Αποαφαλάτωση με Ηλιακή Ενέργεια – Επίλυση της Έλλειψης Νερού για 2,2 Δισεκατομμύρια Ανθρώπους

Το πρόβλημα της έλλειψης νερού είναι πιο επείγον από ό,τι μπορούμε να φανταστούμε. Σύμφωνα με τα δεδομένα που παρουσίασε το United Nations Environment Programme, σχεδόν το 50 τοις εκατό του παγκόσμιου πληθυσμού, που αντιστοιχεί σε περίπου 4 δισεκατομμύρια ανθρώπους, αντιμετωπίζουν έλλειψη νερού τουλάχιστον ένα μήνα το χρόνο.

Το επόμενο έτος, μέχρι το 2025, 1,8 δισεκατομμύρια άνθρωποι πιθανότατα θα αντιμετωπίσουν αυτό που η Οργανισμός Τροφίμων και Γεωργίας (FAO) ονομάζει «απόλυτη έλλειψη νερού». 

Η αντιμετώπιση ενός τόσο τεράστιου και πανταχού παρόντος προβλήματος απαιτεί καινοτόμες λύσεις, λύσεις που αξιοποιούν ανεξερεύνητους ή υποεξερευνημένους πόρους.

Για παράδειγμα, η αντιμετώπιση του προβλήματος της έλλειψης νερού θα μπορούσε να μετατρέπει το θαλασσινό νερό σε γλυκό νερό, που είναι μία από τις πιο αποτελεσματικές λύσεις, καθώς η διαθεσιμότητα του θαλασσινού νερού είναι άφθονη. Θα ήταν καλύτερο αν η διαδικασία μπορούσε να εκτελεστεί χρησιμοποιώντας ανανεώσιμη ενέργεια, όπως η ηλιακή ενέργεια. 

Συσκευή Ενεργειακά Αποδοτική για Παραγωγή Πόσιμου Νερού από Θαλασσινό Νερό

Η μετατροπή του θαλασσινού νερού σε φρέσκο πόσιμο νερό απαιτεί αποαλάτωση. Ωστόσο, τα τρέχοντα συστήματα αποαλάτωσης που αντλούν θαλασσινό νερό μέσω μεμβρανών για να διαχωρίσουν το αλάτι από το νερό δεν είναι μόνο ενεργοβόρα, αλλά επίσης υποφέρουν από τη συσσώρευση αλατιού στην επιφάνεια της συσκευής. Ως αποτέλεσμα, η ροή του νερού εμποδίζεται, μειώνοντας την αποδοτικότητα. Αυτές οι εναποθέσεις αλατιού καθιστούν αυτές τις μηχανές ακατάλληλες για συνεχόμενη λειτουργία και κοστοβόρες, απαιτώντας συχνή συντήρηση.

Μια ομάδα ερευνητών του Πανεπιστημίου Waterloo έχει τώρα προτείνει μια λύση εμπνευσμένη από τον υδρολογικό κύκλο της φύσης, αντλώντας έντονα από τους τρόπους με τους οποίους τα δέντρα μεταφέρουν νερό από τις ρίζες στα φύλλα.

Σύμφωνα με τον Δρ. Michael Tam, καθηγητή του Τμήματος Χημικής Μηχανικής του Waterloo:

«Η έμπνευσή μας προέρχεται από την παρατήρηση του πώς η φύση αυτοσυντηρείται και του τρόπου που το νερό εξατμίζεται και συμπυκνώνεται στο περιβάλλον».

Δεδομένου ότι ο μηχανισμός αντλεί έμπνευση από τον φυσικό υδρολογικό κύκλο, απαιτεί ελάχιστη συντήρηση. 

Η διαδικασία περιλαμβάνει μια μηχανική λύση που προκαλεί την εξάτμιση του νερού, το μεταφέρει στην επιφάνεια και το συμπυκνώνει σε κλειστό κύκλο. Το αποτέλεσμα είναι η αποτελεσματική πρόληψη της συσσώρευσης αλατιού και η ενισχυμένη διάρκεια ζωής της συσκευής με αμετάβλητη αποδοτικότητα. 

