Zonne-energie kan meer doen dan alleen maar schone energie leveren: het kan schoon water genereren in droge gebieden

In landen als Canada en Brazilië is de toegang tot zoet water zelden een probleem. De realiteit is echter dat er wereldwijd talloze bevolkte en dorre gebieden zijn waar zoetwater een luxe is. Gelukkig zijn er al oplossingen beschikbaar en worden deze ontwikkeld om dit probleem aan te pakken, zoals atmosferische wateroogstmachines (AWH)

Bij een recente doorbraak hebben onderzoekers een potentieel revolutionaire wateropvanger ontwikkeld die gebruik maakt van op zonne-energie werkende, op passieve adsorptie gebaseerde technologie. De kern van deze innovatie ligt in het gebruik van nieuw ontwikkelde ‘superhygroscopische poreuze gels’. Deze zijn samengesteld uit titaniumnitride, hydroxypropylmethylcellulose en LiCl (THL) en hebben uitzonderlijke wateradsorptiecapaciteiten aangetoond bij een breed scala aan vochtigheidsgraden (15% -90% RH). Er wordt gezegd dat de unieke combinatie van materialen een snelle adsorptie- en desorptiekinetiek mogelijk maakt (de snelheid waarmee een eerder geadsorbeerde stof vrijkomt), waardoor de efficiëntie aanzienlijk wordt verbeterd bij gebruik in atmosferische wateropvangsystemen.

Ocuco's Medewerkers studie vrijgegeven, waarin de bovengenoemde doorbraak wordt beschreven, onderstreept het vermogen van het apparaat om hoge wateropbrengsten te bereiken, zelfs in droge omgevingen, waarbij de praktische toepassing ervan al is gevalideerd door buitentests in verschillende seizoenen.

Deze AWH-technologie, die een duurzame en effectieve aanpak demonstreert om de waterschaarste in droge gebieden te verminderen, steekt gunstig af bij andere door zonne-energie aangedreven waterwinningssystemen en, belangrijker nog, voldoet aan de WHO-normen voor drinkwater.

Atmosferische wateroogstmachines

Daarom is er een nieuwe hygroscopische poreuze gel ontwikkeld die de efficiëntie en effectiviteit van AWH's die over de hele wereld worden gebruikt, zou moeten vergroten. Dit is geweldig, maar hoe werken deze apparaten eigenlijk?

Zoals de naam al aangeeft, is een Atmospheric Water Harvester (AWH) een apparaat dat is ontworpen om water uit de lucht te halen. Deze apparaten zijn vooral waardevol in droge gebieden waar conventionele waterbronnen schaars of vervuild zijn. De technologie achter bestaande AWH's varieert, maar draait over het algemeen om het opvangen van waterdamp uit de lucht en het condenseren ervan tot vloeibaar water.

Het meest voorkomende ontwerp van AWH-systemen is gebaseerd op het principe van condensatie, vergelijkbaar met hoe dauw ontstaat. Dit ontwerp omvat doorgaans:

1. Luchtinlaat: Met behulp van een ventilator wordt lucht in het systeem gezogen.
2. Koeling en condensatie: De vochtige lucht wordt vervolgens afgekoeld tot onder het dauwpunt, vaak met behulp van een koel- of vrieskast Peltier-gekoelde condensor, waardoor de waterdamp condenseert tot druppels.
3. Wateropvang: Het gecondenseerde water wordt opgevangen in een reservoir, gefilterd en soms naar smaak gemineraliseerd.
4. Distributie: Ten slotte wordt het water opgeslagen voor later gebruik of rechtstreeks doorgesluisd voor onmiddellijk gebruik.

AWH-systemen kunnen in grootte variëren van kleine, draagbare eenheden die geschikt zijn voor individueel of huishoudelijk gebruik tot grote installaties op industriële schaal. De efficiëntie van deze systemen hangt grotendeels af van de luchtvochtigheid en temperatuur; hogere luchtvochtigheidsniveaus resulteren doorgaans in een hogere wateropbrengst. Daarom is elke verhoging van de efficiëntie in droge omgevingen welkom, zoals die welke wordt aangeboden door het gebruik van nieuwe superhygroscopische poreuze gels.

Omdat ze in omvang kunnen worden geschaald, worden AWH's vaak in verschillende omgevingen gebruikt:

Dorre en droogtegevoelige gebieden: Ze vormen een cruciale bron van schoon drinkwater in gebieden waar water schaars is.

Militaire toepassingen: Draagbare AWH-eenheden zijn handig voor het leveren van water aan troepen op afgelegen locaties.

Afgelegen gemeenschappen en noodhulp: Ze bieden een directe bron van drinkwater in afgelegen gemeenschappen of tijdens natuurrampen wanneer traditionele waterbronnen niet beschikbaar of vervuild zijn.

Landbouw: Sommige AWH-systemen worden gebruikt voor irrigatie in droge gebieden.

