Odsalanie z Desperacji

Nawet w dotkniętej suszą Kalifornii San Diego się wyróżnia. Pada mniej niż spieczone Los Angeles czy Fresno. Region ma mniej wód gruntowych niż wiele innych części stanu. A ponad 80 procent wody dla domów i firm jest importowane ze źródeł, które są coraz bardziej obciążone. Rzeka Kolorado jest tak przeciążona, że ​​rzadko dociera do morza; Woda pochodząca z delty rzeki Sacramento, ponad 400 mil na północ, została w tym roku racjonowana przez urzędników stanowych, odcinając niektórych rolników z Doliny Środkowej Kalifornii od głównego źródła nawadniania. Hrabstwo San Diego, gorące, suche i coraz bardziej zaludnione, daje przedsmak tego, dokąd zmierza większość świata. Tak samo dzieje się z niedawną decyzją władz hrabstwa: buduje największy na półkuli zachodniej zakład odsalania wody morskiej, kosztem 1 miliarda dolarów.

Ogromny projekt w Carlsbad zatrudnia prawie 500 pracowników w żółtych kaskach. Kiedy skończy się to w przyszłym roku, będzie pobierać dziennie ponad 100 milionów galonów wody Oceanu Spokojnego i wytwarzać 54 miliony galonów świeżej wody pitnej. Chociaż stanowi to zaledwie 10 procent zapotrzebowania na wodę w hrabstwie, będzie to, co najważniejsze, niezawodne i odporne na suszę – zabezpieczenie przed potencjalnie gorszymi czasami nadchodzącymi.

Ta historia była częścią naszego wydania ze stycznia 2015

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Hrabstwo stawia na połączenie nowoczesnej inżynierii i kilkudziesięcioletniej technologii odsalania. Budowany rów pod rurę prowadzi do pobliskiego wlotu do laguny; 18 betonowych zbiorników wielkości domu czeka na mnóstwo piasku i węgla drzewnego, aby uzdatnić słoną wodę, zanim będzie gotowa do odsalania; kompresory prowadzą do rury ze stali nierdzewnej o średnicy jednego metra. Ten ostatni element lśniącego sprzętu przeniesie wodę pod wysokim ciśnieniem do 2000 rurek z włókna szklanego, gdzie zostanie przeciśnięta przez półprzepuszczalne membrany polimerowe. To, co przepłynie, to świeża woda, pozostawiająca solankę.

Proces ten nazywa się odwróconą osmozą (RO) i jest podstawą dużych zakładów odsalania wody na całym świecie. Gdy woda jest przepychana przez membranę, polimer umożliwia przechodzenie cząsteczek wody, blokując jednocześnie sole i inne zanieczyszczenia nieorganiczne. Globalna produkcja odsalania potroiła się od 2000 r.: 16 000 zakładów na całym świecie działa i oczekuje się, że tempo budowy będzie wzrastać, a technologia nadal się poprawia. Na przykład Carlsbad został wyposażony w najnowocześniejsze komercyjne membrany i zaawansowane systemy odzyskiwania ciśnienia. Jednak budowa i eksploatacja elektrowni są nadal kosztowne.

Odsalanie wody morskiej jest w rzeczywistości jednym z najdroższych źródeł świeżej wody. Woda sprzedaje się – w zależności od warunków na miejscu – za od 1000 do 2500 dolarów za akr stopę (ilość zużywana przez dwie pięcioosobowe gospodarstwa domowe w USA rocznie). Produkt Carlsbad będzie sprzedawany za około 2000 USD, czyli o 80 procent więcej niż hrabstwo płaci za uzdatnioną wodę spoza obszaru. Jednym z powodów jest ogromna ilość energii potrzebna do przepchnięcia wody przez membrany. A Carlsbad, podobnie jak większość zakładów odsalania, jest budowany z dodatkowymi pompami, wydajnością uzdatniania i rurami membranowymi, aby lepiej zagwarantować dyspozycyjność. Ponieważ jest to kluczowy zasób dla regionu, istnieje ogromna ilość nadmiarowości, która zapewnia wysoką niezawodność, mówi Jonathan Loveland, wiceprezes Poseidon Water, właściciela zakładu. Jeśli któryś element zawiedzie, coś innego odbierze luz.