Αυτό που προσθέτει στα οφέλη της συσκευής είναι ότι χρησιμοποιεί ανανεώσιμη ενέργεια, καθιστώντας τη συσκευή ενεργειακά αποδοτική. Λειτουργεί με ηλιακή ενέργεια και μπορεί να μετατρέπει περίπου το 93 % της ηλιακής ακτινοβολίας σε ενέργεια.

Η αποδοτικότητα είναι πέντε φορές καλύτερη σε σύγκριση με τα τρέχοντα συστήματα αποαλάτωσης που διατίθενται στην αγορά, παράγοντας περίπου είκοσι λίτρα γλυκού νερού ανά τετραγωνικό μέτρο.

Αξιοσημείωτο, είναι η ίδια ποσότητα νερού που η Παγκόσμια Οργανισμός Υγείας (WHO) συνιστά για κάθε άτομο καθημερινά για βασική κατανάλωση και υγιεινή.

Για να χρησιμοποιήσει η συσκευή αποδοτικά την ηλιακή ενέργεια, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το βασικό υλικό νικέλιο (Ni). Η βάση από νικελιού φελλού επενδύθηκε με επικάλυψη αγώγιμου πολυμερούς και θερμοαντιδραστικά σωματίδια γύρης. Η σύνθεση έκανε το υλικό ικανό να απορροφά το ηλιακό φως σε όλο το φάσμα της ηλιακής ακτινοβολίας. 

Για την άνοδο του νερού, ένα λεπτό στρώμα αλμυρού νερού θερμαίνεται και μεταφέρεται. Είναι παρόμοιο με το πώς το νερό ταξιδεύει μέσω των φυσικών καπιλαριών των δέντρων. Η εξάτμιση του νερού οδηγεί το υπόλοιπο αλάτι να μετακινείται στο κάτω μέρος της συσκευής. 

Η απλότητα της λύσης την καθιστά έτοιμη για ευρύτερη υιοθέτηση. Η φορητότητά της εξασφαλίζει ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε απομακρυσμένες περιοχές, ιδιαίτερα σε παραθαλάσσιες και νησιωτικές χώρες. 

Καθώς συνοψίζει τα συνολικά οφέλη της λύσης, η Δρ. Yuning Li, καθηγήτρια του Τμήματος Χημικής Μηχανικής του Waterloo, δήλωσε:

«Αυτή η νέα συσκευή δεν είναι μόνο αποδοτική αλλά και φορητή, καθιστώντας την ιδανική για χρήση σε απομακρυσμένες περιοχές όπου η πρόσβαση σε γλυκό νερό είναι περιορισμένη». 

Για να επεκτείνει περαιτέρω τα πιθανά οφέλη, ο Δρ. Michael Tam είπε το εξής:

«Εάν το τεστ αποδειχθεί επιτυχές, η τεχνολογία μπορεί να παρέχει βιώσιμα γλυκό νερό σε παραλιακές κοινότητες και να προωθήσει τους Στόχους Βιώσιμης Ανάπτυξης του ΟΗΕ 3, 6, 10 και 12». 

Ενώ η παραπάνω έρευνα έχει δημιουργήσει μεγάλη ελπίδα στην επιστημονική κοινότητα και στους ανθρώπους που εργάζονται για βιώσιμες λύσεις γλυκού νερού, και άλλοι ερευνητές επίσης έχουν εργαστεί σε αυτό.

Στο επόμενο τμήμα, συζητάμε την ανάπτυξη μιας φορητής μονάδας αποαλάτωσης που πρότειναν ερευνητές του MIT το 2022.

Κάντε κλικ εδώ για να μάθετε πώς η ηλιακή εποχή ενισχύει ένα φωτεινότερο μέλλον για την ανθρωπότητα.

