Ogni volta che un fiume incontra il mare, si sprigiona una forza silenziosa. Si tratta del gradiente salino. Il nome può trarre in inganno ma la potenza in gioco è considerevole: mescolare un metro cubo di acqua di fiume con la stessa quantità di acqua di mare, libera un’energia termodinamica equivalente a quella di una cascata d’acqua alta 100 metri.
È a questa forza che ci riferiamo quando parliamo di energia osmotica, detta talvolta energia blu. A differenza del solare o dell’eolico, si tratta di una fonte di energia baseload, ovvero costante, non dipendente dal clima meteorologico. I fiumi, infatti, scorrono ininterrottamente, giorno e notte, che piova o che ci sia il sole. La sfida che non ha permesso di sfruttarne prima la dirompenza, in maniera massiccia, è stata quella della tecnologia di estrazione, troppo costosa. Tuttavia, ora una nuova visione circolare sta cambiando le carte in tavola.
Si può impiegare la salamoia di scarto dei dissalatori per triplicare l’efficienza e abbattere i costi. Simultaneamente, è possibile mettere a servizio della produzione energetica le acque reflue depurate. Vediamo, di seguito, due innovative tecnologie che potrebbero contribuire a modificare l’approvvigionamento energetico, inserendo nel mix anche energia di origine osmotica.
Tecnologia 1: RED (Reverse Electrodialysis), la pila chimica
L’elettrodialisi inversa, denominata anche RED, secondo l’acronimo inglese, rappresenta una strada molto promettente. Mentre la classica usa l’elettricità per togliere il sale dall’acqua, l’inversa, come suggerisce il nome stesso, fa l’esatto opposto. Essa usa il sale allo scopo di generare elettricità. Possiamo immaginarla come una vera e propria batteria ad acqua salata, per così dire.
Lo stack di membrane
Il cuore pulsante di un impianto RED è una pila, o stack, in lingua inglese, composta da centinaia di membrane polimeriche, tutte estremamente sottili e selettive. Queste si dispongono in modo alternato, una di una tipologia e una dell’altra. Esistono due tipi di membrane, le quali si contraddistinguono a seconda del tipo di carica che portano.
- Le membrane cationiche permettono il passaggio di una sola categoria di ioni: quelli a carica positiva, come per esempio il sodio.
- Le membrane anioniche, che si dispongono alternate alle prime, lasciano passare soltanto gli ioni a carica negativa, come il cloro.
Tra le varie membrane disposte in pila, si fa scorrere, in canali alternati, acqua ad alta e a bassa salinità. Perché l’elettrodialisi inversa funzioni a dovere sono necessarie numerosissime lamine polimeriche dei due tipi, poste in serie.
Il movimento ionico
In natura, il sale tende a spostarsi dove la concentrazione è minore. Si comporta in tal maniera perché è stimolato a raggiungere un equilibrio. Grazie alla disposizione alternata delle membrane, gli ioni non possono mescolarsi a caso. Essi sono infatti costretti a muoversi in direzioni opposte. I cationi Na+ di sodio migrano attraverso le membrane cationiche verso il catodo; mentre gli anioni Cl- di cloro migrano, attraverso le membrane anioniche, verso l’elettrodo opposto, l’anodo.
Questo flusso di particelle cariche, che si mantiene sempre ordinato, genera una differenza di potenziale. In corrispondenza degli elettrodi finali, avviene una reazione redox che trasforma questo movimento ionico in corrente elettrica continua pronta per essere immessa in rete e sfruttata, dopo la conversione in alternata.
L’energia osmotica e il problema della resistenza interna
Il punto debole della RED di stampo classico è sempre stata l’acqua di fiume. Il fluido dolce, diversamente da quello salato, ha bassa conduttività. Ciò significa che oppone una forte resistenza elettrica al passaggio degli ioni, lavando via gran parte dell’energia prodotta. Per tal motivo, la tecnologia osmotica non è mai stata presa seriamente in considerazione, almeno fino a oggi.
