requisiti di pretrattamento differiscono di un ordine di grandezza
La sensibilità della RO al fouling deriva direttamente dalla sua fisica: qualunque cosa si depositi sopra o dentro una membrana polimerica densa ne degrada permanentemente flusso e reiezione, e non esiste un effetto autosterilizzante termico a cui affidarsi. Le specifiche tipiche dell’alimentazione RO richiedono un Indice di Densità dei Sedimenti SDI₁₅ < 3 e una torbidità sostenuta inferiore a 0.1 NTU. Rispettare in modo affidabile questi valori ha spinto la maggior parte dei grandi impianti SWRO moderni ad abbandonare la filtrazione convenzionale su mezzo granulare (sabbia) a favore dell’ultrafiltrazione (UF) come spina dorsale del pretrattamento — le dimensioni dei pori della UF, nell’intervallo 0.01-0.03 μm, forniscono una barriera fisica solida contro colloidi, virus, batteri e microalghe che la filtrazione su mezzo granulare non può garantire.
La nanofiltrazione (NF) viene sempre più impiegata a monte sia della RO sia dei sistemi termici, specificamente per la rimozione della durezza: la reiezione della NF basata sulla carica (effetto Donnan) allontana selettivamente gli ioni bivalenti responsabili delle incrostazioni (calcio, magnesio, solfato) dall’alimentazione, il che riduce il rischio di incrostazione da solfato di calcio e simili a valle e permette allo stadio RO o termico successivo di operare in sicurezza a un rapporto di recupero limite più elevato. I lettori che devono modellare questa fase di pretrattamento — con tracciamento indipendente della reiezione dei monovalenti e dei bivalenti lungo un array NF multistadio — possono impostare il bilancio di massa direttamente con il Progettista di Sistemi NF di questo sito.
Dal punto di vista chimico, l’alimentazione RO richiede un dosaggio continuo di antincrostante (tipicamente a base di fosfonati o poliacrilati, per innalzare la barriera di nucleazione dei cristalli poco solubili) e la declorazione: il cloro libero e altri ossidanti forti attaccano direttamente lo strato attivo di poliammide, degradando il polimero e compromettendo la reiezione salina, per cui il metabisolfito di sodio (SBS) viene dosato a monte del treno a membrane per mantenere il potenziale di ossidoriduzione al di sotto di una soglia di sicurezza. I lettori che devono dimensionare queste portate di dosaggio possono utilizzare il Calcolatore di Dosaggio Chimico di questo sito.
I processi termici tollerano una torbidità dell’acqua di alimentazione che intaserebbe un treno RO in poche ore — una grigliatura grossolana più filtri autopulenti sono spesso sufficienti. Il loro vero collo di bottiglia è la chimica delle incrostazioni e della corrosione ad alta temperatura. Il riscaldamento dell’acqua di mare alle temperature di processo termico induce la decomposizione termica del bicarbonato:
Il carbonato prodotto si combina con il calcio per precipitare un’incrostazione di carbonato di calcio dura e poco conduttiva, direttamente sulle superfici di scambio termico. A temperature operative più elevate, l’equilibrio di dissociazione dell’acqua si sposta, la concentrazione di idrossido aumenta, e il magnesio idrolizza precipitando un’incrostazione sfaldabile di idrossido di magnesio:
Per evitare il degrado delle prestazioni di scambio termico, gli impianti termici mantengono un dosaggio continuo di antincrostante resistente alle alte temperature e la deaerazione sottovuoto per rimuovere l’ossigeno disciolto e i gas acidi (l’ossigeno disciolto viene tipicamente abbattuto a livelli di traccia), proteggendo dai fenomeni di vaiolatura (pitting) e dalla corrosione ossidativa generale a temperatura i fasci tubieri in acciaio al carbonio e in lega rame-nichel.
