Desalinizzazione Alimentata da Energia Solare – Risolvere la Scarsità d’Acqua per 2,2 Miliardi di Persone

Il problema della scarsità d’acqua è più pressante di quanto possiamo immaginare. Secondo i dati presentati dal Programma delle Nazioni Unite per l’Ambiente, quasi il 50 percento della popolazione del pianeta, che corrisponde a quasi 4 miliardi di persone, affronta carenze idriche per almeno un mese all’anno.

Entro il 2025, si prevede che 1,8 miliardi di persone dovranno affrontare quella che l’Organizzazione delle Nazioni Unite per l’Alimentazione e l’Agricoltura (FAO) definisce “scarsità d’acqua assoluta”.

Affrontare un problema così enorme e pervasivo richiede soluzioni innovative, soluzioni che sfruttino risorse inesplorate o poco esplorate.

Ad esempio, combattere il problema della scarsità d’acqua potrebbe trasformare l’acqua di mare in acqua dolce, una delle soluzioni più efficaci poiché la disponibilità di acqua di mare è abbondante. Sarebbe meglio se il processo potesse essere eseguito utilizzando energia rinnovabile, come l’energia solare.

Dispositivo a Basso Consumo Energetico per Produrre Acqua Potabile dall’Acqua di Mare

Trasformare l’acqua di mare in acqua potabile richiede la desalinazione. Tuttavia, gli attuali sistemi di desalinazione che pompano l’acqua di mare attraverso membrane per separare il sale dall’acqua non solo consumano molta energia, ma soffrono anche dell’accumulo di sale sulla superficie del dispositivo. Di conseguenza, il flusso d’acqua viene ostruito, riducendo l’efficienza. Queste deposizioni di sale rendono queste macchine inadatte a un funzionamento continuo e costose, richiedendo frequenti interventi di manutenzione.

Un team di ricercatori dell’Università di Waterloo ha ora ideato una soluzione ispirata al ciclo dell’acqua della natura, prendendo spunto dal modo in cui gli alberi trasportano l’acqua dalle radici alle foglie.

Secondo il Dr. Michael Tam, professore del Dipartimento di Ingegneria Chimica di Waterloo:

“La nostra ispirazione nasce dall’osservare come la natura si sostiene e dal modo in cui l’acqua evapora e condensa nell’ambiente.”

Poiché il meccanismo si ispira al ciclo naturale dell’acqua, richiede pochissima manutenzione.

Il processo prevede una soluzione ingegnerizzata che induce l’acqua a evaporare, la trasporta alla superficie e la condensa in un ciclo chiuso. Il risultato è una efficace prevenzione dell’accumulo di sale e una maggiore longevità del dispositivo senza compromettere l’efficienza.

Ciò che aggiunge vantaggi al dispositivo è l’uso di energia rinnovabile, rendendo il dispositivo energeticamente efficiente. Funziona con energia solare e può convertire quasi il 93% dell’energia solare in energia.

The efficiency is five times better compared to the current desalination systems available in the market, producing close to twenty liters of fresh water per square meter.

Interessante, è la stessa quantità d’acqua che l’OMS raccomanda per ogni persona al giorno per il bere di base e l’igiene.

Per far sì che il dispositivo utilizzi efficientemente l’energia solare, i ricercatori hanno usato il materiale di base Nichel (Ni). La struttura in schiuma di nichel è stata fornita con un rivestimento di polimero conduttivo e particelle di polline termoresponsive. La composizione ha reso il materiale adatto ad assorbire la luce solare lungo l’intero spettro di radiazione solare.

Per il movimento verso l’alto dell’acqua, è stato riscaldato e trasportato uno strato sottile di acqua salata. È simile al modo in cui l’acqua viaggia attraverso i capillari naturali degli alberi. L’evaporazione dell’acqua porta il sale rimanente a spostarsi verso il fondo del dispositivo.

La semplicità della soluzione la rende pronta per una più ampia adozione. La sua portabilità garantisce che possa essere utilizzata in regioni remote, soprattutto in nazioni costiere e insulari.

