Centrali idroelettriche sommerse pressurizzate in bacini con sistema di sollevamento e ossigenazione.
Brevetto italiano n. 102016000111938 del 08/09/2016
Astratto
L’invenzione della pompa con due alimentazioni separate fino alla girante sul lato di aspirazione ha permesso l’invenzione dell’energia idroelettrica mediante il riciclo dell’acqua in un bacino aperto. Con questo sistema si ottiene, allo stesso tempo, il sollevamento dell’acqua e la produzione di energia, principalmente sfruttando la pressione dinamica (o energia cinetica) dell’acqua che scorre dal bacino superiore.
Questa invenzione, a sua volta, ha ispirato la presente invenzione, che interagisce positivamente con l’ambiente. Infatti, nei sistemi pressurizzati con pompe a doppia alimentazione separata, il ricircolo interno continuo del volume d’acqua accumulato consente di bilanciare la pressione idrostatica in ingresso e in uscita dalla pompa e quindi di far circolare l’acqua con un consumo energetico minimo.
Grazie a una seconda alimentazione separata fino all’interno della girante, è possibile introdurre acqua a bassa pressione nel serbatoio pressurizzato. Poiché l’acqua non è comprimibile, la stessa quantità viene espulsa ad alta pressione dal cuscino d’aria attraverso un tubo che alimenta una turbina, trasformando l’energia della pressione statica in energia dinamica e producendo elettricità. Il volume dell’aria compressa non varia, quindi l’aria si comporta come una molla, ma grazie al principio di Dalton sulle pressioni parziali dei gas e di Henry sulla solubilizzazione dei gas, trascurando l’effetto dell’azoto che è neutro e degli altri gas presenti in percentuali trascurabili, si ha un importante effetto di solubilizzazione dell’ossigeno dovuto alla pressione, che aumenta proporzionalmente alla pressione stessa. Ciò comporta un aumento della capacità di purificazione dell’acqua, senza aumentare il costo di produzione dell’elettricità. Considerando che allo stato attuale non esiste energia idroelettrica pressurizzata, è evidente che questa invenzione comporta enormi vantaggi economici e ambientali. Se con una pompa a doppia alimentazione separata immettiamo acqua inquinata nel serbatoio pressurizzato, possiamo produrre energia durante il processo di depurazione anziché consumarla. Possiamo realizzare centrali idroelettriche sommerse ad acqua pressurizzata nelle profondità di laghi e mari. Ma la stessa applicazione può essere realizzata, in versione ridotta, anche in piccoli impianti di depurazione. Tutti i sistemi idraulici, compresi quelli depurativi, del futuro saranno in grado di produrre energia perché la potenza dell’aria compressa permette sempre di avere energia residua da sfruttare in una turbina, e tutto ciò avverrà con il riciclo dell’acqua, poiché il riciclo dell’acqua tramite pompe a doppia alimentazione separata permette di aggirare la forza di gravità e la pressione. L’aria compressa verrà utilizzata come accumulatore di energia che disperde solo la parte di energia dovuta ai componenti che si dissolvono chimicamente nell’acqua. Questa dispersione, nei sistemi globali, che sono anche depurativi, non può essere considerata una perdita di rendimento. Con questa invenzione ci muoviamo verso l’eliminazione dei costi energetici e moltiplichiamo la tutela dell’ambiente.
Descrizione
Nella presentazione di qualsiasi domanda di brevetto è prassi consolidata citare lo stato del settore di riferimento. Ma in questo caso non c’è molto da dire, perché l’impianto idroelettrico pressurizzato non esiste. Questa è la situazione reale, che penalizza l’ambiente e l’economia mondiale, poiché si tratta di un sistema energetico pulito, non ingombrante dal punto di vista economico, con capacità di produzione continua e di gran lunga superiore alle rese energetiche esistenti.
Questo metodo di sollevamento dell’acqua e di produzione di energia non è solo economicamente vantaggioso, ma anche dal punto di vista ambientale. Può dimezzare i costi di depurazione, che richiedono ingenti consumi energetici, poiché l’aria ossidante viene compressa a una pressione specifica, contrastando la pressione idrostatica dell’acqua, per fornire ossigeno ai diffusori d’aria utilizzati a tale scopo. Il sistema idroelettrico sommerso pressurizzato trasferisce ossigeno libero all’acqua sia attraverso il riciclo dell’acqua nel processo, sia moltiplicando per decine di volte la pressione specifica sulla superficie dell’acqua all’interno del serbatoio di pressurizzazione.
Le “centrali idroelettriche sommerse pressurizzate” in Fig. 1 poggiano sul fondale marino e producono energia con rese molto elevate, persino superiori a quelle del carbone, senza la necessità di acquistare combustibile e rilasciando gratuitamente l’ossigeno disciolto nell’acqua grazie all’alta pressione del serbatoio alimentata da un compressore d’aria situato a terra, che fornisce anche energia di pressione, la quale si trasforma in energia cinetica che viene trasferita all’acqua e sfruttata dalle turbine.
Questa soluzione ha il grande vantaggio di fornire pressioni fino a circa 35 bar (dato che l’aria a pressioni fino a 37 bar diventa liquida) e di posizionare l’impianto a pochi metri di profondità, come mostrato nelle Figure 4, 5, 6 e 7.
Questa invenzione, come alcune precedenti invenzioni del sottoscritto relative alla produzione di energia con riciclo dell’acqua, non sarebbe possibile senza l’invenzione di pompe con doppia alimentazione separata fino alla girante, che, come mostrato in Figura 2, permette di bypassare la pressione idrostatica del serbatoio pressurizzato (1) dividendo il flusso d’acqua all’ingresso della pompa in due o quattro settori mantenuti separati anche nella girante della pompa. Questi settori sono alimentati separatamente con acqua prelevata dal serbatoio pressurizzato e dalla vasca d’acqua in cui sarà immerso l’impianto, mentre l’uscita della pompa è sempre collegata allo stesso serbatoio pressurizzato, in modo da riciclare circa il 50% del flusso totale che circola nel serbatoio. Poiché le alimentazioni sono fisse, mentre la girante ruota, lo stesso settore della girante viene alimentato alternativamente con un flusso avente una pressione diversa e portate molto simili, quindi, il flusso d’acqua con pressione aumentata spinge nella girante il flusso d’acqua con pressione minore, che proviene dall’esterno del serbatoio (1), mentre la rotazione della girante, aumenta ulteriormente la pressione dell’acqua secondo le caratteristiche dello stesso rotore (assiale, semi assiali, radiale, aperto, chiuso, ecc.), vincendo le perdite di carico nella pompa, nelle valvole e nei pezzi speciali che compongono il circuito.
