Ontzilting uit wanhoop

Zelfs in het door droogte geteisterde Californië valt San Diego op. Het krijgt minder regen dan het uitgedroogde Los Angeles of Fresno. De regio heeft minder grondwater dan veel andere delen van de staat. En meer dan 80 procent van het water voor woningen en bedrijven wordt geïmporteerd uit bronnen die steeds meer onder druk komen te staan. De Colorado-rivier is zo overbelast dat hij zelden de zee bereikt; water afkomstig uit de Sacramento River-delta, meer dan 400 mijl naar het noorden, werd dit jaar gerantsoeneerd door staatsfunctionarissen, waardoor sommige boeren in Central Valley in Californië werden afgesloten van hun belangrijkste irrigatiebron. San Diego County, heet, droog en steeds bevolkter, biedt een voorproefje van waar een groot deel van de wereld naartoe gaat. Dat geldt ook voor een recent besluit van de provinciale overheid: het bouwt de grootste zeewaterontziltingsinstallatie op het westelijk halfrond, voor een bedrag van $ 1 miljard.

Het enorme project, in Carlsbad, wemelt van bijna 500 arbeiders met gele veiligheidshelmen. Als het volgend jaar klaar is, zal het dagelijks meer dan 100 miljoen liter water uit de Stille Oceaan opnemen en 54 miljoen liter vers, drinkbaar water produceren. Hoewel dit slechts 10 procent van de waterleveringsbehoeften van de provincie is, zal het, cruciaal, betrouwbaar en droogtebestendig zijn - een bescherming tegen mogelijk slechtere tijden die in het verschiet liggen.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van januari 2015

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

De provincie zet in op een combinatie van moderne techniek en decennia-oude ontziltingstechnologie. Een pijpgeul in aanbouw leidt naar een nabijgelegen lagune-inlaat; 18 betonnen tanks ter grootte van een huis wachten op ladingen zand en houtskool om het zoute water te behandelen voordat het klaar is voor ontzilting; drukregelaars leiden naar een roestvrijstalen buis met een diameter van één meter. Dit laatste stukje glimmende hardware zal water onder hoge druk in 2000 glasvezelbuizen transporteren, waar het door semi-permeabele polymeermembranen zal worden geperst. Wat er doorheen gaat, is zoet water, waarbij pekel achterblijft.

Het proces wordt omgekeerde osmose (RO) genoemd en is de steunpilaar van grootschalige ontziltingsinstallaties over de hele wereld. Terwijl water door het membraan wordt geperst, laat het polymeer de watermoleculen passeren terwijl het de zouten en andere anorganische onzuiverheden blokkeert. De wereldwijde ontziltingsoutput is sinds 2000 verdrievoudigd: er zijn wereldwijd 16.000 fabrieken in gebruik en naar verwachting zal het bouwtempo toenemen terwijl de technologie blijft verbeteren. Carlsbad is bijvoorbeeld uitgerust met geavanceerde commerciële membranen en geavanceerde drukterugwinningssystemen. Maar de fabrieken blijven duur om te bouwen en te exploiteren.

Ontzilting van zeewater is in feite een van de duurste bronnen van zoet water. Het water wordt - afhankelijk van de omstandigheden ter plaatse - tussen $ 1.000 en $ 2.500 per acre-foot verkocht (het bedrag dat wordt gebruikt door twee Amerikaanse huishoudens van vijf personen per jaar). Het product van Carlsbad zal voor ongeveer $ 2.000 worden verkocht, wat 80 procent meer is dan de provincie betaalt voor behandeld water van buiten het gebied. Een van de redenen is de enorme hoeveelheid energie die nodig is om water door de membranen te duwen. En Carlsbad wordt, zoals de meeste ontziltingsinstallaties, gebouwd met extra pompen, behandelingscapaciteit en membraanbuizen, om de uptime beter te garanderen. Omdat het van cruciaal belang is voor de regio, is er een enorme hoeveelheid redundantie om een ​​hoge betrouwbaarheid te bieden, zegt Jonathan Loveland, vice-president bij Poseidon Water, de eigenaar van de fabriek. Als een stuk faalt, zal iets anders de speling oppikken.

