Новые технологии получения чистой питьевой воды сейчас находятся в фокусе внимания многих инжиниринговых компаний по всему миру. Проблема дефицита питьевой воды может быть решена, однако насколько близко ученые и инженеры приблизились к созданию массовой и доступной технологии, способной к масштабированию – от нескольких литров для индивидуального потребления до миллионов декалитров для сельскохозяйственных нужд?
Фундаментальное право человека иметь доступ к чистой и безопасной воде Организация Объединенных Наций поставила в качестве первоочередной задачи в ряду Целей ООН в области устойчивого развития для достижения «лучшего будущего для всех». Сейчас доступа к чистой воде не имеют миллиарды людей на планете. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), более 2,5 миллиарда человек в настоящее время не имеют доступа к безопасной, чистой питьевой воде, который можно получить за 30 минут. По оценкам ВОЗ, загрязненная питьевая вода только от кишечных инфекций является причиной более полумиллиона смертей в год.
Инженеры-исследователи упорно работают над задачей обеспечения каждого человека на Земле чистой водой, и многие компании уже предлагают свои оригинальные стратегии.
Задача состоит в том, чтобы каждый человек имел доступ по меньшей мере к 20-50 л чистой воды в день, чтобы пить, готовить еду и мыться. Пока решения еще далеки от этой цели, однако поводы для оптимизма получают все большее подтверждение.
Основными причинами дефицита безопасной воды по-прежнему остаются:
- рост населения и истощение запасов подземных вод;
- отходы в результате сельскохозяйственного орошения, производства энергии и других отраслей, требующих технологической пресной воды;
- загрязнение воды в естественных источниках и антисанитарные условия (касается почти 1 миллиарда человек).
В Украине проблема питьевой воды уже давно назрела, поскольку по величине запасов, доступных для использования водных ресурсов, наша страна принадлежит к категории малообеспеченных. В маловодные годы на территории Украины формируется только 52,4 км3 /год естественного стока, то есть на одного человека приходится около 1000 м3. Между тем, по определению Европейской Комиссии и ООН, государство, водные ресурсы которого не превышают 1,7 тыс. м3 стока в год на одного человека, считается недостаточно обеспеченным водой. В Канаде, например, эта величина равна 94,3; в Швеции – 19,7; США – 7,4; Беларуси – 5,7; РФ – 31,0; Франции – 3,4; Англии – 2,5; Германии – 1,9; Польше – 1,6 тыс. м3/ год.
Среди 152 стран мира Украина по показателю обеспеченности пресной водой занимает 111 место. На сегодня городское водоснабжение обеспечивается в Украине за счет подземных вод лишь на 25%. Для большинства стран Европы использование подземных вод достигает 90%, что обеспечивает удовлетворение потребностей населения высококачественной питьевой водой. В общемировом объеме водозабор из рек, озер, водохранилищ составляет 11,3 млрд. м3, подземных источников – 2,5 млрд. м3, непосредственно из морей – 0,9 млрд. м3.
Очистка и опреснение воды из традиционных источников требует с каждым годом все больше усилий и энергии, и это становится дополнительным фактором удорожания питьевой воды. Нужен технологический прорыв, который способен стать масштабируемым и доступным решением.
Стартап, который может стать «единорогом»
Идея получать воду из воздуха, как это делают растения-«атмосферики», например, т. н. бромелиевые, не новая. На самом деле с технической точки зрения воды в воздухе довольно много даже в самых сухих пустынях. В нашем издании мы не раз обращались к тематике получения воды из воздуха. Например, см. публикацию «Питьевая вода из воздуха» (журнал AW-Therm, №6-2016). Как развивалась ситуация с тех пор?
Несколько лет назад стартап «Zero Mass Water» объявил сбор средств на развитие технологии «Source Hydropanel», рис. 1. Одна гидропанель использует солнечную энергию для получения чистой питьевой воды, достаточной для ежедневного потребления двух-трех человек, т. е. до 10 л на человека.
Рис. 1. Солнечно-воздушная гидропанель Source Hydropanel для получения питьевой воды
Как это работает? Довольно просто. Солнечная энергия нагревает материал, подобный губке, для того, чтобы вобрать водяные пары и создать конденсат. Конденсат накапливается и собирается в 30-литровом резервуаре. Затем вода в резервуаре фильтруется, в нее добавляются минералы для улучшения вкуса и полезности, доводя ее до качества воды из подземных источников. Систему можно подключить к резервуару с краном в доме для быстрого доступа к уже готовой для употребления воде.
Проводились исследования на собранные на этапе поддержки стартапа средства и вырабатывались технологические решения, способные сделать решение экономически выгодным для потребителей. Исследователи добились приемлемых результатов для снабжения питьевой водой отдельных домашних хозяйств. В прошлом году стартап получил грант в $ 50 млн., который направлен на проведение масштабных экспериментов по получению пресной воды, которую можно использовать для орошения с/х угодий и коммунального водоснабжения.