Już około 700 milionów ludzi na całym świecie cierpi z powodu niedoboru wody, ale oczekuje się, że liczba ta wzrośnie do 1,8 miliarda w ciągu zaledwie 10 lat. Niektóre kraje, takie jak Izrael, już w dużym stopniu polegają na odsalaniu; więcej pójdzie w ich ślady. W wielu miejscach już jesteśmy na granicy odnawialnych zasobów wodnych, a mimo to wciąż się rozwijamy – mówi John Lienhard, inżynier mechanik i dyrektor Centrum Czystej Wody i Czystej Energii w MIT. Do tego dochodzi globalne ocieplenie, z gorętszymi i suchszymi warunkami na wielu obszarach, co potencjalnie jeszcze bardziej zmniejszy ilość dostępnej odnawialnej wody. Chociaż ochrona i recykling pomogą, nie możesz poddać recyklingowi tego, czego nie masz. W miarę rozwoju miast nadmorskich, mówi, wartość odsalania wody morskiej szybko wzrośnie i prawdopodobnie zobaczymy powszechne zastosowanie.

Na tym ponurym tle mamy dobre wieści. Krótko mówiąc, odsalanie jest gotowe do ulepszeń technologicznych. Połączenie optymalizacji i automatyzacji opartej na czujnikach, a także nowych rodzajów membran, może ostatecznie umożliwić tworzenie zakładów odsalania, które są o połowę mniejsze i zużywają proporcjonalnie mniej energii. Wśród innych korzyści, małe, mobilne jednostki odsalające mogą być używane w regionach rolniczych oddalonych o setki mil od oceanu, gdzie zapotrzebowanie na wodę jest duże i stale rośnie.

Inteligentna woda

Co dwa tygodnie Yoram Cohen, inżynier chemik, który kieruje Centrum Badań Technologii Wody na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles, wyrusza w drogę do zniszczonej przez suszę doliny San Joaquin Valley. Region ten, stanowiący część ogromnej części rolniczej stanu, w której uprawia się znaczną część produkcji krajowej, bardzo ucierpiał. Ostatni rok, 2014, był trzecim z rzędu rokiem suszy – w czasie, gdy zapotrzebowanie na wodę osiągnęło rekordowo wysoki poziom. Dołączyłam do Cohena na niedawną wycieczkę: przejażdżkę samochodem z jego laboratoriów na UCLA do małego miasteczka Firebaugh w dolinie, w jednym z najbardziej dotkniętych rolnictwem regionów w stanie. Wzdłuż I-5, autostrady łączącej południowe wybrzeże Kalifornii z centralną doliną, widzieliśmy ogromne budowle inżynierii wodnej zbudowane w latach 50., w tym cztery ogromne rury przecinające góry Tehachapi i wyłożony cementem akwedukt Kalifornii, który przecina serpentynowa ścieżka przez dno doliny. Stanowy system wodociągowy – w około 80% przeznaczony na rolnictwo i 20% na miasta – nadal dostarcza wodę pompowaną z delty rzeki Sacramento przez 444-kilometrowy akwedukt w Kalifornii. Infrastruktura wodna uczyniła południową Kalifornię tym, czym jest dzisiaj.

Ale to system pod dużym stresem. Utrzymujący się brak opadów w Kalifornii oznacza, że ​​80 procent stanu znajduje się obecnie w skrajnej lub wyjątkowej suszy, wymuszając ograniczenia w dostępie do wody na obszarach miejskich i odcięcia dla niektórych rolników. Wyniki są oczywiste: połacie spieczonych pól uprawnych leżą świeżo porzucone; znaki drogowe migają ostrzeżeniami przed ekstremalną suszą; znaki przemawiają Woda = Praca. Według niedawnego badania przeprowadzonego przez University of California w Davis, susza spowodowała 1,5 miliarda dolarów strat w rolnictwie tylko w 2014 roku.

Wciąż budowany zakład odsalania wody w Carlsbad w Kalifornii będzie największym tego typu obiektem w Stanach Zjednoczonych. Na instalację w zakładzie czekają nierdzewne pompy turbinowe, owinięte ochronnym Mylarem, które będą używane do pompowania czystej wody.

Urodzony w Izraelu Cohen wyjaśnia, że ​​pomimo tych nacisków odsalanie nie zmieniło się zasadniczo od lat 80. XX wieku. Czas potrzebny na zaplanowanie dużych projektów (Carlsbad zajęło 14 lat) sprawia, że ​​inwestorom trudno jest oczekiwać dużych zysków z nowych technologii, a federalne finansowanie badań w USA przeznaczono na inne priorytety. Poza tym możliwy był recykling lub oszczędzanie wody, dzięki czemu drogie odsalanie było mniej potrzebne. Drugą stroną tego, jak mówi Cohen, jest to, że odsalanie może teraz zostać przekształcone przez te same rodzaje czujników, automatyzacji i sterowanych algorytmami procesów, które zmieniają inne branże. Wkrótce zobaczę, o czym mówi.

