Dessalinização Alimentada por Energia Solar – Solucionando a Escassez de Água para 2,2 Bilhões de Humanos

O problema da escassez de água é mais urgente do que podemos imaginar. De acordo com os dados apresentados pelo Programa das Nações Unidas para o Meio Ambiente, quase 50% da população do planeta, o que equivale a quase 4 bilhões de pessoas, enfrenta déficits de água por pelo menos um mês por ano.

Na projeção histórica da FAO citada no contexto de 2024, cerca de 1,8 bilhão de pessoas poderiam viver em regiões com escassez absoluta de água em 2025. Trata-se de uma previsão, não de uma medição efetiva daquele ano.

Abordar um problema tão gigantesco e onipresente requer soluções inovadoras, soluções que utilizem recursos ainda não explorados ou subexplorados.

Por exemplo, combater a escassez de água poderia transformar água do mar em água doce, que é uma das soluções mais eficazes, já que a oferta de água do mar é abundante. Seria ainda melhor se o processo pudesse ser realizado usando energia renovável, como a energia solar. 

Dispositivo de Alta Eficiência Energética para Produzir Água Potável a partir da Água do Mar

A dessalinização separa sais da água. A osmose reversa já opera comercialmente e pode funcionar continuamente com gestão adequada. O processo consome energia, e incrustações ou outros depósitos nas membranas podem reduzir o desempenho, exigindo limpeza e manutenção.

Uma equipe de pesquisadores da University of Waterloo acabou de desenvolver uma solução inspirada no ciclo da água da natureza, baseando‑se fortemente nas formas como as árvores transportam água das raízes para as folhas.

Segundo o Dr. Michael Tam, professor do Departamento de Engenharia Química da Waterloo:

“Nossa inspiração vem da observação de como a natureza se sustenta e da forma como a água evapora e condensa no ambiente.”

O projeto inspirado na natureza busca reduzir o acúmulo de sal e a necessidade de manutenção, sem eliminar essa necessidade.

A água chega à superfície de evaporação e o vapor é condensado em água doce. O projeto ajuda a controlar o acúmulo de sal, mas não garante eficiência constante durante toda a vida útil.

O que acrescenta aos benefícios do dispositivo é o uso de energia renovável, tornando o dispositivo energeticamente eficiente. O dispositivo aproveita o calor solar e apresentou eficiência de conversão solar em evaporação próxima de 93% nas condições de teste. Não se trata de geração de eletricidade.

A equipe relatou produção de aproximadamente 20 litros de água doce por metro quadrado por dia. A comparação de eficiência cinco vezes maior refere-se aos sistemas usados como referência no relato, não a todas as tecnologias comerciais de dessalinização.

Interessantemente, é a mesma quantidade de água que a OMS recomenda para cada pessoa diariamente para consumo básico e higiene. 

Para que o dispositivo utilize a energia solar de forma eficiente, os pesquisadores usaram como material base o níquel (Ni). A estrutura de espuma de níquel foi revestida com um revestimento de polímero condutor e partículas de pólen termorresponsivas. A composição tornou o material apto a absorver a luz solar ao longo de todo o espectro de radiação solar. 

Para o movimento ascendente da água, uma fina camada de água salgada foi aquecida e transportada. É semelhante ao modo como a água circula pelos capilares naturais das árvores. A evaporação da água faz com que o sal restante se desloque para o fundo do dispositivo. 

A simplicidade da solução favorece o desenvolvimento posterior. A portabilidade pode permitir que venha a ser usada em comunidades costeiras e insulares remotas, após testes e desenvolvimento em escala adequada.

Ao resumir os benefícios gerais da solução, o Dr. Yuning Li, professor do Departamento de Engenharia Química da Waterloo, disse:

“Este novo dispositivo não é apenas eficiente, mas também portátil, tornando‑o ideal para uso em regiões remotas onde o acesso à água fresca é limitado.” 

Para detalhar ainda mais os benefícios potenciais, o Dr. Michael Tam afirmou o seguinte:

“Se o teste for comprovado com sucesso, a tecnologia pode suprir de forma sustentável água fresca para comunidades costeiras e avançar os Objetivos de Desenvolvimento Sustentável da ONU nos itens três, seis, dez e doze.”

Embora a pesquisa acima mencionada tenha gerado grande esperança na comunidade científica e entre os que trabalham por soluções sustentáveis de água doce, outros pesquisadores também têm se dedicado ao tema.

Na próxima seção, discutimos o desenvolvimento de uma unidade portátil de dessalinização proposta por pesquisadores do MIT em 2022.

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Uma Unidade Portátil de Dessalinização para Gerar Água Potável Clara e Limpa

Em abril de 2022, pesquisadores do MIT desenvolveram uma unidade portátil de dessalinização que pesava menos de 10 quilogramas, aproximadamente do tamanho de uma mala. O protótipo precisava de menos potência do que um carregador de celular e podia ser alimentado por um pequeno painel solar de cerca de US$50. Esse valor era o preço do painel, não da unidade de dessalinização. O sistema usa eletricidade e membranas seletivas de íons, dispensando filtros convencionais que precisam de substituição frequente.

