Mentre il Texas affronta una carenza d’acqua, i suoi leader stanno guardando ai vasti volumi di acque reflue salmastre dei giacimenti petroliferi come una possibile fonte di approvvigionamento futuro. Non hanno molte altre opzioni. Tuttavia, estrarre acqua pulita da questo miscuglio tossico richiederà enormi quantità di energia, proprio mentre il Texas lotta per tenere il passo con le crescenti richieste energetiche di un’industria high-tech in rapida espansione.
Ai livelli di efficienza attuali, trattare tutti gli effluenti dei giacimenti petroliferi del Texas occidentale richiederebbe fino a 26 gigawatt di potenza, più della capacità totale di generazione della maggior parte degli stati degli Stati Uniti. Anche se gli operatori raggiungessero le loro ambiziose efficienze target, il Permian avrebbe comunque bisogno di ulteriori cinque gigawatt, sufficienti per alimentare circa cinque milioni di case americane medie.
“È solo più energia necessaria quando siamo già sotto stress,” ha detto Doug Robison, un veterano dell’industria del fracking la cui nuova azienda, Natura Resources, prevede di utilizzare piccoli reattori nucleari per trattare le acque reflue. “Dobbiamo aggiungere acqua alla fornitura dello stato.”
I leader del Texas stanno cercando di prevenire le carenze d’acqua previste per il 2030 con poche nuove fonti d’acqua da sfruttare. Nel frattempo, i volumi di acque reflue nel Permian Basin del Texas, il giacimento petrolifero più produttivo della nazione, sono aumentati drasticamente negli ultimi anni fino a raggiungere i 25 milioni di barili, o circa un miliardo di galloni, al giorno, secondo i risultati che un gruppo di ricerca finanziato dallo stato, il Texas Produced Water Consortium, presenterà ai legislatori entro la fine del mese.
“È molta acqua,” ha detto Shane Walker, direttore del Consorzio presso la Texas Tech University. “Invece di buttarla via, potremmo trattarla e recuperarne una parte.”
A gennaio, il Consorzio ha firmato un accordo con l’azienda di Robison, Natura, per sviluppare un impianto di trattamento delle acque reflue alimentato dal calore di un reattore nucleare a sali fusi di nuova generazione. Natura è una delle due aziende statunitensi con permessi per costruire un tale reattore e sta attualmente costruendo la sua prima unità presso l’Abilene Christian University, parte del piano del Texas per soddisfare le enormi richieste energetiche industriali in arrivo con la diffusione di piccoli reattori nucleari.
Nel frattempo, i legislatori ad Austin stanno spingendo per rendere disponibili miliardi di dollari di finanziamenti pubblici per progetti che possano trattare le acque reflue dei giacimenti petroliferi per il riutilizzo in agricoltura o nell’industria. Gli scettici sostengono che la purificazione dell’acqua probabilmente non sarà mai più di una soluzione marginale, dato il suo costo.
Le acque reflue dei giacimenti petroliferi del Texas occidentale, che tornano in superficie dopo la fratturazione idraulica, o fracking, sono praticamente il fluido più sporco mai contemplato per il trattamento. È fino a sette volte più salato del mare, pieno di sostanze chimiche proprietarie di perforazione e idrocarburi naturali, ammoniaca ed elementi radioattivi dalla terra. Non può essere trattato con i metodi più comuni che utilizzano filtri a membrana, quindi le aziende stanno correndo per applicare altri processi basati sul calore.
“Tipicamente, la desalinizzazione termica richiede più energia,” ha detto Walker. “Avremo bisogno di più energia.”
È qui che entra in gioco il design del reattore nucleare di Natura. L’unità non fornirebbe elettricità, solo calore grezzo per evaporare lentamente l’acqua pulita dalla salamoia, il che è facile poiché un reattore a sali fusi funziona a oltre 1.000 gradi Fahrenheit, molto più caldo dei reattori nucleari tradizionali.
