持続可能な淡水化 – 成熟しつつある太陽光技術が水危機へのアプローチを変える方法

水は命

投資家や技術者は、金、レアアース、リチウムなど、高価で技術的に重要な天然資源に注目しがちです。しかし、文明の維持に毎日大量に必要な、より身近な資源があります。淡水です。

多くの地域では雨として供給されるものの、工業、農業、家庭での需要や供給の地域差により、利用可能な水は圧迫されています。

地球の水のうち淡水は約2.5％で、残りの大部分は海水などの塩水です。淡水の約69％は氷河や氷床に、約30％は地下に存在し、川や湖などで利用しやすい水はごく一部です。淡水全体がそのまま利用可能なわけではありません。

出典: USGS

一部の地域では塩分を含む水が重要な水源候補になります。淡水化は可能ですが、設備やエネルギーが必要です。必要なエネルギー量は水の塩分濃度と処理方式によって異なり、電源も化石燃料に限られません。

MITのエンジニアが開発し、Nature Waterに「Direct-drive photovoltaic electrodialysis via flow-commanded current control」という題名で発表した新しい方法によって、この状況が変わる可能性があります。

太陽光脱塩

太陽光は淡水化の有力な電源候補です。水不足が深刻な乾燥地域では日射が豊富な場合があります。ただし、太陽光そのものに燃料費がかからなくても、パネルや淡水化設備、維持管理には費用がかかります。

太陽光が日々安くなっているため、エネルギー源としての成長が続くと考えられます。これは私たちの記事「太陽の時代—人類にとって明るい未来」で取り上げました。

太陽光発電の出力は日射によって変わり、夜間は発電できません。一定出力を必要とする装置では蓄電池などが必要となり、費用が増える場合があります。変動に合わせて運転することも選択肢です。

逆浸透では膜に圧力をかけて塩分を分離します。従来の設計は安定した運転を前提とすることが多く、変動する太陽光電力への対応が課題です。ただし、すべての逆浸透装置が常時一定の電力を必要とするわけではありません。

蓄電費用は小規模設備の経済性を難しくする場合があります。関連技術は「エネルギー貯蔵の未来—大規模蓄電池技術」で取り上げました。もう一つの方法は、雲による短時間の出力低下も含め、太陽光の変動に処理を追従させることです。

柔軟なバッチ電気透析

MITの研究チームは、電力変動に柔軟に対応できる電気透析を研究しました。イオン交換膜を重ねた部分に水を送り、電場を使って塩のイオンを移動させる方式です。

出典: Nature Water

先行設計では、センサーの測定値とモデルから水の流量や膜にかける電圧を調整し、太陽光の出力に合わせて処理する制御方式を開発しました。

この設計では、日射の変化に合わせて淡水化量を変えることができました。

出典: Nature Water

先行設計は、利用可能な太陽光発電電力の平均77％を直接利用しました。チームは従来設計の太陽光電気透析より91％多いと推定しています。これは後の高速制御設計の性能値とは異なります。

さらなる改善

先行設計では制御の更新間隔が約3分で、短時間の雲の通過を蓄電池で補う必要がありました。Amos Winterは当時の課題を次のように説明しています。

計算できるのは3分ごとで、その間に雲が太陽を遮ることがあります。装置が高出力で動こうとしても、日射が減れば利用できる電力は急に下がります。その不足分を追加の蓄電池で補う必要がありました。

Amos Winter – MITのK. Lisa Yang Global Engineering and Research (GEAR) Center ディレクター

最新設計では制御を毎秒3～5回更新することで追従を速め、平均94％超の太陽光発電電力を直接利用しました。研究チームは蓄電池への依存をほぼなくし、商用化に向けて信頼性や規模拡大を検証する予定でした。

この研究プロジェクトは、Veolia Water Technologies and Solutions（VIE.PA）およびXylem Gouldsからも現物支援を受けました。

海水だけが対象ではない

実証の対象はニューメキシコ州の塩分を含む地下水です。内陸では海水を運ぶより、現地の汽水地下水を処理する方が適する場合があります。海水より低塩分の水を対象とした成果を、そのまま海水淡水化の性能とみなすことはできません。

「実際のところ、人口の大多数は海岸から十分に離れて住んでいるため、海水淡水化は彼らに届きません。その結果、特に遠隔の低所得地域では地下水に大きく依存しています。しかし残念ながら、気候変動によりこの地下水はますます塩分が増加しています。」Jonathan Bessette – MIT機械工学博士課程学生