Wereldwijd lijden al zo'n 700 miljoen mensen aan waterschaarste, maar dat aantal zal naar verwachting in slechts 10 jaar toenemen tot 1,8 miljard. Sommige landen, zoals Israël, zijn al sterk afhankelijk van ontzilting; meer zullen volgen. Op veel plaatsen zitten we al aan de limiet van hernieuwbare waterbronnen, en toch blijven we groeien, zegt John Lienhard, werktuigbouwkundig ingenieur en directeur van het Center for Clean Water and Clean Energy aan het MIT. Bovendien hebben we te maken met de opwarming van de aarde, met warmere en drogere omstandigheden in veel gebieden, waardoor de beschikbare hoeveelheid hernieuwbaar water mogelijk verder zal afnemen. Hoewel conservering en recycling zullen helpen, kun je niet recyclen wat je niet hebt. Naarmate kuststeden groeien, zegt hij, zal de waarde van ontzilting van zeewater snel toenemen, en het is waarschijnlijk dat we wijdverbreide acceptatie zullen zien.

Tegen deze grimmige achtergrond is er goed nieuws. Kortom, ontzilting is rijp voor technologische verbetering. Een combinatie van sensorgestuurde optimalisatie en automatisering, plus nieuwe soorten membranen, zou uiteindelijk kunnen leiden tot ontziltingsinstallaties die half zo groot zijn en naar verhouding minder energie verbruiken. Naast andere voordelen zouden kleine, mobiele ontziltingseenheden kunnen worden gebruikt in landbouwgebieden die honderden kilometers verwijderd zijn van de oceaan, waar de vraag naar water groot en groeiend is.

Slim water

Elke twee weken gaat Yoram Cohen, een chemisch ingenieur die aan het hoofd staat van het Water Technology Research Center van de University of California, Los Angeles, op weg naar de door droogte geteisterde San Joaquin Valley. Een deel van het uitgestrekte agrarische middengedeelte van de staat dat veel van de producten van het land verbouwt, heeft zwaar geleden. Vorig jaar, 2014, was het derde opeenvolgende droogtejaar - in een tijd waarin de vraag naar water een recordhoogte heeft bereikt. Ik ging met Cohen mee voor een recent uitje: een autorit van zijn laboratoria aan de UCLA naar het kleine dalstadje Firebaugh, in een van de zwaarst getroffen landbouwregio's in de staat. Langs de I-5, de snelweg die de steden aan de zuidkust van Californië verbindt met de centrale vallei, zagen we enorme waterbouwkundige gebouwen gebouwd in de jaren 1950, waaronder vier enorme pijpen die door het Tehachapi-gebergte liepen en het met cement omzoomde California Aquaduct, dat een kronkelig pad door de vallei. Het watersysteem van de staat - voor ongeveer 80 procent bestemd voor landbouw en 20 procent voor steden - transporteert nog steeds water dat helemaal uit de Sacramento-delta wordt gepompt door het 744 mijl lange California Aquaduct. De waterinfrastructuur heeft Zuid-Californië gemaakt tot wat het nu is.

Maar het is een systeem dat onder grote druk staat. Het aanhoudende gebrek aan neerslag in Californië betekent dat 80 procent van de staat nu in extreme of uitzonderlijke droogte verkeert, waardoor waterbeperkingen in stedelijke gebieden en afsluitingen voor sommige boeren worden gedwongen. De resultaten zijn duidelijk te zien: stukken uitgedroogde landbouwgrond liggen nieuw verlaten; verkeersborden knipperen waarschuwingen van extreme droogte; borden pleiten Water = Jobs. Volgens een recente studie van de Universiteit van Californië, Davis, veroorzaakte de droogte alleen al in 2014 $ 1,5 miljard aan landbouwverliezen.

De ontziltingsinstallatie in Carlsbad, Californië, die nog in aanbouw is, zal de grootste van dergelijke installaties in de Verenigde Staten worden. In afwachting van installatie in de faciliteit zijn roestvrijstalen turbinepompen, verpakt in beschermende Mylar, die zullen worden gebruikt om het schone water te pompen.

De in Israël geboren Cohen legt uit dat ondanks deze druk de ontzilting sinds de jaren tachtig niet fundamenteel is veranderd. De tijd die nodig is om grote projecten te plannen (Carlsbad duurde 14 jaar) maakt het moeilijk voor investeerders om veel uitbetaling van nieuwe technologieën te verwachten, en de Amerikaanse federale onderzoeksfinanciering is naar andere prioriteiten gegaan. Bovendien is het mogelijk om water te recyclen of te besparen, zodat dure ontzilting minder nodig is. De keerzijde hiervan, zegt Cohen, is dat ontzilting nu in een positie verkeert om te worden getransformeerd door dezelfde soorten detectie, automatisering en door algoritmen gecontroleerde processen die andere industrieën opnieuw vormgeven. Ik zou snel zien waar hij het over had.

