Dessalinização Sustentável – Como a Tecnologia Solar em Maturação Está Mudando Nossa Abordagem às Crises Hídricas

Água é Vida

Investidores e tecnólogos tendem a focar nos recursos naturais e commodities mais preciosos ou tecnicamente úteis, como ouro, terras raras ou lítio. No entanto, um recurso muito mais simples é necessário em grandes quantidades diariamente para sustentar nossa civilização: água doce.

Embora literalmente caia do céu na maior parte do mundo, sua disponibilidade ainda está sob forte pressão na civilização moderna, pois consumimos grande parte dela para a indústria, a agricultura e as necessidades humanas.

Apenas 3% da água do mundo é água doce utilizável, com 97% sendo salina (água subterrânea salina e água do mar). Dessa água doce, 69% está armazenada em geleiras e calotas polares, 30% é água subterrânea, e apenas 1% é água superficial.

Fonte: USGS

Como resultado, em muitos lugares, a única fonte de água disponível é a água salina. A dessalinização é possível, mas requer uma quantidade enorme de energia. Até agora, costuma ser feita com combustíveis fósseis, já que a maioria das técnicas de dessalinização é intensiva em energia e requer entradas de energia constantes e estáveis.

Isso pode mudar, graças a um novo método desenvolvido por engenheiros do MIT e publicado na Nature Water sob o título “Electrodiálise fotovoltaica de acionamento direto via controle de corrente comandado por fluxo.”

Dessalinização Solar

À primeira vista, a energia solar parece ser a fonte de energia mais lógica para alimentar operações de dessalinização. Não só é fornecida gratuitamente pelo Sol, como também é geralmente abundante em regiões secas como desertos, que frequentemente precisam mais de dessalinização.

Com a energia solar se tornando mais barata a cada dia, provavelmente continuará a crescer como fonte de energia, como abordamos em nosso artigo “A Era Solar — Um Futuro Brilhante para a Humanidade.”

Ainda há um problema — a energia solar só é produzida quando o sol brilha. Isso significa que, para operar eficientemente, a maioria das operações de dessalinização alimentadas apenas por energia solar precisaria ser acoplada a um sistema de baterias, aumentando os custos.

Isso é especialmente problemático para as técnicas atuais de dessalinização, como a osmose reversa, que precisam de condições estáveis e de um suprimento de energia estável para ser eficiente. Isso ocorre porque requer pressão constante nas membranas de osmose.

Isso exclui qualquer dessalinização em pequena escala e quaisquer métodos de baixo custo, pelo menos enquanto o armazenamento de energia ainda for caro. Isso pode mudar, como discutimos em “O Futuro do Armazenamento de Energia —Tecnologia de Baterias em Escala de Utilidade“; ainda assim, pode ser melhor também adaptar-se à flutuação natural da energia solar, incluindo variações de curto prazo, como nuvens passando.

Eletrodiálise em Lote Flexível

Os pesquisadores do MIT favoreceram essa abordagem. Eles estudaram a eletrodiálise, um método alternativo à osmose reversa para dessalinização. A eletrodiálise usa um campo elétrico para extrair íons de sal enquanto a água é bombeada através de uma pilha de membranas de troca iônica.

Fonte: Nature Water

Para o novo design, eles criaram um sistema de controle baseado em modelo conectado a sensores em todas as partes do sistema. Ele previa a taxa ideal de bombeamento da água e a voltagem que deveria ser aplicada para maximizar a quantidade de sal extraída da água.

Ao fazer isso, a operação de dessalinização poderia flutuar de acordo com a energia solar produzida em tempo real.

Fonte: Nature Water

Em média, o sistema utilizou diretamente 77% da energia elétrica disponível produzida pelos painéis solares, o que a equipe estimou ser 91% a mais do que os sistemas de eletrodiálise alimentados por energia solar tradicionalmente projetados.

Melhoria Adicional

A taxa quase dobrada de utilização de energia solar em comparação com sistemas de eletrodiálise anteriores ainda poderia ser aprimorada com otimização e automação mais regulares:

Só podíamos calcular a cada três minutos, e nesse intervalo, uma nuvem poderia literalmente aparecer e bloquear o sol.

O sistema poderia estar dizendo: ‘Preciso operar com essa alta potência.’ Mas parte dessa potência caiu repentinamente porque há menos luz solar. Então, tivemos que compensar essa energia com baterias extras.

Amos Winter – Diretor do Centro Global de Engenharia e Pesquisa (GEAR) K. Lisa Yang na MIT

Este foi um trabalho de prova de conceito e será transformado em um design comercial em breve, já que a equipe lançará uma empresa baseada em sua tecnologia nos próximos meses.

Este projeto de pesquisa também foi apoiado em espécie (material fornecido gratuitamente) pela Veolia Water Technologies and Solutions (VIE.PA) e Xylem Goulds (XYL ).

Não Apenas Água do Mar

A equipe de pesquisa focou na dessalinização de água subterrânea salobra encontrada no subsolo do Novo México. Como muitos centros populacionais em áreas secas estão longe do mar, isso pode ser uma fonte de água importante atualmente indisponível devido ao seu teor de sal.