Φορητή Μονάδα Αποαλάτωσης για Παραγωγή Καθαρού, Σαφούς Πόσιμου Νερού

Τον Απρίλιο του 2022, ερευνητές του MIT ανέπτυξαν μια φορητή μονάδα αποαλάτωσης που ζυγίζει λιγότερο από 10 κιλά, περίπου το μέγεθος μιας βαλίτσας. Μπορούσε να λειτουργήσει με λιγότερη ισχύ από αυτή που απαιτείται για τη λειτουργία ενός φορτιστή κινητού τηλεφώνου. Διαθέσιμη προς αγορά στα US$50, όπως η συσκευή που συζητήσαμε στο προηγούμενο τμήμα, αυτή επίσης δεν απαιτεί τη διέλευση του νερού μέσω φίλτρων. Αντίθετα, χρησιμοποίησε ηλεκτρική ενέργεια για την αφαίρεση σωματιδίων από το πόσιμο νερό.

Τεχνική Πολικότητας Συγκέντρωσης Ιόντων που Καθιστά τη Μονάδα Χωρίς Φίλτρα

Η διαδικασία, αποτέλεσμα της δεκαετούς εργασίας των ερευνητών, περιελάμβανε την εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου σε μεμβράνες τοποθετημένες πάνω και κάτω από ένα κανάλι νερού. Οι μεμβράνες μπορούσαν να απωθούν θετικά ή αρνητικά φορτισμένα σωματίδια, συμπεριλαμβανομένων των μορίων αλατιού, των βακτηρίων και των ιών, καθώς το νερό διέρχεται από αυτές. Η διαδικασία μπορεί να βοηθήσει στην απομάκρυνση τόσο διαλυτών όσο και αιωρούμενων στερεών. 

Οι ερευνητές, κατά την ανάπτυξη της λύσης τους, χρησιμοποίησαν σοφά τις καλύτερες διαθέσιμες τεχνικές, συμπεριλαμβανομένης της μηχανικής μάθησης. Η μηχανική μάθηση αποδείχθηκε αποτελεσματική στην εύρεση του ιδανικού συνδυασμού των μονάδων ICP και ηλεκτροδιάλυσης, καθώς η διαδικασία περιελάμβανε συνολικά έξι μονάδες. 

Οι ερευνητές επίσης είχαν κατά νου ότι συσκευές όπως αυτή, που θα αποδειχθούν αποτελεσματικές μόνο εάν αποκτήσουν πολλούς χρήστες, πρέπει να είναι εύκολες και απλές στη χρήση. Συνεπώς, θα μπορούσε να λανσαριστεί με μόνο ένα κουμπί για αυτόματη αποαλάτωση και καθαρισμό. 

Μπορούσε επίσης να ειδοποιεί τους χρήστες όταν το επίπεδο αλατότητας και ο αριθμός σωματιδίων έπεφταν κάτω από ένα συγκεκριμένο αποδεκτό όριο. Για να γίνει η ανάγνωση των δεδομένων απλή και διαισθητική, οι ερευνητές προσέφεραν μια εφαρμογή smartphone που μπορεί να ελέγχει τη μονάδα ασύρματα και να αναφέρει όλα τα διαθέσιμα δεδομένα για την κατανάλωση ενέργειας και την αλατότητα του νερού σε real-time. 

Χρηματοδοτημένη, εν μέρει, από το DEVCOM Soldier Center, το Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J-WAFS), το Experimental AI Postdoc Fellowship Program του Northeastern University και το Roux AI Institute, η έρευνα παρείχε ικανοποιητικά αποτελέσματα.

Οι ερευνητές έβγαλαν τη λύση από το εργαστήριο και τη δοκίμασαν στην παραλία Carson του Βοστώνης. Το παραγόμενο νερό ξεπέρασε τις οδηγίες ποιότητας του Παγκόσμιου Οργανισμού Υγείας μειώνοντας τον αριθμό των αιωρούμενων στερεών τουλάχιστον κατά παράγοντα 10, ενώ το πρωτότυπο παρήγαγε πόσιμο νερό με ρυθμό 0,3 λίτρων ανά ώρα, απαιτώντας μόνο 20 watt-ώρες ανά λίτρο.

«Αυτή είναι πραγματικά η κορύφωση ενός δεκαετούς ταξιδιού που εγώ και η ομάδα μου διανύσαμε. Δούλεψαμε για χρόνια στη φυσική πίσω από τις μεμονωμένες διαδικασίες αποαλάτωσης, αλλά η ενσωμάτωση όλων αυτών των προόδων σε ένα κουτί, η κατασκευή ενός συστήματος και η επίδειξή του στον ωκεανό, ήταν μια πραγματικά ουσιαστική και ανταποδοτική εμπειρία για μένα». 