La figura 1 illustra la progettazione dell’ossigenatore sommerso pressurizzato idroelettrico degli impianti idrici, come illustrato dalla seguente legenda:
Legenda: (1) Serbatoio pressurizzato in acciaio; (1.1) regolatore di livello con sonde capacitive; (1.2) valvola di sicurezza con scarico dell’aria nell’acqua; (1.3) manometro con valvola di intercettazione; (1.4) della valvola di scarico; (1.5) golfari di avviamento/sollevamento; (2) pompa utilizzata come turbina; (2.1) generatore di corrente alternata sommergibile; (3) valvola motorizzata con regolazione del flusso; (3.1) valvola on-off con controllo pneumatico; (4.1) filtro di aspirazione; (5) pompa elettrica con doppia alimentazione separata fino alla girante; (5.1) Doppia curva con setti di separazione incrociati in bassa pressione (lp) e alta pressione (hp); (5.2) deflettori di separazione del flusso; (5.3) girante della pompa; (5.4) diffusore della pompa; (6) motore di azionamento della pompa a velocità variabile, controllato da un inverter; (7) accoppiamento motore o alternatore; (8) albero di trasmissione; (8.1) tubo per il passaggio del pozzo; (9) valvola di ritegno; ; (11) elettrocompressore con serbatoio di accumulo (11.1) rete per l’alimentazione dell’aria compressa; (11.2) elettrovalvola e valvola di ritegno dell’aria compressa; (11.3) pressostato con regolatore; (12) rete per la distribuzione dell’elettricità; (13) quadro elettrico e sistema di controllo; (13.1) cavi di alimentazione del sistema elettrico; (14) trasformatore di alimentazione per la fornitura di energia prodotta alla rete pubblica; (14.1) cavi elettrici per il trasporto dell’energia prodotta; (15) altitudine del terreno; (15.1) Livello massimo dell’acqua; (15.2) altitudine del fondale marino, del lago o del bacino idrico.
Come si può vedere dalla Fig. 1, il serbatoio pressurizzato (1) viene alimentato con l’acqua della vasca in cui è immerso attraverso il filtro (4.1), (la pompa (4), che alimenta un lato della pompa con doppia alimentazione separata è presente solo nei casi in cui la pressione idrostatica della vasca è molto bassa) ma allo stesso tempo nel serbatoio viene anche riciclata l’acqua pressurizzata dall’aria compressa attraverso la seconda alimentazione alla pompa. Il ricircolo interno del serbatoio pressurizzato serve a bilanciare la pressione statica nella girante della pompa e consente l’ingresso dell’acqua dall’esterno del serbatoio pressurizzato nella pompa attraverso il secondo ingresso, bypassando l’opposizione della pressione del serbatoio. Infatti, alla pressione statica non si oppone l’energia cinetica che si sviluppa all’interno del volume accumulato, quindi, riciclando l’acqua su un lato della pompa che viene alimentata anche dall’altro lato con un flusso d’acqua prodotto solo dall’altezza idrostatica non pressurizzata, a volte aumentata da una speciale pompa di circolazione (4). Sebbene le portate sui due lati della pompa non siano perfettamente uguali, l’aumento del numero di giri della pompa con doppia alimentazione aumenta la portata introdotta, poiché il ricircolo serve solo a introdurre l’acqua esterna da espellere dal cuscino d’aria senza espandersi, oscillando tra il livello minimo e massimo del serbatoio (1.1), che può essere regolato solo dal volume d’acqua introdotto nel serbatoio pressurizzato dalla seconda bocca di aspirazione della pompa e dalla pressione del cuscino d’aria e dalla valvola di controllo posta prima della turbina, che negli impianti sommersi per limitare i rischi di infiltrazione d’acqua, è preferibile non utilizzare, montando una valvola on-off con controllo pneumatico (3.1). Pertanto, per mantenere costante il livello dell’acqua nel serbatoio pressurizzato e produrre energia con la massima pressione dell’aria compressa, è necessario realizzare sistemi ben bilanciati tra le portate in ingresso, in uscita e la pressione dell’aria compressa, che deve essere preservata il più a lungo possibile ripristinando solo la quantità di aria disciolta nell’acqua. Ovviamente, maggiore è la pressione del cuscino d’aria, maggiore è la quantità di energia producibile attraverso la pompa utilizzata come turbina (2) con relativo alternatore (2.1). Per garantire che le portate siano perfettamente uguali, il circuito di controllo agisce simultaneamente sulle valvole motorizzate (3) e sul motore a velocità variabile accoppiato alla pompa (4), quando questi sono inseriti nel circuito, ma soprattutto sui giri al minuto variabili (6) del motore della pompa (5) con doppia alimentazione separata. Pertanto, poiché l’impianto è costituito da più circuiti di ingresso e di uscita, la regolazione di tutti i motori in funzione avverrà simultaneamente.
Nella figura 1 è mostrato un sistema multiplo con i circuiti disposti radialmente attorno al serbatoio pressurizzato, ma in molti casi sarà più pratico realizzare installazioni lineari, con circuiti montati su un solo lato, che possono viaggiare con la forma di un mezzo di trasporto stradale e quindi, prefabbricati, che verranno semplicemente calati dall’alto e appoggiati su piattaforme di cemento disposte sul fondale marino. Sarà preferibile trasportare piccoli impianti con cavi elettrici sommersi intubati in tubi d’acciaio ancorati al fondale marino. Solo la parte terminale sarà contenuta in una guaina d’acciaio flessibile della lunghezza necessaria a consentire il sollevamento e l’estrazione dell’intero impianto mediante una gru montata su una chiatta attrezzata per la manutenzione degli impianti. Sarà preferibile realizzare impianti di piccole dimensioni, non solo per estrarli ed evitare riparazioni in immersione, ma anche per distribuire meglio l’ossigeno solubile nel fondale marino, che produce gli impianti.
All’avvio dell’impianto, tutte le valvole (3 -3.1) sono aperte. L’acqua entra attraverso i filtri (4.1) con le pompe (4 e 5) ferme, fino al riempimento del serbatoio (1). Quindi si inizia la pressurizzazione con aria compressa in modo che il livello si stabilizzi al livello massimo (1.1). Dopo aver chiuso le valvole (3 – 3.1) e pressurizzato il serbatoio (1) alla pressione di esercizio stabilita tramite il compressore (11) e il pressostato (11.3), se non ci sono perdite e la pressione si mantiene costante, insieme al livello dell’acqua, l’impianto viene messo in funzione azionando le pompe (4 e 5). Quindi si aprono le valvole (3 – 3.1). Il controllo della velocità variabile delle pompe deve garantire il mantenimento costante del livello dell’acqua tra il minimo e il massimo del regolatore (1.1), mentre il compressore deve ripristinare la pressione per effettuare la solubilizzazione dell’aria ridotta.
Ai fini energetici è importante notare che, entrando e uscendo dallo stesso flusso d’acqua, non cambia il volume d’acqua all’interno del serbatoio pressurizzato e, di conseguenza, non cambia nemmeno la pressione del circuito. Non vi è alcun dispendio energetico per ripristinare il cuscino d’aria, a parte l’aria che si dissolve in acqua, il che, da un punto di vista ambientale, non è certo uno spreco, dato che la solubilizzazione dell’ossigeno nelle acque profonde sarebbe necessaria in tutti i bacini costieri del mondo, ma con altri sistemi avrebbe costi energetici insostenibili. Mentre negli impianti in questione i consumi energetici dovuti ai circuiti idraulici si limitano alla compensazione delle perdite di carico che difficilmente superano i 50 cm di colonna d’acqua delle valvole e della pompa. In effetti, in questa soluzione coincidono simultaneamente, oltre ai vantaggi chimici e biologici, soprattutto quelli fisici dell’aria che, essendo comprimibile, è l’accumulatore di energia più economico che può essere utilizzato come una molla compressa, che devia l’acqua, che è incomprimibile, verso la turbina senza costi energetici. Infine, proprio a causa dell’incomprimibilità dell’acqua, all’uscita della turbina, a qualsiasi profondità si scarichi l’acqua, abbiamo sempre una perdita di carico che dipende solo dalla velocità residua dell’acqua (V2 / 2g).
