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CCC/266

Possibili fonti d’acqua per impianti a carbone  

Anne M Carpenter

Giugno 2016

La domanda globale di energia è in aumento e per soddisfare tale domanda si metterà a rischio la già limitata risorsa di acqua dolce. Infatti, l’industria della generazione elettrica è la più grande utilizzatrice di acqua e, con il cambiamento climatico in atto, le risorse idriche del pianeta sono sempre più scarse. Inoltre la richiesta di acqua è destinata a crescere del 55% entro il 2050 e per tale motivo tutte le fonti di acqua non dolce diventeranno sempre più importanti e fondamentali come risorse idriche alternative.

Il presente report esamina la disponibilità e la modalità di utilizzo delle fonti di acqua non dolce per le centrali elettriche a carbone in Cina, India, Sud Africa e USA, che sono i quattro maggiori consumatori di carbone a livello globale. Tuttavia in tali paesi la disponibilità idrica è attualmente molto critica e per questo motivo vengono studiate altre fonti idriche alternative, quali le acque reflue urbane, acque salmastre e di mare, acque di miniera, acque prodotte da pozzi di petrolio o di gas (compreso il gas metano estratto dai giacimenti di carbone) e acque di profondi acquiferi salini.

Le centrali elettriche necessitano dell’approvvigionamento idrico per tutta la loro durata di vita, che può superare i 40 anni. La fattibilità economica dell’uso delle fonti d’acqua alternative, dipende fortemente dalla distanza tra la fonte stessa e l’impianto, dalla quantità di acqua disponibile e dai costi di trattamento. Tutte le risorse idriche alternative sono tipicamente di bassa qualità e pertanto, per evitare problemi operativi, necessitano di trattamenti come la dissalazione, processo costoso ed energeticamente dispendioso. Sono in fase di sviluppo soluzioni tecnologiche di trattamento acque a minor consumo energetico, che soddisfino i requisiti di qualità richiesti dagli impianti.

Acque reflue urbane

L’acqua reflua urbana costituisce una fonte alternativa molto promettente per la sua abbondanza e la sua vasta distribuzione geografica. Alcuni impianti di generazione elettrica nel mondo stanno utilizzando questa fonte per scopi di raffreddamento, ma numerosi altri ancora potrebbero sfruttarla, specialmente in Cina e in India, dove molti impianti di trattamento acque non sono in esercizio o sono parzialmente operativi per varie ragioni. A tal proposito il governo cinese ha recentemente fissato nuovi obiettivi e ha richiesto che le nuove centrali termoelettriche utilizzino le acque reflue trattate disponibili nelle vicinanze. L’india ha reso obbligatorio per gli impianti di generazione elettrica l’utilizzo delle acque di scarico urbane disponibili entro un raggio di 100 km. La maggior parte degli impianti termoelettrici a carbone in Sud Africa non si trova in prossimità dalle aree metropolitane e per tale motivo l’utilizzo delle acque reflue urbane risulta essere molto costoso e poco pratico. Negli Stati Uniti invece tale risorsa alternativa è la più sfruttata, circa il 5% dei 1709 sistemi di raffreddamento in esercizio la utilizza, ed il 25% ha in progetto di usufruirne. La maggior parte delle centrali termoelettriche a carbone è situata vicino a sistemi di depurazione delle acque, e quasi il 75% dei 407 impianti a carbone, operativi nel 2007, ha sufficiente disponibilità di acque di scarico trattate per soddisfare le proprie esigenze, entro i 40 km.

I problemi operativi associati all’utilizzo delle acque reflue urbane, come corrosione ed incrostazione delle tubazione e dei sistemi di raffreddamento, possono essere controllati con un adeguato trattamento della risorsa idrica. Per quanto riguarda la salute umana, l’emissione di batteri ed altri agenti contaminanti presenti negli aerosol in uscita dalle torri di raffreddamento, può essere minimizzata tramite controllo e gestione delle operazioni di raffreddamento. Sia gli operatori delle centrali che le aree urbane possono beneficiare dei vantaggi economici ed ambientali del riutilizzo delle acque reflue urbane.

Acque salmastre e di mare

L’acqua salmastra sotterranea costituisce un’importante risorsa sia per le centrali elettriche situate nell’entroterra che per quelle costiere, in queste ultime inoltre l’acqua di mare rappresenta una fonte idrica illimitata. Entrambe possono essere sfruttate direttamente, per scopi di raffreddamento, purché l’impianto sia progettato per il loro utilizzo. Tuttavia si rende necessaria la dissalazione, e a tal proposito i governi nazionali della Cina, India e Sud Africa, hanno riconosciuto che questo processo riveste un ruolo sempre più importante e fondamentale all’aumentare dell’approvvigionamento idrico. La Cina per esempio, ha fissato gli obiettivi per la dissalazione (oltre 3 milioni m3/giorno entro il 2020), e ha richiesto che tutte le centrali elettriche delle zone costiere utilizzino l’acqua di mare desalinizzata per soddisfare la loro richiesta idrica.

L’integrazione delle centrali elettriche con gli impianti di desalinizzazione comporta benefici sia in termini economici che ambientali, infatti la maggior parte dell’energia termica richiesta dai sistemi di dissalazione può essere coperta dal calore in uscita o di basso grado dell’impianto di generazione elettrica, riducendo quindi i costi dell’energia. Inoltre migliorando l’efficienza di desalinizzazione diminuisce il volume di acqua richiesto per scopi di raffreddamento. Il sistema di dissalazione può anche essere sovradimensionato, trasformando l’impianto elettrico in co-produttore di energia e acqua invece che un consumatore d’acqua. Lo svantaggio maggiore è che i sistemi integrati sono più complicati dal punto di vista operativo a causa della variabilità della domanda di energia.