Confrontare il consumo energetico quando un processo funziona a elettricità e l’altro a vapore
La RO consuma quasi esclusivamente lavoro elettrico di alta qualità; MED e MSF consumano prevalentemente energia termica di bassa qualità (più un modesto carico elettrico per pompe e sistemi a vuoto). Confrontarli in modo onesto richiede di convertire entrambi su una base comune — il quadro dell’Energia Primaria Standard (Standard Primary Energy, SPE) fa questo ricondendo ogni input energetico al combustibile primario necessario a produrlo. L’energia elettrica viene convertita usando un fattore di conversione CF_elec = 2.0, basato su un’efficienza di generazione di riferimento di circa il 50% (un moderno impianto turbogas a ciclo combinato). Il vapore industriale a bassa pressione, sotto i 130°C, viene convertito usando CF_ther = 36.36 — un numero che appare elevato perché lo è: il calore di bassa qualità non può essere riconvertito in lavoro elettrico con un’efficienza anche lontanamente paragonabile a quella con cui un generatore compie il percorso inverso.
All’interno del solo consumo elettrico della RO, la leva di efficienza singola più importante è stata il recupero energetico. Le pompe ad alta pressione spingono l’alimentazione a circa 55-75 bar; a un recupero tipico del 40-45%, il 55-60% dell’alimentazione che esce come concentrato ad alta pressione porta ancora con sé la maggior parte di quell’energia di pressione idraulica. Senza un dispositivo di recupero energetico (ERD), quella pressione viene semplicemente dissipata come calore d’attrito, e il consumo energetico specifico si attesta a 8-12 kWh/m³. I dispositivi ERD di tipo centrifugo (a turbocompressore) recuperano l’energia del concentrato tramite un rotore, convertendo la pressione idraulica in lavoro meccanico rotazionale e poi di nuovo in pressione idraulica sul lato dell’alimentazione — due conversioni, ciascuna con perdite per attrito, trafilamento e impatto, che limitano l’efficienza di trasferimento pratica a circa l’80-85%. I dispositivi isobarici (scambiatori di pressione rotanti) mettono invece il concentrato ad alta pressione e l’alimentazione a bassa pressione a contatto diretto all’interno di un rotore rotante a cartucce ceramiche, trasferendo la pressione senza alcuno stadio intermedio di lavoro d’albero; l’efficienza di trasferimento si attesta al 95-98%. Questo guadagno di efficienza è il singolo fattore che più ha contribuito alla riduzione del consumo di potenza specifico (SPC) della SWRO moderna, sceso da circa 10 kWh/m³ di una generazione fa a un valore tipico odierno di 2.5-4.0 kWh/m³.
Valutata puramente in kWh consumati, la RO vince con ampio margine — non ha praticamente alcuna voce di consumo termico. Ma valutata sull’efficienza exergetica (secondo principio) e sulla base SPE, la classifica si avvicina, e secondo una lettura si capovolge: l’uso efficiente del calore a cascata di bassa qualità da parte della MED le conferisce un’efficienza di secondo principio di circa il 14.2%, contro circa l’11.1% della RO. L’implicazione pratica è specifica, non universale: se un sito ha accesso a calore genuinamente a basso costo o gratuito (calore di scarto industriale, il calore di scarico del condensatore di una centrale nucleare), l’economia dell’energia primaria della MED può superare persino un treno RO all’avanguardia con ERD isobarico. La MSF, al contrario, perde su ogni indicatore di efficienza in questo confronto — le sue perdite intrinseche di flash non all’equilibrio producono la maggiore generazione di entropia tra i tre processi, e non è la tecnologia da specificare per un nuovo impianto a basse emissioni di carbonio, a meno che il sito non disponga già inevitabilmente di energia termica a basso costo.
