Desalinizzazione solare: nuove tecnologie contro la scarsità d’acqua

La scarsità d’acqua riguarda una parte consistente della popolazione mondiale. Secondo il Programma delle Nazioni Unite per l’ambiente, circa metà della popolazione affronta gravi carenze idriche per almeno una parte dell’anno. Le stime dipendono dalla definizione e dal periodo considerati.

Una previsione della FAO citata nel dibattito sulla scarsità idrica indicava che entro il 2025 circa 1,8 miliardi di persone avrebbero potuto vivere in aree con scarsità assoluta d’acqua. Era una proiezione, non una misurazione dei risultati del 2025.

Per affrontare il problema servono gestione delle risorse, infrastrutture e tecnologie adeguate alle condizioni locali.

La desalinizzazione può contribuire nelle zone costiere trasformando l’acqua di mare in acqua dolce. L’energia solare offre una possibile fonte energetica, da valutare insieme a costi, disponibilità e gestione degli scarti.

Un dispositivo solare per produrre acqua dolce

Gli impianti a osmosi inversa separano l’acqua dai sali mediante membrane e richiedono energia per il pompaggio. Incrostazioni e contaminazione delle membrane rendono necessari controlli e manutenzione, ma gli impianti commerciali sono progettati per operare in modo continuativo.

Un gruppo dell’Università di Waterloo ha sviluppato un evaporatore ispirato al ciclo naturale dell’acqua e al trasporto dell’acqua nelle piante.

Michael Tam, professore di ingegneria chimica a Waterloo, ha spiegato:

«La nostra ispirazione nasce dall’osservazione di come la natura si sostiene e di come l’acqua evapora e condensa nell’ambiente».

Il dispositivo mira a limitare l’accumulo di sale con un meccanismo di trasporto dell’acqua che si adatta alla temperatura.

La struttura regola l’alimentazione di sottili strati d’acqua e favorisce il lavaggio del sale quando cambiano le condizioni termiche. L’acqua evaporata viene poi raccolta mediante condensazione.

Nelle condizioni sperimentali, il campione ottimizzato ha raggiunto un’efficienza di conversione solare-vapore del 93,9%. È un parametro dell’evaporatore, distinto dall’efficienza complessiva di un impianto di desalinizzazione.

Lo studio ha riportato circa 18–22 litri di acqua purificata per metro quadrato al giorno. Il confronto divulgativo con sistemi cinque volte meno efficienti riguarda il contesto sperimentale e non tutti gli impianti commerciali.

Circa 20 litri al giorno possono coprire alcuni bisogni essenziali di una persona; non rappresentano la totalità degli usi domestici.

Il supporto è una schiuma di nichel rivestita con polidopamina e particelle di sporopollenina modificate per rispondere alla temperatura. La struttura assorbe la luce e converte l’energia solare in calore.

La regolazione dei canali mantiene un sottile strato d’acqua da riscaldare. Quando il sale si accumula e la temperatura cala, il passaggio di più acqua favorisce la pulizia della superficie.

Nel settembre 2024 il gruppo prevedeva di costruire un prototipo per prove in mare su scala maggiore. Portabilità e funzionamento solare erano caratteristiche promettenti da verificare sul campo.

Commentando i possibili benefici della tecnologia, Yuning Li, professore di ingegneria chimica a Waterloo, ha dichiarato:

«Questo nuovo dispositivo non è soltanto efficiente, ma anche portatile: è quindi adatto a regioni remote dove l’accesso all’acqua dolce è limitato».

Tam ha aggiunto, riferendosi alle prove future:

«Se i test avranno successo, la tecnologia potrà fornire in modo sostenibile acqua dolce alle comunità costiere e contribuire agli obiettivi di sviluppo sostenibile delle Nazioni Unite 3, 6, 10 e 12».

Anche altri gruppi studiano dispositivi compatti per separare sali e contaminanti dall’acqua.

Un esempio è il prototipo portatile presentato dal MIT nel 2022.

