Avsaltning ur desperation

Även i det torkadrabbade Kalifornien sticker San Diego ut. Det blir mindre regn än uttorkade Los Angeles eller Fresno. Regionen har mindre grundvatten än många andra delar av staten. Och mer än 80 procent av vattnet för hem och företag importeras från källor som är allt mer stressade. Coloradofloden är så överbeskattad att den sällan når havet; vatten med ursprung i Sacramento River-deltat, mer än 400 miles norr, ransonerades av statliga tjänstemän i år, vilket avskärmade några bönder i Kaliforniens Central Valley från deras huvudsakliga bevattningskälla. San Diego County, varmt, torrt och allt tätare, erbjuder en förhandstitt på vart mycket av världen är på väg. Det gör också ett nyligen beslut av länsstyrelsen: man bygger den största avsaltningsanläggningen för havsvatten på västra halvklotet, till en kostnad av 1 miljard dollar.

Det enorma projektet, i Carlsbad, kryllar av nästan 500 arbetare i gula hjälm. När det är klart nästa år kommer det att ta in mer än 100 miljoner liter vatten från Stilla havet dagligen och producera 54 miljoner liter färskt drickbart vatten. Även om detta bara utgör 10 procent av länets vattenleveransbehov, kommer det att vara pålitligt och torkasäkert – ett skydd mot potentiellt värre tider.

Den här historien var en del av vårt januarinummer 2015

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Länet satsar på en kombination av modern ingenjörskonst och decennier gammal avsaltningsteknik. En rördike under konstruktion leder till ett närliggande laguninlopp; 18 betongtankar i husstorlek väntar på massor av sand och träkol för att behandla saltvattnet innan det är klart för avsaltning; trycksättare leder till ett rör av rostfritt stål som är en meter i diameter. Denna sista bit av glänsande hårdvara kommer att transportera vatten under högt tryck till 2 000 glasfiberrör, där det kommer att pressas genom semipermeabla polymermembran. Det som kommer igenom kommer att vara färskvatten och lämnar saltlake.

Processen kallas omvänd osmos (RO), och det är grundpelaren i storskaliga avsaltningsanläggningar runt om i världen. När vatten tvingas genom membranet låter polymeren vattenmolekylerna passera samtidigt som de blockerar salterna och andra oorganiska föroreningar. Den globala avsaltningsproduktionen har tredubblats sedan 2000: 16 000 anläggningar är igång runt om i världen, och byggtakten förväntas öka samtidigt som tekniken fortsätter att förbättras. Carlsbad, till exempel, har utrustats med toppmoderna kommersiella membran och avancerade tryckåtervinningssystem. Men anläggningarna är fortfarande dyra att bygga och driva.

Avsaltning av havsvatten är faktiskt en av de dyraste källorna till sötvatten. Vattnet säljs – beroende på platsförhållandena – för mellan $1 000 och $2 500 per hektarfot (beloppet som används av två femmanshushåll i USA per år). Carlsbads produkt kommer att sälja för cirka 2 000 dollar, vilket är 80 procent mer än vad länet betalar för behandlat vatten utanför området. En anledning är den enorma mängd energi som krävs för att trycka vatten genom membranen. Och Carlsbad, som de flesta avsaltningsanläggningar, byggs med extra pumpar, behandlingskapacitet och membranrör, desto bättre för att garantera drifttid. Eftersom det är en kritisk tillgång för regionen finns det en enorm mängd redundans för att ge hög tillförlitlighet, säger Jonathan Loveland, vice VD på Poseidon Water, ägaren till anläggningen. Om någon bit misslyckas, kommer något annat att plocka upp spelet.

Redan nu lider cirka 700 miljoner människor världen över av vattenbrist, men den siffran förväntas öka till 1,8 miljarder på bara 10 år. Vissa länder, som Israel, är redan starkt beroende av avsaltning; fler kommer att följa efter. På många håll är vi redan vid gränsen för förnybara vattenresurser, och ändå fortsätter vi att växa, säger John Lienhard, en maskiningenjör och chef för Center for Clean Water and Clean Energy vid MIT. Utöver det har vi global uppvärmning, med varmare och torrare förhållanden i många områden, vilket potentiellt kommer att ytterligare minska mängden förnybart vatten tillgängligt. Även om bevarande och återvinning hjälper, kan du inte återvinna det du inte har. När kuststäderna växer, säger han, kommer värdet av avsaltning av havsvatten att öka snabbt, och det är troligt att vi kommer att få en utbredd användning.

Mot denna dystra bakgrund finns det några goda nyheter. Kort sagt, avsaltning är mogen för teknisk förbättring. En kombination av sensordriven optimering och automatisering, plus nya typer av membran, skulle så småningom kunna möjliggöra avsaltningsanläggningar som är hälften så stora och använder motsvarande mindre energi. Bland andra fördelar kan små, mobila avsaltningsenheter användas i jordbruksregioner hundratals mil bort från havet, där efterfrågan på vatten är stor och växer.

