الطاقة
تحلية المياه بالطاقة الشمسية – حل نقص المياه لـ 2.2 مليار إنسان
مشكلة نقص المياه أكثر إلحاحًا مما يمكننا تخيلها. وفقًا للبيانات التي قدمها United Nations Environment Programme، ما يقرب من 50 في المئة من سكان الكوكب، أي ما يقرب من 4 مليارات شخص، يتعاملون مع نقص المياه لمدة شهر على الأقل في السنة.
في العام القادم، بحلول 2025، من المحتمل أن يواجه 1.8 مليار شخص ما تسميه منظمة الأغذية والزراعة (FAO) “نقص المياه المطلق”.
معالجة هذه المشكلة الضخمة والشاملة تتطلب حلولًا مبتكرة، حلولًا تستخدم موارد غير مستكشفة أو مستكشفة جزئيًا.
على سبيل المثال، يمكن أن يساهم مكافحة مشكلة نقص المياه في تحويل مياه البحر إلى مياه عذبة، وهو أحد أكثر الحلول فعالية لأن إمداد مياه البحر وفير. سيكون من الأفضل إذا كان بالإمكان تنفيذ العملية باستخدام الطاقة المتجددة، مثل الطاقة الشمسية.
جهاز موفر للطاقة لإنتاج مياه شرب من مياه البحر
تحويل مياه البحر إلى مياه شرب عذبة سيتطلب التحلية. ومع ذلك، الأنظمة الحالية للتحلية التي تضخ مياه البحر عبر الأغشية لفصل الملح عن الماء ليست فقط مستهلكة للطاقة بل تعاني أيضًا من تراكم الملح على سطح الجهاز. نتيجة لذلك، يتعطل تدفق الماء، مما يقلل الكفاءة. تجعل هذه الترسبات الملحية هذه الآلات غير صالحة للتشغيل المستمر وتكلفتها مرتفعة، وتتطلب صيانة متكررة.
فريق من باحثي جامعة واترلو قد توصل الآن إلى حل مستوحى من دورة الماء في الطبيعة، مستندًا بشكل كبير إلى طرق نقل الأشجار للماء من الجذور إلى الأوراق.
“إلهامنا يأتي من مراقبة كيفية دعم الطبيعة لنفسها والطريقة التي يتبخر فيها الماء ويتكثف في البيئة.”
نظرًا لأن الآلية تستلهم من دورة الماء الطبيعية، فإنها لا تتطلب صيانة كبيرة.
تتضمن العملية حلاً هندسيًا يحفز الماء على التبخر، ينقله إلى السطح، ويكثفه في دورة مغلقة. النتيجة هي منع فعال لتراكم الملح وتعزيز طول عمر الجهاز مع كفاءة غير متنازلة.
ما يضيف إلى فوائد الجهاز هو أنه يستخدم الطاقة المتجددة، مما يجعل الجهاز موفرًا للطاقة. يعمل بالطاقة الشمسية ويمكنه تحويل ما يقرب من 93٪ من الشمس إلى طاقة.
الكفاءة أعلى بخمس مرات مقارنةً بأنظمة التحلية الحالية المتوفرة في السوق، وتنتج ما يقرب من عشرين لترًا من المياه العذبة لكل متر مربع.
ومن المثير للاهتمام، أن هذه الكمية من الماء هي نفسها التي توصي بها منظمة الصحة العالمية لكل شخص يوميًا للاستخدام الأساسي للشرب والنظافة.
لجعل الجهاز يستخدم الطاقة الشمسية بفعالية، استخدم الباحثون مادة النيكل (Ni) كأساس. تم تزويد قاعدة الفوم النيكل بطبقة بوليمر موصلة وجسيمات حبوب لقاح حساسة للحرارة. جعلت التركيبة المادة قادرة على امتصاص ضوء الشمس عبر طيف الإشعاع الشمسي.
لحركة الماء صعودًا، تم تسخين طبقة رقيقة من ماء مملح ونقلها. يشبه ذلك طريقة انتقال الماء عبر الشعيرات الطبيعية للأشجار. يؤدي تبخر الماء إلى انتقال الملح المتبقي إلى أسفل الجهاز.
بساطة الحل تجعلها جاهزة لتبني أوسع. يضمن قابلية النقل أنها يمكن استخدامها في المناطق النائية، خاصة في الدول الساحلية والجزرية.
أثناء تلخيص الفوائد العامة للحل، قال الدكتور يونينغ لي، أستاذ في قسم الهندسة الكيميائية بجامعة واترلو:
“هذا الجهاز الجديد ليس فقط فعالًا بل أيضًا محمولًا، مما يجعله مثاليًا للاستخدام في المناطق النائية حيث الوصول إلى المياه العذبة محدود.”