Ενώ οι ερευνητές των πανεπιστημίων είναι έντονα εμπλεκόμενοι σε αυτήν την ευγενή προσπάθεια, υπάρχουν αρκετές εταιρείες που έχουν αναλάβει το έργο της αποαλάτωσης του νερού. Η συμβολή τους είναι εξίσου κρίσιμη, καθώς η μαζική υιοθέτηση απαιτεί επεκταμένες λύσεις που λειτουργούν σε εμπορική κλίμακα. Στα επόμενα τμήματα, εξετάζουμε μερικές από αυτές τις εταιρείες. 

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

Η εταιρεία διαθέτει τις μηχανικές της υπηρεσίες έτοιμες να ενδυναμώσουν τους πελάτες της με τον πλήρη σχεδιασμό-κατασκευή των Sea Water Reverse Osmosis desalination systems. Η εταιρεία εξυπηρετεί ολόκληρο τον κύκλο υπηρεσιών που περιλαμβάνει εγκατάσταση, επέκταση ή ανακαίνιση. 

Η εταιρεία, εισηγμένη και διαπραγματευόμενη στο Nasdaq, εκτελεί τις υπηρεσίες διαχείρισης, μηχανικής και κατασκευής για αποαλάτωση μέσω της DesalCo, η οποία αναγνωρίζεται από προμηθευτές ως Κατασκευαστής Πρωτογενούς Εξοπλισμού (OEM) φυτών αντίστροφης όσμωσης θαλασσινού νερού για την Εταιρεία.

Τεχνολογικά, η εταιρεία αναγνωρίζει δύο κύριες μεθόδους αποαλάτωσης:

(i) Θερμική απόσταξη
(ii) Διαχωρισμός μεμβράνης.

Η εταιρεία προτιμά τη δεύτερη λόγω του χαμηλότερου ενεργειακού κόστους. Η εταιρεία εφαρμόζει διαχωρισμό με αντίστροφη όσμωση για την αποαλάτωση γλυκόρικου και θαλασσινού νερού. Είναι μια διαδικασία διαχωρισμού υγρών όπου το αλμυρό νερό πιέζεται και το γλυκό νερό διαχωρίζεται από το αλμυρό περνώντας μέσω μιας ημιδιαπερατής μεμβράνης που απορρίπτει τα άλατα.

Το εργοστάσιο Αντίστροφης Όσμωσης Θαλασσινού Νερού της Consolidated Water (CWCO ) βρίσκεται στο Nassau, New Providence, της Κοινοπολιτείας των Μπαχάμων. Ενεργοποιήθηκε τον Ιούλιο του 2006, το εργοστάσιο έχει λειτουργική χωρητικότητα για 12 εκατομμύρια γαλόνια ΗΠΑ νερού ανά ημέρα.

Το 2023, η εταιρεία ολοκλήρωσε την εξαγορά του υπόλοιπου 39 % της ιδιοκτησίας της PERC Water Corporation («PERC») ώστε να γίνει 100 % ιδιοκτήτης αυτής της θυγατρικής, η οποία σχεδιάζει, κατασκευάζει, λειτουργεί και διαχειρίζεται εγκαταστάσεις υδροδομικών υποδομών στην νοτιοδυτική περιοχή των Η.Π.Α.

Το ίδιο έτος, η PERC κέρδισε ένα νέο συμβόλαιο αξίας $204 εκατομμυρίων για το σχεδιασμό, την κατασκευή και τη λειτουργία μιας νέας εγκατάστασης αποαλάτωσης στο Honolulu, Χαβάη.

Οι λιανικές δραστηριότητες της εταιρείας στις Νήσους Καϊμάν παράγουν πόσιμο νερό σε τρία εργοστάσια αντίστροφης όσμωσης θαλασσινού νερού στη Grand Cayman, στα σημεία Abel Castillo Water Works («ACWW») και West Bay.