“A maioria da população realmente vive longe o suficiente da costa, de modo que a dessalinização de água do mar nunca poderia alcanç‑los. Eles, consequentemente, dependem fortemente da água subterrânea, especialmente em regiões remotas e de baixa renda. E, infelizmente, essa água subterrânea está se tornando cada vez mais salina devido às mudanças climáticas.”

Jonathan Bessette – estudante de doutorado em engenharia mecânica do MIT
O modelo de pesquisa já era capaz de fornecer água doce suficiente para atender 3.000 pessoas. Foi operado por 6 meses na Instalação Nacional de Pesquisa em Dessalinização de Água Subterrânea Salobra em Alamogordo, Novo México.

Não Apenas Áreas Desérticas

Tendemos a pensar que a escassez de água doce e a necessidade urgente de dessalinização ocorrem apenas em lugares secos como Novo México ou Arábia Saudita. No entanto, regiões “úmidas” também podem ser afetadas. Por exemplo, o Reino Unido está considerando importar água doce da Noruega durante a seca.

De forma semelhante, o Canadá tem sido afetado por uma crise relacionada ao abastecimento de água doce e limpa, levando a um processo de US$1,1 bilhão contra o governo canadense por mais de 50 Primeiras Nações após um acordo recente de US$8 bilhões.

Enquanto isso, as escassez de água em Taiwan ameaçam a crucial indústria de semicondutores, que é o núcleo da economia da ilha.

E as mudanças climáticas podem agravar cada uma dessas crises separadas ao longo do tempo.

Muitas regiões e países de baixa renda também poderiam se beneficiar ao usar mais água do que atualmente utilizam, por exemplo para aumentar a produtividade agrícola, com a água do mar sendo um candidato óbvio para fornecimento ilimitado, desde que a dessalinização seja suficientemente barata e a energia seja fornecida pelo Sol de verão.

Como alternativa à dessalinização, extrair água do ar pode também ser possível graças aos coletores de água atmosférica que estão melhorando rapidamente.

Investindo em Água

O acesso a água doce limpa tem desde 2010 sido reconhecido pela ONU como um direito humano. É uma grande indústria, avaliada em US$ 323 bilhões em 2023, e espera‑se que cresça a uma taxa de 7,5% ao ano até 2032, atingindo US$ 617 bilhões.

Também é um setor que tem sido limitado pela disponibilidade de recursos e pelos custos de energia, algo que pode ser menos crítico à medida que a energia solar se torna mais barata, e novas técnicas para produzir mais água estão surgindo. Isso, se as mudanças climáticas não causarem escassez crítica.

Se você não está interessado em empresas específicas de água, também pode olhar para ETFs de água como o Global X Clean Water ETF (AQWA), o iShares Global Water UCITS ETF (IH2O), ou o Amundi MSCI Water ESG Screened ETF (WAT), que proporcionarão exposição mais diversificada para capitalizar o setor de água em crescimento.

Empresas que Resolvem a Escassez de Água

Xylem Inc.

Juntamente com a europeia Veolia, a Xylem é líder global em purificação de água, tratamento de águas residuais e dessalinização. Emprega mais de 23.000 pessoas (das quais mais de 6.000 são engenheiros) e opera em 150 países, com foco nos EUA, atendendo a mais de 35.000 clientes industriais diretos.

Seu principal mercado é o abastecimento municipal de água potável e águas residuais, mas também oferece soluções dedicadas a outros setores como saúde, energia, alimentos & bebidas, petróleo & gás, microeletrônica, etc.

Fonte: Xylem

A Xylem pode fornecer os equipamentos patenteados críticos para limpar ou produzir água, como geradores de ozônio, lâmpadas UV, membranas de dessalinização, geradores de água ultra‑pura, etc. Mas também fornece equipamentos “mais simples” igualmente críticos para operações relacionadas à água, como turbinas, bombas, tubulações, injeção, software, etc., além de serviços de manutenção, reparo e instalação.

Fonte: Xylem

O mercado de água ainda é muito fragmentado, com a Xylem sendo uma das maiores empresas do setor, mas ainda detendo “apenas” 10% de participação de mercado de seu mercado endereçável de US$ 80 bilhões.

A empresa gasta cerca de 4% de suas vendas em P&D. Deve se beneficiar de novas regulamentações relativas a PFAS (substâncias per‑ e polifluoroalquil), ou produtos químicos eternos), com mais de 6.000 instalações de serviços públicos necessitando desse tratamento de PFAS.

A Xylem tem crescido de forma constante, com o lucro líquido aumentando de US$ 297 milhões em 2012 para US$ 609 milhões em 2023, mantendo uma margem EBITDA estável entre 17% e 219%.

No geral, isso torna o perfil de investimento da empresa menos parecido com o de uma empresa industrial (frequentemente cíclica) e mais parecido com o de uma empresa de serviços públicos que cresce com a economia geral ou um pouco acima dessa taxa, como a maioria de seus consumidores.