Zonne‑energie Ontzilting – Oplossen van watertekorten voor 2,2 miljard mensen

Het probleem van watertekort is urgenter dan we ons kunnen voorstellen. Volgens de gegevens gepresenteerd door het United Nations Environment Programme, heeft bijna 50 % van de wereldbevolking, wat neerkomt op bijna 4 miljard mensen, minstens één maand per jaar te maken met watertekorten.

In de aangehaalde voorspelling zouden in 2025 ongeveer 1,8 miljard mensen te maken krijgen met wat de FAO «absolute waterschaarste» noemt. Dit is een historische prognose, geen vaststelling van het werkelijke aantal in 2025.

Het aanpakken van zo’n enorm en alomtegenwoordig probleem vereist innovatieve oplossingen, oplossingen die ongebruikte of onderbenutte bronnen benutten.

Zo kan het omzetten van zeewater in zoet water, een van de meest effectieve oplossingen, worden overwogen, aangezien de beschikbaarheid van zeewater overvloedig is. Het zou nog beter zijn als het proces kan worden uitgevoerd met behulp van hernieuwbare energie, zoals zonne‑energie. 

Energie‑efficiënt apparaat om drinkwater uit zeewater te produceren

Bij omgekeerde osmose wordt zeewater onder druk door membranen gevoerd. Energieverbruik, vervuiling en zoutafzetting kunnen de kosten verhogen en onderhoud noodzakelijk maken. Zulke installaties zijn niet per definitie ongeschikt voor continu gebruik.

Een team van onderzoekers van de Universiteit van Waterloo heeft nu een oplossing geïnspireerd door de watercyclus van de natuur ontwikkeld, die sterk leunt op de manier waarop bomen water van de wortels naar de bladeren transporteren.

Volgens Dr. Michael Tam, professor in de afdeling Chemische Technologie van Waterloo:

“Onze inspiratie komt voort uit het observeren hoe de natuur zichzelf in stand houdt en hoe water verdampt en condenseert in de omgeving.”

Aangezien het mechanisme inspiratie haalt uit de natuurlijke watercyclus, vereist het nauwelijks groot onderhoud. 

Het proces omvat een ontworpen oplossing die water laat verdampen, het naar het oppervlak transporteert en in een gesloten cyclus condenseert. Het resultaat is een effectieve preventie van zoutophoping en een verlengde levensduur van het apparaat met onverminderde efficiëntie. 

Wat de voordelen van het apparaat nog vergroot, is dat het hernieuwbare energie gebruikt, waardoor het apparaat energie‑efficiënt is. De onderzoekers rapporteerden ongeveer 93％ omzetting van invallende zonne-energie in warmte. Dat is geen elektrisch rendement van 93％.

Zij rapporteerden een hoge zoetwateropbrengst per vierkante meter. Een vergelijking met andere ontziltingssystemen hangt af van de testomstandigheden en de gekozen maatstaf; een verdampingsrendement is niet rechtstreeks gelijk aan het rendement van een complete omgekeerde-osmose-installatie.

De genoemde hoeveelheid van circa twintig liter is ook een referentie voor de dagelijkse basisbehoefte aan drinkwater en hygiëne per persoon. Voor een praktijksysteem moeten productieperiode, zoninstraling en opvangverliezen worden meegerekend. 

Om het apparaat efficiënt zonne‑energie te laten gebruiken, hebben de onderzoekers nikkel (Ni) als basismateriaal gekozen. De nikkel‑schuimbasis werd voorzien van een geleidende polymeercoating en thermoresponsieve pollen‑deeltjes. Deze samenstelling maakt het materiaal geschikt om zonlicht over het volledige zonnestralingsspectrum te absorberen. 

Voor de opwaartse beweging van water werd een dunne laag zout water verwarmd en getransporteerd. Dit is vergelijkbaar met hoe water door natuurlijke boomkapillaren stroomt. De verdamping van water zorgt ervoor dat het resterende zout naar de onderkant van het apparaat zakt. 

De eenvoud van de oplossing maakt verdere ontwikkeling voor bredere toepassing interessant. Grootschalige inzet moest nog worden getest. Het draagbare ontwerp betekent dat het mogelijk kan worden gebruikt in afgelegen gebieden, met name in kust‑ en eilandnaties. 

