Atmosferisch Wateroogsten – Hoe het Benutten van Zwaartekracht Deze Technologie Kan Bevorderen

Water is misschien wel de meest waardevolle hulpbron waar onze planeet mee te maken heeft. Ondanks dat het 70% van onze planeet beslaat, is zoet water, het water dat we gebruiken om te drinken, te baden of onze landbouwgrond te irrigeren, schaars. Slechts 3% van het wereldwater is zoet water. Bovendien bevindt twee derde van die 3% zich in bevroren gletsjers of is het niet beschikbaar voor gebruik.

De gevolgen van waterschaarste is iets dat wereldwijd wordt weerspiegeld. Wereldwijd heeft bijna 1,1 miljard mensen geen toegang tot water. In totaal lijden 2,7 miljard mensen in de wereld ten minste één maand per jaar aan waterschaarste.

Een tekort aan water leidt ook tot vele andere problemen, zoals ontoereikende sanitaire voorzieningen, een probleem voor 2,4 miljard mensen die kwetsbaar worden en blootgesteld aan ziekten zoals cholera en tyfus, en vele andere dodelijke diarreeziekten.

De groeiende bevolking en de steeds toenemende vraag naar water staan altijd tegenover elkaar. Hoe meer bevolkt onze planeet wordt, hoe meer stress de watersystemen ondervinden.

Stijgende vervuilingsniveaus hebben een tol geëist van de rivieren, meren en aquifers van de planeet. Wat nog zorgwekkender lijkt, is dat meer dan de helft van de wetlands van de wereld is verdwenen.

Als de wetenschappelijke gemeenschap er niet in slaagt zich met de tijd te ontwikkelen en oplossingen te bieden om de bedreiging van verdwijnend water te bestrijden, zullen onze landbouwsystemen binnenkort niet genoeg water hebben, wat leidt tot voedselonzekerheid en nog veel meer.

Gelukkig staat de wetenschappelijke gemeenschap wereldwijd klaar voor de uitdaging. Vandaag bespreken we een dergelijke baanbrekende oplossing in het komende segment en gaan we dieper in op de details.

Apparaat onttrekt water uit de lucht met niets anders dan zwaartekracht

Een team van internationale onderzoekers, geleid door KAUST‑professor Qiaoqiang Gan, heeft een apparaat ontworpen dat mogelijk zonder elektriciteit kan werken en water uit de lucht kan onttrekken met alleen zwaartekracht. Het apparaat, dat al vrij is van de noodzaak voor een dure energievoorziening, kan worden gemaakt van goedkope en gemakkelijk verkrijgbare materialen.

Het experimentele artikel, getiteld ‘Lubricated Surface in a Vertical Double-Sided Architecture for Radiative Cooling and Atmospheric Water Harvesting’, streeft ernaar atmosferisch wateroogsten efficiënter te maken.

Het wateroogstproces verbetert aanzienlijk door radiatieve koeling. Radiatieve koeling werkt door de condensatortemperaturen aanzienlijk onder de omgevingstemperatuur te verlagen, waardoor atmosferisch wateroogsten mogelijk wordt zonder extra energie.

Een probleem waarmee radiatieve koelsystemen te maken hebben, is de uitdaging van traditionele naar de lucht gerichte condensatoren die een lage koelvermogen-dichtheid hebben, en waterdruppels die op het oppervlak blijven kleven, waardoor actieve condensaatverzameling nodig is.

Het onderzoek heeft een oplossing voor dit probleem voorgesteld: een gesmeerde oppervlak (LS) coating — bestaande uit een zeer schaalbare polydimethylsiloxaan elastomeer gesmeerd met siliconenolie, aangebracht aan de condensatorszijde in een verticale dubbelzijdige architectuur.

De voordelen van het ontwerp zijn talrijk. Ten eerste verdubbelt het effectief de lokale koelcapaciteit.

Ten tweede elimineert het contactlijnvastzetting, waardoor passieve, door zwaartekracht aangedreven waterverzameling mogelijk is. Het resultaat is een verhoogde AWH-capaciteit van een 0 × 30 cm² monster in buitenomgevingen, zonder kunstmatige toevoer van bevochtigde lucht.

