Costo della desalinizzazione per gallone: Scambi energetici, tecnologici e ambientali

Tecnologia di desalinizzazione converte l'acqua di mare in acqua dolce potabile o utilizzabile, rimuovendo sali e impurità. Questa tecnologia si caratterizza per la sua indipendenza da inondazioni, migrazioni, pregiudizi politici e vincoli climatici. L'affidabilità e la qualità dell'approvvigionamento idrico non sono influenzate dalla posizione geografica, dalle condizioni ambientali, dai modelli climatici o dai fattori sociali. Con la diminuzione delle risorse di acqua dolce a causa del riscaldamento globale, della desertificazione e dell'inquinamento ambientale, insieme alla crescita della popolazione mondiale, la desalinizzazione ha compiuto rapidi progressi negli ultimi anni. Ha dimostrato di essere un'opzione affidabile ed efficace per l'approvvigionamento idrico, rappresentando una soluzione vitale per affrontare la carenza di risorse nelle regioni costiere e nelle isole offshore.

Quali sono le tecnologie di desalinizzazione?

Attualmente, la desalinizzazione impiega principalmente due categorie di tecnologie: metodi termici (distillazione) e ro metodi a membrana (osmosi inversa).

I metodi termici includono il Multi-Stage Flash (MSF) e la Distillazione Multi-Effetto (MED). La MSF prevede l'introduzione di acqua di mare riscaldata in un recipiente a bassa pressione per l'evaporazione e la condensazione istantanee; la MED utilizza passaggi multipli di vapore per riscaldare ed evaporare in sequenza l'acqua di mare. I metodi termici sono maturi e altamente sicuri, ma consumano molta energia.

I metodi a membrana comprendono principalmente la tecnologia dell'osmosi inversa (RO), che utilizza l'alta pressione per forzare l'acqua di mare attraverso una membrana semipermeabile, trattenendo i sali e consentendo il passaggio dell'acqua dolce. Il consumo energetico principale della RO risiede nell'elettricità utilizzata dalle pompe ad alta pressione, che rappresenta il 40%-50% dei costi. Tuttavia, il consumo energetico complessivo è relativamente basso (circa 3-4 kWh/metro cubo), il che la rende la tecnologia di desalinizzazione dell'acqua di mare in più rapida crescita.

Qual è il costo della desalinizzazione dell'acqua di mare per gallone?

Costi della desalinizzazione dell'acqua di mare variano significativamente in base alla tecnologia, alla scala e alla posizione geografica. Secondo la ricerca internazionale e l'esperienza pratica, i costi variano in genere da $0,5 a $3 per metro cubo.

In Cina, la desalinizzazione a osmosi inversa costa circa $0,61-$1,22/ton, mentre le tecnologie di desalinizzazione termica costano $0,92-$1,83/ton. Convertito in costo per gallone, ciò equivale a circa o $0,002-$0,005 per gallone.

A livello internazionale, i costi della desalinizzazione presentano una maggiore diversità. In Medio Oriente, le economie di scala e le sovvenzioni possono ridurre i costi fino a $0,31-$0,61/ton. Recenti offerte internazionali per progetti di desalinizzazione hanno addirittura raggiunto 0,4-0,6 USD/metro cubo. Alcuni progetti sauditi che utilizzano la tecnologia di accoppiamento solare raggiungono costi di 0,4 USD/ton.

 Quali sono i costi di costruzione degli impianti di desalinizzazione globali?

Di seguito è riportato un confronto dei costi di costruzione di 15 impianti di desalinizzazione rappresentativi:

Nome del progetto	Regione	Capacità (10^4 m³/giorno)	Tecnologia	Anno di completamento	Costo di costruzione
Shubaybah 3	La Mecca, Arabia Saudita	128.2	MSF, RO	2019	$821 milioni
Sorek	Tel Aviv, Israele	117.2	RO	2023	$1,5 miliardi
Ras Al-Khair	Arabia Saudita	103.6	MSF, RO	2014	$1,76 miliardi
Tawila	Abu Dhabi, Emirati Arabi Uniti	90.92	RO	2022	$890 milioni
Parco industriale Jubail 3A	Arabia Saudita	60	RO	2022	$650 milioni

Quali sono le capacità produttive e le caratteristiche tecnologiche dei cinque principali impianti di desalinizzazione del mondo?

