I ricercatori dell’Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell’Energia stanno sviluppando tecniche avanzate di automazione per gli impianti di desalinizzazione e di trattamento dell’acqua, consentendo loro di risparmiare fornendo allo stesso tempo acqua potabile a prezzi accessibili a piccole comunità aride senza risorse idriche di alta qualità.
Il cambiamento climatico e la crescita della popolazione stanno mettendo a dura prova laghi, fiumi e falde acquifere che tradizionalmente forniscono acqua pulita. Oggi, sempre più città devono essere in grado di trattare l’acqua salmastra, salata o biologicamente inquinata secondo gli standard dell’acqua potabile. Ma il funzionamento di questo trattamento più complesso spesso richiede competenze tecniche costose.
Attraverso il programma di ricerca National Alliance for Water Innovation del DOE, ORNL, università e aziende private stanno lavorando insieme per sviluppare e dimostrare sistemi di trattamento multistadio completamente automatizzati che siano efficaci nel rendere le fonti idriche non tradizionali pulite e salubri per bere o irrigare.
Co-fondata da ORNL e dal Laboratorio Nazionale per le Energie Rinnovabili, NAWI è un’iniziativa di ricerca che cerca anche di rendere questo trattamento accessibile, decentralizzato ed efficiente dal punto di vista energetico anche per le fonti idriche che variano quotidianamente in contenuto e qualità.
“Il trattamento completo e il riutilizzo dell’acqua creano un’economia idrica circolare”, ha affermato Kris Villez, ricercatore capo dell’ORNL. “Vogliamo rendere una fonte d’acqua non tradizionale economicamente competitiva rispetto a una fonte d’acqua tradizionale, per lo più pura, qualcosa che chiamiamo ‘pipe parity’. Queste fonti non tradizionali variano molto in termini di qualità e disponibilità. Ciò significa che possono raggiungere la parità delle tubazioni solo attraverso controlli automatizzati”, consentendo un trattamento dell’acqua economicamente vantaggioso anche per comunità storicamente sottoservite o rurali senza un’ampia base imponibile.
Un team guidato da Villez sta sviluppando un software basato sull’apprendimento automatico in grado di prendere decisioni sulle azioni migliori per mantenere un’elevata qualità del trattamento nel modo più efficiente, risparmiando energia, denaro e acqua. Le scelte possono essere influenzate dalle condizioni meteorologiche giornaliere, dalle condizioni di siccità, dai prezzi dell’energia e dell’acqua in tempo reale, dalla manutenzione degli impianti e dai cambiamenti nella composizione dell’acqua non trattata.
Villez ha affermato che questo tipo di automazione del trattamento dell’acqua potrebbe eventualmente rivelarsi vitale non solo per i sistemi idrici comunali in aree assetate come il bacino del fiume Colorado, ma anche per gli impianti industriali ad uso intensivo di acqua, come quelli per la lavorazione di alimenti e bevande o i servizi pubblici con sistemi di raffreddamento ad acqua.
“Il concetto centrale della NAWI è sempre stato quello di aumentare la disponibilità di acqua”, ha affermato Yarom Polsky, responsabile dell’area tematica della NAWI per l’innovazione e l’intensificazione dei processi. “L’automazione avanzata è un elemento critico.” Consente l’ottimizzazione delle prestazioni dei sistemi di trattamento dell’acqua, con vantaggi quali la riduzione dei costi e un adattamento efficiente ai cambiamenti nella composizione dell’acqua di fonte.
“Rendere l’automazione avanzata accessibile ai piccoli servizi idrici e ai piccoli sistemi autonomi è essenziale per un’adozione diffusa”, ha affermato Polsky, che è anche direttore della divisione Scienze della produzione dell’ORNL. “I fornitori di sistemi di piccole e medie dimensioni in genere dispongono di meno risorse per assumere esperti tecnici per implementare controlli avanzati”.
Il team di Villez ha già dimostrato controlli automatizzati simili ma su scala ridotta su un sistema di trattamento a unità singola istituito ad Aurora, in Colorado, dalla Colorado School of Mines. Anche la città di Aurora, la Baylor University e diversi fornitori di software sono partner del progetto, che utilizza l’osmosi inversa per rimuovere il sale dall’acqua.
I ricercatori stanno attualmente perseguendo il passo successivo, sviluppando controlli per l’ottimizzazione a livello di impianto. Questo verrà testato per la prima volta su un treno di trattamento di sei unità in grado di passare in modo flessibile tra diversi livelli e tipi di trattamento dell’acqua. Ciò consente una scelta automatizzata tra l’utilizzo di tutte le unità per produrre acqua potabile comunale o l’utilizzo solo di alcune per fornire l’irrigazione, a seconda dei mercati, dei costi e di altre condizioni mutevoli.
“Vogliamo introdurre deliberatamente modifiche per vedere se il nostro modello è accurato, in modo da avere la capacità di rispondere a eventi contraddittori, errori involontari o cambiamenti graduali nel processo di trattamento batterico che potresti non notare se non confronti”, Villez disse. “Stiamo bilanciando la performance economica con la resilienza”.
In un progetto NAWI correlato, i ricercatori dell’ORNL stanno anche costruendo un gemello digitale di un impianto di desalinizzazione reale di proprietà di Orange County, in California. Questo gemello digitale è un modello dinamico dell’impianto, che consente di testare diversi progetti e controlli in un laboratorio virtuale senza influenzare i clienti. In definitiva, il gemello digitale consentirà una risposta in tempo reale ai cambiamenti nei prezzi dell’elettricità, evitando la produzione di acqua nei periodi in cui l’energia è più costosa.
Polsky sottolinea che il trattamento delle acque è sia un processo ad alta intensità energetica che una necessità energetica. L’acqua pulita riscalda e raffredda le centrali elettriche e i processi industriali di oggi. “Mentre procediamo attraverso la transizione energetica, il trattamento delle acque sarà probabilmente fondamentale anche per le applicazioni energetiche del futuro”, come la produzione di idrogeno verde per l’industria, i trasporti o lo stoccaggio di energia a lungo termine, ha affermato.
Altri ricercatori che hanno contribuito a questi progetti di automazione del trattamento dell’acqua includono Alexander Melin e Sally Ghanem dell’ORNL, insieme all’ex ricercatore post-dottorato dell’ORNL Dhrubajit Chowdhury. Il finanziamento è stato fornito dalla NAWI e dall’Ufficio per i materiali avanzati e le tecnologie di produzione del DOE.
L’UT-Battelle gestisce l’ORNL per l’Ufficio della Scienza del Dipartimento dell’Energia, il più grande sostenitore della ricerca di base nelle scienze fisiche negli Stati Uniti. L’Office of Science sta lavorando per affrontare alcune delle sfide più urgenti del nostro tempo. Per ulteriori informazioni, visitare Energy.gov/science.
Ripubblicato da ORNL, Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti.
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