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PTC-WATDIS. Design of a Parabolic Trough solar Concentrator for drinking WATer DISinfection in resource-limited Countries

Luogo : cameroon, Africa
Sustainable development of small rural communities Sustainable development of small rural communities
Budget totale: € 0,00 | Periodo: Da settembre 2010 A gennaio 2013

Sintesi

L’obiettivo della “buona pratica” proposta è di migliorare l’accesso all’acqua in una comunità di studenti, situata nel villaggio di Baboné, in un’area rurale del Cameroun. L’esperienza è stata condotta in un Istituto scolastico tecnico superiore frequentato da 600 studenti e 40 insegnanti, mediante la messa a punto di una tecnologia innovativa per eliminare la carica microbica dell’acqua prima del suo consumo. La tecnologia consiste in un concentratore solare parabolico che sfrutta l’energia del sole per disinfettare l’acqua mediante un processo di pastorizzazione, permettendo così una sicurezza alimentare in termini di consumo di acqua sicura. I principali risultati ottenuti da questa esperienza sono stati la determinazione delle condizioni di funzionamento del concentratore solare in una piccola comunità rurale africana e la garanzia del consumo di acqua sicura dal punto di vista sanitario. 

Partnership

Research laboratory on Appropriate Technologies for Environmental Management in resource limited Countries - Italia

Candidato guida

Il CeTAmb LAB è un laboratorio di ricerca sulle tecnologie appropriate per una corretta gestione dell’ambiente nei Paesi a risorse limitate, afferente al Dipartimento di Ingegneria Civile, Architettura, Territorio, Ambiente e di Matematica dell’Università degli Studi di Brescia. Il CeTAmb LAB collabora con Centri di ricerca, ONG, Università e altre Organizzazioni a livello nazionale e internazionale per l’ideazione, lo sviluppo, l’implementazione e il monitoraggio di tecnologie e metodologie da applicare nei Paesi del Sud del mondo. In particolare si occupa di tecnologie e metodologie per il miglioramento della qualità dell’acqua destinata al consumo umano, per la corretta gestione e smaltimento delle acque reflue e dei rifiuti solidi. Parte delle attività del CeTAmb LAB si focalizzano sull’accesso all’energia e, in particolare, sullo sviluppo di stufe migliorate che portino a una riduzione del consumo di energia e a un miglioramento della salute di donne e bambini.

Dschang University - Camerun

Partner dell'iniziativa

Situata in una delle regioni agricole più produttive del Cameroun, l'Università di Dschang vuole affermare la propria vocazione agricola. La sua missione specifica, oltre a quelle di insegnamento, di ricerca e di sostegno allo sviluppo, è di contribuire alla crescita e alla promozione di un’agricoltura camerunense (e più in generale africana) efficiente e dinamica, in grado di sostenere un processo di sviluppo economico e sociale sostenibile.

Radice Giovanni e nipoti snc - Italia

Partner dell'iniziativa

La ditta Radice si occupa principalmente di fornitura di proposte d’arredo per ufficio e aziende, nonché di lavorazione del legno, vetro, ottone, acciaio, alluminio, pelle, cuoio. La produzione Radice si rivolge ad aziende, studi di architettura e progettazione, privati, clienti istituzionali, esercizi commerciali.

Istituto Statale di Istruzione Superiore “Galileo Galilei” - Italia

Partner dell'iniziativa

L’Istituto “Galilei” è un Istituto d’Istruzione superiore al cui interno sono previsti numerosi settori e indirizzi di studio. Per il settore tecnico: indirizzo costruzioni ambiente territorio, informatica e meccatronica. Per quanto riguarda i licei sono presenti i seguenti indirizzi: scientifico, classico, linguistico, delle scienze applicate e delle scienze umane.

Istituto d'Istruzione Superiore Statale “Camillo Golgi” - Italia

Partner dell'iniziativa

L’Istituto “Golgi” è un Istituto tecnico e professionale al cui interno sono previsti numerosi indirizzi di studio. Per il settore chimico-biologico: indirizzo biotecnologie sanitarie e biotecnologie ambientali; per il settore grafico: indirizzo grafica e comunicazione; per il settore turistico: indirizzo commerciale turistico. Il settore chimico-biologico è specializzato nell’esecuzione di test chimico-fisici e microbiologici condotti su diverse matrici ambientali: aria, acqua e suolo.

