Bæredygtig afsaltning – Hvordan moden solteknologi ændrer vores tilgang til vandkriser

Vand er liv

Investorer og teknikere har en tendens til at fokusere på de mest værdifulde eller teknisk nyttige naturressourcer og råvarer, såsom guld, sjældne jordarter eller lithium. Men en meget enklere ressource er nødvendig i enorme mængder hver dag for at opretholde vores civilisation: ferskvand.

Selvom den bogstaveligt talt falder fra himlen i størstedelen af verden, er dens tilgængelighed stadig under stort pres i den moderne civilisation, da vi forbruger meget af den til industri, landbrug og menneskelige behov.

Kun 3 % af verdens vand er brugbart ferskvand, mens 97 % er saltet (salt grundvand og havvand). Af dette ferskvand er 69 % lagret i gletsjere og polare iskapper, 30 % er grundvand, og kun 1 % er overfladevand.

Kilde: USGS

Som følge heraf er den eneste tilgængelige vandkilde i mange områder saltet. Afsaltning er mulig, men kræver en enorm mængde energi. Indtil nu er den ofte udført med fossile brændstoffer, da de fleste afsaltningsmetoder er energiintensive og kræver konstant og stabil energitilførsel.

Dette kan ændre sig takket være en ny metode udviklet af MIT-ingeniører og offentliggjort i Nature Water under titlen “Direct-drive photovoltaic electrodialysis via flow-commanded current control.”

Solafsaltning

Ved første øjekast synes solenergi at være den mest logiske energikilde til at drive afsaltningsprocesser. Ikke kun leveres den gratis af solen, men den er også generelt rigelig i tørre områder som ørkener, som ofte har størst behov for afsaltning.

Efterhånden som solenergi bliver billigere dag for dag, vil den sandsynligvis fortsætte med at vokse som energikilde, som vi dækkede i vores artikel “The Solar Age—A Bright Future To Mankind.”

Der er stadig ét problem – solenergi produceres kun, når solen skinner. Det betyder, at for at fungere effektivt, skal de fleste ren‑drevede afsaltningsanlæg kobles til et batterisystem, hvilket øger omkostningerne.

Dette er især problematisk for nuværende afsaltningsmetoder, såsom omvendt osmose, som kræver stabile forhold og en stabil energiforsyning for at være effektiv. Det skyldes, at den kræver konstant tryk på osmosemembranerne.

Dette udelukker enhver lille‑skala afsaltning og enhver lav‑omkostningsmetode, i det mindste så længe energilagring stadig er dyrt. Dette kan ændre sig, som vi diskuterede i “The Future Of Energy Storage—Utility-Scale Batteries Tech“; alligevel kan det være bedre også at tilpasse sig den naturlige svingning i solenergi, inklusive meget kortvarige som skyer, der passerer.

Fleksibel batch‑elektrodialyse

MIT‑forskerne foretrak denne tilgang. De studerede elektrodialyse, en alternativ metode til omvendt osmose for afsaltning. Elektrodialyse bruger et elektrisk felt til at trække salt‑ioner ud, mens vandet pumpes gennem en stak ionbytningsmembraner.

Kilde: Nature Water

Til deres nye design skabte de et modelbaseret kontrolsystem forbundet til sensorer i alle dele af systemet. Det forudsagde den optimale hastighed, hvormed vandet skulle pumpes, samt den spænding, der skulle anvendes for at maksimere mængden af salt, der trækkes ud af vandet.

Ved at gøre dette kunne afsaltningsprocessen variere i takt med den solenergi, der produceres i realtid.

Kilde: Nature Water

I gennemsnit brugte systemet direkte 77 % af den tilgængelige elektriske energi produceret af solpanelerne, hvilket teamet anslog var 91 % mere end traditionelt designede sol‑drevne elektrodialysesystemer.

Yderligere forbedring

Den næsten fordoblede udnyttelsesgrad af solenergi sammenlignet med tidligere elektrodialysesystemer kunne stadig forbedres med mere regelmæssig optimering & automatisering:

Vi kunne kun beregne hvert tredje minut, og i den tid kunne en sky bogstaveligt talt komme forbi og blokere solen.

Systemet kunne sige: ‘Jeg har brug for at køre med denne høje effekt.’ Men noget af den effekt faldt pludselig, fordi der nu er mindre sollys. Så vi måtte kompensere den manglende effekt med ekstra batterier.

Amos Winter – Director of the K. Lisa Yang Global Engineering and Research (GEAR) Center at MIT

Dette var et proof‑of‑concept‑arbejde, som snart vil blive omsat til et kommercielt design, da teamet vil lancere en virksomhed baseret på deres teknologi i de kommende måneder.

Dette forskningsprojekt blev også støttet in‑kind (leveret materiale gratis) af Veolia Water Technologies and Solutions (VIE.PA) og Xylem Goulds (XYL ).