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Il prototipo portatile del MIT

Nell’aprile 2022, i ricercatori del MIT hanno presentato un’unità portatile di desalinizzazione di meno di 10 kg, grande quanto una valigia. Poteva essere alimentata anche da un piccolo pannello solare acquistabile per circa 50 dollari: il prezzo si riferiva al pannello, non al prototipo. Il sistema usava processi elettrici per separare sali e particelle, senza filtri sostituibili né pompe ad alta pressione.

Polarizzazione della concentrazione ionica

Il processo di polarizzazione della concentrazione ionica (ICP) applica un campo elettrico a membrane poste ai lati di un canale d’acqua. Le membrane deviano gli ioni e le particelle cariche, comprese particelle biologiche come batteri e virus, verso un flusso di scarico separato. Il sistema riduce così solidi disciolti e sospesi. Una successiva elettrodialisi rimuove ulteriori ioni salini.

I ricercatori hanno utilizzato l’apprendimento automatico per scegliere la configurazione dei moduli.La configurazione comprendeva sei moduli ICP nel primo stadio e tre nel secondo, seguiti da un processo di elettrodialisi.

Per semplificare l’uso da parte di non specialisti, il trattamento poteva essere avviato con un solo pulsante.

Il dispositivo avvisava gli utenti quando salinità e particelle scendevano sotto le soglie impostate. Per rendere la consultazione dei dati più semplice, il gruppo ha sviluppato anche un’app per il controllo senza fili e la visualizzazione di consumo e salinità in tempo reale.

Il progetto è stato finanziato in parte dal DEVCOM Soldier Center, dal laboratorio J-WAFS, dal programma Experimental AI Postdoc Fellowship della Northeastern University e dal Roux AI Institute. Le prove hanno incluso anche test fuori dal laboratorio.

A Carson Beach, a Boston, il prototipo ha prodotto acqua che rispettava le linee guida di qualità dell’OMS. Ha ridotto di almeno dieci volte i solidi sospesi, con una produzione di 0,3 litri l’ora e un consumo di circa 20 Wh per litro. Si tratta di prestazioni di un dispositivo sperimentale di piccola scala.

Jongyoon Han, professore di ingegneria elettrica, informatica e ingegneria biologica e membro del Research Laboratory of Electronics, ha commentato:

«È il culmine di un percorso di dieci anni del mio gruppo. Abbiamo lavorato a lungo sulla fisica dei singoli processi, ma riunire quei progressi in un dispositivo e dimostrarne il funzionamento in mare è stata un’esperienza significativa e gratificante».

Oltre ai gruppi di ricerca, diverse aziende progettano e gestiscono impianti commerciali. Le esigenze di scala e affidabilità sono diverse da quelle dei prototipi portatili. Ecco due esempi.

#1. Consolidated Water Co. Ltd. (NASDAQ: CWCO)

La società offre servizi di progettazione e ingegneria per la costruzione di impianti di desalinizzazione dell’acqua di mare a osmosi inversa. I servizi includono installazione, ampliamento e ammodernamento.

Consolidated Water, quotata al Nasdaq, fornisce servizi di ingegneria, costruzione e gestione anche attraverso DesalCo, riconosciuta dai fornitori come costruttore di apparecchiature originali per gli impianti del gruppo.

Tra i principali processi di desalinizzazione figurano:

(i) Distillazione termica
(ii) Separazione mediante membrane.

Consolidated Water utilizza principalmente l’osmosi inversa per acque salmastre e marine. La pressione spinge l’acqua attraverso una membrana semipermeabile che trattiene gran parte dei sali.

L’impianto Blue Hills di Consolidated Water (CWCO ), a Nassau, nelle Bahamas, è entrato in servizio nel luglio 2006. Dopo un ampliamento, l’impianto ha raggiunto una capacità di 12 milioni di galloni statunitensi al giorno.

Nel 2023, Consolidated Water ha acquisito il restante 39% di PERC Water Corporation, portando la partecipazione al 100%. PERC progetta, costruisce e gestisce infrastrutture idriche negli Stati Uniti sudoccidentali.

