Tecniche di risparmio idrico a livello locale e mondiale. Approfondimento sulle buone pratiche agricole per un uso sostenibile dell'acqua

Oltre un miliardo di persone non ha oggi accesso all’acqua potabile; più di due miliardi è il numero di coloro che vivono in condizioni igienico-sanitarie realmente proibitive. Sono 80 i paesi nel mondo (con il 40% della popolazione totale) in cui si riscontra difficoltà di approvvigionamento e presenza di risorse idriche che mancano dei requisiti che dovrebbero essere assicurati per la tutela della salute: quotidianamente e sistematicamente il diritto di accesso all’acqua, che nessun individuo dovrebbe vedersi negato, viene violato. Scarsità di acqua e non omogenea distribuzione sulla superficie terrestre sono fattori che concorrono alla crisi della risorsa, cui contribuiscono processsi di natura ambientale (cambiamenti climatici, desertificazione), di natura economica (le sorti dell’industria agroalimentare, la globalizzazione degli scambi, il bisogno crescente di energia), di natura sociale (migrazioni, urbanizzazione, crescita demografica, epidemie), di natura culturale (passaggio dal rurale all’urbano, dall’agricoltura di sussistenza a quella di profitto). Nell’ottica di uno sviluppo sostenibile un aumento indiscriminato dell’offerta non può costituire soluzione al continuo incremento della domanda di acqua. Si rende pertanto necessaria la definizione di politiche e strumenti di cambiamento nei modelli di consumo e nella pianificazione che consentano una riduzione degli squilibri nella distribuzione e nella gestione della risorsa a livello domestico e civile, industriale, agricolo. L’uso efficiente, e quindi sostenibile, dell’acqua è da perseguirsi secondo le modalità: • Risparmio, inteso come minore consumo di acqua all’inizio del ciclo. • Riciclo dell’acqua in circuito chiuso, inteso come riuso dell’acqua di scarico, o uso multiplo dell’acqua. Una idonea utilizzazione dipende da una idonea progettazione, che abbia come finalità: • La destinazione in via prioritaria delle fonti e delle risorse di più elevata qualità agli usi idropotabili, con una graduale sostituzione del consumo per altri usi con risorse di minore pregio. • La regolamentazione dell’uso delle acque sotterranee, mediante la limitazione del ricorso all’impiego di pozzi solo in mancanza di forniture alternative per uso civile, industriale, agricolo. • L’incentivazione ad un uso razionale della risorsa, anche mediante l’attuazione di idonee politiche tariffarie. • L’aumento dell’efficienza delle reti di adduzione e distribuzione, sia civili che irrigue. • La promozione di uso efficiente, riciclo e recupero di acqua nell’industria. • Il miglioramento dell’efficienza ed efficacia delle tecniche di irrigazione. • La promozione del riutilizzo delle acque nei vari settori. • La diffusione nella pratica domestica di apparati e tecnologie progettati per la riduzione degli sprechi e dei consumi di acqua. In ambito agricolo la necessità di un uso parsimonioso della risorsa impone il miglioramento dell’efficienza irrigua, pari appena al 40%. La regione Emilia Romagna a livello locale, Israele a livello internazionale, forniscono ottimi esempi in termini di efficacia dei sistemi di trasporto e di distribuzione, di buona manutenzione delle strutture. Possibili soluzioni verso le quali orientare la ricerca a livello mondiale per arginare la progressiva riduzione delle riserve idriche sono: • Revisione dei costi idrici. • Recupero delle riserve idriche. • Raccolta dell’acqua piovana. • Miglioramento degli impianti di distribuzione idrica. • Scelta di metodi di coltivazione idonei alle caratteristiche locali. • Scelta di colture a basso fabbisogno idrico. • Conservazione della risorsa attraverso un sistema di irrigazione efficiente. • Opere di desalinizzazione. • Trasferimento idrico su vasta scala da un’area all’altra. Si tratta di tecniche la cui attuazione può incrementare la disponibilità media pro capite di acqua, in particolare di coloro i quali non ne posseggono in quantità sufficiente per bere o sono privi di sistemi igienico-sanitari sufficienti.