Terwijl de zon van eind oktober onderging, wierpen lange schaduwen de korstige grond in hoog reliëf. We verlieten de I-5, reden negen mijl en sloegen rechtsaf op een onverharde onverharde weg tussen pistachebomen. Het was schemerig en de stralen van de koplampen verdwenen in het vlakke woestijn-niets. Maar toen ik het raam opendeed, ving ik een vleugje op van iets dat vaag naar de zilte lucht aan de kust rook. De koplampen onthulden de boosdoener: een pijp die een brouwsel van veel hergebruikt landbouwafval braakte. Het was in de Sacramento-delta begonnen als zoet water. Maar het werd steeds meer geconcentreerd door verdamping in het aquaductsysteem, en nog meer toen het werd toegepast op gewassen, mineralen in de grond oppikte en opnieuw op gewassen werd toegepast. Het was nu bijna net zo zout als zeewater en ook verontreinigd met een reeks mineralen en meststoffen.

Het kost veel energie om water door de membranen te duwen.

Cohen leidde me naar een nabijgelegen trailer die werd bewoond door twee afgestudeerde studenten en een enorme verzameling tanks, pijpen, kleppen, buizen en computers. Het was een volledig geautomatiseerd systeem dat alle brakke of vervuilde dingen die de boeren van Firebaugh produceren, kon gebruiken en 30.000 drinkbare gallons per dag kon produceren. Op een computerscherm werd een realtime zwart-witbeeld weergegeven dat eruitzag als een maanlandschap. Het was een schot van een stuk van het polyamidemembraan in het midden van het proces. Het beeld onthulde een paar witte brokken: het begin van minerale afzetting, een vloek van membranen. Software voor beeldanalyse kan dit detecteren en een algoritme kan een klep de opdracht geven om te openen en een antikalkoplossing in het systeem te doseren, zodat het probleem een ​​stap voor blijft. Andere sensoren en controlesystemen kunnen aanpassingen aansturen om andere vervuilingsproblemen te voorkomen, zoals het veranderen van de druk of de dosering van chemische additieven die voor de voorbehandeling worden gebruikt.

Cohen pakte een plastic buisje en draaide aan een klein kraantje. Helder water kwijlde uit; hij stak zijn hand uit om er wat van te vangen, bracht die naar zijn mond, dronk een beetje en wreef de rest over zijn gezicht. Als we een auto kunnen bedenken waarvoor geen bestuurder nodig is, waarom kunnen we er dan niet achter komen hoe we een RO-fabriek kunnen runnen zonder operators? hij zei.

De besparingen kunnen aanzienlijk zijn: geautomatiseerde systemen zoals deze kunnen waarschijnlijk een derde tot de helft besparen op de kosten van conventionele ontziltingsinstallaties, zegt Cohen. Maar meer dan dat, een unit ter grootte van een aanhangwagen - die zich per uur aan verschillende locaties en omstandigheden kan aanpassen - kan gewoon rondrollen en boeren helpen aan vers water, ongeacht waar ze mee beginnen.

Magische Membranen

Zelfs als systemen slimmer worden, is omgekeerde osmose nog steeds een energieverslinder. Carlsbad zal meer dan 35 megawatt elektriciteit verbruiken (die ongeveer 30.000 huishoudens van stroom zou kunnen voorzien), voor een jaarlijkse rekening van $ 30 miljoen. Ongeveer tweederde daarvan gaat naar de waterdruk die nodig is om de technologie te laten werken. (Het andere derde deel zal voornamelijk worden gebruikt om het water 10 mijl bergopwaarts naar een reservoir te pompen, evenals voor voorbehandeling en inlaatpompen.) De eigenaren van Carlsbad schatten dat de fabriek alleen al voor ontzilting 2,8 kilowattuur per kubieke meter zal verbruiken. Sommige kleine omgekeerde-osmosesystemen, die verschillend geconfigureerde processen gebruiken (water in batches laten lopen in plaats van continu te pompen), halen 1,5 tot 1,7 kilowattuur, zegt Lienhard. Maar de technologie is niet op grotere schaal bewezen.