لتوضيح الفوائد المحتملة بشكل أكبر، قال الدكتور مايكل تام ما يلي:
“إذا ثبت نجاح الاختبار، يمكن للتكنولوجيا توفير مياه عذبة بشكل مستدام للمجتمعات الساحلية وتعزيز أهداف التنمية المستدامة للأمم المتحدة رقم ثلاثة، ستة، عشرة واثني عشر.”
بينما أبحاث المذكورة أعلاه قد أطلقت الكثير من الأمل في المجتمع العلمي والأشخاص الذين يعملون نحو حلول مياه عذبة مستدامة، فإن باحثين آخرين كانوا أيضًا في هذا المجال.
في الفقرة القادمة، نناقش تطوير وحدة تحلية محمولة اقترحها باحثو MIT في عام 2022.
انقر هنا لتعرف كيف يساهم العصر الشمسي في مستقبل أكثر إشراقًا للبشرية.
وحدة تحلية محمولة لتوليد مياه شرب صافية ونظيفة
في أبريل 2022، طور باحثو MIT وحدة تحلية محمولة وزنها أقل من 10 كيلوجرامات، بحجم يشبه حقيبة السفر. يمكن تشغيلها بقدرة أقل من ما يتطلبه شاحن الهاتف المحمول. متاحة للشراء بسعر 50 دولارًا أمريكيًا، مثل الجهاز الذي ناقشناه في الفقرة السابقة، هذه الوحدة أيضًا لا تحتاج إلى مرور الماء عبر الفلاتر. بل استخدمت الطاقة الكهربائية لإزالة الجسيمات من مياه الشرب.
تقنية استقطاب تركيز الأيونات تجعل الوحدة خالية من الفلاتر
العملية، نتيجة عمل الباحثين على مدار عقد من الزمن، شملت تطبيق حقل كهربائي على أغشية موضوعة فوق وتحت قناة ماء. يمكن للأغشية طرد الجسيمات المشحونة إيجابيًا أو سلبًا، بما في ذلك جزيئات الملح، البكتيريا والفيروسات، عندما يمر الماء فوقها. يمكن للعملية المساعدة في التخلص من كل من المواد الصلبة المذابة والعلقة.
استخدم الباحثون، أثناء وضع حلهم، أفضل التقنيات المتاحة بحكمة، بما في ذلك التعلم الآلي. أثبت التعلم الآلي فعاليته في إيجاد التركيبة المثالية بين وحدات استقطاب تركيز الأيونات (ICP) والكهروغزل، حيث شملت العملية إجمالًا ست وحدات.
كما أخذ الباحثون في الاعتبار أن الأجهزة مثل هذه، التي لن تكون فعّالة إلا إذا حصلت على عدد كبير من المتبنين، يجب أن تكون سهلة وبسيطة الاستخدام. لذلك، يمكن تشغيلها بزر واحد فقط للتحلية والتصفية التلقائية.
يمكنه أيضًا إبلاغ المستخدمين عندما ينخفض مستوى الملوحة وعدد الجسيمات إلى ما دون عتبة محددة مقبولة. لجعل قراءة البيانات بسيطة وبديهية، قدم الباحثون تطبيقًا للهواتف الذكية قادرًا على التحكم في الوحدة لاسلكيًا وتوفير جميع البيانات المتاحة حول استهلاك الطاقة وملوحة الماء في الوقت الفعلي.
ممولًا جزئيًا من قبل مركز DEVCOM للجندي، ومختبر عبد اللطيف جميل للمياه وأنظمة الغذاء (J-WAFS)، وبرنامج زمالة ما بعد الدكتوراه للذكاء الاصطناعي التجريبي بجامعة نورث إيسترن، ومعهد Roux للذكاء الاصطناعي، قدم البحث نتائج مرضية.
أخرج الباحثون الحل من المختبر واختبروه على شاطئ كارسن في بوسطن. تجاوزت المياه الناتجة إرشادات جودة منظمة الصحة العالمية من خلال خفض عدد الجسيمات العالقة بما لا يقل عن عامل 10، بينما أنتج النموذج الأولي مياه شرب بمعدل 0.3 لتر في الساعة، مستهلكًا فقط 20 واط-ساعة لكل لتر.
