CCC/297

Ottobre 2019

Ian Barnes

In un mondo sempre più industrializzato e urbanizzato, l’acqua e l’energia rappresentano risorse vitali ed imprescindibili per il benessere umano. Tali risorse sono reciprocamente dipendenti: la produzione di energia richiede grandi quantità di acqua, mentre la purificazione e la distribuzione dell’acqua necessitano di notevoli quantità di energia. Questa interdipendenza è conosciuta come nesso “acqua-energia”. L’aumento della popolazione e la crescita economica influenzano enormemente la domanda energetica e quella idrica.

L’acqua potabile è una risorsa limitata e soggetta al mercato della concorrenza. Il suo approvvigionamento sta divenendo una priorità globale, soprattutto in paesi sottosviluppati. Le preoccupazioni per la sua disponibilità e qualità stanno crescendo, specialmente nelle regioni maggiormente influenzate dai cambiamenti climatici. La scarsità delle risorse idriche impatta su più del 40% della popolazione mondiale e le previsioni la indicano in aumento costante. L’acqua usata negli impianti alimentati a combustione di carbone è notevole (figura 1), e data l’importanza del binomio “acqua‑energia”, il rapporto focalizza l’attenzione sui problemi legati alla generazione di energia con carbone e su come essi vengono trattati.

[caption id="attachment_11710" align="alignnone" width="640"] Figura 1. Bilancio dell'utilizzo dell'acqua in un impianto da 500 MW (Carney e Shuster, 2014).[/caption]

L’importanza della salvaguardia delle riserve idriche e della protezione dell’ambiente ha portato molti paesi ad adottare politiche mirate a ridurre la domanda d'acqua degli impianti termoelettrici. I più grandi consumatori di carbone per la generazione elettrica (Cina, India, Stati Uniti e Sud Africa) adottano politiche e normative che riflettono la diversa situazione di ciascuno di questi paesi in relazione alla posizione geografica, alla dimensione, all'efficienza del parco carbone e delle infrastrutture esistenti.

Il principale consumo di acqua, all'interno di una centrale a carbone, è attribuibile al sistema di raffreddamento, sebbene esistano diversi processi che contribuiscono in maniera minoritaria. Come desumibile dalla figura 1, l’acqua di raffreddamento contribuisce per circa il 75% del totale. L’acqua per la rimozione della SO₂ dal gas di scarico è responsabile di circa il 16%, che può diminuire sino al 13%; quella necessaria alla produzione dello slurry di calcare per la cattura della SO₂ ammonta a circa il 3% del totale. L’acqua in caldaia ammonta all'1% e circa il 7% deriva dalla combustione dell’aria e dalle reazioni chimiche durante la combustione. Gli impianti a carbone generano grandi quantità di acque reflue contenenti inquinanti che, se riversate senza alcun trattamento nei corsi d’acqua, possono causare seri problemi alla popolazione e all'ambiente circostante. Metalli tossici quali mercurio, selenio e piombo, derivanti dalle ceneri prodotte in seguito alla combustione, possono accumularsi nel cibo e nelle acqua potabili.

L’acqua è generata per ossidazione dell’idrogeno presente nel combustibile e dal rilascio di acqua fisicamente assorbita nel carbone. Alcuni carboni ad alto tenore di umidità ne contengono anche il 70%. Il recupero dell’acqua dal gas di scarico rappresenta un approccio interessante  dal punto di vista economico, quando si possono recuperare quantità di acqua tali da permettere ad una centrale elettrica raffreddata a secco di diventare autosufficiente o, in alcuni casi, co-produttore di elettricità e acqua. In linea di principio esistono tre metodi per il recupero dell’acqua: condensazione, assorbimento con essiccante e filtrazione con membrane. Tali approcci si presentano a diverso livello di maturità e nessuno è stato ancora dimostrato su scala commerciale; tuttavia, possono risultare economici, a seconda della configurazione impiantistica, della posizione e del costo locale dell’acqua.

La quantità di acqua prodotta in ciascuna parte dell’impianto varia in funzione della tecnologia impiegata, dal tipo di carbone e dal regime operativo. Ove possibile è buona prassi combinare gli scarichi con flussi o composizione simili per razionalizzare le opzioni di trattamento. Il trattamento delle acque reflue può essere considerato sotto due punti di vista: le operazioni in caldaia e le apparecchiature per il controllo degli inquinanti.

Le tecnologie per la conversione del carbone in elettricità sono in continua evoluzione, con l’obiettivo di migliorare l’efficienza globale del processo. Gli sviluppi chiave includono un progressivo aumento della temperatura e della pressione del ciclo vapore. Storicamente si è passati da tecnologie conosciute sotto il nome di “tecnologie subcritiche”, che attraverso il miglioramento dei materiali hanno portato allo sviluppo delle più efficienti tecnologie supercritiche e ultrasupercritiche, con un guadagno in termini di efficienza globale intorno ai 4-6 punti percentuali. La maggiore efficienza si traduce anche in una riduzione dei prelievi e dei consumi d’acqua associati (figura 2).

