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 United Nations Environment Programme, 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.

Até 2025, 1,8 bilhão de pessoas provavelmente enfrentarão o que a Organização das Nações Unidas para Agricultura e Alimentação (FAO) chama de “escassez absoluta de água”.

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

Transformar água do mar em água potável requer dessalinização. Contudo, os sistemas atuais de dessalinização que bombeiam água do mar através de membranas para separar o sal da água não só consomem muita energia, como também sofrem com o acúmulo de sal na superfície do dispositivo. Como resultado, o fluxo de água fica obstruído, reduzindo a eficiência. Esses depósitos de sal tornam as máquinas inadequadas para operação contínua e custosas, exigindo manutenção frequente.

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.”

Como o mecanismo se inspira no ciclo natural da água, ele praticamente não requer manutenção significativa. 

O processo envolve uma solução engenheirada que induz a evaporação da água, transporta‑a para a superfície e a condensa em um ciclo fechado. O resultado é a prevenção eficaz do acúmulo de sal e maior longevidade do dispositivo, sem comprometer a eficiência. 

O que acrescenta aos benefícios do dispositivo é o uso de energia renovável, tornando o dispositivo energeticamente eficiente. Ele funciona com energia solar e pode converter quase 93% da luz solar em energia.

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.

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 base de espuma de níquel foi fornecida 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 a torna pronta para ampla adoção. Sua portabilidade garante que possa ser usada em regiões remotas, especialmente em nações costeiras e insulares. 

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. Ela poderia operar com menos energia do que a necessária para carregar um celular. Disponível por US$ 50, assim como o dispositivo discutido no segmento anterior, este também dispensava a necessidade de passagem de água por filtros. Em vez disso, utilizava energia elétrica para remover partículas da água potável.

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 podiam repelir partículas carregadas positivamente ou negativamente, incluindo moléculas de sal, 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 mostrou-se eficaz na busca da combinação ideal de módulos de ICP e eletrodiálise, já que o processo envolvia seis módulos no total. 

Os pesquisadores também consideraram que dispositivos como este, que só seriam eficazes se adotados em larga escala, precisam ser fáceis e simples de usar. Portanto, poderia ser lançado 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. 

Financiado, 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. 

Os pesquisadores levaram a solução do laboratório e a testaram na Carson Beach, em Boston. A água resultante superou as diretrizes de qualidade da Organização Mundial da Saúde ao reduzir o número de sólidos suspensos em pelo menos um fator de 10, enquanto o protótipo gerava água potável a uma taxa de 0,3 litro por hora, exigindo apenas 20 watt‑horas por litro.

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 possui serviços de engenharia prontos para capacitar seus clientes com o design‑build completo 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, na Commonwealth das Bahamas. Comissionada em julho de 2006, a usina tem capacidade operacional para lidar com 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 $204 milhões de contrato 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. 

A capacidade de produção agregada atual das duas usinas localizadas no ACWW é de 3,0 milhões de galões de água 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 é responsável pela construção e operação da planta de osmose reversa de água do mar de Sur, em parceria com a Oman Power and Water Procurement Company (OPWP). A instalação fornece água potável a mais de 600 mil pessoas. A Veolia também constrói instalações de dessalinização para necessidades industriais. 

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. Países como o Kuwait produzem quase 100% de sua água doce por meio da dessalinização. 

Entretanto, os projetos de dessalinização ainda não estão distribuídos uniformemente em todo o mundo. As regiões do Oriente Médio e da América do Norte somam mais de 70% da capacidade mundial de dessalinização. Desses 70%, o Oriente Médio sozinho representa mais de 53%. 

Dados também indicam que havia mais de 21.000 plantas de dessalinização de água do mar em 2022, com uma produção global diária de 99 milhões de m³/dia de água dessalinizada. Contudo, esse volume de produção também gera mais de 150 milhões de m³/dia de subproduto de salmoura. A salmoura é a água do mar ligeiramente concentrada rejeitada pelas plantas de dessalinização ao mar. O teor de sal da salmoura é aproximadamente 60 g/l para água do mar a 40 g/l, enquanto a temperatura da salmoura rejeitada é ligeiramente superior à da água do mar – alguns graus Celsius a mais.  

Pesquisas futuras precisarão investir tempo e recursos na busca de maneiras mais ambientalmente amigáveis. O uso de energia solar na operação dessas plantas ajuda a reduzir significativamente a pegada de carbono dessas instalações. Contudo, a pesquisa futura deve garantir que quase toda a água do mar de entrada seja convertida em água potável. Isso assegurará que não haja rejeição nociva como subproduto.  

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.

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