Solenergi-drevet afsaltning – Løsning på vandknaphed for 2.2B mennesker

Problemet med vandknaphed er mere presserende, end vi kan forestille os. Ifølge de data, der præsenteres af United Nations Environment Programme, næsten 50 procent af planetens befolkning, hvilket svarer til næsten 4 milliarder mennesker, oplever vandmangel mindst én måned om året.

I næste år, inden 2025, vil 1.8 milliarder mennesker sandsynligvis stå over for, hvad Fødevare- og Landbrugsorganisationen (FAO) kalder “absolut vandknaphed”. 

At tackle et så enormt og altomfattende problem kræver innovative løsninger, løsninger der bruger uudforskede eller underudnyttede ressourcer.

For eksempel kan bekæmpelse af vandknaphedsproblemet indebære at omdanne havvand til ferskvand, hvilket er en af de mest effektive løsninger, da havvandet er rigeligt. Det ville være bedre, hvis processen kunne udføres ved brug af vedvarende energi, som solenergi. 

Energieeffektiv enhed til at producere drikkevand fra havvand

At omdanne havvand til frisk drikkevand kræver afsaltning. De nuværende afsaltningssystemer, der pumper havvand gennem membraner for at adskille salt fra vand, er dog ikke kun energikrævende, men lider også af salt, der ophobes på enhedens overflade. Som følge heraf bliver vandstrømmen blokeret, hvilket reducerer effektiviteten. Disse saltaflejringer gør maskinerne uegnede til kontinuerlig drift og omkostningsintensive, idet de kræver hyppigt vedligeholdelsesarbejde.

Et team af forskere fra University of Waterloo har nu fundet en løsning inspireret af vandkredsløbet i naturen, der i høj grad trækker på den måde, træer transporterer vand fra rødder til blade.

Ifølge Dr. Michael Tam, en professor i Waterloos afdeling for kemisk ingeniørvidenskab:

«Vores inspiration kommer fra at observere, hvordan naturen opretholder sig selv, og den måde vand fordamper og kondenserer i miljøet på.»

Da mekanismen henter inspiration fra det naturlige vandkredsløb, kræver den næsten ingen større vedligeholdelse. 

Processen involverer en konstrueret løsning, der får vand til at fordampe, transporterer det til overfladen og kondenserer det i et lukket kredsløb. Resultatet er effektiv forebyggelse af saltophobning og forbedret enhedsholdbarhed med uformindsket effektivitet. 

Det, der øger enhedens fordele, er, at den bruger vedvarende energi, hvilket gør enheden energieffektiv. Den drives af solenergi og kan omdanne næsten 93 % af solen til energi.

The efficiency is five times better compared to the current desalination systems available in the market, producing close to twenty liters of fresh water per square meter.

Interessant nok er det den samme mængde vand, som WHO anbefaler for hver person dagligt til grundlæggende drikke- og hygiejneformål.

For at få enheden til at udnytte solenergi effektivt anvendte forskerne grundmaterialet nikkel (Ni). Nikkelfærdens grundlag blev udstyret med en ledende polymerbelægning og termoresponsive pollenpartikler. Sammensætningen gjorde materialet egnet til at absorbere sollys over hele solstrålingsspektrummet. 

Til den opadgående bevægelse af vand blev et tyndt lag saltvand opvarmet og transporteret. Det svarer til, hvordan vand bevæger sig gennem naturlige trækapillærer. Fordampningen af vand får den resterende salt til at synke til bunden af enheden. 

Løsningens enkelhed gør den klar til bredere adoption. Dens bærbarhed sikrer, at den kan anvendes i fjerntliggende områder, især i kyst- og ønationer. 

Mens hun opsummerer de overordnede fordele ved løsningen, sagde Dr. Yuning Li, professor i Waterloos afdeling for kemisk ingeniørvidenskab:

«Denne nye enhed er ikke kun effektiv, men også bærbar, hvilket gør den ideel til brug i fjerntliggende områder, hvor adgangen til ferskvand er begrænset.» 

For at uddybe de potentielle fordele yderligere sagde Dr. Michael Tam følgende:

«Hvis testen viser sig at være vellykket, kan teknologien bæredygtigt levere frisk vand til kystsamfund og fremme FN’s bæredygtige udviklingsmål tre, seks, ti og tolv.»

Mens den ovennævnte forskning har givet stort håb i det videnskabelige samfund og blandt dem, der arbejder mod bæredygtige ferskvandsløsninger, har andre forskere også arbejdet på området.

I det kommende segment diskuterer vi udviklingen af en bærbar afsaltningsenhed, som MIT-forskere foreslog i 2022.

Klik her for at lære, hvordan solalderen driver en lysere fremtid for menneskeheden.

En bærbar afsaltningsenhed til at producere klart, rent drikkevand

I april 2022 udviklede MIT-forskere en bærbar afsaltningsenhed, der vejede under 10 kilogram, omtrent på størrelse med en kuffert. Den kunne køre med mindre strøm end det, der kræves for at drive en mobiltelefonoplader. Tilgængelig for køb til US$50, ligesom enheden vi diskuterede i vores forrige segment, er denne også fri for behovet for vand, der skal passere gennem filtre. I stedet brugte den elektrisk energi til at fjerne partikler fra drikkevandet.

