- San Diego近郊のCarlsbad Desalination Plantは、1日あたり約5,000万ガロン、23,000㎥の淡水を生産し、地域の淡水の約10%を供給しているが、世界18,000か所以上の淡水化プラントが担う水は世界需要の1%未満にとどまる
- 海水には通常1リットルあたり約35gの塩分が含まれており、飲用可能な1‰以下、または淡水の上限である500ppm水準に合わせるには、98%以上の塩分除去が必要となる
- 蒸留は原理が単純だが、実験では200mlの生産に約2時間と1kWhを要し、現代の設備では排熱・多段蒸発・減圧によって熱効率を高めている
- 逆浸透(RO)は約600psiのような高圧で水を膜に通す方式で、実験装置では1リットルあたり約5分と1,200Wを要したが、最新のROプラントでは1㎥あたり1〜2kWhまで下げられる
- 実際のコストには、前処理、膜・蒸発器の洗浄や交換、後処理、濃縮塩水の処理、電力価格、技術・法務・政治・環境リスクまで重なり、他の水源より正当化しにくい場合が多い
淡水化が直面する基本的な数値
- カリフォルニア州San Diego近郊のCarlsbad Desalination Plantは、海から直接水を取り込み、1日あたり約5,000万ガロンまたは**23,000㎥**の淡水を生産している
- 世界では18,000か所以上の淡水化プラントが稼働しているが、これらが供給する水は世界の水需要の1%未満である
- 淡水化プラントは、水産業全体のエネルギー使用量の4分の1を消費している
- 海水の塩分濃度は地域や季節によって多少異なるが、通常は1リットルあたり約35gの溶解塩分を含む
- これは35‰、すなわち千分率で35 parts per thousandに相当する
- 医療用生理食塩水は約9‰で、血液とほぼ等張(isotonic)だが、この濃度でもおいしく飲める味ではない
- World Health Organizationは、溶解固形物が1‰を超えると一般に消費者に受け入れられにくいとみなしている
- 淡水の一般的な上限は500ppm、つまり0.5‰水準であり、塩だけでなくすべての溶解固形物を合算した値である
- 海水を飲用可能な水準にするには、98%以上の塩分を除去しなければならない
蒸留は単純だが、エネルギーとスケールに阻まれる
- 蒸留は最も古く直感的な淡水化方式で、塩を残して水を加熱して蒸気にし、それを再び凝縮する
- 実験用装置では、自作した海水をフラスコに入れてhot plateで加熱し、冷却水を循環させて蒸気を再び液体に戻した
- 得られた水の溶解固形物は数ppm水準でほとんどなかったが、200mlを得るのに約2時間と約1kWhの電力が必要だった
- 米国家庭の1日の水使用量をおおよそ300ガロン、すなわち1,100リットルとすると、同じ効率の実験装置を約500倍に拡大する必要がある
- この場合、1日あたり約6,000kWhが必要になる
- 米国の平均的な家庭向け電気料金基準では、1日あたり約800ドルかかる
- 現代の蒸留設備は、実験装置よりはるかに効率的に設計されている
- 排熱を活用するため、石炭またはガス火力発電所と併設される場合がある
- 凝縮過程で出た熱を再利用する
- 複数段階を用いて液体をより効率的に蒸発させる
- ポンプで圧力を下げ、機械的に蒸発を促す
- 蒸留には**スケール(scale)**の問題も伴う
- 水が沸騰してなくなった後に塩の沈殿物が蓄積すると、熱伝達が難しくなって効率が落ちる
- 沈殿物は定期的に清掃しなければならない
- フラッシュ蒸発器(flash evaporator)は、液体の流れを膨張弁に送り、沸点より低い温度で蒸発を促してスケールの蓄積を減らす
- 中東地域を含む蒸留式淡水化プラントで、数十年にわたり信頼性高く淡水を生産してきた中核装置である
逆浸透はより効率的だが、圧力と膜管理が核心となる
- 逆浸透(reverse osmosis, RO)は、膜を挟んで自然に拡散する浸透現象を圧力で逆向きに押し戻す方式である
- 実験で使用した海水用膜はらせん状に巻かれており、小さなパッケージの中で広い表面積を提供する
- 水は通し、溶解固形物は捕捉するフィルターに似ているが、はるかに小さなスケールで動作する
- 現代の淡水化プラントの大半は、一次分離方式としてROを使用している
- 熱蒸留より一般にかなり効率的である
- それでも一般的な原水処理プラントよりはるかに多くのエネルギーを使う
