Come produrre acqua dall’umidità dell’aria

La scarsità d’acqua è un problema crescente in tutto il mondo. Peggiorata da un clima che cambia, è un problema che colpisce luoghi lontani e luoghi più vicini a casa. Ma la carenza di acqua in genere colpisce quei luoghi con più luce solare. E se uno potesse trasformare questo surplus di sole in una riserva d’acqua? Questa è la domanda alla quale i ricercatori hanno cercato di rispondere nello sviluppo di un “idroelettrico” economico a energia solare che utilizza la potenza della condensa per creare acqua dal nulla. In questo articolo vedremo come produrre acqua dall’aria con una semplice cella di Peltier.

Il consumo di acqua nelle economie in via di rapido sviluppo sta crescendo a un ritmo senza precedenti, che è più del doppio del tasso di crescita della popolazione nell’ultimo secolo. Sebbene non vi sia ancora una carenza idrica globale, circa 2,8 miliardi di persone – che rappresentano oltre il 40% della popolazione mondiale – vivono con una qualche forma di scarsità d’acqua: quasi 1,2 miliardi vivono in condizioni di scarsità d’acqua fisica, mentre i restanti 1,6 miliardi di persone vivono in aree di scarsità d’acqua economica, dove il capitale umano e finanziario limita l’accesso all’acqua.

Il progetto illustrato in questo articolo è un tentativo di fornire acqua potabile alle persone in cui vi è carenza di acqua potabile pura e fresca in modo da poter superare il problema sopra menzionato. L’idea è di utilizzare l’umidità presente nell’aria per produrre acqua, perché c’è sempre una certa percentuale di umidità presente nell’aria, anche se siamo nel deserto. Quindi questa sarebbe una tecnologia affidabile. Il metodo consiste nel raffreddare l’aria disponibile nell’atmosfera, processo che convertirà l’acqua dallo stato gassoso, cioè dall’umidità, allo stato liquido, grazie alla condensa.

Uno dei numerosi sistemi sviluppati per estrarre acqua dall’aria utilizzando l’energia elettrica prodotta da un pannello fotovoltaico.

Il sistema funziona a energia solare utilizzando un pannello fotovoltaico, quindi può essere utilizzato efficacemente anche in luoghi in cui manca l’elettricità. L’aria da raffreddare viene prima filtrata, in modo da poter fornire acqua innocua che rende la nostra idea non tossica e affidabile. Non sono necessarie lunghe linee di trasmissione elettrica, poiché la luce solare è presente quasi ovunque. Quindi possiamo implementarlo in qualsiasi luogo e questo farà risparmiare anche il costo delle condotte di trasmissione che normalmente utilizziamo per la trasmissione dell’acqua.

Il principio per produrre acqua dall’aria

L’atmosfera contiene una grande quantità di acqua sotto forma di vapore, umidità etc. All’interno di tali quantità viene sprecato quasi il 30% dell’acqua. Questa quantità di acqua può essere utilizzata se siamo in grado di estrarre l’acqua che è presente nell’aria sotto forma di umidità. Il progetto qui illustrato è un tentativo di realizzare un dispositivo in grado di convertire l’umidità atmosferica direttamente in acqua utilizzabile e persino potabile. Il dispositivo utilizza, sostanzialmente, il principio del calore latente per convertire le molecole di vapore acqueo in goccioline d’acqua.

Una superficie metallica a forma di punta, raffreddata al punto di rugiada, permette la condensazione dell’umidità nell’aria in goccioline e, infine, in gocce.

Negli ultimi anni sono già stati realizzati alcuni progetti per stabilire il concetto di condensazione dell’aria e di generazione di acqua utilizzando piastre Peltier alimentate da energia solare fotovoltaica. Grazie alle conoscenze precedenti, sappiamo che la temperatura richiesta per condensare l’acqua è nota come “temperatura del punto di rugiada”. Quindi, l’obiettivo è quello di ottenere quella temperatura specifica per condensare l’acqua con l’aiuto di una o più celle di Peltier termoelettrico, utilizzate per creare l’ambiente di temperatura di condensazione dell’acqua, o punto di rugiada.