Alliance for Development of Africa - Italia

Partner dell'iniziativa

ADA ONLUS è un’associazione laica bresciana che lavora in alleanza con le istituzioni per lo sviluppo dell’Africa. In particolar modo, attraverso interventi orientati allo sviluppo sostenibile, alla lotta alla povertà, al settore energetico, capaci di avviare una microeconomia che sviluppi l’artigianato locale e una formazione mirata sui tecnici locali e sui volontari che opereranno nei Paesi in via di sviluppo. ADA Onlus intraprende varie attività in campo agricolo e dell’allevamento con l’obiettivo primario di migliorare le condizioni alimentari delle famiglie, arricchendo in quantità e qualità la dieta della popolazione. ADA Onlus promuove corsi di vario genere: dal pronto soccorso alle tecniche di relazione e comunicazione, dallo studio dei prodotti (una rivisitazione del ciclo di vita) a elementi di marketing, concentrando le proprie azioni sulla focalizzazione e messa a punto di strumenti tecnologici idonei a risolvere problemi concreti delle popolazioni del Camerun.

La realizzazione di un concentratore solare, in grado di sfruttare la radiazione solare naturale senza ricorrere a reagenti di natura chimica, rappresenta una “buona pratica” per la disinfezione dell’acqua destinata al consumo umano. La semplicità di gestione, la scarsa manutenzione necessaria, l’economicità del sistema e l’ottima capacità disinfettante permettono di garantire una buona efficacia e sostenibilità nel tempo. La possibilità di consumare acqua sicura dal punto di vista batterico, inoltre, permette di minimizzare i rischi di contrarre patologie gastrointestinali (diarrea, dissenteria, etc.), garantendo la sicurezza alimentare. Questo si caratterizza come un risultato importante per le comunità scolastiche, come quella oggetto della presente esperienza, ma facilmente replicabile in altre piccole comunità rurali.

Le tradizionali tecniche di disinfezione dell’acqua prevedono l’utilizzo di reagenti chimici che, tipicamente, in piccole comunità rurali, determinano problemi di reperibilità, costi e possibili alterazioni della qualità dell’acqua. Questi limiti vengono superati con l’utilizzo di un concentrare solare parabolico che sfrutta semplicemente l’energia solare. La “buona pratica” proposta, a differenza dei concentratori solari già diffusi a livello internazionale, permette di produrre un flusso in continuo di acqua sicura, in grado di soddisfare le esigenze di piccole comunità. Il concentratore solare realizzato nell’Istituto scolastico di Baboné è costruito con materiali locali a basso costo e prevede l’utilizzo di una valvola termostatica a cera in grado di far defluire in continuo un flusso d’acqua che abbia raggiunto una temperatura minima di 87°C (garantendo così l’eliminazione dell’intera carica batterica fecale, ovvero il consumo di acqua sicura). 

Assemblaggio della struttura di supporto del concentratore solare La prima fase di costruzione del concentratore solare è caratterizzata dall'assemblaggio dei sistemi di supporto.
Concentratore solare parabolico in funzione L'immagine riporta il concentratore solare parabolico completo di ogni sua parte, al termine dell'installazione.
Installazione dei pannelli sui sistemi di supporto del concentratore Dopo aver terminato l'assemblaggio dei sistemi di supporto del concentratore, si procede all'installazione dei pannelli riflettenti.
Installazione del tubo per il passaggio dell'acqua Il tubo che consente il passaggio, e quindi il trattamento dell'acqua, viene installato nel punto focale del concentratore solare, in modo da massimizzare l'irradiazione solare.
Particolare della valvola termostatica L'immagine riporta il particolare della valvola termostatica a cera installata sul concentratore solare che garantisce il deflusso di acqua in uscita dal sistema solo dopo che abbia raggiunto la temperatura ottimale (87°C) di inattivazione della carica batterica fecale.

