Solenergidriven avsaltning – Lösning på vattenbrist för 2,2 miljarder människor

Problemet med vattenbrist är mer akut än vi kan föreställa oss. Enligt de data som presenteras av United Nations Environment Programme, är nästan 50 % av planetens befolkning, vilket motsvarar nästan 4 miljarder människor, drabbade av vattenbrist minst en månad per år.

År 2025, 1,8 miljarder människor förväntas möta vad Livsmedels‑ och jordbruksorganisationen (FAO) kallar ”absolut vattenbrist”. 

Att tackla ett så enormt och genomgripande problem kräver innovativa lösningar, lösningar som använder outforskade eller underutforskade resurser.

Till exempel kan bekämpning av vattenbrist innebära att havsvatten omvandlas till färskvatten, vilket är en av de mest effektiva lösningarna eftersom havsvattnets tillgång är riklig. Det vore bättre om processen kunde utföras med förnybar energi, som renewable energy, som solkraft. 

Energieffektiv enhet för att producera dricksvatten från havsvatten

Att omvandla havsvatten till färskt dricksvatten kräver avsaltning. De nuvarande avsaltningssystemen som pumpar havsvatten genom membraner för att separera salt från vatten är dock både energikrävande och drabbas av att salt samlas på enhetens yta. Detta leder till att vattenflödet hindras, vilket minskar effektiviteten. Dessa saltavlagringar gör maskinerna olämpliga för kontinuerlig drift och kostsamma, då de kräver frekvent underhåll.

Ett team av forskare vid University of Waterloo har nu tagit fram en lösning inspirerad av lösning inspirerad av naturens vattencykel, som starkt hämtar inspiration från hur träd transporterar vatten från rötter till blad.

Enligt Dr. Michael Tam,  en professor i Waterloos avdelning för kemiteknik:

“Vår inspiration kommer från att observera hur naturen upprätthåller sig själv och hur vatten avdunstar och kondenseras i miljön.”

Eftersom mekanismen hämtar inspiration från den naturliga vattencykeln kräver den knappt någon större underhåll. 

Processen involverar en konstruerad lösning som får vatten att avdunsta, transporterar det till ytan och kondenserar det i en sluten cykel. Resultatet är effektiv förebyggning av saltansamling samt förbättrad enhetslivslängd utan att kompromissa med effektiviteten. 

Vad som ytterligare stärker enhetens fördelar är att den använder förnybar energi, vilket gör enheten energi‑effektiv. Den drivs av solkraft och kan omvandla nästan 93 % av solens energi. 

Effektiviteten är fem gånger bättre jämfört med de nuvarande avsaltningssystemen på marknaden och producerar nära tjugo liter färskt vatten per kvadratmeter.

Intressant nog är det samma mängd vatten som WHO rekommenderar för varje person varje dag för grundläggande drickande och hygien. 

För att enheten ska utnyttja solenergi effektivt använde forskarna basmaterialet nickel (Ni). Nickel‑skummaterialet fick ett ledande polymerbeläggning och termoresponsiva pollenpartiklar. Sammansättningen gjorde materialet lämpligt för att absorbera solljus över hela solstrålningens spektrum. 

För den uppåtgående vattenrörelsen värmdes ett tunt lager av saltvatten upp och transporterades. Det liknar hur vatten rör sig genom naturliga trädkapillärer. Avdunstningen av vatten leder till att det återstående saltet sjunker till botten av enheten. 

Enkelheten i lösningen gör den redo för bredare antagande. Dess portabilitet säkerställer att den kan användas i avlägsna regioner, särskilt i kustområden och ö-nationer. 

När de sammanfattade de övergripande fördelarna med lösningen sade Dr. Yuning Li, en professor i Waterloos avdelning för kemiteknik:

“Denna nya enhet är inte bara effektiv utan också portabel, vilket gör den idealisk för användning i avlägsna områden där tillgången till färskt vatten är begränsad.”

För att ytterligare utveckla de potentiella fördelarna sade Dr. Michael Tam följande:

“Om testet visar sig vara framgångsrikt kan tekniken hållbart förse kustsamhällen med färskt vatten och främja FN:s hållbarhetsmål tre, sex, tio och tolv.”

Medan den ovan nämnda forskningen har väckt stort hopp i den vetenskapliga gemenskapen och bland dem som arbetar för hållbara färskvattenslösningar, har andra forskare också arbetat med detta.

I det kommande avsnittet diskuterar vi utvecklingen av en bärbar avsaltningsenhet som MIT‑forskare föreslog 2022.

Klicka här för att lära dig hur solåldern driver en ljusare framtid för mänskligheten.

En bärbar avsaltningsenhet för att generera klart, rent dricksvatten

I april 2022 utvecklade MIT‑forskare en bärbar avsaltningsenhet som vägde mindre än 10 kilogram, ungefär storleken på en resväska. Den kunde drivas med mindre energi än vad som krävs för att ladda en mobiltelefon. Tillgänglig för köp för US$50, precis som enheten vi diskuterade i föregående avsnitt, var även denna fri från behovet av att vatten passerade genom filter. Istället använde den elektrisk kraft för att avlägsna partiklar från dricksvattnet.