Gdy pod koniec października zachodziło słońce, długie cienie rzucały z dużą ulgą skorupiasty grunt. Wyjechaliśmy z I-5, przejechaliśmy dziewięć mil i skręciliśmy w prawo na ubitą polną drogę między drzewami pistacjowymi. Był zmierzch, a promienie reflektorów znikały w płaskiej pustynnej nicości. Jednak kiedy otworzyłem okno, poczułem zapach czegoś, co pachniało jak słone powietrze na wybrzeżu. Reflektory ujawniły winowajcę: fajkę, z której wydobywa się napar ze spływu z rolnictwa. Zaczęło się w delcie Sacramento jako świeża woda. Ale stopniowo bardziej się koncentrował przez parowanie w systemie akweduktów, a jeszcze bardziej, gdy był stosowany do upraw, zbierał minerały z ziemi i był ponownie stosowany do upraw. Była teraz prawie tak zasolona jak woda morska, a także zanieczyszczona szeregiem minerałów i nawozów.

Przepychanie wody przez błony wymaga dużo energii.

Cohen zaprowadził mnie do pobliskiej przyczepy, w której mieszkało dwóch doktorantów i ogromna kolekcja zbiorników, rur, zaworów, rurek i komputerów. Był to całkowicie zautomatyzowany system, który był w stanie wykorzystać wszelkie słonawe lub zanieczyszczone produkty, które rolnicy Firebaugh produkują i wygenerować 30 000 galonów do picia dziennie. Ekran komputera wyświetlał w czasie rzeczywistym czarno-biały obraz, który wyglądał jak księżycowy krajobraz. To był strzał z kawałka membrany poliamidowej w centrum procesu. Obraz ujawnił kilka białych kawałków: początek złuszczania się minerałów, zmora błon. Oprogramowanie do analizy obrazu może to wykryć, a algorytm może skierować zawór do otwarcia i dozowania rozwiązania zapobiegającego osadzaniu się kamienia do systemu, wyprzedzając problem. Inne czujniki i systemy sterowania mogą wprowadzać poprawki, aby uniknąć innych problemów związanych z zanieczyszczeniem, zmieniając ciśnienie lub dawkowanie dodatków chemicznych używanych do obróbki wstępnej.

Cohen sięgnął po plastikową rurkę i odkręcił mały kran. Wyciekła czysta woda; wyciągnął rękę, żeby złapać trochę, podniósł ją do ust, wypił trochę, a resztę potarł twarz. Skoro jesteśmy w stanie wymyślić samochód, który nie wymaga kierowcy, dlaczego nie możemy wymyślić, jak uruchomić fabrykę RO bez operatorów? powiedział.

Oszczędności mogą być znaczne: zautomatyzowane systemy, takie jak te, mogłyby prawdopodobnie zaoszczędzić od jednej trzeciej do połowy kosztów konwencjonalnych instalacji odsalania, mówi Cohen. Co więcej, jednostka wielkości przyczepy — zdolna do dostosowania się do różnych miejsc i warunków przez godzinę — może po prostu przetoczyć się i pomóc rolnikom uzyskać świeżą wodę bez względu na to, od czego zaczynają.

Magiczne Membrany

Nawet jeśli systemy staną się mądrzejsze, odwrócona osmoza nadal jest źródłem energii. Carlsbad zużyje ponad 35 megawatów energii elektrycznej (która może zasilić około 30 000 domów), za roczny rachunek w wysokości 30 milionów dolarów. Około dwie trzecie tej kwoty zostanie przeznaczone na ciśnienie wody potrzebne do działania tej technologii. (Druga trzecia będzie przeznaczona głównie na pompowanie wody 10 mil pod górę do zbiornika, a także na wstępne uzdatnianie i pompowanie wlotowe). Właściciele Carlsbad szacują, że elektrownia będzie zużywać 2,8 kilowatogodzin na metr sześcienny na samo odsalanie. Niektóre małe systemy odwróconej osmozy, wykorzystujące różnie skonfigurowane procesy (uruchamianie wody partiami zamiast ciągłego pompowania), osiągają od 1,5 do 1,7 kilowatogodzin, mówi Lienhard. Ale technologia nie została udowodniona na większą skalę.

