SM 3909 — Acqua dolce dal mare — 2016

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Villaggio Globale, 19, (75), settembre 2016

Giorgio Nebbia nebbia@quipo.it

Alla fine del secolo scorso  la produzione mondiale di acqua potabile dal mare e dalle acque salmastre ammontava a 5 miliardi di metri cubi all’anno. La tecnologia della dissalazione ha fatto così grandi progressi che la produzione di acqua potabile dal mare e dalle acque salmastre nel 2016 ammonta a circa 35 miliardi di metri cubi all’anno (sette volte la quantità di acqua potabile distribuita in tutte le case in tutta Italia) e disseta più di 300 dei circa 7300 milioni di abitanti della Terra.

Come è ben noto, l’acqua “utile” come bevanda, per la cottura e la trasformazione degli alimenti, per la crescita della vegetazione e degli animali da carne, per l’igiene domestica, per le industrie, deve avere un contenuto di sali non troppo elevato (da trenta a cinquanta volte di meno di quello dell’acqua di mare), non deve contenere particolari elementi dannosi in quantità superiori a limiti ben precisi, tanto che di tutta l’acqua presente sul pianeta meno di un millesimo è utile a fini umani, e solo una frazione ancora più piccola è utile per l’alimentazione e l’igiene.

L’acqua “sembra” una risorsa rinnovabile, perché ritorna sempre con le piogge, ma la quantità di acqua dolce utile e “buona”, disponibile sul pianeta, diminuisce ogni anno per i mutamenti climatici e perché l’acqua dei fiumi e dei laghi e del sottosuolo, nelle zone abitate, viene contaminata da rifiuti e sostanze tossiche.

Il risultato di tutto questo è “la sete”; per far fronte a questo flagello si possono costruire laghi artificiali o si possono depurare le acque inquinate oppure si può “fabbricare” acqua potabile e utile togliendo i sali dall’acqua di mare o dalle acque salmastre non utilizzabili.

L’era moderna della dissalazione si può dire cominciata con le grandi siccità verificatesi in California fra il 1930 e il 1940. Fu però specialmente durante la seconda guerra mondiale, quando migliaia di persone di tutti i paesi furono costrette a vivere in zone aride e in isole deserte, che il problema della dissalazione dell’acqua di mare si presentò sotto nuove prospettive e solo l’acqua dolce ottenuta dal mare riuscì a salvare innumerevoli vite.

Dopo la fine della seconda guerra mondiale la dissalazione apparve come un mezzo per far fronte alle crescenti necessità idriche dell’umanità. Nel 1952 lo stato della California finanziò un programma di ricerche nel campo della dissalazione delle acque salmastre e dell’acqua di mare e nello stesso anno, nell’ambito del Dipartimento dell’Interno degli Stati Uniti, fu creato uno speciale ufficio, l’Office of Saline Water, con il compito di incoraggiare ricerche di base e la costruzione di impianti sperimentali.

Il 23 febbraio 1961 John Kennedy, allora presidente degli Stati Uniti, lanciò un messaggio per sottolineare l’importanza della dissalazione. “Nessun programma ha maggiore importanza per il futuro — non solo per noi, ma per i paesi aridi di tutto il mondo — della ricerca di un mezzo efficiente ed economico per trasformare l’acqua dei mari e degli oceani — la più grande riserva idrica della natura — in acqua usabile dagli uomini e dalle industrie. Tale realizzazione metterebbe fine alle lotte fra vicini, fra stati e nazioni e darebbe nuove speranze a quanti soffrono per la mancanza di acqua dolce — e di tutti i relativi vantaggi materiali ed economici — pur passando la loro vita stentata accanto ad una enorme massa di acqua.”

Negli anni dal 1955 al 1980 sono stati sperimentati e collaudati decine di processi e impianti di dissalazione in tutto il mondo.

Oggi gli impianti di dissalazione esistenti nel mondo funzionano per circa un terzo con il processo di distillazione multiflash, che richiede calore, e per due terzi con il processo di osmosi inversa che richiede elettricità.