In meteorologia con l’espressione temperatura di rugiada si intende la temperatura alla quale, a pressione costante, l’aria (o, più precisamente, la miscela aria-vapore) diventa satura di vapore acqueo. Essa indica a che temperatura deve essere portata l’aria per far condensare in rugiada il vapore d’acqua in essa presente, senza alcun cambiamento di pressione. Se il punto di rugiada cade sotto 0 °C, esso viene chiamato anche punto di brina. Questa temperatura viene trovata sul cosiddetto “diagramma psicrometrico” tracciando una linea a titolo costante fino a toccare la curva di saturazione.

Grafico che mostra la dipendenza del punto di rugiada dalla temperatura dell’aria e dall’umidità relativa.

Il sistema termoelettrico di raffreddamento

Il dispositivo termoelettrico Peltier ha due lati (un semiconduttore di tipo p e di tipo n) e quando la corrente continua fluisce attraverso il dispositivo, porta calore da un lato all’altro, in modo che un lato si raffreddi mentre quello opposto si surriscalda. Questo si chiama effetto Peltier. I dispositivi di raffreddamento Peltier sono costituiti da un elemento Peltier e da una potente combinazione dissipatore di calore / ventola, per non danneggiarli. Gli elementi Peltier sono disponibili in varie forme. Questo tipo di dispositivo è così potente che può congelare una buona quantità di acqua in pochi minuti.

Un sistema di raffreddamento convenzionale contiene tre parti fondamentali: l’evaporatore, il compressore e il condensatore. Un sistema termoelettrico ha alcune parti analoghe. L’energia (calore) viene assorbita dagli elettroni nella giunzione fredda, mentre passano da un livello di energia basso nell’elemento a semiconduttore di tipo p, a un livello di energia più elevato nell’elemento a semiconduttore di tipo n. È l’alimentatore che fornisce l’energia per far muovere quegli elettroni attraverso il sistema. Alla giunzione calda, l’energia viene espulsa in un dissipatore di calore mentre gli elettroni si spostano da un elemento di livello di energia elevato (tipo n) a un elemento di livello di energia inferiore (tipo p).

Celle di Peltier utilizzabili, insieme a un dissipatore opportuno e ad una superficie metallica collocata dal lato opposto della cella, per produrre acqua dall’aria. Si possono acquistare online a poco prezzo, ad esempio qui.

Un sistema di raffreddamento termoelettrico a celle solari può essere costituito da un semplice pannello fotovoltaico e da una o più celle di Peltier o avere anche una batteria di accumulo e un controller. La batteria accumula l’energia in eccesso prodotta durante i periodi di sole. Questa energia immagazzinata viene può essere utilizzata per far funzionare il sistema anche durante le ore notturne. Il controller è un dispositivo elettronico in grado di rilevare e controllare il funzionamento del sistema. Il suo compito principale è proteggere la batteria da una carica o scarica eccessiva.

Un progetto di estrattore d’acqua dall’aria

Il progetto sviluppato da una società olandese utilizza un elemento – o cella – di Peltier economico da 18 watt per creare acqua lentamente: circa mezza tazza ogni sei ore. Anche se questo potrebbe non sembrare molto, il loro modello ha altre caratteristiche interessanti, come la mancanza di parti mobili (quali una ventola che può guastarsi) e non ha bisogno di una batteria o di un inverter per funzionare. La sua durata dipende solo dal pannello fotovoltaico economico da 30 a 50 watt.

Il sistema stand-alone sviluppato da una società olandese per estrarre acqua dall’aria.

Dato che un pannello fotovoltaico dura almeno 20 anni, potrebbero passare anni prima che qualcosa debba essere sostituito. Un convertitore “buck” o step-down è incorporato per regolare la tensione di Peltier in un intervallo sicuro di 12 volt. Il loro apparecchio è più efficace nell’aria calda e funziona grazie a un elemento Peltier da circa 3 euro, un’apparecchiatura elettronica acquistabile online (ad esempio qui) in grado di raffreddare termoelettricamente, come illustrato nel ns. articolo che trovi qui.