Acque di miniera.

L’acqua di miniera proveniente dalle miniere abbandonate o ancora attive potrebbe rivelarsi un’importante risorsa idrica per le centrali elettriche situate nelle vicinanze in cui tale acqua è abbondante e facilmente accessibile. La fattibilità tecnica ed economica del suo utilizzo può essere dimostrata dal numero di centrali elettriche che già la utilizzano per scopi di raffreddamento. Tuttavia la mancanza di bacini di stoccaggio e drenaggio abbastanza capienti in Cina, India,Ssud Africa e USA, ne ostacola lo sfruttamento. Per promuovere l’utilizzo di questa risorsa alternativa sarebbero utili dei sistemi di incentivazione normativa e fiscale, e l’unico paese che si è mosso verso tale direzione è la Cina. Infatti, in particolar modo nel nord della Cina, è stato agevolato l’utilizzo delle acque di drenaggio delle miniere alle nuove centrali elettriche. Ancora, il riciclo dell’acqua dal drenaggio acido di miniera è stato riconosciuto dal governo del Sud Africa nel suo secondo “National Water Resource Strategy” come fondamentale sistema per incrementare la disponibilità idrica del paese.

Acque di produzione

L’acqua prodotta dai pozzi di petrolio e gas è una risorsa limitata in quanto è disponibile generalmente per la sola durata del progetto di estrazione. Inoltre la raccolta dell’acqua da ciascun pozzo, il trasporto, la gestione della variabilità del flusso e la qualità che varia nel tempo, può rendere difficoltoso ed oneroso il suo utilizzo. Tuttavia, la combinazione di calore, pressione e salinità dell’acqua prodotta potrebbe fornire opportunità per il recupero dell’energia, e contribuire a diminuire il costo di trattamento. Per esempio la temperatura dell’acqua potrebbe essere abbastanza elevata da agevolare i processi di dissalazione, oppure dove disponibile, l’elevata pressione potrebbe guidare i processi di osmosi inversa. Negli USA vi sono alcune questioni normative che devono essere ancora affrontate, come la proprietà della risorsa idrica. Vi sono pochi impianti di generazione elettrica attualmente in funzione che sfruttano questa fonte, e si trovano principalmente in Australia. Si tratta di impianti che utilizzano il gas metano estratto dai giacimenti di carbone (coalbed methane – CBM) e utilizzano l’acqua di produzione per scopi di raffreddamento.

La quantità di acqua di produzione è destinata a crescere nel futuro grazie allo sviluppo, in alcuni paesi, di risorse non convenzionali. Il governo cinese sta attuando una politica energetica che favorisce lo sviluppo del gas non convenzionale, imponendo degli obiettivi di produzione sia per lo shale gas che per il CBM. Anche l’India ha previsto di incrementare il CBM 5 volte (rispetto il dato attuale) entro il 2017-18 per raggiungere 2,1 miliardi di m3/anno. Tuttavia i giacimenti di shale gas si trovano in aree geologicamente complesse, e la mancanza di infrastrutture per l’acqua e per il trasporto ne frenano lo sviluppo. Negli USA, l’acqua di produzione dei pozzi di petrolio e gas, potrebbe costituire una importante risorsa idrica alternativa. Invece, è improbabile che tale risorsa possa essere sfruttata in sud Africa a causa della distanza dei depositi di shale gas dagli impianti elettrici a carbone. Si rende necessario, per valutare il potenziale dell’acqua di produzione, generare un database nazionale in cui riportare i dati sulla quantità e qualità dell’acqua disponibile.

Acque provenienti da acquiferi salini profondi

Un altro metodo per ridurre l’utilizzo di acqua dolce nelle centrali elettriche è quello di sfruttare l’eventuale necessità, per mitigare il cambiamento climatico, di stoccaggio della CO2. Con questo approccio sinergico si potrebbero utilizzare, a seconda delle condizioni specifiche del sito, gli acquiferi salini profondi sia come deposito di stoccaggio per la CO2 che come risorsa idrica alternativa. Durante il confinamento dell’anidride carbonica potrebbero essere estratte notevoli quantità di acqua riducendo il rischio di sismicità indotta, di perdite di CO2 e subsidenza, migliorando anche l’efficienza di stoccaggio. Il volume estratto potrebbe essere sufficiente per sostituire o addirittura superare le richieste idriche di un impianto di generazione elettrica, consentendo alla centrale di diventare co-produttore di energia e di acqua. Come nel caso precedente delle acque di produzione, la giusta combinazione di calore, pressione e salinità dell’acqua porterebbe a una diminuzione dei costi di trattamento acque.

Oggigiorno non vi sono in esercizio impianti che sfruttano tale risorsa idrica, anche se sono in fase di analisi alcuni progetti. Infatti, specialmente in Cina e negli Usa, numerose centrali elettriche si trovano al di sopra o nelle vicinanze degli acquiferi salini. Per nessuno dei quattro paesi considerati nel presente report è stata valutata la quantità di acqua disponibile, ed esistono ancora varie questioni da risolvere.

Per concludere, la messa in esercizio di sistemi di trattamento acque nelle centrali elettriche a carbone ridurrà l’onere della richiesta di acqua dolce, pur consentendo agli impianti di continuare a generare l’energia elettrica necessaria. In alcuni casi, e con adeguati progetti, l’impianto a carbone potrebbe diventare fornitore sia di energia che di acqua dolce.GCau