- 実験装置では約600psi、つまり通常の大気圧の約40倍の圧力を使用した
- 小型ROシステムでも長時間運転用の高圧ポンプを使用する
- 実験では専用ポンプの代わりに低価格の高圧洗浄機を使用した
- ROでは、流入した水のすべてが膜を通過するわけではない
- 大部分の水は膜を通過せず、より塩分の高い濃縮塩水(brine)として排出される
- 膜を通過した水は透過水(permeate)としてハウジング中央から出てくる
- 濃縮塩水バルブを閉じるとハウジング圧力が上がって透過水流量は増えるが、塩を洗い流す水がなければ膜が汚染される
- 膜は通常、数時間にわたって水を流してはじめて最適性能に近づく
- 実験用の高圧洗浄機はそれほど長く回し続けるのが難しかった
- 約30分後に得られた水は、溶解固形物が**1〜2‰**水準で、高品質の飲料水ではないが飲めるレベルだった
- 実験では、ブースターポンプと高圧洗浄機を合わせた消費電力は約1,200Wで、1リットルの生産に約5分かかった
- 1日300ガロンを作るには、高圧洗浄機4台を回し続ける必要がある
- 1日100kWh以上が必要で、コストは1日15ドル、または年間5,000ドル以上になる
- 最新のROプラントは、大型で高品質な膜ラック、高効率ポンプ、濃縮塩水のエネルギー回収装置を使用する
- 実験装置では海水1㎥、つまり264ガロンを処理するのに約100kWhが必要だった
- 最新のROプラントでは同じ量を1〜2kWhで処理できる
実際のコストは分離工程の外側で膨らむ
- 実際の海水淡水化プラントは、実験のように水道水から始めるのではなく、塩のほかにも土砂、藻類、有機物、その他の汚染物質が混ざった原海水を処理する
- こうした成分は蒸発器や膜を汚染・損傷させる可能性があるため、すべての淡水化プラントはまず前処理を行う
- 前処理には薬品注入やフィルター維持のコストがかかる
- このコストとエネルギーは、塩分分離の段階に入る前から発生する
- 前処理がうまくいっても、RO膜や蒸発器は定期的に停止して清掃しなければならない
- RO透過水や蒸留水は、通常そのまま顧客に送ることはできない
- 水がきれいすぎるため、多くの人が好む味にするにはミネラルを再添加する後処理が必要となる
- 配水システムを通る間に汚染されないよう、消毒剤も追加する
- **濃縮塩水(brine)**は、生産水から除去された塩がより小さな水量に集まった廃棄物である
- 現代の淡水化プラントは通常、流入水の約半分を回収する
- そのため濃縮塩水は一般の海水より約2倍高い塩分濃度を持つ
- 高塩分の濃縮塩水をそのまま海に放流すると、海底近くの植物や動物に環境影響を与える可能性がある
- 濃縮液は通常沈みやすいためである
- 多くの排水管は拡散器(diffuser)を使って高塩分の水をすばやく希釈する
- 発電所の冷却水や下水処理水など、ほかの水流と混ぜて放流前に薄めることもある
- こうした方法が使えない場合、一部のプラントは塩水を地下に圧入しなければならず、これは非常に高コストな方式である
淡水化が他の水源と競合する仕組み
- 自然の水循環は、すでに太陽エネルギーで海水を蒸留し、内陸へ運んで地表に降らせる役割を果たしている
- ダム、貯水池、運河、ポンプ場、表流水取水施設にも大きなコストと環境影響があるが、海水淡水化の莫大なコストとエネルギー需要を考えれば、特定の人口密集地域には長距離パイプラインを建設・運用することも可能である
- 淡水化は見た目には単純に見えるが、実際のコストと複雑さを合わせると、他の代替案より正当化しにくい場合が多い
- 原子力発電と似て、表面的には単純でも実務上の複雑さが大きい
- 比較的新しい技術であるため、隠れた技術・法務・政治・環境上の問題を予測しにくい
- エネルギー需要が高いため、淡水化は水コストと電力コストを強く結びつける可能性がある
- 干ばつ時には水力発電のコストが上がることがある
- エネルギー全体のコストが上昇すると、淡水化は最も必要なときに採算性が低下しうる
- 大規模な人口と深刻な水不足を抱える地域では、淡水化が実行可能な解決策となりうる
- 最大級のプラントはSaudi ArabiaやUAEのような中東諸国にある
- California、Texas、Floridaのように気候変動性の大きい地域でも、水供給ポートフォリオの一要素となりうる
- 淡水化された水は河川、貯水池、地下水より高価だが、他の水源が制約される、あるいは使えない干ばつ条件では、より信頼できる場合がある
