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

Investors and technologists tend to focus on the most precious or technically useful natural resources and commodities, such as gold, rare earth, or lithium. However, a much simpler resource is needed in massive amounts daily to sustain our civilization: fresh water.

投資家や技術者は、金、レアアース、リチウムなど、最も貴重で技術的に有用な天然資源や商品に注目しがちです。しかし、文明を維持するために毎日大量に必要とされるはるかにシンプルな資源があります：淡水。

文字通り世界の大部分で空から降ってくるものの、産業、農業、そして人間の必要に多く消費するため、現代文明においてその供給は依然として深刻な圧力を受けています。

世界の水のうち利用可能な淡水はわずか3％で、97％は塩水です (saline groundwater and seawater). Of this freshwater, 69% is held in glacier and polar ice caps, 30% is groundwater, and only 1% is surface water.

出典: USGS

その結果、多くの地域で利用可能な唯一の水源は塩水です。脱塩は可能ですが、膨大なエネルギーが必要です。これまで、ほとんどの脱塩技術はエネルギー集約的で安定したエネルギー供給を必要とするため、化石燃料で行われてきました。

This could change, thanks to a new method developed by MIT engineers and published in Nature Water under the title “Direct-drive photovoltaic electrodialysis via flow-commanded current control.”

太陽光脱塩

At first glance, solar power seems to be the most logical energy source for powering desalination operations. Not only is it provided for free by the Sun, but it is also generally abundant in dry regions like deserts, which often need desalination the most.

一見すると、太陽光は脱塩装置に電力を供給する最も論理的なエネルギー源のように思えます。太陽から無料で供給されるだけでなく、脱塩が最も必要とされる砂漠などの乾燥地域でも一般的に豊富です。

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。

しかし、まだ問題があります。太陽エネルギーは太陽が照っているときだけ生成されます。したがって、効率的に運転するには、太陽光のみで動く脱塩装置の多くはバッテリーシステムと組み合わせる必要があり、コストが増加します。

これは、逆浸透などの現在の脱塩技術にとって特に問題です。逆浸透は安定した条件と安定したエネルギー供給が必要で、効率的に機能するためには浸透膜に常に圧力をかけ続ける必要があります。

これは、エネルギー貯蔵が依然として高価である限り、小規模脱塩や低コスト手法を排除します。これは、私たちが「エネルギー貯蔵の未来—ユーティリティ規模バッテリーテクノロジー」で論じたように変わる可能性があります。それでも、雲が通過するような非常に短期的な変動を含め、太陽光の自然な変動に適応する方が良いかもしれません。

柔軟なバッチ電気透析

The MIT researchers favored this approach. They studied electrodialysis, an alternative method to reverse osmosis for desalination. Electrodialysis uses an electric field to draw out salt ions as water is pumped through a stack of ion-exchange membranes.

出典: Nature Water

新しい設計では、システム全体のセンサーに接続されたモデルベースの制御システムを作成しました。このシステムは、水をポンプで送る最適な流速と、塩分除去量を最大化するために適用すべき電圧を予測しました。

これにより、脱塩プロセスはリアルタイムで生成される太陽光エネルギーに応じて変動できるようになりました。

出典: Nature Water

平均して、システムは太陽光パネルが生成した利用可能な電力の77％を直接使用し、チームは従来設計の太陽光電気透析システムよりも91％多く利用できたと推定しています。

さらなる改善

以前の電気透析システムと比較してほぼ倍増した太陽光利用率は、より定期的な最適化と自動化によりさらに改善できる可能性があります：

私たちは3分ごとにしか計算できず、その間に雲が通過して太陽光を遮ることがあります。

システムは『この高出力で動作する必要がある』と言っているかもしれませんが、太陽光が減少したために出力が急激に低下しました。そのため、追加のバッテリーでその不足分を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

これは概念実証の研究であり、チームは数か月以内に技術を基にした企業を立ち上げる予定で、商用設計へと移行する予定です。

この研究プロジェクトは、Veolia Water Technologies and Solutions（VIE.PA）およびXylem Gouldsからも実物支援（無償で材料提供）を受けました。

海水だけが対象ではない

研究チームはニューメキシコ州の地下にある汽水地下水の脱塩に焦点を当てました。乾燥地域の人口中心は海から遠く、塩分含有のため現在利用できない重要な水源となり得ます。

「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

研究モデルはすでに3,000人に供給できる十分な淡水を提供でき、ニューメキシコ州アルモゴルドの汽水地下水国立脱塩研究施設で6か月間運転されました。

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、カナダは淡水と清潔な水供給に関する危機に直面しています、最近の80億ドル規模の和解後、50以上の先住民族がカナダ政府に対して11億ドルの訴訟を起こしました。

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。

多くの地域や低所得国は、現在より多くの水を利用することで、例えば農業収量の向上などの利益を得られます。海水は無制限に供給できる明白な候補であり、脱塩が十分に安価で、エネルギーが夏の太陽によって供給される限り有効です。

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

Access to clean fresh water has since 2010 been recognized by the UN as a human right. It is a big industry, valued at $323 billion in 2023, and expected to grow at 7.5% CAGR until 2032, reaching $617B.

清潔な淡水へのアクセスは2010年以降、国連により人権として認められています。これは大規模な産業で、2023年の価値は3230億ドルとされ、2032年まで年平均成長率7.5％で成長し、6170億ドルに達すると予測されています。

また、このセクターは資源の可用性とエネルギーコストに制約されてきましたが、太陽光が安くなるにつれ、そして新たな水生成技術が登場することで、これらの課題は緩和される可能性があります。もちろん、気候変動が重大な不足を引き起こさなければの話です。

特定の水関連企業に関心がない場合は、Global X Clean Water ETF（AQWA）やiShares Global Water UCITS ETF（IH2O）、Amundi MSCI Water ESG Screened ETF（WAT）などの水関連ETFを検討できます。これらは成長する水セクターへの分散投資を提供します。

水不足を解決する企業

Xylem Inc.

Together with the European Veolia, Xylem is a global leader in water purification, wastewater treatment, and desalination. It employs 23,000+ (of which 6,000+ engineers) people and operates in 150 countries, with a focus on the USA, with 35,000+ direct industrial customers.

欧州のVeoliaと共に、Xylemは水の浄化、廃水処理、脱塩における世界的リーダーです。従業員は23,000人以上（うち6,000人以上がエンジニア）で、150か国で事業を展開し、米国に重点を置き、35,000以上の直接的な産業顧客を抱えています。

Its main market is municipal drinking and wastewater, but it also provides dedicated solutions to other sectors like healthcare, power, food & beverages, oil & gas, microelectronics, etc.

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

水市場は依然として非常に分散しており、Xylemはセクター内で最大手の一つですが、サービス対象の800億ドル規模の市場のうち「わずか」10％のシェアしか保有していません。

The company spends around 4% of its sales on R&D. It should benefit from new regulations regarding PFAS (Per- and polyfluoroalkyl substances, or forever chemicals), with 6,000+ utility facilities needing such PFAS treatment.

同社は売上の約4％を研究開発に投資しています。PFAS（ペルフルオロアルキル物質）に関する新規規制の恩恵を受ける見込みで、6,000以上の公益事業施設がPFAS処理を必要としています。

Xylemは着実に成長しており、純利益は2012年の2億9700万ドルから2023年には6億900万ドルへと増加し、EBITDAマージンは安定した17〜219％を維持しています。

全体として、同社の投資プロファイルは、しばしば景気循環的な工業企業というよりも、全体経済とともに、あるいはそれやや上回る速度で成長する公益事業会社に近いものとなっています。