Quando viene attraversata da una corrente elettrica, un lato della cella di Peltier si surriscalda, mentre l’altro diventa freddo. Questa differenza di temperatura – che raggiunge un massimo di 67 gradi Celsius (152,5 Fahrenheit) – farà condensare l’umidità nell’aria. Questa condensa, nell’apparecchio sviluppato dalla società olandese, si forma sulla superficie esterna di un cono di alluminio collegato al lato più freddo dell’elemento, generando così gocce d’acqua che possono essere raccolte. Il sistema appena illustrato non è ottimizzato, nel seguito vedremo perciò come si progetta un sistema ottimizzato.

L’apparecchio sviluppato dalla società olandese per produrre acqua dall’umidità dell’aria sfrutta un enorme dissipatore per raffreddare la cella di Peltier.

Progettazione del sistema: i parametri in gioco

Una coppia di celle di Peltier possono essere combinate in un modulo, collegate elettricamente in serie e termicamente in parallelo per ottenere un risultato promettente. Ma un dispositivo del genere ha un rendimento meno vantaggioso rispetto al rapporto di potenza. Esistono moduli disponibili sul mercato che variano per dimensioni, forme, tensioni-correnti di funzionamento e gamme di capacità di pompaggio del calore. La tendenza attuale è verso un numero maggiore di coppie che operano a correnti più basse; ma prima di scegliere un dispositivo efficiente, è necessario determinare alcuni parametri.

I parametri da determinare sono i seguenti:

  • TC: Temperatura sulla superficie fredda.
  • TH: temperatura sulla superficie calda. Questo TH incorpora due parametri principali:

1) L’efficienza del dispositivo, cioè tra la superficie calda della cella di Peltier e l’ambiente circostante.

2) La temperatura dell’ambiente in cui viene scartato il calore.

  • QC: il calore da assorbire sulla superficie fredda.

Dettaglio della cella di Peltier al centro dell’apparecchio sviluppato dalla società olandese.

L’oggetto da raffreddare, naturalmente, è intimamente e fisicamente connesso con la superficie fredda della cella di Peltier, quindi la temperatura di tale oggetto inizia a scendere fino a raggiungere la stessa temperatura della superficie fredda della cella in questione.

Ora, ΔT – ovvero la differenza di temperatura fra i due lati della cella di Peltier – può essere definito come: ΔT = TH – TC. Questo valore dovrebbe essere accuratamente determinato se il progetto deve funzionare come desiderato. Per l’ottimizzazione dell’efficienza di una cella di Peltier, si veda anche il nostro articolo Come posso usare le celle di Peltier, che puoi trovare qui.

Ottimizzazione del sistema: le equazioni

Uno degli obiettivi del progetto è quello di ottenere la temperatura del punto di rugiada e il controllo della temperatura per utilizzare l’energia esatta per condensare l’acqua. Allo scopo deve essere eseguito un controllo preciso della temperatura del lato freddo.

L’equazione da utilizzare è la seguente:

dove Tdp (ºC) è la temperatura del punto di rugiada, Hr (%) è l’umidità relativa e Ta (ºC) è la temperatura dell’umidità dell’aria ambiente che deve essere condensata, ovvero l’aria nella camera fredda.

La capacità di raffreddamento del nostri dispositivo è proporzionale al numero di celle di Peltier in esso contenute. La quantità di calore che può essere assorbita è proporzionale alla corrente e al tempo.

W = P x I x t

Qui P è il coefficiente di Peltier, I la corrente e t è il tempo. Queste due espressioni matematiche saranno sufficienti per portare sviluppare questo progetto prototipo.

