Gestione industriale dell'acqua: pioniere di nuovi processi, produzione sostenibile e sicurezza del sito

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L'acqua è essenziale per l'industria dei processi: sia come mezzo di raffreddamento o solvente, sia come reagente o componente del prodotto. La produzione chimica e farmaceutica si sviluppa sempre più – idrogeno, digitalizzazione, circolarità, nuovi processi produttivi. Cosa significa tutto ciò per la gestione industriale dell'acqua?

La neutralità di CO2, la produzione di idrogeno, i processi Power-to-X, l'economia circolare e lo zero inquinamento sono attualmente in cima all'agenda dell'industria dei processi. L'acqua rappresenta una risorsa insostituibile, soprattutto per la produzione chimica e farmaceutica. Se si riesce a integrare la gestione dell'acqua industriale nella gestione della produzione e del sito, si può aumentare l'efficienza dei processi, rendere possibili soluzioni circolari e avanzare nella trasformazione verso un'industria dei processi sostenibile. Inoltre, una stretta integrazione tra produzione e gestione dell'acqua industriale rafforza la competitività delle aziende e dei siti, riduce i rischi di interruzione della produzione e aumenta la sicurezza degli investimenti nello sviluppo aziendale. L'aumento dello stress idrico in molte località industriali porta a dipendere sempre più dal'efficiente gestione dell'acqua industriale per il successo aziendale.

L'acqua come chiave per la produzione di idrogeno

L'uso di energie rinnovabili e la loro conservazione sotto forma di idrogeno o prodotti secondari rappresentano una delle condizioni più importanti per un'industria dei processi a emissioni zero. Un numero crescente di iniziative in vari settori accelera l'espansione delle capacità di produzione e utilizzo dell'idrogeno: oltre 1.400 progetti internazionali di idrogeno, così come numerosi progetti di riferimento in Germania come Aquaventus, H2Giga, H2Mare o Kopernikus, sottolineano questa evoluzione. Mentre l'industria utilizza l'idrogeno come accumulatore di energia o per processi ad alta temperatura, i progetti di ricerca e sviluppo si concentrano sulle infrastrutture dell'idrogeno, sulla produzione di massa di tecnologie di elettrolisi e sulla sintesi di chimici di base basati sull'idrogeno.

Gli elettrolizzatori di mercato richiedono circa 10-17 kg di acqua deionizzata per produrre un chilogrammo di idrogeno verde. La base per l'idrogeno verde, ovvero energia verde o sostenibile, può essere prodotta in modo particolarmente economico in regioni soleggiate o ventose. Tuttavia, le regioni con il più alto potenziale di energie rinnovabili sono spesso anche quelle con un elevato stress idrico e quindi un rischio idrico. Quando le risorse locali si esauriscono, ciò ha un impatto irreversibile sulla regione. Le risorse alternative per la produzione di idrogeno, come l'acqua desalinizzata e il riutilizzo dell'acqua, stanno diventando sempre più importanti. La crescente diffusione di impianti di desalinizzazione porta a nuove sfide nella gestione delle acque reflue (emissioni in mare) e apre opportunità di riutilizzo, ad esempio di sali e concentrati. In futuro, la produzione di idrogeno verde aumenterà, rendendo necessario un uso più efficiente e un riutilizzo dell'acqua nel processo produttivo, in particolare dell'acqua di raffreddamento e delle acque reflue. Qui interviene un sistema di gestione integrata dell'acqua ottimizzato.

Nuovi progetti di idrogeno si concentrano sempre più sulla conversione diretta dell'idrogeno in chimici di base e accumulatori di energia chimica, come ammoniaca, metano o e-kerosene. L'energia termica rilasciata in questa fase di produzione può essere messa a disposizione di altri processi. Tecnologie di dissalazione termica più efficienti, così come il trattamento biologico delle acque reflue, possono beneficiare di questa energia termica disponibile e diventare sempre più centrali. Questo sviluppo è rilevante non solo per l'economia dell'idrogeno, ma anche per nuove tecnologie di membrane o ampliamenti del trattamento biologico delle acque, che possono influenzare positivamente la gestione industriale dell'acqua in termini di efficienza dei processi e energetica.

“L'acqua è la chiave per la realizzazione di impianti di grande scala per la produzione di idrogeno verde e dei suoi prodotti secondari come metanolo o ammoniaca. Per questo motivo, dobbiamo pensare fin dall'inizio a una gestione integrata dell'acqua insieme a strategie per energie rinnovabili e produzione di idrogeno. Questa è la base per un'economia dell'idrogeno verde di successo. La costruzione di impianti e la tecnologia di processo, come vedremo all'ACHEMA 2024, contribuiscono decisamente a questo”, afferma il dott. Thomas Track, responsabile del settore gestione dell'acqua presso DECHEMA e.V.