Negli impianti proposti, l’acqua viene arricchita di ossigeno ad alta pressione nel serbatoio (1) e scaricata dalla turbina sul fondo di una vasca profonda almeno quindici metri, per non creare problemi alla navigazione. L’ossigeno, che diventa insolubile a causa della pressione inferiore rispetto a quella all’interno del serbatoio pressurizzato, ha comunque un’ottima probabilità di reagire chimicamente con le particelle inquinanti contenute nell’acqua prima di raggiungere la superficie. In altre parole, non solo la produzione di energia sarà priva di costi apprezzabili, ma consentirà anche di ossidare l’acqua direttamente nelle vasche in cui deve essere raccolta per neutralizzare i nutrienti indesiderati e le sostanze tossiche che vi arrivano, senza essere intercettate dai depuratori. Questi ultimi, nel complesso, nella loro configurazione attuale, non solo non sono efficienti, ma rappresentano anche un’immensa fonte di spreco energetico. In realtà, il concetto di purificazione globale espresso con 4, 5, 6, 7 cifre elimina sia i grandi depuratori, sia le grandi centrali elettriche, perché la depurazione dell’acqua e dell’aria e la produzione di energia avvengono durante la gestione dell’acqua potabile e industriale da depurare, come pubblicato in altri depositi di brevetto del sottoscritto. Ovviamente, con questo sistema, diventa una spesa superflua per le energie semplicemente neutre, salvo casi eccezionali, per ragioni di costo, efficienza, ingombro, impatto ambientale. In effetti, nel mondo servono solo energie sostenibili che interagiscono positivamente con l’ambiente biologico e chimico, che, dopotutto, costano meno, sono meno ingombranti e possono essere prodotte ovunque. Ne trarrebbero beneficio anche le città lagunari che utilizzassero questo metodo di produzione energetica (Venezia, Amsterdam, Birmingham, San Pietroburgo, Kerala, Suzhou, Mopti, Fort Lauderdale, Xochimilco, ecc.), che sono belle da vedere ma puzzano di fogna a causa del grave inquinamento idrico che non può essere depurato se il trattamento non diventa un effetto collaterale benefico della produzione energetica.
Il fenomeno della solubilizzazione dei gas nell’acqua è quantificabile in milligrammi di acqua per litro di gas (azoto, ossigeno, CO2, elio, ecc.) secondo la legge di Dalton, sulla pressione parziale del gas, e la legge di Henry, sulla solubilità in acqua dello stesso. Di seguito le formule principali che spiegano i concetti, senza considerare i meriti dei calcoli: in una miscela di gas ideali contenuta in un volume V e alla temperatura T, le molecole di ciascun gas si comportano indipendentemente dalle altre; di conseguenza, la pressione esercitata dalla miscela gassosa sulle pareti del contenitore e sulla superficie dell’acqua è data da: dove R è una costante pari a 0,0821; , … rappresentano il numero di moli di ciascun componente della miscela. Questa legge è valida nelle condizioni in cui è valida la legge dei gas ideali; è approssimata a pressioni moderate, ma diventa sempre più precisa al diminuire della pressione. Definendo la frazione molare come il rapporto tra il numero di moli dell’i-esimo componente e il numero totale di moli presenti: si ottiene che in una miscela di gas ideali, la pressione parziale di ciascun componente è data dalla pressione totale moltiplicata per la frazione molare di quel componente: .
Secondo la legge di Dalton, la somma delle pressioni parziali corrispondenti deve essere uguale alla pressione atmosferica (1 atm = 101,3 kPa) e infatti:
Azoto: 79,014 kPa; Ossigeno: 21,232 kPa; Anidride carbonica: 0,04 kPa; Argon: 0,8104 kPa;
Altri gas: 0,2127 kPa. Totale (aria): 101,3 kPa.
La legge di Henry afferma che, a temperatura costante, la solubilità di un gas è direttamente proporzionale alla pressione che il gas esercita sulla soluzione. Una volta raggiunto l’equilibrio, il liquido si definisce saturo del gas a quella pressione. Questo stato di equilibrio si mantiene finché la pressione esterna del gas rimane costante; se aumenta, una maggiore quantità di gas entrerà in soluzione, se diminuisce, il liquido si troverà in una situazione di sovrasaturazione e il gas verrà liberato all’esterno quando le pressioni si riequilibrano. La velocità con cui un gas entra o viene liberato in soluzione varia in funzione della differenza di pressione (esterna e interna) ed è condizionata dalla sua composizione molecolare e dalla natura del solvente.
Per confrontare la solubilità dei gas nei liquidi, si può considerare il loro coefficiente di assorbimento, ovvero il volume di gas disciolto in un millilitro di liquido in condizioni normali (T = 20 °C e p = 1 atm), espresso in millilitri. Nella tabella sono riportati i coefficienti di assorbimento in acqua di alcuni gas a diverse temperature e pressione atmosferica:
| Gas | Temperatura | ||
| 0 °C | 20 °C | 30 °C | |
| Elio | 0,0094 | 0,009 | 0,0081 |
| Azoto | 0,0235 | 0,015 | 0,0134 |
| Ossigeno | 0,0489 | 0,028 | 0,0261 |
| Anidride carbonica | 1.713 | 0,88 | 0,655 |
Per comprendere il significato dei dati nella tabella, si consideri ad esempio il valore di 0,028 corrispondente al coefficiente di assorbimento dell’ossigeno in acqua a 20 °C a pressione atmosferica. Ciò significa che in un recipiente contenente acqua a 20 °C, la fase gassosa sopra il liquido contiene ossigeno fino a una pressione parziale di 1 atm, in un millilitro di acqua è disciolto O2 pari a un volume di 0,028 mL. In un serbatoio pressurizzato a 10, 30, 30 bar, alla stessa temperatura, questo valore viene moltiplicato per circa 10, 20, 30.
Con i sistemi attuali, se volessimo ossidare tutte le acque inquinate dei bacini del mondo, ci vorrebbe energia a sufficienza, perché sarebbero necessari potenti soffiatori d’aria (che non esistono) in grado di immettere aria in acque profonde almeno venti metri e un’enorme quantità di diffusori d’aria distribuiti nelle acque inquinate. In assenza di un’energia sostenibile come l’energia idroelettrica sommersa pressurizzata, non si può che ipotizzare la bonifica delle acque sotterranee inquinate da uno sviluppo industriale che è stato economicamente insostenibile fin dall’avvento dell’era industriale. Con l’energia idroelettrica pressurizzata la bonifica diventerebbe automatica e gratuita.
Nell’energia idroelettrica, la depurazione a pressione diventerebbe automatica e gratuita. Le normative globali dovrebbero rendere obbligatorio questo metodo di produzione energetica, anche se costasse molto di più rispetto ad altre energie rinnovabili. Quest’energia, infatti, costerebbe centinaia di volte meno, perché nessuna fonte energetica può beneficiare di una risorsa inesauribile, gratuita e pulita come l’aria compressa, alla quale si aggiunge anche la pressione idrostatica dell’acqua, che non si oppone all’energia cinetica ma ne fa percepire la forza, alimentando le pompe ad aspirazione.
Infatti, quando l’acqua inquinata del lago, del mare, del bacino o del pozzo entra, come menzionato sopra, con un costo energetico molto basso nella pompa con doppia alimentazione separata (5) e da questa nel serbatoio (1), aumenta automaticamente la capacità di azionamento purificante grazie alla maggiore solubilizzazione dell’ossigeno nell’acqua che, quando si tratta di produrre energia nella turbina, trasporta all’esterno l’ossigeno che viene rilasciato per ossidare i composti organici e inorganici precipitati nelle profondità e nelle acque sotterranee. Solo per questo aspetto ambientale di questa energia che non esiste, dovrebbe essere la principale fonte di energia sul pianeta. Senza l’apporto di ossigeno che solo questa energia può fornire sono destinati alla fossilizzazione e alla morte tutti i corpi idrici del mondo. È solo questione di tempo. Dove non c’è ossigeno non c’è vita.
