Desalinizzazione per disperazione

Anche nella California colpita dalla siccità, San Diego si distingue. C'è meno pioggia rispetto all'arida Los Angeles o Fresno. La regione ha meno falde acquifere rispetto a molte altre parti dello stato. E oltre l'80 per cento dell'acqua per case e aziende viene importata da fonti sempre più stressate. Il fiume Colorado è così sovraccaricato che raramente raggiunge il mare; l'acqua proveniente dal delta del fiume Sacramento, a più di 400 miglia a nord, è stata razionata dai funzionari statali quest'anno, tagliando alcuni agricoltori nella Central Valley della California dalla loro principale fonte di irrigazione. La contea di San Diego, calda, secca e sempre più popolosa, offre un'anteprima di dove è diretto gran parte del mondo. Così fa anche una recente decisione del governo della contea: sta costruendo il più grande impianto di desalinizzazione dell'acqua di mare nell'emisfero occidentale, al costo di 1 miliardo di dollari.

L'imponente progetto, a Carlsbad, brulica di quasi 500 lavoratori con gli elmetti gialli. Quando sarà finito l'anno prossimo, ci vorranno più di 100 milioni di galloni di acqua dell'Oceano Pacifico al giorno e produrranno 54 milioni di galloni di acqua fresca e potabile. Sebbene ciò rappresenti solo il 10 percento del fabbisogno idrico della contea, sarà, in modo cruciale, affidabile e a prova di siccità, una copertura contro tempi potenzialmente peggiori che verranno.

Questa storia faceva parte del nostro numero di gennaio 2015

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La contea sta scommettendo su una combinazione di ingegneria moderna e tecnologia di desalinizzazione vecchia di decenni. Una trincea in costruzione porta ad una vicina insenatura lagunare; 18 cisterne di cemento delle dimensioni di una casa attendono carichi di sabbia e carbone per trattare l'acqua salata prima che sia pronta per la desalinizzazione; i pressurizzatori portano a un tubo di acciaio inossidabile di un metro di diametro. Questo pezzo finale di hardware scintillante convoglierà l'acqua ad alta pressione in 2.000 tubi in fibra di vetro, dove verrà spremuta attraverso membrane polimeriche semipermeabili. Ciò che passerà sarà l'acqua dolce, lasciandosi dietro la salamoia.

Il processo è chiamato osmosi inversa (RO) ed è il cardine degli impianti di desalinizzazione su larga scala in tutto il mondo. Quando l'acqua viene forzata attraverso la membrana, il polimero consente alle molecole d'acqua di passare bloccando i sali e altre impurità inorganiche. La produzione globale di dissalazione è triplicata dal 2000: 16.000 impianti sono attivi e funzionanti in tutto il mondo e si prevede che il ritmo di costruzione aumenterà mentre la tecnologia continua a migliorare. Carlsbad, ad esempio, è stato dotato di membrane commerciali all'avanguardia e sistemi avanzati di recupero della pressione. Ma gli impianti rimangono costosi da costruire e gestire.

La dissalazione dell'acqua di mare, infatti, è una delle fonti di acqua dolce più costose. L'acqua viene venduta, a seconda delle condizioni del sito, tra $ 1.000 e $ 2.500 per piede acro (l'importo utilizzato da due famiglie statunitensi di cinque persone all'anno). Il prodotto di Carlsbad sarà venduto per circa $ 2.000, l'80% in più di quanto la contea paga per l'acqua trattata dall'esterno dell'area. Uno dei motivi è l'enorme quantità di energia necessaria per spingere l'acqua attraverso le membrane. E Carlsbad, come la maggior parte degli impianti di desalinizzazione, viene costruito con pompe, capacità di trattamento e tubi a membrana aggiuntivi, per garantire tempi di attività migliori. Poiché è una risorsa fondamentale per la regione, c'è un'enorme quantità di ridondanza per garantire un'elevata affidabilità, afferma Jonathan Loveland, vicepresidente di Poseidon Water, il proprietario dell'impianto. Se un pezzo fallisce, qualcos'altro riprenderà il gioco.

