Solenergidrevet avsalting – Løser vannmangel for 2,2 milliarder mennesker

Problemet med vannmangel er mer presserende enn vi kan forestille oss. Ifølge data presentert av United Nations Environment Programme, står nesten 50 prosent av planetens befolkning, som tilsvarer nesten 4 milliarder mennesker, overfor vannmangel minst én måned i året.

I løpet av neste år, innen 2025, vil sannsynligvis 1,8 milliarder mennesker møte det FAO (Food and Agriculture Organization) kaller «absolutt vannmangel».

Å takle et så enormt og allestedsnærværende problem krever innovative løsninger, løsninger som bruker uutforskede eller underutforskede ressurser.

For eksempel, kan bekjempelse av vannmangel innebære å omdanne sjøvann til ferskvann, som er en av de mest effektive løsningene siden tilførselen av sjøvann er rikelig. det kunne bli utført ved bruk av fornybar energi, som solenergi.

Energieffektiv enhet for å produsere drikkevann fra sjøvann

Å omdanne sjøvann til ferskt drikkevann krever avsalting. Imidlertid er de nåværende avsaltningssystemene som pumper sjøvann gjennom membraner for å skille salt fra vann ikke bare energikrevende, men også lider av saltavleiringer på enhetens overflate. Som følge av dette blir vannstrømmen hindret, noe som reduserer effektiviteten. Disse saltavleiringene gjør maskinene uegnet for kontinuerlig drift og kostnadskrevende, da de krever hyppig vedlikehold.

Et team av forskere ved University of Waterloo har nå kommet opp med en løsning inspirert av løsning inspirert av vannkretsløpet i naturen, og trekker tungt på måten trær transporterer vann fra røtter til blader.

Ifølge Dr. Michael Tam, professor i Waterloos institutt for kjemisk ingeniørfag:

“Vår inspirasjon kommer fra å observere hvordan naturen opprettholder seg selv og hvordan vann fordamper og kondenserer i miljøet.”

Siden mekanismen henter inspirasjon fra den naturlige vannkretsen, krever den knapt noe omfattende vedlikehold.

Prosessen involverer en konstruert løsning som får vann til å fordampe, transporterer det til overflaten, og kondenserer det i en lukket krets. Resultatet er effektiv forebygging av saltavleiringer og forbedret enhetslevetid med uforringet effektivitet.

Det som ytterligere øker enhetens fordeler er at den bruker fornybar energi, noe som gjør den energieffektiv. Den drives av solenergi og kan konvertere nesten 93 % av solen til energi.

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 nok er dette den samme mengden vann som WHO anbefaler per person hver dag for grunnleggende drikking og hygiene.

For å få enheten til å bruke solenergi effektivt, benyttet forskerne basismaterialet nikkel (Ni). Nikkel‑skumfundamentet ble gitt en ledende polymerbelegg og termoresponsive pollenpartikler. Sammensetningen gjorde materialet egnet til å absorbere sollys over hele solstrålingsspektrummet.

For den oppadgående bevegelsen av vann, ble et tynt lag saltvann varmet opp og transportert. Det er likt hvordan vann beveger seg gjennom naturlige trekapillærer. Fordampning av vann fører til at det gjenværende saltet beveger seg til bunnen av enheten.

Løsningens enkelhet gjør den klar for bredere adopsjon. Dens bærbarhet sikrer at den kan brukes i avsidesliggende områder, spesielt i kyst‑ og øynasjoner.

Mens hun oppsummerte de samlede fordelene med løsningen, sa Dr. Yuning Li, professor i Waterloos institutt for kjemisk ingeniørfag:

“Denne nye enheten er ikke bare effektiv, men også bærbar, noe som gjør den ideell for bruk i avsidesliggende områder hvor tilgang til ferskvann er begrenset.”

For å utdype de potensielle fordelene ytterligere, sa Dr. Michael Tam følgende:

“Hvis testen viser seg å være vellykket, kan teknologien bærekraftig levere ferskvann til kystsamfunn og fremme FNs bærekraftsmål tre, seks, ti og tolv.”

Mens den ovennevnte forskningen har skapt mye håp i det vitenskapelige fellesskapet og blant de som arbeider mot bærekraftige ferskvannsløsninger, har også andre forskere vært involvert.

I det kommende segmentet diskuterer vi utviklingen av en bærbar avsaltningsenhet som MIT‑forskere foreslo i 2022.

Klikk her for å lære hvordan solalderen driver en lysere fremtid for menneskeheten.

En bærbar avsaltningsenhet for å generere klart, rent drikkevann

I april 2022 utviklet MIT‑forskere en bærbar avsaltningsenhet som veide under 10 kilogram, omtrent på størrelse med en koffert. Den kunne kjøres med mindre kraft enn det som kreves for å drive en mobiltelefonlader. Tilgjengelig for kjøp til US$50, lik enheten vi diskuterte i vårt forrige segment, var også denne fri for behovet for at vann skulle passere gjennom filtre. I stedet brukte den elektrisk kraft til å fjerne partikler fra drikkevann.

