Hur kan förnybar energi förbättra ekonomisk och miljömässig hållbarhet vid avsaltningsprocesser?

Avsaltningsprocesser är avgörande för att säkerställa vattenförsörjning i regioner där färskvatten är en begränsad resurs. Traditionella avsaltningsanläggningar använder ofta fossila bränslen som energikälla, vilket medför höga koldioxidutsläpp och operativa kostnader. Förnybara energikällor som sol- och vindkraft erbjuder däremot en mer hållbar lösning. Genom att utnyttja dessa rena energikällor kan avsaltningsanläggningar minska sitt koldioxidavtryck avsevärt, vilket är särskilt viktigt i områden med strikta miljöregler eller internationella klimatåtaganden.

Förnybara energikällor minimerar utsläpp av växthusgaser, vilket inte bara stöder globala klimatmål utan också bidrar till långsiktig ekonomisk fördel. Solcellsdrivna avsaltningsanläggningar, till exempel, använder rikligt med solenergi, vilket gör att de kan eliminera de utsläpp som normalt associeras med fossila bränslen. Vindkraftverk, på samma sätt, kan driva avsaltningsanläggningar och därigenom minska CO2-utsläppen ytterligare. Genom att minska beroendet av fossila bränslen kan dessa anläggningar skapa en mer hållbar energimix och därmed också bidra till att minska växthusgasutsläpp globalt.

För att beräkna CO2-besparingar genom användning av förnybar energi istället för fossila bränslen, används en enkel formel där Qp representerar mängden producerad vatten, och CO2,conv och CO2,ren är CO2-utsläppen för traditionella respektive förnybara avsaltningssystem. Genom att tillämpa denna metod kan man få en exakt uppskattning av de potentiella klimatvinsterna genom att integrera förnybara energikällor i avsaltningsanläggningar.

Dessutom påverkas förnybara avsaltningsanläggningar mindre av de globala energimarknadernas volatilitet. Detta innebär att driftskostnaderna förblir mer förutsägbara och stabila, vilket ger bättre ekonomisk planering och resursallokering för anläggningarna. Den ekonomiska lönsamheten för dessa system kan mätas med hjälp av indikatorer som Payback Period (PBP), vilket kan variera mellan 8 och 15 år beroende på teknologi, geografiskt läge och tillgång på förnybar energi. Efter denna period fortsätter anläggningarna att köra med lägre operativa kostnader, vilket resulterar i betydande långsiktiga besparingar.

Trots dessa fördelar finns det flera hinder som begränsar spridningen av förnybar energi inom avsaltningsteknologin. Ett av de största tekniska hindren är den intermittenta naturen hos sol- och vindkraft. Eftersom avsaltningssystem som omvänd osmos (RO) kräver kontinuerlig drift för att undvika membranblockering, kan energifluktuationer från förnybara källor leda till driftstopp eller minskad effektivitet. För att lösa detta problem behövs effektivare energilagringslösningar som batterier eller bränsleceller, men dessa är fortfarande dyra och har en begränsad livslängd, vilket ökar de initiala investeringskostnaderna.

Ett annat hinder är de höga kapitalinvesteringarna som krävs för att installera förnybara energikällor som solpaneler och vindkraftverk. Detta är särskilt problematiskt för utvecklingsländer där behovet av avsaltat vatten är stort men där tillgången till finansiering är begränsad. Eftersom långsiktig data om förnybar energi i avsaltningssystem är begränsad, finns det också en osäkerhet bland investerare, vilket gör att finansieringen ofta blir dyrare och svårare att säkra.

Marknads- och infrastrukturella begränsningar spelar också en stor roll. I många regioner saknas etablerade leveranskedjor för förnybara energikomponenter och tekniskt utbildad arbetskraft. Dessutom är den lokala infrastrukturen ofta inte tillräckligt utvecklad för att stödja storskaliga installationer av förnybar energi. Brist på regleringar eller incitament för att främja användningen av förnybara energikällor för avsaltning försvårar också adoptionen.

För att övervinna

Hur kan solenergi användas för effektiv avsaltning och elproduktion genom termiska avdunstningstekniker?

Den senaste forskningen inom solenergi och avsaltning av havsvatten har lett till framsteg där solvärme används inte bara för att generera rent vatten, utan även för att producera elektricitet. En av de mest lovande teknologierna kombinerar solenergi, fototermiska material och salinitetsgradienter för att driva avdunstning och elektricitetstillverkning. Genom att utnyttja solens energi för att inducera avdunstning av havsvatten har forskare utvecklat metoder som effektivt kan generera både rent vatten och elektricitet i ett och samma system.