- 海水より塩分濃度の低い河口域や汽水性地下水がある場所では、淡水化ははるかに費用対効果の高い淡水源となりうる
民間リスクとCarlsbadプロジェクトが示すシグナル
- 民間部門がリスクを引き受けると、淡水化プロジェクトの実現可能性が高まることがある
- 大型淡水化プラントの多くは、公共ユーティリティが一般的な処理場のように直接資金調達・建設・運営するのではなく、民間の水企業とのパートナーシップで運営されている
- ユーティリティは水購入契約を通じて、資金調達コストと運営リスクを民間企業に移し、安定した水購入の枠組みを得る
- 政府の理事会が、前例の少ない複雑な技術問題やイノベーションを直接判断しなければならない負担も減る
- San Diego CountyのCarlsbadプラントを運営する民間企業は、2018年に隣接する発電所が閉鎖された後、必要となった独立型の海水取水施設を2024年完成目標で進めている
- このプロジェクト債はFitchでBBB格付けに引き上げられた
- これは当該施設の見通しが比較的安定しており、債務不履行の可能性が低いという評価である
- 1つの評価機関が1つのプロジェクトと1つの膜ベースプラントについて下した評価ではあるが、淡水化技術が前進していることを示すシグナルである
1件のコメント
Hacker Newsの意見
この記事は核心的な問いを少し避けているように感じる
物理学者ではないが、紫外線や重金属の酸化のような特殊な工程をいくつか除けば、ほとんどのろ過は機械的ろ過に近く、だんだん小さな穴のフィルターが細菌や粒子を取り除き、紫外線はウイルスを分解し、酸化剤は金属を沈殿させる
ところが塩は、水の双極子がイオン結合を引きはがし、各イオンを水和殻で包み込む形なので、穴の大きさで狙うには小さすぎ、熱力学的にも安定しているため、蒸発・蒸留・沈殿反応のようにエネルギーを投入する必要がある
そのため、より安い代替手段として逆浸透を使う。半透膜に高い圧力をかけて水分子は通し、イオンは濃縮塩水として残す方式で、エネルギーは少なくて済むが、処理すべき液体廃棄物が生じる
どんな方式を使っても、結局は取り除いた塩の塊をどこかで処理しなければならない
高分子材料は熱運動によって生じたり消えたりする一時的な隙間を持つ非晶質固体であり、長期的に維持される「穴」ではなく、高分子＋水が一つの流体相のようにモデル化される
MOFやゼオライトのように定義された孔を持つ材料もあるが、この場合でも水は孔空間に液体のように吸着され、孔の間の移動がゲートのように働く
実際、淡水化用の高分子にも水は塩の有無に関係なくよく入り、「水が普段は通れないほど穴が小さい」という説明は正しくない
自重の50%分の水を含み、氷ができない高分子でも、3000psi以上の圧力では塩を90%以上除去できる
圧力がなければ塩と水は選択性なく通過するため、水をイオンから物理的にふるい分けているのではなく、圧力が水の活動度を変え、水が高分子の中でよりよく溶け、より速く動くことで淡水化が起きる、というほうがより正確だ
きちんと読めば、蒸留や浸透など複数の淡水化方法を扱っており、結論部もかなり明確だ
淡水化は表面的には単純に見えても、実際のコストと複雑さを加えると他の選択肢より正当化しにくく、特に高いエネルギー需要のため水の価格が電気料金と強く結びつく
干ばつ時に水力発電のコストが上がると全体の電力コストも上がり、まさに最も必要なときに淡水化の採算性が下がり得る、という点が核心だ
もっと単純に言えば、海水と飲める淡水の間にはエネルギーとエントロピーの差があり、この最低コストを下回ることはできない
どんな方法を使っても、溶けていた固形物が表面や管の中に付着したり残ったりし、それをどう剥がして処分するかも問題になる
結局、無色無味の水のボトル一本と細かな粉の山をきれいに得るという夢は難しく、現実的には、より塩辛い水を元の水源へ戻しつつ、魚があまり死なないことを願う方向になる
塩水をより熱くして、塩水の上の水蒸気圧が、冷たい側で生じる無塩の水滴の上の水蒸気圧と等しくなるようにする方式だ
その後、水蒸気を圧縮して塩水よりわずかに高い温度で凝縮させ、蒸留水と残った塩水をそれぞれ別々の向流熱交換器に送り、流入する海水を塔の運転温度まで予熱する必要がある
熱力学的には、同じ入出力条件の逆浸透プロセスに匹敵し得るし、液体を周囲圧力と内部運転圧力の間で損失少なく合わせるにはポンプとタービンも必要だ