I processi termici per la desalinizzazione non sono nuovi, ma sono per lo più applicati a trattamenti su scala ridotta all’interno delle operazioni industriali a causa dei loro grandi requisiti energetici.
Nel Permian Basin, tuttavia, i volumi in questione sono enormi. I pozzi petroliferi possono produrre tre barili di acque reflue per ogni barile di greggio, circa un miliardo di galloni ogni giorno. È sufficiente per coprire un miglio quadrato con cinque piedi di salamoia. Quasi tutta quella salamoia viene pompata di nuovo sottoterra ad alta pressione per lo smaltimento, il che continua a causare terremoti intensificanti, esplosioni superficiali e altri disastri ambientali in tutta l’area.
L’iniezione continuerà per il prossimo futuro. Le soluzioni su larga scala per il trattamento delle acque richiedono anni e richiederanno una massiccia espansione della fornitura di energia che probabilmente includerà molte nuove centrali a gas e impianti eolici e solari prima che venga dispiegato un nuovo reattore nucleare.
I progetti pilota attuali per il trattamento delle acque nel Permian Basin stanno puntando a costi energetici tra cinque e 25 kilowattora per barile di acque reflue trattate.
Questo si confronta con 1,3 kilowattora per barile per desalinizzare l’acqua di mare e 0,3 kilowattora per barile per trattare le acque reflue municipali, secondo Mike Hightower, direttore del New Mexico Produced Water Research Consortium, che ha pubblicato ricerche sui costi energetici del trattamento delle acque.
Per 1,05 miliardi di galloni di effluenti giornalieri dal lato texano del Permian Basin, ciò si traduce in una domanda di potenza tra cinque e 26 gigawatt, approssimativamente le capacità di generazione statale di Idaho e Indiana, rispettivamente.
“È costoso dal punto di vista energetico; serve molta energia per trattare quest’acqua,” ha detto Hightower. “Le persone devono pensare ai costi e ai benefici piuttosto che solo ai costi.”
Più acqua, meno terremoti?
Quando i legislatori del Texas hanno ideato un piano nel 2023 per espandere la fornitura d’acqua dello stato, hanno scoperto che la maggior parte delle fonti erano completamente esaurite. I laghi erano completamente assegnati, i fiumi tutti prenotati e gli acquiferi tutti sovrasfruttati. Hanno identificato solo tre nuove potenziali fonti d’acqua: acqua di mare desalinizzata, acque sotterranee profonde e salate e acque reflue trattate dei giacimenti petroliferi.
Hightower ha stimato che il Texas potrebbe far crescere il suo PIL di 10 miliardi di dollari se sbloccasse questa nuova fonte d’acqua per progetti industriali, data center o fattorie nel suo arido ovest.
Allo stesso tempo, ha detto, potrebbe proteggere le compagnie petrolifere da possibili limiti alla produzione a causa degli effetti ambientali dell’iniezione di acque reflue. Negli ultimi anni, le autorità texane hanno iniziato a limitare le iniezioni in alcune aree a causa del rafforzamento dei terremoti e dei geyser di salamoia gassosa. Poiché i problemi peggiorano solo, future restrizioni sullo smaltimento delle acque reflue potrebbero alla fine limitare la produzione di petrolio.
“Il trattamento è più costoso dello smaltimento, ma è essenzialmente una strategia di gestione del rischio. Ti offre un’assicurazione che non dovrai ridurre la produzione se c’è più sismicità,” ha detto Hightower. “Puoi continuare le tue operazioni perché stai riducendo le tue esigenze di smaltimento.”
Christine Guerrero, un’ingegnere petrolifero di carriera a Houston, ha detto che le aziende non opteranno per trattare le loro acque reflue finché i costi non saranno inferiori a quelli dello smaltimento per iniezione.
“È semplicemente troppo costoso,” ha detto Guerrero, un consulente indipendente che ha lavorato in precedenza per Schlumberger, Chevron e Hess Corporation. “Purtroppo ci sono troppe aziende nel settore che non faranno la cosa giusta finché non saranno costrette.”
