Zonne-energie kan meer doen dan schone energie leveren – het kan schoon water genereren in droge gebieden

In landen zoals Canada en Brazilië is toegang tot zoet water zelden een zorg.  Echter, de realiteit is dat er talloze dichtbevolkte en droge regio’s wereldwijd zijn waar zoet water een luxe is.  Gelukkig zijn er al oplossingen beschikbaar en in ontwikkeling om dit probleem aan te pakken – zoals atmosferische wateroogsters (AWH).

In een recente doorbraak hebben onderzoekers een potentieel revolutionaire atmosferische wateroogst ontwikkeld die gebruikmaakt van door de zon aangedreven passieve adsorptietechnologie.  De kern van deze innovatie ligt in het gebruik van nieuw ontwikkelde ‘superhygroscopische poreuze gels’.  Deze bestaan uit titaan nitride, hydroxypropyl methylcellulose en LiCl (THL), en hebben uitzonderlijke wateradsorptiecapaciteiten aangetoond over een breed bereik van luchtvochtigheid (15%–90% RV).  De unieke combinatie van materialen zou snelle adsorptie- en desorptiekinetiek mogelijk maken (de snelheid waarmee een eerder geadsorbeerde stof vrijkomt), waardoor de efficiëntie aanzienlijk wordt verhoogd wanneer ze in atmosferische wateroogsters worden gebruikt.

De gepubliceerde studie, die de eerder genoemde doorbraak beschrijft, benadrukt het vermogen van het apparaat om hoge wateropbrengsten te behalen, zelfs in droge omgevingen, waarbij de praktische toepassing al is gevalideerd door buitentests in verschillende seizoenen.

Deze AWH-technologie, die een duurzame en effectieve aanpak toont om waterschaarste in droge regio’s te verminderen, presteert gunstig ten opzichte van andere door de zon aangedreven wateroogstsystemen en voldoet bovendien aan de WHO-normen voor drinkwater.

Atmosferische wateroogsters

Dus, er is een nieuw hygroscopisch poreus gel ontwikkeld dat de efficiëntie en effectiviteit van AWH’s wereldwijd zou moeten verhogen.  Dit is geweldig, maar hoe werken deze apparaten eigenlijk?

Zoals de naam al aangeeft, is een Atmospheric Water Harvester (AWH) een apparaat dat is ontworpen om water uit de lucht te extraheren. Deze apparaten zijn bijzonder waardevol in droge regio’s waar conventionele waterbronnen schaars of verontreinigd zijn. De technologie achter bestaande AWH’s varieert, maar draait over het algemeen om het opvangen van waterdamp uit de lucht en het condenseren ervan tot vloeibaar water.

De meest voorkomende ontwerp van AWH-systemen is gebaseerd op het principe van condensatie, vergelijkbaar met hoe dauw ontstaat. Dit ontwerp omvat doorgaans:

1. Luchtinlaat: Lucht wordt met behulp van een ventilator in het systeem gezogen.
2. Koeling en condensatie: De vochtige lucht wordt vervolgens onder het dauwpunt gekoeld, vaak met een gekoelde of Peltier-gekoelde condensor, waardoor de waterdamp tot druppels condenseert.
3. Waterverzameling: Het gecondenseerde water wordt verzameld in een reservoir, gefilterd en soms gemineraliseerd voor de smaak.
4. Distributie: Ten slotte wordt het water ofwel opgeslagen voor later gebruik of direct via leidingen geleverd voor onmiddellijke consumptie.

AWH-systemen kunnen variëren in grootte van kleine, draagbare eenheden die geschikt zijn voor individueel of huishoudelijk gebruik tot grote, industriële installaties. De efficiëntie van deze systemen hangt grotendeels af van de omgevingsvochtigheid en temperatuur; hogere vochtigheidsniveaus resulteren doorgaans in een hogere wateropbrengst – daarom wordt elke efficiëntieverhoging in droge omgevingen verwelkomd, zoals die wordt geboden door het gebruik van nieuwe superhygroscopische poreuze gels.

Met hun schaalbaarheid worden AWH’s vaak gebruikt in verschillende omgevingen:

Droge en droogtegevoelige gebieden: Ze bieden een cruciale bron van schoon drinkwater in regio’s waar water schaars is.

Militaire toepassingen: Draagbare AWH-eenheden zijn nuttig om water te leveren aan troepen op afgelegen locaties.

Afgelegen gemeenschappen en noodhulp: Ze bieden een directe bron van drinkwater in afgelegen gemeenschappen of tijdens natuurrampen wanneer traditionele waterbronnen niet beschikbaar of verontreinigd zijn.

Landbouw: Sommige AWH-systemen worden gebruikt voor irrigatie in droge regio’s.

De vooruitgang in AWH-technologie met superhygroscopische poreuze gels en MOF’s (Metal-Organic Frameworks) staat klaar om traditionele op koeling gebaseerde systemen te verbeteren, door de mogelijkheid te bieden waterdamp op te nemen tegen veel lagere energiekosten. Deze innovaties zouden AWH’s efficiënter en haalbaarder moeten maken in een breder scala aan klimatologische omstandigheden.

Zoetwatervoorzieningen

Het grootste deel van het zoetwater van de wereld bevindt zich in gletsjers en ijsbergen, goed voor ongeveer 69% van de wereldwijde zoetwatervoorraden. Deze bevinden zich voornamelijk in poolgebieden en hooggebergtes, zoals Antarctica, Groenland en diverse bergketens wereldwijd. De op een na grootste reservoirs van zoetwater zijn grondwaterbronnen, die ongeveer 30% van het totaal uitmaken. Slechts een klein deel (minder dan 1%) van het wereldwijde zoetwater is toegankelijk in rivieren, meren en de atmosfeer.