La separazione di una certa quantità di acqua priva o povera di sali dall’acqua di mare (o dalle acque salmastre) “costa” energia, quella necessaria per superare la forza che tiene insieme le molecole di acqua e quelle dei sali disciolti. La termodinamica mostra che il minimo consumo teorico di energia per la separazione di un metro cubo di acqua priva di sali da una quantità infinita di acqua marina risulta, a 25°C, circa 2,5 MJ. Questo potrebbe essere considerato il minimo “costo energetico” dell’acqua dissalata.

Il processo di distillazione è basato su un principio abbastanza semplice, ispirato a quello che sta alla base del ciclo naturale dell’acqua; sul pianeta il calore solare scalda l’acqua presente negli oceani, nei mari e sulle terre emerse e ne trasforma una parte dallo stato liquido a quello di gas che si miscela con i gas dell’aria; quando il vapore acqueo contenuto nell’aria viene a contatto con dei corpi freddi, come aria fredda o le vette delle montagne, ritorna allo stato liquido sotto forma di pioggia o sotto forma solida di neve o grandine.

Nei distillatori l’acqua di mare viene scaldata, entro una serie di camere metalliche nelle quali viene fatto un vuoto progressivamente sempre più spinto; una parte dell’acqua di mare, adesso calda, evapora e il vapore acqueo, privo di sali, viene portato a contatto con tubazioni al cui interno scorre acqua di mare più fredda; l’acqua si condensa sulla superficie di tali tubazioni allo stato puro e pre-riscalda l’acqua di mare che entrerà successivamente nelle camere di evaporazione.

Gli impianti multiflash sono per lo più abbinati a centrali termoelettriche a combustibili fossili; il calore di raffreddamento delle turbine vene impiegato per l’evaporazione dell’acqua di mare nel distillatore e l’elettricità è usata per azionare le pompe per la circolazione dell’acqua e per il vuoto.

Il costo energetico dell’acqua distillata in questi impianti è in continua diminuzione, grazie a perfezionamenti tecnici relativi ai materiali impiegati per gli scambiatori di calore e alla diminuzione delle incrostazioni. Circa la metà dell’acqua di mare in entrata viene eliminata sotto forma di salamoia con una concentrazione salina circa doppia rispetto a quella dell’acqua di mare. Il processo richiede circa 100 MJ di calore e 2 – 3 kWh (7-12 MJ) di elettricità per ogni metro cubo di acqua dissalata, un valore circa 40 volte superiore al “costo energetico minimo”.

I due terzi dell’acqua dissalata nel mondo sono ottenuti negli impianti a osmosi inversa. Tali impianti utilizzano un processo basato sul ben noto fenomeno fisico dell’osmosi: immaginiamo di comprimere l’acqua di mare ad una pressione superiore a 27 atmosfere (corrispondente alla sua “pressione osmotica”) contro una membrana, per esempio una pellicola di un materiale speciale, capace di far passare l’acqua e non i sali, o, come si suol dire, semipermeabile, immersa in acqua dolce. Si osserva che l’acqua passa dalla soluzione salina verso lo scompartimento contenente acqua dolce e si ottiene così, per “osmosi inversa”, l’estrazione di acqua dolce da quella salina, cioè una dissalazione, proprio quello che vogliamo.

Tale tecnologia è stata messa a punto negli anni 50 in seguito alla scoperta che alcune membrane, originariamente di acetato di cellulosa e poi di materiali sintetici, possono essere preparate con delle asimmetrie sulle due facce, un successo di ricerche chimiche dovuto in gran parte all’israeliano Sidney Loeb.

Comprimendo l’acqua da dissalare ad una pressione di 40-80 atmosfere (quindi superiore alla sua pressione osmotica) su una delle due facce della membrana semipermeabile, immersa in acqua dolce, attraverso la membrana passa acqua con basso contenuto salino mentre dall’altra parte resta una soluzione (salamoia) con salinità superiore a quella dell’acqua originale. La tecnica del processo di osmosi inversa è migliorata quando sono state inventate delle membrane costituite da sottili fibre vuote all’interno, delle specie di microscopici tubi al cui interno viene posta acqua dolce e al cui esterno viene fatta circolare sotto pressione l’acqua marina o salmastra da dissalare.