Iontkoncentrationspolarisationsteknik som gör enheten filterfri

Processen, ett resultat av forskarnas tioåriga arbete, involverade att applicera ett elektriskt fält på membraner placerade ovanför och under en vattenkanal. Membranen kunde repellera positivt eller negativt laddade partiklar, inklusive saltmolekyler, bakterier och virus, när vattnet flöt förbi dem. Processen kunde hjälpa till att bli av både lösta och suspenderade fasta ämnen. 

Forskarna, när de utvecklade sin lösning, använde de de bästa tillgängliga teknikerna, inklusive maskininlärning. Maskininlärning visade sig effektiv för att hitta den ideala kombinationen av ICP och elektrodialysmoduler eftersom processen involverade totalt sex moduler. 

Forskarna hade också i åtanke att enheter som dessa, som bara blir effektiva om de får många användare, måste vara enkla att använda. Därför kunde den lanseras med endast en knapp för automatisk avsaltning och rening. 

Den kunde också meddela användarna när salinitetsnivån och partikelantalet föll under en specifik toleransgräns. För att göra avläsning av data enkel och intuitiv erbjöd forskarna en smartphone‑app som kan styra enheten trådlöst och rapportera all tillgänglig data om energiförbrukning och vattensalinitet i realtid.

Finansierad, delvis, av DEVCOM Soldier Center, Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J‑WAFS), Experimental AI Postdoc Fellowship Program vid Northeastern University och Roux AI Institute, levererade forskningen tillfredsställande resultat.

Forskarna tog lösningen ur laboratoriet och testade den på Bostons Carson Beach. Det resulterande vattnet överträffade Världshälsoorganisationens kvalitetsriktlinjer genom att minska antalet suspenderade partiklar med minst en faktor på 10, medan prototypen genererade dricksvatten med en hastighet på 0,3 liter per timme och krävde endast 20 watt‑timmar per liter.

När de förklarade den banbrytande naturen av experimentet sade seniorförfattaren Jongyoon Han, professor i elektroteknik och datavetenskap samt biologisk ingenjörskonst och medlem i Research Laboratory of Electronics (RLE), följande:

“Detta är verkligen kulmen på en tioårig resa som jag och mitt team har gjort. Vi har i åratal arbetat med fysiken bakom enskilda avsaltningsprocesser, men att föra alla dessa framsteg in i en låda, bygga ett system och demonstrera det i havet var en mycket meningsfull och givande upplevelse för mig.”

Medan universitetsforskare är starkt engagerade i detta ädla uppdrag, finns det flera företag som har tagit på sig uppgiften att avsalta vatten. Deras bidrag är lika avgörande eftersom storskalig antagning kräver uppskalade lösningar som fungerar på kommersiell nivå. I de följande avsnitten tittar vi på ett par sådana företag. 

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

Företaget har sina ingenjörstjänster redo att stärka sina kunder med komplett design‑build av Sea Water Reverse Osmosis desalination systems. Företaget betjänar hela tjänstecykeln som innefattar installation, expansion eller retrofit. 

Företaget, noterat och handlat på Nasdaq, utför förvaltning, ingenjörs‑ och byggtjänster för avsaltning genom DesalCo, erkänd av leverantörer som en Original Equipment Manufacturer (OEM) av omvänd osmos‑havsvattenavsaltningsanläggningar för företaget.

Tekniskt sett erkänner företaget två huvudmetoder för avsaltning:

(i) Termisk destillation
(ii) Membranseparation.

Företaget föredrar den senare på grund av lägre energikostnader. Företaget använder omvänd osmos‑membranseparation för bräckligt och havsvatten. Det är en fluidseparationsprocess där det salta vattnet pressas, och färskt vatten separeras från det salta genom att passera en semipermeabel membran som avvisar salterna.

Seawater Reverse Osmosis‑anläggningen för Consolidated Water (CWCO ) är baserad i Nassau, New Providence, Commonwealth of the Bahamas. Anläggningen, som togs i drift i juli 2006, har en driftskapacitet för att hantera 12 miljoner US‑gallon vatten per dag.

År 2023 slutförde företaget förvärvet av de återstående 39 % ägandet av PERC Water Corporation (“PERC”) för att bli 100 % ägare av detta dotterbolag, som designar, konstruerar, driver och förvaltar vatteninfrastruktur i sydvästra USA. 

Samma år tilldelades PERC ett nytt $204 miljoner kontrakt för att designa, konstruera och driva en ny avsaltningsanläggning i Honolulu, Hawaii.

Företagets detaljhandelsverksamhet på Caymanöarna producerar dricksvatten vid tre havsvatten‑omvänd‑osmos‑avsaltningsanläggningar i Grand Cayman, belägna vid dess Abel Castillo Water Works (“ACWW”) och West Bay‑platserna. 

