Nesso acqua-energia: cos’è, produzione di energia 

Il nesso acqua-energia è il rapporto tra l’ acqua utilizzata per la produzione di energia includendo sia l’elettricità che le fonti di combustibili come petrolio e gas naturale , e l’energia consumata per estrarre, purificare, fornire, riscaldare/raffreddare , trattare e smaltire l’acqua (e le acque reflue) a volte indicata come intensità energetica (EI).La relazione non è veramente un circuito chiuso poiché l’acqua utilizzata per la produzione di energia non deve essere la stessa acqua che viene elaborata utilizzando quell’energia, ma tutte le forme di produzione di energia richiedono un certo apporto di acqua che rende la relazione inestricabile.

Diagramma di Sankey ibrido dei flussi di acqua ed energia interconnessi negli Stati Uniti del 2011

Tra i primi studi a valutare la relazione tra acqua ed energia c’è stata un’analisi del ciclo di vita condotta da Peter Gleick nel 1994 che ne ha evidenziato l’interdipendenza e ha avviato lo studio congiunto di acqua ed energia. Nel 2014 il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) ha pubblicato il rapporto sul nesso acqua-energia citando la necessità di politiche congiunte acqua-energia e una migliore comprensione del nesso e della sua suscettibilità al cambiamento climatico come una questione di sicurezza nazionale .Il diagramma ibrido di Sankey nel rapporto sul nesso acqua-energia del DOE del 2014 riassume i flussi di acqua ed energia negli Stati Uniti per settore, dimostrando interdipendenza oltre che individuare nell’energia termoelettrica l’unico maggior utilizzatore di acqua, utilizzata principalmente per il raffrescamento.

Acqua utilizzata nel settore energetico

Figura 1. WCEP totale per categoria energetica, 2008

Tutti i tipi di produzione di energia elettrica consumano acqua per elaborare le materie prime utilizzate nella struttura, costruire e mantenere l’impianto, o semplicemente per generare l’elettricità stessa. Le fonti energetiche rinnovabili vengono il solare fotovoltaico e l’ eolico , che richiedono poca acqua per produrre energia, richiedono acqua nella lavorazione delle materie prime per costruire. L’acqua può essere utilizzata o consumata e può essere classificata come fresca, macinata, di superficie, blu, grigia o verde, tra le altre.L’acqua si considera utilizzata se non riduce la fornitura di acqua agli utilizzatori a valle, cioè acqua che viene prelevata e restituita alla stessa fonte (instream use), come ad esempio negli impianti termoelettrici che utilizzano l’acqua per il raffreddamento e sono di gran lunga i maggiori utilizzatori d’acqua. Mentre l’acqua utilizzata viene restituita al sistema per usi a valle, di solito è stata degradata in qualche modo, principalmente a causa dell’inquinamento termico o chimico, e il flusso naturale è stato alterato, il che non tiene conto di una valutazione se solo la quantità di acqua è considerata. L’acqua viene consumata quando viene rimossa completamente dal sistema, ad esempio per evaporazione o consumo da parte delle colture o degli esseri umani.Quando si valuta l’uso dell’acqua, devono essere considerati tutti questi fattori, oltre a considerazioni spazio-temporali che rendono molto difficile la determinazione precisa dell’uso dell’acqua.

Spang et al. (2014) hanno condotto uno studio sul consumo di acqua per la produzione di elettricità (WCEP) a livello internazionale che ha mostrato sia la variazione dei tipi di energia prodotta tra i paesi, sia le grandi differenze nell’efficienza della produzione di energia per unità di utilizzo dell’acqua (Figura 1). Il funzionamento dei sistemi di distribuzione dell’acqua e dei sistemi di distribuzione dell’energia in condizioni di emergenza di limitata disponibilità di energia e acqua è una considerazione importante per migliorare la resilienza complessiva del nesso acqua-energia. Khatavkar e Mays (2017a) presentano una metodologia per il controllo dei sistemi di distribuzione dell’acqua e dell’energia elettrica in condizioni di emergenza di siccità e limitata disponibilità di energia per accertare almeno la fornitura minima di acqua di raffreddamento alle centrali elettriche.

Sempre più controverso è stato l’uso delle risorse idriche per la fratturazione idraulica del gas di scisto e delle riserve di tight oil. Molti ambientalisti sono profondamente preoccupati per il potenziale di tali operazioni di esacerbare la scarsità idrica locale (poiché i volumi d’acqua richiesti sono elevati) e di produrre volumi considerevoli di acqua inquinata (sia direttamente attraverso l’inquinamento dell’acqua di fracking, sia indirettamente attraverso la contaminazione delle acque sotterranee). Con l’aumento dei prezzi dell’energia in Nord America e in Europa negli anni ’20, è probabile che l’interesse del governo e dell’industria per la fratturazione idraulica cresca.