Terwijl de algemene voordelen van de oplossing werden samengevat, zei professor Dr. Yuning Li van de afdeling Chemische Technologie van Waterloo:

“Dit nieuwe apparaat is niet alleen efficiënt maar ook draagbaar, waardoor het ideaal is voor gebruik in afgelegen regio’s waar toegang tot zoet water beperkt is.” 

Om de potentiële voordelen verder toe te lichten, zei Dr. Michael Tam het volgende:

“Als de test succesvol blijkt, kan de technologie op duurzame wijze vers water leveren aan kustgemeenschappen en de VN‑doelstellingen 3, 6, 10 en 12 bevorderen.”

Terwijl het bovengenoemde onderzoek veel hoop heeft gewekt in de wetenschappelijke gemeenschap en onder mensen die streven naar duurzame zoetwateroplossingen, zijn andere onderzoekers ook actief.

In het komende segment bespreken we de ontwikkeling van een draagbare ontziltingseenheid die MIT‑onderzoekers in 2022 voorstelden.

Lees hier hoe zonne-energie een zonnigere toekomst kan ondersteunen.

Een draagbare ontziltingseenheid om helder, schoon drinkwater te genereren

In april 2022 ontwikkelden MIT‑onderzoekers een draagbare ontziltingseenheid van minder dan 10 kilogram en ongeveer het formaat van een koffer. Het apparaat kon met een klein draagbaar zonnepaneel worden gevoed. De genoemde prijs van ongeveer 50 dollar sloeg op dat zonnepaneel, niet op de ontziltingseenheid. Het systeem gebruikt elektrische scheiding in plaats van vervangbare waterfilters.

Ionconcentratiepolarisatietechniek die de eenheid filtervrij maakt

Het proces, een resultaat van een decennium onderzoek, omvatte het toepassen van een elektrisch veld op membranen die boven en onder een waterkanaal waren geplaatst. De membranen leiden geladen deeltjes, waaronder zoutionen, bacteriën en virussen, naar een afzonderlijke reststroom terwijl het water langs de membranen stroomt. Het proces kon zowel opgeloste als zwevende vaste stoffen verwijderen. 

De onderzoekers maakten bij het ontwikkelen van hun oplossing verstandig gebruik van de best beschikbare technieken, inclusief machine learning. Machine learning hielp bij het kiezen van de combinatie: zes ICP-modules in de eerste trap, drie in de tweede en daarna één elektrodialysestap. Het systeem bestond dus niet uit slechts zes modules in totaal. 

De onderzoekers hielden ook in gedachten dat apparaten zoals deze, die alleen effectief zouden zijn bij brede adoptie, eenvoudig en gebruiksvriendelijk moeten zijn. Daarom kon het worden gestart met slechts één knop voor automatische ontzilting en zuivering. 

Het kon ook de gebruikers waarschuwen wanneer het zoutgehalte en het aantal deeltjes onder een specifiek aanvaardbaar drempelniveau daalden. Om het aflezen van gegevens eenvoudig en intuïtief te maken, boden de onderzoekers een smartphone‑app aan die de eenheid draadloos kon besturen en alle beschikbare gegevens over energieverbruik en waterzoutgehalte in real‑time rapporteerde. 

Gedeeltelijk gefinancierd door het DEVCOM Soldier Center, het Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J‑WAFS), het Experimental AI Postdoc Fellowship Program van Northeastern University en het Roux AI Institute, leverde het onderzoek bevredigende resultaten op. 

De onderzoekers namen de oplossing uit het laboratorium en testten deze op Boston’s Carson Beach. Het resulterende water overtrof de kwaliteitsrichtlijnen van de Wereldgezondheidsorganisatie door het aantal zwevende vaste stoffen met ten minste een factor 10 te verminderen, terwijl het prototype drinkwater produceerde met een snelheid van 0,3 liter per uur, met een verbruik van slechts 20 watt‑uur per liter.