In alternativa le membrane piane possono essere avvolte in forma di spirale cilindrica intervallate da fogli porosi in cui circola alternativamente acqua salina e acqua dolce dissalata, il tutto posto entro cilindri resistenti alla pressione.

L’unica fonte di energia è rappresentato dall’energia elettrica necessaria per azionare le pompe che comprimono l’acqua di mare contro le membrane e che fanno circolare l’acqua salmastra da rigettare nel mare. Nel caso dell’acqua di mare il consumo di elettricità per le pompe e i compressori è ormai 3 – 4 kWh (10-15 MJ) per metro cubodi acqua dissalata, circa 6 volte il “costo energetico minimo”.

Il successo del processo di osmosi inversa rispetto a quello di distillazione è dovuto al fatto che il primo si presta bene ed è largamente usato anche per la dissalazione di acque salmastre nel quale caso la dissalazione avviene sottoponendo l’acqua da dissalare ad una pressione tanto minore quanto è minore la salinità dell’acqua da trattare.

Un importante problema riguarda lo smaltimento delle salamoie che si formano in entrambi i processi; la loro immissione di nuovo nel mare o in un fiume può provocare alterazione degli ecosistemi, anche se di recente sono stati messi a punto processi per recuperare da tali salamoie dei sali di interesse commerciale, come quelli di magnesio e forse in futuro anche altri, come quelli di litio, sempre più ricercati per le batterie, presenti nelle salamoie dei distillatori di acqua marina in concentrazione di circa 0,4 grammi per metro cubo.

Esistono poi anche degli ingegnosi sistemi di dissalazione che utilizzano l’energia solare e che sono in grado di produrre acqua dolce dal mare in ragione di qualche litro al giorno per ogni metro quadrato di superficie esposta al Sole, adatti per piccole comunità, famiglie, residenze turistiche nelle isole o sulle coste aride.

Nonostante decine di dibattiti e di conferenze in Italia la dissalazione ha fatto pochi passi; un grande impianto costruito in Sardegna negli anni settanta del Novecento fu smantellato dopo pochi anni; solo all’inizio del 2007 è entrato in funzione a Porto Empedocle, in Sicilia, un dissalatore capace di produrre 3 milioni di metri cubi di acqua dolce all’anno, che si aggiunge a pochi altri a Gela e nelle isole minori. In tutto, fra acquedotti urbani e industrie, l’acqua dolce prodotta dal mare in Italia ammonta a pochi milioni di metri cubi all’anno.

La produzione di acqua potabile dal mare per dissalazione ha molti nemici. Il ritornello che si sente sempre ripetere è che l’acqua dissalata “costa troppo”; il costo attuale di circa 2-3 euro al metro cubo è ormai simile a quello dell’acqua potabile distribuita dagli acquedotti ed è molto inferiore al prezzo dell’acqua in bottiglia, circa 200 euro al metro cubo.

I critici della dissalazione sostengono che la fabbricazione di acqua dolce dal mare richiede energia ma i distillatori potrebbero utilizzare il calore di rifiuto di centrali termoelettriche e di impianti industriali, oggi dissipato nel mare o nell’aria.

Abbastanza curiosamente anche fra gli ambientalisti, fra coloro a cui dovrebbe stare a cuore la guerra alla sete, qualcuno sostiene che il prelevamento dell’acqua marina da avviare agli impianti di dissalazione altera alcuni ecosistemi, disturbi che comunque, a mio modesto parere, sono sopportabili se si pensa al dolore e ai sacrifici di chi, come il vecchio marinaio della poesia di Coleridge, assetato e alla deriva su una zattera nel mare, ha intorno a se “Acqua, acqua dovunque, e non una goccia da bere”. Lo stesso grido viene nel mondo da tante centinaia di milioni di persone che abitano sulle coste degli oceani e sono privi del più essenziale di tutti i beni, l’acqua dolce, una situazione che i cambiamenti climatici in corso tendono ad aggravare.