淡水化とその課題
Desalination and Its Chalenges
https://www.wearewater.org/ 2023.01.04
数多くの写真が掲載されているが、容量不足になる可能性があるので省略した。
淡水化は、水ストレスを軽減する選択肢として目覚ましい進歩を遂げてきた。これは、コスト削減、ガス排出の回避、そして主な排泄物である塩水の汚染問題の解決という課題に直面しているプロセスである。その適合性が評価され、適切な提携によって技術格差が解消され、官民連携が公正かつ効果的なモデルとして採用されれば、発展途上国にとっての選択肢となり得る。
海から真水を得ることには何千年もの歴史がある。古代ギリシァでは、紀元前600年頃の「最初の哲学者」ミレトスのタレスがすでに塩水の蒸発と真水の生成を実験していたと考えられている。3世紀以上後、アリストテレスは著書の中で、蒸発した水が塩分を失う.物理的原理について言及した。また、海水をろ過することで塩分を除去できることも観察した。最後に、ルネッサンス時代には、レオナルド・ダ・ヴィンチが、沿岸部の住民が家の薪ストーブ蒸発器を設置して海水を淡水化することで飲料水を自給自足できると予測した。
その後数世紀にわたって数々の発明がされた後、1851年に蒸気船で蒸発凝縮システムが開発され、長い航海中にボイラーの熱を利用して乗組員の飲料水が作られた。10年後のアメリカ南北戦争中、北軍は陸上で初めてこの機械をキーウェスト島とドライトルトゥーガ島で3台使用し、6ヶ月以上にわたって１日当たり1,000リットル以上の飲料水を確保した。イギリス軍も1880年代にスーダンの港スアキンで蒸発凝縮器を使用し、１日当たり350トンの飲料水を確保した。
これらのシステムは熱を利用したもので、熱を利用して水を蒸発させて凝縮するものであった。このシステムは小規模ながら、さまざまな改良が加えられながら存続したが、1965年に逆浸透淡水化技術が開発され、現在でも使用されている。
逆浸透、新興市場
逆浸透は海水を膜に通してろ過し、塩分を閉じ込めるというものである。膜を通過させるために必要な圧力をかけるには、多くのエネルギーが必要である。それでも、逆浸透は熱蒸溜よりもはるかに効果的なシステムであり、コスト効率に優れている。逆浸透システムは、世界中の多くの地域で水危機が深刻化していることから注目を集めており、ここ数年で大幅に改善されている。
水不足が深刻化する地域での急速な都市化と観光開発により、淡水化の導入に好ましい状況が生まれている。2018年には、世界中に17,000以上の淡水化プラントがあり、現在、世界全体で毎日2億m3以上の水が淡水化され、再利用されている。現在、サウジアラビアが淡水化の先頭に立っている。消費される淡水5リットルのうち4リットルは海水から得られている。アラブ首長国連邦、アメリカ、クウェート、カタール、日本、スペインがそれに続く。
乾燥気候の国々では、淡水化の発展は止めようがない。世界最大の淡水化プラントを有し、１日当たり624,000m3の浄水能力を持つイスラエルでは、2023年までに消費される水10リットルのうち9リットルが淡水化プラントから供給されると予測されている。
淡水化された水の62.3％は自治体の給水を通じて人間の消費に使用され、30.2％は産業で使用され、4.8％はエネルギー部門で使用され、1.8％は農業灌漑に使用される。淡水化水の主な消費者は都市である。それらのほとんどはすべて沿岸または海面レベルにあるため、プラントから水を「持ち上げる」エネルギー・コストを回避できる。
近年、気候変動により淡水化への期待が高まっている。その結果、この分野ではR＆D＆Iに多額の投資が集中し、成長予測は急上昇している。The Brainy Insightsのレポートによると、世界の淡水化市場は2021年の135億ドルから2030年には288.3億ドルに成長し、年間成長率は8.8％になると予測されている。
観光のための淡水化
観光は水供給に最も負担をかける活動である。世界観光機関によると、ヨーロッパのホテルでは、宿泊客1人当り1泊当り約394リットルの水を消費する。香港、シンガポール、インドネシア、タイでは平均が677リットルに急増し、バルバドスでは839リットルに達する。これらの数字を大局的に見ると、平均的なヨーロッパ人は１日当たり約127リットルを消費する。このため、パンデミック前のシーズンにDiamond Resortsと共同で開発した[Let’s Make A Deal]などのイニシアチブは、観光地での水消費量を削減するモデルを示している。タオルの洗濯を減らすことで合計97万リットルが節約され、シーツの使用期間を延長することで102万リットルが節約された。
