La desalinizzazione può soddisfare la sete dell’agricoltura?
Ralph Loya era abbastanza sicuro che avrebbe perso il mais. La sua fattoria era stata bruciata dal giugno più caldo di sempre a El Paso e dal secondo agosto più caldo; la contea del West Texas ha visto 53 giorni superare i 100 gradi Fahrenheit nell’estate del 2024. La regione stava anche attraversando una siccità in corso, il che significava che i raccolti sugli oltre otto acri di meloni, gombo, cetrioli e altri prodotti di Loya dovevano essere annaffiati più spesso del normale.
Loya aveva irrigato il suo mais con acqua un po’ salata, o salmastra, pompata dal suo pozzo, per quanto il raccolto sensibile al sale potesse tollerare. Non era abbastanza, e l’acqua comunale era costosa; la stava usando con moderazione e le pannocchie di mais si stavano disseccando dove si trovavano.
La minaccia nascosta dell’aumento delle falde acquifere costiere
Garantire la sopravvivenza dell’agricoltura in un clima sempre più instabile sta diventando una crisi negli Stati Uniti occidentali e sud-occidentali , un’area che fornisce gran parte della nostra carne bovina e latticini, erba medica, noci e prodotti agricoli. Alle prese con una quantità d’acqua insufficiente per sostenere le loro piante e i loro animali, gli agricoltori hanno arato i raccolti, estirpato alberi, lasciato a maggese i campi e venduto le mandrie. Hanno anche utilizzato l’irrigazione a goccia per iniettare piccole dosi d’acqua più vicine alle radici delle piante e installato sensori nel terreno che indicano con maggiore precisione quando e quanto annaffiare.
Negli ultimi cinque anni, i ricercatori hanno iniziato a capire come l’acqua salmastra, estratta dalle falde acquifere sotterranee , potrebbe essere desalinizzata a un costo sufficientemente basso da offrire agli agricoltori un altro strumento di resilienza idrica. La proprietà di Loya, che trae la sua acqua leggermente salata dalla falda acquifera di Hueco Bolson , sta per diventare un sito pilota per testare quanto efficientemente l’acqua di falda desalinizzata possa essere utilizzata per coltivare colture in luoghi altrimenti poveri di acqua.
La desalinizzazione rende l’acqua meno salata. Di solito viene applicata all’acqua aspirata dall’oceano, generalmente in terre aride con poche opzioni; alcuni paesi del Golfo, africani e insulari dipendono in larga misura o interamente dall’acqua di mare desalinizzata. La desalinizzazione interna avviene lontano dalle coste, con acque di falda che sono salmastre, contenenti tra 1.000 e 10.000 milligrammi di sale per litro , rispetto ai circa 35.000 milligrammi per litro dell’acqua di mare. Il Texas ha più di tre dozzine di impianti centralizzati di desalinizzazione delle acque sotterranee salmastre, la California più di 20.
Una tecnologia del genere è stata a lungo considerata troppo costosa per l’agricoltura. Alcuni esperti la ritengono ancora un’utopia. “La vediamo come una bella soluzione appropriata in alcuni contesti, ma per l’agricoltura è difficile da giustificare, francamente”, afferma Brad Franklin , economista agricolo e ambientale presso il Public Policy Institute of California. La desalinatura di un piede acro (circa 326.000 galloni) di acqua di falda salmastra per le colture ora costa circa $ 800, mentre gli agricoltori possono pagare molto meno, fino a $ 3 per piede acro per alcuni titolari di diritti senior in alcuni luoghi, per l’acqua dolce comunale. Di conseguenza, la desalinizzazione è stata in gran parte riservata alla produzione di liquidi adatti alle persone da bere. In alcuni casi, inoltre, la desalinizzazione nell’entroterra può essere rischiosa per l’ambiente, mettendo in pericolo le piante e gli animali nelle vicinanze e riducendo i flussi dei corsi d’acqua.
Ma l’ US Bureau of Reclamation , insieme a un’operazione di ricerca chiamata National Alliance for Water Innovation (NAWI) a cui sono stati concessi 185 milioni di dollari dal Department of Energy, ha recentemente investito in progetti che potrebbero capovolgere questo paradigma. Riconoscendo l’urgente necessità di acqua dolce per le aziende agricole, che negli Stati Uniti sono per lo più nell’entroterra, combinata con l’abbondante acqua salata sotto i nostri piedi, queste entità hanno finanziato progetti che potrebbero aiutare a far progredire piccoli sistemi di desalinizzazione decentralizzati che possono essere installati proprio nelle aziende agricole dove sono necessari. Loya’s è uno di questi.