مُوضحًا طبيعة التجربة الثورية، صرح المؤلف الرئيسي جونغيون هان، أستاذ الهندسة الكهربائية وعلوم الحاسوب والهندسة البيولوجية وعضو مختبر أبحاث الإلكترونيات (RLE)، بما يلي:
“هذه حقًا خلاصة رحلة استمرت 10 سنوات خضتها أنا وفريقي. عملنا لسنوات على الفيزياء وراء عمليات التحلية الفردية، لكن دمج كل تلك التقدمات في صندوق، وبناء نظام، وإظهار ذلك في المحيط، كان تجربة ذات معنى ومكافأة حقيقية بالنسبة لي.”
بينما يشارك باحثو الجامعات بجدية في هذا السعي النبيل، هناك عدة شركات تولت مهمة تحلية المياه. مساهمتهم حاسمة بنفس القدر حيث يتطلب الاعتماد على نطاق واسع حلولًا موسعة تعمل على المستوى التجاري. في الفقرات التالية، نستعرض بعضًا من هذه الشركات.
#1. Consolidated Water Co. Ltd. (NASDAQ: CWCO)
تمتلك الشركة خدمات هندسية جاهزة لتمكين عملائها من التصميم والبناء الكامل لأنظمة تحلية مياه البحر عبر التناضح العكسي.
تخدم الشركة دورة الخدمة الكاملة التي تشمل التركيب، التوسعة، أو التجديد.
الشركة، المدرجة والمتداولة في Nasdaq، تقوم بإدارة، هندسة، وخدمات بناء محطات التحلية عبر DesalCo، التي يُعترف بها من قبل الموردين كصانع معدات أصلي (OEM) لمصانع تحلية مياه البحر عبر التناضح العكسي للشركة.
تقنيًا، تعترف الشركة بطريقتين رئيسيتين للتحلية:
(i) التقطير الحراري (ii) الفصل الغشائي.
تفضل الشركة الأخيرة بسبب انخفاض تكاليف الطاقة. تنشر الشركة فصل الأغشية عبر التناضح العكسي لتحلية المياه العذبة ومياه البحر. إنها عملية فصل سائل حيث يتم ضغط الماء المالح، وتُفصل المياه العذرة عن المالح بمرورها عبر غشاء شبه نفاذ يرفض الأملاح.
تقع محطة تحلية مياه البحر عبر التناضح العكسي لشركة Consolidated Water في ناساو، نيو بروفيدنس، كومنولث جزر البهاما. تم تشغيلها في يوليو 2006، وتتمتع بسعة تشغيلية للتعامل مع 12 مليون جالون أمريكي من الماء يوميًا.
في عام 2023، أكملت الشركة الاستحواذ على الـ 39٪ المتبقية من ملكية شركة PERC Water Corporation (“PERC”) لتصبح المالكة بنسبة 100٪ لهذه الشركة الفرعية، التي تصمم، تبني، تشغل، وتدير مرافق البنية التحتية للمياه في جنوب غرب الولايات المتحدة.
في نفس العام، حصلت شركة PERC على عقد جديد بقيمة 204 مليون دولار لتصميم، بناء، وتشغيل محطة تحلية جديدة في هونولولو، هاواي.
تنتج عمليات التجزئة للشركة في جزر كايمان مياه صالحة للشرب في ثلاث محطات تحلية مياه البحر عبر التناضح العكسي في جراند كايمان، تقع في مرافق Abel Castillo Water Works (“ACWW”) وموقع West Bay.
السعة الإنتاجية الإجمالية الحالية للمحطتين في ACWW هي 3.0 مليون جالون من الماء يوميًا. سعة إنتاج محطة West Bay هي 1,000,000 جالون من الماء يوميًا.
(CWCO )
في عام 2023، حققت الشركة إيرادات قدرها 180.2 مليون دولار أمريكي، بارتفاع كبير مقارنةً بإيرادات 2022 التي بلغت 94.1 مليون دولار أمريكي. شهد عام 2023 تسجيل الشركة صافي دخل قياسي وأرباح للسهم من العمليات المستمرة بقيمة 30.7 مليون دولار و1.93 دولار، على التوالي. وصل سعر السهم العادي للشركة إلى أعلى مستوى تاريخي وهو 38.29 دولار أمريكي في نوفمبر 2023.
#2. Veolia
تعتبر الشركة التحلية حلاً رئيسيًا لمكافحة نقص المياه. وتدعي أنها بنت مئات محطات وأنظمة التحلية حول العالم، لتوفير مياه عذبة للاستخدامين البلدي والصناعي. شملت أحدث مشاريعها الرائدة محطة آل دور 2 في البحرين، ومحطة رابيغ 3 في المملكة العربية السعودية، ومحطة أم القوين IWP في الإمارات العربية المتحدة.