Già circa 700 milioni di persone nel mondo soffrono per la scarsità d'acqua, ma si prevede che tale numero aumenterà a 1,8 miliardi in soli 10 anni. Alcuni paesi, come Israele, fanno già molto affidamento sulla desalinizzazione; altri seguiranno l'esempio. In molti luoghi siamo già al limite delle risorse idriche rinnovabili, eppure continuiamo a crescere, afferma John Lienhard, ingegnere meccanico e direttore del Center for Clean Water and Clean Energy del MIT. Inoltre abbiamo il riscaldamento globale, con condizioni più calde e secche in molte aree, che potenzialmente ridurranno ulteriormente la quantità di acqua rinnovabile disponibile. Sebbene la conservazione e il riciclaggio aiutino, non puoi riciclare ciò che non hai. Con la crescita delle città costiere, afferma, il valore della desalinizzazione dell'acqua di mare aumenterà rapidamente ed è probabile che vedremo un'adozione diffusa.

In questo triste scenario, ci sono delle buone notizie. In breve, la desalinizzazione è matura per il miglioramento tecnologico. Una combinazione di ottimizzazione e automazione guidata da sensori, oltre a nuovi tipi di membrane, potrebbe eventualmente consentire impianti di desalinizzazione di dimensioni pari alla metà e con un consumo energetico proporzionalmente inferiore. Tra gli altri vantaggi, piccole unità mobili di desalinizzazione potrebbero essere utilizzate nelle regioni agricole a centinaia di miglia di distanza dall'oceano, dove la domanda di acqua è grande e in crescita.

Acqua intelligente

Ogni due settimane, Yoram Cohen, un ingegnere chimico che dirige il Water Technology Research Center presso l'Università della California, a Los Angeles, si mette in viaggio per la San Joaquin Valley, devastata dalla siccità. Parte della vasta sezione centrale agricola dello stato che coltiva gran parte dei prodotti del paese, la regione ha sofferto gravemente. L'anno scorso, il 2014, è stato il terzo anno consecutivo di siccità, in un momento in cui la domanda di acqua ha raggiunto il massimo storico. Mi sono unito a Cohen per una recente gita: un giro in macchina dai suoi laboratori all'UCLA fino alla cittadina di Firebaugh, nella valle, in una delle regioni agricole più colpite dello stato. Lungo la I-5, l'autostrada che collega le città della costa meridionale della California con la sua valle centrale, abbiamo visto vasti edifici di ingegneria idraulica costruiti negli anni '50, inclusi quattro vasti tubi che attraversano le montagne Tehachapi e l'acquedotto della California rivestito di cemento, che taglia un sentiero a serpentina attraverso il fondovalle. Il sistema idrico dello stato, dedicato per circa l'80% all'agricoltura e per il 20% alle città, sta ancora convogliando l'acqua pompata dal delta del fiume Sacramento attraverso l'acquedotto della California di 444 miglia. L'infrastruttura idrica ha reso la California meridionale quello che è oggi.

Ma è un sistema molto stressato. La persistente mancanza di precipitazioni in California significa che l'80% dello stato è ora in una siccità estrema o eccezionale, che impone restrizioni idriche nelle aree urbane e tagli ad alcuni agricoltori. I risultati sono evidenti: tratti di terreno agricolo arido giacciono abbandonati di recente; la segnaletica stradale avverte in modo lampo di siccità estrema; i segni invocano Acqua = Lavori. Secondo un recente studio dell'Università della California, Davis, la siccità ha causato perdite agricole per 1,5 miliardi di dollari nel solo 2014.

Ancora in costruzione, l'impianto di desalinizzazione a Carlsbad, in California, sarà il più grande impianto di questo tipo negli Stati Uniti. In attesa di installazione presso la struttura sono presenti pompe a turbina in acciaio inossidabile, avvolte in Mylar protettivo, che verranno utilizzate per pompare l'acqua pulita.

Cohen, di origine israeliana, spiega che, nonostante queste pressioni, la desalinizzazione non è cambiata radicalmente dagli anni '80. Il tempo necessario per pianificare grandi progetti (Carlsbad ha impiegato 14 anni) rende difficile per gli investitori aspettarsi molti guadagni dalle nuove tecnologie e il finanziamento della ricerca federale degli Stati Uniti è andato ad altre priorità. Inoltre, è stato possibile riciclare o conservare l'acqua in modo da rendere meno necessaria la costosa desalinizzazione. Il rovescio della medaglia, dice Cohen, è che la desalinizzazione è ora in grado di essere trasformata dagli stessi tipi di rilevamento, automazione e processi controllati da algoritmi che stanno rifacendo altri settori. Presto avrei visto di cosa stava parlando.

