Relazione integrativa Studio preliminare di soluzioni progettuali per la dissalazione di acqua da fonte energetica rinnovabile nell isola di Ventotene

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1 FACOLTÀ DI INGEGNERIA, SEDE DI LATINA DIPARTIMENTO DI MECCANICA E AERONAUTICA Prof. ing. Alessandro Corsini, ing. Eileen Tortora Relazione integrativa di soluzioni progettuali per la dissalazione di acqua da fonte energetica rinnovabile nell isola di Ventotene 1. Il problema idrico nell isola di Ventotene L isola di Ventotene, facente parte dell Ambito Territoriale Ottimale (ATO) n 4, non è indipendente a livello idrico, a causa della mancanza di sorgenti e di pozzi. L acqua potabile necessaria è quindi trasportata con navi cisterna dal porto di Torre del Greco (NA), e distribuita, con le pompe delle navi stesse, ai sette serbatoi di compenso dislocati in vari punti dell isola, per una capacità complessiva di 28 m 3. La rete idrica di adduzione ai serbatoi ha uno sviluppo lineare di 26 metri, mentre la rete di distribuzione alle utenze presenta attualmente una lunghezza di 34 metri. Nel 2 la Regione Lazio ha assegnato all isola di Ventotene 13. tonnellate di acqua potabile, ripartite durante l anno. Dai dati dell ATO si desume, poi, che la disponibilità idrica media, pari alla domanda di acqua potabile complessiva annua, è di 3.2 l/sec, mentre la massima corrispondente alla domanda nel giorno di massima presenza è di 6.9 l/sec. Rispetto ai dati di disponibilità, una stima del fabbisogno idrico effettivo può essere ricostruita, a partire dai dati messi a disposizione dal Ministero dell Ambiente e della Tutela del Territorio 1, in base alla dotazione idrica richiesta per abitante, con la differenziazione tra popolazione residente (25 l/ab giorno) e fluttuante (2 l/ab giorno per due mesi l anno). Il calcolo del fabbisogno medio e di punta è direttamente proporzionale alla popolazione residente (PR) e fluttuante (PF) e dalla dotazione idrica pro-capite (DR e DF), sempre differenziata tra abitanti residenti e fluttuanti. I dati sulle presenze annuali sono riportati nella successiva Tabella 3. 1 Ministero dell Ambiente.

2 Sulla base di tale metodo di stima si è ricavato un fabbisogno medio di 3.4 l/sec ed un fabbisogno di punta di 11.7 l/sec; i risultati sono riassunti nella Tab. 1. Tabella 1: Situazione idrica-potabile Disponibilità idrica [l/sec] Fabbisogno idrico [l/sec] Surplus [l/sec] media massima medio massimo medio massimo Risulta chiaro che il fabbisogno supera la disponibilità, in particolar modo per quanto riguarda il carico massimo, il quale si verifica nel periodo estivo. Con il presente lavoro si intende mostrare quali sono i vantaggi dell installazione di impianti per la produzione di energia da fonti rinnovabili in grado di soddisfare parte del carico energetico, abbassando i picchi di richiesta e di produrre acqua da dissalatori con l energia non necessaria alla soddisfazione del carico energetico. 2. Metodologia di studio Le attività della ricerca prevedono lo sviluppo di un modello non stazionario in ambiente TRNSYS, un ambiente di sviluppo per la simulazione non stazionaria di sistemi complessi multicomponente. La sua caratteristica principale è la struttura modulare, che gli conferisce una grande flessibilità e la possibilità di essere integrata da librerie esterne a quella standard (e.g., HYDROGEMS, un insieme di modelli dedicati a sistemi basati sulle tecnologie dell idrogeno; STEC per i componenti solari; &c). Esiste, inoltre, la possibilità di creare modelli utente, e.g. i modelli per la conversione dell energia dal moto ondoso attraverso sistemi Oscillating Water Column (Corsini, e Rispoli, 26), (Corsini et al., 26). Il sistema sviluppato è schematicamente raffigurato in Figura 1. dicembre 26 2

3 Dati meteo Process della radiazione solare Dati di consumo energetico EE Schema base Sistema di dissalazione Campo FV Turbina eolica OWC Carico energetico Controll di potenza PD>Pres P DEGS N DEGS DEGS PD<Pres Carico idrico Controll di dissalazione MOI Figura 1: Diagramma di flusso del sistema di potenza per la produzione di acqua dissalata Nello schema i dati di consumo energetico attuali dell isola di Ventotene, vengono diminuiti da interventi di risparmio energetico (EE) quali l introduzione di impianti solari termici, pompe di cal e illuminazione ad alta efficienza, fornendo il carico energetico finale. Il carico energetico e i dati di potenza da rinnovabile sono inviati ad un controll di potenza, il quale gestisce il funzionamento dei motori offrendo la possibilità di attivarli solo nel caso in cui il carico superi la quantità di energia prodotta da rinnovabili e comunque, in questa situazione, azionando solamente i motori strettamente necessari per far fronte alla differenza di potenza richiesta. Nel caso in cui, invece, il carico sia min dell energia prodotta, il surplus di energia è inviato ai moduli ad osmosi inversa che producono acqua potabile. Ovviamente, quando il carico è equivalente alla potenza prodotta da rinnovabile non verranno azionati né i motori né il dissalat. Il controll di dissalazione invia acqua alle utenze quando richiesta e controlla il numero dei moduli ad osmosi inversa (MOI) che devono essere connessi o disconnessi per seguire la variazione di potenza, tenendo in considerazione anche il livello di riempimento dei serbatoi. Per la dissalazione è stata scelta l osmosi inversa in quanto tecnologia più economica delle altre, disponibile a livello commerciale in un ampia gamma di taglie e, con una strategia di connessione e disconnessione, capace di seguire le variazioni della fornitura di potenza senza danni alle dicembre 26 3

