Zoetwatertekorten zullen naar verwachting toenemen in onze hetere en drukkere toekomst. Nu al, 150 landen ontzilten zeewater, gebruik van fossiele brandstoffen.

Maar het voorzien in een steeds grotere basisbehoefte met niet-hernieuwbare brandstoffen vormt een groeiende bedreiging, volgens Dr. Diego-César Alarcón-Padilla, die aan het hoofd staat van SolarPACES Taak VI bij de Solar Desalination Unit op Plataforma Solar de Almería (PSA).

"Vandaag de dag is er geen ontziltingsinstallatie met grote capaciteit die werkt met hernieuwbare energiebronnen", zegt Dr. Alarcón-Padilla. "Er is geen."

"Met ontzilting introduceren we een nieuwe energieverbruiker. Met klimaatverandering, en de toename van de menselijke bevolking, en de vervuiling van de huidige watervoorraden, jaar na jaar hebben we meer en meer zoet water nodig, " hij zei.

"Ontzilting heeft energie nodig. En vandaag zitten we al aan de limiet in het gebruik van fossiele bronnen, alleen voor terugkerende vraag. Als we serieus onze verplichtingen in Parijs willen nakomen om de temperatuur op aarde tot 2 °C te laten stijgen, we moeten ontzilten met schone energie."

Met 16, 000 ontziltingsinstallaties over de hele wereld en een verwachte stijging van 15% in ontzilting als de wereld opwarmt, er is een beleid nodig om ontzilting van zonne-energie te stimuleren. Dr. Alarcón-Padilla gelooft dat de ontziltingsindustrie niet zal veranderen zonder een beleidsaanjager.

Leer van hernieuwbaar beleid

Er was wetgeving voor nodig om eerst nieuwe hernieuwbare energiebronnen zoals zonne- en windenergie op elektriciteitsnetten te plaatsen. Regelgevers begonnen aan het begin van de 21e eeuw te eisen dat generatoren hernieuwbare energie bevatten. Mandaten en subsidies hebben de transitie op gang gebracht.

Om nu hernieuwbare ontzilting te ontwikkelen, Dr. Alarcón-Padilla stelt voor om een ​​soortgelijk beleid aan te nemen. "We hebben zoiets als een premie nodig per kubieke meter water geproduceerd door deze zonne-ontziltingsinstallatie, of een garantie van de staat dat ze elke kubieke meter "schoon" water gaan kopen die het publiek nodig heeft. Net zoals we een feed-in tarief hadden voor elektriciteit geproduceerd door hernieuwbare energiecentrales hier in Spanje."

Tegen de huidige prijzen, en afhankelijk van regionale verschillen, hij schat dat CSP (geconcentreerde zonne-energie) zoet water uit ontzilting met omgekeerde osmose zou kunnen leveren tegen ongeveer 80 cent USD per kubieke meter - ongeveer 30 cent meer dan ontzilting op fossiele brandstoffen.

Toen het beleid het eenmaal had gedreven, hernieuwbare projecten werden ingezet en toeleveringsketens ontwikkeld. De prijzen van hernieuwbare energie daalden. Nutsvoorzieningen, veel regelgevers hebben doelen gesteld voor volledige decarbonisatie tegen 2050. Wat aanvankelijk riskant leek, bleek niet zo moeilijk. In veel regio's, zon en wind is nu de goedkope optie.

Hetzelfde zou kunnen gebeuren bij hernieuwbare ontzilting:"Omdat we dan de ervaring zullen hebben en leren omgaan met variabele zonne-energiebronnen met ontzilting. Dan zouden we de zonne-ontziltingsinstallaties met grote capaciteit hebben die we nodig hebben."

Hij beschreef de uitdagingen en kansen voor een vergelijkbare overgang naar 100% ontzilting van zonne-energie.

Waarom ontzilting een conservatieve industrie is?

Ontzilting begon voor het eerst in de jaren vijftig in het uitgedroogde Midden-Oosten, met thermische ontziltingstechnologieën aangedreven door overvloedige fossiele energie.

"Saoedi-Arabië en Koeweit en Bahrein; al hun water komt van ontzilting. Ze hebben maar een paar dagen water eronder, dus ze kunnen het zich niet veroorloven om risico's te nemen, " hij legde uit.