1. Ras Al-Khair, Arabia Saudita: Capacità giornaliera di 1,036 milioni di metri cubi, che utilizza un processo combinato MSF e RO con generazione di energia integrata, messo in funzione nel 2014.
2. Tawila, Emirati Arabi Uniti: Capacità giornaliera di 909.200 metri cubi, tecnologia RO pura, operativa dal 2022, con costi a partire da $0,0018 per gallone.
3. Shuaiba 3, Arabia Saudita: Capacità giornaliera di 1.282.000 metri cubi, ampliata per diventare la più grande al mondo, che combina le tecnologie MSF e RO.
4. Arabia Saudita Jubail: Capacità giornaliera di 800.000 metri cubi, modello di cogenerazione, che utilizza la tecnologia di distillazione multi-effetto (MED).
5. EAU Um Al Quwain: Capacità giornaliera di 682.000 metri cubi, processo RO puro, costruito da China Gezhouba Group, operativo dal 2022.

Stato attuale delle applicazioni globali delle tecnologie di desalinizzazione

• Regione del Medio Oriente: Paesi come l'Arabia Saudita e gli Emirati Arabi Uniti si affidano alla desalinizzazione per oltre 90% del loro fabbisogno di acqua potabile. L'Arabia Saudita ospita il più grande gruppo di impianti di desalinizzazione al mondo.
• Singapore: Utilizzando la tecnologia RO avanzata, l'acqua desalinizzata rappresenta 30% dell'approvvigionamento idrico totale, diventando una fonte idrica fondamentale.
• Cina: Città costiere come Shanghai e Tianjin promuovono la desalinizzazione per il raffreddamento industriale e l'uso municipale, con una capacità annuale superiore a un milione di tonnellate.
• Australia: L'Australia occidentale costruisce impianti di desalinizzazione su larga scala per far fronte alla carenza d'acqua nei climi aridi.

Quali fattori influenzano i costi della desalinizzazione?

I costi della desalinizzazione dell'acqua di mare sono influenzati da molteplici fattori, tra cui principalmente:

Spese per l'energia: Questa è la componente di costo più importante. Per l'osmosi inversa, i costi dell'elettricità rappresentano 41,49% delle spese totali; per la distillazione a più effetti, i costi del vapore rappresentano 34,76% dei costi totali. Una riduzione di 20% dei prezzi dell'elettricità riduce i costi di produzione dell'acqua da osmosi inversa di 11,86% per tonnellata.

Investimento di capitale: Comprendendo l'acquisto di attrezzature e i costi di costruzione, questo rappresenta una parte significativa delle spese totali. L'acquisto di attrezzature e utensili rappresenta circa 58% di investimenti di capitale. Una riduzione di 20% degli investimenti di capitale può ridurre i costi di produzione della desalinizzazione di 14,68%.

Economie di scala: I progetti più grandi raggiungono costi unitari inferiori. I progetti con volumi di produzione giornaliera più elevati presentano costi di desalinizzazione ridotti per tonnellata d'acqua.

Posizione geografica e qualità dell'acqua: I costi più elevati si verificano nelle aree con scarsa qualità dell'acqua di mare o con accesso limitato all'energia a basso costo. Le regioni costiere hanno generalmente costi più bassi, mentre le aree interne tendono ad essere più costose.

Selezione della tecnologia: L'osmosi inversa offre in genere costi inferiori rispetto ai metodi termici. Tuttavia, i costi termici possono essere ridotti in modo significativo se sono disponibili risorse economiche di vapore o di calore di scarto.

Quanta parte dei costi è attribuita al consumo di energia?

Il consumo di energia costituisce la componente principale dei costi di desalinizzazione. Per processi di desalinizzazione a osmosi inversa, Il consumo di elettricità varia da 3 a 5 kWh per tonnellata d'acqua, e le spese per l'elettricità rappresentano il 40%-50% dei costi totali.

Per i processi di desalinizzazione con distillazione multi-effetto (MED), il consumo di elettricità è di 0,9-1,5 kWh per tonnellata, ma è necessaria anche l'energia del vapore. Quando il vapore proviene dal vapore di scarico o dal calore residuo, i costi del vapore diventano trascurabili, riducendo sostanzialmente le spese di produzione dell'acqua.

Il progetto di desalinizzazione Rabigh Phase IV in Arabia Saudita impiega una tecnologia avanzata, riducendo il consumo di elettricità a 2,78 kWh per tonnellata di acqua prodotta. Alle tariffe elettriche industriali dell'Arabia Saudita, il costo per desalinizzare una tonnellata di acqua di mare è di soli $0,3.

Quali sono i costi di investimento per i progetti di desalinizzazione su larga scala?

I progetti di desalinizzazione su larga scala comportano notevoli costi di investimento. Questi variano in modo significativo a seconda della tecnologia e della scala:

I progetti di desalinizzazione a osmosi inversa richiedono investimenti di 1.000-1.500 dollari per tonnellata d'acqua; gli investimenti per i progetti di desalinizzazione con distillazione sotto vuoto a effetto multiplo (MEVD) vanno da 1.200 a 2.000 dollari per tonnellata d'acqua.