Le aziende agricole statunitensi consumano oltre 83 milioni di acri-piedi (oltre 27 trilioni di galloni) di acqua per l’irrigazione ogni anno, la seconda industria più dispendiosa in termini di acqua nel paese, dopo l’energia termoelettrica. Non tutte le falde acquifere sono salmastre, ma la maggior parte di quelle che lo sono si trova nell’ovest del paese e di solito sono più saline quanto più si scava in profondità. Con l’acqua dolce ovunque nel mondo che diventa più salata a causa dell’attività umana , “dobbiamo risolvere la desalinizzazione interna per l’agricoltura … per coltivare tutto il cibo di cui abbiamo bisogno”, afferma Susan Amrose, una ricercatrice scientifica al MIT che studia la desalinizzazione interna in Medio Oriente e Nord Africa.
Ciò significa ridurre i costi energetici e altri costi operativi; semplificare la gestione dei sistemi da parte degli agricoltori; e capire come ridurre drasticamente la salamoia residua, che deve essere smaltita ed è considerata il “tallone d’Achille” del processo, secondo un ricercatore.
L’ultimo quinquennio di ritocchi scientifici sta ora dando risultati tangibili, afferma Peter Fiske, direttore esecutivo di NAWI. “Pensiamo di avere una chiara linea di mira per l’acqua di qualità agricola”.
Ingoiare il costo elevato
Fiske ritiene che le mini-piante agricole possano essere convenienti per la produzione di colture di alto valore come broccoli, bacche e noci, alcune delle quali necessitano di molta irrigazione. Quegli 800 dollari per acro-piede sono stati ottenuti tagliando l’uso di energia, riducendo la salamoia e rivoluzionando alcune parti e materiali. È ancora costoso, ma probabilmente ne vale la pena per un agricoltore che coltiva mandorle o pistacchi in California, al contrario degli agricoltori che coltivano colture di materie prime di minor valore come grano e soia, per i quali la desalinizzazione probabilmente non si rivelerà mai conveniente. Come coltivatore di noci, “firmerei 800 dollari per acro-piede d’acqua finché le mucche non tornano a casa”, afferma Fiske.
Il pilota di Loya è in fase di costruzione con finanziamenti del Bureau of Reclamation e utilizzerà un processo comune chiamato osmosi inversa . La pressione spinge l’acqua salata attraverso una membrana semipermeabile; l’acqua dolce esce dall’altro lato, lasciando dietro di sé i sali come salamoia concentrata. Loya pensa di poter fare buoni soldi usando acqua desalinizzata per coltivare non solo mais esigente, ma anche uve ancora più esigenti che potrebbe riuscire a vendere a un prezzo maggiorato alle aziende vinicole locali.
Un sistema così piccolo condivide alcuni dei problemi dei suoi cugini su larga scala, principalmente lo smaltimento della salamoia. El Paso, ad esempio, vanta il più grande impianto di desalinizzazione interna al mondo , che produce 27,5 milioni di galloni di acqua potabile al giorno. Lì, ogni gallone di acqua salmastra viene diviso in due flussi: acqua dolce e salamoia residua, con un rapporto dell’83% a 17%. Poiché non c’è un oceano in cui scaricare la salamoia, come nella desalinizzazione dell’acqua di mare, questo impianto la inietta in formazioni rocciose profonde e porose, un processo troppo costoso e complicato per gli agricoltori.
Ma cosa succederebbe se la desalinizzazione potesse creare il 90 o 95% di acqua dolce e il 5-10% di salamoia? Cosa succederebbe se si potesse ottenere il 100% di acqua dolce, con solo un sacchetto di sali secchi avanzato ? Gestire quei solidi è molto più sicuro e facile, “perché la salamoia di acqua super salata è davvero corrosiva… quindi bisogna trasportarla in camion di acciaio inossidabile”, afferma Fiske.
Infine, cosa succederebbe se quei sali potessero essere scomposti in componenti : litio, essenziale per le batterie; magnesio, utilizzato per creare leghe; gesso, trasformato in cartongesso; così come oro, platino e altri elementi delle terre rare che possono essere venduti ai produttori? L’impianto di El Paso partecipa già all’ “estrazione” di gesso e acido cloridrico per clienti industriali.
La salamoia di Loya verrà convogliata in una vasca di evaporazione. Alla fine, dovrà pagare per smaltire in discarica i solidi essiccati, afferma Quantum Wei, fondatore e CEO di Harmony Desalting , che sta costruendo l’impianto di Loya. Ci sono altre spese: perforare un pozzo (Loya, fortunatamente, ne ha già uno per il progetto); costruire l’impianto fisico; e fornire l’elettricità per pompare l’acqua giorno dopo giorno. Queste sono amare pillole finanziarie per un agricoltore. “Non stiamo diventando ricchi; per niente”, afferma Loya.