Il progetto si è sviluppato in Cameroun, presso l’Istituto tecnico del villaggio rurale di Baboné, nella regione occidentale del Cameroun, a 1.270 metri sopra il livello del mare. La scuola serve l’intero villaggio di Baboné e parte della periferia della città di Bafang, ed è frequentata da circa 600 studenti (il 66% ragazzi e il 34% ragazze) e 40 insegnanti. Baboné è caratterizzato da un clima tropicale e da temperature uniformemente alte durante tutto l'anno, con abbondanti precipitazioni concentrate nella stagione piovosa. L’economia è basata principalmente su piccole attività commerciali, artigianato e agricoltura. La religione prevalente è quella musulmana. A livello amministrativo, Baboné è governato da un Sindaco e da un consiglio formato dai rappresentanti “saggi” del villaggio. Le fonti di approvvigionamento idrico presenti nel villaggio sono pozzi protetti e non protetti, che nella maggior parte dei casi forniscono acqua non sicura dal punto di vista microbiologico.

Pozzo con pompa a mano vicino all'Istituto scolastico di Baboné L'immagine riporta il pozzo con pompa a mano, distante circa 20 minuti di cammino dall'Istituto scolastico di Baboné, utilizzato dagli studenti per l'approvvigionamento d'acqua prima della realizzazione del sistema di captazione, distribuzione e trattamento.

La realizzazione della “buona pratica” ha portato a diversi risultati tangibili:
• Il concentratore solare come tecnica di disinfezione dell’acqua permette una sicurezza alimentare, in termini di consumo di acqua sicura. La presenza di due serbatoi di stoccaggio, chiusi e dotati di rubinetto, a valle del concentratore permettono inoltre di evitare una ricontaminazione dell’acqua dall’esterno, come invece avverrebbe nel caso di utilizzo di recipienti posti nelle singole classi.
• Il trasporto tramite condotta, realizzato dal punto di captazione al concentratore solare, permette una minimizzazione delle possibili ricontaminazioni dell’acqua dovute alle scarse condizioni igieniche delle taniche precedentemente usate per il trasporto.
• Un risparmio di tempo (e fatica) da parte degli studenti dell’Istituto che non devono più percorrere a piedi circa 20 minuti di cammino per raggiungere la fonte d’acqua più vicina (pozzo) per approvvigionare le proprie classi di acqua ad uso idropotabile. 

../file-system/small/pdf ../file-system/small/pdf Andamento della temperatura e della portata d'acqua Il grafico mostra l’andamento della temperatura dell’acqua all’interno del concentratore (Tin: in ingresso; Tmezz: nella mezzeria; Tterm: alla valvola termostatica) e l’andamento della portata in uscita dal trattamento, durante una prova di monitoraggio a Baboné. In tratteggio si riportata il valore di 87°C, al quale avviene l’apertura della valvola e quindi il deflusso di acqua. Si nota come la portata in uscita coincida con valori di temperatura alla termovalvola superiori al valore fissato.
../file-system/small/pdf ../file-system/small/pdf Concentrazione di E. coli pre e post trattamento Il grafico mostra l’efficacia del concentratore solare in termini di eliminazione della carica microbica fecale (nel caso particolare di Escherichia coli) e dei serbatoi di stoccaggio dell’acqua trattata che non presentano alcun tipo di ricontaminazione dopo un periodo di stoccaggio di 24 ore.

I principali beneficiari del progetto sono stati i 600 allievi e i 40 insegnanti dell’Istituto tecnico di Baboné. È stato inoltre costituito un Comitato di gestione del concentratore, formato da alcuni insegnanti e dal Preside dell’Istituto tecnico. Questo team di gestori ha partecipato alle fasi di messa in esercizio e monitoraggio dell’impianto, apprendendo così le diverse operazioni richieste per il corretto funzionamento. Un gruppo di studenti ha inoltre partecipato alla costruzione vera e propria del concentratore solare, apprendendo le metodologie realizzative. Questi studenti sono quindi dotati delle conoscenze necessarie per la replicabilità della tecnologia in loco. L’implementazione del concentratore ha risposto alla necessità di fornire acqua sicura all’Istituto scolastico e ha contribuito alla formazione di figure professionali potenzialmente in grado di costruire altri concentratori solari presso altre scuole o villaggi limitrofi.