Ionkonsentrasjonspolariseringsteknikk som gjør enheten filterfri

Prosessen, et resultat av forskernes tiår lange arbeid, involverte påføring av et elektrisk felt på membraner plassert over og under en vannkanal. Membranene kunne frastøte positivt eller negativt ladede partikler, inkludert saltmolekyler, bakterier og virus, mens vannet fløt forbi dem. Prosessen kunne bidra til å fjerne både oppløste og suspenderte faste stoffer.

Forskerne, i utviklingen av løsningen, gjorde klok bruk av de beste tilgjengelige teknikkene, inkludert maskinlæring. Maskinlæring viste seg effektiv i å finne den ideelle kombinasjonen av ICP‑ og elektrodialyse‑moduler siden prosessen involverte seks moduler totalt.

Forskerne hadde også i tankene at enheter som disse, som kun vil være effektive dersom de får mange brukere, må være enkle og brukervennlige. Derfor kunne den lanseres med kun én knapp for automatisk avsalting og rensing.

Den kunne også varsle brukerne når salinitetsnivået og partikkelantallet kom under en spesifikk tolerabel terskel. For å gjøre avlesning av data enkel og intuitiv, tilbød forskerne en smarttelefon‑app som kunne kontrollere enheten trådløst og rapportere alle tilgjengelige data om strømforbruk og vannsalinitet i sanntid.

Finansiert, delvis, av DEVCOM Soldier Center, Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J‑WAFS), Experimental AI Postdoc Fellowship Program ved Northeastern University, og Roux AI Institute, leverte forskningen tilfredsstillende resultater.

Forskerne tok løsningen ut av laboratoriet og testet den på Boston sin Carson Beach. Det resulterende vannet overgikk Verdens helseorganisasjons kvalitetsretningslinjer ved å redusere antall suspenderte faste stoffer med minst en faktor på 10, mens prototypen genererte drikkevann med en hastighet på 0,3 liter per time, og krevde kun 20 watt‑timer per liter.

Ved å utdype den banebrytende naturen i eksperimentet, hadde seniorforfatter Jongyoon Han, professor i elektroteknikk og datavitenskap samt biologisk ingeniørfag og medlem av Research Laboratory of Electronics (RLE), følgende å si:

“Dette er virkelig kulminasjonen av en 10‑års reise som jeg og gruppen min har vært på. Vi har jobbet i flere år med fysikken bak individuelle avsaltningsprosesser, men å samle alle disse fremskrittene i en boks, bygge et system, og demonstrere det i havet, var en virkelig meningsfull og givende opplevelse for meg.”

Mens universitetsforskerne er sterkt engasjert i dette edle arbeidet, finnes det flere selskaper som har tatt på seg jobben med å avsalte vann. Deres bidrag er like avgjørende ettersom stor‑skala adopsjon krever oppskalerte løsninger som fungerer på kommersiell skala. I de følgende segmentene ser vi på et par av slike selskaper.

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

Selskapet har sine ingeniørtjenester klare til å gi sine kunder full design‑bygg av Sea Water Reverse Osmosis desalination systems.

Selskapet, notert og handlet på Nasdaq, utfører ledelse, ingeniør‑ og konstruksjonstjenester for avsalting gjennom DesalCo, anerkjent av leverandører som en Original Equipment Manufacturer (OEM) av revers‑osmose sjøvannsavsaltningsanlegg for selskapet.

Teknologisk anerkjenner selskapet to hovedmetoder for avsalting:

(i) Thermal distillation
(ii) Membrane separation.

Selskapet foretrekker den siste på grunn av lavere energikostnader. Selskapet bruker revers‑osmose membranseparasjon for brakkvann og sjøvann. Det er en fluid‑separasjonsprosess hvor det salte vannet blir presset, og ferskvann separeres fra det salte ved å passere gjennom en semipermeabel membran som avviser saltet.

Seawater Reverse Osmosis‑anlegget til Consolidated Water (CWCO ) er basert i Nassau, New Providence, Commonwealth of the Bahamas. Anlegget, satt i drift i juli 2006, har en operasjonell kapasitet til å håndtere 12 million US gallons of water per day.

I 2023 fullførte selskapet oppkjøpet av de resterende 39 % av eierskapet i PERC Water Corporation («PERC») for å bli 100 % eier av dette datterselskapet, som designer, konstruerer, drifter og forvalter vanninfrastruktur i det sør‑vestlige USA.

I samme år ble PERC tildelt en ny $204 million contract to design, construct, and operate a new desalination facility i Honolulu, Hawaii.

Selskapets detaljhandelsvirksomhet på Caymanøyene produserer drikkevann ved tre seawater reverse osmosis‑avsaltningsanlegg i Grand Cayman, lokalisert ved Abel Castillo Water Works («ACWW») og West Bay‑stedene.