Door de baanbrekende aard van het experiment uit te leggen, zei senior‑auteur Jongyoon Han, professor in elektrotechniek en computerwetenschappen en biologische engineering en lid van het Research Laboratory of Electronics (RLE), het volgende:

Jongyoon Han beschreef het systeem als het resultaat van tien jaar onderzoek: niet alleen de afzonderlijke processen ontwikkelen, maar ze ook samenbrengen in een draagbaar apparaat en op zee demonstreren. 

Terwijl universitaire onderzoekers zich intensief inzetten voor deze nobele missie, zijn er verschillende bedrijven die de taak van waterontzilting hebben opgepakt. Hun bijdrage is even cruciaal, aangezien grootschalige adoptie schaalbare oplossingen vereist die op commerciële schaal werken. In de volgende segmenten bekijken we een paar van zulke bedrijven. 

#1. Consolidated Water Co. Ltd. (NASDAQ: CWCO)

Het bedrijf biedt technische diensten voor het volledige ontwerp en de bouw van systemen voor zeewaterontzilting via omgekeerde osmose. Het bedrijf verzorgt de volledige servicecyclus, inclusief installatie, uitbreiding of retrofit. 

Het bedrijf, genoteerd en verhandeld op Nasdaq, voert de beheer-, engineering- en bouwdiensten via DesalCo. Deze dochteronderneming wordt door leveranciers erkend als fabrikant van systemen voor zeewaterontzilting via omgekeerde osmose en werkt voor het bedrijf.

Technologisch erkent het bedrijf twee hoofdmethoden voor ontzilting:

(i) Thermische destillatie
(ii) Membraanscheiding.

Het bedrijf geeft de voorkeur aan de laatste vanwege de lagere energiekosten. Het bedrijf gebruikt membranen voor omgekeerde osmose om brak water en zeewater te ontzilten. Het is een vloeistofscheidingsproces waarbij het zoute water onder druk wordt gezet, waarbij zoet water een semipermeabel membraan passeert en het grootste deel van de opgeloste zouten wordt tegengehouden.

De Seawater Reverse Osmosis‑installatie van Consolidated Water (CWCO ) is gevestigd in Nassau op New Providence in de Bahama’s. De installatie werd in juli 2006 in gebruik genomen en beschikt over een operationele capaciteit om 12 miljoen US‑gallons water per dag te verwerken. 

In 2023 voltooide het bedrijf de overname van de resterende 39 % eigendom van PERC Water Corporation (“PERC”) om 100 % eigenaar te worden van deze dochteronderneming, die waterinfrastructuurfaciliteiten ontwerpt, bouwt, exploiteert en beheert in het zuidwesten van de VS. 

In hetzelfde jaar kreeg PERC een nieuw $204 miljoen contract om een nieuwe ontziltingsfaciliteit te ontwerpen, bouwen en exploiteren in Honolulu, Hawaï.

De retail‑activiteiten van het bedrijf op de Kaaimaneilanden produceren drinkwater in drie omgekeerde osmose‑zeewaterontziltingsinstallaties in Grand Cayman, gelegen bij de Abel Castillo Water Works (“ACWW”) en West Bay locaties. 

De huidige totale productiecapaciteit van de twee installaties bij ACWW bedraagt 3,0 miljoen gallons water per dag. De productiecapaciteit van de West Bay‑installatie is 1 000 000 gallons water per dag. 

In 2023 behaalde het bedrijf een omzet van US $180,2 miljoen, een aanzienlijke stijging ten opzichte van de omzet van US $94,1 miljoen in 2022. In 2023 registreerde het bedrijf een record nettowinst en winst per aandeel uit voortgezette activiteiten van $30,7 miljoen en $1,93 respectievelijk. De prijs van het aandeel van het bedrijf bereikte een recordhoogte van US $38,29 in november 2023. 

#2. Veolia 

Het bedrijf ziet ontzilting als een sleuteloplossing om watertekort te bestrijden. Het beweert honderden ontziltingsinstallaties en -systemen te hebben gebouwd over de hele wereld, die zoet water produceren voor zowel gemeentelijke als industriële behoeften. De recentste vlaggenschipprojecten van het bedrijf omvatten de Al Dur 2‑installatie in Bahrein, de Rabigh 3‑installatie in Saoedi‑Arabije en de Umm Al Quwain IWP‑installatie in de VAE.

