Lo studio “Direct-drive photovoltaic electrodialysis via flow-commanded current control”, pubblicato su Nature Water dagli ingegneri del Massachusetts Institute of Technology (MIT) Jonathan Tae-Yoon Bessette, Shane Richard Pratt e Amos G. Winter V, illustra la realizzazione di un nuovo sistema di desalinizzazione che funziona seguendo i ritmi del sole.

Al MIT spiegano che «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 per sei mesi un prototipo su scala comunitaria, in pozzi di acqua sotterranea nel New Mexico, lavorando in condizioni meteorologiche e tipi di acqua variabili. Nonostante le grandi oscillazioni meteorologiche e la luce solare disponibile, Il sistema ha sfruttato in media oltre il 94% dell'energia elettrica generata dai pannelli solari per produrre fino a 5.000 litri di acqua al giorno.

Winter, professore di ingegneria meccanica e direttore del K. Lisa Yang Global Engineering and Research (GEAR) Center al MIT, sottolinea che «Le tecnologie di desalinizzazione convenzionali richiedono una potenza costante e necessitano di accumulo di batterie per livellare una fonte di energia variabile come quella solare. Variando continuamente il consumo di energia in sincronia con il sole, la nostra tecnologia utilizza direttamente ed efficientemente l'energia solare per produrre acqua. Essere in grado di produrre acqua potabile con fonti rinnovabili, senza richiedere l'accumulo di batterie, è una sfida enorme. E ce l'abbiamo fatta».

Il prototipo punta 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. Per i ricercatori le falde acquifere salmastre sono «Un'enorme fonte inutilizzata di potenziale acqua potabile, in particolare perché le riserve di acqua dolce sono sotto stress in alcune parti del mondo» e pensano 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».

Bessette, che sta facendo un dottorato in ingegneria meccanica al MIT, conclude: «La maggior parte della popolazione vive in realtà abbastanza lontano dalla costa, che la desalinizzazione dell'acqua di mare non potrebbe mai raggiungerla. Di conseguenza, dipendono molto dalle falde acquifere, soprattutto nelle regioni remote e a basso reddito. E sfortunatamente, queste falde acquifere stanno diventando sempre più saline a causa del cambiamento climatico. Questa tecnologia potrebbe portare acqua pulita sostenibile e conveniente in luoghi poco raggiunti in tutto il mondo».

Il nuovo sistema si basa su un progetto precedente, che Winter e i suoi colleghi, tra cui l'ex postdoc del MIT Wei He, hanno presentato a marzo nello studio “Flexible batch electrodialysis for low-cost solar-powered brackish water desalination”, pubblicato su Nature Water e che mirava a desalinizzare l'acqua tramite "elettrodialisi flexible batch".

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 dicono che «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 quindi 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 progetto precedente, il team aveva 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  - spiegano ancora al MIT - 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% dell'energia elettrica disponibile prodotta dai pannelli solari, che il team ha stimato essere il 91% in più rispetto ai sistemi di elettrodialisi alimentati a energia solare progettati tradizionalmente».

Ma i ricercatori pensavano poter fare di meglio: «Potevamo calcolare solo ogni tre minuti e in quel lasso di tempo una nuvola poteva letteralmente arrivare e bloccare il sole -  dice Winter - l sistema potrebbe dire, “Devo funzionare a questa potenza elevata”. Ma parte di quella potenza era improvvisamente calata perché c'era meno luce solare. Quindi, abbiamo dovuto recuperare quella potenza con batterie extra».

Nel nuovo studio, i ricercatori hanno cercato di eliminare la necessità di batterie, riducendo il tempo di risposta del sistema a una frazione di secondo e sottolineano che «Il nuovo sistema è in grado di aggiornare la sua velocità di desalinizzazione, da 3 a 5 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».

Winter spiega ancora: «Diciamo che il sole sorge ogni pochi secondi. Quindi, tre volte al secondo, guardiamo i pannelli solari e diciamo, “Oh, abbiamo più potenza, aumentiamo un po' la portata e la corrente”. Quando guardiamo di nuovo e vediamo che c'è ancora più potenza in eccesso, la aumenteremo di nuovo. Mentre lo facciamo, siamo in grado di abbinare la nostra potenza consumata con l'energia solare disponibile in modo molto accurato, durante tutto il giorno. E più velocemente eseguiamo questo ciclo, di meno buffering della batteria abbiamo bisogno”.

Gli ingegneri del MIT 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 6 mesi in diversi pozzi del Brackish Groundwater National Desalination Research Facility ad Alamogordo in New Mexico. Durante i test, il prototipo ha funzionato in un'ampia gamma di condizioni solari, sfruttando in media oltre il 94% dell'energia elettrica dei pannelli solari per alimentare direttamente la desalinizzazione. Winter fa notare che »Rispetto al modo in cui si progetta tradizionalmente un sistema di dissalazione solare, abbiamo ridotto la capacità della batteria richiesta di quasi il 100%».

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.

Bessette evidenzia che : «Sebbene si tratti di un importante passo avanti, stiamo ancora lavorando con impegno per continuare a sviluppare metodi di desalinizzazione più sostenibili e meno costosi».

Pratt conclude. »Ora ci concentriamo sui test, sulla massimizzazione dell'affidabilità e sulla creazione di una linea di prodotti in grado di fornire acqua desalinizzata utilizzando fonti rinnovabili a più mercati in tutto il mondo».