Sürdürülebilirlik
Sürdürülebilir Tuzdan Arındırma – Olgunlaşan Güneş Teknolojisinin Su Krizlerine Yaklaşımımızı Nasıl Değiştirdiği
Su Hayattır
Investors and technologists tend to focus on the most precious or technically useful natural resources and commodities, such as gold, rare earth, or lithium. However, a much simpler resource is needed in massive amounts daily to sustain our civilization: fresh water.
While it literally falls from the sky in most of the world, its availability is still under severe pressure in modern civilization, as we consume much of it for industry, agriculture, and human needs.
Dünyadaki suyun yalnızca %3’ü kullanılabilir tatlı sudur, %97’si ise tuzludur (tuzlu yeraltı suyu ve deniz suyu). Bu tatlı suyun %69’u buzullar ve kutup buz tabakalarında, %30’u yeraltı suyunda ve sadece %1’i yüzey suyunda bulunur.
Kaynak: USGS
Sonuç olarak, birçok yerde tek mevcut su kaynağı tuzludur. Tuzdan arındırma mümkündür ancak muazzam bir enerji gerektirir. Şimdiye kadar, çoğu tuzdan arındırma tekniği enerji yoğun olduğundan ve sürekli, istikrarlı enerji girişi gerektirdiğinden, genellikle fosil yakıtlarla yapılmıştır.
Bu, MIT mühendisleri tarafından geliştirilen ve Nature Water dergisinde “Akış-komutlu akım kontrolüyle doğrudan sürücülü fotovoltaik elektrodiyaliz” başlığıyla yayımlanan yeni bir yöntem sayesinde değişebilir.
Güneş Enerjili Tuzdan Arındırma
İlk bakışta, güneş enerjisi tuzdan arındırma işlemlerini güçlendirmek için en mantıklı enerji kaynağı gibi görünür. Sadece Güneş tarafından ücretsiz sağlanmakla kalmaz, aynı zamanda genellikle en çok tuzdan arındırmaya ihtiyaç duyan çöller gibi kurak bölgelerde de bol miktarda bulunur.
Güneş enerjisi gün geçtikçe daha ucuz hale geldikçe, enerji kaynağı olarak büyümeye devam edeceği muhtemeldir; bu konuyu “Güneş Çağı—İnsanoğluna Parlak Bir Gelecek” adlı makalemizde ele almıştık.
Hâlâ bir sorun var – güneş enerjisi yalnızca Güneş ışığı olduğunda üretilir. Bu da verimli çalışabilmesi için çoğu yalnızca güneş enerjili tuzdan arındırma sisteminin bir batarya sistemiyle birleştirilmesi gerektiği ve maliyetlerin artacağı anlamına gelir.
Bu, özellikle ters osmoz gibi mevcut tuzdan arındırma teknikleri için sorunludur; bu tekniklerin verimli olabilmesi için istikrarlı koşullar ve sabit bir enerji kaynağı gerekir. Çünkü osmoz membranlarına sürekli basınç uygulanması gerekir.
Bu, enerji depolama hâlâ pahalı olduğu sürece, küçük ölçekli tuzdan arındırma ve düşük maliyetli yöntemleri imkânsız kılar. Bu durum, “Enerji Depolamanın Geleceği—Şebeke Ölçeğinde Batarya Teknolojileri” konulu tartışmamızda ele alındığı gibi değişebilir; yine de, bulutların geçişi gibi çok kısa vadeli dalgalanmalar da dahil olmak üzere, güneş enerjisinin doğal dalgalanmasına uyum sağlamak daha iyi olabilir.
Esnek Toplu Elektrodiyaliz
MIT araştırmacıları bu yaklaşımı tercih etti. Tuzdan arındırma için ters osmozun alternatif bir yöntemi olan elektrodiyalizi incelediler. Elektrodiyaliz, su bir iyon değişim membranları yığını üzerinden pompalanırken tuz iyonlarını çekmek için bir elektrik alanı kullanır.