Técnica de Polarização de Concentração Iônica Tornando a Unidade Livre de Filtros

O processo, resultado de uma década de trabalho dos pesquisadores, envolvia a aplicação de um campo elétrico a membranas posicionadas acima e abaixo de um canal de água. As membranas desviam íons de sal e partículas carregadas, incluindo bactérias e vírus, enquanto a água passava por elas. O processo podia eliminar tanto sólidos dissolvidos quanto suspensos. 

Os pesquisadores, ao desenvolver sua solução, fizeram uso prudente das melhores técnicas disponíveis, incluindo aprendizado de máquina. O aprendizado de máquina ajudou a selecionar dois estágios de ICP, com seis módulos no primeiro e três no segundo, seguidos por um estágio de eletrodiálise.

Os pesquisadores também buscaram simplicidade de operação. O processo pode ser iniciado com apenas um botão para dessalinização e purificação automáticas. 

Ele também poderia notificar os usuários quando o nível de salinidade e a quantidade de partículas caíssem abaixo de um limite tolerável específico. Para tornar a leitura dos dados simples e intuitiva, os pesquisadores ofereceram um aplicativo para smartphone capaz de controlar a unidade sem fio e relatar todos os dados disponíveis sobre consumo de energia e salinidade da água em tempo real. 

Financiada, em parte, pelo DEVCOM Soldier Center, pelo Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J‑WAFS), pelo Experimental AI Postdoc Fellowship Program da Northeastern University e pelo Roux AI Institute, a pesquisa forneceu resultados satisfatórios. 

A equipe testou o protótipo em Carson Beach, Boston. Segundo o MIT, a água produzida atendeu às diretrizes de qualidade da OMS, e os sólidos suspensos foram reduzidos em pelo menos dez vezes. A produção foi de aproximadamente 0,3 litro por hora, com consumo de 20 watt-horas por litro. Esses resultados de teste não garantem desempenho idêntico em qualquer água de entrada.

Elaborando sobre o caráter revolucionário do experimento, o autor sênior Jongyoon Han, professor de engenharia elétrica e ciência da computação e de engenharia biológica e membro do Research Laboratory of Electronics (RLE), disse:

“Esta é realmente a culminação de uma jornada de 10 anos que eu e meu grupo trilhamos. Trabalhamos por anos na física por trás de processos individuais de dessalinização, mas integrar todos esses avanços em uma caixa, construir um sistema e demonstrá‑lo no oceano foi uma experiência realmente significativa e gratificante para mim.” 

Enquanto os pesquisadores universitários estão intensamente envolvidos nessa nobre missão, há várias empresas que assumiram a tarefa de dessalinizar água. Sua contribuição é igualmente crucial, pois a adoção em larga escala requer soluções ampliadas que funcionem em escala comercial. Nos segmentos a seguir, analisamos algumas dessas empresas. 

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

A empresa oferece serviços de engenharia para o projeto e a construção de Sistemas de Dessalinização por Osmose Reversa de Água do Mar. A empresa atende a todo o ciclo de serviço que envolve instalação, expansão ou retrofit. 

A empresa, listada e negociada na Nasdaq, realiza a gestão, engenharia e serviços de construção para dessalinização por meio da DesalCo, reconhecida pelos fornecedores como Fabricante Original de Equipamento (OEM) de plantas de dessalinização por osmose reversa de água do mar para a Empresa.

Tecnicamente, a empresa reconhece dois métodos principais para dessalinizar:

(i) Destilação térmica
(ii) Separação por membrana.

A empresa prefere este último devido ao menor custo energético. A empresa emprega a separação por membrana de Osmose Reversa para dessalinização de água salobra e de água do mar. É um processo de separação de fluidos onde a água salgada é pressurizada, e a água doce é separada da água salgada ao passar por uma membrana semipermeável que rejeita os sais.

A Usina de Osmose Reversa de Água do Mar da Consolidated Water (CWCO ) está sediada em Nassau, New Providence, Bahamas. A instalação Blue Hills entrou em operação em julho de 2006 com capacidade inicial de aproximadamente 7,2 milhões de galões americanos por dia. Após ampliações, a usina passou a ter capacidade de aproximadamente 12 milhões de galões americanos de água por dia. 

Em 2023, a empresa concluiu a aquisição dos restantes 39% de participação da PERC Water Corporation (“PERC”) para se tornar a proprietária 100% desta subsidiária, que projeta, constrói, opera e gerencia instalações de infraestrutura hídrica no sudoeste dos EUA. 

No mesmo ano, a PERC recebeu um novo contrato de US$204 milhões para projetar, construir e operar uma nova instalação de dessalinização em Honolulu, Havaí.

As operações de varejo da empresa nas Ilhas Cayman produzem água potável em três usinas de osmose reversa de água do mar em Grand Cayman, localizadas em seus sites Abel Castillo Water Works (“ACWW”) e West Bay. 