Oltre alle energie rinnovabili, sono necessarie soluzioni efficienti e robuste legate all'acqua:

– La conoscenza specialistica e la pianificazione per la produzione di idrogeno e Power-to-X e la gestione dell'acqua devono andare di pari passo.
– Le tecnologie di trattamento delle acque reflue e i concetti di gestione devono essere adattati agli scenari di produzione in aree interne, costiere e marine.
– La circolazione dell'acqua e dei flussi di sostanze deve essere ottimizzata.

L'acqua per l'economia circolare nell'industria dei processi

Innovazioni orientate alla circolarità stanno trasformando l'industria a livello globale e sono attualmente in cima all'agenda dell'industria dei processi. La transizione verso un'economia circolare, focalizzata sull'intero ciclo di vita del prodotto dalla materia prima al riutilizzo, richiede una trasformazione completa dei processi e delle strutture industriali verso la neutralità climatica e la competitività a lungo termine. Le sfide associate hanno anche un impatto sulla gestione dell'acqua industriale.

“La catena del valore della futura produzione circolare comprenderà una quota elevata di processi in fase acquosa”, afferma il dott. Christoph Blöcher, responsabile dei processi infrastrutturali, materiali e corrosione di Covestro Deutschland AG. “Per questo, la gestione dell'acqua deve essere considerata fin dall'inizio nello sviluppo dei processi. Per i residui acquosi sono necessari nuovi approcci per recuperare energia chimica e sostanze di valore, come nutrienti.”

Oltre al ruolo tradizionale nella produzione industriale e nel raffreddamento, la risorsa acqua sta assumendo un ruolo sempre più importante anche in nuovi settori industriali. I processi di trattamento delle acque e delle acque reflue cambieranno complessivamente, passando dalla purificazione dell'acqua all'utilizzo delle sostanze contenute, dell'acqua stessa e del calore in essa contenuto tramite recupero.
I processi di riciclo chimico e quelli basati su materie prime rinnovabili e biotecnologiche generano residui acquosi caratterizzati da elevati flussi volumetrici e da alte frazioni organiche e saline. La composizione delle acque di processo nel riciclo presenta quindi sfide completamente nuove. Esempi sono il riciclo chimico di plastica, di materiali compositi (ad esempio materiali leggeri ad alte prestazioni o compositi per la mobilità elettrica) o di compositi polimetallici in componenti elettronici, celle di batteria o leghe leggere. Oltre ai processi chimici, si perseguono approcci biotecnologici vari per riciclare le plastiche, incluso l'uso di processi enzimatici. Questi sono spesso associati a un aumento del fabbisogno idrico. Per rispondere a queste esigenze, devono essere sviluppati, testati e implementati approcci tecnologici integrati per il trattamento delle acque reflue.

Farmaceutica e produzione di idrogeno: acqua per scopi iniettabili e acqua ultrapura

Non da ultimo, grazie alla pandemia di COVID-19, la produzione farmaceutica ha acquisito ulteriore importanza e ha avviato innovazioni. Per l'industria farmaceutica, alcune biotecnologie industriali e il settore di laboratorio, la gestione dell'acqua si concentra sull'acqua per iniezioni (Water for Injection, WFI) e sull'acqua ultrapura (Ultra Pure Water).
L'aumento dei costi di investimento e di manutenzione, i prezzi elevati dell'energia e le crescenti preoccupazioni dei consumatori riguardo agli impatti ambientali dei residui di produzione e imballaggio stanno portando molte aziende farmaceutiche a ripensare a modalità di produzione più sostenibili. Dal 2017, anche in Europa è consentito produrre acqua per iniezioni non più esclusivamente tramite distillazione, ma anche con tecnologie a membrana. Negli Stati Uniti e in altre parti del mondo, questa tecnologia è standard da molti anni. Questa variante di produzione non è solo più flessibile ed efficiente dal punto di vista energetico, ma offre anche vantaggi in termini di costi di investimento e produzione, spazio, servizi e manutenzione, nonché di scalabilità dei sistemi e di diverse opzioni di processo.

