Per condensare il vapore acqueo contenuto nell’atmosfera è necessario raffreddare l’aria fino al punto di rugiada. Nei climi secchi, caratterizzati da temperature ambiente da 30-45°C, le temperature di rugiada sono comprese 0-10°C. L’utilizzo di macchine frigorifere che operino in questi range comporta considerevoli consumi energetici, nonché la disponibilità di energia elettrica, difficilmente garantita in contesti remoti.
Tramite questa invenzione è possibile sfruttare materiali essiccanti che, per mezzo di un ciclo termodinamico apposito, permette di innalzare la temperatura di rugiada del flusso d’aria trattato oltre i 50 °C. A queste condizioni di rugiada la condensazione avviene spontaneamente a temperatura ambiente, senza l’ausilio di refrigerazione.
Stato del brevetto
CONCESSO
Numero di priorità
102017000120788
Data di priorità
24/10/2017
Licenza
INTERNAZIONALE
Mercato
Il mercato potenziale è molto vasto, e include: il mercato residenziale, anche in concorrenza con altri prodotti come l’acqua imbottigliata, in contesti economici molto vasti, e in fasce dal basso all’alto reddito; il mercato dei prodotti per uso in aree remote e/o contesti ostili; il mercato dei servizi industriali e commerciali che necessitano di fonte di acqua pura.
Il mercato di riferimento dei generatori di acqua atmosferici è in forte crescita, con un CAGR al 2027 pari al 20%.
Problema
L’accesso alle risorse di acqua dolce è tra i principali temi mondiali, con un orizzonte fissato ai prossimi 20 anni per il settore agricolo e l’industria alimentare. Le criticità interessano soprattutto le regioni del Sud-Asia, America Latina, Africa, ed in particolare nelle regioni sub-Sahariane, caratterizzate da vincoli di natura fisica (assenza della risorsa idrica), ma anche da vincoli di natura economica (assenza di infrastrutture e potabilizzazione).
Lo sviluppo tecnologico ha spinto la desalinizzazione (Multi-Stage-Flash; Osmosi Inversa) come soluzione alternativa alla carenza idrica in tali regioni. Tuttavia, elevati consumi energetici, notevoli costi operativi e la dipendenza da risorse energetiche fossili, rendono sostenibili solo impianti di grossa taglia. Inoltre, il vincolo della disponibilità di acqua liquida, è una condizione non sempre verificabile soprattutto nelle regioni interne.
L’invenzione proposta sfrutta invece l’atmosfera come risorsa idrica alternativa. L’Atmosfera è una enorme risorsa idrica, rinnovabile e diffusa, con un contenuto di acqua stimato di 13000 km3, sotto forma di vapore. Tale quantità è il 3% delle acque dolci (non inclusi ghiacciai e giacimenti acquiferi), ovvero 6 volte il totale dei bacini fluviali, attualmente la prima fonte idrica per le attività umane.
Le tecnologie attuali che condensano il vapore oltre agli elevati consumi elettrici, che rendono insostenibile l’accesso alla risorsa atmosferica, hanno performance vincolate alle caratteristiche climatiche del luogo di funzionamento. La nostra tecnologia, basata sull’utilizzo di materiali fortemente igroscopici, permette elevate produzioni di acqua anche in contesti estremamente aridi.
Limiti attuali tecnologie / Soluzioni
IL 95% delle tecnologie che generano acqua a partire dal vapore atmosferico è costituito da sistemi frigoriferi a compressione di vapore.
Queste condensano il vapore acqueo contenuto nell’atmosfera raffreddando l’aria fino al punto di rugiada. Nei climi secchi, caratterizzati da temperature ambiente da 30-45°C, le temperature di rugiada sono comprese 0-10°C. L’utilizzo di macchine frigorifere che operino in questi range comporta considerevoli consumi energetici, nonché la disponibilità di energia elettrica, difficilmente garantita in contesti remoti. La capacità di produrre acqua tramite queste tecnologie è estremamente influenzata dalle condizioni climatiche di operazione.