Jaki jest problem? Przepchnięcie wody przez membrany wymaga dużo pracy — ciśnienie, które przekłada się na wysokie zużycie energii. Te stosunkowo grube membrany poliamidowe, choć dalekie od ideału, są najlepszymi, jakie mamy w tej chwili. Ale kilka grup próbuje wymyślić bardziej wydajne materiały. W MIT zespół inżyniera mechanika Rohita Karnika buduje membrany o grubości jednego atomu, aby pomóc cząsteczkom wody po prostu przebić się przez nie. Naukowcy wystrzeliwują grafen wiązkami jonów i zanurzają go w chemikaliach, aby wytrawić pory o średnicy mniejszej niż nanometr.

Teoretycznie, zasadniczo dwuwymiarowa membrana, taka jak ta, zapewnia najmniejszą możliwą odporność. Modele komputerowe opracowane przez grupę materiałoznawczą i inżynierską Jeffreya Grossmana w MIT wykazały, że membrany grafenowe mogą obniżyć energię zużywaną w odwróconej osmozie o 15 do 46 procent. Co więcej, wysoka przepuszczalność może oznaczać, że do wykonania zadania potrzebna jest znacznie mniejsza powierzchnia, więc cała roślina może być o połowę mniejsza.

Do tej pory firma Karnik wyprodukowała membranę grafenową o powierzchni jednego centymetra kwadratowego, przedziurawiła w niej dziury i pokazała, że ​​może selektywnie powstrzymywać pewne jony. Ale nie wykazał jeszcze, że może faktycznie odsalać wodę morską, nawet na stole laboratoryjnym. A kiedy on lub inna grupa osiągnie to, następnym wyzwaniem jest niezawodne wykonanie mil materiałów membranowych o spójnych cechach. Karnik jest optymistą, że tam dotrze, ale mówi, że miną lata, zanim membrany grafenowe będą gotowe.

Istniejące materiały membranowe mogą być lepsze dzięki innym podejściom nanoinżynierii. W niewielkiej części zwiastuna Firebaugh Cohen przeprowadza eksperyment z membraną wymyśloną przez jego grupę. Warstwa bazowa wykonana jest z poliamidu. Ale potem dodaje warstwę przypominających macki pędzli wykonanych z polimerów, które są hydrofilowe, co oznacza, że ​​przyciągają wodę. Wczesne badania sugerują, że te hybrydowe membrany mogą być znacznie lepsze w zapobieganiu porastaniu, ponieważ szczotki – które porównuje do wodorostów kołyszących się na podmorskiej skale – zniechęcają rzeczy do przywierania. Może to oznaczać mniej przestojów, mniej wymian i większą przepustowość. Ale Cohen, popijając wodę z rowu, domaga się realizmu. Ludzie mają takie fiksacje, że w jakiś sposób powstanie magiczna membrana, która zredukuje koszt odsalania prawie do zera, i myślę, że to trochę mylące, mówi.

Na razie w nadmorskich gminach Kalifornii woda morska jest nadal opcją ostateczności, po konserwacji, recyklingu, a nawet oczyszczaniu i ponownym wykorzystaniu ścieków. Podczas gdy wielu rozważa odsalanie, miastem, które najprawdopodobniej pójdzie w ślady San Diego, jest Santa Barbara. To dlatego, że już na początku lat 90. wybudowała fabrykę RO, po pięcioletniej suszy, tylko po to, by szybko ją zamknąć, gdy kilka lat dobrych zimowych deszczy ponownie napełniło zbiorniki. Miasto niedawno zaczęło finansować kosztowną rehabilitację terenu, aby w razie potrzeby można go było reaktywować. Inne gminy zdecydowały, że jest to zbyt drogie lub problematyczne dla środowiska (obiekty nieuchronnie zabijają ikra ryb i inne organizmy morskie, chyba że rury wlotowe są zakopane pod piaskiem przy dużym koszcie).

Ale ta ocena może wywrócić się do góry nogami. Woda schwytana w zbiornikach lub pompowana z odległych delt staje się coraz droższa – a takie alternatywy wiążą się z własnymi kosztami środowiskowymi. Ponieważ źródła wysychają, a firmy, rolnicy i miasta rywalizują o zasoby wodne, nieuchronnie zwrócimy się w stronę wody morskiej i innych słonych źródeł. Może nie jest to świetne rozwiązanie, ale najważniejsze jest to, że w świecie głodnym wody pozostaje nam coraz mniej możliwości wyboru.

ukryć