世界有数の観光地であるスペインのバレアレス諸島とカナリア諸島では、淡水化プラントが経済において極めて重要な戦略的役割を果たしている。例えば、イビサ島では2019年に初めて淡水化プラントで生産された水の供給量が帯水層の供給量を上回り、生産量は10.7立方ヘクトメートル、地下水は8.4立方ヘクトメートルであった。2000年には地下水の消費量は3.8にわずかに達していたことを考えると、これは目覚ましい進歩である。
これは淡水化の長所の1つである。観光産業への供給を確保することに加え、帯水層への圧力を軽減する。これは、乾燥の脅威にさらされている地域で土壌の劣化を防ぎ、生物多様性を保つために不可欠である。
エネルギー問題
淡水化は淡水不足の決定的な解決策のように見えるかもしれないが、大規模な世界的適用には解決すべき問題がまだある。まず、エネルギー消費量が高い。これは、再利用を含むすべての浄水方法の中で最も高いものである。
1970年代以降、エネルギー消費量は大幅に削減されたが、淡水化プラントのエネルギー消費量は依然として非常に高いままである。最先端の淡水化プラントで淡水化水を生産するコストは１立方メートル当たり3 kWh/m3未満の消費量を達成するためのプロジェクトが開発されている。現在、世界中で淡水化には毎日2億 kWh以上が消費されている。
これにより、エネルギー市場がかなり変動することによる不確実性と、二酸化炭素排泄の問題が加わり、高い経済的コストが発生する。解決策は、プロセスに再生可能エネルギー(主に太陽光、風力、地熱)を導入することである。これにより、エネルギー消費コストを削減し、プラントを持続可能な方向に進めるという2つの目的が達成される。
2020年、淡水化に使用される再生可能エネルギーの割合は約1％であった。しかし、改善の余地は頻繁に大きく、技術競争は非常に熾烈である。世界銀行は、淡水化のニーズが最も大きい乾燥地域に主に熱エネルギーと太陽光発電を推進している。これらの地域では、強い日射量を利用して、蒸発凝縮の熱法を使用して淡水化を行うことができる。太陽光発電パネルは、ポータブル・ユニットの設計から巨大なプラントまで、複数の逆浸透淡水化プロジェクトに適用されている。後者の1つは、クウェート国境近くの人口65,000人のサウジアラビアの都市、アルカフジに建設中である。完全に太陽エネルギーで駆動する逆浸透プロセスを使用して、これらのプラントは60,000 m3/日を生産し、都市全体のニーズを満たす能力を持っている。
塩水はどうすれば良いか？
淡水化プラントの廃棄物は塩水(塩分が飽和した水)である。淡水1リットル当り約1.5リットルの塩水が生成される。2020年には、淡水化によって年間530億立方メートル以上のこれらの廃棄物が生成され、環境、特に海に戻された。塩水には塩化ナトリウムに加えて、カルシウム、ヨウ素、リチウム、マグネシウム、カリウム、臭素、モリブデン、ガリウム、バナジウム、インジウム、スカンジウム、ルビジウムなどの他の重要な元素が高濃度で含まれているため、塩分濃度が非常に高い有毒ゾーンが生成され、環境問題を引き起こす。この廃棄物が適切に希釈されずに海に分散されると、酸素不足と汚染によりデッド・ゾーンが発生するリスクが高くなる。
開発中の解決策は主にこれらの元素の使用を伴うが、その一部は非常に貴重で、陸上で入手するには非常にコストがかかる。塩水採掘は、まだ収益性を高める必要があるが、淡水化を循環型経済近付けるために最も多くの投資が行なわれている技術開発分野の1つである。
淡水化は富裕層の特権か？
淡水化の持続可能性はまだ決定されていない。ガス排出と塩水の欠点を評価する際、その支持者は、河川や帯水層の過剰利用を避けることの重要性と、供給制限が経済に及ぼす有害な影響を考慮する必要があると主張している。しかし一方で、海水は無尽蔵と見なすことができる資源であるが、どんな価格でもそうではない。
海水淡水化の90％は、世界で最も裕福な国々で行なわれている。しかし、施設建設に必要な高額な投資と、得られる飲料水の高額なコストは、それが水需要に対する最適な解決策である場合、弱い経済が恩恵を受ける上での障害となっている。したがって、環境へのガスと塩水の排出を削減することに加えて、淡水化部門の技術研究への多額の投資は、効率性を高めることで、より手頃な設置および生産コストを達成することを目指している。いずれにせよ淡水化の実施戦略には、セクター間の連携(主に農業、観光、工業)と開発モデルとしての官民連携を含める必要がある。