منذ عام 2007، تتحمل الشركة مسؤولية بناء وتشغيل محطة التحلية عبر التناضح العكسي لمياه البحر في سور، بالتعاون مع شركة عُمان للطاقة والمياه (OPWP). توفر المنشأة مياه شرب لأكثر من 600,000 شخص. كما تبني Veolia مرافق تحلية للاحتياجات الصناعية.
تقنية Barrel المملوكة لـ Veolia هي نظام تحلية RO آمن، مدمج، ورقمي، يعتمد على نهج التوصيل والتشغيل (plug-and-play) لتأمين جدول زمني سريع، بينما تضمن حساساتها الرقمية المدمجة مراقبة عن بُعد فعّالة.
تساعد Veolia، إلى جانب حلول التحلية المباشرة، عملاءها من خلال مجموعة من الأدوات الرقمية والخبرات التي تجعل العمليات أكثر ذكاءً، أمانًا، واستدامة.
تقدم محفظة خدمات القاعدة المثبتة لديها خدمات معالجة مياه مخصصة وفقًا للاحتياجات الدقيقة للعميل. تتعامل خدمات المياه المتنقلة لـ Veolia مع أصول الإيجار التي تدعم وتساعد عمليات موقع العميل لاحتياجات معالجة المياه المؤقتة وطويلة الأجل. أخيرًا، تحت جناح برامج المواد الكيميائية لمعالجة المياه، تقدم الشركة حلولًا كيميائية للنظافة المائية وHYDREX تساعد على تحسين أداء مرافق الخدمات العامة ومعدات معالجة المياه.
تتداول أسهم Veolia (OTC: VEOVY) في سوق التداول خارج البورصة (OTC). في النصف الأول من عام 2024، سجلت الشركة إيرادات قدرها 22.141 مليار يورو، بانخفاض طفيف عن إيرادات النصف الأول من 2023 التي بلغت 22.755 مليار يورو. من هذا المبلغ، جاء ما يقرب من 8.8 مليار يورو من قسم الأعمال الذي يلبي احتياجات المياه. القسمان الآخران يتعلقان بالنفايات والطاقة.
الأهمية المتزايدة للتحلية
حجم كبير من المياه يأتي بالفعل من التحلية. وفقًا للبيانات التي قدمتها الجمعية الدولية للتحلية، تجاوزت السعة التعاقدية المتراكمة للتحلية الآن 100 مليون م³/يوم، ويُخصص ما يقرب من 60٪ من التحلية للاستهلاك البشري. وفقًا للتقديرات، يعتمد حوالي 300 مليون شخص على هذه العملية لتلبية احتياجاتهم اليومية من الماء. دول مثل الكويت تنتج تقريبًا 100٪ من مياهها العذبة عبر التحلية.
ومع ذلك، لم تُوزع مشاريع التحلية بعد بشكل متساوٍ على مستوى العالم. تشكل مناطق الشرق الأوسط وأمريكا الشمالية معًا أكثر من 70% من سعة التحلية العالمية. من هذا الـ 70٪، يساهم الشرق الأوسط وحده بأكثر من 53٪.
تشير البيانات أيضًا إلى وجود أكثر من 21,000 محطة تحلية مياه بحرية في عام 2022، بإنتاج عالمي يومي يبلغ 99 مليون م³/يوم من المياه المُحلاة. ومع ذلك، ينتج عن هذا الحجم من الإنتاج أكثر من 150 مليون م³/يوم من النفايات الملحية (الملوحة). الملحية هي مياه البحر ذات تركيز منخفض تُطرح من محطات التحلية إلى البحر. محتوى الملح في الملحية يبلغ تقريبًا 60 غ/ل للمياه البحرية مقارنةً بـ 40 غ/ل، بينما تكون درجة حرارة الملحية المُطرَدة أعلى قليلًا من درجة حرارة مياه البحر بضع درجات مئوية.
سيتعين على الأبحاث المستقبلية استثمار الوقت والموارد لإيجاد طرق أكثر صداقة للبيئة. يساعد استخدام الطاقة الشمسية في تشغيل هذه المحطات على تقليل البصمة الكربونية لهذه المرافق بشكل كبير. ومع ذلك، يجب على الأبحاث المستقبلية ضمان تحويل تقريبًا كل مياه البحر المدخلة إلى مياه شرب عذبة. سيضمن ذلك عدم وجود نفايات ضارة كمنتج ثانوي.
ستضمن آليات النقل والتوزيع الناجحة أن تصل هذه المياه إلى ما وراء الدول الواقعة على السواحل وتصل إلى المناطق الجافة والقاحلة التي لا توجد فيها مصادر مياه شرب مهمة قريبًا.
انقر هنا لتعرف كيف يمكن للطاقة الشمسية المساعدة في توفير مياه نظيفة في المناطق القاحلة.
