Pływające maszyny odsalające zasilane przez fale i inne koncepty
Takie dwa w jednym proponuje od niedawna kanadyjski startup o nazwie Oneka Technologies. Firma opracowała niewielkie pływające systemy odsalania, które zamieniają wodę morską w wodę słodką. Jej przedstawiciele chcą odejść od odsalania zasilanego paliwami kopalnymi, co jest wciąż częste w dużych zakładach odsalających. Są też pomysły na niewielkie, przenośne, oparte na energii słonecznej urządzenia do produkcji wody słodkiej, takie jak opisywany poniżej holenderski Desolenator.
Odsalana w tego rodzaju instalacjach woda morska dociera, jak szacuje Międzynarodowe Stowarzyszenie Odsalania, do ok. 300 milionów ludzi na całym świecie, których życie i zdrowie zależy od wody pochodzącej z tego właśnie źródła. Woda ta jest dostarczana im przez ponad 21 tysięcy zakładów odsalania wody, których obecnie jest prawie dwa razy więcej niż dekadę temu. Zapotrzebowanie na takie instalacje będzie prawdopodobnie dalej rosnąć, ponieważ liczba ludności na świecie rośnie a wraz z nią presja na dostawy słodkiej wody. W jednym z badań opublikowanych w 2020 r. stwierdzono, że sektor odsalania będzie rósł o 9 proc. każdego roku do 2030 r.
Najogólniej rzecz ujmując, obecnie znane są dwie techniki odsalania wody morskiej - termiczna i membranowa. W przypadku odsalania termicznego woda morska jest podgrzewana do momentu odparowania, pozostawiając sól. Jest to zazwyczaj bardzo energochłonne. Technika membranowa, znana również jako metoda odwróconej osmozy, działa przez przepychanie słonej wody przez półprzepuszczalną membranę, która wychwytuje sól. I również wymaga niebagatelnych ilości energii, ale mniej niż systemy termiczne.
Choć pisaliśmy w ubiegłym roku o rozwoju systemów odsalania opartych na źródłach odnawialnych, to jednak wciąż są one na wstępnym etapie rozwoju. W praktyce większość dostaw energii do tego rodzaju zakładów nie pochodzi ze źródeł odnawialnych lub z elektrowni jądrowych, co daje tym instalacjom duży narzut emisji gazów cieplarnianych. Innym problemem są duże ilości odpadów w postaci solanki. Jeśli nie zostanie ona odpowiednio rozcieńczona przed odprowadzeniem z powrotem do morza, może tworzyć "martwe strefy" w oceanie.
Bez prądu
Pływające maszyny odsalające Oneka to rodzaj boi zakotwiczonych w dnie morskim. Wykorzystują technikę membranową, która jednak jest zasilana energią wytwarzaną wyłącznie przez ruch fal. Konstrukcja jednostek pływających pochłania ich energię i przekształca ją w pracę pomp, które zasysają wodę morską i przepychają jej część (firma podaje, że jedną czwartą) przez system odsalania zainstalowany na jednostce. Uzyskana tak odsolona woda jest pompowana na ląd rurociągami, ponownie wykorzystując jedynie energię dostarczaną przez fale. Jednostki Oneka działają już przy falach o wysokości zaledwie jednego metra.
Wytwarzana w procesie solanka jest mieszana z trzema czwartymi wody morskiej, którą boje pobierają, ale która nie przechodzi przez system odwróconej osmozy. Następnie jest ona wypuszczana z powrotem do morza. „Jest tylko o około 25 proc. bardziej słona niż pierwotnie pobierana woda morska”, mówi Susan Hunt. „Technika ta nie wykorzystuje energii elektrycznej”, wyjaśnia w serwisie BBC, Susan Hunt z Oneka. „System jest w stu procentach napędzany mechanicznie”. Jej firma ma nadzieję, że zacznie swój system sprzedawać na rynku już w 2024 roku.
Jednostki Oneka są dostępne w trzech rozmiarach, z których największy ma 8 m długości i 5 m szerokości, i według zapewnień firmy, może produkować do 49 tysięcy litrów słodkiej wody dziennie. Jest to system modułowy, czyli obok siebie może być zakotwiczonych i przeprowadzać odsalanie wiele jednostek.
Nie jest to jedyny „mobilny” system odsalania. W Holandii holenderska firma Desolenator wykorzystuje panele słoneczne w rozwiązaniu, które może być wykorzystane na morzu lub gdziekolwiek indziej, gdzie świeci słońce, i jest dostęp do wody, którą można odsalać. Zbierana przez panele energia cieplna i elektryczna jest wykorzystywana do zasilania systemu odparowywania termicznego. Energia elektryczna przechowywana jest w akumulatorach, podczas gdy nadmiar ciepła jest przechowywany w zbiornikach ciepłej wody. Skutkuje to nieprzerwanymi dostawami energii, co oznacza, że odsalanie może być kontynuowane przez całą noc.
Desolenator nie uwalnia solanki z powrotem do morza. Zamiast tego zbiera całą sól, która może być dalej użytkowana i sprzedawana jako sól do zastosowań przemysłowych.
