Costruito un innovativo sistema di desalinizzazione che funziona seguendo i ritmi del sole

Gli ingegneri dell’Istituto di Tecnologia del Massachusetts hanno costruito un sistema di desalinizzazione alimentato a energia solare che produce grandi quantità di acqua pulita nonostante le variazioni della luce solare durante il giorno. Poiché non richiede batterie extra, ovvero non necessita di costosi immagazzinamenti di energia nei periodi senza sole, offre un modo molto più conveniente per produrre acqua potabile, rispetto ad altri progetti alimentati a energia solare. La tecnologia potrebbe fornire alle comunità acqua potabile a costi contenuti. I dettagli del nuovo sistema sono riportati in un articolo apparso su Nature Water.

Il sistema ad energia solare rimuove il sale dall’acqua a un ritmo che segue da vicino i cambiamenti nell’energia solare. Man mano che la luce solare aumenta durante il giorno, il sistema accelera il suo processo di desalinizzazione e si adatta automaticamente a qualsiasi variazione improvvisa della luce solare, ad esempio riducendola in risposta a una nuvola di passaggio o accelerandola quando il cielo si schiarisce.

Poiché il sistema può reagire rapidamente a sottili cambiamenti della luce solare, massimizza l’utilità dell’energia solare, producendo grandi quantità di acqua pulita nonostante le variazioni della luce solare durante il giorno. A differenza di altri progetti di desalinizzazione alimentati a energia solare, il sistema MIT non richiede batterie extra per l’accumulo di energia, né un’alimentazione supplementare, come quella dalla rete.

Gli ingegneri hanno testato un prototipo su scala comunitaria su pozzi di acqua sotterranea nel New Mexico per sei mesi, lavorando in condizioni meteorologiche e tipi di acqua variabili. Il sistema ha sfruttato in media oltre il 94 percento dell’energia elettrica generata dai pannelli solari del sistema per produrre fino a 5.000 litri di acqua al giorno nonostante le grandi oscillazioni meteorologiche e la luce solare disponibile.

Il sistema è orientato alla desalinizzazione delle falde acquifere salmastre, una fonte di acqua salata che si trova in bacini sotterranei ed è più diffusa delle risorse di acqua dolce sotterranea. I ricercatori vedono le falde acquifere salmastre come un’enorme fonte inutilizzata di potenziale acqua potabile, in particolare perché le riserve di acqua dolce sono sotto pressione in alcune parti del mondo. Immaginano che il nuovo sistema rinnovabile e senza batterie potrebbe fornire acqua potabile tanto necessaria a costi bassi, specialmente per le comunità dell’entroterra dove l’accesso all’acqua di mare e all’energia elettrica è limitato.

Il nuovo sistema si basa su un progetto precedente, che mirava a desalinizzare l’acqua tramite “elettrodialisi batch flessibile”. L’elettrodialisi e l’osmosi inversa sono due dei principali metodi utilizzati per desalinizzare le falde acquifere salmastre. Con l’osmosi inversa, la pressione viene utilizzata per pompare l’acqua salata attraverso una membrana e filtrare i sali. L’elettrodialisi utilizza un campo elettrico per estrarre gli ioni di sale mentre l’acqua viene pompata attraverso una pila di membrane a scambio ionico.

Gli scienziati hanno cercato di alimentare entrambi i metodi con fonti rinnovabili. Ma questo è stato particolarmente impegnativo per i sistemi a osmosi inversa, che tradizionalmente funzionano a un livello di potenza costante, incompatibile con fonti di energia naturalmente variabili come il sole.

Winter, He e i loro colleghi si sono concentrati sull’elettrodialisi, cercando modi per realizzare un sistema più flessibile e “variante nel tempo”, che potesse rispondere alle variazioni dell’energia solare rinnovabile.

Nel loro progetto precedente, il team ha costruito un sistema di elettrodialisi costituito da pompe per l’acqua, una pila di membrane a scambio ionico e una serie di pannelli solari. L’innovazione in questo sistema era un sistema di controllo basato su modelli che utilizzava le letture dei sensori da ogni parte del sistema per prevedere la velocità ottimale a cui pompare l’acqua attraverso la pila e la tensione che doveva essere applicata alla pila per massimizzare la quantità di sale estratta dall’acqua.

Quando il team ha testato questo sistema sul campo, è stato in grado di variare la sua produzione di acqua con le variazioni naturali del sole. In media, il sistema ha utilizzato direttamente il 77 percento dell’energia elettrica disponibile prodotta dai pannelli solari, che il team ha stimato essere il 91 percento in più rispetto ai sistemi di elettrodialisi alimentati a energia solare progettati tradizionalmente. Tuttavia, i ricercatori ritenevano di poter fare di meglio.

Nel loro ultimo lavoro, i ricercatori hanno cercato di eliminare la necessità di batterie, riducendo il tempo di risposta del sistema a una frazione di secondo. Il nuovo sistema è in grado di aggiornare la sua velocità di desalinizzazione, da tre a cinque volte al secondo. Il tempo di risposta più rapido consente al sistema di adattarsi ai cambiamenti della luce solare durante il giorno, senza dover compensare alcun ritardo di potenza con alimentatori aggiuntivi.

La chiave per una desalinizzazione più agile è una strategia di controllo più semplice, ideata da Bessette e Pratt. La nuova strategia è quella del “controllo della corrente comandata dal flusso”, in cui il sistema rileva prima la quantità di energia solare prodotta dai pannelli solari del sistema. Se i pannelli generano più energia di quanta ne utilizzi il sistema, il controller “comanda” automaticamente al sistema di aumentare il suo pompaggio, spingendo più acqua attraverso le pile di elettrodialisi. Contemporaneamente, il sistema devia parte dell’energia solare aggiuntiva aumentando la corrente elettrica erogata alla pila, per estrarre più sale dall’acqua che scorre più velocemente.

Gli ingegneri hanno incorporato la nuova strategia di controllo in un sistema completamente automatizzato che hanno dimensionato per desalinizzare le falde acquifere salmastre a un volume giornaliero sufficiente a rifornire una piccola comunità di circa 3.000 persone. Hanno fatto funzionare il sistema per sei mesi su diversi pozzi presso il Brackish Groundwater National Research Facility ad Alamogordo, New Mexico. Durante la prova, il prototipo ha funzionato in un’ampia gamma di condizioni solari, sfruttando oltre il 94 percento dell’energia elettrica del pannello solare, in media, per alimentare direttamente la desalinizzazione.

Gli ingegneri hanno in programma di testare ulteriormente e ampliare il sistema nella speranza di fornire a comunità più grandi, e persino a interi comuni, acqua potabile a basso costo, prodotta interamente dal sole. Nei prossimi mesi il team lancerà un’azienda basata sulla propria tecnologia.

Bessette, J.TY., Pratt, S.R. & Winter V, A.G. Direct-drive photovoltaic electrodialysis via flow-commanded current control. Nat Water (2024). https://doi.org/10.1038/s44221-024-00314-6 He, W., Le Henaff, AC., Amrose, S. et al. Flexible batch electrodialysis for low-cost solar-powered brackish water desalination. Nat Water 2, 370–379 (2024). https://doi.org/10.1038/s44221-024-00213-w