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 2025, naar verwachting zullen 1,8 miljard mensen geconfronteerd worden met wat de Voedsel- en Landbouworganisatie (FAO) “absolute watertekort” noemt.

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

Het omzetten van zeewater in vers drinkwater vereist ontzilting. Huidige ontziltingssystemen die zeewater door membranen pompen om zout te scheiden, zijn echter energie‑intensief en lijden aan zoutophoping op het oppervlak van het apparaat. Hierdoor wordt de waterstroom belemmerd, wat de efficiëntie vermindert. Deze zoutafzettingen maken de machines ongeschikt voor continu gebruik en kostenintensief, omdat frequent onderhoud nodig is.

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. Het werkt op zonne‑energie en kan bijna 93 % van de zon omzetten in energie.

The efficiency is five times better compared to the current desalination systems available in the market, producing close to twenty liters of fresh water per square meter.

Interessant genoeg is het dezelfde hoeveelheid water die de WHO aanbeveelt voor elke persoon per dag voor basisdrinken en hygiëne. 

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 deze klaar voor bredere adoptie. De draagbaarheid garandeert dat het 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.

Click here to learn how the solar age is fueling a brighter future for mankind.

Een draagbare ontziltingseenheid om helder, schoon drinkwater te genereren

In april 2022 ontwikkelden MIT‑onderzoekers een draagbare ontziltingseenheid die minder dan 10 kilogram woog, ongeveer zo groot als een koffer. Hij kon werken met minder stroom dan nodig is om een telefoonoplader te laten functioneren. Verkrijgbaar voor US $50, net als het apparaat dat we in ons vorige segment bespraken, kwam ook dit apparaat zonder de noodzaak van water dat door filters stroomt. In plaats daarvan gebruikte het elektrische energie om deeltjes uit drinkwater te verwijderen.

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 konden positief of negatief geladen deeltjes, inclusief zoutmoleculen, bacteriën en virussen, afstoten terwijl water erlangs stroomde. 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 bleek effectief bij het vinden van de ideale combinatie van ICP‑ en elektrodialyse‑modules, aangezien het proces in totaal zes modules omvatte. 

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 gelanceerd 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:

“Dit is echt de culminatie van een tien‑jarige reis die ik en mijn groep hebben gemaakt. We hebben jaren gewerkt aan de fysica achter individuele ontziltingsprocessen, maar het samenvoegen van al die vooruitgangen in een doos, het bouwen van een systeem en het demonstreren ervan in de oceaan, was een zeer betekenisvolle en belonende ervaring voor mij.” 

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 heeft zijn engineering‑diensten klaar om klanten te voorzien van het volledige ontwerp‑en‑bouwproces van Sea Water Reverse Osmosis ontziltingssystemen. Het bedrijf verzorgt de volledige servicecyclus, inclusief installatie, uitbreiding of retrofit. 

Het bedrijf, genoteerd en verhandeld op Nasdaq, voert de beheer‑, engineering‑ en constructiediensten uit voor ontzilting via DesalCo, erkend door leveranciers als een Original Equipment Manufacturer (OEM) van omgekeerde osmose‑zeewaterontziltingsinstallaties voor het bedrijf.

Technologisch erkent het bedrijf twee hoofdmethoden voor ontzilting:

(i) Thermische destillatie
(ii) Membranaatscheiding.

Het bedrijf geeft de voorkeur aan de laatste vanwege de lagere energiekosten. Het bedrijf zet omgekeerde osmose‑membranaatscheiding in voor brak‑ en zeewaterontzilting. Het is een vloeistofscheidingsproces waarbij het zoute water onder druk wordt gezet, en vers water wordt gescheiden van het zoute water door een semipermeabel membraan dat de zouten afwijst.

De Seawater Reverse Osmosis‑installatie van Consolidated Water (CWCO ) is gevestigd in Nassau, New Providence, het Gemenebest van de Bahama’s. Ingecommissioneerd in juli 2006, heeft de installatie 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 aandelen 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 eigen Barrel‑technologie is een veilig, compact en digitaal RO‑ontziltingssysteem waarvan de plug‑and‑play‑aanpak een snelle planning mogelijk maakt terwijl de ingebedde digitale sensoren zorgen voor efficiënte remote monitoring. 

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 portfolio van geïnstalleerde basisdiensten biedt op maat gemaakte waterbehandelingsdiensten afgestemd op de exacte behoeften van de klant. De mobiele waterdiensten van Veolia omvatten verhuur‑activa die de site‑operaties van de klant ondersteunen en assisteren voor tijdelijke en langdurige waterbehandelingsbehoeften. Ten slotte biedt het waterbehandelings‑chemische programma‑deel 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. 

Desalting‑projecten 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. Van deze 70 % is het Midden‑Oosten alleen verantwoordelijk voor meer dan 53 %. 

Data suggereren ook dat er in 2022 meer dan 21 000 zeewaterontziltingsinstallaties waren, met een wereldwijde dagelijkse productie van 99 miljoen m³/d ontsalt water. Deze productie leidt echter ook tot meer dan 150 miljoen m³/d brine‑bijproduct. Brine is het licht geconcentreerde zeewater dat door de ontziltingsinstallaties wordt afgevoerd naar de zee. Het zoutgehalte van de brine is ongeveer 60 g/l voor zeewater met 40 g/l, terwijl de temperatuur van de afgevoerde brine iets hoger is dan die van het zeewater – enkele graden Celsius.  

Toekomstig onderzoek zal tijd en middelen moeten investeren in het vinden van manieren die milieuvriendelijker zijn. Het gebruik van zonne‑energie bij het laten draaien van deze installaties helpt de CO₂‑voetafdruk van deze faciliteiten aanzienlijk te verminderen. Toekomstig onderzoek moet echter waarborgen dat bijna al het ingevoerde zeewater wordt omgezet in vers drinkwater. Dit zal ervoor zorgen dat er geen schadelijke afstoting komt als bijproduct.  

Succesvolle transport‑ en distributiemechanismen zullen ervoor zorgen dat dit water buiten de kustnaties bereikt en droge, aride regio’s met geen significante drinkwaterbron in de buurt bereikt.

Click here to learn how solar energy can help provide clean water in arid regions.