4 membrane. Inoltre si sono scelti moduli di piccola taglia per un maggi sfruttamento della potenza disponibile. La Tabella 2 contiene una breve descrizione dei componenti del sistema e della loro taglia nominale. Tabella 2: Descrizione dei componenti e taglia nominale Componenti Descrizione Taglia Motori diesel 4 motori 3 kw Turbina eolica asse orizzontale 6 kw Campo FV moduli policristallini picco 126 kw Oscillating Water Column camera di compressione 144 m 3 Unità di dissalazione moduli ad osmosi inversa 4 kw, 6 l/h Contenimento acqua serbatoi esistenti 28 m 3 Sebbene nell isola di Ventotene non sia possibile installare un impianto eolico per via della Direttiva Uccelli 79/49/EU, la quale protegge i percorsi migratori, verrà comunque considerata l ipotesi dell installazione per motivi di applicabilità dello studio a qualsiasi isola min. 3. Dati utilizzati I dati meteorologici orari utilizzati sono quelli di Madison (Wisconsin), inclusi nella banca dati del TRNSYS, in quanto del tutto rispondenti ai valori riscontrati per Ventotene in ragione dell identica latitudine. I dati ondametrici per l OWC sono stati ricavati dai rilevamenti eseguiti dall APAT con la boa ondametrica di Ponza. La curva di carico energetico orario rappresentante gli usi finali di energia, Figura 2, è stata ricostruita grazie alla disponibilità di dati relativi ad un modello di curva di carico per un isola non elettroconnessa. Tali dati sono stati poi scalati rispetto alle presenze annuali. dicembre 26 4

5 kw Figura 2: Diagramma della domanda di energia elettrica nell isola di Ventotene 4 kw Figura 3: Diagramma della domanda di energia elettrica nell ipotesi di interventi di risparmio energetico Il carico annuale nelle condizioni esistenti ammonta a MWh/anno, con un picco massimo di kw. In questo scenario i motori funzionanti variano da un minimo di 1 ad un massimo di 3 unità. In tale condizione di base, il consumo di combustibile ammonta a 537 t/anno. Con gli interventi di risparmio energetico si passa ad un consumo energetico annuo di 1658 MWh, con un picco di 42.4 kw. Non disponendo di una curva di carico idrico per l isola di Ventotene, si è proceduto alla delineazione della stessa a partire dai dati della popolazione presente mensilmente sull isola e dal tipo di permanenza (Tabella 3), operando delle ipotesi circa il fabbisogno idrico di ciascuna categoria e prestando attenzione alla differenza tra giorni festivi e feriali. dicembre 26 5

6 Tabella 3: Presenze annuali 2. Residenti Presenze turistiche Breve Mese Lungo Verde e fissi pendolari periodo e periodo ambientale nautico Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno Luglio Agosto Settembre Ottobre Novembre Dicembre Media annua Il fabbisogno idrico della popolazione residente varia in un intervallo di 25-5 l/ab giorno durante l anno, in funzione delle esigenze irrigue di giardini e piccoli appezzamenti di terreno coltivabile. Ai pendolari sono assegnati valori tra i 2 ed i 5 l/ab giorno, in base alla stagione. Ai turisti di lungo periodo si sono assegnati 2 l/ab giorno. Ai turisti di breve periodo si è assegnato un fabbisogno idrico nel range di 2-3 l/ab giorno; il val di 3 l/ab giorno è stato considerato solo nei mesi estivi, dato che nella categoria dei turisti di breve periodo è compreso il turismo nautico, il quale richiede quantitativi maggiori di acqua per il riempimento dei serbatoi di bordo. Alla categoria di turismo verde ambientale si sono assegnati 2 l/ab giorno. Tali fabbisogni sono stati distribuiti nelle 24 del giorno, dopo avere ipotizzato un andamento dei consumi orari rispetto alla media giornaliera. Tale procedimento si è applicato ad ogni giorno dell anno, ottenendo infine la curva oraria di carico idrico. 2 Fonti: comune e Capitaneria di Porto di Ventotene; ATO 4 di Latina; Centro Studi Toursit Quality Point dicembre 26 6