Nello stesso anno PERC ha ottenuto un contratto da circa 204 milioni di dollari per progettare, costruire e gestire un impianto di desalinizzazione a Honolulu, nelle Hawaii.

Nelle Isole Cayman, le attività al dettaglio comprendevano tre impianti a osmosi inversa a Grand Cayman, nei siti Abel Castillo Water Works (ACWW) e West Bay.

Nella descrizione del 2023–2024, i due impianti di ACWW avevano una capacità complessiva di 3 milioni di galloni statunitensi al giorno; West Bay aveva una capacità di 1 milione.

Nel 2023, Consolidated Water ha registrato ricavi per 180,2 milioni di dollari, rispetto a 94,1 milioni nel 2022. L’utile netto attribuibile e l’utile per azione delle attività continuative erano rispettivamente 30,7 milioni e 1,93 dollari. Nel novembre 2023 il prezzo dell’azione ha raggiunto 38,29 dollari.

#2. Veolia 

Veolia considera la desalinizzazione uno degli strumenti per affrontare la scarsità idrica. La società dichiara esperienza in centinaia di impianti per usi municipali e industriali. Tra i progetti citati figurano Al Dur 2 in Bahrain, Rabigh 3 in Arabia Saudita e Umm Al Quwain negli Emirati Arabi Uniti.

Veolia ha partecipato allo sviluppo e alla gestione dell’impianto di Sur, in Oman, nell’ambito di un accordo avviato nel 2007. Secondo la società, l’impianto serve oltre 600.000 persone. Il gruppo fornisce anche soluzioni per impieghi industriali.

Barrel è un sistema modulare a osmosi inversa progettato per ridurre ingombri e semplificare l’installazione. I sensori integrati supportano il monitoraggio a distanza.

Veolia affianca agli impianti strumenti digitali, assistenza tecnica e servizi operativi.

Il portafoglio comprende manutenzione, apparecchiature mobili a noleggio e programmi chimici come HYDREX, destinati al funzionamento degli impianti e alla gestione dell’acqua.

Veolia è quotata a Parigi e dispone anche dell’ADR statunitense VEOVY sul mercato OTC. Nel primo semestre 2024 ha registrato ricavi per 22,141 miliardi di euro, contro 22,755 miliardi nello stesso periodo del 2023. Il settore acqua contribuiva per circa 8,8 miliardi; gli altri principali settori erano rifiuti ed energia.

Il ruolo crescente della desalinizzazione

Le statistiche di settore citate nel 2024 indicavano una capacità contrattualizzata cumulativa superiore a 100 milioni di m³ al giorno e circa 300 milioni di persone servite. La capacità contrattualizzata non coincide necessariamente con la produzione effettiva. Nei paesi aridi del Golfo la desalinizzazione copre una parte molto importante dell’acqua potabile, mentre l’uso di acque sotterranee varia secondo il paese e l’impiego.

La capacità è distribuita in modo diseguale. Le statistiche citate attribuivano al Medio Oriente e al Nord America, insieme, oltre il 70% della capacità mondiale, con oltre il 53% al Medio Oriente.

Una stima citata per il 2022 riportava oltre 21.000 impianti di desalinizzazione, con circa 99 milioni di m³ al giorno di acqua prodotta. L’insieme comprende impianti che trattano acque marine e salmastre. La salamoia di scarico è più concentrata dell’acqua in ingresso; quantità, salinità e temperatura dipendono dal processo e dal recupero. Le stime globali di scarico superano 150 milioni di m³ al giorno.

La ricerca mira a ridurre consumo energetico e impatti degli scarichi. L’energia rinnovabile può contenere le emissioni, ma non elimina sali e contaminanti: occorre gestire la salamoia mediante diluizione, recupero di materiali o altre tecniche adatte al sito.

Per servire aree interne servono inoltre reti di trasporto, stoccaggio e distribuzione. Distanza, dislivello e costi energetici influiscono sulla fattibilità.

Clicca qui per leggere come l’energia solare può aiutare a fornire acqua pulita nelle regioni aride.