«Цель состоит в том, чтобы использовать нашу технологию для перехода от «дефицита воды к избытку воды», независимо от того, находитесь ли вы в районе, где доступ к чистой воде является серьезной проблемой, или живете там, где бутилированной или водопроводной воды в достатке», – объяснил основатель и исполнительный директор «Zero Mass Water» Коди Фризен. Постепенно стартап может стать «единорогом», то есть компанией с миллиардным оборотом.
Никакой мистики
Технология сбора воды «Zero Mass Water» в течение последних шести лет разрабатывалась в Университете штата Аризона, США, известного своими пустынями. Сейчас она вышла на уровень, когда питьевой водой обеспечивается не отдельный дом, а целое сообщество, поселок, рис. 2.
Рис. 2. Экспериментальное поле из гидропанелей для получения воды, Аризона, США
Каждая «Source Hydropanel» имеет программируемую плату, которая работает по специальным алгоритмам, обеспечивая максимальный выход воды, а также имеет модуль связи, который подключается к центральному блоку управления. Задачей модуля является оптимизация и согласование работы целого массива панелей, постоянная коррекция этой работы с учетом текущей погоды и времени года.
«Когда вы углубляетесь в вопрос, как работает технология Zero Mass, то сначала окружающий воздух подается в материалы, поглощающие воду. Точно так же, как если вы оставляете сахарницу со снятой крышкой, то сахар в ней становится немного комковатым, потому что сахар «любит воду», и втягивает ее из воздуха. Наши материалы делают именно это», – поясняет Фризен. «На самом деле это многоступенчатая система. Средняя полоса на панели «Source» – это то, что можно назвать стандартной PV-панелью (солнечной батареей). С двух сторон от нее находятся участки с запатентованным пористым материалом внутри, который генерирует тепло. Другой запатентованный материал внутри панели поглощает влагу из воздуха [см. рис. 2]. Затем панель использует солнечный свет, чтобы выделить воду из этих материалов и выполнить процесс, который мало чем отличается от образования воды на траве; в основном, когда теплый воздух попадает на поверхность холоднее, чем он сам.
После чего конденсированная вода попадает в 30-литровый резервуар под панелью. Затем вода протекает через минеральный блок, который добавляет кальций и магний, повышает рН до природного уровня», – объясняет Фризен, добавив, что конечный продукт имеет то, что он называет «идеальным ощущением во рту».
Сейчас каждая панель стоит $ 2000 и производит в среднем от двух до пяти литров воды в день в условиях пустынной Аризоны. Массив с двумя панелями стоит в США $ 4500 долларов: $ 2000 долларов за каждую панель плюс плата за установку согласованной системы в $ 500.
Рис. Гидропанель использует для своей работы энергию, полученную от встроенного солнечного модуля
Насколько это выгодно? Рассчитано ли это решение на тех, кто может себе позволить выложить из кармана $ 4500 за чистую питьевую воду дома, или и на тех людей, которые страдают от серьезного дефицита чистой воды? На этот вопрос Фризен дает широкий ответ – на всех. Установка полностью окупается за 2-3 года даже там, где есть широкий доступ к недорогой бутилированной питьевой воде, и тем более она экономически оправдана там, где есть проблемы с питьевым водоснабжением. Фризен добавил, что сейчас панели «Source» установлены в самых разных местах: в пострадавшем от урагана Пуэрто-Рико, в школах и детских домах для беженцев в Ливане, там, где ввиду отсутствия источников чистой воды нужно создать устойчивое водоснабжение, а также… в элитных домах в Калифорнии.
«Сегодня для получения питьевой воды требуется гораздо меньше энергии, чем для любого другого метода ее получения», – настаивает Фризен. Фактически, в данном случае – вообще не требуется внешней энергии, так как установка полностью питается от возобновляемого источника энергии. По мере того как данная технология масштабируется, ее себестоимость снижается и, по мнению Фризена, «это означает, что мы на пороге изобилия воды».
«Конденсация воды из влаги в воздухе уже экономически жизнеспособна», – подтверждает выводы Фризена д-р Ашок Гэдгил, профессор кафедры безопасного водоснабжения и санитарии в отделе инженерии окружающей среды Калифорнийского университета в г. Беркли. Он и его коллеги занимаются проблемами получения воды с 1993 г., уделяя особое внимание технологиям, доступным в развивающихся странах. На самом деле в г. Беркли работают над подобной технологией, но с использованием других материалов, которые также поглощает воду из воздуха – над т. н. металлоорганическим каркасом.
Перспективность получения воды именно из воздуха, а не, скажем, путем опреснения морской воды, увеличивается по мере увеличения концентрации парниковых газов в атмосфере и изменениями климата, вызванного этим. Помните рисунок «Круговорот воды в природе» из школьного учебника по природоведению? По мере потепления этот круговорот становится все интенсивнее, и все большая масса водяных паров попадает в атмосферу, причем самый энергозатратный этап опреснения – испарение воды из океанов и морей – выполняет сама природа.
По материалам издания The Verge
Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok. Долучайтесь!
Переглянуто: 4 282