7 m 3 /h 5 Soluzioni progettuali per la dissalazione di acqua da fonte energetica rinnovabile nell isola di Ventotene Figura 3: Curva oraria di carico idrico in m 3 /h Dai dati meteorologici, si sono ottenuti la quantificazione e l andamento dei contributi energetici dalle tre diverse fonti rinnovabili considerate. 4. Potenza dalle fonti rinnovabili Nelle successive Figure 4, 5 e 6 sono rappresentati gli andamenti annuali dell energia convertita da fonti rinnovabili, rispettivamente: fotovoltaico (Figura 4), conversione di energia da moto ondoso (Figura 5) ed eolica (Figura 6). In particolare si nota come la conversione fotovoltaica, sebbene presenti un intensità circa costante durante l intero anno, apporti una quantità di potenza ridotta in confronto alle altre due fonti, producendo MWh/anno rispetto agli MWh/anno dell OWC e agli MWh/anno del generat eolico. Il totale dell energia da fonte rinnovabile è di MWh/anno, pari a circa il 78% dell intero carico energetico. kw Figura 4: Conversione fotovoltaica. Diagramma delle potenze orarie. dicembre 26 7

8 kw Figura 5: Conversione dell energia del moto ondoso. Diagramma delle potenze orarie 7 kw Figura 6: Conversione eolica. Diagramma delle potenze orarie. 5. Risultati Fabbisogno energetico A causa delle fluttuazioni nella disponibilità delle fonti rinnovabili, solo MWh/anno sono inviati alla rete elettrica dell isola, rendendo quindi disponibili per la dissalazione MWh/anno. La potenza da rinnovabile inviata in rete, permette di passare ridurre il numero massimo di motori diesel in esercizio simultaneo a 2 per un totale di 459 /anno, mentre per 2691 /anno i generatori diesel non sono in funzione. Ciò comporta un consumo di combustibile di circa 28 dicembre 26 8

9 ton/anno pari ad una diminuzione del 61.3% rispetto alla situazione attuale, come mostrato in Tabella 4 e in Figura 7. Tabella 4: Distribuzione mensile del consumo di combustibile per la produzione di potenza elettrica Scenario attuale Scenario ipotizzato Mese (ton) (ton) Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno Luglio Agosto Settembre Ottobre Novembre Dicembre TOTALE ton Scenario attuale 2 1 Scenario ipotizzato mesi Figura 7: Distribuzione mensile del consumo di carburante per la produzione di potenza elettrica dicembre 26 9

10 Fabbisogno idrico La frazione di potenza da rinnovabile inviata all impianto di dissalazione, permette la produzione di tonnellate/anno di acqua, corrispondenti al 48.5% del carico idrico totale. Il massimo numero di moduli ad osmosi inversa funzionanti è 148, per un ingombro al suolo di 241 m 2, compresi gli spazi per ispezioni e manutenzione. I serbatoi considerati sono quelli attualmente sfruttati sull isola. Le performance del sistema di dissalazione sono riportate in Figura 8, la quale mette in evidenza che la produzione e la presenza di acqua nell estate è nettamente inferi all inverno, quando non è totalmente assente. Questo è in parte dovuto alla maggi richiesta energetica nel periodo estivo, il quale lascia insufficienti quantità di potenza per la dissalazione ed in parte alla maggi richiesta di acqua. Ciò comporta quindi la necessità di apporti esterni di acqua. 1 Riempimento serbatoio ( %) 75 Acqua prodotta (m 3 /h) E eq Mese (MWh) Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno Luglio 1.18 Agosto 1. Settembre Oytobre Novembre 3.28 Dicembre Totale Figura 8 Percentuale di riempimento dei serbatoi, produzione di acqua dissalata ed energia equivalente( E eq ) dicembre 26 1

11 Riferimenti bibliografici Ministero dell Ambiente e della Tutela del Territorio I.A.R., Isola di Ventotene: Piano generale degli interventi ex-ante. Ventotene,Novembre 21. Programma Sostenibilità Ambientale Isole Min, Risparmio Energtico e Fonti Rinnovabili. Decreto Direttoriale 94/2. Gamberale M., Esposto S., Dissalazione e metodi per la produzione di acqua potabile, Ministero dell Ambiente e Tutela del territorio. Herold D. et al., Small case photovoltaic desalination fr rural water suppòy. Demonstration plant in Gran Canaria. Renewable energy 1481 (8) 8-9. Tzen E., Morris R., Renewable energy sources for desalination, Centre for Renewable Energy Sources, Pikermi, Greece; Richard Morris & Associates, Glasgow, UK, 23. Carta J.A., González J., Subirla V., Operational analysis of an innovative wind powered reverse osmosis system installed in the Canary Islands, Solar energy, 75, , 23. Corsini A., Rispoli F., Gamberale M., Assessment of renewable energy solutions in an Italian small island energy system using a transient simulation model, ASME J. of Solar Energy Engineering, 128, , 26. Corsini A., Rispoli F., A transient model for OWC device. Application to Mediterranean sea states, OWEMES European Conference, Civitavecchia, April 26. dicembre 26 11