Desalinasi Berkelanjutan – Bagaimana Teknologi Surya yang Semakin Matang Mengubah Pendekatan Kita terhadap Krisis Air

Air Adalah Kehidupan

Investor dan teknolog cenderung fokus pada sumber daya alam dan komoditas yang paling berharga atau secara teknis berguna, seperti emas, tanah jarang, atau litium. Namun, sumber daya yang jauh lebih sederhana diperlukan dalam jumlah besar setiap hari untuk mempertahankan peradaban kita: air bersih.

Meskipun secara harfiah turun dari langit di sebagian besar dunia, ketersediaannya masih berada di bawah tekanan berat dalam peradaban modern, karena kita mengonsumsi sebagian besar untuk industri, pertanian, dan kebutuhan manusia.

Hanya 3% dari air dunia yang dapat digunakan sebagai air tawar, dengan 97% bersifat asin (air tanah asin dan air laut). Dari air tawar ini, 69% tersimpan di gletser dan lapisan es kutub, 30% adalah air tanah, dan hanya 1% adalah air permukaan.

Sumber: USGS

Akibatnya, di banyak tempat, satu‑satunya sumber air yang tersedia adalah air asin. Desalinasi memungkinkan tetapi memerlukan sejumlah besar energi. Sampai saat ini, proses ini sering dilakukan dengan bahan bakar fosil, karena sebagian besar teknik desalinasi memakan banyak energi dan memerlukan pasokan energi yang konstan dan stabil.

Hal ini dapat berubah, berkat metode baru yang dikembangkan oleh insinyur MIT dan dipublikasikan di Nature Water dengan judul “Direct-drive photovoltaic electrodialysis via flow-commanded current control.”

Desalinasi Tenaga Surya

Pada pandangan pertama, tenaga surya tampaknya menjadi sumber energi paling logis untuk menggerakkan operasi desalinasi. Tidak hanya disediakan secara gratis oleh Matahari, tetapi juga umumnya melimpah di wilayah kering seperti gurun, yang sering paling membutuhkan desalinasi.

Dengan tenaga surya menjadi semakin murah setiap hari, kemungkinan besar akan terus berkembang sebagai sumber energi, seperti yang kami bahas dalam artikel kami “The Solar Age—A Bright Future To Mankind.”

Masih ada satu masalah – energi surya hanya dihasilkan ketika matahari bersinar. Ini berarti agar beroperasi secara efisien, sebagian besar operasi desalinasi yang hanya menggunakan tenaga surya harus digabungkan dengan sistem baterai, yang meningkatkan biaya.

Hal ini terutama menjadi masalah bagi teknik desalinasi saat ini, seperti reverse osmosis, yang membutuhkan kondisi stabil dan pasokan energi yang stabil untuk menjadi efisien. Karena teknik ini memerlukan tekanan konstan pada membran osmosis.

Hal ini menghalangi semua desalinasi skala kecil dan metode berbiaya rendah, setidaknya selama penyimpanan energi masih mahal. Hal ini mungkin berubah, seperti yang kami bahas dalam “The Future Of Energy Storage—Utility-Scale Batteries Tech“; namun, mungkin lebih baik juga menyesuaikan diri dengan fluktuasi alami tenaga surya, termasuk yang sangat jangka pendek seperti awan yang lewat.

Elektrodialisis Batch Fleksibel

Peneliti MIT menyukai pendekatan ini. Mereka mempelajari elektrodialisis, metode alternatif untuk reverse osmosis dalam desalinasi. Elektrodialisis menggunakan medan listrik untuk menarik ion garam saat air dipompa melalui tumpukan membran pertukaran ion.

Sumber: Nature Water

Untuk desain baru mereka, mereka membuat sistem kontrol berbasis model yang terhubung ke sensor di semua bagian sistem. Sistem ini memprediksi laju optimal untuk memompa air dan tegangan yang harus diterapkan untuk memaksimalkan jumlah garam yang dikeluarkan dari air.

Dengan melakukan hal tersebut, operasi desalinasi dapat berfluktuasi sesuai dengan tenaga surya yang dihasilkan secara real‑time.

Sumber: Nature Water

Rata‑rata, sistem secara langsung menggunakan 77 persen dari energi listrik yang tersedia yang dihasilkan oleh panel surya, yang diperkirakan tim sebesar 91 persen lebih tinggi dibandingkan sistem elektrodialisis bertenaga surya yang dirancang secara tradisional.

Peningkatan Lebih Lanjut

Tingkat pemanfaatan tenaga surya yang hampir dua kali lipat dibandingkan sistem elektrodialisis sebelumnya masih dapat ditingkatkan dengan optimasi & otomatisasi yang lebih teratur:

Kami hanya dapat menghitung setiap tiga menit, dan dalam waktu itu sebuah awan secara harfiah dapat lewat dan menghalangi matahari.

Sistem mungkin akan berkata, ‘Saya perlu beroperasi dengan daya tinggi ini.’ Namun sebagian daya tersebut tiba‑tiba berkurang karena sinar matahari berkurang. Jadi, kami harus menutupi kekurangan daya tersebut dengan baterai tambahan.

Amos Winter – Direktur K. Lisa Yang Global Engineering and Research (GEAR) Center di MIT

Ini adalah pekerjaan bukti konsep dan akan segera diubah menjadi desain komersial, karena tim akan meluncurkan perusahaan berbasis teknologi mereka dalam beberapa bulan mendatang.

Proyek penelitian ini juga didukung secara in‑kind (menyediakan material secara gratis) oleh Veolia Water Technologies and Solutions (VIE.PA) dan Xylem Goulds (XYL ).