In regio’s waar atmosferische wateroogsters (AWH’s) nodig zijn, is schoon water vaak moeilijk te vinden vanwege verschillende redenen:

Droge klimaten: Veel regio’s met een behoefte aan AWH’s zijn droog of halfdroog met weinig neerslag. Dit omvat uitgestrekte delen van Afrika, het Midden-Oosten, delen van Zuid-Amerika, Centraal-Azië en Australië.

Uitputting en verontreiniging van grondwater: Overmatig gebruik van grondwater voor landbouw en drinkwater, gecombineerd met onvoldoende aanvulling, leidt tot uitputting. Bovendien kan grondwater verontreinigd raken door natuurlijke en door de mens veroorzaakte verontreinigende stoffen, waardoor het onveilig wordt voor consumptie.

Gebrek aan infrastructuur: Veel afgelegen of onderontwikkelde gebieden missen de infrastructuur om water te verzamelen, te zuiveren en te distribueren. Dit wordt vaak verergerd door economische beperkingen.

Klimaatverandering: Veranderingen in klimaatpatronen beïnvloeden traditionele waterbronnen. Sommige regio’s ervaren langdurige droogtes, terwijl andere te maken krijgen met het smelten van gletsjers, wat de langetermijnbeschikbaarheid van water beïnvloedt.

Overbevolking en verstedelijking: In dichtbevolkte of snel verstedelijkende gebieden kunnen bestaande watervoorzieningen onvoldoende zijn om aan de vraag te voldoen. Bovendien leidt verstedelijking vaak tot vervuiling van beschikbare waterbronnen.

Politieke en economische uitdagingen: In sommige gevallen worden het beheer en de distributie van waterbronnen beïnvloed door politieke en economische kwesties, wat leidt tot ongelijke toegang tot water.

AWH’s bieden een alternatief door water uit de lucht te onttrekken, wat een levensvatbare oplossing kan zijn in gebieden waar andere bronnen niet bestaan, onvoldoende zijn of onveilig. Deze technologie is bijzonder waardevol in regio’s waar de lucht vochtig is, maar de neerslag laag, waardoor conventionele waterbronnen onbetrouwbaar zijn.

Huidige oplossingen

Op dit moment zijn er verschillende technologieën die concurreren met of complementair zijn aan Atmospheric Water Harvesters (AWH’s) voor het genereren van zoet water, met name in gebieden waar waterschaarste een aanzienlijk probleem is.  Elke technologie heeft echter zijn eigen voordelen en uitdagingen.  Enkele van de meer opvallende alternatieve oplossingen zijn:

Ontzilting: Dit is een van de meest prominente methoden om zoet water te produceren uit zeewater of brak water. Ontzilting maakt voornamelijk gebruik van twee technologieën: omgekeerde osmose, waarbij water door een semipermeabel membraan wordt gefilterd, en thermische ontzilting, waarbij water wordt verwarmd en verdampt en vervolgens de stoom wordt gecondenseerd.  Ontziltingsinstallaties komen vooral veel voor in droge regio’s zoals het Midden-Oosten.  Hoewel effectief, zijn ontziltingsprojecten doorgaans duur en vereisen ze veel energie.

Waterrecycling en hergebruik: Geavanceerde waterzuiveringstechnologieën maken het mogelijk om afvalwater te recyclen tot drinkbaar water. Dit omvat de zuivering van rioolwater, industrieel en agrarisch afvalwater.  Gerecycled water kan worden gebruikt voor diverse doeleinden, waaronder irrigatie, industriële processen en het aanvullen van zoetwatervoorzieningen.  Deze aanpak vereist doorgaans grote faciliteiten en verhoogde operationele kosten.

Regenwateropvang: Dit is een eenvoudigere en meer traditionele methode om regenwater te verzamelen en op te slaan voor later gebruik.  Regenwateropvangsystemen vangen water op van daken of andere oppervlakken en slaan het op in tanks.  Hoewel minder technologisch geavanceerd dan AWH’s, is het een duurzame manier om watervoorzieningen aan te vullen, vooral in regio’s met seizoensgebonden neerslag.  Omdat deze methode afhankelijk is van regenval, is hij niet zo betrouwbaar als sommige andere benaderingen.  Er is bovendien geen garantie dat het verzamelde water niet verder moet worden behandeld om te verzekeren dat het veilig is voor consumptie.

Nevelopvang: Vergelijkbaar met AWH’s, verzamelen nevelvangstapparaten water uit de atmosfeer.  Ze gebruiken grote netten om waterdruppels in de nevel te vangen, die vervolgens ophopen en in verzamelreservoirs druppelen.  Deze methode is geschikt in kust- of bergachtige gebieden waar nevel vaak voorkomt.

Grondwaterherladen: Dit omvat het geleiden van regenwater of hergebruikt water in de grond om aquifers aan te vullen.  Technieken omvatten de bouw van herlaadbekkens, infiltratiepoelen en het gebruik van permeabele bestrating.  Het is een methode om duurzame grondwatervoorzieningen te waarborgen, wat in veel regio’s een belangrijke bron van zoet water is.

Zonnewaterstiller: Een eenvoudige technologie waarbij zonne-energie wordt gebruikt om verontreinigd of zout water te verdampen, en de condensaat wordt opgevangen als gedestilleerd water.  Deze methode is meer geschikt voor kleinschalige toepassingen en is bijzonder nuttig in afgelegen gebieden met overvloedig zonlicht.

Elke van deze technologieën heeft zijn toepassingsniches op basis van geografische, klimatologische en economische overwegingen.  In veel gevallen wordt een combinatie van deze technologieën ingezet om een betrouwbare en duurzame watervoorziening te garanderen.