Quanto costa costruire e gestire questi impianti
La struttura di capitale della RO è leggera e modulare: elementi a membrana standardizzati e vasi a pressione in vetroresina si assemblano rapidamente, le opere civili si limitano in gran parte al pompaggio di presa e alle vasche UF, e la spesa in conto capitale si concentra su apparecchiature meccaniche ad alto valore (pompe ad alta pressione, ERD isobarici, tubazioni in acciaio inossidabile duplex). La MSF si colloca all’estremo opposto — i suoi vasi delle camere di flash e i fasci tubieri dei condensatori consumano grandi volumi di leghe costose resistenti alla corrosione (Hastelloy, rame-nichel o titanio), il montaggio in sito è lento, e il costo di costruzione supera comunemente il doppio di un impianto RO equivalente. La MED, funzionando a temperature più basse, può utilizzare rivestimenti anticorrosione più economici e piastre di titanio sottili ed efficienti, collocando il proprio CAPEX a metà strada tra le altre due tecnologie — ben al di sopra della RO, ben al di sotto della MSF.
Il costo operativo racconta una storia collegata ma distinta. Gli elementi a membrana RO sono materiali di consumo — un intero ciclo di sostituzione dell’impianto ogni 3-5 anni — e i costi di membrane e sostanze chimiche di dosaggio incidono tipicamente per il 15-20% dell’OPEX; l’OPEX della RO è inoltre insolitamente esposto alla volatilità del prezzo dell’elettricità, poiché l’energia elettrica costituisce comunemente il 40-50% del costo di esercizio. Gli impianti termici hanno molte meno parti soggette a usura e una spesa in materiali di consumo corrispondentemente inferiore (ben sotto il 5% dell’OPEX), ma sono altrettanto esposti — probabilmente di più — al prezzo del vapore che consumano.
| RO | MED | MSF | |
|---|---|---|---|
| Vita utile di progetto tipica | 15-20 anni (pressione ciclica elevata, invecchiamento delle membrane) | 25-30 anni (stress termico inferiore) | 35+ anni (pesante, meccanicamente semplice) |
| Principale materiale di consumo | Elementi a membrana, sostituzione ogni 3-5 anni | Minimo | Minimo |
| Quota dei materiali di consumo sull’OPEX | 15-20% | <5% | <3% |
| LCOW | $0.45-1.72/m³ | $0.55-0.95/m³ (con calore a basso costo) | $1.10-2.20/m³ |
Il basso consumo energetico specifico della RO è ciò che la rende la scelta commercialmente dominante praticamente ovunque l’elettricità sia prezzata in modo normale. La MED colma il divario di LCOW — e può battere la RO — soltanto dove il calore è quasi gratuito.
Tre impianti, tre scommesse diverse
Sorek II (Sorek B), Israele — 670.000 m³/giorno, con un prezzo dell’acqua di circa $0.40-0.45/m³ che ha stabilito, al momento della sua costruzione, un nuovo benchmark minimo per la SWRO su larga scala. La scelta ingegneristica più determinante: l’impianto è passato dalla configurazione convenzionale con elementi a membrana orizzontali da 8 pollici a elementi da 16 pollici in orientamento verticale — un singolo elemento da 16 pollici trasporta circa quattro volte l’area di membrana e la portata effettive di un’unità da 8 pollici, il che ha ridotto il numero totale di alloggiamenti delle membrane, connessioni flangiate e tratti di tubazione ad alta pressione, riducendo sensibilmente l’ingombro dell’edificio RO e il CAPEX. La presa e lo scarico hanno utilizzato la posa di tubazioni a lunga distanza mediante microtunnelling (pipe jacking) anziché lo scavo a cielo aperto sul fondale marino, evitando di disturbare il fondale e l’habitat costiero lungo il percorso. Il boro nel prodotto è stato mantenuto al di sotto della soglia stringente richiesta per il riutilizzo irriguo agricolo senza restrizioni — un vero banco di prova per le prestazioni di reiezione di una configurazione a membrana a doppio passaggio nei confronti di uno ione problematico specifico, non solo del TDS complessivo.