Η τρέχουσα συνολική παραγωγική χωρητικότητα των δύο εργοστασίων στο ACWW είναι 3,0 εκατομμύρια γαλόνια νερού ανά ημέρα. Η παραγωγική χωρητικότητα του εργοστασίου West Bay είναι 1.000.000 γαλόνια νερού ανά ημέρα.

Το 2023, η εταιρεία πέτυχε έσοδα 180,2 εκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ, σημαντική άνοδο σε σχέση με τα έσοδα του 2022 των 94,1 εκατομμυρίων δολαρίων ΗΠΑ. Το 2023 είδε την εταιρεία να καταγράφει ρεκόρ καθαρό κέρδος και κέρδη ανά μετοχή από τις συνεχείς δραστηριότητες, 30,7 εκατομμύρια δολάρια και 1,93 δολάρια, αντίστοιχα. Η τιμή της κοινής μετοχής της εταιρείας έφτασε σε ιστορικό υψηλό 38,29 δολάρια ΗΠΑ τον Νοέμβριο του 2023.

#2. Veolia 

Η εταιρεία θεωρεί την αποαλάτωση ως κεντρική λύση για την καταπολέμηση της έλλειψης νερού. Ισχυρίζεται ότι έχει κατασκευάσει εκατοντάδες φυτά και συστήματα αποαλάτωσης σε όλο τον κόσμο, παράγοντας γλυκό νερό για δημοτικές και βιομηχανικές ανάγκες. Τα πιο πρόσφατα κορυφαία έργα της εταιρείας περιλαμβάνουν το εργοστάσιο Al Dur 2 στο Μπαχρέιν, το εργοστάσιο Rabigh 3 στη Σαουδική Αραβία και το εργοστάσιο Umm Al Quwain IWP στα ΗΑΕ.

Από το 2007, η εταιρεία είναι υπεύθυνη για την κατασκευή και λειτουργία του εργοστασίου αντίστροφης όσμωσης θαλασσινού νερού του Sur, σε συνεργασία με την Oman Power and Water Procurement Company (OPWP). Η εγκατάσταση παρέχει πόσιμο νερό σε περισσότερα από 600.000 άτομα. Η Veolia επίσης κατασκευάζει εγκαταστάσεις αποαλάτωσης για βιομηχανικές ανάγκες. 

Η ιδιόκτητη τεχνολογία Barrel της Veolia είναι ένα ασφαλές, συμπαγές και ψηφιακό σύστημα RO αποαλάτωσης, του οποίου η προσέγγιση plug-and-play βοηθά στην εξασφάλιση γρήγορου χρονοδιαγράμματος, ενώ οι ενσωματωμένοι ψηφιακοί αισθητήρες εξασφαλίζουν αποτελεσματική απομακρυσμένη παρακολούθηση.

Η Veolia, εκτός από τις άμεσες λύσεις αποαλάτωσης, βοηθά επίσης τους πελάτες της με έναν συνδυασμό ψηφιακών εργαλείων και εξειδίκευσης που καθιστούν τις διαδικασίες πιο έξυπνες, ασφαλέστερες και πιο βιώσιμες.

Το χαρτοφυλάκιο υπηρεσιών της εγκατεστημένης βάσης προσφέρει προσαρμοσμένες υπηρεσίες επεξεργασίας νερού προσαρμοσμένες στις ακριβείς ανάγκες του πελάτη. Οι κινητές υπηρεσίες νερού της Veolia ασχολούνται με ενοικιαζόμενα περιουσιακά στοιχεία που υποστηρίζουν και βοηθούν τις λειτουργίες του πελάτη για προσωρινές και μακροπρόθεσμες ανάγκες επεξεργασίας νερού. Τέλος, στο τμήμα προγραμμάτων χημικών επεξεργασίας νερού, η εταιρεία προσφέρει λύσεις υγιεινής νερού και χημικές λύσεις HYDREX που βοηθούν στη βελτίωση της απόδοσης των υποδομών κοινής ωφέλειας και του εξοπλισμού επεξεργασίας νερού.

