Serra di acqua di mare - Seawater greenhouse

Una serra di acqua di mare è una struttura a effetto serra che consente la crescita dei raccolti e la produzione di acqua dolce nelle regioni aride che costituiscono circa un terzo della superficie terrestre. Ciò in risposta alla scarsità d'acqua globale e al picco dell'acqua e al suolo che infetta il sale. Il sistema utilizza acqua di mare ed energia solare . Utilizza una struttura simile alla serra pad-and-fan, ma con evaporatori e condensatori aggiuntivi. L'acqua di mare viene pompata nella serra per creare un ambiente fresco e umido, le condizioni ottimali per la coltivazione di colture temperate. L'acqua dolce viene prodotta allo stato condensato creato dal principio di dissalazione solare, che rimuove il sale e le impurità. Infine, l'aria umidificata rimanente viene espulsa dalla serra e utilizzata per migliorare le condizioni di crescita delle piante da esterno.

Progetti

The Seawater Greenhouse Ltd

Il concetto di serra ad acqua di mare è stato studiato e sviluppato per la prima volta nel 1991 dalla società Light Works Ltd di Charlie Paton, ora conosciuta come Seawater Greenhouse Ltd. Charlie Paton e Philip Davies hanno lavorato al primo progetto pilota iniziato nel 1992, sull'isola delle Canarie di Tenerife . Un prototipo di serra ad acqua di mare è stato assemblato nel Regno Unito e costruito nel sito di Tenerife che copre un'area di 360 m2. Le colture temperate coltivate con successo includevano pomodori, spinaci, piselli nani, peperoni, carciofi, fagiolini e lattuga.

Il secondo progetto pilota è stato installato nel 2000 sulla costa dell'isola di Al-Aryam, Abu Dhabi, Emirati Arabi Uniti. Il design è una struttura leggera in acciaio, simile a un polytunnel a più campate, che si basa esclusivamente sull'energia solare. Viene installato un array di tubi per migliorare il design della serra diminuendo la temperatura e aumentando la produzione di acqua dolce. La serra ha una superficie di 864 m2 e ha una produzione idrica giornaliera di 1 m3, che soddisfa quasi il fabbisogno irriguo della coltura.

La terza serra pilota di acqua di mare, di 864 m2, si trova vicino a Muscat in Oman e produce da 0,3 a 0,6 m3 di acqua dolce al giorno. Questo progetto è stato creato come una collaborazione tra la Sultan Qaboos University. Offre l'opportunità di sviluppare un settore orticolo sostenibile sulla costa di Batinah. Questi progetti hanno consentito la convalida di un modello di simulazione termodinamica che, dati dati meteorologici appropriati, prevede e quantifica con precisione come si comporterà la serra di acqua di mare in altre parti del mondo.

Il quarto progetto è l'installazione commerciale a Port Augusta, in Australia, installata nel 2010. Attualmente si tratta di una serra di acqua di mare di 20 ettari di proprietà e gestita da Sundrop Farms che l'ha ulteriormente sviluppata.

Il quinto progetto è stato realizzato nel 2017 a Berbera, in Somalia. Il design è stato studiato per essere semplificato e poco costoso con tecniche avanzate di modellazione delle serre. Questo design include un sistema di ombreggiatura che trattiene gli elementi di raffreddamento evaporativo principali.

Progetto Foresta del Sahara

Il Sahara Forest Project (SFP) combina la tecnologia della serra ad acqua di mare e l'energia solare concentrata e ha costruito progetti pilota in Giordania e Qatar. La serra dell'acqua di mare evapora 50 m3 di acqua di mare e raccoglie 5 m3 di acqua dolce per ettaro al giorno. La capacità di produzione di energia solare tramite pannelli fotovoltaici produce 39 KW su un'area di 3 ettari con un'area di coltivazione di 1350 m2. Le serre sono più fresche di 15 gradi rispetto alle temperature esterne, il che consente di produrre fino a 130.000 kg di ortaggi prodotti all'anno e fino a 20.000 litri di acqua dolce al giorno. Inoltre, il progetto include la rivegetazione mediante bonifica del suolo di piante del deserto che fissano l'azoto e rimuovono il sale mediante riutilizzo di prodotti di scarto provenienti dall'agricoltura e dall'evaporazione dell'acqua salata.

Processi

Una serra di acqua di mare utilizza l'ambiente circostante per coltivare colture temperate e produrre acqua dolce. La progettazione per il raffreddamento del microclima consiste principalmente nel processo di desalinizzazione di umidificazione e deumidificazione (HD) o umidificazione a più effetti . Una semplice serra ad acqua di mare è composta da due refrigeratori evaporativi (evaporatori), un condensatore, ventilatori, tubi per acqua di mare e acqua distillata e colture tra i due evaporatori. Ciò è mostrato nelle figure schematiche 1 e 2.

