Technoeconomic Framework for Evaluating Desalination and Brine Management Pathways across the United States

L'acqua è la risorsa più essenziale per la vita umana, eppure il modo in cui vi accediamo sta cambiando. Per secoli, le società si sono affidate a fiumi, laghi e acquiferi sotterranei per soddisfare i propri bisogni. Ma con la crescita della popolazione e il cambiamento dei climi, queste fonti tradizionali stanno diventando scarse o esaurite. In risposta, gli ingegneri si sono rivolti agli oceani e agli strati più profondi e salati della terra per ottenere acqua dolce. Il processo di rimozione del sale dall'acqua, noto come dissalazione, è uno strumento potente, ma crea un sottoprodotto: un liquido denso e salato chiamato salamoia. Gestire questo scarto è critico quanto produrre l'acqua dolce stessa. Se lasciata non trattata, la salamoia può danneggiare l'ambiente, ma smaltirla costa denaro ed energia. La domanda centrale che i pianificatori idrici affrontano oggi non è solo come produrre acqua dolce, ma come farlo in modo che sia conveniente e sicuro, a seconda di dove si trova una comunità e di quale tipo di acqua salata si ha a disposizione.

Un team di ricercatori presso il Georgia Institute of Technology ha sviluppato un nuovo modo per rispondere a questa domanda per l'intero Stati Uniti. Hanno creato una mappa dettagliata che calcola il costo reale di trasformare diversi tipi di acqua salata in acqua dolce, tenendo conto anche della spesa per la gestione della salamoia residua. Il loro lavoro esamina tre fonti principali di acqua salata: l'acqua di mare della costa, l'acqua salmastra sotterranea trovata nell'entroterra e l'acqua prodotta, ovvero un liquido salato che viene portato in superficie durante la trivellazione di petrolio e gas. Per ciascuna fonte, hanno testato tre diversi modi per gestire lo scarto: scaricarlo nuovamente nell'oceano, iniettarlo in profondità nel sottosuolo o utilizzare un sistema complesso per far evaporare tutta l'acqua e recuperare il sale solido. Eseguendo migliaia di calcoli in tutto il paese, hanno scoperto che la soluzione migliore dipende interamente da due fattori: quanto è salata l'acqua e quanto il sito è lontano dall'oceano.

I ricercatori hanno scoperto che per le città costiere, l'approccio più semplice è spesso il migliore. Se un impianto si trova vicino al mare, può pompare l'acqua di mare attraverso un filtro per produrre acqua dolce e poi restituire la salamoia salata all'oceano. Questo metodo è economico, con un costo compreso tra un dollaro e un dollaro e mezzo per ogni metro cubo di acqua prodotta. Tuttavia, questa opzione diventa impraticabile man mano che ci si sposta verso l'interno. Trasportare l'acqua dolce dalla costa a un luogo come Denver, ad esempio, aggiunge così tanto costo che il prezzo totale sale a circa tre dollari e mezzo per metro cubo. Lo studio dimostra che per le aree interne, ha più senso trattare l'acqua salata locale piuttosto che spedire acqua dalla costa.

Osservando le fonti dell'entroterra, il tipo di acqua conta molto. Per le aree con acque sotterranee leggermente salate, il modo più economico per gestire lo scarto è pomparlo in profondità nel sottosuolo in formazioni geologiche, un metodo chiamato iniezione in pozzi profondi. Ciò evita l'alto costo del trasporto del liquido pesante e salato verso l'oceano. I ricercatori hanno scoperto che per le acque a bassa salinità trovate lontano dalla costa, cercare di recuperare il sale è solitamente un'operazione finanziariamente perdente. L'attrezzatura necessaria per far bollire l'acqua e raccogliere il sale è costosa da costruire e gestire, e la piccola quantità di sale recuperata non può coprire le spese del processo. In questi casi, il costo per produrre l'acqua rimane tra un e tre dollari per metro cubo, ma il sistema di recupero del sale aggiunge troppe spese extra per essere conveniente.

La situazione cambia quando l'acqua è molto salata, come l'acqua prodotta dalle operazioni di estrazione di petrolio e gas. In questi casi di alta salinità, l'economia si ribalta. Poiché c'è molto sale nell'acqua, un sistema che recupera il sale può effettivamente guadagnare vendendolo. Questo ricavo aiuta a compensare l'alto costo delle attrezzature necessarie per concentrare e cristallizzare la salamoia. Lo studio suggerisce che per queste specifiche fonti dell'entroterra molto salate, un sistema a scarico liquido zero — dove nessuna acqua lascia l'impianto come scarto — è un'opzione percorribile e talvolta preferibile. I ricercatori hanno osservato che per questi apporti ad alta salinità, il recupero del sale può trasformare un costoso problema di scarti in un flusso di entrate, rendendo l'intero processo più accessibile.

Per visualizzare queste scoperte, il team ha creato una guida che funge da strumento decisionale per i pianificatori idrici. Mostra che se una comunità si trova entro circa 500 o 700 chilometri dalla costa, pompare l'acqua di mare e scaricare la salamoia nell'oceano è la strada più economica. Se la comunità si trova più nell'entroterra ma dispone di acqua con basso contenuto di sale, iniettare lo scarto nel sottosuolo è la scelta migliore. Se l'acqua dell'entroterra è molto salata, allora il recupero del sale diventa la strategia economica più sensata. Questo quadro aiuta a superare l'approccio "una soluzione per tutti", riconoscendo che una soluzione che funziona per una città costiera in California non funzionerà per una cittadina nel mezzo del paese.

Lo studio ha anche confrontato questi metodi di dissalazione con un'altra tecnologia emergente: estrarre l'acqua direttamente dall'aria. Sebbene la cattura dell'umidità dall'atmosfera possa sembrare una soluzione perfetta per i luoghi secchi, i ricercatori hanno scoperto che è significativamente più costosa della dissalazione, costando circa undici o tredici dollari per metro cubo. Questo alto prezzo significa che estrarre l'acqua dall'aria è un'opzione realistica solo per piccole comunità remote, dove non è disponibile acqua salata e il trasporto dell'acqua da qualsiasi altro luogo è impossibile. Per la stragrande maggioranza della popolazione, la strada da seguire risiede nella gestione delle fonti di acqua più salata già presenti nel terreno e nel mare.

In definitiva, questa ricerca fornisce una tabella di marcia chiara e basata sui dati per il futuro dell'acqua negli Stati Uniti. Conferma che, sebbene la dissalazione sia uno strumento necessario per combattere la scarsità d'acqua, il suo successo dipende dall'abbinamento della tecnologia giusta alla posizione giusta. Comprendendo i costi specifici di trasporto, la salinità dell'acqua locale e il valore dei prodotti di scarto, le comunità possono scegliere un percorso che sia non solo tecnicamente possibile, ma anche economicamente sostenibile. Il lavoro suggerisce che, con una pianificazione attenta, gli Stati Uniti possono espandere la loro fornitura di acqua dolce per soddisfare le esigenze della loro crescente popolazione senza mandare in bancarotta il sistema o danneggiare l'ambiente.