In tempi recenti, si è introdotto un nuovo step, il quale ha rilanciato l’elettrodialisi inversa. Si tratta del recupero energetico della salamoia. Se invece dell’acqua di mare usiamo salamoia iper-salina, facilmente ottenibile perché naturale scarto del dissalatore; e all’acqua di fiume sostituiamo quella reflua dei depuratori, dolce poiché ripulita, ma ricca di ioni capaci di aumentarne la conduttività, la resistenza interna crolla. In questo scenario, la densità di potenza schizza in alto, e un impianto di questo tipo, pur restando piuttosto costoso, diventa economicamente più sostenibile.
Tecnologia 2: PRO (Pressure retarded osmosis), la diga molecolare
L’osmosi a pressione ritardata, o PRO, secondo il suo acronimo inglese, approccia il problema in modo meccanico, piuttosto che elettrochimico. In questo caso, non si sfrutta la carica elettrica degli ioni, bensì la pressione fisica generata dal movimento dell’acqua.
Sfruttare la pressione osmotica
Nella PRO, si utilizza una membrana semipermeabile per separare l’acqua dolce dall’acqua salata. Per un fenomeno naturale – quello dell’osmosi che rende possibile l’intera tecnologia cui abbiamo dedicato questo articolo – l’acqua dolce è portata a diluire il sale e attraversa spontaneamente la membrana, così da poter entrare nella camera dove è racchiusa quella salata.
Dal momento che questo spazio si mantiene chiuso, l’ingresso dell’acqua dolce provoca un improvviso aumento di volume e pressione. Trattandosi di un incremento enorme, è facile raggiungere pressioni che possono arrivare anche a 20 bar, più o meno come una colonna d’acqua di 200 metri. Il fluido pressurizzato viene poi convogliato verso una turbina idroelettrica.
Sebbene la tecnologia PRO sia storicamente più efficiente della RED, e abbia riportato prestazioni migliori, in termini di pura densità energetica, sia in fase sperimentale, in laboratorio, sia alla prova dei fatti, essa richiede che l’acqua utilizzata sia estremamente pura. Le membrane di cui ci si serve sono più delicate di quelle impiegate per la RED e si sono dimostrate molto più sensibili alle impurità.
Energia osmotica: RED oppure PRO, una tabella tecnica
| Parametro | RED (Elettrodialisi Inversa) | PRO (Osmosi a Pressione) |
| Principio di Funzionamento | Sfrutta il gradiente di salinità per generare un potenziale elettrico attraverso l’uso di membrane cationiche e anioniche, selettive agli ioni, le quali separano l’acqua dolce da quella salata. | Sfrutta il gradiente di pressione osmotica applicando una pressione controllata all’acqua salata, per forzarla attraverso una membrana semipermeabile verso l’acqua dolce. |
| Output Primario di Energia | Elettricità diretta generata per via elettrochimica. L’energia è prodotta direttamente sotto forma di corrente elettrica continua. | Energia meccanica, che va convertita in elettricità attraverso l’impiego di turbina e generatore. |
| Componente Chiave e Costi | Membrane a scambio ionico piuttosto costose, e tecnologicamente complesse da produrre su larga scala, ma essenziali per effettuare la separazione degli ioni. | Membrane semipermeabili, considerevolmente più economiche e largamente utilizzate in processi come l’osmosi inversa, con costo inferiore per unità di superficie. |
| Sensibilità al Fouling | Media. Il fouling biologico, l’incrostazione ionica e organica che si forma sulle membrane, può bloccare il passaggio efficiente degli ioni, riducendo l’efficienza elettrochimica. | Alta. Essendo basata sul passaggio fisico attraverso micropori, è estremamente sensibile al fouling biologico, particellare o organico. Esso può bloccare fisicamente i pori e ridurre drasticamente flusso osmotico e pressione. |
