Nuove tecnologie e sperimentazioni per il recupero energetico nella depurazione.

Nota: si ricorda che le opinioni espresse in questo blog non sono da ascrivere alla SCI o alla redazione ma al solo autore del testo

a cura di Mauro Icardi

Il recupero di energia negli impianti di depurazione si utilizza da tempo. Negli impianti centralizzati di medie-grandi dimensioni (indicativamente dai 50.000 fino ai 100.000 abitanti equivalenti) che solitamente effettuano il trattamento dei fanghi con il processo di digestione anaerobica, si effettuava un recupero del biogas per il riscaldamento dello stesso digestore, dopo avere filtrato il gas dalle impurezze, in particolare l’acido solfidrico, particolarmente aggressivo per le strutture metalliche, e la deumidificazione.

Questa non si può in senso stretto definire un’operazione completa di recupero energetico. In seguito si sono utilizzati per la combustione del biogas e la produzione di energia elettrica anche dei motori ciclo diesel opportunamente modificati. Per il loro funzionamento, è necessario fino al 10% di diesel o di olio combustibile per l’accensione, che viene iniettato direttamente nella camera di combustione, mentre il biogas viene iniettato insieme all’aria. Generalmente i motori possono funzionare anche solo con gasolio o petrolio.

Il vantaggio principale di questo tipo di motori consisteva nel fatto che potevano funzionare anche con basse percentuali di metano nel biogas (< 30-45%) quindi anche con biogas di scarsa qualità. Necessitano però di frequenti manutenzioni, oltre alla necessità del combustibile supplementare. Hanno anche una elevata emissione di NOx allo scarico.

Per il recupero energetico del biogas prodotto dagli impianti di trattamento dei fanghi residui si possono utilizzare anche sistemi anche sistemi cogenerativi a microturbina. Questo tipo di soluzione permette l’utilizzo del biogas anche senza necessità di installare nessun sistema di filtraggio degli inquinanti emessi.

Le emissioni di una microturbina risultano significativamente più basse di quelle di un motore alternativo che riesce ad ottenere il rispetto dei limiti di legge sulle emissioni con l’ausilio di un sistema catalitico sullo scarico fumi. Alcune microturbine in commercio hanno emissioni di NOx dell’ordine dei 10 mg/Nm3 contro un limite di legge che è pari a 20 mg/Nm3.

Lo svantaggio è da ricercarsi nel maggior costo di investimento iniziale. Altro limite per l’utilizzo di queste macchine è il rendimento elettrico inferiore, quindi l’utilizzo e la progettazione di un sistema di questo tipo deve prevedere lo sfruttamento del calore prodotto. Al contrario, i motori a combustione interna sono più adatti dove non ci sia elevato bisogno di sfruttare energia termica.

Ma nel tempo i gestori degli impianti, spesso in sinergia con le università, hanno sviluppato ulteriori progetti volti a migliorare ulteriormente il recupero energetico non solo di calore e di energia elettrica, ma anche di sottoprodotti utili dai reflui. In altre parole di mettere al lavoro i batteri che sono responsabili della depurazione delle acque reflue. Due sperimentazioni si sono avviate recentemente in due tra i più grandi impianti del nord Italia: quello del depuratore di Milano Nosedo, e quello del Po Sangone di Torino.

A Nosedo è stata effettuata una sperimentazione effettuata da RSE (Ricerca Sistema Energetico), Università di Milano. Il progetto è stato promosso da Regione Lombardia e Ministero dell’Istruzione, dell’Università e della ricerca con l’utilizzo di fondi europei.

L’idea è quella di sfruttare la capacità dei batteri di fermentare la sostanza organica e di trasferire gli elettroni derivanti dal processo di ossidazione tramite una corto circuitazione tra metallo e componente biologica. Questo permette di realizzare una pila a combustibile batterico. I batteri catalizzano le reazioni di ossidazione del combustibile e quindi il passaggio di elettroni dall’anodo al catodo. La pila microbiologica è costituita da due compartimenti, ciascuno contenente un elettrodo, l’anodo e il catodo. Le due camere, una in assenza e l’altra in presenza di ossigeno, sono separate da una membrana semipermeabile che consente lo scambio di protoni.