Kaynak: Nature Water
Yeni tasarımları için, sistemin tüm bölümlerine bağlanan sensörlerle entegre bir model tabanlı kontrol sistemi oluşturdular. Bu sistem, suyu pompalama için optimal hızı ve sudan çekilecek tuz miktarını maksimize edecek voltajı tahmin etti.
Böylece, tuzdan arındırma işlemi gerçek zamanlı üretilen güneş enerjisine göre dalgalanabilir.
Kaynak: Nature Water
Ortalama olarak, sistem güneş panelleri tarafından üretilen mevcut elektrik enerjisinin %77’sini doğrudan kullandı; ekip, bu oranın geleneksel tasarlanmış güneş enerjili elektrodiyaliz sistemlerinden %91 daha yüksek olduğunu tahmin etti.
Daha Fazla İyileştirme
Önceki elektrodiyaliz sistemlerine kıyasla neredeyse iki katına çıkan güneş enerjisi kullanım oranı, daha düzenli optimizasyon ve otomasyonla hâlâ geliştirilebilir:
Biz sadece her üç dakikada bir hesaplama yapabiliyorduk ve bu süre içinde bir bulut gerçekten gelip güneşi engelleyebiliyordu.
Sistem, ‘Bu yüksek güçte çalışmam gerekiyor’ diyebilir. Ancak, daha az güneş ışığı olduğu için bu gücün bir kısmı aniden düştü. Bu yüzden, eksik gücü ekstra bataryalarla telafi etmemiz gerekti.
Amos Winter – MIT’teki K. Lisa Yang Küresel Mühendislik ve Araştırma (GEAR) Merkezi Direktörü
Bu, bir kavram kanıtı çalışmasıydı ve ekip, önümüzdeki aylarda teknolojilerine dayalı bir şirket kuracak olduğu için yakında ticari bir tasarıma dönüştürülecek.
Bu araştırma projesi ayrıca Veolia Water Technologies and Solutions (VIE.PA) ve Xylem Goulds (XYL ) tarafından maddi olmayan (malzeme ücretsiz sağlanarak) desteklenmiştir.
Sadece Deniz Suyu Değil
Araştırma ekibi, New Mexico’da yer altındaki tuzlu yeraltı suyunun tuzdan arındırılmasına odaklandı. Birçok kurak bölge nüfus merkezinin denizden uzak olması nedeniyle, bu su kaynağı tuz içeriği nedeniyle şu anda mevcut olmayan önemli bir su kaynağı olabilir.
“Nüfusun büyük bir kısmı aslında kıyıya o kadar uzakta yaşıyor ki, deniz suyu tuzdan arındırması onlara hiç ulaşamaz. Bu nedenle, özellikle uzak ve düşük gelirli bölgelerde yeraltı suyuna büyük ölçüde bağımlıdırlar. Ne yazık ki, iklim değişikliği nedeniyle bu yeraltı suyu giderek daha tuzlu hale geliyor.”
Jonathan Bessette – MIT Mekanik Mühendisliği doktora öğrencisi
Araştırma modeli, zaten 3.000 kişiye yeterli tatlı su sağlayabilecek kapasitedeydi. New Mexico, Alamogordo’daki Brackish Groundwater National Desalination Research Facility tesisinde 6 ay boyunca çalıştırıldı.
Sadece Çöl Bölgeleri Değil
Tatlı su kıtlığı ve acil tuzdan arındırma ihtiyacının yalnızca New Mexico veya Suudi Arabistan gibi kuru yerlerde ortaya çıktığını düşünme eğilimindeyiz. Ancak, “yaşak” bölgeler de etkilenebilir. Örneğin, Birleşik Krallık, kuraklık sırasında Norveç’ten tatlı su ithalatını düşünüyor.
Benzer şekilde, Kanada, tatlı ve temiz su teminiyle ilgili bir krizden etkilendi, bu da son zamanlarda 8 milyar dolarlık bir anlaşmanın ardından 50’den fazla İlk Ulus tarafından Kanada hükümetine 1,1 milyar dolarlık dava açılmasına yol açtı.
Ve iklim değişikliği zamanla bu ayrı ayrı krizleri daha da kötüleştirebilir.