Riassumendo i benefici complessivi della soluzione, la prof.ssa Yuning Li, del Dipartimento di Ingegneria Chimica di Waterloo, ha dichiarato:

“Questo nuovo dispositivo non è solo efficiente ma anche portatile, rendendolo ideale per l’uso in regioni remote dove l’accesso ad acqua fresca è limitato.”

Per approfondire ulteriormente i potenziali benefici, il Dr. Michael Tam ha aggiunto:

“Se il test si dimostrerà riuscito, la tecnologia potrà fornire in modo sostenibile acqua fresca alle comunità costiere e avanzare gli Obiettivi di Sviluppo Sostenibile delle Nazioni Unite tre, sei, 10 e 12.”

Mentre la ricerca sopra menzionata ha suscitato grande speranza nella comunità scientifica e tra le persone che lavorano per soluzioni sostenibili di acqua dolce, anche altri ricercatori stanno lavorando su questo tema.

Nel segmento successivo, discuteremo lo sviluppo di un’unità di desalinazione portatile proposta dai ricercatori del MIT nel 2022.

Clicca qui per scoprire come l’era solare sta alimentando un futuro più luminoso per l’umanità.

Unità di Desalinazione Portatile per Generare Acqua Potabile Chiara e Pulita

Ad aprile 2022, i ricercatori del MIT hanno sviluppato un’unità di desalinazione portatile che pesava meno di 10 chilogrammi, circa le dimensioni di una valigia. Poteva funzionare con meno energia di quella necessaria per alimentare un caricabatterie per cellulare. Disponibile per l’acquisto a 50 US$, come il dispositivo discusso nel segmento precedente, anche questo non richiedeva il passaggio dell’acqua attraverso filtri. Invece, utilizzava energia elettrica per rimuovere le particelle dall’acqua potabile.

Tecnica di Polarizzazione di Concentrazione Ionica che Rende l’Unità Senza Filtri

Il processo, risultato di un lavoro decennale dei ricercatori, prevedeva l’applicazione di un campo elettrico a membrane posizionate sopra e sotto un canale d’acqua. Le membrane potevano respingere particelle cariche positivamente o negativamente, comprese molecole di sale, batteri e virus, mentre l’acqua scorreva accanto a esse. Il processo poteva eliminare sia solidi disciolti che sospesi.

I ricercatori, nella progettazione della loro soluzione, hanno fatto uso prudente delle migliori tecniche disponibili, incluso il machine learning. Il machine learning si è dimostrato efficace nel trovare la combinazione ideale di moduli ICP ed elettrodialisi, poiché il processo coinvolgeva in totale sei moduli.

I ricercatori hanno anche tenuto presente che dispositivi come questi, che sarebbero efficaci solo se adottati da molti, devono essere facili e semplici da usare. Pertanto, poteva essere lanciato con un solo pulsante per la desalinazione e purificazione automatiche.

Poteva anche notificare gli utenti quando il livello di salinità e il numero di particelle scendevano al di sotto di una soglia tollerabile specifica. Per rendere la lettura dei dati semplice e intuitiva, i ricercatori hanno offerto un’app per smartphone in grado di controllare l’unità in modalità wireless e di riportare tutti i dati disponibili sul consumo energetico e sulla salinità dell’acqua in tempo reale.

Finanziata, in parte, dal DEVCOM Soldier Center, dall’Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J-WAFS), dal Experimental AI Postdoc Fellowship Program della Northeastern University e dal Roux AI Institute, la ricerca ha fornito risultati soddisfacenti.

I ricercatori hanno portato la soluzione fuori dal laboratorio e l’hanno testata sulla Carson Beach di Boston. L’acqua risultante ha superato le linee guida di qualità dell’Organizzazione Mondiale della Sanità riducendo il numero di solidi sospesi di almeno un fattore 10, mentre il prototipo ha generato acqua potabile a una velocità di 0,3 litri all’ora, richiedendo solo 20 wattora per litro.

