Sistemul de desalinizare se adaptează pentru a funcționa cu energie regenerabilă

Apa dulce pe care o putem folosi pentru băut sau agricultură reprezintă doar aproximativ 3% din aprovizionarea globală cu apă și aproape 70% din aceasta este prinsă în ghețari și calote glaciare. Până acum, asta a fost suficient pentru a ne menține în continuare, dar curenții severe au lăsat locuri precum Iordania, Egiptul, Africa subsahariană, Spania și California cu acces limitat la apă potabilă.

O soluție posibilă este să atingem restul de 97% din apa pe care o avem pe Pământ. Problema este că această apă este salină și trebuie să scoatem sarea din ea pentru a o face potabilă. Desalinizarea este, de asemenea, un proces costisitor din punct de vedere energetic. Dar cercetătorii MIT conduși de Jonathan Bessette ar fi putut găsi un răspuns la asta. Ei au construit un sistem eficient de desalinizare a apei cu autoreglare, care funcționează numai cu energie solară, fără a fi nevoie de baterii sau de conexiune la rețea.

Sondarea apelor subterane

Oceanele sunt cea mai evidentă sursă de apă pentru desalinizare. Dar sunt o opțiune bună doar pentru o mică parte a oamenilor care trăiesc în zonele de coastă. Cea mai mare parte a populației globale – mai mult sau mai puțin 60 la sută – trăiește la mai mult de 100 de kilometri de coastă, ceea ce face ca utilizarea apei oceanice desalinizate să fie imposibilă. Deci, Bessette și echipa sa s-au concentrat în schimb pe apele subterane.

„În ceea ce privește cererea globală, aproximativ 50% din țările cu venituri mici și medii se bazează pe apele subterane”, spune Bessette. Această apă subterană este prinsă în rezervoare subterane, abundentă și, în majoritatea locurilor, prezentă la adâncimi sub 300 de metri. Vine mai ales din ploaia care pătrunde în pământ și umple spațiile goale lăsate de formațiunile de rocă fracturate. Din nefericire, pe măsură ce apa de ploaie se scurge în jos, culege și săruri din sol pe drum. Ca rezultat, în New Mexico, de exemplu, aproximativ 75% din apa subterană este salmatră, adică mai puțin sărată decât apa de mare, dar încă prea sărată pentru a fi băută.

Scaparea de sare

Avem deja capacitatea de a scoate sarea înapoi. „Există două mari categorii în cadrul tehnologiilor de desalinizare. Prima este termică, iar cealaltă se bazează pe utilizarea membranelor”, explică Bessette.

Desalinizarea termică este ceva ce ne-am dat seama de mult. Doar fierbeți apa și condensați aburul, care lasă sarea în urmă. Fierberea, însă, necesită multă energie. Aducerea a 1 litru de apă la temperatura camerei la 100° Celsius costă aproximativ 330 de kilojulii de energie, presupunând că nu se pierde căldură în acest proces. Dacă doriți să înțelegeți cât de multă energie este, nu mai folosiți fierbătorul electric timp de o lună și vedeți cum se micșorează factura.

„Așadar, în urmă cu aproximativ 100 de ani, am dezvoltat osmoza inversă și electrodializa, care sunt două tehnologii de desalinizare pe bază de membrană. Astfel, am redus consumul de energie cu un factor de 10”, susține Bessette.

Osmoza inversă este un proces condus de presiune; împingi apa printr-o membrană care funcționează ca o sită foarte fină care lasă să treacă moleculele de apă, dar oprește alte lucruri precum sărurile. Implementările avansate din punct de vedere tehnologic ale acestei idei sunt utilizate pe scară largă la instalațiile industriale, cum ar fi Uzina de desalinizare Sydney din Australia. Osmoza inversă este astăzi tehnologia de bază atunci când doriți să desalinizați apa la scară. Dar are dezavantajele ei.

„Problema este că osmoza inversă necesită mult tratament prealabil. Trebuie să tratăm apa la o calitate destul de bună, asigurându-ne că defectul fizic, chimic sau biologic nu ajunge pe membrană înainte de a face procesul de desalinizare”, spune Bessette. Un alt lucru este că osmoza inversă se bazează pe presiune, așa că necesită o alimentare constantă cu energie pentru a menține această presiune, care este dificil de realizat în locurile în care rețeaua nu este fiabilă. Sensibilitatea la fluctuațiile de putere face, de asemenea, dificilă utilizarea cu surse de energie regenerabilă, cum ar fi vântul sau solarul. Acesta este motivul pentru ca sistemul lor să funcționeze numai cu energia solară, echipa lui Bessette a mers la electrodializă.

Sincronizarea cu Soarele

„Spre deosebire de osmoza inversă, electrodializa este un proces condus electric”, spune Bessette. Membranele sunt dispuse astfel încât apa să nu fie împinsă prin ele, ci să curgă de-a lungul lor. Pe ambele părți ale acelor membrane sunt electrozi pozitivi și negativi care creează un câmp electric, care atrage ionii de sare prin membrane și din apă.

Sistemele de desalinizare în afara rețelei bazate pe electrodializă funcționează la niveluri constante de putere, cum ar fi prăjitoarele de pâine sau alte aparate, ceea ce înseamnă că necesită baterii pentru a compensa fluctuațiile energiei regenerabile. Utilizarea bateriilor, în cele mai multe cazuri, le-a făcut prea scumpe pentru comunitățile cu venituri mici care au cel mai mult nevoie de ele. Bessette și colegii săi au rezolvat asta prin proiectarea unui sistem de control inteligent.

Cei doi parametri cei mai importanți în desalinizarea prin electrodializă sunt debitul apei și puterea pe care o aplicați electrozilor. Pentru a eficientiza procesul, trebuie să le potriviți pe cele două. Avantajul electrodializei este că poate funcționa la diferite niveluri de putere. Când aveți mai multă putere disponibilă, puteți pur și simplu să pompați mai multă apă prin sistem. Când aveți mai puțină putere, puteți încetini sistemul prin reducerea debitului de apă. Vei produce mai puțină apă dulce, dar nu vei sparge nimic în acest fel.

Echipa lui Bessette a simplificat controlul la două bucle de feedback. Prima buclă exterioară urmărea puterea provenită de la panourile solare. Într-o zi însorită, când panourile generau multă putere, aceasta introducea mai multă apă în sistem; când era mai puțină putere, alimenta mai puțină apă. A doua buclă interioară a urmărit debitul. Când debitul a fost mare, a aplicat mai multă putere electrozilor; când era scăzut, aplica mai puțină putere. Trucul a fost să aplici puterea maximă disponibilă, evitând în același timp împărțirea apei în hidrogen și oxigen.