Smart vatten

Varannan vecka ger sig Yoram Cohen, en kemiingenjör som leder Water Technology Research Center vid University of California, Los Angeles, ut på vägen mot den torka-sprängda San Joaquin Valley. En del av statens enorma jordbrukssektion som odlar mycket av landets produkter, har drabbats hårt. Förra året, 2014, var det tredje torkan i rad – vid en tidpunkt då efterfrågan på vatten har nått den högsta nivån någonsin. Jag följde med Cohen för en utflykt nyligen: en biltur från hans labb vid UCLA till den lilla dalstaden Firebaugh, i en av de hårdast drabbade jordbruksregionerna i delstaten. Längs I-5, motorvägen som förbinder städerna i Kaliforniens södra kust med dess centrala dal, såg vi stora vattentekniska byggnader byggda på 1950-talet, inklusive fyra stora rör som korsar Tehachapi-bergen och den cementkantade Kalifornienakvedukten, som skär en ormstig genom dalbottnen. Statens vattensystem – ägnat ungefär 80 procent åt jordbruk och 20 procent åt städer – transporterar fortfarande vatten som pumpas hela vägen från Sacramento River-deltat genom den 444 mil långa Kalifornienakvedukten. Vatteninfrastrukturen gjorde södra Kalifornien till vad det är idag.

Men det är ett system under stor stress. Kaliforniens ihållande brist på nederbörd innebär att 80 procent av staten nu befinner sig i extrem eller exceptionell torka, vilket tvingar vissa bönder på vattenbegränsningar i stadsområden och avgränsningar. Resultaten är lätta att se: delar av uttorkad jordbruksmark ligger nyligen övergivna; vägskyltar blinkar varningar för extrem torka; tecken vädjar Vatten = Jobb. Enligt en nyligen genomförd studie från University of California, Davis, orsakade torkan 1,5 miljarder dollar i jordbruksförluster bara under 2014.

Fortfarande under uppbyggnad kommer avsaltningsanläggningen i Carlsbad, Kalifornien, att bli den största anläggningen av detta slag i USA. Väntar på installation vid anläggningen är turbinpumpar av rostfritt stål, insvepta i skyddande Mylar, som kommer att användas för att pumpa det rena vattnet.

Den israeliskfödde Cohen förklarar att trots dessa påtryckningar har avsaltning inte förändrats i grunden sedan 1980-talet. Den tid det tar att planera för stora projekt (Carlsbad tog 14 år) gör det svårt för investerare att förvänta sig mycket nytta av ny teknik, och USA:s federala forskningsfinansiering har gått till andra prioriteringar. Dessutom har det varit möjligt att återvinna eller spara vatten så att dyr avsaltning har varit mindre nödvändig. Baksidan av detta, säger Cohen, är att avsaltning nu är i en position att omvandlas av samma typer av avkänning, automatisering och algoritmstyrda processer som gör om andra industrier. Jag skulle snart se vad han pratade om.

När solen i slutet av oktober gick ner kastade långa skuggor den skorpiga marken i hög relief. Vi gick ur I-5, körde nio mil och svängde höger på en hårt packad grusväg mellan pistageträd. Det var skymning och strålkastarna från strålkastarna försvann in i den platta ökenintetheten. Men när jag öppnade fönstret fick jag en doft av något som luktade vagt som den salta luften vid kusten. Strålkastarna avslöjade den skyldige: ett rör som kräktes en brygd av mycket återanvänd avrinning från jordbruket. Det hade börjat i Sacramentos delta som sötvatten. Men det blev gradvis mer koncentrerat genom avdunstning i akveduktsystemet, och ännu mer när det applicerades på grödor, plockade upp mineraler i marken och applicerades på grödor igen. Det var nu nästan lika salt som havsvatten och förorenat med en rad mineraler och gödningsmedel också.

Det tar mycket energi att trycka vatten genom hinnorna.

Cohen ledde mig till en närliggande trailer som bebos av två doktorander och en stor samling av tankar, rör, ventiler, rör och datorer. Det var ett helt automatiserat system som kunde använda alla de bräckta eller förorenade sakerna som Firebaughs bönder producerar och genererar 30 000 drickbara liter per dag. En datorskärm visade en svart-vit bild i realtid som såg ut som ett månlandskap. Det var ett skott från en bit av polyamidmembranet i centrum av processen. Bilden avslöjade några vita bitar: början av mineralavlagringar, en bana av membran. Bildanalysprogramvara kan upptäcka att detta händer, och en algoritm kan styra en ventil att öppna och dispensera en anti-skalningslösning i systemet – hålla sig före problemet. Andra sensorer och kontrollsystem kan göra justeringar för att undvika andra nedsmutsningsproblem, ändra trycket eller dosen av kemiska tillsatser som används för förbehandling.

Cohen sträckte sig efter ett plaströr och vred en liten kran. Klart vatten dreglade ut; han sträckte ut sin hand för att fånga några, lyfte den till munnen, drack lite och gned resten i ansiktet. Om vi ​​kan lista ut en bil som inte kräver en förare, varför kan vi inte ta reda på hur man driver en RO-anläggning utan operatörer? han sa.