Dal punto di vista idraulico, tuttavia, il circuito idroelettrico pressurizzato non è contrario ai principi di conservazione dell’energia, ma li potenzia, producendo enormi risparmi sui costi sfruttando le sinergie tra la comprimibilità dell’aria e quella dell’acqua.
Questo impianto è simile a un circuito in vaso aperto sempre pieno d’acqua, dove l’acqua fuoriesce all’infinito dalla superficie per effetto della pressione atmosferica, come nei pozzi artesiani. In realtà, nei pozzi artesiani non è il cuscino d’aria che si espande (essendo la pressione atmosferica universale) ma l’acqua che fuoriesce e viene sollevata al livello massimo per il principio dei vasi comunicanti, mediante l’uniformità della pressione atmosferica comune. Nel nostro caso, l’aria può essere compressa in un serbatoio, fino a circa trentacinque volte la pressione atmosferica, e, non espandendosi, tutta l’energia accumulata viene trasferita all’acqua che fuoriesce dal troppopieno, che non è condizionato dal livello idrostatico di un bacino naturale. Teoricamente, l’acqua in un tubo svuotato d’aria può essere sollevata fino a 10,33 metri per effetto della pressione atmosferica e fino a circa 350 metri quando si utilizza aria compressa, rispetto alla posizione del serbatoio pressurizzato (1).
Ma la pressione dell’aria compressa può essere sfruttata anche per produrre energia in una turbina con circa metà della capacità della pompa, poiché l’altra metà del flusso circola continuamente nel serbatoio per bilanciare la pressione idrostatica nell’acqua di ricambio in ingresso alla girante della pompa. Infatti l’acqua, che è incomprimibile, circola liberamente all’interno del volume accumulato nel serbatoio pressurizzato per mezzo della pompa con doppia alimentazione separata fino alla girante e, nel sistema di FIG. 1, si rinnova continuamente, circa il 50% della capacità della pompa spendendo solo l’energia per il riciclo della capacità totale, mentre all’esterno del serbatoio, la pompa utilizzata come turbina utilizza la portata scaricata dal troppo pieno del serbatoio pressurizzato per produrre energia in un alternatore ad esso accoppiato, sfruttando il salto di pressione dinamico e statico esistente tra il serbatoio pressurizzato e l’altezza idrostatica del bacino, lago, mare o pozzo, che esiste all’uscita della turbina. Ovviamente, la portata in ingresso è leggermente inferiore a quella di riciclo, anche sottraendo la caduta di pressione e l’efficienza. Qualunque cosa accada, sarà sempre il mondo energetico ed economico più pulito. Sarà anche l’unico a non essere neutrale, bensì purificatore dell’ambiente.
Osservando la Fig. 1 si può notare che il cuore del sistema è la pompa con doppia alimentazione separata (5), senza la quale sarebbe possibile aggirare la pressione dell’aria compressa presente sopra l’acqua (1). La pompa modificata aggira questa pressione portando l’acqua sul lato di aspirazione non collegato al ricircolo, rimpiazzando l’acqua in uscita a causa dell’apertura della valvola che alimenta la turbina. La sostituzione dell’acqua in uscita avviene con l’acqua in entrata (o viceversa). Infatti, con la pompa in funzione e il cuscino d’aria alla pressione nominale, il flusso d’acqua dentro e fuori dal serbatoio diventa automatico e sono necessari solo piccoli aggiustamenti con la regolazione dei motori a velocità variabile (6) e della pressione del compressore. Il circuito non consente l’espansione del cuscino d’aria. Infatti, l’espansione richiederebbe una maggiore prevalenza della pompa di ricircolo per la diminuzione della pressione del cuscino d’aria al fine di ricomprimerlo, il che ridurrebbe il vantaggio energetico della soluzione. Anche in questo caso, l’efficienza si riduce, ma non i vantaggi della soluzione, che, come detto, offre prestazioni centinaia di volte superiori rispetto agli attuali sistemi energetici e un calo di rendimento non invalida il sistema. Nel complesso, tuttavia, la pompa deve avere prestazioni con prevalenze più elevate, poiché può sempre verificarsi un circuito di funzionamento anomalo e per ripristinare il funzionamento nominale sono necessarie prestazioni superiori. Questo è un fatto normale che si verifica in tutti i sistemi di pompaggio del mondo. Nei calcoli degli impianti energetici, come descritto, a titolo di esempio, si considerano le condizioni nominali, non i casi anomali.
Nella Fig. 1 le portate d’acqua in uscita e in ingresso dal serbatoio (1) sono regolate tramite motori a velocità variabile (6), le valvole (3 e 3.1) sono utilizzate principalmente per chiudere il circuito quando le pompe con doppia alimentazione separata alla girante sono ferme. Infatti, la separazione quasi ermetica delle due aree di alimentazione della pompa è la condizione fondamentale per il funzionamento di questi sistemi e funzionerà solo quando la pompa è in funzione e ha già stabilizzato un flusso unidirezionale nel flusso, che somma i due flussi all’interno del serbatoio, il quale è costretto a espellere attraverso l’unica uscita prevista l’acqua in eccesso: passando attraverso la pompa utilizzata come turbina. Nelle applicazioni non sommerse, le valvole di intercettazione possono anche svolgere un ruolo nell’aiutare la regolazione della portata.
È inoltre importante il modo in cui alimenta la pompa che deve partire da una certa distanza dalla pompa, in modo che nella sezione di ingresso, rappresentata dalla sezione AA della Fig. 2, abbiamo quattro flussi separati di cui due ad alta pressione (hp) e due a bassa pressione (lp), disposti diagonalmente per bilanciare le pressioni idrauliche nella girante e nei cuscinetti. Affinché questa separazione dei flussi possa avvenire è necessario partire dai condotti di deviazione del flusso (10) in modo che la doppia curva con deflettori di separazione (5.1), deve già ricevere il flusso canalizzato dai deflettori di separazione (5.2) nella posizione corretta, in modo che possa attraversare come rappresentato nella sezione AA. Quindi, le semicurve del particolare (5.1) utilizzando solo metà della sezione di passaggio, già disposta diagonalmente, che il flusso in una sola sezione di ingresso della pompa già divisa in quattro settori senza soluzione di continuità fino alle pale della girante. Infatti, con questo tipo di alimentazione, quando la girante è in rotazione, riceve nello stesso quarto di sezione flussi d’acqua con sequenza alternata hp – lp, utilizzando la spinta dell’acqua ad alta pressione (hp) per spingere in avanti l’acqua a pressione inferiore (lp). D’altra parte, questo principio idraulico è già utilizzato nelle pompe multistadio (FIG. 3), che in questo caso utilizziamo come turbine, ma quando vengono utilizzate come pompe, al loro interno l’acqua mantiene la sua pressione dinamica totale (portata * pressione unitaria * sezione di passaggio) e aumenta da stadio a stadio, entrando al centro della girante, uscendo dalla periferia della stessa e ritornando al centro dello stadio successivo, lungo il diffusore (5.4) per determinare, in particolare, l’intensità della pressione dinamica totale che segue il percorso delle pale della girante (5.3). Le pompe multistadio con girante chiusa possono raggiungere pressioni fino a cento bar grazie alla precisione della lavorazione meccanica, ma anche ai fenomeni fisici che si sviluppano all’interno di ciascuna girante, dove la rotazione determina nella zona centrale una depressione che permette l’ingresso di nuova acqua, nonostante l’alta pressione presente nel flusso. Il fenomeno depressivo interessa l’intera sezione di ingresso della girante, per cui, se l’acqua si trova in uno stadio intermedio, aumenta la pressione dello stadio successivo, mentre se si trova nel primo stadio entra nella girante (5.3), si distribuisce al diffusore (5.4) con la pressione totale aumentata. Inoltre, va notato che in tutte le applicazioni di pompe idrauliche proposte con doppia alimentazione, l’acqua non lavora mai in ingresso, ma viene sempre alimentata sotto una prevalenza idraulica su entrambi i lati e il lato con pressione inferiore è sempre dotato di una valvola di ritegno che impedisce, anche a pompa ferma, che l’acqua possa passare dal serbatoio pressurizzato al serbatoio di alimentazione. Pertanto, quando la pompa con doppia alimentazione separata fino a quando la girante è in funzione, questa, entra nello stesso tempo, quattro flussi separati con due pressioni diverse,La girante non può fare nulla che vada avanti per intero, come nelle pompe multistadio. Per la proprietà transitiva, se funzionano le pompe multistadio, funzionano anche le pompe con doppia alimentazione separata, se soddisfano le stesse tolleranze di fabbricazione di attrito e arrivi alla girante, in modo che i flussi con pressioni diverse si incontrino solo nella girante, non prima di entrare nello stesso.
