الاستدامة
التحلية المستدامة – كيف تُغيّر التكنولوجيا الشمسية المتقدمة نهجنا في أزمات المياه
أضف Securities.io إلى مصادرك المفضلة على Google
الماء هو الحياة
يركز المستثمرون والمهندسون كثيرًا على موارد مثل الذهب والعناصر الأرضية النادرة والليثيوم. لكن الحضارة تحتاج يوميًا إلى كميات كبيرة من مورد أبسط: المياه العذبة.
رغم هطول الأمطار في أجزاء واسعة من العالم، تتعرض إمدادات المياه لضغوط بسبب الاستخدام الصناعي والزراعي والمنزلي، إضافة إلى التغيرات المناخية وسوء إدارة الموارد.
نحو 3% فقط من مياه الأرض عذبة، بينما معظم الباقي مالح. ولا تعني «عذبة» أنها متاحة كلها للشرب؛ فمعظم المياه العذبة مخزن في الجليد والمياه الجوفية، ولا تشكل المياه السطحية إلا جزءًا صغيرًا منها.
المصدر: USGS
في بعض المناطق تكون المياه المالحة أو قليلة الملوحة من أهم الموارد المتاحة. ويمكن تحليتها، لكن استهلاك الطاقة وتكلفة التشغيل يختلفان حسب الملوحة والتقنية. وقد تعتمد المحطات على الكهرباء أو الحرارة من مصادر متعددة، منها الوقود الأحفوري والطاقة المتجددة.
قد تساعد تقنية طورها مهندسو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في توسيع استخدام الطاقة الشمسية. ونشرت دراستهم في Nature Water بعنوان «التحليل الكهربائي الغشائي المدفوع مباشرة بالطاقة الكهروضوئية عبر التحكم بالتيار وفق معدل التدفق».
التحلية الشمسية
الطاقة الشمسية خيار مناسب في كثير من المناطق الجافة التي تحتاج إلى المياه. وضوء الشمس لا يتطلب شراء وقود، لكن الألواح والمضخات والمعدات والتركيب والصيانة لها تكاليف.
تناولنا تطور تكاليف الطاقة الشمسية في مقال «عصر الطاقة الشمسية — مستقبل مشرق للبشرية».
يتغير إنتاج الطاقة الشمسية مع الوقت والطقس. وقد تستخدم بعض أنظمة التحلية بطاريات أو مصادر مساندة، بينما تتكيف أنظمة أخرى مع الإنتاج المتغير أو تخزن المياه المنتجة.
يتطلب التناضح العكسي ضغطًا مناسبًا عبر الأغشية. ويمكن أن تؤثر التقلبات السريعة في الأداء والعمر التشغيلي، لكن هذا لا يعني أن كل نظام يجب أن يعمل بقدرة ثابتة تمامًا.
التخزين قد يزيد التكلفة، لكنه لا يجعل التحلية الصغيرة أو منخفضة التكلفة مستحيلة. وناقشنا تقنيات التخزين في «مستقبل تخزين الطاقة — البطاريات على نطاق المرافق». ويمكن أيضًا تصميم التحلية لتستجيب مباشرة لتقلبات الشمس، بما فيها مرور السحب.
التحليل الكهربائي الغشائي المرن
اختار الباحثون دراسة التحليل الكهربائي الغشائي، وهو بديل للتناضح العكسي يستخدم مجالًا كهربائيًا لنقل أيونات الأملاح عبر أغشية التبادل الأيوني أثناء تدفق المياه.
المصدر: Nature Water
في تصميم سابق، استخدم الفريق نظام تحكم قائمًا على نموذج وحساسات لتحديد معدل الضخ والجهد الملائمين، بما يوازن إزالة الملح والطاقة المتاحة.
سمح ذلك بتغيير تشغيل النظام وفق إنتاج الألواح الشمسية بدل الاعتماد على قدرة ثابتة.
المصدر: Nature Water
استخدم التصميم السابق مباشرة نحو 77% من الطاقة الكهربائية الشمسية المتاحة في المتوسط. وقدر الفريق أن ذلك يزيد بنحو 91% على استخدام الطاقة في أنظمة التحليل الكهربائي الغشائي الشمسية التقليدية التي قارنها به. هذه الأرقام لا تخص التصميم الأحدث ذي الاستجابة الأسرع.
تحسين إضافي
كان التصميم السابق يعيد حساب ظروف التشغيل كل ثلاث دقائق تقريبًا. وخلال هذه الفترة قد تتغير الإضاءة، لذلك ظل يحتاج إلى بطاريات لتغطية بعض الفروق.
يوضح وينتر أن السحب قد تقلل الطاقة المتاحة قبل أن يكمل نظام التحكم تحديث حساباته.
ولهذا احتاج النموذج السابق إلى طاقة إضافية من البطاريات. أما التصميم الأحدث فعدل معدل التدفق والتيار بسرعة أكبر، واستفاد مباشرة من أكثر من 94% من الطاقة الشمسية المتاحة دون بطاريات إضافية في الاختبارات.
آموس وينتر — مدير مركز كيه. ليزا يانغ للهندسة والأبحاث العالمية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا
كان العمل إثباتًا للمفهوم، مع خطط لتأسيس شركة وتطوير منتج تجاري. الخطط المستقبلية ليست دليلًا على أن المنتج متاح بالفعل.
تلقى المشروع دعمًا عينيًا من Veolia Water Technologies and Solutions (VIE.PA) ومن Xylem Goulds (XYL ).