Controllo della qualità dell'acqua L'immagine riporta un momento di verifica di qualità dell'acqua da parte del Comitato di gestione del concentratore, alla presenza di alcuni studenti dell'Istituto scolastico.
Monitoraggio del concentratore solare L'immagine riporta una fase di monitoraggio del concentratore solare da parte del Comitato di gestione locale, supportato dai tecnici italiani.
Studenti durante la costruzione del concentratore L'immagine riporta uno dei momenti di lavoro da parte degli studenti dell'Istituto scolastico di Baboné, impegnati a realizzare la platea di cemento a supporto del concentratore solare.
Studenti durante la costruzione del concentratore L'immagine riporta uno dei momenti di costruzione del recinto a protezione del concentratore solare, atto a evitare l'avvicinamento di animali o persone che possano danneggiare o manomettere il sistema.
Studenti durante la costruzione del concentratore L'immagine riporta uno dei momenti di assemblaggio della struttura del concentratore ad opera degli studenti dell'Istituto scolastico
Studenti durante la costruzione del concentratore L'immagine riporta il fissaggio dei fogli riflettenti atti a "catturare" i raggi solari e a reindirizzarli verso il tubo di passaggio dell'acqua.

L’esperienza sul campo è stata rappresentata dal dott. Ascagno Marconi, Presidente di ADA Onlus, promotore dell’iniziativa, dall’ing. Riccardo Bigoni, dottorando di ricerca presso il CeTAmb LAB, e dagli ingg. Matteo Bonaventura e Riccardo Salvi, tesisti presso il CeTAmb LAB dell’Università di Brescia. Il dott. Marconi, con il supporto dell’ing. Bigoni, ha istituito i contatti con il Preside dell’Istituto tecnico, il Sindaco di Baboné e l’Università di Dschang, in modo da verificare la disponibilità e la fattibilità nella realizzazione del concentratore solare. L’ing. Riccardo Bigoni (con la supervisione degli ingg. Sabrina Sorlini e Mariagrazia Pilotelli) ha progettato, costruito, avviato e monitorato il sistema di captazione, distribuzione e trattamento, supportato dal Comitato di gestione e da alcuni studenti dell’Istituto tecnico. Infine, gli ingg. Bonaventura e Salvi hanno effettuato ulteriori monitoraggi del concentratore, per verificarne l’efficace funzionamento.

../file-system/small/pdf ../file-system/small/pdf I ruoli dei partner nell'esperienza Il grafico riporta i ruoli e le collaborazioni che i diversi partner hanno avuto nell'implementazione del concentratore solare presso l'Istituto scolastico di Baboné.

I principali ostacoli fronteggiati sono:
• Il concentratore solare ha evidenziato la necessità di avere un’energia solare minima di 700 W/m2 per garantire un corretto funzionamento. Quando questo non avviene, ad es. in assenza di sole, è possibile attivare un sistema di disinfezione chimica con cloro (già installato e testato), che garantisce la sicurezza del consumo di acqua potabile.
• Le problematiche tecnico-gestionali sono state risolte realizzando diversi prototipi di concentratore atti a: garantire un flusso in continuo (termovalvola), garantire la sicurezza alimentare / acqua sicura (termovalvola), ruotare agilmente il concentratore per massimizzare la radiazione solare incidente nel corso della giornata.
• La possibile ricrescita batterica nei serbatoi di stoccaggio finale dell’acqua, dopo il trattamento tramite concentratore, è stata studiata attraverso un’indagine specialistica (flow-cytometric analysis), che ha evidenziato una probabilità minima di riattivazione batterica.

La rotazione manuale del concentratore solare L'immagine riporta una delle fasi di supporto dei tecnici italiani al Comitato di gestione locale, a causa delle difficoltà nella rotazione manuale del concentratore solare.