Come è noto, le applicazioni delle pompe idrauliche di sollevamento sono infinite. A volte sono necessarie portate molto elevate con prevalenze molto basse, per la difesa del territorio, e altre volte portate molto basse con alta prevalenza, per il sollevamento di acqua a distanze considerevoli dalla fonte di approvvigionamento. Ciò ha portato a una notevole varietà di pompe e giranti, prodotte in tutto il mondo, dato che il sollevamento dell’acqua, insieme al trasporto, rappresenta una delle principali cause del crescente consumo energetico del pianeta Terra.
In qualsiasi sistema idraulico per la distribuzione dell’acqua attualmente in uso, l’energia impiegata per il ricircolo interno dell’acqua è centinaia di volte inferiore all’energia necessaria per il sollevamento dell’acqua.
Basti dire che una tubazione DN 1000 con una portata di 1000 L/s, una velocità dell’acqua di 1,27 m/s secondo le tabelle calcolate con la formula di Bazin-Fantoli ha una perdita di carico di soli 1,5 m/km. Pertanto, con l’energia spesa per sollevare 1,5 m, 1000 L/s, possiamo spostare la stessa portata per un chilometro di distanza in orizzontale. Possiamo trovare un’equivalenza tra la circolazione interna dell’acqua pressurizzata nel serbatoio e la lunghezza equivalente di un tubo orizzontale di ampia sezione dove il carico previsto esiste solo per attrito con le pareti del tubo senza differenze geodetiche di livello o pressione da superare. Infatti, un circuito di ricircolo interno al volume d’acqua accumulato non deve superare differenze di altezza e pressione e consente l’ingresso di acqua di ricambio che viene aspirata dall’interno della girante dall’energia della pressione dinamica dell’acqua riciclata attraverso la stessa girante, ma con un’alimentazione separata.
Pertanto, conviene raddoppiare e, se necessario, persino triplicare la portata e produrre impianti sempre pieni d’acqua, o di pressione, con pompe a doppia alimentazione separata, anche senza alcuna produzione di energia, solo per risparmiare energia negli ascensori. Infatti, chi afferma che non si può produrre energia dal nulla, non comprende che l’energia che produciamo non è altro che l’energia che risparmiamo sollevando l’acqua in modo diverso da quello attualmente utilizzato. Ma una volta risparmiata l’energia negli ascensori, dovrebbe essere ovvio che si dovrebbe anche produrla in loco realizzando piccole opere civili e idrauliche e impianti sommersi in bacini esistenti, senza grandi opere idroelettriche, creando dighe e allagando le valli montane, in molti casi, sprecando ingenti danni economici causati dalle risorse alluvionali. Infatti, quando si prevedono forti piogge, si dovrebbero svuotare i bacini idroelettrici, ma oggigiorno ciò non è possibile perché le riserve idriche vengono utilizzate per produrre energia e compensare la siccità estiva. Questo tipo di gestione, pericolosa per l’ambiente e per l’economia mondiale, può essere evitato solo se si riesce a produrre energia idroelettrica sostenibile senza il salto idraulico. Di conseguenza, è possibile realizzare accumuli di acqua dolce laddove necessario, che diventano anche produttori di energia a basso costo, mantenendo inoltre l’acqua in un costante stato di ossidazione e purificazione senza emissioni di CO2.
Il famoso esperimento di Pascal, fin dal 1647, ha dimostrato che in un serbatoio chiuso la pressione idrostatica si espande in tutte le direzioni. Ma per produrre energia elettrica è necessaria la pressione dinamica che garantisce l’esercizio nel tempo sui poli di una turbina. Questa applicazione richiede sezioni di passaggio adeguate e la continuità del flusso, che in piccoli volumi d’acqua può essere assicurata solo se non si disperde l’acqua e si sfruttano schemi idraulici vantaggiosi nella fase di produzione di energia (caduta di carico o caduta di pressione) e regimi energetici parsimoniosi nella fase di recupero dell’acqua, senza carico per il sollevamento dell’acqua. In questi sistemi la pressione dinamica è pari alla pressione unitaria per la sezione di passaggio per il flusso d’acqua, quindi la pompa a doppia alimentazione deve essere dimensionata per la somma dei due flussi e con un passaggio di mandata di ampia sezione, che ritorna all’autoclave, come in Fig. 1. Infatti, in questo circuito sulla mandata della pompa non devono vincere le resistenze esterne al circuito di ricircolo, come la pressione del cuscino d’aria compressa. La circolazione dell’acqua avviene all’interno del volume d’acqua immagazzinato con una prevalenza molto piccola della pompa. Ma il corpo della pompa deve resistere a un’elevata pressione idrostatica, altrimenti si disintegra come il cilindro di Pascal.
Supponiamo quindi di creare un piccolo impianto sommerso di FIG. 1 che produce energia per mezzo di sei circuiti con sei generatori sommergibili di corrente alternata (2.1) accoppiati a una pompa utilizzata come turbina (pat.), che sfrutta l’altezza utile Hu = 35 m e una pompa elettrica con doppia alimentazione separata DN 150 con portata di 35 L/s. Ipotizzando un’efficienza della turbina pari a 0,75, applicando la formula Pu = η * 1000 * Q * Hu / 102, otteniamo una potenza di uscita di 9,0 kW (0,75 * 1000 * 0,035 * 35/102) per ciascun circuito. Assegnando alla pompa una prevalenza di 0,4 e una resa di 0,6, la potenza assorbita dalla stessa, che determina un flusso doppio rispetto a quello che passa nella turbina, è calcolata con la formula 0,4 * 1000 * 0,070 / 102 * 0, 6 = 0, 0456 kW. L’impianto è costituito da sei circuiti di ingresso acqua e sei circuiti di uscita che producono una potenza totale di 53,7264 kW (54 a 0,0456 * 6) escludendo l’energia assorbita dal compressore per mantenere costante la pressione di 35 m di colonna d’acqua, che è ancor più trascurabile l’energia consumata per il ricircolo, la pressione deve fornire solo la quantità di aria che si solubilizza in acqua.