Zarówno system pływających jednostek odsalających Oneka, jak też holenderskie panele do produkcji słodkiej wody muszą jeszcze przejść trudny egzamin wydajności, w którym testować je będą odbiorcy wody i konsumenci. Ci muszą się przekonać, że systemy te dostarczają wodę o odpowiedniej jakości i w ilościach współmiernych do poniesionych na odnawialne instalacje kosztów.
Innowacji nie brakuje, ale…
W ostatnich latach pojawiło się sporo nowych pomysłów na efektywne energetycznie odsalania wody morskiej. „Młody Technik” pilnie śledzi postępy tych technik.
Pisaliśmy m.in. o pomyśle Amerykanów z uniwersytetu w Austin i Niemców z uczelni w Marburgu, polegającym na wykorzystaniu niewielkiego chipa z tworzywa, przez który przepływa prąd elektryczny o znikomym napięciu (0,3 wolta). W słonej wodzie przepływającej wewnątrz kanalika, z którego składa się urządzenie, następuje częściowa neutralizacja jonów chloru i wytworzenie pola elektrycznego, podobnie jak w ogniwach chemicznych. Efekt jest taki, że sól podąża w jednym kierunku, zaś słodka woda - w drugim. Następuje wyodrębnienie wody słodkiej.
Sporo zdawał się i zdaje się wciąż obiecywać w tej dziedzinie także grafen. Brytyjscy naukowcy z uniwersytetu w Manchesterze pod kierownictwem Rahula Nairiego stworzyli w 2017 r. oparte na grafenie sito, które efektywnie miało usuwać sól z wody morskiej. W opublikowanej w „Nature Nanotechnology” pracy naukowcy twierdzili, że do budowy membran odsalających można wykorzystać tlenek grafenu, zamiast trudnego do uzyskania i drogiego grafenu w czystej postaci. Jednowarstwowy grafen potrzebuje wiercenia małych otworów, aby stał się przepuszczalny. Jeżeli wielkość otworu przekracza 1 nm, sole swobodnie przechodzą przez ten otwór. Więc wiercone otwory muszą być mniejsze. Jednocześnie badania wykazały, że membrany tlenku grafenu zwiększają grubość i porowatość po zanurzeniu w wodzie. Zespół dr. Nairiergo wykazał, że pokrycie membrany z tlenkiem grafenu dodatkową warstwą żywicy epoksydowej zwiększa efektywność bariery. Cząsteczki wody mogą przejść przez membranę, ale chlorek sodu już nie.
Zespół badaczy z Arabii Saudyjskiej opracował urządzenie, które, według nich, miało efektywnie przekształcić elektrownię z „konsumenta” wody w „producenta wody słodkiej”. Naukowcy opublikowali kilka lat temu w „Nature” artykuł opisujący tę nową technologię solarną, która może jednocześnie odsalać wodę i produkować energię elektryczną. W skonstruowanym prototypie naukowcy zainstalowali odsalacz wody w tylnej części ogniwa słonecznego. W świetle słonecznym ogniwo wytwarza energię elektryczną i uwalnia ciepło. Zamiast tracić to ciepło w atmosferze, urządzenie kieruje tę energię do instalacji, która wykorzystuje ciepło jako źródło energii do zasilania procesu odsalania. Badacze wprowadzali do destylatora wodę słoną i zawierającą domieszki metali ciężkich, takich jak ołów, miedź i magnez. Urządzenie zamieniło wodę w parę wodną, która następnie przechodziła przez plastikową membranę, która odfiltrowywała sól i zanieczyszczenia. Wynikiem tego procesu była czysta woda pitna. Idealna lokalizacja dla takiego urządzenia to miejsce o suchym lub półsuchym klimacie, w pobliżu źródła wody.
Guihua Yu, naukowiec zajmujący się materiałoznawstwem na uniwersytecie stanowym w Teksasie w Austin, oraz koledzy z zespołu, zaproponowali w 2019 r. do skutecznego filtrowania wody morskiej hydrożele, mieszanki polimerowe, które tworzą porowatą, chłonącą wodę strukturę. Yu i jego koledzy stworzyli żelową gąbkę z dwóch polimerów - jednego wiążącego wodę, zwanego alkoholem poliwinylowym (PVA), a drugiego lekkiego absorbera, zwanego polipyrrolem (PPy). Wymieszały się one w trzecim polimerze, zwanym chitozanem, który również silnie przyciąga wodę. Naukowcy podali w „Science Advances”, że udało im się osiągnąć wynik produkcji czystej wody na poziomie 3,6 litra na godzine z metra kwadratowego powierzchni ogniwa i był to najwyższy wskaźnik, jaki kiedykolwiek zgłoszono i około dwunastu razy lepszy od ilości wytwarzanej przez dzisiejsze komercyjnie dostępne wersje.
Pomimo entuzjazmu uczonych, nie słychać jednak, aby nowe superwydajne, ekologiczne i ekonomiczne techniki odsalania z zastosowaniem nowych materiałów znalazły szersze komercyjne zastosowanie. Dopóki to się nie stanie, należy zachować ostrożność.
Mirosław Usidus