Den samlede produksjonskapasiteten til de to anleggene ved ACWW er 3,0 millioner gallon vann per dag. Produksjonskapasiteten til West Bay‑anlegget er 1 000 000 gallon vann per dag.

I 2023 tjente selskapet en omsetning på US$180,2 millioner, et betydelig hopp fra 2022‑omsetningen på US$94,1 millioner. 2023 så selskapet registrere rekordhøyt nettoresultat og inntjening per aksje fra løpende virksomhet på $30,7 millioner og $1,93 henholdsvis. Prisen på selskapets ordinære aksje nådde en all‑time high på US$38,29 i november 2023.

#2. Veolia 

Selskapet ser avsalting som en nøkkelløsning for å bekjempe vannmangel. Det hevder å ha bygget hundrevis av avsaltningsanlegg og -systemer over hele verden, og produserer ferskvann for både kommunale og industrielle behov. Selskapets siste flaggskipprosjekter inkluderte Al Dur 2‑anlegget i Bahrain, Rabigh 3‑anlegget i Saudi‑Arabia, og Umm Al Quwain IWP‑anlegget i UAE.

Siden 2007 har selskapet vært ansvarlig for bygging og drift av seawater reverse osmosis‑anlegget i Sur, sammen med Oman Power and Water Procurement Company (OPWP). Anlegget gir drikkevann til mer enn 600 000 mennesker. Veolia bygger også avsaltningsanlegg for industrielle behov.

Veolias proprietære Barrel‑teknologi er et trygt, kompakt og digitalt RO‑avsaltningssystem hvis plug‑and‑play‑tilnærming bidrar til å sikre en rask tidsplan, mens de innebygde digitale sensorene sikrer effektiv fjernovervåking.

Veolia, i tillegg til sine direkte avsaltningsløsninger, hjelper også sine kunder med en kombinasjon av digitale verktøy og ekspertise som gjør prosesser smartere, tryggere og mer bærekraftige.

Den installerte tjenesteporteføljen tilbyr tilpassede vannbehandlingsløsninger skreddersydd til kundens eksakte behov. Veolias mobile vannservice håndterer leie‑eiendeler som støtter og bistår kundens driftssted for midlertidige og langsiktige vannbehandlingsbehov. Til slutt, under sin vannbehandlings‑kjemiske programavdeling, tilbyr selskapet vannhygiene‑ og HYDREX‑kjemiske løsninger som bidrar til å forbedre ytelsen til verktøy og vannbehandlingsutstyr.

Veolia (OTC: VEOVY) handles på over‑the‑counter‑markedet (OTC). I første halvdel av 2024 registrerte selskapet en omsetning på 22,141 milliarder euro, en liten nedgang fra H1‑2023‑omsetningen på 22,755 milliarder euro. Av denne 22,141 milliarder kom nesten 8,8 milliarder euro fra forretningsdivisjonen som betjener vannbehov. De andre to omfatter avfall og energi.

Den økende betydningen av avsalting

En betydelig mengde vann kommer allerede fra avsalting. Ifølge data presentert av International Desalination Association har den samlede kontrakterte avsaltningskapasiteten nå overskredet 100 millioner m³/d og nesten 60 % av avsaltingen er viet til menneskelig forbruk. Ifølge estimater er omtrent 300 millioner mennesker avhengige av denne prosessen for sitt daglige vannforbruk. Land som Kuwait produserer nesten 100 % av sitt ferskvann gjennom avsalting.

Imidlertid er avsaltingsprosjekter ennå ikke jevnt fordelt over hele verden. Midtøsten og Nord‑America står samlet for mer enn 70 % av verdens avsaltingskapasitet. Av denne 70 % står Midtøsten alene for mer enn 53 %.

Data viser også at det i 2022 fantes mer enn 21 000 sjøvannsavsaltningsanlegg, med en daglig global produksjon på 99 millioner m³/d av avsaltet vann. Denne produksjonsvolumet resulterer imidlertid i mer enn 150 millioner m³/d av brine‑biprodukt. Brine er det lett konsentrerte sjøvannet som avsaltningsanleggene avviser til havet. Saltinnholdet i brinen er omtrent 60 g/l for sjøvann med 40 g/l, mens temperaturen på brine‑avvisningen er litt høyere enn sjøvannets – noen få grader Celsius.

Fremtidig forskning må investere tid og ressurser i å finne måter som er mer miljøvennlige. Bruk av solenergi i drift av disse anleggene bidrar betydelig til å redusere karbonavtrykket til fasilitetene. Imidlertid må fremtidig forskning sikre at nesten alt sjøvann blir omdannet til ferskt drikkevann. Dette vil sikre at det ikke er noen skadelig avvisning som kommer ut som et biprodukt.

Vellykket transport‑ og distribusjonsmekanismer vil sikre at dette vannet går utover nasjonene som ligger ved kysten og når tørre, ørkenregioner uten betydelige drikkevannskilder i nærheten.

Klikk her for å lære hvordan solenergi kan bidra til å skaffe rent vann i tørre regioner.