Mentre il sole di fine ottobre tramontava, lunghe ombre proiettavano il terreno incrostato in altorilievo. Siamo usciti dalla I-5, abbiamo guidato per nove miglia e abbiamo svoltato a destra su una stradina sterrata battuta tra i pistacchi. Era il tramonto e i raggi dei fari scomparvero nel vuoto piatto del deserto. Eppure, quando ho aperto la finestra, ho sentito l'odore di qualcosa che odorava vagamente come l'aria salmastra della costa. I fari hanno smascherato il colpevole: un tubo che vomita una miscela di deflusso agricolo molto riutilizzato. Era nato nel delta del Sacramento come acqua dolce. Ma si è progressivamente più concentrato per evaporazione nel sistema acquedotto, e ancor di più quando è stato applicato alle colture, ha raccolto minerali nel terreno ed è stato nuovamente applicato alle colture. Ora era salino quasi quanto l'acqua di mare e contaminato anche da una serie di minerali e fertilizzanti.

Ci vuole molta energia per spingere l'acqua attraverso le membrane.

Cohen mi ha portato a una roulotte vicina abitata da due studenti laureati e a una vasta collezione di serbatoi, tubi, valvole, tubi e computer. Era un sistema totalmente automatizzato, in grado di utilizzare qualsiasi sostanza salmastra o inquinata prodotta dagli agricoltori di Firebaugh e generare 30.000 galloni bevibili al giorno. Lo schermo di un computer mostrava un'immagine in bianco e nero in tempo reale che sembrava un paesaggio lunare. Era un colpo di un pezzo della membrana di poliammide al centro del processo. L'immagine ha rivelato alcuni frammenti bianchi: l'inizio del ridimensionamento minerale, una rovina di membrane. Il software di analisi delle immagini è in grado di rilevare ciò che sta accadendo e un algoritmo può indirizzare una valvola per aprire ed erogare una soluzione anticalcare nel sistema, anticipando il problema. Altri sensori e sistemi di controllo possono apportare modifiche per evitare altri problemi di incrostazione, modificando la pressione o il dosaggio degli additivi chimici utilizzati per il pretrattamento.

Cohen prese un tubo di plastica e girò un piccolo rubinetto. L'acqua limpida sbavava; tese la mano per catturarne un po', se la portò alla bocca, ne bevve un po' e si strofinò il resto sulla faccia. Se riusciamo a capire un'auto che non richiede un conducente, perché non riusciamo a capire come gestire un impianto RO senza operatori? Egli ha detto.

I risparmi potrebbero essere significativi: sistemi automatizzati come questi potrebbero probabilmente far risparmiare tra un terzo e la metà dei costi degli impianti di desalinizzazione convenzionali, afferma Cohen. Ma più di questo, un'unità delle dimensioni di un rimorchio, in grado di adattarsi a diversi siti e condizioni di ora in ora, potrebbe semplicemente rotolare e aiutare gli agricoltori a ottenere acqua fresca, non importa da cosa inizino.

Membrane Magiche

Anche se i sistemi diventano più intelligenti, l'osmosi inversa è ancora un consumo di energia. Carlsbad consumerà più di 35 megawatt di elettricità (che potrebbe alimentare circa 30.000 case), per una bolletta annuale di 30 milioni di dollari. Circa due terzi di questo andranno alla pressione dell'acqua necessaria per far funzionare la tecnologia. (L'altro terzo andrà principalmente al pompaggio dell'acqua a 10 miglia in salita verso un serbatoio, nonché al pretrattamento e al pompaggio di aspirazione.) I proprietari di Carlsbad stimano che l'impianto consumerà 2,8 kilowattora per metro cubo solo per la desalinizzazione. Alcuni piccoli sistemi a osmosi inversa, che utilizzano processi configurati in modo diverso (acqua che scorre in lotti anziché pompare continuamente), stanno raggiungendo da 1,5 a 1,7 kilowattora, afferma Lienhard. Ma la tecnologia non è stata dimostrata su scala più ampia.