Taweelah, Emirati Arabi Uniti — 909.200 m³/giorno, uno dei più grandi impianti SWRO a stadio singolo mai costruiti finora, e degno di nota meno per le sue dimensioni che per ciò che ha sostituito: il sito ospitava in precedenza unità MSF che vendevano acqua a circa $0.84/m³, con un’impronta pesante di combustione di combustibili fossili. La ricostruzione ha standardizzato il recupero energetico isobarico in tutto l’impianto e, lavorando contro condizioni estive dell’acqua di alimentazione intorno ai 35°C e TDS superiore a 45.000 mg/L — una combinazione realmente difficile — ha comunque mantenuto il consumo di potenza specifico a circa 2.7 kWh/m³, una riduzione dell’intensità energetica di circa il 75% rispetto al riferimento MSF che ha sostituito. Si tratta di una risposta empirica piuttosto diretta alla domanda “quanto fa effettivamente risparmiare il passaggio dal termico alla membrana nelle condizioni di alimentazione del Golfo”.
Ras Al Khair, Arabia Saudita — un complesso ibrido che combina otto unità MSF (circa 300.000 m³/giorno complessivi) con diciassette treni SWRO moderni (circa 730.000 m³/giorno complessivi), per una capacità totale vicina a 1,03 milioni di m³/giorno. Ciò che lo rende un vero e proprio schema progettuale diverso, e non semplicemente due impianti che condividono un recinto, è la miscelazione dei prodotti: il condensato della MSF è un distillato quasi privo di ioni, mentre il permeato RO a passaggio singolo può avvicinarsi in estate all’estremo superiore della salinità accettabile per l’acqua finita, poiché le membrane si dilatano con la temperatura di alimentazione. Miscelare i due flussi di prodotto nel rapporto giusto consente di raggiungere la durezza e il boro target dell’acqua finita senza aggiungere affatto un secondo passaggio RO. Il complesso utilizza inoltre il calore di scarico del condensatore della turbina per preriscaldare delicatamente l’alimentazione RO invernale — l’acqua di presa fredda altrimenti deprime il flusso d’acqua e impone una pressione operativa più elevata — livellando il prelievo di potenza del treno RO lungo tutto l’anno.
Scarico ambientale: una modalità di guasto diversa per ciascun processo, non una condivisa
Ogni tecnologia di dissalazione restituisce un flusso di salamoia al corpo idrico ricettore, e le tre tecnologie producono pericoli di scarico significativamente diversi.
Il concentrato RO rimane vicino alla temperatura ambiente ma raggiunge circa 1.5-2 volte la salinità dell’alimentazione. Poiché è più denso dell’acqua di mare ricevente, sprofonda e si diffonde come un pennacchio ipersalino che aderisce al fondale invece di mescolarsi nella colonna d’acqua, creando ipossia localizzata particolarmente dannosa per gli invertebrati bentonici, le praterie di fanerogame marine e le uova dei pesci demersali — organismi con capacità limitata di allontanarsi dal pennacchio.
Il concentrato di MED e MSF è meno ipersalino (circa 1.2-1.5 volte la salinità dell’alimentazione) ma viene scaricato a temperatura sensibilmente superiore a quella ambiente — un problema di inquinamento termico piuttosto che salino. La temperatura di scarico elevata deprime l’ossigeno disciolto locale e può favorire condizioni di fioritura algale nociva, alterando il ritmo biologico stagionale dell’ecosistema ricevente piuttosto che la sua chimica di base.
Entrambe le famiglie di processo comportano anche residui chimici da contabilizzare separatamente rispetto alla salamoia in massa: i cicli periodici di pulizia in loco (CIP) delle membrane RO scaricano un carico organico di acido citrico e reflui chelanti a base di EDTA; l’ambiente operativo ad alta temperatura e lievemente acido della MSF causa una perdita di metallo misurabile dai fasci tubieri in rame-nichel/ottone, aggiungendo rame e nichel a tossicità cronica al flusso di salamoia.
