Afsaltning ud af desperation

Selv i det tørkeramte Californien skiller San Diego sig ud. Det får mindre regn end udtørrede Los Angeles eller Fresno. Regionen har mindre grundvand end mange andre dele af staten. Og mere end 80 procent af vandet til boliger og virksomheder importeres fra kilder, der i stigende grad er stressede. Coloradofloden er så overbelastet, at den sjældent når havet; vand med oprindelse i Sacramento River-deltaet, mere end 400 miles nordpå, blev rationeret af statslige embedsmænd i år, hvilket afskærer nogle bønder i Californiens Central Valley fra deres vigtigste kilde til kunstvanding. San Diego County, der er varmt, tørt og stadig mere folkerigt, tilbyder en forsmag på, hvor meget af verden er på vej hen. Det samme gør en nylig beslutning fra amtsregeringen: Den bygger det største havvandsafsaltningsanlæg på den vestlige halvkugle til en pris af 1 mia.

Det massive projekt i Carlsbad vrimler med næsten 500 arbejdere i gule hjelme. Når det er færdigt næste år, vil det tage mere end 100 millioner liter vand fra Stillehavet dagligt og producere 54 millioner liter frisk drikkevand. Selvom dette kun udgør 10 procent af amtets behov for vandforsyning, vil det, altafgørende, være pålideligt og tørkesikkert - en sikring mod potentielt værre tider forude.

Denne historie var en del af vores januar 2015-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Amtet satser på en kombination af moderne teknik og årtier gammel afsaltningsteknologi. En rørgrav under konstruktion fører til et nærliggende laguneindløb; 18 betontanke i husstørrelse venter på masser af sand og trækul for at behandle saltvandet, før det er klar til afsaltning; tryksættere fører til et rør af rustfrit stål på en meter i diameter. Dette sidste stykke skinnende hardware vil føre vand under højt tryk ind i 2.000 glasfiberrør, hvor det vil blive presset gennem semipermeable polymermembraner. Det, der kommer igennem, vil være ferskvand, der efterlader saltlage.

Processen kaldes omvendt osmose (RO), og den er grundpillen i storstilede afsaltningsanlæg rundt om i verden. Når vand tvinges gennem membranen, tillader polymeren vandmolekylerne at passere, mens de blokerer for salte og andre uorganiske urenheder. Den globale afsaltningsproduktion er tredoblet siden 2000: 16.000 anlæg er oppe at køre rundt om i verden, og byggetempoet forventes at stige, mens teknologien fortsætter med at forbedre sig. Carlsbad er for eksempel blevet udstyret med avancerede kommercielle membraner og avancerede trykgenvindingssystemer. Men anlæggene forbliver dyre at bygge og drive.

Afsaltning af havvand er faktisk en af ​​de dyreste kilder til ferskvand. Vandet sælges - afhængigt af stedets forhold - for mellem $1.000 og $2.500 per acre-fod (det beløb, der bruges af to fem-personers amerikanske husstande om året). Carlsbads produkt vil sælge for omkring 2.000 dollars, hvilket er 80 procent mere, end amtet betaler for behandlet vand uden for området. En grund er den enorme mængde energi, der kræves for at skubbe vand gennem membranerne. Og Carlsbad, som de fleste afsaltningsanlæg, bygges med ekstra pumper, behandlingskapacitet og membranrør, jo bedre for at garantere oppetid. Fordi det er et kritisk aktiv for regionen, er der en enorm mængde redundans for at give høj pålidelighed, siger Jonathan Loveland, vicepræsident hos Poseidon Water, ejeren af ​​anlægget. Hvis et stykke svigter, vil noget andet tage sig af.