利点は、太陽熱集熱器で塩水を直接加熱すれば水蒸気圧縮なしに凝縮でき、太陽熱を投入する開放型の第1種吸収式ヒートポンプのように運用できる点だ
思ったより淡水化は安い
淡水化した水は1000リットルあたり約50セントで、これは典型的な米国の家庭が1日に使う水の量に近い
1日50セントで完全に淡水化された水の供給が可能なら、驚くほど安い
水政策や水資源管理・工学に関心があるなら、"Let There Be Water: Israel's Solution for a Water-Starved World"を強く勧める
https://en.wikipedia.org/wiki/Desalination#Costs
カリフォルニアが示すように可能ではあるが、Central Valleyでも見られるように、農業用の淡水を大規模に供給することはできない
慢性的な水不足があるカリフォルニアでも、住宅・商業・産業用の水使用量を造園やゴルフ場まで含めてすべて合計しても、降水量によって全体の**10〜20%**程度にとどまる
食料生産や工業用水などは別だ
実際の水処理以外に必要な追加の考慮事項をよく示しており、いくつもの用途では実用的だとも述べている
Irvine, CAの一般的な基本消費者料金は748ガロン、ほぼ3000リットルで1.78ドルなので、むしろもっと高い
ただしこの数字は生産コストであり、処理場以降の配水・保守まで含めた消費者価格はさらに上がるだろうが、それでも妥当な範囲に見える
話題から少し外れるが、記事にCarlsbad淡水化施設が出てくる。San Diegoに行って牡蠣が好きなら、Carlsbad Aquafarmのツアーを勧める
興味深いことに、この牡蠣養殖場は淡水化プラントの前処理フィルターの役割を果たしており、プラントと養殖場の間には共生関係がある
淡水化は吸熱反応を逆にするようなものなのでエネルギーコストが比較的高く、水は大量に使うため、規模も大きくなければならない。
何より、地球が地質学的プロセスを通じてすでに多くの淡水化を無料で行ってくれているため、淡水化の基準価格は1リットルあたり0ドルに近い。
雨水を集め、川をせき止め、地下水をくみ上げるインフラが完全に無料というわけではないが、次の1リットルの限界費用は非常に低い。
淡水化そのものが難しいというより、超低価格かつ超大規模で行うのが難しい。
本当に必要で、実行する意思があれば、必要な技術はすでに揃っている。
https://en.wikipedia.org/wiki/Water_supply_and_sanitation_in...
数年前、目的が正反対のメープルシロップ工程を見学したことがある。水に溶けた成分を濃縮する工程だ。
第1段階ではある程度まで逆浸透を使い、第2段階では煮沸するが、蒸気から熱を積極的に回収して流入する液体を予熱していた。
すべてエネルギーコストを抑えるための仕組みだった。
可能な限り廃熱回収を行うべきだ。
理論的には、連続蒸留は投入した分だけ熱を取り出すため非常に効率的になり得るが、現実には断熱材・ポンプ・熱交換器などが無料ではなく、規模が大きくなるほど収益逓減が早く訪れる。
それとも配送や取り扱いの体積・重量のせいで節約分が消えるか、そもそも薄いシロップ市場がないので作らないのだろうか？
2020年、MITの太陽熱蒸留器は、1平方メートルの近接膜蒸留プロセスで1時間あたり1.5ガロンの淡水を示した。
この装置が1万平方メートルあれば、10時間の太陽光運転時間で15万ガロンの淡水を得られる。
重要なのは拡散板の間隔が1.2cmまたは80mmである点で、1つの領域で太陽熱加熱・凝縮・収集をあわせて活用しているようだ。
もちろん塩水排出の収集問題は残るが、同じ方式を3回繰り返せば塩分濃度を2〜3パーミル、つまり0.2〜0.3%まで下げながら段階的に除去できる。
エネルギーの観点では、このMIT方式は受動的な太陽熱方式を逆浸透よりかなり先に進めたが、基礎出力率では逆浸透がなお越えがたい優位を持っている。
https://news.mit.edu/2020/passive-solar-powered-water-desali...
水を水酸化ナトリウムで前処理することは一般的で、それを購入する必要があるとし、ここでは排水から水酸化ナトリウムを再生する方法を提示している。
https://news.mit.edu/2019/brine-desalianation-waste-sodium-h...