Ionkoncentrationspolariseringsteknik, der gør enheden filterfri

Processen, et resultat af forskernes tiårige arbejde, involverede påføring af et elektrisk felt på membraner placeret over og under en vandkanal. Membranerne kunne afvise positivt eller negativt ladede partikler, herunder saltmolekyler, bakterier og vira, mens vandet strømmede forbi dem. Processen kunne hjælpe med at fjerne både opløste og suspenderede faste stoffer.

Forskerne brugte ved udformning af deres løsning de bedste tilgængelige teknikker, herunder maskinlæring. Maskinlæring viste sig effektiv til at finde den ideelle kombination af ICP- og elektrodialyse-moduler, da processen omfattede i alt seks moduler.

Forskerne havde også i tankerne, at sådanne enheder, som kun vil være effektive, hvis de får mange brugere, skal være nemme og simple at anvende. Derfor kunne den lanceres med kun én knap til automatisk afsaltning og rensning.

Den kunne også underrette brugerne, når salinitetsniveauet og partikelantallet faldt under en specifik tolerabel tærskel. For at gøre aflæsning af data enkel og intuitiv, tilbød forskerne en smartphone-app, der kan styre enheden trådløst og rapportere alle tilgængelige data om strømforbrug og vandets salinitet i realtid.

Finansieret delvist af DEVCOM Soldier Center, Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J-WAFS), Experimental AI Postdoc Fellowship Program ved Northeastern University og Roux AI Institute, leverede forskningen tilfredsstillende resultater.

Forskerne tog løsningen ud af laboratoriet og testede den på Bostons Carson Beach. Det resulterende vand overgik Verdenssundhedsorganisationens kvalitetsretningslinjer ved at reducere antallet af suspenderede faste stoffer med mindst en faktor på 10, mens prototypen genererede drikkevand med en hastighed på 0,3 liter i timen og kun krævede 20 watt-timer pr. liter.

Ved at uddybe den banebrydende karakter af eksperimentet sagde seniorforfatter Jongyoon Han, professor i elektroteknik og datalogi samt biologisk ingeniørvidenskab og medlem af Research Laboratory of Electronics (RLE):

«Dette er virkelig kulminationen af en 10‑årig rejse, som jeg og mit hold har været på. Vi har i årevis arbejdet med fysikken bag individuelle afsaltningsprocesser, men at samle alle disse fremskridt i en boks, bygge et system og demonstrere det i havet, var en virkelig meningsfuld og givende oplevelse for mig.»

Mens universitetsforskere er stærkt engagerede i denne ædle bestræbelse, er der flere virksomheder, der har påtaget sig opgaven med at afsætte vand. Deres bidrag er lige så vigtigt, da storstilet adoption kræver opskalerede løsninger, der fungerer på kommerciel skala. I de følgende segmenter ser vi på et par af sådanne virksomheder. 

#1. Consolidated Water Co. Ltd. (NASDAQ: CWCO)

Virksomheden har sine ingeniørtjenester klar til at styrke sine kunder med den komplette design‑build af Sea Water Reverse Osmosis desalination systems. Virksomheden betjener hele servicecyklussen, der omfatter installation, udvidelse eller eftermontering. 

Virksomheden, noteret og handlet på Nasdaq, udfører ledelse, ingeniør- og byggetjenester for afsaltning gennem DesalCo, anerkendt af leverandører som en Original Equipment Manufacturer (OEM) af omvendt osmose havvandsafsaltningsanlæg for virksomheden.

Teknologisk anerkender virksomheden to hovedmetoder til afsaltning:

(i) Termisk destillation (ii) Membranseparation.

Virksomheden foretrækker den sidstnævnte på grund af lavere energikostnader. Virksomheden anvender omvendt osmose membranseparation til afsaltning af brakvand og havvand. Det er en væskeseparationsproces, hvor det salte vand komprimeres, og ferskvand adskilles fra det salte ved at passere gennem en semipermeabel membran, der afviser saltene.

Seawater Reverse Osmosis-anlægget fra Consolidated Water (CWCO ) er baseret i Nassau, New Providence, Commonwealth of the Bahamas. Anlægget, der blev sat i drift i juli 2006, har en driftskapacitet til at håndtere 12 million US gallons of water per day. 

I 2023 fuldførte virksomheden opkøbet af de resterende 39 % af ejerskabet i PERC Water Corporation (“PERC”) for at blive 100 % ejer af dette datterselskab, som designer, konstruerer, driver og administrerer vandinfrastrukturfaciliteter i det sydvestlige USA. 

I samme år blev PERC tildelt en ny $204 million contract to design, construct, and operate a new desalination facility i Honolulu, Hawaii.

Virksomhedens detailhandelsdrift på Caymanøerne producerer drikkevand ved tre seawater reverse osmosis afsaltningsanlæg i Grand Cayman, beliggende ved dens Abel Castillo Water Works (“ACWW”) og West Bay-lokationerne. 