Birçok bölge ve düşük gelirli ülke, mevcut kullanımının ötesinde daha fazla su kullanarak, örneğin tarımsal verimi artırmak gibi fayda sağlayabilir; deniz suyu sınırsız bir kaynak olarak belirgindir, yeterince ucuz tuzdan arındırma ve enerjinin yaz güneşiyle sağlanması koşuluyla.
Alternatif olarak, hızla gelişen atmosferik su toplama cihazları sayesinde havadan su çekmek de mümkün olabilir.
Suya Yatırım
Temiz tatlı suya erişim, 2010’dan beri Birleşmiş Milletler tarafından bir insan hakkı olarak tanınmaktadır. Bu büyük bir endüstridir, 2023’te 323 milyar dolar değerinde ve 2032’ye kadar %7,5 yıllık bileşik büyüme oranıyla 617 milyar dolara ulaşması beklenmektedir.
Ayrıca, kaynak bulunabilirliği ve enerji maliyetleriyle sınırlanan bir sektördür; bu durum, güneş enerjisinin ucuzlaşması ve daha fazla su üretmek için yeni tekniklerin ortaya çıkmasıyla daha az kritik hale gelebilir. Tabii ki iklim değişikliği kritik kıtlıklara yol açmazsa.
Belirli su şirketleriyle ilgilenmiyorsanız, Global X Clean Water ETF (AQWA), iShares Global Water UCITS ETF (IH2O) veya Amundi MSCI Water ESG Screened ETF (WAT) gibi su ETF’lerine de bakabilirsiniz; bu fonlar, büyüyen su sektöründen faydalanmak için daha çeşitlendirilmiş bir maruziyet sağlayacaktır.
Su Kıtlığını Çözen Şirketler
Xylem Inc.
Avrupa Veolia ile birlikte, Xylem su arıtma, atık su tedavisi ve tuzdan arındırmada küresel bir liderdir. 23.000+ (bunların 6.000+’i mühendis) çalışanı vardır ve 150 ülkede faaliyet gösterir; ABD’ye odaklanarak 35.000+ doğrudan endüstriyel müşteriye sahiptir.
(XYL )
Ana pazarı belediye içme ve atık su olmakla birlikte, sağlık, enerji, gıda & içecek, petrol & gaz, mikroelektronik vb. gibi diğer sektörlere de özel çözümler sunar.
Kaynak: Xylem
Xylem, ozon jeneratörleri, UV lambaları, tuzdan arındırma membranları, ultra saf su jeneratörleri gibi suyu temizlemek veya üretmek için kritik patentli ekipmanları sağlayabilir. Ayrıca, türbinler, pompalar, borulama, enjeksiyon, yazılım gibi suyla ilgili operasyonlar için eşit derecede kritik “daha basit” ekipmanların yanı sıra bakım, onarım ve kurulum hizmetleri de sunar.
Kaynak: Xylem
Su pazarı hâlâ çok parçalanmış bir yapıya sahiptir; Xylem sektördeki en büyük şirketlerden biri olmasına rağmen, hizmet verdiği 80 milyar dolarlık adreslenebilir pazarın sadece %10’luk bir payına sahiptir.
Şirket, satışlarının yaklaşık %4’ünü Ar-Ge’ye harcıyor. PFAS (Per- ve polifluoroalkil maddeler, veya ömür boyu kimyasallar) ile ilgili yeni düzenlemelerden fayda sağlaması bekleniyor; 6.000+ hizmet tesisi bu PFAS tedavisine ihtiyaç duyuyor.
Xylem istikrarlı bir şekilde büyüyor; net gelir 2012’de 297 milyon dolardan 2023’te 609 milyon dolara yükselirken, %17-219 arası istikrarlı bir EBITDA marjını koruyor.
Genel olarak, bu durum şirketin yatırım profilini, genellikle döngüsel olan bir sanayi şirketine benzemekten uzaklaştırıp, genel ekonomiyle birlikte ya da biraz üzerindeki bir oranda büyüyen bir hizmet şirketine benzetiyor; bu da çoğu tüketicisinin durumudur.