Sistemi di conversione energetica ibridi termo-fotovoltaici

In questa tesi viene trattata la possibile integrazione di un sistema fotovoltaico con un sistema solare termico, analizzando qualitativamente questa nuova tecnologia.

Studio di uno scambiatore di calore per produzione istantanea di acqua calda per uso sanitario

In questo elaborato viene presentato lo studio ed ottimizzazione della geometria del serpentino di uno scambiatore di calore per la produzione di acqua sanitaria di tipo Puffer. L’analisi volta all’ottimizzazione del serpentino è stata eseguita con l’obiettivo di soddisfare i vincoli di progetto dello scambiatore, ovvero la portata elaborata e la temperatura di uscita dell’acqua sanitaria dallo scambiatore, ma cercando di ridurre la superficie del serpentino e quindi il costo dello scambiatore stesso, in particolare agendo su parametri geometrici quali il passo dell’elica H, il diametro dell’avvolgimento Db ed il diametro del tubo d. A tal fine è stato sviluppato un modello del processo di scambio termico all’interno dello scambiatore Puffer basato sulle equazioni di bilancio di energia e raffinato attraverso correlazioni teorico/sperimentali reperite in letteratura. In una prima fase l’ottimizzazione è stata svolta con l’ulteriore vincolo progettuale d=41mm e Db=510mm, al fine di garantire maggiore flessibilità nell’utilizzo del serpentino per altre tipologie di scambiatori. In questo caso, si è giunti ad un risparmio del 14% sull’area di scambio termico del serpentino rispetto al modello tuttora in produzione, quantificabile in una riduzione dei costi del 19% sul costo totale del Puffer. In una seconda fase si è proceduto ad una ottimizzazione libera dai vincoli d e Db, con l’obiettivo di valutare la massima riduzione di area di scambio termico del serpentino, stimata in circa il 23% nel caso in cui sia possibile in futuro valutare modifiche sostanziali alla geometria dello scambiatore. Lo studio completato dall’analisi dell’isolamento del corpo dello scambiatore, finalizzata a ridurre le dispersioni verso l’ambiente esterno. In particolare è stato valutato l’utilizzo di Isolmix, in alternativa all’esistente isolamento in pannelli di poliuretano, dimostrando come sia possibile ottenere una ulteriore riduzione del materiale impiegato e quindi dei costi di realizzazione dello scambiatore.

Analisi e simulazione di un ciclo Rankine organico per il recupero di energia a bassa entalpia.

Questo lavoro è incentrato sull'analisi e la simulazione di un ciclo Rankine a fluido organico (ORC) per la produzione di energia da calore a bassa entalpia. Il lavoro è stato svolto in collaborazione con l'università di Gent, in Belgio, in particolare grazie al Prof. De Peape e all' Ing. Steven Lecompte; il lavoro in Italia è stato coordinato dal Prof. De Pascale. L'obiettivo principale della tesi è stata la creazione un modello computazionale in grado di descrivere le prestazioni dell'impianto a carico parziale. Ogni elemento dell'impianto è stato analizzato e modellizzato secondo un approccio di simulazione originale in Matlab. I componenti ottenuti sono stati poi combinati a formare la simulazione dell'intero sistema; questa è in grado di prevedere la potenza prodotta ed il rendimento del ciclo al variare delle condizioni esterne. I risultati ottenuti dalle simulazioni sono stati poi confrontati con i dati sperimentali raccolti sull'impianto di prova dell'Università. Questo confronto dimostra un buon accordo dei risultati previsti con quelli misurati. L'errore relativo massimo ottenuto per la potenza elettrica è sotto il 7%, così come quello sul rendimento; Gli errori relativi a pressione ed entalpie sono in genere sotto il 5%. Il modello può perciò dirsi validato e rappresenta un valido strumento di analisi per comprendere la risposta ai carichi parziali anche al di fuori del range di calibrazione. Il modello è stato infine utilizzato per costruire delle mappe del carico parziale e analizzare l'influenza delle variabili del ciclo. Ulteriori applicazioni delle mappe prodotte sono proposte a fine del lavoro.