Den samlede aktuelle produktionskapacitet for de to anlæg ved ACWW er 3,0 millioner gallons vand pr. dag. Produktionskapaciteten for West Bay-anlægget er 1.000.000 gallons vand pr. dag.

I 2023 opnåede virksomheden en omsætning på 180,2 millioner US$, et betydeligt spring fra 2022’s omsætning på 94,1 millioner US$. 2023 så virksomheden registrere rekordnettoindkomst og indtjening pr. aktie fra fortsættende aktiviteter på henholdsvis 30,7 millioner US$ og 1,93 US$. Prisen på virksomhedens almindelige aktie nåede et rekordhøjt niveau på 38,29 US$ i november 2023. 

#2. Veolia 

Virksomheden ser afsaltning som en nøgleløsning til at bekæmpe vandknaphed. Den påstår at have bygget hundredvis af afsaltningsanlæg og -systemer over hele verden, der producerer ferskvand til både kommunale og industrielle behov. Virksomhedens seneste flagsskibsprojekter inkluderer Al Dur 2-anlægget i Bahrain, Rabigh 3-anlægget i Saudi-Arabien og Umm Al Quwain IWP-anlægget i De Forenede Arabiske Emirater.

Siden 2007 har virksomheden været ansvarlig for at bygge og drive seawater reverse osmosis-anlægget i Sur, sammen med Oman Power and Water Procurement Company (OPWP). Faciliteten leverer drikkevand til mere end 600.000 mennesker. Veolia bygger også afsaltningsfaciliteter til industrielle behov. 

Veolias proprietære Barrel-teknologi er et sikkert, kompakt og digitalt RO-afsaltningssystem, hvis plug‑and‑play-tilgang hjælper med at sikre en hurtig tidsplan, mens de indlejrede digitale sensorer sikrer effektiv fjernovervågning.

Veolia, ud over sine direkte afsaltningsløsninger, hjælper også sine kunder med en kombination af digitale værktøjer og ekspertise, der gør processerne smartere, sikrere og mere bæredygtige.

Dets installerede serviceportefølje tilbyder tilpassede vandbehandlingsservices skræddersyet til kundens præcise behov. Veolias mobile vandtjenester beskæftiger sig med lejeaktiver, der understøtter og assisterer kundens anlægsdrift for midlertidige og længerevarende vandbehandlingsbehov. Endelig tilbyder virksomheden under sin vandbehandlingskemiske programafdeling vandhygiejne- og HYDREX-kemiske løsninger, der hjælper med at forbedre ydeevnen af forsynings- og vandbehandlingsudstyr.

Veolia (OTC: VEOVY) handles på over-the-counter (OTC)-markedet. I første halvdel af 2024 registrerede company registered a revenue of 22.141 Billion Euros, en let nedgang fra H1 2023’s omsætning på 22,755 milliarder euro. Ud af disse 22,141 milliarder kom næsten 8,8 milliarder euro fra forretningsdivisionen, der betjener vandbehov. De øvrige to vedrører affald og energi.

Den stigende betydning af afsaltning

Et betydeligt vandvolumen kommer allerede fra afsaltning. Ifølge de data, der præsenteres af International Desalination Association, har den samlede kontraherede afsaltningskapacitet nu overskredet 100 millioner m³/d og næsten 60 % af afsaltning er dedikeret til menneskelig forbrug. Ifølge estimater er omkring 300 millioner mennesker afhængige af denne proces for deres daglige vandforbrug. Lande som Kuwait producerer næsten 100 % af deres ferskvandsforbrug gennem afsaltning.

Desaltningsprojekter er dog endnu ikke jævnt fordelt på verdensplan. Mellemøsten og Nordamerika udgør samlet mere end 70% of the world’s desalination capacity. Ud af disse 70 % udgør Mellemøsten alene mere end 53 %.

Data antyder også, at der i 2022 var mere end 21,000 seawater desalination plants in 2022, med en daglig global produktion på 99 millioner m³/d af afsaltet vand. Denne produktionsvolumen resulterer dog også i mere end 150 millioner m³/d brine som biprodukt. Brine er det let koncentrerede havvand, der afvises af afsaltningsanlæggene til havet. Saltindholdet i brine er cirka 60 g/l for havvand ved 40 g/l, mens temperaturen af den afviste brine er lidt højere end havvandet – nogle få grader Celsius.

Fremtidig forskning vil skulle investere tid og ressourcer i at finde måder, der er mere miljøvenlige. Brug af solenergi til at drive disse anlæg hjælper med at reducere deres CO₂-aftryk betydeligt. Fremtidig forskning skal dog sikre, at næsten al indgående havvand omdannes til frisk drikkevand. Dette vil sikre, at der ikke er skadelig afvisning, der kommer ud som et biprodukt.

Succesfulde transport- og distributionsmekanismer vil sikre, at dette vand går ud over de nationer, der ligger ved kysten, og når ud til tørre, ørkenområder uden væsentlige drikkevandskilder i nærheden.

Klik her for at lære, hvordan solenergi kan hjælpe med at levere rent vand i tørre regioner.