Wat is het probleem? Het kost veel werk om water door de membranen te duwen - druk die zich vertaalt in een hoog energieverbruik. Die relatief dikke polyamidemembranen, hoewel verre van ideaal, zijn de beste die we nu hebben. Maar een paar groepen proberen met efficiëntere materialen te komen. Bij MIT bouwt het team van werktuigbouwkundig ingenieur Rohit Karnik membranen met een dikte van één atoom, zodat watermoleculen er gewoon doorheen kunnen komen. De onderzoekers blazen grafeen op met ionenstralen en baden het in chemicaliën om poriën van minder dan een nanometer breed te etsen.

In theorie biedt een in wezen tweedimensionaal membraan zoals dit de minst mogelijke weerstand. Computermodellen van Jeffrey Grossman's materiaalkunde- en engineeringgroep aan het MIT toonden aan dat grafeenmembranen de energie die wordt gebruikt bij omgekeerde osmose met 15 tot 46 procent kunnen verminderen. Sterker nog, de hoge permeabiliteit zou kunnen betekenen dat er veel minder oppervlakte nodig is om de klus te klaren, zodat de hele plant de helft kleiner kan zijn.

Tot nu toe heeft Karnik een grafeenmembraan van één vierkante centimeter gefabriceerd, er gaten in geponst en aangetoond dat het bepaalde ionen selectief kan tegenhouden. Maar hij heeft nog niet aangetoond dat het zeewater daadwerkelijk kan ontzilten, zelfs niet op een laboratoriumbank. En zodra hij of een andere groep dat bereikt, is de volgende uitdaging om op betrouwbare wijze kilometers membraanmaterialen met consistente eigenschappen te maken. Karnik is optimistisch dat hij er zal komen, maar hij zegt dat het nog jaren zal duren voordat grafeenmembranen klaar zijn.

Bestaande membraanmaterialen kunnen beter worden dankzij andere nano-engineeringbenaderingen. In een klein deel van de Firebaugh-trailer voert Cohen een experiment uit met een door zijn groep bedacht membraan. Een basislaag is gemaakt van polyamide. Maar dan voegt hij een laag tentakelachtige borstels toe, gemaakt van polymeren die hydrofiel zijn, wat betekent dat ze water aantrekken. Vroeg onderzoek suggereert dat deze hybride membranen mogelijk veel beter bestand zijn tegen vervuiling, omdat de borstels - die hij vergelijkt met kelp die op een onderzeese rots zwaait - ervoor zorgen dat dingen niet blijven plakken. Dit kan leiden tot minder uitvaltijd, minder vervangingen en een snellere doorvoer. Maar Cohen, die een slok van zijn slootwater neemt, dringt aan op realisme. Mensen hebben de fixatie dat er op de een of andere manier een magisch membraan zal zijn dat de kosten van ontzilting tot bijna niets zal verlagen, en ik denk dat dat een beetje misleidend is, zegt hij.

Voorlopig is zeewater in de kustgemeenten van Californië nog steeds de laatste optie, na conservering, recycling en zelfs behandeling en hergebruik van afvalwater. Terwijl velen ontzilting wegen, is Santa Barbara de stad die het meest waarschijnlijk in de voetsporen van San Diego zal treden. Dat komt omdat het in het begin van de jaren negentig al een RO-fabriek bouwde na een droogte van vijf jaar, om het snel stil te leggen toen een paar jaar goede winterregens de reservoirs vulden. De stad is onlangs verhuisd om een ​​dure rehabilitatie van de site te financieren, zodat deze indien nodig opnieuw kan worden geactiveerd. Andere gemeenten hebben besloten dat het te duur of ecologisch problematisch is (de faciliteiten doden onvermijdelijk viseieren en ander zeeleven, tenzij inlaatleidingen tegen hoge kosten onder zand worden begraven).

Maar die beoordeling kan op zijn kop worden gezet. Water dat wordt opgevangen in reservoirs of opgepompt uit verre delta's wordt duurder - en dergelijke alternatieven brengen hun eigen milieukosten met zich mee. Naarmate bronnen opdrogen en de concurrentie om water toeneemt van bedrijven, boeren en steden, zullen we onvermijdelijk ons ​​wenden tot zeewater en andere zoute bronnen. Het is misschien geen geweldige oplossing, maar het komt erop neer dat we steeds minder keuzes hebben in een door water uitgehongerde wereld.

zich verstoppen