Qual è il problema? Ci vuole molto lavoro per spingere l'acqua attraverso le membrane, una pressione che si traduce in un elevato consumo di energia. Quelle membrane in poliammide relativamente spesse, sebbene lontane dall'ideale, sono le migliori che abbiamo in questo momento. Ma alcuni gruppi stanno cercando di trovare materiali più efficienti. Al MIT, il team dell'ingegnere meccanico Rohit Karnik sta costruendo membrane spesse un singolo atomo, per aiutare le molecole d'acqua a passare attraverso. I ricercatori fanno esplodere il grafene con fasci ionici e lo immergono in sostanze chimiche per incidere i pori di diametro inferiore a un nanometro.

In teoria, una membrana essenzialmente bidimensionale come questa fornisce la minor resistenza possibile. I modelli al computer del gruppo di scienza dei materiali e ingegneria di Jeffrey Grossman al MIT hanno mostrato che le membrane di grafene potrebbero ridurre l'energia utilizzata nell'osmosi inversa dal 15 al 46 percento. Ancora meglio, l'elevata permeabilità potrebbe significare che è necessaria una superficie molto inferiore per portare a termine il lavoro, quindi l'intero impianto potrebbe essere la metà delle dimensioni.

Finora Karnik ha fabbricato una membrana di grafene di un centimetro quadrato, ha praticato dei fori in essa e ha dimostrato che può trattenere selettivamente alcuni ioni. Ma non ha ancora dimostrato che possa effettivamente dissalare l'acqua di mare, anche su un banco di laboratorio. E una volta che lui o un altro gruppo lo raggiunge, la prossima sfida è produrre in modo affidabile miglia di materiali per membrane con caratteristiche coerenti. Karnik è ottimista sul fatto che ci arriverà, ma dice che ci vorranno anni prima che le membrane di grafene siano pronte.

I materiali delle membrane esistenti potrebbero migliorare grazie ad altri approcci di nanoingegneria. In una piccola sezione del trailer di Firebaugh, Cohen sta conducendo un esperimento con una membrana ideata dal suo stesso gruppo. Uno strato di base è realizzato in poliammide. Ma poi aggiunge uno strato di pennelli simili a tentacoli fatti di polimeri idrofili, il che significa che attirano l'acqua. Le prime ricerche suggeriscono che queste membrane ibride potrebbero resistere molto meglio alle incrostazioni, perché i cespugli, che paragona a alghe che ondeggiano su una roccia sottomarina, scoraggiano le cose dall'attaccarsi. Ciò potrebbe significare meno tempi di inattività, meno sostituzioni e un throughput più rapido. Ma Cohen, bevendo un sorso della sua acqua di fossa, sollecita il realismo. Le persone hanno questa fissazione sul fatto che in qualche modo ci sarà una membrana magica che ridurrà il costo della desalinizzazione quasi a zero, e penso che sia un po' fuorviante, dice.

Per ora nei comuni costieri della California, l'acqua di mare è ancora l'opzione di ultima risorsa, dopo la conservazione, il riciclaggio e persino il trattamento e il riutilizzo delle acque reflue. Mentre molti stanno valutando la desalinizzazione, la città che più probabilmente seguirà le orme di San Diego è Santa Barbara. Questo perché ha già costruito un impianto RO all'inizio degli anni '90 dopo cinque anni di siccità, per poi spegnerlo rapidamente quando un paio d'anni di buone piogge invernali hanno riempito i serbatoi. La città si è recentemente trasferita per iniziare a finanziare una costosa riabilitazione del sito in modo che possa essere riattivato se necessario. Altri comuni hanno deciso che è troppo costoso o problematico dal punto di vista ambientale (le strutture uccidono inevitabilmente le uova di pesce e altra vita marina, a meno che i tubi di aspirazione non siano sepolti sotto la sabbia a caro prezzo).

Ma quella valutazione potrebbe essere capovolta. L'acqua catturata nei bacini idrici o pompata da delta lontani sta diventando sempre più costosa e tali alternative hanno i propri costi ambientali. Man mano che le fonti si esauriscono e la concorrenza per i rifornimenti d'acqua da parte di aziende, agricoltori e città, ci rivolgeremo inevitabilmente all'acqua di mare e ad altre fonti salate. Potrebbe non essere un'ottima soluzione, ma la linea di fondo è che ci restano sempre meno scelte in un mondo affamato d'acqua.

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