"Dus je kunt je voorstellen, deze industrie is zeer conservatief, waar de waterreserves zeer laag zijn. De bevolking groeit jaar na jaar in de Arabische landen. En de zoetwatervoorraad groeit niet:ze kunnen niet de luxe hebben om te falen bij het implementeren van een ontziltingsinstallatie."

De Arabische Golf is een ingesloten zee, zonder zoetwaterrivieren die erin stromen, en hoge temperaturen verhogen de verdamping, zowel het zoutgehalte als de temperatuur verder verhogen.

"Er zijn plaatsen waar je zo'n 45 of zelfs 50 gram per liter (g/L) zout kunt krijgen. u kunt olielekkage en algenbloei krijgen die een storing kunnen veroorzaken in het voorbehandelingssysteem van, bijvoorbeeld, een omgekeerde osmose-installatie, " hij zei.

Thermische ontzilting is een bewezen technologie die zeer geschikt is voor de barre omstandigheden in de Golf, maar vanuit een energetisch oogpunt is het vrij inefficiënt in vergelijking met de meer wijdverbreide omgekeerde osmose van vandaag. Maar dergelijk "moeilijk" zeewater kan membranen beschadigen, een fabriek voor omgekeerde osmose stoppen:"Dus ze gaan thermische ontziltingstechnologieën niet volledig verlaten. Ze willen beide hebben."

Wanneer thermische ontzilting combineren met CSP

Aanvankelijk werd thermische zonne-energie voorgesteld als het meest geschikt voor thermische ontziltingsprocessen, die in wezen warmte gebruiken om water te verdampen. Echter, de warmte voor thermische ontzilting bevindt zich noodzakelijkerwijs op de plaats van de ontziltingsinstallatie, wat voor een uitdaging zorgt.

"Er zijn twee problemen met op CSP gebaseerde warmtekrachtkoppelingsinstallaties voor gelijktijdige opwekking van elektriciteit en thermische ontzilting van zeewater:zoute luchtcorrosie, en dat DNI aan de kust niet zo goed is als in het binnenland. Dus er is een boete in elektriciteits- en zoetwaterkosten. De beste optie voor dit scenario is om de CSP-fabriek landinwaarts te plaatsen, weg van de zoute omgevingseffecten, en de Omgekeerde Osmose-fabriek aan de kust, " hij merkte.

Elektriciteit voor omgekeerde osmose Sesalination kan van ver worden overgedragen, maar warmte voor thermische ontzilting kan dat niet. Dus, in dit geval, CSP lijkt beter te combineren met omgekeerde osmose, wanneer de zeewatercondities het gebruik van deze technologie zonder problemen mogelijk maken.

Voor CSP warmtekrachtkoppelingsinstallaties, thermische ontzilting wordt aangedreven door de afvalwarmte die beschikbaar is aan de uitlaat van de stoomturbine. De haalbaarheid van deze optie versus de gescheiden productie van elektriciteit en ontzilt water (met gebruik van een deel van die elektriciteit) hangt af van twee factoren:de mate van sanctie bij de elektriciteitsproductie die wordt geïntroduceerd door het vaststellen van een hogere drukwaarde voor de stoom aan de uitlaat van de turbine ( vereist door de thermische distillatie-installatie) en de specifieke investeringskosten van de distillatie-eenheid.

Bijvoorbeeld, drooggekoelde CSP-planten produceren in de winter water van ongeveer 50 °C tot 60 °C in de zomer, dicht bij de 70°C inlaattemperatuur die thermische ontziltingseenheden (lage temperatuur MED) nodig hebben.

In de laatste jaren, er wordt veel onderzoek gedaan naar de ontwikkeling van nieuwe warmtewisselingsoppervlakken op basis van polymere materialen voor thermische destillatie-installaties. Dergelijke ontwikkelingen kunnen de impact van de investeringskosten op de uiteindelijke kosten van het zoete water aanzienlijk verminderen.

In het geval van stand-alone thermische ontziltingsinstallaties op zonne-energie, CSP is de beste optie om de thermische energie te leveren op een gemiddelde temperatuur die vereist is voor zeer efficiënte configuraties:multi-effect destillatie met thermocompressie, multi-effect distillatie gekoppeld aan absorptiewarmtepompen en nanofiltratie+multi-effect distillatie.