De passieve waterverzamelingssnelheid van de gesmeerde oppervlak (LS) coating bereikte 21 g m−2 h−1, het dubbele van een superhydrofobisch oppervlak (10 g m−2 h−1). De prestatie was zelfs beter in een binnenomgeving, waar het systeem een condensatiesnelheid kon bereiken tot 87% van de theoretische limiet met tot 90% van het totale condensaat passief verzameld.

Voordelen van Atmosferisch Wateroogsten Correct Uitgevoerd

De atmosfeer bevat zes keer meer water dan al het zoet water van de rivieren van de aarde samen. Volgens professor Gan:

“Dit water kan worden verzameld door atmosferische wateroogsttechnologieën.”

En wanneer het proces efficiënt wordt uitgevoerd met de hierboven genoemde oplossing, wordt het des te winstgevender voor de gebruikers. Terwijl hij de voordelen van het systeem toelichtte, zei professor Dan Daniel, een van de postdoctorale onderzoekers in professor Gan’s onderzoeksgroep, het volgende:

“Het systeem verbruikt geen elektriciteit, wat leidt tot energiebesparing. Bovendien is het niet afhankelijk van mechanische onderdelen zoals compressoren of ventilatoren, waardoor het onderhoud ten opzichte van traditionele systemen wordt verminderd, wat verdere besparingen oplevert.”

Op de observaties van Dan Daniel voegde een andere postdoctoraat van het team, Shakeel Ahmad, toe:

“Onze coating elimineerde effectief vastzetting, waardoor echte passieve waterverzameling door water mogelijk werd.”

Al met al verbetert het systeem de kwaliteit van atmosferisch wateroogsten aanzienlijk, waardoor AWH een echte oplossing is in deze wereld van steeds schaarser wordende waterbronnen.

Klik hier om te leren hoe zonne-energie meer kan doen dan alleen schone energie leveren.

Vooruitgang in Atmosferische Wateroogstsystemen

In oktober 2023 publiceerde een artikel in het wetenschappelijke tijdschrift Energy een uitgebreide review van technieken, prestaties, hernieuwbare-energieoplossingen en haalbaarheid met betrekking tot de AWH-methode. De review benadrukte atmosferisch wateroogsten als iets dat een enorme bron van zoet water van 12.900 km³ zou kunnen zijn.

Het zei:

“Atmosferische wateroogstsystemen hebben de afgelopen jaren aan populariteit gewonnen omdat ze een duurzame waterbron bieden in droge regio’s.”

In de komende segmenten zullen we enkele van deze ontwikkelingen bekijken, waaronder ontvochtigen, condenseren, vaporcompressie‑koelcycli (VCRCs), thermoelectrische koelkasten (TECs), airconditioningsystemen, brandstofcellen en geïntegreerde systemen.

Ontvochtigen en Condenseren

Ontvochtigingswateroogsttechnologieën halen energie uit zonne‑, wind‑ of elektrische bronnen. De technologieën kunnen gebaseerd zijn op compressoren/refrigeranten of op droogmiddelen.

De eerste typen werken via dauwpuntcondensatie en bieden een koud oppervlak waarop waterdamp kan condenseren, terwijl de tweede typen waterdamp verzadigen met een sorptiemiddel dat vervolgens wordt verwarmd, en de supersatureerde waterdamp condenseert op een oppervlak wanneer het in contact komt met koelere omgevingslucht.

Vaporcompressie‑Koelcycli (VCRCs)

Dit proces verwijst naar een mechanisme waarbij damp wordt gecomprimeerd, vervolgens wordt gecondenseerd met water of lucht, en wordt uitgebreid tot lage druk en overeenkomstig lage temperatuur via een klep of een motor met vermogensafname.

Thermo-elektrische Koelers

In 2023 publiceerde de International Information and Engineering Technology Association (IIETA) een studie over het oogsten van atmosferisch water met behulp van thermoelectrische koelingstechnologie.