Un costo maggiore deriva dalla desalinizzazione stessa. L’energia necessaria per l’osmosi inversa è molta, e più salata è l’acqua, maggiore è la necessità. Inoltre, le membrane che catturano il sale sono sottilissime, e tutta quella pressione le distrugge; inoltre, si incrostano e devono essere trattate con sostanze chimiche.
L’osmosi inversa presenta un altro problema per gli agricoltori. Non rimuove solo gli ioni di sale dall’acqua, ma anche gli ioni di minerali benefici , come calcio, magnesio e solfato. Secondo Amrose, ciò significa che gli agricoltori devono aggiungere fertilizzante o mescolare acqua pretrattata per sostituire gli ioni essenziali che il processo ha eliminato.
Per aggirare tali sfide, un team finanziato dal NAWI sta sperimentando membrane ad altissima pressione , realizzate in plastica più rigida, in grado di resistere a una spinta molto più forte. I risultati finora sembrano “abbastanza incoraggianti”, afferma Fiske. Un altro sta esaminando un sistema in cui un solvente chimico immerso in acqua isola il sale senza una membrana, come il polimero all’interno di un pannolino assorbe l’urina. Il solvente, in questo caso il comune composto di lavorazione alimentare dimetil etere, verrebbe utilizzato più e più volte per evitare rifiuti potenzialmente tossici. Si è dimostrato abbastanza economico da essere preso in considerazione per l’uso agricolo.
Amrose sta testando un sistema che utilizza l’elettrodialisi anziché l’osmosi inversa. Questo invia un’ondata costante di tensione attraverso l’acqua per tirare gli ioni di sale attraverso una pila alternata di membrane caricate positivamente e negativamente. Spiega Amrose, “Si ottengono gli ioni negativi che vanno verso il rispettivo elettrodo finché non riescono a passare attraverso le membrane e rimangono bloccati”, e lo stesso accade con gli ioni positivi. Il processo ottiene un recupero di acqua dolce molto più elevato nei piccoli sistemi rispetto all’osmosi inversa ed è due volte più efficiente dal punto di vista energetico a salinità inferiori. Anche le membrane durano più a lungo (10 anni contro i tre o cinque anni), afferma Amrose, e possono consentire il passaggio di minerali essenziali .
Progettazione basata sui dati
Nella fattoria di Loya, Wei percorre la proprietà in una mattina estiva afosa con un’azienda di ingegneria locale a cui ha chiesto di progettare il bacino di stoccaggio della salamoia. Loya è ansioso che il bacino sia il più piccolo possibile per mantenere la terra arabile in produzione; Wei è più preoccupato che sia abbastanza grande e profondo. Per tenerne conto, esaminerà le condizioni meteorologiche medie dal 1954, nonché i dati peggiori degli ultimi 25 anni relativi ai tassi mensili di evaporazione e precipitazioni. Dividerà inoltre lo spazio in due sezioni in modo che una possa essere pulita mentre l’altra è in uso. Il bacino di Loya sarà probabilmente di un decimo di acro, scavato da tre a sei piedi di profondità.
L’impianto di desalinizzazione abbinerà membrane a osmosi inversa a un processo “batch”, spingendo l’acqua più volte anziché una sola e aumentando gradualmente la pressione. L’osmosi inversa normale è ad alta intensità energetica perché applica costantemente le pressioni più elevate, afferma Wei, ma il processo di Harmony risparmia energia utilizzando pressioni inferiori per iniziare. Un controlavaggio tra i cicli impedisce la formazione di calcare sciogliendo i cristalli minerali e lavandoli via. “Si ottiene davvero il vantaggio che l’agricoltore non deve occuparsi del dosaggio di sostanze chimiche o della sostituzione delle membrane”, afferma Wei. “Il nostro obiettivo è renderlo il più indolore possibile”.
Un’altra innovazione di Harmony concentra la salamoia residua facendola passare attraverso una membrana di nanofiltrazione nel loro sistema batch; tali membrane sono solitamente utilizzate per pretrattare l’acqua per ridurre le incrostazioni o per recuperare minerali, ma Wei ritiene che il suo sistema sia il primo a combinarle con l’osmosi inversa batch. “ Questo è ciò che taglierà davvero i volumi di salamoia”, afferma. L’intero sistema sarà collegato a pannelli solari, mantenendo l’energia di Loya fuori dalla rete e sostanzialmente gratuita. Se tutto andrà secondo i piani, il sistema sarà operativo all’inizio del 2025 e produrrà sette galloni di acqua dolce al minuto durante il sole più forte della giornata, con un obiettivo di recupero di acqua dolce del 90-95%. L’acqua non utilizzata immediatamente per l’irrigazione verrà immagazzinata in un serbatoio.