Den nuvarande totala produktionskapaciteten för de två anläggningarna vid ACWW är 3,0 miljoner gallon vatten per dag. Produktionskapaciteten för West Bay‑anläggningen är 1 000 000 gallon vatten per dag.

År 2023 tjänade företaget en omsättning på US$180,2 miljoner, en betydande ökning från 2022 års omsättning på US$94,1 miljoner. 2023 såg företaget registrera rekordvinst och vinst per aktie från pågående verksamhet på $30,7 miljoner respektive $1,93. Aktiekursen för företagets stamaktie nådde ett historiskt högsta värde på US$38,29 i november 2023. 

#2. Veolia 

Företaget ser avsaltning som en nyckellösning för att bekämpa vattenbrist. Det påstår sig ha byggt hundratals avsaltningsanläggningar och system över hela världen, som producerar färskvatten för både kommunala och industriella behov. Företagets senaste flaggskeppsprojekt inkluderade Al Dur 2‑anläggningen i Bahrain, Rabigh 3‑anläggningen i Saudiarabien och Umm Al Quwain IWP‑anläggningen i Förenade Arabemiraten.

Sedan 2007 har företaget varit ansvarigt för att bygga och driva havsvatten‑omvänd‑osmos‑anläggningen i Sur, tillsammans med Oman Power and Water Procurement Company (OPWP). Anläggningen förser mer än 600 000 personer med dricksvatten. Veolia bygger också avsaltningsanläggningar för industriella behov. 

Veolias proprietära Barrel‑teknik är ett säkert, kompakt och digitalt RO‑avsaltningssystem vars plug‑and‑play‑metod hjälper till att säkra ett snabbt schema, medan dess inbäddade digitala sensorer säkerställer effektiv fjärrövervakning. 

Veolia, förutom sina direkta avsaltningslösningar, hjälper också sina kunder med en kombination av digitala verktyg och expertis som gör processerna smartare, säkrare och mer hållbara. 

Dess installerade bas‑tjänsteportfölj erbjuder skräddarsydda vattenbehandlingstjänster anpassade efter kundens exakta behov. Veolias mobila vattentjänster hanterar uthyrningsutrustning som stödjer och assisterar kundens platsdrift för tillfälliga och längre vattenbehandlingsbehov. Slutligen, under företagets avdelning för vattenbehandlingskemikalieprogram, erbjuder företaget vattenhygien‑ och HYDREX‑kemiska lösningar som förbättrar prestandan hos verktyg och utrustning för vattenbehandling. 

Veolia (OTC: VEOVY) handlas på over‑the‑counter (OTC)‑marknaden. Under första halvan av 2024 registrerade företaget en omsättning på 22,141 miljarder euro, en liten nedgång jämfört med H1‑2023‑omsättningen på 22,755 miljarder euro. Av dessa 22,141 miljarder kom nästan 8,8 miljarder euro från affärsenheten som betjänar vattenbehov. De övriga två avser avfall och energi.

Den växande betydelsen av avsaltning

En betydande volym vatten kommer redan från avsaltning. Enligt de data som presenteras av International Desalination Association har den kumulativa kontrakterade avsaltningskapaciteten nu överstigit 100 miljoner m³/d och nästan 60 % av avsaltning ägnas åt mänsklig konsumtion. Enligt uppskattningar förlitar sig omkring 300 miljoner människor på denna process för sitt dagliga vattenbehov. Länder som Kuwait producerar nästan 100 % av sitt färskvattensbruk genom avsaltning. 

Dock är avsaltningsprojekt ännu inte jämnt fördelade globalt. Mellanöstern och Nordamerika står tillsammans för mer än 70 % av världens avsaltningskapacitet. Av dessa 70 % står Mellanöstern ensam för mer än 53 %. 

Data visar också att det fanns mer än 21 000 havsvattenavsaltningsanläggningar år 2022, med en daglig global produktion på 99 miljoner m³/d av avsaltat vatten. Denna produktionsvolym resulterar dock också i mer än 150 miljoner m³/d av brine‑biprodukt. Brine är det något koncentrerade havsvattnet som avsaltningsanläggningarna avvisar till havet. Saltinnehållet i brine är ungefär 60 g/l för havsvatten med 40 g/l, medan temperaturen på brine‑avfallet är något högre än havsvattnets – några grader Celsius.  

Framtida forskning måste investera tid och resurser i att hitta sätt som är mer miljövänliga. Användning av solenergi i drift av dessa anläggningar hjälper avsevärt till att minska deras koldioxidavtryck. Dock måste framtida forskning säkerställa att nästan allt havsvatten omvandlas till färskt dricksvatten. Detta kommer att garantera att det inte finns någon skadlig avvisning som blir en biprodukt.  

Framgångsrika transport‑ och distributionsmekanismer kommer att säkerställa att detta vatten går bortom de nationer som ligger vid kusten och når torra, arida regioner utan någon betydande dricksvattenkälla i närheten.

Klicka här för att lära dig hur solenergi kan hjälpa till att tillhandahålla rent vatten i torra regioner.