Ikke kun havvand

Forskningsholdet fokuserede på afsaltning af brakvand grundvand fundet under jorden i New Mexico. Da mange befolkningscentre i tørre områder ligger langt fra havet, kan dette være en vigtig vandkilde, som i øjeblikket er utilgængelig på grund af sit saltindhold.

“Størstedelen af befolkningen bor faktisk så langt fra kysten, at havvandsafsaltning aldrig kan nå dem. De er derfor stærkt afhængige af grundvand, især i fjerntliggende, lavindkomstområder. Og desværre bliver dette grundvand mere og mere saltet på grund af klimaforandringerne.”

Jonathan Bessette – MIT PhD student in mechanical engineering
Forskningsmodellen var allerede i stand til at levere nok ferskvand til at forsyne 3.000 mennesker. Den blev drevet i 6 måneder på Brackish Groundwater National Desalination Research Facility i Alamogordo, New Mexico.

Ikke kun ørkenområder

Vi har en tendens til at tænke på ferskvandsmangel og et akut behov for afsaltning kun i tørre steder som New Mexico eller Saudi-Arabien. Men “våde” regioner kan også blive påvirket. For eksempel overvejer Storbritannien at importere ferskvand fra Norge under tørke.

Tilsvarende har Canada været ramt af en krise vedrørende forsyningen af rent ferskvand, hvilket har ført til et retssag på 1,1 milliarder dollars mod den canadiske regering fra mere end 50 First Nations efter en nylig forlig på 8 milliarder dollars.

Imens truer Taiwans vandmangel den vitale halvlederindustri, som er kernen i øens økonomi.

Og klimaforandringer kan over tid forværre hver af disse separate kriser.

Mange regioner og lavindkomstlande kunne også drage fordel af at bruge mere vand end de i øjeblikket gør, for eksempel til at øge landbrugsudbyttet, hvor havvand er en åbenlys kandidat til ubegrænset forsyning, så længe afsaltning er billig nok, og energien leveres af sommerens sol.

Alternativt til afsaltning kan det også være muligt at trække vand ud af den tynde luft takket være hurtigt forbedrende atmosfæriske vandopsamlere.

Investering i vand

Adgang til rent ferskvand har siden 2010 været anerkendt af FN som en menneskerettighed. Det er en stor industri, værdiansat til 323 milliarder dollars i 2023, og forventes at vokse med 7,5 % CAGR indtil 2032, og nå 617 milliarder dollars.

Det er også en sektor, der har været begrænset af ressource‑tilgængelighed og energipriser, noget der måske bliver mindre kritisk, efterhånden som solenergi bliver billigere, og nye teknikker til at producere mere vand dukker op. Det forudsætter, at klimaforandringer ikke forårsager kritiske vandmangel.

Hvis du ikke er interesseret i specifikke vandvirksomheder, kan du også kigge på vand‑ETF’er som Global X Clean Water ETF (AQWA), iShares Global Water UCITS ETF (IH2O) eller Amundi MSCI Water ESG Screened ETF (WAT), som vil give en mere diversificeret eksponering til at drage fordel af den voksende vandsektor.

Virksomheder, der løser vandmangel

Xylem Inc.

Sammen med den europæiske Veolia er Xylem en global leder inden for vandrensning, spildevandsbehandling og afsaltning. De beskæftiger over 23.000 medarbejdere (heraf over 6.000 ingeniører) og opererer i 150 lande, med fokus på USA, med over 35.000 direkte industrielle kunder.

Deres primære marked er kommunalt drikke‑ og spildevand, men de leverer også dedikerede løsninger til andre sektorer som sundhedspleje, energi, fødevarer & drikkevarer, olie & gas, mikroelektronik osv.

Kilde: Xylem

Xylem kan levere de kritiske patenterede udstyr til at rense eller producere vand såsom ozongeneratorer, UV‑lamper, afsaltningsmembraner, ultra‑rene vandgeneratorer osv. Men de leverer også “enklere” udstyr, som er lige så vigtigt for vandrelaterede operationer, såsom turbiner, pumper, rørledninger, injektion, software osv., samt vedligeholdelses‑, reparations‑ og installationsservice.

Kilde: Xylem

Vandmarkedet er stadig meget fragmenteret, med Xylem som en af de største virksomheder i sektoren, men som stadig kun har en markedsandel på 10 % af sit $80 B served addressable market.

Virksomheden bruger omkring 4 % af sin omsætning på F&U. Den bør drage fordel af nye reguleringer vedrørende PFAS (Per‑ og polyfluoralkylstoffer, eller evige kemikalier), med over 6.000 forsyningsanlæg, der har brug for sådan PFAS‑behandling.

Xylem har vokset støt, med nettoindkomsten stigende fra $297 M i 2012 til $609 M i 2023, mens den har holdt en stabil EBITDA‑margin på 17‑219 %.

Samlet set gør dette virksomhedens investeringsprofil mindre lig en industrivirksomhed (ofte cyklisk) og mere lig en forsyningsvirksomhed, der vokser med den samlede økonomi eller lidt over den hastighed, ligesom de fleste af dens forbrugere.