Il restante 5% delle tecnologie sfruttano invece materiali igroscopici che spontaneamente assorbono il vapore e successivamente lo rilasciano per condensarlo tramite dei processi di rigenerazione reversibile operata attraverso energia termica. I materiali igroscopici attualmente utilizzati hanno limitate capacità di assorbimento del vapore, ed inoltre l’energia termica necessaria alla loro rigenerazione deve essere fornita a temperature elevate. Questo limita l’applicazione di energie povere, come quella solare o i cascami termici dei processi industriali, fondamentali per limitare il costo al litro dell’acqua prodotta.
Killer Application
1) Produzione acqua potabile e sanitaria per contesti non connessi ad acquedotto: lo sfruttamento nel ciclo così come proposto permette di poter realizzare un sistema compatto che può essere dimensionato per soddisfare il fabbisogno idrico di un nucleo familiare. Inoltre, dato l’approccio modulare intrinseco dell’invenzione, è possibile “assemblare” l’impianto al fine di aumentare la produzione di acqua liquida in funzione delle esigenze.
2)Produzione acqua per impianti solari termodinamici: Il condensatore del ciclo Rankine di potenza diventa questo sistema e si usa l’acqua (distillata, no calcare) come applicazione tecnica, per esempio pulizia degli specchi solari (notevole impatto ambientale ed economico nei costi di c€/kWh di energia elettrica).
Tecnologia e nostra soluzione
Il sistema oggetto dell’invenzione è stato già ampiamente testato nei laboratori del Dipartimento Energia del Politecnico di Torino, dando conferma delle caratteristiche di efficienza migliori rispetto al panorama accademico esistente. Una soluzione alimentata ad energia solare è stata testata in ambiente esterno utilizzando del materiale adsorbente commerciale (silica gel). Le prestazioni in ambiente operativo hanno dato una producibilità di circa 50 litri/m3 ed un TRL pari 7. La ricerca in collaborazione con la Princeton University ha permesso lo sviluppo di un nuovo scambiatore adsorbente basato su un biopolimero derivato dall’alga bruna, aumentando la densità di acqua catturabile. Sulla base di questa collaborazione, dal 2019 ad oggi, è stata sviluppata dell’ulteriore proprietà intellettuale in fase di deposito, con obbiettivi di producibilità fino a 200-300 litri/m3.
Il potenziale prodotto finale sarà quindi un dispositivo per la produzione di acqua potabile, le cui proprietà organolettiche potranno essere customizzate, un ingombro non superiore ai 10 Litri ed un consumo energetico massimo di 2oo Wh/L, con una producibilità giornaliera fino ai 30 litri al giorno.
Vantaggi
Questa tecnologia permette un accesso diretto ed universale ad acqua potabile. La distanza da infrastrutture di distribuzione fisiche (acquedotti) e commerciali (distribuzione di acqua in bottiglia) non sarà più un limite per quelle regioni del mondo che vivono in una condizione di scarsità idrica.
Questo comporterà un notevole vantaggio in termini di riduzione del consumo di plastiche legate all’uso di acqua in bottiglia.
Roadmap
Lo sviluppo applicativo del brevetto avverrà all’interno della startup Aquaseek, spinoff del Politecnico di Torino e della Princeton University. Si prevede di realizzare alcuni demo da installare in contesti specifici, al fine di diffondere la tecnologia e, soprattutto, di ottenere feed-back dagli utenti sulla utilizzazione. Tra i primi contesti selezionati: zone densamente urbanizzate con scarsità d’acqua, isole minori, zone aride. Questi demo saranno installati in collaborazione con sviluppatori immobiliari, con enti pubblici e con aziende partner, identificati come possibili early adopters e potenziali partner strategici. Ci si aspetta di contribuire ad una più equa distribuzione della risorsa acqua, portandola a fasce di popolazione deboli in aree con scarsità. Inoltre, in alcune aree del mondo la disponibilità abbondante e sicura di acqua pulita avrà un impatto molto significativo sulle condizioni igieniche nelle strutture sanitarie. Oltre a questi aspetti socio-economici, i sistemi di atmospheric water harvesting alimentati da fondi rinnovabili costituiscono una sorgente totalmente rispettosa dell’ambiente naturale, non avendo né sottoprodotti da smaltire (come per esempio la desalinazione per osmosi) né necessitando di energia fossile per il loro funzionamento.
TRL
Il team