In questo caso il rapporto tra consumo energetico e rendimento è 196,36 (53,7264 / 0,0456 * 6). Non dovremmo sorprenderci di questo risultato, dato che in un impianto idroelettrico con salto idraulico non si consumano nemmeno i pochi watt necessari al circuito interno di ricircolo dell’acqua. Il ragionamento energetico è valido anche per impianti di dimensioni molto maggiori, ovviamente con rendimenti diversi delle pompe elettriche, in funzione del tipo di girante montata, della portata, del punto di funzionamento nominale, ecc. Ma in ogni caso il rapporto tra energia prodotta e consumo energetico dipenderà dall’acqua per pressione del cuscino d’aria e avrà sempre un valore superiore di diverse decine, o centinaia di volte. Infatti, i 35 metri di colonna d’acqua utilizzati nella formula possono essere dieci volte superiori in alcune applicazioni.
Per ottenere rese elevate, l’energia pressurizzata con riciclo dell’acqua, apparentemente, è contraria ai principi di conservazione dell’energia. Ma in realtà l’energia prodotta non ha alcuna connessione con l’energia spesa, in quanto sfrutta il salto di pressione dell’acqua che si crea per effetto della pressione dell’aria compressa, che non viene prodotta dal sistema idraulico. Quindi il miracolo energetico non si verifica perché si violano i principi di conservazione dell’energia, ma perché si realizzano sinergie tra principi fisici e tecnologici mai visti prima. Infatti, in questi sistemi non si risparmia solo acqua, ma anche l’energia utilizzata per comprimere l’aria, che esercita la sua pressione sulla superficie dell’acqua a volume costante. In realtà è molto più economico far circolare acqua incomprimibile per mantenere costante la pressione, che permette l’espansione del volume d’aria per poi comprimerlo nuovamente, creando un sistema discontinuo e a basse prestazioni. D’altra parte, anche la pressione atmosferica è una pressione che agisce su tutte le superfici d’acqua del pianeta senza espandersi. Per fare esercizio non è necessaria la pressione di espansione. L’aria all’interno dell’autoclave viene fatta espandere solo per pochi secondi per limitare il numero di avviamenti del motore, non per risparmiare energia, poiché il ripristino della pressione del cuscino d’aria comporta un dispendio energetico pari a quello delle pompe.
L’importanza della pressione statica dell’aria sulla superficie dell’acqua è dimostrata dal fatto che, in presenza di un grande volume d’acqua immagazzinato in una vasca coperta con dislivello geodetico, è sufficiente un foro di ingresso dell’aria e un foro di uscita dell’acqua per produrre energia in una turbina per un tempo indefinito, senza costi energetici, che dipendono solo dal volume d’acqua e dal sistema idrico che la alimenta. Ciò è dimostrato da numerose centrali idroelettriche in funzione da oltre un secolo, come quella delle Cascate del Niagara, operativa dal 1879. Queste centrali, una volta ammortizzato il capitale investito, producono energia gratuita perché alimentate dalla stessa natura. Potrebbero non funzionare se sulla superficie dell’acqua della vasca non vi fosse la pressione atmosferica o la forza gravitazionale che la genera.
Tuttavia, in presenza di acque statiche e in assenza di dislivelli geodetici, il problema da risolvere per produrre energia idroelettrica consisteva nel creare artificialmente dislivelli geodetici e pressioni interne nel volume d’acqua accumulato, sfruttando i principi fisici dell’acqua e dell’aria favorevoli alla loro creazione. Nelle soluzioni più elaborate, inclusa quella mostrata in Figura 1, non rappresentava un problema creare il dislivello geodetico tra la superficie dell’acqua e l’aspirazione della pompa posta sul fondo, in modo da poterla azionare con una pressione positiva all’ingresso dell’acqua. Non era un problema creare artificialmente il dislivello di pressione con aria compressa, per ogni gruppo turbina-pompa, tra l’acqua in ingresso e quella in uscita dalla turbina, da scaricare nel volume d’acqua accumulato in modo statico. Infatti, l’utilizzo di un serbatoio d’acqua pressurizzato con aria compressa è noto da diversi secoli. Ciò che è sfuggito, agli addetti ai lavori di ieri e di oggi, pur essendo noto, è il fatto che per far circolare l’acqua in un circuito chiuso pressurizzato serve poca energia, indipendente dalla pressione statica esercitata dal cuscinetto d’aria, essendo l’acqua incomprimibile. Pertanto, si è resa necessaria un’invenzione che consentisse l’ingresso dell’acqua dall’esterno nel circuito di ricircolo interno senza un grande dispendio energetico. Ciò può avvenire solo tramite l’ingresso dal lato di aspirazione di una pompa di ricircolo, a condizione che i due flussi non si incontrino prima di entrare nella girante. Per questo motivo è stato inventato il doppio sistema di alimentazione separato fino alla girante. Infatti, riciclando l’acqua pressurizzata del serbatoio su se stessa con un lato della pompa, per effetto dell’aumento di velocità al centro della girante, si crea un vuoto che favorisce anche l’ingresso dell’acqua dal lato di alimentazione con la sola differenza geodetica della vasca statica (che nella Fig. 1 contiene il sistema pressurizzato a una pressione maggiore). Pertanto, l’acqua che entra nel filtro 4.1 e in un lato della pompa ermeticamente separata, fino alla girante, ha la stessa direzione del flusso d’acqua del serbatoio pressurizzato di ricircolo. Non può essere contrastata dalla pressione idrostatica presente nel serbatoio pressurizzato, soprattutto se nel frattempo dallo stesso serbatoio pressurizzato esce la stessa quantità d’acqua. Quindi, si crea un flusso continuo di energia cinetica al quale la pressione statica, per leggi fisiche, non può opporsi (essendo l’acqua incomprimibile). Potrebbe opporsi solo se il cuscino d’aria si espandesse fino a impedire la fuoriuscita dell’acqua dal foro che alimenta la turbina (2). Pertanto, l’impianto in questione, quando non è in funzione, deve avere tutte le valvole (3 – 3.1) chiuse (se non si chiudono le valvole (3 – 3.1) della turbina, l’aria si espande attraverso la turbina e l’intero sistema si sommerge e si riempie d’acqua. Le valvole devono essere aperte solo quando le pompe sono in funzione.
Descrizione dei disegni e delle applicazioni industriali.
La Figura 1 mostra un sistema completamente immerso in una vasca d’acqua, che può essere un lago o il mare, dove i quadri elettrici e il compressore sono posizionati sulla riva. Si può notare che la pompa utilizzata come turbina (2) scarica l’acqua pressurizzata arricchita di ossigeno sul fondo della vasca, mentre l’acqua che entra nel serbatoio (1) viene prelevata indipendentemente dal fondale marino attraverso il filtro (4.1). Un lato di aspirazione della pompa con doppia alimentazione separata (5) mantiene costantemente il livello (1.1), mentre la stessa pompa con l’altro lato di aspirazione ricicla circa il 50% del flusso nel serbatoio pressurizzato (1). La regolazione del livello dell’acqua (1.1) e dell’aria compressa all’interno del serbatoio pressurizzato (1) avviene tramite il motore a velocità variabile (6) accoppiato alla pompa e il funzionamento del compressore che ristabilisce la pressione di esercizio. Infatti, il controllo preciso del livello e della pressione consente l’erogazione di una quantità di acqua pressurizzata dal cuscino d’aria senza che questo si espanda, perfettamente uguale all’acqua in ingresso con la sola pressione statica della vasca. Quando l’impianto non è in funzione, tutte le valvole (3.1) sono sempre chiuse, per evitare lo svuotamento dell’acqua dal serbatoio pressurizzato (1), dovuto a un’espansione incontrollata del cuscino d’aria.
