Nel contesto attuale, in cui le preoccupazioni ambientali dominano le discussioni globali, gli ingegneri rivestono un ruolo cruciale nel plasmare un futuro che sia il più possibile sostenibile. Attraverso approcci innovativi e tecnologie avanzate, ogni giorno si devono affrontare delle sfide legate al trattamento dell'acqua, alla gestione dei rifiuti e alla sostenibilità energetica, contribuendo a una rivoluzione verde nell'ingegneria.
Negli ultimi anni, una rivoluzione nel trattamento delle acque reflue è rappresentata dalla tecnologia dei bioreattori a membrana elettrochimica (EMBR). Questa soluzione innovativa combina i principi della filtrazione a membrana con i processi elettrochimici, migliorando l'efficienza nella rimozione di contaminanti organici e nutrienti dalle acque reflue. Il processo inizia all'interno del bioreattore, dove le acque reflue vengono introdotte in una camera di reazione contenente microrganismi, generalmente batteri, che svolgono un ruolo chiave nel metabolizzare e degradare i contaminanti organici presenti nell'acqua. Questi microrganismi agiscono come una sorta di “pulitori naturali”, utilizzando gli inquinanti come fonte di cibo per il loro metabolismo, trasformandoli in composti più semplici.
L'innovazione nei bioreattori a membrana elettrochimica
La parte distintiva degli EMBR è la presenza delle membrane elettrochimiche, che fungono da separatori all'interno del bioreattore. Queste membrane, costituite da materiali polimerici porosi, svolgono due ruoli cruciali: separano i batteri e i solidi biologici dalla soluzione liquida e conducono elettrolisi. Attraverso l'elettrolisi, applicando potenziali elettrici attraverso le membrane, vengono generate reazioni elettrochimiche. Questo processo attiva la produzione di radicali liberi e altre specie ossidanti, che aumentano l'efficienza del processo di ossidazione dei contaminanti organici. In altre parole, i composti organici presenti nell'acqua vengono ulteriormente degradati e trasformati in forme più stabili e meno dannose.
Un aspetto interessante dell'EMBR è la possibilità di generare idrogeno come sottoprodotto durante il processo di elettrolisi. Questo idrogeno può essere utilizzato come combustibile o come reagente in altri processi industriali, contribuendo così alla sostenibilità complessiva del sistema. Di conseguenza, gli EMBR non solo riducono il consumo energetico rispetto ai sistemi tradizionali e presentano una soluzione in termini di purificazione ma, producendo idrogeno come sottoprodotto, offrono una potenziale fonte di energia rinnovabile.
La cogenerazione come soluzione energetica e sostenibile
Per quanto riguarda l’efficienza energetica e la riduzione delle emissioni, la cogenerazione, o produzione combinata di calore e potenza (CHP), rappresenta un altro passo avanti per rivoluzionare il modo in cui generiamo e utilizziamo l'energia. Questo sistema produce simultaneamente elettricità e calore utilizzando una singola fonte energetica, raggiungendo un'efficienza significativamente superiore rispetto alle centrali elettriche convenzionali.
Immaginiamo di avere una centrale elettrica tradizionale che utilizza combustibili fossili come il gas naturale. In una centrale di questo tipo, il combustibile viene bruciato per produrre energia termica, che a sua volta alimenta una turbina collegata a un generatore elettrico. Questo è il modo in cui viene generata l'elettricità che si utilizza quotidianamente. Nella maggior parte delle centrali elettriche tradizionali, il calore residuo viene semplicemente disperso nell'ambiente attraverso torri di raffreddamento o altre strutture. In una centrale elettrica convenzionale, il calore generato durante la produzione dell’elettricità è spesso sprecato. In un impianto di cogenerazione, tuttavia, esso viene recuperato per essere usato nell’industria e persino nelle case. Si stima che la cogenerazione di calore ed energia (CHP) possa aumentare il livello di efficienza energetica fino a circa il 90%. Al contrario, nel processo di cogenerazione, il calore residuo viene recuperato e utilizzato per scopi utili anziché essere disperso nell'ambiente. Questo calore può essere impiegato per riscaldare acqua, che poi viene distribuita per il riscaldamento degli edifici o per l'acqua calda sanitaria. Può anche essere utilizzato in processi industriali che richiedono calore, come la produzione di vapore in fabbriche o impianti chimici.
Le differenze tra la centrale tradizionale e la cogenerazione
Quindi, mentre in una centrale elettrica tradizionale si spreca una notevole quantità di energia sotto forma di calore, nella cogenerazione questo calore viene sfruttato in modo efficiente, riducendo al minimo gli sprechi e massimizzando l'utilizzo delle risorse energetiche. Ciò non solo riduce le emissioni di gas serra, ma abbassa anche i costi energetici per consumatori e imprese. Anche in questo caso, l'idrogeno può essere prodotto attraverso l'elettrolisi dell'acqua utilizzando elettricità da fonti rinnovabili e può essere impiegato in celle a combustibile per generare elettricità, con il solo sottoprodotto di acqua, fornendo una fonte di energia sostenibile e a basse emissioni. In questo modo, la cogenerazione si presenta come una soluzione energetica intelligente e sostenibile, capace di fornire elettricità e calore in modo efficiente, riducendo al contempo l'impatto ambientale.
Queste sono solamente due rivoluzioni su cui gli ingegneri stanno lavorando per garantire un futuro più verde per il pianeta e che dimostrano come questi svolgono un ruolo fondamentale per poter costruire un mondo più sostenibile per le generazioni future.
Fonti:
Fabiana Romano. Bioreattori a membrana e processi elettrochimici per il trattamento avanzato delle acque reflue. Authorea. January 16, 2020.
Andrea Pierro. Applicazione dei processi elettrochimici ai bioreattori a membrane vive incapsulate . Authorea. May 28, 2021.
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