No período histórico discutido, a capacidade agregada das duas instalações ACWW era de cerca de 3 milhões de galões americanos por dia. A capacidade de produção da usina West Bay é de 1.000.000 de galões de água por dia. 

Em 2023, a empresa registrou uma receita de US$ 180,2 milhões, um salto significativo em relação à receita de US$ 94,1 milhões em 2022. Em 2023, a empresa registrou lucro líquido recorde e lucro por ação de US$ 30,7 milhões e US$ 1,93, respectivamente, provenientes de operações continuadas. O preço das ações ordinárias da empresa atingiu um recorde histórico de US$ 38,29 em novembro de 2023. 

#2. Veolia 

A empresa vê a dessalinização como uma solução chave para combater a escassez de água. Ela afirma ter construído centenas de plantas e sistemas de dessalinização em todo o mundo, produzindo água doce para necessidades tanto municipais quanto industriais. Os projetos‑bandeira mais recentes da empresa incluíram a planta Al Dur 2 no Bahrein, a planta Rabigh 3 na Arábia Saudita e a planta Umm Al Quwain IWP nos Emirados Árabes Unidos.

Desde 2007, a empresa participa da construção e operação da instalação Sur, em Omã. O fornecimento de água envolve acordos de aquisição com a OPWP. A instalação foi descrita como capaz de atender mais de 600 mil pessoas. A Veolia também oferece instalações de dessalinização para uso industrial.

A tecnologia proprietária Barrel da Veolia é um sistema de osmose reversa seguro, compacto e digital, cuja abordagem plug‑and‑play ajuda a garantir um cronograma acelerado enquanto seus sensores digitais integrados asseguram monitoramento remoto eficiente. 

A Veolia, além de suas soluções diretas de dessalinização, também auxilia seus clientes com uma combinação de ferramentas digitais e expertise que tornam os processos mais inteligentes, seguros e sustentáveis. 

Sua carteira de serviços de base instalada oferece serviços personalizados de tratamento de água adaptados às necessidades exatas do cliente. Os serviços de água móvel da Veolia lidam com ativos de aluguel que apoiam e assistem as operações do site do cliente para necessidades temporárias e de longo prazo de tratamento de água. Por fim, sob sua divisão de programas químicos de tratamento de água, a empresa oferece soluções químicas de higiene de água e HYDREX que ajudam a melhorar o desempenho de utilidades e equipamentos de tratamento de água. 

As ações da Veolia (OTC: VEOVY) são negociadas no mercado over‑the‑counter (OTC). No primeiro semestre de 2024, a empresa registrou uma receita de 22,141 bilhões de euros, uma leve queda em relação à receita do H1 2023 de 22,755 bilhões de euros. Desses 22,141 bilhões, quase 8,8 bilhões de euros provêm da divisão de negócios que atende às necessidades hídricas. As outras duas divisões referem‑se a resíduos e energia.

A Importância Crescente da Dessalinização

Um volume significativo de água já provém da dessalinização. De acordo com os dados apresentados pela International Desalination Association, a capacidade contratada cumulativa de dessalinização já ultrapassou 100 milhões de m³/d e quase 60% da dessalinização é destinada ao consumo humano. Segundo estimativas, cerca de 300 milhões de pessoas dependem desse processo para seu consumo diário de água. O Kuwait depende fortemente da dessalinização para sua água potável; isso não significa que toda a água doce utilizada no país tenha essa origem.

Entretanto, os projetos de dessalinização ainda não estão distribuídos uniformemente em todo o mundo. O Oriente Médio e o Norte da África concentram uma parcela importante da capacidade mundial de dessalinização. As participações regionais dependem do ano, da definição geográfica e do tipo de instalação considerado; não representam automaticamente a produção efetiva. 

O observatório europeu da economia azul menciona mais de 21.000 instalações de dessalinização, incluindo diferentes tipos de água de entrada, não apenas água do mar. Estimativas de cerca de 95–99 milhões de m³ de água por dia e 142–150 milhões de m³ de salmoura por dia têm anos e abrangências distintos. A salmoura é um efluente concentrado em sais. Sua temperatura e composição dependem da tecnologia e das condições de operação, e seu descarte pode prejudicar ecossistemas se não for adequadamente gerido.

Pesquisas futuras precisarão investir tempo e recursos na busca de maneiras mais ambientalmente responsáveis. A energia solar pode reduzir as emissões operacionais, mas não elimina todas as emissões do ciclo de vida. A recuperação de água e o aproveitamento ou tratamento da salmoura podem ajudar, porém não garantem que sejam eliminados todos os resíduos nocivos ou as necessidades adicionais de energia.  

Mecanismos bem‑sucedidos de transporte e distribuição garantirão que esta água ultrapasse as nações localizadas nas áreas costeiras e alcance regiões áridas e secas sem fonte significativa de água potável nas proximidades.

Clique aqui para saber como a energia solar pode ajudar a fornecer água limpa em regiões áridas.