Οι μετοχές της Veolia (OTC: VEOVY) διαπραγματεύονται στην αγορά over-the-counter (OTC). Το πρώτο εξάμηνο του 2024, η εταιρεία κατέγραψε έσοδα 22,141 δισεκατομμυρίων ευρώ, μικρή πτώση σε σχέση με τα έσοδα του πρώτου εξαμήνου 2023 των 22,755 δισεκατομμυρίων ευρώ. Από αυτά τα 22,141 δισεκατομμύρια, σχεδόν 8,8 δισεκατομμύρια ευρώ προέρχονται από τη διεύθυνση που εξυπηρετεί τις ανάγκες νερού. Τα άλλα δύο αφορούν τα απόβλητα και την ενέργεια.

Η Αυξανόμενη Σημασία της Αποαλάτωσης

Ένας σημαντικός όγκος νερού προέρχεται ήδη από την αποαλάτωση. Σύμφωνα με τα δεδομένα που παρουσίασε η International Desalination Association, η συνολική συμβατική χωρητικότητα αποαλάτωσης έχει πλέον ξεπεράσει 100 million m3/d and nearly 60% of desalination is devoted to human consumption. Σύμφωνα με εκτιμήσεις, περίπου 300 εκατομμύρια άνθρωποι εξαρτώνται από αυτή τη διαδικασία για την καθημερινή τους χρήση νερού. Χώρες όπως το Κουβέιτ παράγουν σχεδόν το 100 % της γλυκού νερού τους μέσω αποαλάτωσης. 

Ωστόσο, τα έργα αποαλάτωσης δεν έχουν ακόμη κατανεμηθεί ομοιόμορφα παγκοσμίως. Οι περιοχές της Μέσης Ανατολής και της Βόρειας Αμερικής συνυπολογίζονται για περισσότερο από 70% of the world’s desalination capacity. Από αυτό το 70 %, η Μέση Ανατολή μόνη της αντιπροσωπεύει πάνω από 53%. 

Τα δεδομένα επίσης υποδεικνύουν ότι υπήρχαν περισσότερα από 21,000 seawater desalination plants in 2022, με καθημερινή παγκόσμια παραγωγή 99 εκατομμυρίων m3/ημέρα αποαλατισμένου νερού. Ωστόσο, αυτός ο όγκος παραγωγής δημιουργεί επίσης πάνω από 150 εκατομμύρια m3/ημέρα παραπροϊόντος αλμυρού νερού (brine). Το brine είναι το ελαφρώς συγκεντρωμένο θαλασσινό νερό που απορρίπτεται από τα φυτά αποαλάτωσης στη θάλασσα. Η περιεκτικότητα σε αλάτι του brine είναι περίπου 60 g/l για θαλασσινό νερό στα 40 g/l, ενώ η θερμοκρασία του απορριπτέου brine είναι ελαφρώς υψηλότερη από αυτή του θαλασσινού νερού – μερικές βαθμοί Κελσίου.  

Η μελλοντική έρευνα θα πρέπει να επενδύσει χρόνο και πόρους στην εύρεση μεθόδων που είναι πιο φιλικές προς το περιβάλλον. Η χρήση ηλιακής ενέργειας στη λειτουργία αυτών των εγκαταστάσεων βοηθά σημαντικά στη μείωση του αποτυπώματος άνθρακα. Ωστόσο, η μελλοντική έρευνα πρέπει να διασφαλίσει ότι σχεδόν όλο το εισερχόμενο θαλασσινό νερό μετατρέπεται σε φρέσκο πόσιμο νερό. Αυτό θα εξασφαλίσει ότι δεν υπάρχει επιβλαβής απόρριψη ως παραπροϊόν.  

Οι επιτυχείς μηχανισμοί μεταφοράς και διανομής θα εξασφαλίσουν ότι αυτό το νερό θα φτάσει πέρα από τις χώρες που βρίσκονται στην ακτή και θα φθάσει σε αραβικές, ξηρές περιοχές χωρίς σημαντική πηγή πόσιμου νερού κοντά.

Κάντε κλικ εδώ για να μάθετε πώς η ηλιακή ενέργεια μπορεί να βοηθήσει στην παροχή καθαρού νερού σε ξηρές περιοχές.