Allerede nu lider omkring 700 millioner mennesker på verdensplan af vandknaphed, men det tal forventes at stige til 1,8 milliarder på bare 10 år. Nogle lande, som Israel, er allerede stærkt afhængige af afsaltning; flere vil følge trop. Mange steder er vi allerede på grænsen af ​​vedvarende vandressourcer, og alligevel fortsætter vi med at vokse, siger John Lienhard, der er maskiningeniør og direktør for Center for rent vand og ren energi ved MIT. Oven i det har vi global opvarmning med varmere og tørrere forhold i mange områder, hvilket potentielt vil reducere mængden af ​​vedvarende vand til rådighed yderligere. Selvom konservering og genbrug vil hjælpe, kan du ikke genbruge det, du ikke har. Efterhånden som kystbyer vokser, siger han, vil værdien af ​​afsaltning af havvand stige hurtigt, og det er sandsynligt, at vi vil se en udbredt adoption.

På denne dystre baggrund er der nogle gode nyheder. Kort sagt er afsaltning moden til teknologisk forbedring. En kombination af sensordrevet optimering og automatisering plus nye typer membraner kan i sidste ende give mulighed for afsaltningsanlæg, der er halvt så store og bruger tilsvarende mindre energi. Blandt andre fordele kan små, mobile afsaltningsenheder bruges i landbrugsområder hundreder af kilometer væk fra havet, hvor efterspørgslen efter vand er stor og voksende.

Smart vand

Hver anden uge går Yoram Cohen, en kemiingeniør, der leder Water Technology Research Center ved University of California, Los Angeles, på vejen til den tørkesprængte San Joaquin Valley. Regionen er en del af statens store landbrugs-midsektion, der dyrker meget af landets produkter, og har lidt hårdt. Sidste år, 2014, var det tredje tørkeår i træk - på et tidspunkt, hvor efterspørgslen efter vand har nået et rekordhøjt niveau. Jeg sluttede mig til Cohen for en nylig udflugt: en biltur fra hans laboratorier ved UCLA til den lille dalby Firebaugh i en af ​​de hårdest ramte landbrugsregioner i staten. Langs I-5, motorvejen, der forbinder byerne i Californiens sydkyst med dens centrale dal, så vi enorme vandtekniske bygningsværker bygget i 1950'erne, inklusive fire store rør, der krydser Tehachapi-bjergene og den cementbeklædte Californiske akvædukt, som skærer en slangesti gennem dalbunden. Statens vandsystem - dedikeret omkring 80 procent til landbrug og 20 procent til byer - transporterer stadig vand, der pumpes hele vejen fra Sacramento River-deltaet gennem den 444 mil lange California-akvædukt. Vandinfrastrukturen gjorde det sydlige Californien til, hvad det er i dag.

Men det er et system under stor stress. Californiens vedvarende mangel på nedbør betyder, at 80 procent af staten nu er i ekstrem eller usædvanlig tørke, hvilket tvinger vandrestriktioner i byområder og afskæringer til nogle landmænd. Resultaterne er tydelige at se: områder med udtørret landbrugsjord ligger nyligt forladt; vejskilte blinker advarsler om ekstrem tørke; tegn påtaler Vand = Jobs. Ifølge en nylig undersøgelse fra University of California, Davis, påførte tørken 1,5 milliarder dollars i landbrugstab alene i 2014.

Stadig under opførelse vil afsaltningsanlægget i Carlsbad, Californien, være det største anlæg af denne type i USA. Afventer installation på anlægget er turbinepumper af rustfrit stål, pakket ind i beskyttende Mylar, som skal bruges til at pumpe det rene vand.

Den israelskfødte Cohen forklarer, at på trods af dette pres har afsaltning ikke fundamentalt ændret sig siden 1980'erne. Den tid, det tager at planlægge store projekter (Carlsbad tog 14 år) gør det svært for investorer at forvente meget udbytte af nye teknologier, og amerikanske føderale forskningsmidler er gået til andre prioriteter. Desuden har det været muligt at genbruge eller spare vand, så dyr afsaltning har været mindre nødvendig. Bagsiden af ​​dette, siger Cohen, er, at afsaltning nu er i en position til at blive transformeret af de samme former for sansning, automatisering og algoritme-kontrollerede processer, som omskaber andre industrier. Jeg ville snart se, hvad han talte om.