Applicazione di una metodologia LCA all'impiego di biomasse legnose a fini energetici: un confronto tra la produzione di energia termica da cippato e da pellet

Con questo studio si è volto effettuare un confronto tra la generazione di energia termica a partire da cippato e da pellet, con particolare riferimento agli aspetti di carattere ambientale ed economico conseguenti la produzione delle due differenti tipologie di combustibile. In particolare, si sono ipotizzate due filire, una di produzione del cippato, una del pellet, e per ciascuna di esse si è condotta un'Analisi del Ciclo di Vita, allo scopo di mettere in luce, da un lato le fasi del processo maggiormente critiche, dall'altro gli impatti sulla salute umana, sugli ecosistemi, sul consumo di energia e risorse. Quest'analisi si è tradotta in un confronto degli impatti generati dalle due filiere al fine di valutare a quale delle due corrisponda il minore. E' stato infine effettuato un breve accenno di valutazione economica per stimare quale tipologia di impianto, a cippato o a pellet, a parità di energia prodotta, risulti più conveniente.

Sviluppo di metodologie per la simulazione di scambiatori di calore per motori di ultima generazione.

La riduzione dei consumi energetici è una problematica che riguarda appieno il campo dell'autotrazione, a fronte delle misure sempre più stringenti per il taglio delle emissioni di anidride carbonica. A tal scopo, il recupero di energia dai gas di scarico tramite ciclo Rankine appare la soluzione più vantaggiosa, a fronte di onerosità e complessità affrontabili nel breve periodo. L'obiettivo della presente tesi di laurea è lo sviluppo di metodologie per la simulazione di scambiatori di calore bifase per un sistema a ciclo Rankine, utilizzato per il recupero di energia in un'autovettura. Lo svolgimento di test per la validazione dei modelli utilizzati, è risultato fondamentale al fine di ottenere il setup idoneo per la simulazione termofluidodinamica del componente oggetto di studio.

Progettazione di una pompa di calore geotermica a CO2 per produzione di acqua calda sanitaria

Progettazione pompa di calore a CO2.

Bioraffineria di vinacce per la produzione ed il recupero di acidi grassi volatili

Obiettivo della presente ricerca è stato la valutazione dell’utilizzo degli scarti derivanti dal processo di vinificazione come substrato per la digestione anerobica finalizzata alla produzione di VFA (“Volatile Fatty Acids”). I VFA sono acidi grassi a corta catena, convenzionalmente fino a 6 atomi di carbonio, che possono essere utilizzati industrialmente nell’ambito della “Carboxilation Platfrorm” per produrre energia, prodotti chimici, o biomateriali. La sperimentazione si è articolata in due fasi principali: 1) Produzione di VFA in processi batch alimentati con vinacce e fecce come substrato; 2) Recupero dei VFA prodotti dall’effluente anaerobico (digestato) mediante processi di adsorbimento con resine a scambio anionico. Nella prima fase sono stati studiati i profili di concentrazione dei principali VFA nel brodo di fermentazione al variare della tipologia di substrato (vinacce e fecce, bianche e rosse) e della temperatura di incubazione (35 °C e 55 °C). La condizione ottimale rilevata per la produzione di VFA è stata la digestione anaerobica di vinacce rosse disidratate e defenolizzate alla temperatura di 35 °C (mesofilia), che ha permesso di raggiungere una concentrazione di VFA totali nel digestato di circa 30 g/L in 16 giorni di monitoraggio. Nella seconda fase è stato analizzato il processo di estrazione in fase solida (Solid Phase Extraction, SPE) con resine a scambio anionico per il recupero dei VFA dal digestato di vinacce rosse. Sono state messe a confronto le prestazioni di quattro diverse resine a scambio anionico: Sepra SAX, Sepra SAX-ZT, Sepra NH2, Amberlyst A21. I parametri operativi ottimali per l’adsorbimento sono risultati essere condizioni di pH acido pari al valore naturale delle soluzioni indicate sopra (~2.5) e tempo di contatto di 2 ore. Tra le quattro resine quella che ha fornito i migliori risultati è stata la Amberlyst A21, una resina polimerica a scambio anionico debolmente basica il cui gruppo funzionale caratteristico è un’ammina terziaria. Infine è stato valutato il processo di desorbimento dei VFA adsorbiti dalla resina con tre diverse soluzioni desorbenti: acqua demineralizzata, etanolo (EtOH) ed acqua basificata con NaOH (1 mol/L). I risultati migliori sono stati conseguiti nel caso dell’EtOH, ottenendo un recupero finale del 9,1% dei VFA inizialmente presenti nel digestato di vinacce rosse incubate in termofilia.