ليس فقط مياه البحر
ركز الفريق على مياه جوفية قليلة الملوحة في نيو مكسيكو. وهذه تختلف عن مياه البحر الأعلى ملوحة؛ لذا لا يجوز افتراض أن النتائج أو التكلفة تنطبق مباشرة على تحلية مياه البحر.
يشير بيسيت إلى أهمية المياه الجوفية للمناطق البعيدة عن الساحل، وإلى أن ارتفاع ملوحتها قد يحد من استخدامها. وتتباين أسباب التملح بين المناطق، بما فيها السحب المفرط وتغير المناخ والظروف الجيولوجية.
جوناثان بيسيت — طالب دكتوراه في الهندسة الميكانيكية بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا
اختبر الفريق النموذج نحو ستة أشهر في Brackish Groundwater National Desalination Research Facility بمدينة ألاموغوردو في نيو مكسيكو. وأنتج كمية تكفي لتقدير احتياجات الشرب لنحو 3,000 شخص، لا جميع احتياجاتهم المنزلية والزراعية والصناعية.
ليس فقط المناطق الصحراوية
نقص المياه لا يقتصر على الصحارى. ففي بعض الفترات طُرحت أفكار مثل استيراد مياه عذبة من النرويج إلى المملكة المتحدة أثناء الجفاف. طرح الفكرة لا يعني تنفيذها أو اعتمادها سياسة دائمة.
كذلك واجهت مجتمعات في كندا أزمة في الحصول على مياه شرب نظيفة وآمنة. ولا ينبغي خلط قضايا المحاكم والتسويات المختلفة أو نسب مبالغ محددة إليها دون التحقق من القضية وتاريخها.
وفي تايوان، قد يهدد شح المياه صناعة أشباه الموصلات المهمة للاقتصاد.
يمكن لتغير المناخ أن يزيد بعض ضغوط المياه، إلى جانب الطلب والبنية التحتية وإدارة الموارد.
قد تساعد إمدادات إضافية في تحسين الزراعة والمعيشة في مناطق عديدة، لكن تحلية مياه البحر ليست مصدرًا غير محدود عمليًا؛ فالتكلفة والطاقة ونقل المياه والتخلص من المحلول الملحي كلها قيود مهمة.
ومن البدائل في بعض الظروف حصاد مياه الغلاف الجوي باستخدام أجهزة متطورة. وتعتمد الجدوى على الرطوبة والطاقة والتكلفة.
الاستثمار في المياه
اعترفت الأمم المتحدة عام 2010 بالحق في مياه الشرب المأمونة والصرف الصحي. ويقدر التقرير التجاري المشار إليه سوق المياه بنحو 323 مليار دولار عام 2023، مع توقع نمو سنوي مركب 7.5% إلى نحو 617 مليار دولار عام 2032. هذه توقعات تعتمد على تعريف السوق وافتراضات التقرير.
تؤثر الموارد والطاقة والبنية التحتية في القطاع. وقد تخفض بعض التقنيات التكاليف، لكنها لا تلغي القيود المحلية أو مخاطر تغير المناخ.
يمكن لمن يفضل التعرض لعدة شركات دراسة صناديق المياه مثل Global X Clean Water ETF (AQWA)، وiShares Global Water UCITS ETF (IH2O)، أو Amundi MSCI Water ESG Screened ETF (WAT). يختلف نطاق الاستثمار والرسوم والمخاطر بين الصناديق، ولا يزيل التنويع احتمال الخسارة.
الشركات التي تحل نقص المياه
Xylem Inc.
Xylem شركة عالمية لتقنيات المياه، إلى جانب شركات كبرى مثل Veolia. تعمل في معالجة المياه والصرف الصحي والمعدات والخدمات ذات الصلة. أعداد الموظفين والعملاء والدول تختلف حسب الفترة والعمليات المشمولة.
XYL مخطط السعر
تشمل أسواقها مرافق مياه الشرب والصرف الصحي، إضافة إلى قطاعات مثل الرعاية الصحية والطاقة والأغذية والمشروبات والنفط والغاز والإلكترونيات الدقيقة.
المصدر: Xylem
توفر الشركة معدات وأنظمة لمعالجة المياه، منها تقنيات الأوزون والأشعة فوق البنفسجية والترشيح والمياه عالية النقاء، إلى جانب المضخات والبرمجيات والخدمات. وتختلف المنتجات المتاحة باختلاف التطبيق.
المصدر: Xylem
قطاع المياه متنوع ومجزأ. تقديرات حصة Xylem والسوق الذي تخدمه تعتمد على تعريفات الشركة، ولا تمثل بالضرورة حصتها من جميع أنشطة المياه عالميًا.
تستثمر الشركة في البحث والتطوير. وقد تزيد متطلبات معالجة المواد البيرفلورية ومتعددة الفلوروألكيل، المعروفة أحيانًا بالمواد الكيميائية الدائمة)، الطلب على بعض الحلول، لكن عدد المنشآت المعنية والقيمة التجارية يعتمدان على القواعد المحلية والمشروعات الفعلية.
بلغ صافي دخل Xylem نحو 609 ملايين دولار في 2023. وبلغ هامش الأرباح المعدلة قبل الفوائد والضرائب والإهلاك والاستهلاك 18.9%، مقارنة بنحو 17% في 2022. العبارة «17–219%» خطأ، كما أن النمو لم يكن ثابتًا في كل سنة.
Xylem شركة صناعية لتقنيات المياه وليست مرفقًا عامًا منظمًا. ورغم أهمية عملائها من المرافق، فإن أسهمها تتأثر بالطلب والتكاليف والاستحواذات والمنافسة وعوامل السوق.