Analisi di mercato come quelle di Transparency Market Research stimano che il mercato globale di acqua per iniezioni nel 2021 superi i 20 miliardi di dollari USA, con una prospettiva di crescita a oltre 50 miliardi di dollari nei prossimi dieci anni.
La tendenza globale verso un'economia dell'idrogeno verde comporta un aumento della domanda di acqua per il funzionamento degli elettrolizzatori. L'attenzione si concentra sui sistemi di trattamento delle acque e sugli impianti di ricircolo per l'acqua ultrapura. Questa tendenza fa prevedere anche uno sviluppo positivo del mercato di sistemi di acqua ultrapura per l'elettrolisi.

“L'attuale domanda di sistemi di acqua ultrapura è ancora influenzata dal boom dell'industria farmaceutica degli ultimi anni e riceve ulteriore impulso dalla crescente produzione di idrogeno verde”, afferma la dott.ssa Eva Bitter, amministratrice delegata di EnviroFALK PharmaWaterSystems GmbH.

Ottimizzare la gestione dell'acqua: digitalizzazione, intelligenza industriale e controllo dei processi con sensori

Le tecnologie digitali vengono impiegate per aumentare l'efficienza, ridurre il consumo di risorse e chiudere i cicli di sostanze. Nell'industria dei processi, ciò vale anche all'interfaccia tra gestione dell'acqua e produzione industriale. Che si tratti di stabilire approcci di produzione modulari, dinamici e flessibili o di garantire la sicurezza dell'approvvigionamento attraverso una gestione integrata delle risorse idriche: acquisire le informazioni necessarie e gestire i flussi di dati risultanti è possibile solo attraverso l'uso di strumenti digitali.

Soprattutto all'interfaccia tra produzione industriale e gestione dell'acqua, è possibile collegare complessi impianti di monitoraggio e controllo con dispositivi e sensori basati su IoT/IIoT. L'elaborazione di grandi quantità di dati (Big Data), ad esempio con intelligenza artificiale, può essere esternalizzata in modo flessibile (edge vs. cloud). Per l'elaborazione e l'uso efficiente delle risorse, queste tecnologie sono indispensabili. Le informazioni ottenute possono essere archiviate in Distributed Ledger (DLT) e costituire così una base per contratti automatizzati e trasparenti (Smart Contracts). Tutte queste tecnologie avvicinano fornitori, produttori e clienti, consentendo una visione d'insieme lungo tutta la catena di approvvigionamento. L'ACHEMA 2024 rappresenta queste connessioni nell'esposizione con il suo Digital Hub e la tecnologia di controllo, regolazione e gestione dei processi.

“La digitalizzazione nella gestione dell'acqua (’Water 4.0’) si è evoluta in un termine di tendenza e porterà a cambiamenti profondi sia nel settore pubblico che in quello privato. Le aziende si trovano da tempo ad affrontare la sfida di adattarsi strategicamente al nuovo mondo digitale, riconsiderando strategie, modelli di business e culture aziendali. Se un'organizzazione omette questo importante passo, rischia di perdere il suo futuro e la sua competitività”, afferma Christian Gutknecht, responsabile settore acqua di Endress+Hauser Group.

L'acqua è una risorsa determinante per l'industria dei processi e per la produzione di energia, ma anche una delle risorse più a rischio. Soprattutto nel contesto della transizione energetica e dell'uso di energie rinnovabili, l'interazione tra i singoli processi è cruciale. In questo contesto, i gemelli digitali possono svolgere un ruolo decisivo. Possono simulare in tempo reale le esigenze crescenti di dinamica degli impianti, adattare la produzione e garantire così un vantaggio competitivo decisivo. Le crescenti esigenze di sicurezza dell'approvvigionamento, qualità del prodotto e efficienza degli impianti possono essere soddisfatte solo attraverso la trasformazione digitale della produzione tradizionale. Questa tendenza è guidata da numerosi consorzi. Questi sviluppano standard globali per la comunicazione e la sicurezza degli impianti, accelerando così la trasformazione digitale.

Conclusioni

La vasta gamma di processi e tecnologie – produzione di idrogeno, economia circolare, produzione farmaceutica e integrazione digitale – rende evidente che una gestione efficiente dell'acqua è un elemento centrale dell'industria dei processi. Ciò vale su tutte le scale, dall'impianto, alla gestione e al sito, fino all'intera azienda. A differenza delle risorse energetiche e delle materie prime, la sostituzione dell'acqua nell'uso industriale ha limiti stretti. Solo grazie a un'interazione intensiva tra questi aspetti, la produzione industriale e la gestione dell'acqua possono sfruttare appieno il loro potenziale per un'economia verde, circolare e a zero emissioni.