Diffondere la ricerca
Novantaotto miglia a nord della fattoria di Loya, lungo una distesa di strada piatta e infinitamente beige che costeggia il White Sands Missile Range, altri progetti di desalinizzazione gorgogliano al Brackish Groundwater National Desalination Research Facility ad Alamogordo, New Mexico. La struttura, gestita dal Bureau of Reclamation, offre agli scienziati un laboratorio e quattro pozzi di diversa salinità con cui armeggiare.
Su un terreno arido ai piedi dei Monti Sacramento, un progetto pilota agricolo di lunga data cuoce sotto una luce solare implacabile. Dopo alcune parole preventive sui tre stagni di salamoia nella proprietà — “Hanno un odore interessante, a metà tra lo zoo e l’oceano” — la responsabile della struttura Malynda Cappelle guida un golf cart pieno di visitatori oltre i pannelli solari e le cisterne d’acqua fino a un appezzamento recintato di polvere e piante. Qui, dal 2019, un team della University of North Texas, della New Mexico State University e della Colorado State University ha testato girasoli, fave e, attualmente, 16 appezzamenti di fagioli pinto. Alcuni appezzamenti sono di terra nuda; altri sono ricoperti di compost che aumenta i nutrienti, mantiene il terreno umido e fornisce una barriera salina. Alcuni appezzamenti sono irrigati a goccia con acqua salmastra direttamente da un pozzo; alcuni ricevono una miscela di acqua desalinizzata/salmastra.
Osservando le parcelle anche da lontano, le piante nelle parcelle con acqua più dolce sembrano grandi e sane. Ma quelle con compost sono quasi altrettanto vigorose, anche se irrigate con acqua salmastra. Ciò potrebbe avere implicazioni significative per gli agricoltori attenti al denaro. “Forse facciamo un livello minore di desalinizzazione, più miscelazione e questo ridurrà i costi”, afferma Cappelle.
Pei Xu è stata co-investigatrice di questo progetto sin dal suo inizio. È anche la progenitrice di un progetto pilota finanziato da NAWI presso l’impianto di desalinizzazione di El Paso. Più tardi, in uno spazio con soffitti alti accanto alla sala di trattamento dell’impianto, ne mostra i pezzi consequenziali. Come il sistema di Amrose, il suo utilizza l’elettrodialisi. In questo caso, però, Xu mira a spremere un po’ di acqua fresca aggiuntiva, almeno abbastanza fresca, dalla salamoia residua dell’impianto. Con livelli di salinità opportunamente bassi, l’impianto potrebbe convogliarla agli agricoltori attraverso l’attuale sistema di canali della contea, trasformando un prodotto di scarto in una risorsa preziosa.
Il lavoro di Xu sui fagioli pinto e a El Paso, e quello di Amrose in Medio Oriente, sono tutti rilevanti per i progetti pilota e futuri di Harmony. “Idealmente possiamo migliorare la desalinizzazione al punto che sia un’opzione seriamente presa in considerazione”, afferma Wei. “Ma ancora più importante, penso che il nostro ruolo ora e in futuro sia quello di custodi dell’acqua, ovvero lavorare con ogni azienda agricola per comprendere la loro situazione e quindi consigliare il percorso migliore da seguire… indipendentemente dal fatto che la desalinizzazione sia coinvolta o meno”.
In effetti, man mano che la scarsità d’acqua diventa sempre più acuta , i progressi nella desalinizzazione aiuteranno l’agricoltura solo fino a un certo punto; persino i ricercatori che hanno dedicato anni alla risoluzione delle sue sfide affermano che non è una panacea. “Quello che stiamo cercando di fare è fornire quanta più acqua possibile al minor costo possibile, ma questo non incoraggia davvero un uso intelligente dell’acqua”, afferma Fiske di NAWI. “In alcuni casi, incoraggia persino il contrario. Perché coltiviamo erba medica in mezzo al deserto ?”
Franklin, del California Policy Institute, evidenzia un altro estremo: ventuno dei bacini di falde acquifere dello stato sono già gravemente impoveriti , alcuni a causa dello sfruttamento eccessivo dell’agricoltura . Il pompaggio di falde acquifere salmastre per la desalinizzazione potrebbe aggravare i rischi ambientali.
Ci sono una serie di misure, affermano i ricercatori, che gli agricoltori stessi devono adottare per sopravvivere, con la cattura dell’acqua piovana e la riparazione delle infrastrutture che perdono in cima alla lista. “La desalinizzazione non è la soluzione migliore, unica o prima”, afferma Wei. Ma ritiene che se usata saggiamente insieme ad altre soluzioni parziali intelligenti, potrebbe prevenire alcune delle peggiori catastrofi legate all’acqua per il nostro sistema alimentare.
Lela Nargi è una giornalista che si occupa di sistemi alimentari e agricoli, scienza del clima e questioni di giustizia sociale. È anche una media fellow del Nova Institute for Health 2023-24.
Fonte: Yale Climate Connections
https://www.asterios.it/catalogo/analogico-e-digitale