Forskning har visat att användningen av 3D-svampliknande material med porösa strukturer och stark solabsorption kan uppnå en avdunstningshastighet på upp till 6,8 kg/m²/h vid 1 Sol belysning, med en avdunstningseffektivitet på 94,9%. Detta möjliggör inte bara snabbare vattenförångning utan även den elektriska potentialen att uppnå en konstant spänning på 117,8 mV, vilket kan användas för att driva små elektriska enheter. Tekniken innebär också att havsvatten kan ledas genom negativt laddade kanaler inom materialet, vilket ytterligare optimerar avdunstningen och förbättrar den elektriska produktionen.

Ett annat innovativt tillvägagångssätt för att kombinera solvattenavdunstning med salinitetsgradienter har visat sig effektivt för att generera elektricitet. När havsvatten avdunstar ökar salthalten vid gränsytan, vilket skapar en salinitetsgradient. Denna gradient leder till att joner kan diffundera riktat, vilket genererar elektricitet. Forskare har använt jonspecifika membran och solabsorbatorer baserade på kolnanorör (CNT) för att utnyttja denna process och har lyckats producera elektricitet med en effekt på 1 W/m² vid 1 Sol belysning.

En särskilt lovande metod har involverat integrerade system som kombinerar omvänd elektrodialys (RED) och termogalvaniska celler (TGC) för att skapa elektricitet genom salinitetsgradienter. Detta system minskar ansamlingen av resterande joner på TGC- och RED-elektroderna, vilket minskar koncentrationspolarisering och därmed ökar effektiviteten. Forskning har också visat att användningen av speciella jonträ-membran (p-wood och n-wood) för att separera joner kan ge upp till 9,8 V i spänning, vilket ytterligare bekräftar potentialen för denna teknik.

Även om dessa teknologier har uppvisat imponerande resultat på laboratorienivå, är det fortfarande stora utmaningar att övervinna för att de ska bli praktiskt tillämpbara på industri

Hur kan hybrida avsaltningssystem förändra framtidens vattenförsörjning?

Utvecklingen av nya avsaltningsmetoder baserade på adsorption och hybridteknologier visar hur kombinationen av nanoporösa material, värmeåtervinning och förnybar energi kan skapa en mer hållbar vattenproduktion. I centrum för dessa framsteg står materialen som möjliggör effektiv vattenångadsorption, där MgCl₂/VMT-kompositer utmärker sig genom sin höga känslighet för luftfuktighet och stabilitet över upprepade cykler. Genom att utnyttja kapillärkrafter på nanoskalig nivå kan dessa porösa strukturer transportera och samla vattenmolekyler med en precision som tidigare varit otänkbar. Denna egenskap gör dem särskilt lovande för avsaltningsprocesser som drivs av spillvärme eller lågtemperaturenergi.

Studier på VMT och mesoporös kisel (MPS) visar hur olika porstorlekar påverkar adsorptionshastigheten och total kapacitet. MPS-material uppnådde upp till 0,57 kg/kg i adsorptionskapacitet, vilket understryker dess potential i system som bygger på adsorption snarare än konventionell membranteknik. Kombinationen av kinetiska och isotermiska modeller har gjort det möjligt att identifiera de mest effektiva strukturella egenskaperna hos dessa material, vilket öppnar vägen för finjusterade avsaltningslösningar med minimal energiförbrukning.

Den så kallade adsorption–kylning–avsaltning-processen (ACD) har samtidigt etablerats som en mångsidig metod som förenar kylning, avsaltning och energiåtervinning i ett enda integrerat system. Genom att använda aktiverat kol i kombination med ammoniumkarbonat har man kunnat producera upp till 13 m³ färskvatten per ton adsorbent, vilket framhäver metodens effektivitet och dess potential i områden med begränsade resurser. Dessa system ligger i linje med de globala målen för hållbar utveckling eftersom de minskar beroendet av energikrävande och fossildrivna anläggningar.

Hybridavsaltningssystem (HDS) representerar en ny generation vattenbehandlingstekniker där flera processer, som omvänd osmos, membrandestillation och adsorption, samverkar för att uppnå högre effektivitet och bättre vattenkvalitet. Genom att återanvända spillenergi mellan processerna reduceras den totala energiförbrukningen, samtidigt som kombinationen av olika reningstekniker eliminerar ett bredare spektrum av föroreningar. Denna synergiska effekt leder inte bara till bättre resultat utan även till större anpassningsförmåga vid varierande vattentillgång och kvalitet.

Ändå är potentialen obestridlig. Hybridteknologier erbjuder en möjlighet att drastiskt minska vattenbristen i regioner där traditionell avsaltning inte är ekonomiskt eller ekologiskt hållbar. Integrationen av nanoteknik, metallorganiska ramverk (MOF) och grafenbaserade membran höjer effektiviteten ytterligare och möjliggör selektiv borttagning av även de mest persistenta föroreningarna.

De senaste forskningsrönen fokuserar på tre centrala områden: användningen av förnybara energikällor, utvecklingen av mer hållbara och slitst