La Fig. 2 mostra il dettaglio della pompa con doppia alimentazione separata fino alla girante, con girante chiusa, comune anche alle altre figure. Negli impianti immersi in sufficiente acqua pulita si utilizza una pompa con girante chiusa, modificata sul lato di aspirazione tramite una curva a 90 gradi che immette l’acqua dall’esterno del serbatoio pressurizzato. Questa curva interseca una curva che immette nella pompa l’acqua contenuta nel serbatoio pressurizzato. Le due curve sono dotate di deflettori di flusso, separatori interni (5.2), divisi a 90 gradi, che convergono nella sezione circolare che entra nella pompa e alimenta la girante (5.3). Pertanto, avendo le due sezioni quattro settori ciascuna, solo due alimentazioni possono essere alimentate. Gli altri due sono otturati in modo che il flusso completo che entra nella girante sia presente come mostrato nella sezione AA, con i separatori 5.2 che arrivano scorrendo alla girante della pompa (5.3) e con il flusso incrociato in alta e bassa pressione (hp e lp). Questa soluzione è preferibile con acqua pulita e giranti chiuse. Con acqua sporca saranno presenti due settori e la girante sarà aperta. L’importante è che il flusso dei separatori arrivi sempre scorrendo verso la girante, in modo che durante la rotazione della pompa, si impedisca che le acque con pressione diversa si mescolino prima di entrare nella girante. Se ciò dovesse accadere, il ricircolo del serbatoio dell’acqua pressurizzata impedirebbe l’ingresso nella girante dell’acqua proveniente dalla vasca di immersione, che ha una pressione idrostatica inferiore. A questo scopo, quando il sistema non deve produrre energia, tutte le valvole (3.1) sono chiuse e l’impianto parte prima dei motori che alimentano le pompe e quindi apre le valvole.
La Figura 3 mostra il dettaglio di una pompa multistadio utilizzata come turbina. Si può notare che l’alimentazione è fornita dal lato opposto rispetto alla pompa con alimentazione singola (4) e alla pompa con doppia alimentazione separata (5). Queste pompe, con l’invenzione della pompa con doppia alimentazione separata, non hanno più ragione di esistere, essendo state inventate per sfidare la forza di gravità sollevando l’acqua con elevati costi energetici. Ma la tecnologia sviluppata per la costruzione di queste pompe e gli investimenti effettuati dai produttori non saranno vani, perché queste pompe, utilizzate come turbine, troveranno un impiego ben più ampio nella produzione di energia. Infatti, se è vero che abbiamo bisogno di sollevare l’acqua, è ancor più vero che abbiamo bisogno di energia pulita e sostenibile e, allo stato dell’arte, dal punto di vista economico e ambientale nessuna fonte energetica può competere con l’energia idroelettrica, ottenuta riciclando l’acqua pressurizzata con aria compressa, per economicità e versatilità delle materie prime. Per questi impianti, come si evince dalle varie applicazioni descritte nella presente domanda di brevetto, tra le pompe utilizzate come turbine, queste sono le più utili, essendo meno ingombranti e meno costose, avendo già acquisito una produzione di serie diffusa.
La Figura 4 mostra il sistema globale di depurazione urbana già brevettato a livello internazionale dal sottoscritto, che non ha avuto successo per ragioni sconosciute, ma facilmente comprensibili, a mio avviso principalmente a causa dell’incapacità degli enti pubblici mondiali di coordinare le specializzazioni e le diverse tecnologie nell’interesse comune. Questa incapacità ha portato alla realizzazione di grandi depuratori al di fuori dei centri urbani, di scarsa utilità contro il riscaldamento globale, e di grandi centrali termoelettriche a combustibili fossili, addirittura peggiori perché incapaci di neutralizzare il ciclo del carbonio in modo naturale, come avverrebbe nello schema in figura, dove acqua e aria vengono trattate insieme in ogni condominio lungo le coste, i porti, ecc., separando alla fonte i fanghi che, tramite processo anaerobico (ASSC – asc), raggiungerebbero l’impianto centrale di depurazione nella sezione digestiva (LDDC), mentre l’acqua parzialmente depurata e alcalinizzata alla fonte (pvlm – pvmm), combinata con mini serre di calcare, raggiungerebbe lo stesso impianto centrale nella sezione di depurazione dell’acqua e dell’aria (VSB). Le due sezioni di trattamento si incontrerebbero con la sezione termica (TEP. Bio) per chiudere correttamente i cicli in vasche biologiche sovrapposte (bcsvp) e serre meccanizzate in calcare (vcmlg) senza sprecare nemmeno l’energia termica.
Il sistema globale di trattamento delle acque, sebbene a livello internazionale non abbia trovato investitori pubblici e privati, è tecnicamente ancora valido. È un esempio concreto che dimostra come il progresso nella tutela dell’ambiente globale non possa progredire se le autorità pubbliche non stabiliscono regole universali su come integrare impianti di depurazione e centrali elettriche sul territorio. In questo sistema, infatti, si realizzano sia la depurazione dell’energia fossile, sia la produzione di energia, non neutra ma rispettosa dell’ambiente, cosa impossibile con gli attuali impianti di depurazione, le centrali termoelettriche e le energie rinnovabili, che non interagiscono con i sistemi di depurazione per recuperare calore e CO2, riutilizzandoli nell’ambiente senza danneggiarlo, come avviene attualmente. Anche la produzione di energia biologica è oggi un’opera incompiuta perché non è ancora diffusa a livello globale. Dal punto di vista ambientale, l’energia biologica è paragonabile all’energia solare ed eolica perché non aggiunge né sottrae CO2 all’ambiente, mentre nel sistema globale potrebbe addirittura sottrarla, chiudendo completamente i cicli nelle serre urbane e in quelle adiacenti alle centrali termoelettriche e energetiche. Per fare ciò, i piccoli e grandi impianti di combustione dovrebbero gestire congiuntamente acqua, aria ed energia. I sistemi di pompaggio dell’acqua sono di fondamentale importanza, rappresentando a livello globale la seconda voce di spesa energetica, dopo i trasporti.
Pertanto, la soluzione energetica di Figura 1, che produce energia idroelettrica sommersa ossigenando l’acqua, in una versione semplificata, può anche essere integrata nei sistemi di depurazione globali, se finalmente le autorità ambientali ed energetiche comprenderanno che l’energia può essere prodotta tutelando l’ambiente, senza dover distribuire incentivi per le energie rinnovabili in modo slegato da progetti globali.
La purificazione globale illustrata nella Figura 4 e nei dettagli ingranditi delle Figure 5, 6, 7 diventa ancora più efficiente e sostenibile, sostituendo le pompe del sollevamento idraulico principale con sistemi pressurizzati di questo deposito di brevetto, per ridurre il consumo di carburante, migliorare l’ossigenazione dei sistemi di depurazione dell’acqua e rendere produttori di energia anche nei processi di depurazione oltre che digestivi. Infatti, in questi sistemi sono state sostituite alcune pompe con impianti completi (plhpow = impianti idroelettrici a sollevamento pressurizzato con acqua ossigenata). Questi sistemi sono sempre in funzione. Producono energia mentre ossigenano l’acqua e quando è necessario deviare il flusso attraverso le valvole (3) sollevando l’acqua. Ovviamente, quest’ultima funzione può essere svolta anche da impianti posti sul fondo di laghi e bacini idrici per distribuire l’acqua all’agricoltura o per difendere il territorio dalle inondazioni.