Besparingarna kan bli betydande: automatiserade system som dessa skulle förmodligen kunna spara mellan en tredjedel och hälften av kostnaderna för konventionella avsaltningsanläggningar, säger Cohen. Men mer än så, en enhet i släpvagnsstorlek – som kan anpassa sig till olika platser och förhållanden per timme – kan helt enkelt rulla runt och hjälpa bönder att få färskvatten oavsett vad de börjar med.

Magiska membran

Även om systemen blir smartare är omvänd osmos fortfarande ett energisvin. Carlsbad kommer att förbruka mer än 35 megawatt elektricitet (vilket kan driva cirka 30 000 hem), för en årlig faktura på 30 miljoner dollar. Ungefär två tredjedelar av det kommer att gå till det vattentryck som behövs för att tekniken ska fungera. (Den andra tredjedelen kommer främst att gå till att pumpa vattnet 10 miles uppför till en reservoar, samt till förbehandling och insugspumpning.) Carlsbads ägare uppskattar att anläggningen kommer att förbruka 2,8 kilowattimmar per kubikmeter för enbart avsaltning. Vissa små system med omvänd osmos, som använder olika konfigurerade processer (rinnande vatten i omgångar snarare än att pumpa kontinuerligt), når 1,5 till 1,7 kilowattimmar, säger Lienhard. Men tekniken har inte bevisats i större skala.

Vad är problemet? Det krävs mycket arbete för att trycka vatten genom membranen – ett tryck som leder till hög energianvändning. De relativt tjocka polyamidmembranen, även om de är långt ifrån idealiska, är de bästa vi har just nu. Men några grupper försöker komma på mer effektiva material. På MIT bygger maskiningenjören Rohit Karniks team membran med en enda atomtjocklek för att hjälpa vattenmolekyler att bara komma igenom. Forskarna spränger grafen med jonstrålar och badar det i kemikalier för att etsa porer mindre än en nanometer tvärs över.

I teorin ger ett i huvudsak tvådimensionellt membran som detta minsta möjliga motstånd. Datormodeller av Jeffrey Grossmans materialvetenskap och ingenjörsgrupp vid MIT visade att grafenmembran kunde minska energin som används vid omvänd osmos med 15 till 46 procent. Ännu bättre, den höga permeabiliteten kan innebära att mycket mindre yta behövs för att få jobbet gjort, så hela anläggningen kan vara hälften så stor.

Hittills har Karnik tillverkat ett grafenmembran på en kvadratcentimeter, stansat hål i det och visat att det selektivt kan hålla tillbaka vissa joner. Men han har ännu inte visat att det faktiskt kan avsalta havsvatten, även på en labbbänk. Och när han eller en annan grupp uppnår det, är nästa utmaning att på ett tillförlitligt sätt göra mil av membranmaterial med konsekventa egenskaper. Karnik är optimistisk att han kommer att nå dit, men han säger att det kommer att dröja år innan grafenmembranen är klara.

Befintliga membranmaterial kan bli bättre tack vare andra nanotekniska tillvägagångssätt. I en liten del av Firebaugh-trailern kör Cohen ett experiment med ett membran som hans grupp själv har utformat. Ett basskikt är tillverkat av polyamid. Men sedan lägger han till ett lager tentakelliknande borstar gjorda av polymerer som är hydrofila, vilket gör att de drar till sig vatten. Tidig forskning tyder på att dessa hybridmembran kan vara mycket bättre på att motstå nedsmutsning, eftersom borstarna – som han liknar vid kelp som svajar på en undervattenssten – avskräcker saker från att fastna. Detta kan innebära mindre stilleståndstid, färre byten och snabbare genomströmning. Men Cohen, som tar en klunk av sitt dikesvatten, uppmanar till realism. Folk har den här fixeringen att det på något sätt kommer att finnas ett magiskt membran som kommer att minska kostnaden för avsaltning till nästan ingen, och det tycker jag är lite missvisande, säger han.

För närvarande i Kaliforniens kustkommuner är havsvatten fortfarande alternativet som sista utväg, efter konservering, återvinning och till och med behandling och återanvändning av avloppsvatten. Medan många väger avsaltning, är den stad som mest sannolikt kommer att följa i San Diegos fotspår Santa Barbara. Det beror på att det redan byggde en RO-anläggning i början av 1990-talet efter en femårig torka, bara för att snabbt stänga av den när ett par år av bra vinterregn fyllde på reservoarerna. Staden flyttade nyligen för att börja finansiera en dyr rehabilitering av platsen så att den kan återaktiveras vid behov. Andra kommuner har beslutat att det är för dyrt eller miljöproblematiskt (anläggningarna dödar oundvikligen fiskägg och annat marint liv, såvida inte intagsrör begravs under sand till stora kostnader).

Men den bedömningen kan vändas på huvudet. Vatten som fångas upp i reservoarer eller pumpas från avlägsna deltan blir dyrare - och sådana alternativ har sina egna miljökostnader. När källorna torkar ut och konkurrensen om vatten från företag, bönder och städer kommer vi oundvikligen att vända oss till havsvatten och andra salta källor. Det kanske inte är en bra lösning, men slutsatsen är att vi har färre och färre valmöjligheter i en vattensvält värld.

Dölj