Sinds 2007 is het bedrijf verantwoordelijk voor de bouw en exploitatie van de omgekeerde osmose‑zeewaterinstallatie van Sur, samen met de Oman Power and Water Procurement Company (OPWP). De faciliteit levert drinkwater aan meer dan 600 000 mensen. Veolia bouwt ook ontziltingsfaciliteiten voor industriële behoeften. 

Veolia’s Barrel-technologie is een compact RO-systeem met een modulaire aanpak die de installatie kan versnellen terwijl de ingebouwde digitale sensoren bewaking op afstand mogelijk maken. 

Veolia, naast haar directe ontziltingsoplossingen, helpt haar klanten ook met een combinatie van digitale tools en expertise die processen slimmer, veiliger en duurzamer maken. 

Het bedrijf biedt ook dienstverlening voor bestaande installaties, afgestemd op de exacte behoeften van de klant. De mobiele waterdiensten van Veolia omvatten tijdelijke waterbehandelingsinstallaties die klanten kunnen huren voor kortere of langere perioden. Ten slotte biedt het programma voor waterbehandelingschemicaliën van het bedrijf waterhygiëne‑ en HYDREX‑chemische oplossingen die de prestaties van nuts‑ en waterbehandelingsapparatuur verbeteren. 

Veolia (OTC: VEOVY) aandelen worden verhandeld op de over‑the‑counter (OTC) markt. In de eerste helft van 2024 registreerde het bedrijf een omzet van 22,141 miljard euro, een lichte daling ten opzichte van de H1‑2023‑omzet van 22,755 miljard euro. Van deze 22,141 miljard kwam bijna 8,8 miljard euro uit de divisie die zich richt op waterbehoeften. De andere twee divisies betreffen afval en energie.

Het groeiende belang van ontzilting

Een aanzienlijk volume water komt al van ontzilting. Volgens de gegevens gepresenteerd door de International Desalination Association, heeft de cumulatieve gecontracteerde ontziltingscapaciteit nu de 100 miljoen m³/d bereikt en wordt bijna 60 % van de ontzilting besteed aan menselijke consumptie. Volgens schattingen vertrouwen ongeveer 300 miljoen mensen op dit proces voor hun dagelijkse watergebruik. Landen zoals Koeweit produceren bijna 100 % van hun zoetwatergebruik via ontzilting. 

Ontziltingsprojecten zijn echter nog niet gelijkmatig verdeeld over de hele wereld. De regio’s Midden‑Oosten en Noord‑Amerika vertegenwoordigen gezamenlijk meer dan 70 % van de wereldwijde ontziltingscapaciteit. Het aandeel van het Midden-Oosten in de totale wereldwijde capaciteit bedraagt volgens deze gegevens meer dan 53％. 

Data suggereren ook dat er in 2022 meer dan 21 000 zeewaterontziltingsinstallaties waren, met een gezamenlijke productie van circa 99 miljoen m³ ontzilt water per dag. Daarbij ontstaat een geconcentreerde reststroom: pekel. De hoeveelheid, het zoutgehalte en de temperatuur verschillen per installatie en techniek. Lozing kan lokale ecosystemen belasten en vereist zorgvuldig beheer.  

Toekomstig onderzoek zal tijd en middelen moeten investeren in het vinden van manieren die milieuvriendelijker zijn. Zonne-energie kan helpen de uitstoot van ontzilting te verminderen. Daarnaast blijven zuinig watergebruik, bescherming van ecosystemen en veilige verwerking van pekel belangrijk. Volledige omzetting van al het zeewater in drinkwater is geen algemene voorwaarde voor duurzame ontzilting. Er is onderzoek nodig naar minder schadelijke reststromen en lozingsmethoden .  

Een goede transport- en distributie-infrastructuur kan ervoor zorgen dat het geproduceerde water ook gebieden buiten de kuststreek bereikt, waaronder droge gebieden zonder grote zoetwaterbron in de buurt.

Lees hier hoe zonne-energie schoon water kan helpen leveren in droge gebieden.