Esempi di progetti specifici sono:

• Il progetto israeliano di desalinizzazione Sorek Fase II, con un investimento di $1,5 miliardi e una capacità giornaliera prevista di 820.000 tonnellate.
• Il progetto di desalinizzazione Rabigh Phase IV dell'Arabia Saudita, con un investimento di $0,7 miliardi e una produzione giornaliera di acqua dolce di 600.000 tonnellate.

Il progetto di desalinizzazione Jubail 3A in Arabia Saudita, costruito dalla Cina, ha una capacità giornaliera di 600.000 tonnellate con un investimento di $650 milioni; anche il progetto Rabigh 3 produce 600.000 tonnellate giornaliere al costo di $690 milioni.

Qual è l'economia della desalinizzazione rispetto alle fonti idriche tradizionali?

I costi della desalinizzazione stanno diventando sempre più competitivi rispetto alle fonti idriche convenzionali. In Cina, il costo medio per tonnellata di acqua desalinizzata varia da 0,8 a 0,2 usd, significativamente più alto rispetto agli 0,8-0,9 usd dei progetti avanzati all'estero. Tuttavia, rimane inferiore ai costi di trasferimento dell'acqua in alcune regioni con scarsità d'acqua.

Qingdao ha stabilito una capacità di desalinizzazione superiore a 230.000 tonnellate al giorno. La Baifa Desalination Co., Ltd. applica un costo medio di utilizzo dell'acqua per uso industriale di 0,9 usd/ton e un costo di utilizzo municipale di 0,75 usd/ton. L'impianto di desalinizzazione di Dongjiakou fa pagare l'acqua desalinizzata 0,65 usd per tonnellata.

Mentre desalinizzazione dell'acqua di mare non può ancora sostituire completamente i progetti di deviazione dell'acqua tra bacini, come il South-to-North Water Diversion Project, ma presenta vantaggi unici nelle regioni costiere. Serve come fonte d'acqua supplementare per soddisfare alcune richieste industriali e domestiche. Con i progressi tecnologici e l'aumento della scala, si prevede che i costi della desalinizzazione diminuiranno ulteriormente, aumentando la sua competitività rispetto alle fonti idriche tradizionali.

I costi della desalinizzazione continueranno a diminuire in futuro?

Sì, i costi della desalinizzazione sono destinati a diminuire. Negli ultimi due decenni, il consumo di elettricità necessario per trattare un metro cubo di acqua di mare con la tecnologia dell'osmosi inversa è sceso da 5 kWh a meno di 3 kWh. Tra il 1999 e il 2017, i costi dell'osmosi inversa e della distillazione a bassa temperatura a più effetti sono diminuiti rispettivamente di circa 29,75% e 36,97%.

Le vie principali per la futura riduzione dei costi includono:

Innovazione tecnologica: Sviluppo di nuove tecnologie di desalinizzazione ad alta efficienza energetica per migliorare la qualità complessiva e la competitività di base. Tra gli esempi, la ricerca sulle membrane di grafene e sui sistemi a osmosi inversa (FO).

Produzione di apparecchiature nazionali: La produzione nazionale di apparecchiature di desalinizzazione ridurrà i costi di progettazione degli impianti di desalinizzazione nazionali di 20-30% rispetto alle controparti estere, abbassando i corrispondenti costi di desalinizzazione di 10-15%.

Ottimizzazione energetica: Riduzione significativa dei costi energetici attraverso l'utilizzo di fonti energetiche rinnovabili (fotovoltaico, eolico) per la produzione di energia, lo sfruttamento del calore industriale di scarto (ad esempio, i fumi di scarico delle ciminiere delle centrali elettriche, gli scarichi di raffreddamento delle acciaierie) e lo sviluppo di soluzioni integrate “energia eolica-desalinizzazione-produzione di idrogeno”.

Economie di scala: Con l'espansione della scala dei progetti, i costi unitari di investimento e quelli operativi continueranno a diminuire. Con una capacità di desalinizzazione giornaliera globale che dovrebbe raggiungere i 250 milioni di metri cubi entro il 2030, le economie di scala diventeranno sempre più pronunciate.

In sintesi, i costi della desalinizzazione dell'acqua di mare sono scesi da livelli precedentemente proibitivi a tassi competitivi. I futuri progressi tecnologici e l'aumento della scala dovrebbero portare a ulteriori riduzioni dei costi, posizionando la desalinizzazione come una soluzione chiave alle sfide della scarsità d'acqua a livello globale.