| Pretrattamento Acque | Richiede un pretrattamento per mitigare il fouling, ma in linea di principio è meno esigente rispetto alla PRO per quanto riguarda la rimozione totale di particelle fisiche. | Necessita di un pretrattamento intensivo e costoso per garantire la longevità e l’efficienza della membrana, data l’alta sensibilità al blocco dei pori. |
| Efficienza Teorica | Potenziale di conversione energetica relativamente alto e direttamente correlato alla differenza di salinità, data dalla concentrazione di ioni. | Alta efficienza teorica, specialmente a differenze di salinità molto marcate, con la necessità di sistemi di recupero energetico, come ad esempio una turbina con recuperatore di pressione. |
| Applicazione Ideale | Combinazione di salamoia industriale e acque reflue trattate, nelle quali la differenza di concentrazione ionica è molto alta e la qualità delle acque può essere controllata. | Foci di fiumi naturali che sfociano in mare, contraddistinti da grandi volumi e stabilità del flusso. Qui l’acqua dolce è naturalmente meno contaminata da elementi chimici complessi, ma l’attenzione al fouling particellare rimane alta. |
| Sviluppo Tecnologico | Tecnologia in fase di ricerca e sviluppo avanzata, con prototipi su scala pilota, ma con troppe barriere legate alla scalabilità e al costo delle membrane che ne impediscono ancora la diffusione. | Tecnologia più matura, grazie alla sua parentela con l’osmosi inversa. Vi sono alcuni impianti pilota operativi, ma restano presenti sfide legate all’ottimizzazione della turbina e alla gestione della pressione. |
| Potenza Specifica Tipica | Bassa. | Relativamente più alta, in condizioni ottimali. |
Il vero nemico da sconfiggere: il biofouling
Al di là degli elevati costi della tecnologia, specie della prima tra le due che abbiamo visto, il motivo per il quale l’energia osmotica fatica così tanto a imporsi è l’inevitabile formazione di una pellicola biologica indesiderata sulle membrane, che ne impedisce l’efficacia costante. Gli scienziati definiscono questa eventualità biofouling.
La morte delle membrane: il dramma dell’energia osmotica
Le membrane osmotiche funzionano come veri e propri setacci microscopici. L’acqua di mare e quella dolce, compresa la reflua, sono colme di batteri; alghe e sostanze organiche. Questi organismi trovano sulla superficie della membrana uno spazio ideale per insediarsi e moltiplicarsi. Nel giro di poche settimane, il biofilm può ridurre la permeabilità e lo scambio ionico del 40%, rendendo l’impianto inefficiente in poco tempo e aumentando, anche sensibilmente, i costi di pompaggio.
Possibili soluzioni: shock e prevenzione
La ricerca sta sviluppando alcune strategie per mantenere le membrane pulite, senza dover fermare l’impianto per intervenire, influendo negativamente sulla produzione di energia:
- inversioni di polarità cicliche: Negli impianti RED, si inverte periodicamente il flusso degli ioni. Questo shock elettrico e chimico stacca fisicamente i batteri dalla superficie delle membrane, prima che possano consolidarsi e agire su di esse.
- Pre-trattamento UV: L’uso di lampade a ultravioletti, per sterilizzare l’acqua in ingresso, elimina la carica batterica alla radice, senza alcun bisogno di ricorrere a cloro o altri prodotti chimici che danneggerebbero le delicate membrane polimeriche.
L’energia osmotica rappresenta una sorta di tassello mancante nell’economia circolare costiera. Trasformare il problema degli scarti, come per esempio la salamoia, tossica per i pesci, e i reflui provenienti dagli impianti di depurazione urbani, in una soluzione energetica pulita e costante è una sfida tecnologica che possiamo vincere, perché abbiamo strumenti e conoscenze. Occorre ancora riuscire ad abbassare il costo della tecnologia ma chissà che, a breve, ogni volta in cui guarderemo un fiume sfociare in mare non avremo di fronte a noi una gigantesca centrale elettrica invisibile.