Da solen i slutningen af ​​oktober gik ned, kaster lange skygger den skorpede jord i høj relief. Vi forlod I-5, kørte ni miles og drejede til højre ad en hårdt pakket jordbane mellem pistacietræer. Det var skumring, og lysene fra forlygterne forsvandt ind i det flade ørkenintet. Men da jeg åbnede vinduet, fangede jeg en snert af noget, der lugtede vagt som den salte luft ved kysten. Forlygterne afslørede synderen: et rør, der opkastede en bryg af meget genbrugt landbrugsafstrømning. Det var startet i Sacramento-deltaet som ferskvand. Men det blev gradvist mere koncentreret ved fordampning i akvæduktsystemet, og endnu mere efterhånden som det blev anvendt til afgrøder, opsamlede mineraler i jorden og blev anvendt på afgrøder igen. Det var nu næsten lige så saltholdigt som havvand, og det var også forurenet med en række mineraler og gødning.

Det kræver meget energi at skubbe vand gennem membranerne.

Cohen førte mig til en nærliggende trailer beboet af to kandidatstuderende og en stor samling af tanke, rør, ventiler, rør og computere. Det var et fuldstændig automatiseret system, der kunne bruge alle de brak eller forurenede ting, Firebaughs landmænd producerer og generere 30.000 drikkelige gallons om dagen. En computerskærm viste et sort-hvid-billede i realtid, der lignede et månelandskab. Det var et skud fra et stykke af polyamidmembranen i centrum af processen. Billedet afslørede et par hvide klumper: begyndelsen på mineralsk aflejring, en bane af membraner. Billedanalysesoftware kan registrere, at dette sker, og en algoritme kan lede en ventil til at åbne og dispensere en anti-skaleringsløsning ind i systemet – at være på forkant med problemet. Andre sensorer og kontrolsystemer kan foretage justeringer for at undgå andre tilsmudsningsproblemer, ændre trykket eller doseringen af ​​kemiske tilsætningsstoffer, der bruges til forbehandling.

Cohen rakte ud efter et plastikrør og vred en lille hane. Klart vand savlede ud; han rakte hånden frem for at fange nogle, løftede den til munden, drak lidt og gned resten i ansigtet. Hvis vi kan finde ud af en bil, der ikke kræver en chauffør, hvorfor kan vi så ikke finde ud af, hvordan man driver et RO-anlæg uden operatører? han sagde.

Besparelserne kan være betydelige: Automatiserede systemer som disse kunne sandsynligvis spare mellem en tredjedel og halvdelen af ​​omkostningerne ved konventionelle afsaltningsanlæg, siger Cohen. Men mere end det, en enhed på størrelse med en trailer – i stand til at tilpasse sig forskellige steder og forhold i timen – kunne simpelthen rulle rundt og hjælpe landmændene med at få frisk vand, uanset hvad de starter med.

Magiske membraner

Selvom systemerne bliver smartere, er omvendt osmose stadig et energisvin. Carlsbad vil forbruge mere end 35 megawatt elektricitet (hvilket kan drive omkring 30.000 hjem) for en årlig regning på 30 millioner dollars. Omkring to tredjedele af det vil gå til det vandtryk, der er nødvendigt for at få teknologien til at fungere. (Den anden tredjedel vil mest gå til at pumpe vandet 10 miles op ad bakke til et reservoir, samt til forbehandling og indsugningspumpning.) Carlsbads ejere vurderer, at anlægget vil forbruge 2,8 kilowatt-timer pr. kubikmeter alene til afsaltning. Nogle små omvendt osmose-systemer, der bruger forskelligt konfigurerede processer (løbende vand i batcher i stedet for at pumpe kontinuerligt), rammer 1,5 til 1,7 kilowatt-timer, siger Lienhard. Men teknologien er ikke blevet bevist i større skalaer.