Intensità energetica

USA (California)

Nel 2001, i sistemi idrici operativi negli Stati Uniti consumavano circa il 3% dell’elettricità annuale totale (~75 TWh). Il California’s State Water Project (SWP) e il Central Valley Project (CVP) sono insieme il più grande sistema idrico del mondo con il più alto sollevamento idrico, oltre 2000 piedi attraverso le montagne Tehachapi , fornendo acqua dal nord più umido e relativamente rurale del stato, alla valle centrale ad alta intensità agricola , e infine all’aridoe sud densamente popolato. Di conseguenza, SWP e CVP sono i singoli maggiori consumatori di elettricità in California e consumano circa 5 TWh di elettricità ciascuno all’anno. Nel 2001, il 19% del consumo totale di elettricità dello stato (~ 48 TWh/anno) è stato utilizzato per il trattamento dell’acqua, compresi gli usi finali, con il 65% del settore urbano. Oltre all’elettricità, il 30% del consumo di gas naturale della California era dovuto ai processi legati all’acqua, principalmente al riscaldamento dell’acqua residenziale, e 88 milioni di galloni di diesel sono stati consumati dalle pompe delle acque sotterranee per l’agricoltura. Il solo settore residenziale ha rappresentato il 48% del totale combinato di elettricità e gas naturale consumato per i processi legati all’acqua nello stato.

Secondo il rapporto Embedded Energy in Water Studies della Divisione Energia della California Public Utilities Commission (CPUC):

“‘ Intensità energetica ‘ si riferisce alla quantità media di energia necessaria per trasportare o trattare l’acqua o le acque reflue su base unitaria.”

L’intensità energetica è talvolta usata come sinonimo di energia incorporata o incarnata . Nel 2005, è stato stimato che le consegne di acqua alla California meridionale avessero un EI medio di 12,7 MWh/MG, quasi due terzi dei quali dovuti al trasporto. A seguito dei risultati secondo cui un quinto dell’elettricità della California viene consumata in processi legati all’acqua, compreso l’uso finale, il CPUC ha risposto autorizzando uno studio in tutto lo stato sulla relazione tra energia e acqua condotto dal California Institute for Energy and Environment (CIEE) e programmi sviluppati per risparmiare energia attraverso la conservazione dell’acqua.

regione araba

Secondo il World Energy Outlook 2016, in Medio Oriente, la quota del settore idrico sul consumo totale di elettricità dovrebbe aumentare dal 9% nel 2015 al 16% entro il 2040, a causa di un aumento della capacità di desalinizzazione. La regione araba che comprende i seguenti paesi:   Kuwait , Libano , Libia , Mauretania , Marocco , Oman , Territori palestinesi , Algeria , Bahrain , Egitto , Iraq , Giordania , Qatar , Sudan , Arabia Saudita , Siria ,Tunisia , Emirati Arabi Uniti e Yemen . Alcune caratteristiche generali della regione araba sono che è una delle regioni del mondo con il maggior stress idrico, le precipitazioni sono per lo più rare o piove in modo imprevedibile

Mappa mondiale che evidenzia lo stress idrico.

modello. L’area cumulativa della regione araba è circa il 10,2% dell’area mondiale, ma la regione riceve solo il 2,1% delle precipitazioni annuali medie del mondo . Inoltre, la regione ospita lo 0,3% delle risorse idriche annuali rinnovabili del mondo (ACSAD 1997). Di conseguenza, la regione ha registrato un calo dell’approvvigionamento di acqua dolce pro capite, con una carenza di circa 42 chilometri cubi di domanda idrica. Si prevede che questa carenza aumenterà di tre volte entro il 2030 e di quattro volte entro il 2050. Ciò è estremamente allarmante dato che la stabilità economica mondiale dipende fortemente dalla regione araba.

Esistono numerosi metodi per mitigare il crescente divario di approvvigionamento di acqua dolce pro capite. Un metodo applicabile è la desalinizzazione che è onnipresente in particolare nella regione GCC . Tutta la capacità di desalinizzazione del mondo, circa il 50% è contenuta nella regione araba e quasi tutto quel 50% è detenuto nei paesi del CCG . Paesi come il Bahrain forniscono il 79% della sua acqua dolce attraverso la desalinizzazione , il Qatar è circa il 75%, il Kuwait circa il 70%, l’ Arabia Saudita il 15% e gli Emirati Arabi Uniti circa il 67%. Questi paesi del Golfo Persicocostruito enormi impianti di desalinizzazione per soddisfare le carenze di approvvigionamento idrico man mano che questi paesi si sono sviluppati economicamente. L’agricoltura nella regione del GCC rappresenta circa il 2% del suo PIL , tuttavia utilizza l’80% dell’acqua prodotta. Va anche notato che richiede un’enorme quantità di energia principalmente dal petrolio per far funzionare questi impianti di desalinizzazione . Paesi come l’ Arabia Saudita , il Bahrein e il Kuwait avranno difficoltà a soddisfare la domanda di desalinizzazione se la tendenza attuale continua. Il GCC spende il 10-25% della sua energia elettrica generata per desalinizzare l’acqua.

Energia idroelettrica

L’energia idroelettrica è un caso speciale di acqua utilizzata per la produzione di energia principalmente perché la produzione di energia idroelettrica è considerata pulita e rinnovabile e le dighe (la principale fonte di produzione idroelettrica) hanno molteplici scopi oltre alla generazione di energia, tra cui la prevenzione delle inondazioni, lo stoccaggio, il controllo e la ricreazione che rendono difficili analisi di allocazione giustificabili. Inoltre, gli impatti della generazione di energia idroelettrica possono essere difficili da quantificare sia in termini di perdite di consumo per evaporazione che di qualità alterata dell’acqua, poiché lo sbarramento comporta flussi molto più freddi rispetto ai corsi d’acqua correnti. In alcuni casi, la moderazione dei flussi può essere vista come una rivalità nell’uso dell’acqua nel tempo, di cui potrebbe essere necessario tener conto anche nell’analisi dell’impatto.


https://en.wikipedia.org/wiki/Water-energy_nexus

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