Normalmente i batteri presenti nelle acque nere trasferiscono gli elettroni prodotti durante il consumo del loro cibo (le sostanze organiche) all’ossigeno. Ma posti nel comparto dell’anodo, che si trova in assenza di ossigeno, sono costretti a cedere gli elettroni prodotti direttamente all’elettrodo, che li trasferisce al catodo. La differenza di potenziale tra un elettrodo e l’altro produce energia. Nella camera del catodo, gli elettroni si riuniscono ai protoni passati attraverso la membrana e combinandosi insieme all’ossigeno producono acqua come sottoprodotto.

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http://www.focus.it/scienza/scienze/energia-pulita-dall-acqua-sporca Credit: Bruce Logan Pennsylvania State University

La fase sperimentale iniziata nella primavera del 2014 è terminata L’industrializzazione del processo secondo i responsabili della sperimentazione potrebbe avvenire nel medio periodo. In questo modo dalle biomasse si potrebbero ottenere non solo biogas o biocarburanti, ma anche energia elettrica.

Lo scorso marzo partecipando ad un convegno presso il depuratore in questione ho scoperto che non solo è stata effettuata questa sperimentazione, ma anche che l’impianto già effettua riscaldamento e raffrescamento degli edifici sfruttando il calore presente nelle acque reflue utilizzando le pompe di calore.

Nell’ottica di aumentare l’efficienza energetica e di ridurre l’utilizzo di combustibili fossili queste iniziative sono assolutamente lodevoli.

Anche al depuratore Po Sangone di Torino si è dato il via nel novembre del 2011 ad un progetto tendente a massimizzare il recupero energetico. Il progetto denominato Sofcom che significa  Solid Oxide Fuel Cell, una tecnologia di celle a combustibile ad ossidi solidi che funzionano alla temperatura di 800 ° C e sono alimentate a biogas. Il prototipo messo a punto presso l’impianto di Torino trasforma il biogas prodotto dal trattamento del fango attraverso il processo elettrochimico che avviene negli elettrodi di cella. Il biogas come per ogni altra sua applicazione viene depurato dallo zolfo e dagli altri contaminanti. Questa tecnologia permette di ottenere rendimenti di produzione di energia elettrica con un rendimento che può arrivare al 50% mentre le macchine termiche (di dimensioni analoghe) si attestano intorno al 30-35%. Gli esausti anodici del processo sono già privi di azoto, mentre la CO2 viene fatta passare in un fotobioreattore dove avviene la crescita di colture algali che si nutrono di essa. Questo passaggio completa il processo che parte dal biogas, produce energia elettrica e utilizza la CO2 nel fotobioreattore dove possono essere trattate anche parte delle acque reflue ricche di nitrati e fosfati. Per esempio per effettuare un trattamento terziario di finissaggio delle acque già trattate con il processo convenzionale a fanghi attivi.

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Anche in questo caso la sperimentazione è terminata ma il politecnico di Torino si è aggiudicato un finanziamento per il progetto denominato Demosofc che dovrebbe occuparsi di realizzare la versione industriale del prototipo.

I due progetti sono indubbiamente il fiore all’occhiello di queste due grandi realtà impiantistiche, cioè uno dei tre depuratori di Milano (Nosedo), ed uno “storico” come quello del Po Sangone che come scritto in altri miei articoli è stato descritto in un libro non tecnico, bensì un romanzo di Piero Bianucci.

Questo è il futuro della depurazione. Ed è incoraggiante che queste sperimentazioni si siano iniziate finalmente anche in Italia. In paesi come Norvegia, Francia, Danimarca e Germania sono usuali.

Con la conclusione di queste sperimentazioni si intravede per i depuratori una vocazione “produttiva”.

Nello stesso tempo il sistema depurativo in Italia deve provvedere anche a massicci investimenti per l’adeguamento degli impianti ormai obsoleti, alla chiusura di quelli la cui gestione risulta antieconomica e che non riescono per limiti strutturali a garantire un’efficienza depurativa adeguata (i tantissimi piccoli impianti di potenzialità inferiore a 5000 abitanti equivalenti).

Ma questi studi dimostrano come si possa e si debba coniugare l’efficienza depurativa con quella energetica. Un bel segnale per il futuro.

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