Waarom CSP beter wordt gecombineerd met ontzilting van omgekeerde osmose (RO)?

De overheersende ontziltingstechnologie van vandaag maakt gebruik van een proces waarbij alleen elektriciteit wordt gebruikt, de klok rond stroom sturen om water door een reeks membranen te pompen om het zoete water via omgekeerde osmose (RO) te extraheren.

"In het grootste deel van de wereld, voor ontziltingstoepassingen op industriële schaal, een CSP-installatie gekoppeld aan een RO-installatie die elektriciteit gebruikt voor de elektriciteitscentrale zou een betere optie zijn dan deze te koppelen aan thermische ontzilting, " hij merkte.

"RO is efficiënter als je hebt wat we "niet-moeilijk" water noemen, zoals in de Middellandse Zee, In Noord-Afrika, en zelfs in de Rode Zee, waar het zoutgehalte iets hoger is, " zei hij. "Bijvoorbeeld in de Middellandse Zee is het zoutgehalte slechts 35 gram per liter (g/L) en je hebt niet het probleem van veranderende omstandigheden die de membranen zouden kunnen beschadigen."

Het specifieke energieverbruik is afhankelijk van het zoutgehalte van het water. Hoe hoger het zoutgehalte, hoe hoger het specifieke energieverbruik:"Bijvoorbeeld, op het hoogste rendement, hier in Spanje met ongeveer 34 tot 35 g/L zoutgehalte is het typische specifieke energieverbruik dat elke RO-module nodig heeft ongeveer 3 kWh per kubieke meter geproduceerd zoetwater."

"Maar het Midden-Oosten met een hoger zoutgehalte, 40 tot 45 g/l, heeft een hoger elektriciteitsverbruik, omdat je een hogere druk nodig hebt, dus typisch hebben ze tot 4,5 kWh per kubieke meter nodig."

CSP + opslag =100% zonne-ontzilting

Alarcón-Padilla stelt dat de enige echt 100% zonne-ontzilting met CSP is, vanwege het vermogen om gedurende lange tijd vaste energie te leveren met thermische energieopslag (WKO). Onder verwijzing naar de onlangs aangekondigde Metito-fabriek in Saoedi-Arabië, naar verluidt aangedreven door zonne-PV, hij merkte op dat wanneer de avond valt, de centrale zal overschakelen op netstroom.

"Voor mij is dit geen ontzilting van de zon, " zei hij. "Echte zonne-ontzilting is wanneer je voor de uitdaging staat om met een variabele energiebron zoals zonne-energie om te gaan. CSP kan een zeer vlak profiel leveren. Het heeft een voordeel vanwege de verzendbaarheid."

"PV ziet er in principe goedkoper uit, maar je hebt het probleem van geen verzendbaarheid. De energielevering is niet vlak. Het is wisselend in de loop van de dag. Bovendien heeft PV geen goedkope opslag beschikbaar voor grote capaciteit."

Ontzilting kan niet worden uitgeschakeld als de wolken voorbij trekken, hij wees erop. "Je kunt kalkproblemen krijgen in het membraan als je het steeds aan en uit zet.

Als resultaat, wanneer PV wordt voorgesteld, er moet een back-up van worden gemaakt naar het raster, wat resulteert in veel minder dan 100% ontzilting van de zon:"Wanneer deze "zonne" ontziltingsinstallatie elektriciteit van het net haalt, voor mij is dit gewoon een PV-installatie die elektriciteit aan het net levert"

Hetzelfde probleem geldt voor CSP zonder opslag, natuurlijk. bij zonsondergang, zonder opgeslagen energie, CSP zou ook overschakelen op netstroom. Opslag helpt ook financieel:"Je wilt de RO-installatie het maximale aantal uren laten draaien om de impact van de investeringskosten en de uiteindelijke kosten van het water te verminderen."

Maar er is meer dan één soort opslag. Naast de thermische opslag van CSP, zowel het als PV kunnen hun overtollige "gemorste zonne-energie" eenvoudig in zoet water opslaan, winstgevendheid te vergroten.

"Het opslaan van energie is erg duur, maar het opslaan van water - gewoon in een normale watertank - is erg goedkoop, "Alarcon-Padilla merkte op. "Als de vraag naar elektriciteit laag is, kun je de ontziltingsmodules in werking stellen om meer zoet water te produceren."