Studio di un impianto per la generazione di acqua potabile tramite energia solare (fiore del deserto)

Studio di un impianto fotovoltaico di tipo stand alone per la generazione di energia elettrica utilizzata per produrre acqua potabile.

Studio, progettazione e realizzazione di una pompa di calore aria-acqua con serbatoio puffer integrato

La presente tesi discute lo studio, la progettazione e la realizzazione di una pompa di calore aria-acqua con serbatoio Puffer integrato. Dopo una panoramica delle pompe di calore in generale e del loro funzionamento, viene trattata la classificazione delle pompe di calore in base alle sorgenti da cui prelevano calore e a cui cedono calore. Sono successivamente descritti i fluidi frigoriferi che è possibile utilizzare nel circuito e le loro caratteristiche e la componentistica del circuito a pompa di calore, sia per quanto riguarda l'unità esterna che l'unità interna, descrivendo in generale i componenti che è possibile trovare all'interno di una pompa di calore, non solo analizzando, quindi, il nostro progetto nello specifico. Seguono una descrizione dei sistemi di produzione di acqua calda sanitaria, facendo una breve panoramica sui serbatoi, in quanto il nostro prodotto finale prevede l'integrazione nell'unità interna del serbatoio puffer per la produzione appunto di ACS, e, infine, una descrizione dell'analisi di mercato e della concorrenza effettuata preliminarmente e della progettazione e della realizzazione della pompa di calore aria-acqua con serbatoio integrato.

Progettazione di un impianto orc per il recupero energetico da fumi

Il crescente fabbisogno energetico mondiale, dovuto essenzialmente al rapido incremento di popolazione originatosi nel secolo scorso, unitamente alla necessità di ridurre le emissioni di anidride carbonica, porta a ricercare continuamente nuove fonti primarie di energia nonché metodi innovativi per il recupero di quest’ultima da materiali di scarto. I Cicli Rankine a fluido Organico (Organic Rankine Cycle) rappresentano in questo senso una tecnologia emergente capace di rivoluzionare il concetto di risparmio energetico. In questa tesi viene effettuato uno studio dettagliato della tecnologia ORC, che mira ad identificarne i principali vantaggi e le maggiori problematiche, con particolare riferimento ad un caso di studio concreto, riguardante l’installazione di un impianto di recupero energetico da fumi di combustione all’interno di uno stabilimento di produzione di nero di carbonio. Il cuore della tesi è rappresentato dall’individuazione e dall’analisi dettagliata delle alternative impiantistiche con cui il recupero energetico può essere realizzato. Per ognuna di esse, dopo una breve spiegazione, viene effettuato il calcolo dell’energia elettrica prodotta annualmente con l’ausilio un simulatore di processo. Successivamente vengono esposte le proposte ricevute dai fornitori interpellati per la fase di progettazione di base dell’impianto di recupero energetico. Nell’ultima parte della tesi viene presentata la simulazione fluidodinamica del camino di una delle linee di produzione dell’impianto di Ravenna, effettuata utilizzando un codice CFD e mirata alla verifica dell’effettiva quantità di calore recuperato dai fumi e dell’eventuale presenza di condense lungo la ciminiera. I risultati ottenuti mostrano che la tecnologia ORC, utilizzata per il recupero energetico in ambito industriale, possiede delle grosse potenzialità. La massimizzazione dei vantaggi derivanti dall’utilizzo di questi sistemi è tuttavia fortemente condizionata dalla capacità di gestire al meglio l’integrazione degli impianti di recupero all’interno dei processi produttivi esistenti.