Approfondendo la natura rivoluzionaria dell’esperimento, il co‑autore senior Jongyoon Han, professore di ingegneria elettrica e informatica e di ingegneria biologica e membro del Research Laboratory of Electronics (RLE), ha dichiarato:

“Questo è davvero il culmine di un percorso di 10 anni che io e il mio gruppo abbiamo intrapreso. Abbiamo lavorato per anni sulla fisica dei singoli processi di desalinazione, ma portare tutti questi progressi in una scatola, costruire un sistema e dimostrarlo in mare, è stata un’esperienza davvero significativa e gratificante per me.”

Mentre i ricercatori universitari sono fortemente impegnati in questa nobile impresa, ci sono diverse aziende che hanno assunto il compito di desalinare l’acqua. Il loro contributo è altrettanto cruciale poiché l’adozione su larga scala richiede soluzioni scalate che funzionino a livello commerciale. Nei segmenti seguenti, esamineremo un paio di queste aziende.

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

L’azienda offre servizi di ingegneria per consentire ai clienti la progettazione‑costruzione completa di sistemi di desalinazione a osmosi inversa di acqua di mare. L’azienda si occupa dell’intero ciclo di servizio che comprende installazione, espansione o retrofit.

L’azienda, quotata e negoziata su Nasdaq, gestisce i servizi di gestione, ingegneria e costruzione per la desalinazione tramite DesalCo, riconosciuta dai fornitori come Original Equipment Manufacturer (OEM) di impianti di desalinazione a osmosi inversa di acqua di mare per la società.

Dal punto di vista tecnologico, l’azienda riconosce due metodi principali per la desalinazione:

(i) Distillazione termica
(ii) Separazione a membrana.

L’azienda preferisce quest’ultima a causa dei minori costi energetici. L’azienda utilizza la separazione a membrana di osmosi inversa per la desalinazione di acque salmastre e marine. È un processo di separazione fluida in cui l’acqua salata viene pressurizzata e l’acqua dolce viene separata dall’acqua salata passando attraverso una membrana semipermeabile che respinge i sali.

L’impianto di osmosi inversa di acqua di mare di Consolidated Water (CWCO ) ha sede a Nassau, New Providence, Commonwealth delle Bahamas. Commissionato nel luglio 2006, l’impianto ha una capacità operativa per gestire 12 milioni di galloni statunitensi d’acqua al giorno.

Nel 2023, l’azienda ha completato l’acquisizione della restante quota del 39% di proprietà di PERC Water Corporation (“PERC”) per diventare il proprietario al 100% di questa controllata, che progetta, costruisce, gestisce e amministra impianti di infrastrutture idriche nel sud‑ovest degli Stati Uniti.

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

Le operazioni al dettaglio dell’azienda nelle Isole Cayman producono acqua potabile in tre impianti di osmosi inversa di acqua di mare a Grand Cayman, situati nei siti Abel Castillo Water Works (“ACWW”) e West Bay.

La capacità di produzione aggregata attuale dei due impianti situati ad ACWW è di 3,0 milioni di galloni d’acqua al giorno. La capacità di produzione dell’impianto West Bay è di 1.000.000 di galloni d’acqua al giorno.

Nel 2023, l’azienda ha registrato un fatturato di 180,2 milioni di dollari USA, un salto significativo rispetto ai 94,1 milioni di dollari USA del 2022. Nel 2023 l’azienda ha registrato un utile netto record e un utile per azione da operazioni continuative di 30,7 milioni di dollari e 1,93 dollari, rispettivamente. Il prezzo dell’azione ordinaria dell’azienda ha raggiunto un massimo storico di 38,29 dollari USA a novembre 2023.

#2. Veolia 

L’azienda vede la desalinazione come una soluzione chiave per combattere la scarsità d’acqua. Afferma di aver costruito centinaia di impianti e sistemi di desalinazione in tutto il mondo, producendo acqua dolce sia per esigenze municipali che industriali. I progetti più recenti includono l’impianto Al Dur 2 in Bahrain, l’impianto Rabigh 3 in Arabia Saudita e l’impianto Umm Al Quwain IWP negli Emirati Arabi Uniti.