La cosa giusta, ha detto, era pagare per trattare le acque reflue invece di iniettarle tutte sottoterra. Ma non si aspettava che i progetti di trattamento delle acque reflue causassero una riduzione significativa dei volumi iniettati quotidianamente. Anche quei progetti di trattamento creerebbero prodotti di scarto che richiedono smaltimento.
I processi termici per la desalinizzazione possono produrre circa la metà del volume originale in acqua pulita, circa 500 milioni di galloni al giorno nel Permian Basin. L’altra metà che rimane è per lo più sali, sufficienti, secondo i calcoli di Guerrero, per riempire più di 6.900 vagoni ferroviari al giorno. Molto probabilmente verrebbe iniettata di nuovo sottoterra.
“La pulizia dell’acqua probabilmente non funzionerà lì come qualcosa di più di una soluzione marginale,” ha detto Guerrero, che ha lavorato su progetti petroliferi e del gas in 30 paesi. “Dà questa falsa sensazione che ci sia qualcosa in arrivo che fermerà tutto questo.”
Progetti pilota avanzano
I leader statali sperano che i finanziamenti pubblici per il trattamento delle acque prodotte possano aiutare a spostare l’equilibrio economico verso la fattibilità. Nel 2023, il legislatore ha autorizzato un fondo statale per l’acqua da un miliardo di dollari, inclusi milioni per progetti pilota nel trattamento delle acque reflue dei giacimenti petroliferi. Attualmente, i legislatori stanno discutendo una legislazione che renderebbe disponibili più soldi per costruire impianti su scala commerciale.
Nel Permian Basin, i progetti pilota stanno avanzando. Una società, Texas Pacific Water Resources, ha iniziato la costruzione di un impianto di prova da cinque megawatt che tratterà fino a 10.000 barili di acque reflue al giorno e le spruzzerà su un terreno di 100 acri vicino alla città di Orla.
TPWR utilizza un processo termico che congela delicatamente i fluidi in modo che i sali affondino sul fondo, quindi cattura uno strato superiore e lo filtra attraverso membrane, poi carbone, per rimuovere le sostanze chimiche rimanenti come composti organici volatili e ammoniaca.
L’azienda mira a utilizzare tra cinque e 25 kilowatt per barile di acque reflue trattate, ha detto Robert Crain, vicepresidente esecutivo di TPWR.
“Qualsiasi trattamento termico sarà in quel range,” ha detto. “Tutti stanno cercando di abbassarlo il più possibile.”
Crain ha detto che TPWR attualmente opera verso l’estremità superiore del range, ma che si aspettava che il numero scendesse man mano che i processi venivano affinati e migliorati.
Per alimentare l’impianto, TPWR ha contrattato la generazione elettrica dedicata alimentata da un gasdotto vicino. Il processo di desalinizzazione termica di TPWR utilizza più energia perché attinge elettricità per produrre calore, piuttosto che attingere direttamente il calore.
Ma Crain ha detto che l’operazione potrebbe ridurre drasticamente i suoi costi energetici incorporando il calore di scarto lasciato dai forni a gas delle centrali elettriche.
“La cattura del calore di scarto attraverso la generazione di gas naturale può davvero ridurre i costi in un range economico molto conveniente,” ha detto Crain.
È qui che Robison, il CEO di Natura Resources, pensa che un piccolo reattore nucleare potrebbe funzionare. Un design attuale può produrre 100 megawatt di elettricità ma 250 megawatt equivalenti di energia termica.
Costruito sul sito degli impianti di trattamento, potrebbe fornire quell’energia termica direttamente ai processi termici.
“Non stiamo parlando di elettricità, ora, stiamo parlando di calore,” ha detto Robison. “I reattori a sali fusi che operano a temperature così elevate aggiungono davvero una nuova soluzione che non era disponibile in precedenza.”