Secondo la precedente elaborazione, l’obiettivo è calcolare la temperatura del punto di rugiada Tdp dalle informazioni raccolte sull’ambiente in cui il dispositivo verrà fatto funzionare, ovvero le informazioni relative a Hr e Ta. Una volta ottenuta la temperatura del punto di rugiada, è possibile ottenere dalla tabella dei dati del dispositivo anche il coefficiente di peltier P e la corrente nominale del dispositivo.

Pertanto, il tempo stimato per la generazione di goccioline d’acqua dall’aria umida viene calcolato facilmente. Non appena il dispositivo viene alimentato, il lato caldo inizia a diventare più caldo e il lato freddo più freddo, raggiungendo così la temperatura del punto di rugiada. Il lato freddo del dispositivo termoelettrico inizia a raffreddare l’aria che passa attraverso l’area del suo dissipatore di calore ed i vapori d’acqua iniziano a condensarsi proprio come la condensa dell’acqua.

Implementazione pratica del sistema

In una possibile implementazione del sistema, il pannello fotovoltaico con uscita di 12 V e con la massima potenza di uscita di 120 W è evidentemente in grado di fornire energia sufficiente per continuare a far funzionare due refrigeratori Peltier da 40 W (3,5 A) collegati in parallelo. La differenza di temperatura massima, cioè ΔT, è di 87 °C. Per la circolazione dell’aria viene utilizzata una ventola da 3000 rpm, delle dimensioni di 15 x 15 cm in grado di produrre un flusso d’aria di 2,54 metri cubi al secondo al massimo sul lato caldo. I dissipatori di calore sono realizzati in alluminio e sono anodizzati.

Schema del sistema più avanzato per estrarre umidità dall’aria.

La capacità dell’aria di trattenere il vapore acqueo varia in base alla temperatura dell’aria e all’umidità. Più calda è l’aria, più vapore acqueo può trattenere. L’aria umida viene prima pompata in un tubo, dopodiché il lato freddo dell’elemento Peltier aiuta a ridurre la temperatura dell’aria. Quindi, via via l’aria si raffredda, la sua capacità di trattenere l’acqua diminuisce e l’umidità dell’acqua inizia a condensarsi. L’aria della ventola viene fatta passare attraverso il lato più caldo delle celle per raffreddarlo.

Ciò è necessario per mantenere il funzionamento del dispositivo Peltier; in caso contrario, la temperatura aumenterà sul lato caldo al punto da danneggiare il dispositivo. Questa aria calda può essere inviata al lato più freddo per aumentare la generazione di acqua, come descritto in precedenza e come mostrato nel diagramma. L’acqua condensata cade in un serbatoio, quindi passa attraverso un filtro (opzionale) per purificarla e renderla adatta a essere impiegata come acqua potabile. Inoltre, opportuni scrubber possono essere utilizzati per una migliore filtrazione dell’aria, in modo da rimuoverne tutti gli ossidi.

Durante il test di un assieme di questo tipo, è importante monitorare la temperatura e l’umidità relativa. Per costruire un’unità di controllo a circuito chiuso è necessario misurare la temperatura e l’umidità dell’aria di ingresso e uscita di raffreddamento e le portate con opportuni sensori. Ciò per controllare il sistema e mantenere la temperatura dell’aria in circolazione al di sopra del punto di congelamento dell’acqua. Il sistema rileva la temperatura di due lati del dispositivo termoelettrico usando due sensori di temperatura e un algoritmo per controllare la velocità della ventola e la sicurezza dell’impianto.

Illustrazione del “concept” di questo sistema avanzato illustrato nel testo.

Si stima che questo sistema possa produrre, in una regione altamente umida, quasi 1 litro di acqua condensata all’ora durante la luce del giorno, quando funziona nelle sue condizioni di lavoro ottimali. Quindi, questo generatore di acqua atmosferica è un dispositivo che può essere implementato per situazioni estreme, da utilizzare durante le inondazioni, nelle aree desertiche e nelle aree rurali. Ha grandi vantaggi in quanto funziona come una fonte rinnovabile di acqua.