Hvad er problemet? Det kræver meget arbejde at skubbe vand gennem membranerne – et tryk, der udmønter sig i et højt energiforbrug. Disse relativt tykke polyamidmembraner, selvom de er langt fra ideelle, er de bedste, vi har lige nu. Men nogle få grupper forsøger at komme med mere effektive materialer. Hos MIT bygger maskiningeniør Rohit Karniks team membraner med et enkelt atom tykt for at hjælpe vandmolekyler med at springe igennem. Forskerne sprænger grafen med ionstråler og bader det i kemikalier for at ætse porer mindre end en nanometer på tværs.

I teorien giver en i det væsentlige todimensionel membran som denne den mindst mulige modstand. Computermodeller af Jeffrey Grossmans materialevidenskab og ingeniørgruppe ved MIT viste, at grafenmembraner kunne skære den energi, der bruges i omvendt osmose, med 15 til 46 procent. Endnu bedre kan den høje permeabilitet betyde, at langt mindre overfladeareal er nødvendigt for at få arbejdet gjort, så hele anlægget kan være halvt så stort.

Hidtil har Karnik fremstillet en grafenmembran på én kvadratcentimeter, slået huller i den og vist, at den selektivt kan holde visse ioner tilbage. Men han har endnu ikke vist, at den faktisk kan afsalte havvand, selv på en laboratoriebænk. Og når først han eller en anden gruppe opnår det, er den næste udfordring pålideligt at fremstille kilometervis af membranmaterialer med ensartede funktioner. Karnik er optimistisk, at han når dertil, men han siger, at der vil gå år, før grafenmembraner er klar.

Eksisterende membranmaterialer kan blive bedre takket være andre nanoteknologiske tilgange. I en lille del af Firebaugh-traileren kører Cohen et eksperiment med en membran, som hans gruppe selv har udviklet. Et bundlag er lavet af polyamid. Men så tilføjer han et lag af tentakellignende børster lavet af polymerer, der er hydrofile, hvilket betyder, at de tiltrækker vand. Tidlig forskning tyder på, at disse hybridmembraner kan være langt bedre til at modstå tilsmudsning, fordi børsterne - som han sammenligner med tang, der svajer på en undersøisk sten - afskrækker ting fra at sætte sig fast. Dette kan betyde mindre nedetid, færre udskiftninger og hurtigere gennemløb. Men Cohen, der tager en slurk af sit grøftevand, opfordrer til realisme. Folk har den her fiksering af, at der på en eller anden måde vil være en magisk membran, der vil reducere omkostningerne ved afsaltning til næsten ingen, og det synes jeg er en lille smule misvisende, siger han.

For nu i Californiens kystkommuner er havvand stadig muligheden for sidste udvej, efter konservering, genbrug og endda behandling og genbrug af spildevand. Mens mange vejer afsaltning, er byen med størst sandsynlighed at følge i San Diegos fodspor Santa Barbara. Det skyldes, at det allerede byggede et RO-anlæg i begyndelsen af ​​1990'erne efter fem års tørke, for hurtigt at lukke det ned, da et par år med god vinterregn fyldte reservoirerne. Byen flyttede for nylig for at begynde at finansiere en dyr rehabilitering af stedet, så det kan genaktiveres, hvis det er nødvendigt. Andre kommuner har besluttet, at det er for dyrt eller miljømæssigt problematisk (faciliteterne dræber uundgåeligt fiskeæg og andet havliv, medmindre indtagsrør er begravet under sand med store omkostninger).

Men den vurdering kan blive vendt på hovedet. Vand, der fanges i reservoirer eller pumpes fra fjerne deltaer, bliver dyrere - og sådanne alternativer har deres egne miljøomkostninger. Efterhånden som kilderne tørrer op og konkurrencen om vand fra virksomheder, landmænd og byer, vil vi uundgåeligt vende os til havvand og andre salte kilder. Det er måske ikke en god løsning, men bundlinjen er, at vi står tilbage med færre og færre valgmuligheder i en verden, der er udsultet af vand.

skjule