De studie had tot doel het potentieel van atmosferische lucht te onderzoeken als een alternatieve bron van schoon water om waterschaarste in Indonesië te verminderen, een land met een gemiddelde atmosferische luchtvochtigheid van 75% tot 85%.

De onderzoekers zetten een thermoelectrische koeler (TEC 1-12706) in, aangevuld met een koellichaam en ventilator aan de warme kant om de warmteafvoer te verbeteren. Een koperen koelspiraal fungeerde zowel als warmte‑absorber als condensator voor de atmosferische lucht die erdoor stroomde.

De koelbron voor de spiraal (diameter=7,9 mm; lengte=1000 mm) werd afgeleid van een waterblok dat aan de koude kant van de koeler was bevestigd. De instellingen voor het experiment omvatten alle mogelijke omgevingsinstellingen, waaronder laboratorium, woongebied en kustgebied, waarbij de luchtstroomsnelheid van de koellichaam‑ventilator werd gevarieerd.

Gegevens werden verzameld over een vochtigheidsbereik van 72,27%‑83,01% en de resultaten toonden een directe correlatie tussen de massastroom van lucht van de koellichaam‑ventilator en de hoeveelheid water die uit de lucht kon worden gehaald.

Het experiment leverde ook interessante inzichten op over de impact van het type omgeving op het volume water dat kon worden gewonnen, aangezien er aan de kust meer water kon worden geëxtraheerd dan in laboratoria en woongebieden.

Specifieker was de massastroom van lucht 0,092 kg/s in de kustgebieden, en het water dat kon worden geëxtraheerd was 7,75 ml/uur. In de laboratoriumomgeving daalde de prestatie tot 5,5 ml/uur, en in woongebieden tot 4,75 ml/uur. De onderzoekers begrepen dat ze de waterwinning konden vergroten door het contactoppervlak tussen de luchtkoeler en de spiraal te maximaliseren.

Airconditioningsystemen 

In juni 2024 beoordeelde een onderzoekspaper, gepubliceerd in het tijdschrift Case Studies in Chemical and Environmental Engineering, de waarschijnlijkheid van waterproductie uit airconditioningsystemen als een onconventionele bron.

Specifieker onderzocht de studie de fysische en chemische eigenschappen van gecondenseerd water en onderzocht de aanwezigheid van zware metalen in de verzamelde condensaatwatermonsters die door airconditioningsystemen werden geproduceerd.

Het doel van de evaluatie was te waarborgen dat de waterkwaliteit voldeed aan de criteria van de Jordaanse normen voor drinkwater en de FAO‑richtlijnen voor irrigatiedoeleinden.

De studie werd uitgevoerd in Jordanië, dat tot de economisch meest benadeelde landen ter wereld behoort wat betreft hernieuwbare zoetwatervoorraden, met een schaarse per‑capita beschikbaarheid van ongeveer 61 kubieke meter in 2021.

De testresultaten gaven aan dat de monsters grotendeels voldeden aan de toegestane limieten die zowel door de drinkwaterrichtlijnen (onder 20 °C) als de criteria voor behandeld water voor irrigatie (onder 25 °C) zijn vastgesteld. De temperatuurbereik van de monsters lag tussen 16 °C en 20 °C, met een gemiddelde van 18 °C, terwijl de pH-waarden van de condensaatwatermonsters varieerden van 7,16 tot 7,25, met een gemiddelde van 7,20.

Brandstofcellen

Een ander onderzoek, gepubliceerd in de december 2020-uitgave van Applied Energy, stelde voor om het elektrochemische water van de brandstofcel te hergebruiken voor de op vaporcompressie‑cyclus gebaseerde atmosferische watergenerator (VCC‑AWG).

Het oplossingsmechanisme maakte gebruik van de rookgassen van de brandstofcel die het VCC‑AWG binnenkwamen met een hogere relatieve vochtigheid dan natuurlijke atmosferische lucht, doordat ze door een omgevingswarmtewisselaar liepen om de elektrochemische afvalwarmte te verwijderen.