Tidak Hanya Air Laut

Tim penelitian memfokuskan pada desalinasi air tanah brackish yang ditemukan di bawah tanah di New Mexico. Karena banyak pusat populasi di daerah kering jauh dari laut, ini dapat menjadi sumber air penting yang saat ini tidak tersedia karena kandungan garamnya.

“Mayoritas penduduk sebenarnya tinggal cukup jauh dari pantai, sehingga desalinasi air laut tidak pernah dapat menjangkau mereka. Oleh karena itu mereka sangat bergantung pada air tanah, terutama di daerah terpencil dengan pendapatan rendah. Dan sayangnya, air tanah ini menjadi semakin asin akibat perubahan iklim.”

Jonathan Bessette – Mahasiswa PhD MIT di bidang teknik mesin
Model penelitian tersebut sudah mampu menyediakan cukup air bersih untuk melayani 3.000 orang. Model ini dioperasikan selama 6 bulan di Brackish Groundwater National Desalination Research Facility di Alamogordo, New Mexico.

Tidak Hanya Daerah Gurun

Kita cenderung berpikir bahwa kekurangan air bersih dan kebutuhan mendesak akan desalinasi hanya terjadi di tempat kering seperti New Mexico atau Arab Saudi. Namun, wilayah “basah” juga dapat terpengaruh. Misalnya, Inggris sedang mempertimbangkan mengimpor air bersih dari Norwegia selama kekeringan.

Demikian pula, Kanada telah terdampak krisis terkait pasokan air bersih dan segar, yang menyebabkan gugatan senilai $1,1 miliar terhadap pemerintah Kanada oleh lebih dari 50 suku First Nations setelah penyelesaian terbaru senilai $8 miliar.

Sementara itu, Kekurangan air di Taiwan mengancam industri semikonduktor yang krusial, yang merupakan inti ekonomi pulau tersebut.

Dan perubahan iklim dapat memperburuk masing‑masing krisis ini seiring waktu.

Banyak wilayah dan negara berpendapatan rendah juga dapat memperoleh manfaat dengan menggunakan lebih banyak air daripada yang mereka gunakan saat ini, misalnya untuk meningkatkan hasil pertanian, dengan air laut menjadi kandidat jelas untuk pasokan tak terbatas, selama desalinasi cukup murah dan energi disediakan oleh Matahari musim panas.

Sebagai alternatif desalinasi, menarik air dari udara tipis juga dapat menjadi mungkin berkat peningkatan cepat pada pengumpul air atmosfer.

Berinvestasi dalam Air

Akses ke air bersih telah sejak 2010 diakui oleh PBB sebagai hak asasi manusia. Ini merupakan industri besar, bernilai $323 miliar pada 2023, dan diperkirakan tumbuh pada CAGR 7,5% hingga 2032, mencapai $617 miliar.

Ini juga sektor yang dibatasi oleh ketersediaan sumber daya dan biaya energi, sesuatu yang mungkin menjadi kurang kritis seiring tenaga surya menjadi lebih murah, dan teknik baru untuk menghasilkan lebih banyak air muncul. Itu asalkan perubahan iklim tidak menyebabkan kekurangan kritis.

Jika Anda tidak tertarik pada perusahaan air tertentu, Anda juga dapat melihat ETF air seperti Global X Clean Water ETF (AQWA), iShares Global Water UCITS ETF (IH2O), atau  Amundi MSCI Water ESG Screened ETF (WAT), yang akan memberikan eksposur yang lebih terdiversifikasi untuk memanfaatkan pertumbuhan sektor air.

Perusahaan yang Menyelesaikan Kekurangan Air

Xylem Inc.

Bersama dengan Veolia Eropa, Xylem adalah pemimpin global dalam pemurnian air, pengolahan air limbah, dan desalinasi. Perusahaan ini mempekerjakan lebih dari 23.000 orang (termasuk lebih dari 6.000 insinyur) dan beroperasi di 150 negara, dengan fokus pada AS, serta melayani lebih dari 35.000 pelanggan industri langsung.

Pasar utamanya adalah air minum dan air limbah kota, tetapi juga menyediakan solusi khusus untuk sektor lain seperti kesehatan, energi, makanan & minuman, minyak & gas, mikroelektronik, dll.

Sumber: Xylem

Xylem dapat menyediakan peralatan paten penting untuk membersihkan atau memproduksi air seperti generator ozon, lampu UV, membran desalinasi, generator air ultra‑murni, dll. Namun, mereka juga menyediakan peralatan “lebih sederhana” yang sama pentingnya untuk operasi terkait air seperti turbin, pompa, pipa, injeksi, perangkat lunak, dll., serta layanan pemeliharaan, perbaikan, dan instalasi.

Sumber: Xylem

Pasar air masih sangat terfragmentasi, dengan Xylem menjadi salah satu perusahaan terbesar di sektor ini namun masih hanya memegang pangsa pasar “hanya” 10% dari pasar yang dapat dijangkau senilai $80 miliar.

Perusahaan menghabiskan sekitar 4% dari penjualannya untuk R&D. Mereka akan mendapat manfaat dari regulasi baru terkait PFAS (Per- dan polyfluoroalkyl substances, atau bahan kimia selamanya), dengan lebih dari 6.000 fasilitas utilitas yang membutuhkan perawatan PFAS tersebut.

Xylem telah tumbuh secara stabil, dengan pendapatan bersih meningkat dari $297 juta pada 2012 menjadi $609 juta pada 2023 sambil mempertahankan margin EBITDA yang stabil antara 17‑219%.

Secara keseluruhan, hal ini membuat profil investasi perusahaan lebih mirip perusahaan utilitas yang tumbuh seiring ekonomi secara keseluruhan atau sedikit di atas tingkat tersebut, dibandingkan dengan perusahaan industri (yang sering siklik), seperti kebanyakan konsumennya.