Modelli di scambio termico in pozzo sulla base della caratterizzazione geotermica di un reservoir a bassa entalpia: studio di sensitività sulla efficienza dei sistemi di condizionamento a pompa di calore

Tra i temi di attualità, quello del risparmio energetico è tra i più dibattuti negli ultimi anni; tale tema è strettamente correlato al problema del riscaldamento globale, infatti, mentre sul prossimo esaurimento delle risorse energetiche tradizionali non vi sono ancora certezze assolute, per quanto riguarda l’azione nociva dei gas serra, la Comunità Scientifica Internazionale si ritrova d’accordo su una netta presa di posizione contro l’emissione di tali sostanze, provocata in larga parte dall’utilizzo dei combustibili fossili. In questo contesto, l’Unione Europea sta promuovendo la diffusione di tecnologie che non prevedano l’utilizzo di gas, petrolio o carbone, soprattutto per il settore dell’edilizia, ove una corretta progettazione e l’utilizzo di tecnologie non convenzionali può portare alla riduzione anche dell’80% dei consumi, con conseguente abbattimento delle emissioni. Tra questi interventi innovativi, il più comune e conosciuto è sicuramente quello del solare termico e fotovoltaico; ma ne esistono anche di altri, ancora non molto pubblicizzati in Italia, ma ampiamente conosciuti e utilizzati in altri paesi dell’Unione. Tra questi, vi è il sistema di riscaldamento analizzato in questa tesi: la pompa di calore geotermica. Tale sistema, come verrà spiegato nell’elaborato di laurea, ha indubbi vantaggi economici, energetici ed ambientali, a fronte di una non trascurabile spesa iniziale. Attualmente, nel Nord Italia, si incominciano a vedere impianti di questo tipo, sulla scia del successo riscontrato nei paesi confinanti (in particolare Austria e Svizzera). La progettazione si basa attualmente su modelli statici, sviluppati dall’Università Svizzera del Canton Ticino, per l’utilizzo della pompa di calore nel territorio alpino. Obiettivo della tesi, è la verifica di tali modelli, di cui si è venuto a conoscenza grazie alla collaborazione con l’Università SUPSI, sulle condizioni idrogeologiche della Pianura Padana, soffermandosi su alcuni parametri fondamentali della progettazione di una pompa di calore geotermica, quali la conduttività e la capacità termica volumetrica dei terreni incontrati, la presenza di falde, ed i parametri geometrici del pozzo, al fine di dare una valutazione tecnica ed economica dell’impianto. Tali analisi è stata infatti fino ad ora affrontata in maniera sommaria dai perforatori, che eseguono generalmente sempre lo stesso modello di pozzo geotermico, sulla base degli esempi consolidati di Svizzera e Germania. Alcune misure di temperatura in situ sono state rilevate in collaborazione con la società Geotermia SRL di Mantova, ditta specializzata nella perforazione di pozzi geotermici (tale esperienza è parte centrale dell’estratto “Laboratorio di Tesi Ls”), mentre la parte modellistica della tesi è stata sviluppata in collaborazione con lo studio di progettazione Studio Seta SRL di Faenza, il cui stabile è climatizzato in parte con una pompa di calore geotermica.