Dal 2007, l’azienda è responsabile della costruzione e gestione dell’impianto di osmosi inversa di acqua di mare di Sur, insieme alla Oman Power and Water Procurement Company (OPWP). L’impianto fornisce acqua potabile a più di 600.000 persone. Veolia costruisce anche impianti di desalinazione per esigenze industriali.

La tecnologia proprietaria Barrel di Veolia è un sistema di desalinazione RO sicuro, compatto e digitale il cui approccio plug‑and‑play consente di garantire una programmazione rapida, mentre i sensori digitali integrati assicurano un monitoraggio remoto efficiente.

Veolia, oltre alle sue soluzioni dirette di desalinazione, aiuta i clienti con una combinazione di strumenti digitali e competenze che rendono i processi più intelligenti, sicuri e sostenibili.

Il suo portafoglio di servizi di base installata offre servizi di trattamento dell’acqua personalizzati in base alle esigenze specifiche del cliente. I servizi di acqua mobile di Veolia includono asset in affitto che supportano e assistono le operazioni del sito del cliente per esigenze temporanee e a lungo termine di trattamento dell’acqua. Infine, nella sua divisione di programmi chimici per il trattamento dell’acqua, l’azienda offre soluzioni chimiche per l’igiene dell’acqua e HYDREX che migliorano le prestazioni delle attrezzature di utilità e di trattamento dell’acqua.

Le azioni di Veolia (OTC: VEOVY) sono negoziate sul mercato over‑the‑counter (OTC). Nella prima metà del 2024, l’azienda ha registrato un fatturato di 22,141 miliardi di euro, un leggero calo rispetto al fatturato della prima metà del 2023 di 22,755 miliardi di euro. Di questi 22,141 miliardi, quasi 8,8 miliardi di euro provengono dalla divisione business che si occupa delle esigenze idriche. Le altre due divisioni riguardano i rifiuti e l’energia.

L’Importanza Crescente della Desalinazione

Un volume significativo di acqua proviene già dalla desalinazione. Secondo i dati presentati dall’International Desalination Association, la capacità contrattuale cumulativa di desalinazione ha superato ora i 100 milioni di m³/giorno e quasi il 60 % della desalinazione è destinato al consumo umano. Secondo le stime, circa 300 milioni di persone dipendono da questo processo per il loro utilizzo quotidiano di acqua. Paesi come il Kuwait producono quasi il 100 % del loro consumo di acqua dolce attraverso la desalinazione.

Tuttavia, i progetti di desalinazione non sono ancora distribuiti uniformemente in tutto il mondo. Le regioni del Medio Oriente e del Nord America rappresentano complessivamente più del 70 % della capacità di desalinazione mondiale. Di questo 70 %, il solo Medio Oriente rappresenta più del 53 %.

I dati indicano anche che nel 2022 c’erano più di 21.000 impianti di desalinazione di acqua di mare, con una produzione globale giornaliera di 99 milioni di m³/giorno di acqua desalinizzata. Tuttavia, questo volume di produzione genera anche più di 150 milioni di m³/giorno di salamoia come sottoprodotto. La salamoia è l’acqua di mare leggermente concentrata rifiutata dagli impianti di desalinazione al mare. Il contenuto di sale della salamoia è circa 60 g/l per acqua di mare a 40 g/l, mentre la temperatura della salamoia rifiutata è leggermente più alta di quella dell’acqua di mare, di qualche grado Celsius.

La ricerca futura dovrà investire tempo e risorse per trovare modi più rispettosi dell’ambiente. L’uso dell’energia solare per far funzionare questi impianti aiuta a ridurre significativamente l’impronta di carbonio di tali strutture. Tuttavia, la ricerca futura deve garantire che quasi tutta l’acqua di mare in ingresso venga convertita in acqua potabile fresca. Ciò garantirà che non vi siano rifiuti nocivi che emergono come sottoprodotto.

Meccanismi di trasporto e distribuzione efficaci garantiranno che quest’acqua vada oltre le nazioni costiere e raggiunga regioni aride e secche senza fonti significative di acqua potabile nelle vicinanze.

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