Sull’impronta di carbonio in particolare, i due input energetici divergono nettamente non appena si considera la provenienza effettiva dell’energia. Utilizzando come esempio di calcolo fattori di emissione rappresentativi della rete elettrica media e di una caldaia a combustibile fossile:
Il messaggio non è “il termico è sporco” in termini assoluti — è che l’impronta di carbonio della MED è quasi interamente una funzione della provenienza del suo vapore. Alimentata da una caldaia fossile dedicata, la sua impronta è nettamente peggiore di quella di una RO alimentata dalla rete; alimentata da calore di scarto genuinamente gratuito, il calcolo sopra riportato crolla verso valori prossimi allo zero. È la stessa conclusione a cui giunge, da un’angolazione diversa, la sezione sul bilancio energetico SPE: le prestazioni reali della MED, sia economiche sia ambientali, sono inseparabili dal fatto che il sito disponga già o meno di calore in eccesso.
L’accoppiamento con le rinnovabili cambia i vincoli, non solo il combustibile
La RO alimentata da fotovoltaico (PV-RO) è l’abbinamento dissalazione-rinnovabili commercialmente più maturo, ma incontra un vero problema di controllo: i treni SWRO sono stati progettati per un funzionamento continuo a pressione costante, mentre la produzione fotovoltaica/eolica è per natura intermittente. Se la pressione di alimentazione scende sotto la pressione osmotica della salinità di alimentazione corrente durante il passaggio di una nuvola o un calo di produzione, il flusso di permeato si arresta istantaneamente; il sale dello strato di polarizzazione da concentrazione non ha alcun flusso di lavaggio che lo disperda e può cristallizzare direttamente sulla superficie della membrana, con transitori di pressione severi che rischiano di danneggiare fisicamente la membrana.
L’accumulo tramite batterie è stata la prima risposta ovvia, e i grandi banchi di batterie al litio possono mantenere la pressione costante durante brevi cali di produzione — ma un’analisi del costo sull’intero ciclo di vita a scala industriale tende generalmente a bocciare questo approccio: il CAPEX delle batterie erode il vantaggio di costo della RO, e il ciclo di degrado delle batterie di 5-8 anni è mal abbinato alla vita utile pluridecennale di un impianto di dissalazione, con lo smaltimento dei pacchi batteria dismessi che aggiunge una propria passività ambientale. La pratica ingegneristica attuale si è invece orientata verso un funzionamento flessibile senza batterie — mettendo dinamicamente in e fuori servizio treni a membrana paralleli al variare della potenza disponibile, mantenendo i treni che restano in servizio alla loro velocità di flusso e pressione di reiezione ottimali invece di far funzionare l’intero array in una condizione fuori progetto e degradata — combinata con l’accumulo di acqua prodotta anziché di elettricità (serbatoi di acqua dolce sopraelevati riempiti a pieno regime durante i picchi di generazione, alimentati per gravità durante i cali), il che aggira il problema delle batterie a livello del mezzo di accumulo invece di risolverlo a livello della chimica delle batterie.
L’accoppiamento solare termico con la MED è un abbinamento fisico più naturale: collettori a concentrazione parabolica o Fresnel lineari che riscaldano un fluido di lavoro oltre circa 150°C possono azionare una piccola turbina a ciclo Rankine organico per la generazione di potenza, con il calore di scarico di bassa qualità della turbina (tipicamente 70-80°C) che alimenta direttamente il primo effetto di una MED — una vera e propria cascata termica, non semplicemente due sistemi che condividono un’infrastruttura. L’accumulo termico a sali fusi o ad acqua calda pressurizzata nel circuito dei collettori consente al treno MED di funzionare ininterrottamente, non solo durante le ore di sole, il che evita anche la penalità di incrostazione e corrosione derivante dai cicli termici ripetuti in un funzionamento con avviamenti e arresti frequenti.