Interazione tra perdite ed energia in reti idriche alimentate da pompe a giri variabili

Attualmente le tematiche legate alla produzione e all’uso dell’energia rivestono grande importanza, anche in relazione agli obiettivi in termini di riduzione delle emissioni di gas partecipanti all’effetto serra prefissati dal Protocollo di Kyoto, che impongono il contenimento dei consumi energetici. Andando a ricercare i fattori che alterano i consumi energetici dei sistemi acquedottistici, accanto a quelli legati all’efficienza degli impianti e alle condizioni delle condotte, si deve tener conto anche della presenza delle perdite idriche in rete. Infatti nel valutare il problema delle perdite idriche esclusivamente come quantitativo di acqua di elevata qualità dispersa nell’ambiente, si trascura di considerare il contenuto energetico che ad essa viene conferito mediante attività di pompaggio durante le fasi di prelievo, potabilizzazione, adduzione e distribuzione all’utenza. L’efficienza invece varia in funzione di fattori oggettivi strettamente legati alle caratteristiche del territorio da servire, ma anche in funzione delle scelte effettuate in fase di progettazione e di esercizio. Da questa premessa discendono due importanti considerazioni. Il primo aspetto consiste nel poter valutare separatamente l’influenza sul consumo energetico dell’efficienza dei pompaggi e della rete, in modo da identificare l’impatto di singoli interventi, in particolare la riduzione delle perdite idriche (Colombo & Karney, 2002, 2004; Walski, 2004; Artina et al. 2007, 2008) ed il miglioramento dello stato dell’infrastruttura acquedottistica. Alla luce degli studi già svolti, sarà approfondita l’analisi del legame tra perdite idriche e aumento del consumo energetico, valutandola su modello numerico con riferimento a un caso di studio reale, costituito da un distretto monitorato della rete acquedottistica di Mirabello (Ferrara) alimentato mediante un sistema bypass-pompaggio a giri variabili. Il secondo aspetto riguarda la necessità di individuare dei termini di paragone che consentano di formulare un giudizio nei confronti del quantitativo di energia attualmente impiegato in un sistema acquedottistico. Su tale linea saranno analizzati alcuni indicatori per esprimere i consumi energetici dei sistemi acquedottistici.

Il settore Energy & Utilities: un modello di business per il recupero dell'efficienza nella gestione del Cliente

Il Lavoro si inserisce nel quadro complesso del settore Energy & Utilities e si propone l’obiettivo di analizzare l’attuale mercato dell’energia per individuarne i driver al cambiamento e presentare un innovativo modello di business per le aziende di vendita di energia, con lo scopo di recuperare efficienza nella gestione del Cliente finale, cercando di quantificarne i vantaggi potenziali. L’attività di studio e progettuale è stata svolta nell’ambito di un periodo di tirocinio formativo della durata di sei mesi, effettuato presso Engineering Ingegneria Informatica S.p.A., in particolare nella sede di viale Masini di Bologna, a seguito della candidatura autonoma dello studente e del suo immediato inserimento nei processi di business della divisione Utilities dell’azienda. Il Lavoro si suddivide in 9 capitoli: dopo una breve introduzione sul settore Energy&Utilities, nei primi quattro capitoli sono descritte le filiere produttive dei principali servizi, i principali attori del mercato e gli aspetti normativi e tariffari che caratterizzano l’intero settore, valutando in particolare la formazione del prezzo del gas e dell’energia elettrica. I capitoli cinque e sei descrivono invece le principali tendenze, le strategie competitive in atto nel mercato delle Utilities e l’importanza del Cliente, in un’ottica di CRM che segue i dettami del modello “Customer Centric”. Gli ultimi capitoli mostrano invece, dopo una breve presentazione dell’azienda in cui lo studente ha svolto l’attività, l’intero lavoro di analisi realizzato, input del modello di business a chiusura del Lavoro, volto a quantificare gli impatti del processo di liberalizzazione che ha radicalmente modificato il settore delle Utilities negli ultimi anni, valutando a proposito la profittabilità per un cliente medio in base ad un’opportuna pre-analisi di segmentazione. Il modello di business che occupa l’ultimo capitolo costituisce una soluzione originale e innovativa per incrementare tale profittabilità.