かなり馬鹿げた考えかもしれないが、海水を暑く乾燥した砂漠にポンプでまいて自然蒸発させ、それを再び淡水の雨として集めることは可能だろうか？
目に見えて降水量を増やすには、どれだけ多くの水を蒸発させる必要があるのだろうか？
https://www.youtube.com/watch?v=V2b7ztWvFOg
大量の水を蒸発させても、必要な場所や回収可能な場所に雨が降らない可能性が高い。
しかし降水量は増えない。
イスラエルはむしろ水を淡水化して川をよみがえらせており、その水はいずれ死海まで届く可能性がある。
もっとはるかに大きな規模の話をしているのなら、海そのものの方がはるかに大きく、表面では常に水が蒸発している。
人間が海より大きな蒸発区域を作ることはできない。
また、水は主に熱ではなく風によって蒸発する。
砂漠には熱は多いが風は相対的に少なく、海には風が多い。
塩水を蒸発させると相当量の塩の固形物が残り、Great Salt Lakeのような状況を思い起こさせる。
エネルギーコストは、地域条件によっては多少藁人形論法かもしれない。
カリフォルニアは春に膨大な量の再生可能エネルギーを出力抑制、つまり捨てている。
そのエネルギーを季節的に淡水化に使い、淡水を後のために貯蔵できるなら、春の余剰エネルギーを夏へ移す巨大な時間シフト型バッテリーのように機能する。
再生可能エネルギーも余る時があるとはいえコストはあり、余剰電力が生じる時間と水需要が一致しない可能性がある。
淡水消費量の一部でも蒸留できるほど十分な余剰再生可能エネルギーは現在も存在せず、今後も不足する可能性が高い。
結局、淡水化に使う電力のkWhあたりコストを計算する必要があり、余った電力を使うためにプラントを過大設計したとしてもコストは存在する。
その価格は、1ガロンあたりの蒸留水コストを逆浸透や送水管の水より高くする可能性が高く、淡水化は依然として、他のあらゆる淡水調達手段がコスト面で難しいときに使う最後の手段に近い。
稼働していない間は投資を回収できないため、その資金は24時間稼働する別の場所に使う方がよい。
特にカリフォルニアでは蒸発が多く、塩分濃度が上がり、効率も落ちるだろう。
難しいというより、エネルギー的に上り坂だということ
エントロピーを元に戻すにはエネルギーが必要で、これは熱力学第二法則です
再生可能エネルギーの価格が下がるにつれて、さらに安くなっています
消費者向けの電力網価格には、エネルギー供給者の利益や、ガス・石炭・原発のような既存の高コスト発電への投資費用が含まれているので、そのまま使うべきではありません
乾燥地域が多い赤道から40度以内では、太陽光は安価な大規模エネルギー生産に向いており、kWhあたり数セント、近い将来には1セント未満もあり得ます
水は貯水池に貯められるので、24時間淡水化し続ける必要はありません
1000リットルに約3kWhが必要で、米国の非効率な家庭の1日あたりの水使用量程度だとしても、1世帯あたり1日数セント程度です
まったく無視できるわけではありませんが、米国ではSFのように思われがちな淡水化が、平均所得がはるかに低い地域でも一般的な解決策になるほど十分に安いのです
塩が水に混ざるときに放出されるエネルギーは小さく、約3.9kJ/molです
塩のモル質量は58g/molで、平均的な海水の塩分濃度は約3.6%なので、海水1㎥には1000×0.036/0.058=620モルの塩が含まれています
完璧な淡水化装置なら、塩の除去に2.4MJ、つまり約0.75kWhが必要です
電気料金がkWhあたり10セントなら、淡水1㎥の理論上の最低価格は約8セントです
500ポンドを持ち上げたり、マラソンを走ったりするように
重力とサイズの異なる穴だけを使うコイン選別機を思い浮かべればよいです
塩水の近くの乾燥地域に住む人なら、太陽熱蒸留器をその場しのぎで作る方法は、基本的なサバイバル道具として知っておく価値があります
本当に単純で、刑務所式の蒸留器と同じくらい作りやすく、外部動力は太陽だけで足ります
同様に、砂利・砂・木炭を直列に使う基本的な浄水システムも誰もが知っておくべきです
子どもたちと試す応用科学実験としても価値があります
水を使った太陽熱利用も、もっと研究する価値のある分野だと思います
太陽光発電にも利点はありますが、水は安く、清潔で、信頼できます
昼間に太陽で水を温め、夜に暖房に使う単純な方法はよく知られていますし、規模によっては経済的に興味深いカルノーサイクルも可能かもしれません
似たように動作する溶融塩太陽熱発電の配置もあります