L’installazione del sistema di captazione, distribuzione e trattamento dell’acqua non comporta alcun impatto ambientale:
• Non vengono usati reattivi chimici: ovvero non ci sono costi aggiuntivi e non si altera la qualità dell’acqua.
• Non vi è consumo di energia per la disinfezione (ad es. la disinfezione tradizionale in un potabilizzatore porta a consumare 0,01-0,05 kWh per m3 d’acqua trattata). Il concentratore infatti utilizza solo l’energia solare, che è una fonte perenne e libera, senza ricorrere a nessun’altra fonte energetica. La “buona pratica”, quindi, contribuisce anche alla lotta alla desertificazione.
• Non si genera alcuna tipologia di residuo che necessiti di un ulteriore trattamento o che debba essere in qualche modo smaltito, come invece potrebbe determinare un filtro adsorbente.
• Non sono utilizzati per la costruzione materiali pregiati, costosi o non reperibili in loco, che porterebbero con ogni probabilità a un impatto ambientale durante la loro produzione.

A quasi due anni dal termine del progetto, il sistema di captazione, distribuzione e trattamento dell’acqua è ancora in utilizzo e funzionante; le missioni in loco del Presidente di ADA Onlus hanno potuto constatare la sostenibilità dell’azione. Il Comitato di gestione si occupa regolarmente della gestione e della manutenzione del concentratore solare. Seppur alcuni insegnanti (e il Preside) abbiano cambiato Istituto, il Comitato di gestione è ancora attivo; i nuovi membri sono stati formati dagli insegnanti facenti parte del Comitato originario. È inoltre importante sottolineare come circa altri 30 Istituti tecnici del distretto abbiano manifestato il loro interesse ad avere un sistema come quello installato presso la scuola di Baboné, indice dell’efficacia dell’azione che ha portato a palesi benefici e miglioramenti delle condizioni di studio/lavoro degli studenti/insegnanti. 

L’esperienza ha portato a numerose iniziative di promozione. La prima è stata la cerimonia di inaugurazione del sistema di captazione, distribuzione e trattamento dell’acqua presso la scuola di Baboné, con la presenza delle Istituzioni locali e di una rete televisiva nazionale camerunense. Le numerose sperimentazioni fatte in Italia e in loco prima dell’installazione del concentratore solare presso la scuola di Baboné hanno portato alla stesura di 3 tesi di Laurea e 1 tesi di Dottorato presso la Facoltà di Ingegneria dell’Università di Brescia, nonché a pubblicazioni su riviste internazionali e alla partecipazione a Convegni. Illustrazioni e approfondimenti sull’esperienza sono inoltre consultabili presso il sito web di ADA Onlus. La “buona pratica” ha infine permesso di creare un network tra alcuni partner (CeTAmb LAB – IISS Golgi - ITI-ITG Galilei) a livello scientifico e di ricerca. L'ing. Luca Rondi ha curato alcune iniziative di disseminazione e la presente Best Practice.

Cerimonia di inaugurazione del concentratore solare Il video mostra il servizio giornalistico realizzato da una TV camerunense in occasione della cerimonia di inaugurazione del concentratore solare presso l'Istituto scolastico di Baboné.
../file-system/small/pdf ../file-system/small/pdf Articolo scientifico pubblicato su una rivista internazionale di settore Il documento riporta l'articolo scientifico pubblicato sulla rivista internazionale "Journal of Cleaner Production", che illustra lo studio sperimentale che ha permesso di dimostrare la scarsa possibilità di riattivazione batterica dopo il trattamento con il concentratore solare.
../file-system/small/pdf ../file-system/small/pdf Articolo scientifico redatto per una conferenza internazionale a Losanna Il documento riporta l'articolo scientifico pubblicato sugli atti del Convegno internazionale Tech4Dev tenutosi nel 2012 a Losanna, in cui sono stati presentati i risultati sperimentali ottenuti dal monitoraggio della "buona pratica".
../file-system/small/pdf ../file-system/small/pdf Articolo scientifico sullo sviluppo del concentratore solare Nel documento è presente un articolo sulla sperimentazione effettuata da un tesista del CeTAmb LAB dell'Università di Brescia sullo sviluppo del concentratore solare parabolico.
../file-system/small/pdf ../file-system/small/pdf Indirizzo web di ADA Onlus Il documento riporta l'indirizzo web di ADA Onlus, Ente promotore e finanziatore della "buona pratica".