De wetenschappers stelden voor dat de hogere relatieve vochtigheid de opbrengst van zoet water per energie‑invoer kon verhogen. De resultaten toonden aan dat bij een relatieve vochtigheid van 0,75, het toevoegen van een 2‑kilowatt brandstofcel tot 3 kg/uur vers water genereerde, wat 50 % hoger was dan zonder de brandstofcel.

Met een specifiek energieverbruik van 200 Wh/kg kon de VCC‑AWG worden geïntegreerd met kleine offers aan de vermogensoutput van de brandstofcel.

Geïntegreerde Systemen

Ten slotte hebben verschillende onderzoekers ook innovatieve geïntegreerde systemen voorgesteld die desiccantwielen en verdampingskoelers combineren om zowel gekoelde lucht als gecondenseerd water te leveren.

Belangrijker nog, deze geïntegreerde systemen hebben uitstekende wateroogstcapaciteiten aangetoond in droge omgevingen. Bijvoorbeeld, volgens gegevens verkregen uit één experiment kon een dehumidifiersysteem van één kubieke meter een Qatarese familie dagelijks meer dan 15 l zoet water leveren bij relatieve vochtigheidsniveaus van 50‑70 %.

Terwijl wetenschappelijke gemeenschappen wereldwijd consequent de mogelijkheden van atmosferisch wateroogsten hebben onderzocht en de grenzen hebben verlegd, hebben bedrijven oplossingen ontwikkeld die geschikt zijn voor massale adoptie. In de komende segmenten bekijken we kort een paar van die bedrijven.

#1. Atoco

Source: Atoco

De wateroogsttechnologie van Atoco is in staat om zuiver water uit de atmosfeer te vangen en te genereren, zelfs onder droge omstandigheden met een relatieve vochtigheid onder 20%.

Net als het onderzoek waarmee we onze discussies begonnen, kan de Atoco‑oplossing in passieve modus werken zonder elektriciteit, waardoor off‑grid operaties met een nul‑koolstofvoetafdruk mogelijk zijn.

De kwaliteit van het water dat voortkomt uit Atoco’s gebruik van nieuwe reticulaire materialen is extreem zuiver en vereist geen extra filtratie. Het voldoet volledig aan wereldwijde normen, waaronder WHO‑ en EPA‑normen voor drinkwater en FAO‑waterkwaliteitsnormen voor agrarische doeleinden.

Opgericht door prof. Omar Yaghi – de vader van reticulaire chemie – gelooft Atoco dat het zowel de oorzaak als het gevolg van klimaatverandering kan aanpakken en wereldwijde opwarming en waterschaarste kan bestrijden door duurzame, veerkrachtige en transformatieve oplossingen te ontwikkelen op het gebied van atmosferisch wateroogsten.

#2. Watergen

Watergen, een pionierend Israëlisch bedrijf en wereldleider op de markt van atmosferische drinkwaterapparaten (AWG), biedt machines die zo effectief en economisch mogelijk drinkwater produceren. Hun oplossingen zijn aanwezig in meer dan 65 landen wereldwijd.

De commerciële Gen‑L‑oplossing kan tot 6.000 liter per dag produceren, terwijl de kleine Genny‑oplossing 30 liter per dag biedt. Het heeft oplossingen voor elk type behoefte tussen deze twee terminals.

In 2022 kondigde Watergen een strategische joint venture aan met SMV Jaipuria Group met een geplande investering van meer dan USD 50 miljoen in de komende 2‑3 jaar om water‑uit‑lucht‑technologieproducten naar India te brengen.

Slotwoorden

Al met al is de wereld klaar om de uitdagingen van waterschaarste frontaal aan te pakken door vaardig een andere natuurlijke hulpbron die we in overvloed hebben te benutten: de atmosferische lucht.

Echter, er moet nog meer werk worden verricht om de grenzen te verleggen door de productiekosten te verlagen en de processen milieuvriendelijk te maken met geen of minimaal energiegebruik.

Veel van de landen met waterschaarste zijn lage‑inkomens economieën. Zij moeten worden voorzien van oplossingen die betaalbaar zijn voor de massa en op de meest naadloze manier kunnen worden ingezet.

Klik hier om te leren hoe zonne‑energie‑gedesalinatie water‑schaarste kan oplossen.