Il punto di arrivo logico dell’accumulo di questi compromessi è un sistema ibrido in cascata: la PV-RO gestisce il primo passaggio di dissalazione al recupero standard, la NF o un secondo passaggio RO ad alta pressione rimuove la durezza e concentra ulteriormente il reietto, la MED alimentata da solare termico o la distillazione a membrana gestiscono un ulteriore stadio di concentrazione termica una volta che gli ioni responsabili della durezza sono in gran parte assenti (in modo che la temperatura operativa più elevata non inneschi immediatamente incrostazioni), e un evaporatore/cristallizzatore finale recupera l’acqua residua come distillato mentre fa precipitare i solidi disciolti come cloruro di sodio, solfato di sodio, solfato di magnesio e carbonato di calcio commercializzabili. Questa sequenza — rimozione della durezza prima dello stadio ad alta temperatura, non dopo — è ciò che rende un sistema a scarico liquido zero in cascata sostenibile invece di un problema di incrostazione in attesa di manifestarsi. I lettori che devono modellare gli stadi RO/NF di questa cascata possono effettuare le verifiche di recupero, TDS del concentrato e pressione osmotica con il Progettista di Sistemi RO di questo sito, insieme al Progettista di Sistemi NF sopra citato. Per un approfondimento su come questa decisione di passaggio tra membrana e fase termica si presenti specificamente nello scarico liquido zero industriale — incluse MVR, distillazione a membrana ed elettrodialisi come fasi finali — vedi l’articolo di questo sito sul sequenziamento dello scarico liquido zero.
Cosa significa questo per la scelta della tecnologia
Nessuno dei tre processi è una scelta categoricamente “migliore” — ciascuno prevale in un insieme specifico e identificabile di condizioni di sito. La RO è la scelta predefinita corretta quasi ovunque: il suo basso consumo energetico specifico, la piccola impronta di carbonio per metro cubo su una rete elettrica normale, e la costruzione modulare a basso CAPEX la rendono la scelta a minor rischio per l’approvvigionamento municipale e i progetti costieri distribuiti, dove l’elettricità ha un prezzo normale e non c’è calore gratuito a disposizione. La MED merita una seria seconda valutazione specificamente dove un sito dispone già di energia termica a basso costo o gratuita — calore di scarto industriale, il calore di scarico del condensatore di una centrale elettrica adiacente, un apporto solare termico a concentrazione — perché è l’unica condizione in cui la sua superiore efficienza di secondo principio si traduce in un LCOW capace di battere apertamente la RO. La MSF è sempre più difficile da giustificare per nuove costruzioni: la combinazione di elevate perdite da generazione di entropia, il pesante consumo di leghe costose resistenti alla corrosione e la dipendenza quasi totale da vapore fossile a basso costo la pone in una posizione di svantaggio strutturale rispetto a entrambe le alternative, e la si ritrova per lo più in contesti di ristrutturazione o retrofit ibrido, non in nuove specifiche progettuali.
L’indicazione pratica per chiunque debba effettivamente specificare un impianto: non partire da “quale tecnologia è la migliore” — partire da quale energia è effettivamente disponibile sul sito, a quale prezzo reale, e da come si presenta il profilo di salinità e temperatura dell’acqua di alimentazione lungo le stagioni. La scelta tecnologica discende in gran parte da queste tre risposte.
Ulteriori letture
- Fritzmann, C. et al., “State-of-the-art of reverse osmosis desalination,” Desalination 216 (2007) — la rassegna di riferimento standard per la modellazione soluzione-diffusione della RO e il trasporto di membrana.
- El-Dessouky, H.T. & Ettouney, H.M., Fundamentals of Salt Water Desalination, Elsevier (2002) — trattazione manualistica della termodinamica di MED e MSF, incluse le derivazioni del margine di non equilibrio e del rapporto di produzione guadagnata (gained-output-ratio).
- Mistry, K.H. et al., “Entropy generation minimization of desalination technologies,” e la relativa derivazione “Derivation of the Theoretical Minimum Energy of Separation of Desalination Processes,” Journal of Chemical Education 97 (2020) — la derivazione dell’energia minima teorica utilizzata in questo articolo.
- Rapporti di mercato della International Desalination Association (IDA) / DesalData — la fonte pubblicata primaria per i dati di quota di capacità installata a livello globale e regionale per tecnologia.
- Rapporti tecnici del U.S. DOE / NREL sui dispositivi di recupero energetico e sui benchmark di consumo energetico della dissalazione — riferimento di base per i dati di prestazione degli ERD isobarici rispetto a quelli centrifughi.