[caption id="attachment_11711" align="alignnone" width="640"] Figura 2. Acqua complessivamente impiegata nelle tecnologie subcritiche, supercritiche e ultrasupercritiche[/caption]

Prendendo come esempio una unità da 500 MW a ciclo subcritico, questa richiede approssimativamente 5000 litri di acqua, con 3500 litri di acqua consumata per MWh prodotto. Una simile unità con tecnologia supercritica consumerebbe 3000 litri, con tecnologia ultrasupercritica ne consumerebbe invece 2300.

In origine gli impianti a carbone erano localizzati anche in base alla vicinanza di sorgenti d’acqua (fiumi o canali, per le unità entroterra; mari per gli impianti in prossimità delle coste). Oggigiorno, affinché la posizione non sia un fattore discriminante per la realizzazione di un impianto, gli operatori devono considerare sorgenti d’acqua alternative quali:

• Acque reflue urbane;
• Acque marine a bassi livelli salini, o salmastre come quelle degli estuari;
• Acque derivanti da vecchie miniere dismesse;
• Acque pompate da pozzi petroliferi e giacimenti di gas naturale;
• Acque derivanti da acquiferi salini profondi.

L’utilizzo di acque da scarichi municipali appare una valida opzione per quegli impianti a carbone vicini ai centri urbani. Negli Stati Uniti questo tipo di acque sono largamente usate nelle centrali a carbone.

Il raffreddamento con acqua di mare è una tecnologia matura, particolarmente adatta per i paesi caratterizzati da lunghe zone costiere. Le opzioni di raffreddamento includono quelle a singolo passaggio o con riciclo. Nel primo caso l’acqua viene scaricata dopo averla pompata nei condensatori e negli scambiatori di calore. Questa tecnica è largamente impiegata in molti impianti costieri poiché la temperatura dell’acqua, essendo bassa, ne incrementa l’efficienza. Tuttavia, la salinità espone a rischi di corrosione che si traducono nell'esigenza di utilizzo di materiali più resistenti, di rivestimenti protettivi e di inibitori per ridurre la contaminazione biologica. Per questi motivi, l’utilizzo di tecnologie a più basso impatto sono attualmente in studio.

Miniere in attività o dismesse sotto il livello del mare presentano la necessità che l’acqua percolata venga pompata al di fuori del sito. Ggli svantaggi sono legati al fatto che l’acqua possa essere contaminata da specie chimiche pericolose o quelle presenti nell'acqua di mare. Usare l’acqua derivante dall'attività mineraria potrebbe portare a diversi benefici, dovuti al fatto che l’acqua è disponibile in grande quantità e il suo utilizzo rappresenta una potenziale soluzione ai problemi di inquinamento quando l’acqua viene pompata all'esterno della miniera.

L’acqua derivante dai pozzi petroliferi e giacimenti gassosi comprende quella associata con il deposito di combustibile, rilasciata a seguito dell’estrazione, e l’acqua pompata nel pozzo per rimuovere il combustibile stesso. Quest’ultima è la fonte principale per il potenziale raffreddamento in impianto. Come le sorgenti descritte in precedenza, la contaminazione di queste acque richiede un sistema di pulizia, specialmente per la componente idrocarburica. Quest’acqua è ampiamente disponibile in molti paesi che hanno espanso la loro produzione di petrolio e gas.

Più recentemente, l’utilizzo degli acquiferi salini profondi ha destato particolare interesse come sistema alternativo per il raffreddamento delle centrali. Queste strutture sono rappresentate da rocce sedimentarie saturate con acqua salina non-potabile, in cui l’acqua può essere estratta e sostituita iniettando un altro fluido. Questa pratica trova larga applicazione nel confinamento geologico della CO₂, in cui gli acquiferi salini possiedono la più alta capacità di stoccaggio della CO₂ (circa 10000 Gt).

In sintesi, è possibile delineare sette messaggi chiave:

• L’interconnessione della domanda associata al connubio “acqua-energia” sta divenendo sempre più importante.
• Le politiche energetiche e ambientali, che una volta viaggiavano su binari separati, sono oramai convergenti e incoraggiano un uso responsabile dell’acqua, garantendo al contempo la sua qualità.
• I maggiori consumatori di carbone per la generazione elettrica (Cina, India, Stati Uniti e Sud Africa) possiedono politiche sull’utilizzo dell’acqua sviluppate in armonia alle necessità energetiche nazionali.
• Attraverso un’analisi sistematica dei processi di generazione elettrica, sono stati individuati e implementati diversi schemi rivolti al risparmio idrico nel raffreddamento e nelle tecnologie di controllo degli inquinanti.
• Il concetto di “zero scarti liquidi” è la soluzione più attraente per gli attuali e futuri impianti di nuova concezione; molte leggi nazionali impongono tale approccio.
• La maggiore efficienza dei moderni impianti a carbone si traduce in una minore richiesta di acqua per MW generato.
• La necessità di impiegare sorgenti d’acqua alternative diventerà sempre più importante. Sviluppi significativi sono avvenuti con l’uso di acque derivanti da scarichi municipali.

MMureddu