試作装置はニューメキシコ州アラモゴードの汽水地下水淡水化研究施設で約6か月運転され、最大で1日約5,000リットルを生産しました。MITが挙げた約3,000人という規模は飲料水の目安であり、各人の生活用水すべてを賄う量を意味しません。

砂漠地域だけが対象ではない

私たちは淡水不足と脱塩の緊急性がニューメキシコやサウジアラビアのような乾燥地域に限られると考えがちです。しかし、「湿潤」な地域でも影響を受ける可能性があります。例えば、英国は干ばつ時にノルウェーから淡水を輸入することを検討しています。

同様に、カナダでも安全な飲料水へのアクセスに課題が残っています。先住民の飲料水をめぐる約80億カナダドルの和解は2021年に承認されましたが、その後も関連する訴訟や給水設備の問題が続いていました。和解額と別の訴訟の請求額は区別する必要があります。

一方、台湾の水不足は半導体産業を脅かしています（島の経済の核心）。

そして、気候変動はこれらそれぞれの危機を時間とともにさらに悪化させる可能性があります。

多くの地域では安定した給水により生活や農業の改善が期待できます。ただし、海水は無制限に無影響で利用できる資源ではありません。取水、濃縮塩水の処理、設備費、電源なども考慮が必要です。今回の汽水地下水の研究は、あらゆる地域の海水処理費用を実証したものではありません。

脱塩の代替として、大気水収集装置の急速な進化により、空気中から水を抽出することも可能になるかもしれません。

水への投資

安全な飲料水へのアクセスは2010年に国連総会で人権として認められました。水・廃水処理は大きな市場であり、民間調査では2023年に約3,230億ドル、2032年に約6,170億ドルへ成長し、年平均成長率は約7.5％になるとの予測も示されていました。市場の定義や予測期間によって数値は異なり、成長が保証されるものではありません。

新しい処理技術や再生可能電力は給水費用の低減に役立つ可能性があります。一方、気候変動、設備更新、資源制約、政策などが需要と費用に影響するため、技術の進歩だけで水不足が解消するとは限りません。

個別企業以外の選択肢として、水関連ETFにはGlobal X Clean Water ETF（AQWA）、iShares Global Water UCITS ETF（IH2O）、Amundiの水関連ETFなどがあります。商品名、上場市場、通貨、保有銘柄、費用や購入資格は個別に確認が必要です。分散投資でも損失リスクは残ります。

水不足を解決する企業

Xylem Inc.

XylemはVeoliaなどと並び、水処理や関連設備を手がける大手企業です。当時の企業資料では、従業員2万3,000人以上、技術者6,000人以上、事業展開150か国、産業分野の直接顧客3万5,000以上と紹介されていました。人数や件数は時点と集計範囲によって変わるため、現在の数値とは区別が必要です。

主な市場は自治体の飲料水・下水処理ですが、医療、電力、食品・飲料、石油・ガス、マイクロエレクトロニクスなど、他の分野にも専用のソリューションを提供しています。

出典: Xylem

Xylemは、オゾン発生装置、UVランプ、脱塩膜、超純水生成装置など、水の浄化や生成に必要な特許取得済みの重要機器を提供できます。また、タービン、ポンプ、配管、注入装置、ソフトウェアなど、水関連作業に同様に重要な「シンプル」な機器や、保守、修理、設置サービスも提供しています。

出典: Xylem

水関連市場は多くの企業に分かれています。Xylemは大手の一社ですが、市場規模やシェアは対象とする製品・サービスの範囲によって異なります。

同社は研究開発に投資しており、PFAS（ペルフルオロアルキル物質およびポリフルオロアルキル物質、いわゆる「永遠の化学物質」）への規制強化は処理需要に影響する可能性があります。ただし、必要な処理施設数や同社の受注・利益は、汚染状況、規制、予算、競争などによって変わります。

Xylemの2023年純利益は6億900万ドル、調整後EBITDAマージンは18.9％でした。調整後EBITDAと純利益は異なる指標であり、過去の成長が将来の成果を保証するものでもありません。

水関連需要には長期的な要因がありますが、Xylemは公益事業そのものではなく設備・サービス企業です。公共投資、顧客の予算、景気、競争や規制の影響を受けます。