Legenda Fig. 4, 5, 6. 7: (ac) compressore d’aria; (ae) estrazione dell’aria; (aec) camera di espansione dell’aria; (af) filtro dell’aria; (AFTET) torre di filtrazione e scambio termico dell’aria; (ags) agitatore per fanghi; (aid) serrande di ingresso dell’aria; (aout) uscita dell’aria; (apt) serbatoio a pressione atmosferica; (asc) collettore di fanghi anaerobici; (assc) collettore sommergibile di fanghi anaerobici; (bcf) filtro ciclonico per biogas; (bcsvp) stagni sovrapposti coperti biologici; (bms) silo di biomassa; (CCPC) camino di cattura, raffreddamento e purificazione; (cfcu) unità fan coil canalizzata; (CO2stap) serbatoio di stoccaggio di CO2 a pressione atmosferica; (clp) pompa di sollevamento del condensato; (CMCO2) collettore di trasporto di miscela compressa di aria e CO2; (cwhb) cestelli sospesi su ruote calcarei; (cwlp) pompa di sollevamento dell’acqua fredda; compressore di CO2; (etrwap) serbatoio di espansione e riempimento dell’acqua a pressione atmosferica; (dp) pompa di drenaggio; (dlh) tramoggia di carico del digestore; (dwb) corpo idrico a valle; (ebbio) elettroventilatore per biogas; (ebCO2) elettroventilatore per CO2; (efa) ventilatore elettrico per l’immissione dell’aria; (efae) ventilatore elettrico per l’estrazione dell’aria; (eff) ventilatore elettrico per i fumi; (emr) rack motorizzato attrezzato; (esf) filtro elettrostatico; (ethw) serbatoi di espansione per acqua calda; (etcw) serbatoi di espansione per acqua fredda; (ew) parete esterna; (fai) presa d’aria fresca; (fgec) camera di espansione dei fumi; (fgwe) scambiatore acqua-fumi; (GHP) pompa di calore a gas; (fcu) unità fan coil; (GPCG) pozzo geotermico rivestito in gres; (gas) gasometro; (GMLED) depurazione ambientale globale marina e lacustre; (GUECD) condizionamento e depurazione ambientale urbana globale; (GUED) depurazione ambientale urbana globale; (gwrp) pompa di ricircolo dell’acqua geotermica; (hwb) bacino dell’acqua calda; (hwp) tubi dell’acqua calda; (hwcb) bacino coperto dell’acqua calda; (hwcp) pompa di circolazione dell’acqua calda; (hwcs) fornitura di acqua calda per il consumo; (hwfc) canale dell’acqua calda e dei fumi; (hwlp) pompa di sollevamento dell’acqua calda; (hws) fornitura di recupero dell’acqua calda; (lbh) tramoggia per massi di calcare; (LDDC) digestore lineare disidratatore compostatore; (ls) silo di calce; (mgg) mini serra vetrata; (paw) acqua purificata e alcalinizzata; (pawe) scambiatore di acqua purificata aria-acqua; (pcws) fornitura pubblica di acqua fredda; (plhpow) centrali idroelettriche a sollevamento pressurizzato con acqua di ossigenazione; (plv) pioggia; (pvlm) modulo lacustre verticale di purificazione; (pvmm) modulo marino verticale di purificazione; (pvum) modulo urbano verticale di purificazione; (pwdv) valvola di scarico dell’acqua purificata; (pwo) uscita dell’acqua purificata; (rrpwl) linea di recupero dell’acqua piovana e dell’acqua purificata; (sfgc) collettore di decantazione dei gas di scarico; (sh) tramoggia per fanghi; (spas) pompe sommergibili per fanghi anaerobici; (ssl) decantatore nella linea fognaria; (stamco2) serbatoio di stoccaggio della miscela di aria e CO2; (stt) nastro di trasporto dei fanghi; (ttst) serbatoio di transito dei fanghi da ispessire; (tco2pt) serbatoio di trasporto pressurizzato di CO2; (TEPbio) centrale termoelettrica alimentata a biogas; (upwb) corpo idrico a monte; (vcmlg) serra verticale coperta meccanizzata in calcare; (VSB) edificio sinergico verticale; (wb) corpo idrico; (wba) bacino idrico da alcalinizzare; (wbc)vasca di raffreddamento dell’acqua; (wbp) vasca dell’acqua da purificare; (wlp) pompa di sollevamento dell’acqua; (wot) vaschetta di troppo pieno dell’acqua; (ws) alimentazione idrica; (wss) alimentazione idrica.
La Fig. 5 mostra un ingrandimento di un dettaglio della Fig. 4, dove i moduli di purificazione “pvlm e pvmm” (modulo di purificazione lacustre verticale e modulo di purificazione marino verticale) sono completati da una centrale idroelettrica pressurizzata: (plhpow) centrale idroelettrica di sollevamento pressurizzata con acqua ossigenata, che contribuisce all’ossidazione e produce energia idroelettrica nella turbina (2) rendendo sostenibili sia le purificazioni che le produzioni di energia. Infatti è sufficiente poca energia per sollevare l’acqua fino alle vasche di troppo pieno che producono pioggia artificiale sui cestelli “cwhb” (cestelli sospesi su ruote calcarei), che alcalinizzano l’acqua e consumano la CO2 immagazzinata nel serbatoio “stamCO2” (serbatoio di stoccaggio della miscela di aria e CO2), immessa nella parte superiore della fossa di purificazione tramite le ventole (eff). L’energia in eccesso che può essere prodotta con la pressurizzazione dell’aria compressa del serbatoio dell’autoclave (1) può essere trasformata in energia elettrica.
La Fig. 6 mostra un ingrandimento di un dettaglio della Fig. 4, dove i moduli di purificazione “pvum”, modulo verticale urbano di purificazione, sono integrati da una centrale idroelettrica pressurizzata: (plhpow) centrale idroelettrica di sollevamento pressurizzata con acqua ossigenata, che sostituisce la normale pompa di sollevamento, contribuendo all’ossidazione e producendo energia idroelettrica nella turbina (2). In effetti è sufficiente poca energia per sollevare l’acqua fino alle vasche di troppo pieno che producono pioggia artificiale sui cestelli “cwhb” (cestelli sospesi su ruote in calcare), che alcalinizzano l’acqua e consumano la CO2 immagazzinata nel serbatoio “stamCO2” (serbatoio di stoccaggio della miscela di aria e CO2), immessa nella parte superiore della fossa di purificazione tramite le ventole (eff). L’energia in eccesso che può essere prodotta con la pressurizzazione dell’aria compressa del serbatoio dell’autoclave (1) può essere trasformata in energia elettrica. Questa soluzione non dovrebbe spaventare per gli spazi che richiedono nei centri urbani, perché la serra in calcare (mgg) non deve essere posizionata direttamente sulla fossa di purificazione. Può essere realizzato anche in una stanza vicino alla fossa. È importante per il collegamento idraulico di ritorno dell’acqua.
La Fig. 7 mostra un ingrandimento di un dettaglio della Fig. 4, dove le pompe di sollevamento sono state sostituite con impianti di sollevamento pressurizzati, produzione di energia e ossigenazione delle acque “plhpow”, che interrompono la produzione di energia totalmente o parzialmente solo quando è necessario il sollevamento dell’acqua. Questi sono i casi di sovrapposizione di stagni biologici che purificano l’acqua attraverso la fotosintesi man mano che l’acqua sale in superficie, ma non disdegnano l’ossigeno fornito dalla produzione di energia gratuita consentita dal riciclo dell’acqua; ma è anche il caso dell’impianto di acqua alcalinizzata che consuma CO2 in serre “vcmlg”, serre verticali meccanizzate coperte in pietra calcarea, che possono essere combinate con un grande sistema di riscaldamento industriale o energetico.