Il processo ricrea il ciclo idrologico naturale all'interno di un ambiente controllato della serra facendo evaporare l'acqua dalla fonte di acqua salina e la recupera come acqua dolce per condensazione. La prima parte del sistema utilizza un'acqua di mare, un evaporatore e un condensatore. La parete frontale della serra è costituita da un evaporatore bagnato con acqua di mare rivolto verso il vento prevalente. Questi sono per lo più costituiti da cartone ondulato mostrato in Figura 3. Se il vento non è abbastanza diffuso, i ventilatori soffiano l'aria esterna attraverso l'evaporatore nella serra. L'aria calda dell'ambiente scambia il calore con l'acqua di mare che la raffredda e la umidifica. L'aria fresca e umida crea un ambiente di crescita adeguato per le colture. La restante acqua di mare raffreddata per evaporazione viene raccolta e pompata al condensatore come refrigerante.

Figura 3: Carboard della serra dell'acqua di mare

Nelle serre convenzionali, crea un ambiente più caldo fornito dall'apporto di calore solare per consentire un'adeguata temperatura di crescita, mentre la serra ad acqua di mare fa il contrario creando un ambiente più fresco. Il tetto intrappola il calore a infrarossi, lasciando passare la luce visibile per promuovere la fotosintesi . La seconda parte del sistema ha un altro evaporatore. L'acqua di mare fluisce dal primo evaporatore che la preriscalda e successivamente attraversa il collettore solare termico sul tetto per riscaldarla a sufficienza prima di affluire al secondo evaporatore. L'acqua di mare, o liquido di raffreddamento, scorre attraverso un circuito costituito da evaporatori, tubo solare termico e condensatore con una presa d'acqua di mare e una uscita di acqua dolce. L'acqua dolce è prodotta da aria calda e relativamente alta umidità che può produrre acqua distillata sufficiente per l'irrigazione. Il volume dell'acqua dolce è determinato dalla temperatura dell'aria, dall'umidità relativa, dalla radiazione solare e dalla portata dell'aria. Queste condizioni possono essere modellate con dati meteorologici appropriati, consentendo di ottimizzare la progettazione e il processo per qualsiasi luogo adatto.

Applicabilità

La tecnica è applicabile a siti in regioni aride vicino al mare. La distanza e l'elevazione dal mare devono essere valutate considerando l'energia necessaria per pompare acqua al sito. Numerose sono le località adatte sulle coste; altri sono sotto il livello del mare, come il Mar Morto e la depressione di Qattara , dove sono stati proposti schemi idroelettrici per sfruttare la pressione idraulica per generare energia, ad esempio il canale Mar Rosso-Mar Morto .

Studi

Nel 1996, Paton e Davies hanno utilizzato il toolkit Simulink sotto MATLAB per modellare la ventilazione forzata della serra a Tenerife, Capo Verde, Namibia e Oman. La serra è assistita dal vento prevalente, dal raffrescamento evaporativo, dalla traspirazione, dal riscaldamento solare, dal trasferimento di calore attraverso le pareti e dal tetto e dalla condensazione che viene analizzata nello studio. Hanno riscontrato che la quantità di acqua richiesta dagli impianti è ridotta dell'80% e sono necessari 2,6-6,4 kWh di energia elettrica per m3 di acqua dolce prodotta.

Nel 2005, Paton e Davis hanno valutato le opzioni di progettazione con la modellazione termica utilizzando il modello degli Emirati Arabi Uniti come riferimento. Hanno studiato tre opzioni: schermo perforato, percorso dell'aria a forma di C e serie di tubi, per trovare un circuito dell'acqua di mare migliore per raffreddare l'ambiente e produrre la maggior quantità di acqua dolce. Lo studio ha rilevato che un array di tubi ha dato i migliori risultati: una diminuzione della temperatura dell'aria di 1 °C, una diminuzione della temperatura media radiante di 7,5 °C e un aumento della produzione di acqua dolce del 63%. Questo può essere implementato per migliorare le serre di acqua di mare nelle regioni calde e aride come il secondo progetto pilota negli Emirati Arabi Uniti.

Nel 2018, Paton e Davis hanno studiato l'utilizzo della salamoia per il raffreddamento e la produzione di sale nelle serre di acqua di mare azionate dal vento per progettarlo e modellarlo. La salamoia smaltita dalla desalinizzazione dell'acqua di mare può disturbare l'ecosistema in quanto viene prodotta la stessa quantità di salamoia dell'acqua dolce. Utilizzando il metodo di valorizzazione della salamoia del flusso d'aria guidato dal vento raffreddando la serra con l'evaporazione dell'acqua di mare, è possibile produrre sale come mostrato nella Figura 4. Questa salamoia è il sottoprodotto della produzione di acqua dolce, ma può anche essere l'ingrediente per fare sale, trasformandolo in un prodotto che può essere commercializzato.

Figura 4: concetto di base di serra ad acqua di mare per l'utilizzo della salamoia.

Un'ulteriore scoperta di questa ricerca è stata l'importanza della rete ombreggiante che è modellata da un film sottile nello studio mostrato in Figura 5. Non solo fornisce raffreddamento, ma allunga anche il pennacchio di raffreddamento, contenendo il pennacchio di aria fredda dall'evaporativo. tampone di raffreddamento.

Figura 5: Modello geometrico della rete ombreggiante per la determinazione della caduta di pressione che mostra (a) il sistema di coordinate locale e (b) i piani di simmetria (linee tratteggiate) utilizzati per semplificare la modellazione.

Guarda anche

Riferimenti

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