De vooruitgang in de AWH-technologie met behulp van superhygroscopische poreuze gels en MOF's (Metal-Organic Frameworks) staat klaar om te verbeteren ten opzichte van traditionele op koeling gebaseerde systemen, die de mogelijkheid bieden om waterdamp te absorberen tegen veel lagere energiekosten. Deze innovaties moeten AWH's efficiënter en haalbaarder maken in een breder scala aan klimatologische omstandigheden.

Zoetwatervoorziening

Het grootste deel van het zoete water in de wereld bevindt zich in gletsjers en ijskappen, goed voor ongeveer 69% van de mondiale zoetwatervoorraden. Deze bevinden zich voornamelijk in poolgebieden en hooggebergtegebieden, zoals Antarctica, Groenland en verschillende bergketens over de hele wereld. De volgende grootste zoetwaterreservoirs zijn grondwaterbronnen, die ongeveer 30% van het totaal uitmaken. Slechts een klein deel (minder dan 1%) van het zoete water in de wereld is toegankelijk via rivieren, meren en de atmosfeer.

In regio's waar atmosferische wateropvangsystemen (AWH's) nodig zijn, is schoon water vaak moeilijk te vinden vanwege verschillende redenen:

Droge klimaten: Veel regio's waar behoefte is aan AWH's zijn dor of semi-aride met weinig regenval. Dit omvat grote delen van Afrika, het Midden-Oosten, delen van Zuid-Amerika, Centraal-Azië en Australië.

Uitputting en verontreiniging van grondwater: Overmatig gebruik van grondwater voor landbouw en drinkwater, in combinatie met onvoldoende aanvulling, leidt tot uitputting. Bovendien kan grondwater vervuild zijn door natuurlijke en door de mens veroorzaakte verontreinigende stoffen, waardoor het onveilig wordt voor consumptie.

Gebrek aan infrastructuur: In veel afgelegen of onderontwikkelde gebieden ontbreekt het aan de infrastructuur om water te verzamelen, behandelen en distribueren. Vaak gaat dit gepaard met economische beperkingen.

Klimaatverandering: Veranderingen in klimaatpatronen hebben invloed op traditionele waterbronnen. Sommige regio's kampen met langdurige droogtes, terwijl andere te maken krijgen met het smelten van gletsjers, wat gevolgen heeft voor de beschikbaarheid van water op de lange termijn.

Overbevolking en verstedelijking: In dichtbevolkte of snel verstedelijkende gebieden kan de bestaande watervoorziening onvoldoende zijn om aan de vraag te voldoen. Bovendien leidt verstedelijking vaak tot vervuiling van de beschikbare waterbronnen.

Politieke en economische uitdagingen: In sommige gevallen worden het beheer en de distributie van watervoorraden beïnvloed door politieke en economische kwesties, wat leidt tot ongelijke toegang tot water.

AWH's bieden een alternatief door water uit de lucht te halen, wat een haalbare oplossing kan zijn in gebieden waar andere bronnen niet bestaan, onvoldoende of onveilig zijn. Deze technologie is vooral waardevol in gebieden waar de lucht vochtig is, maar er weinig neerslag valt, waardoor conventionele waterbronnen onbetrouwbaar worden.

Huidige oplossingen

In de huidige vorm zijn er verschillende technologieën die concurreren met of een aanvulling vormen op Atmospheric Water Harvesters (AWH's) voor het genereren van zoetwater, vooral in gebieden waar waterschaarste een groot probleem is. Elk heeft echter zijn eigen voordelen en uitdagingen. Enkele van de meer opmerkelijke alternatieve oplossingen zijn onder meer:

Ontzilting: Dit is een van de meest prominente methoden om zoet water te produceren uit zeewater of brak water. Bij ontzilting worden hoofdzakelijk twee technologieën gebruikt: omgekeerde osmose, waarbij water door een semi-permeabel membraan wordt gefilterd, en thermische ontzilting, waarbij water wordt verwarmd en verdampt en vervolgens de stoom wordt gecondenseerd. Ontziltingsinstallaties komen vooral veel voor in droge gebieden zoals het Midden-Oosten. Hoewel effectief, zijn ontziltingsinspanningen doorgaans duur en vereisen ze een grote hoeveelheid energie.

Waterrecycling en hergebruik: Geavanceerde waterbehandelingstechnologieën maken het recyclen van afvalwater tot drinkwater mogelijk. Dit omvat de behandeling van rioolwater, industrieel en landbouwafvalwater. Gerecycleerd water kan voor verschillende doeleinden worden gebruikt, waaronder irrigatie, industriële processen en het aanvullen van de zoetwatervoorziening. Deze aanpak vereist doorgaans grote faciliteiten en hoge bijbehorende exploitatiekosten.

Regenwater Oogst: Dit is een eenvoudigere en meer traditionele methode om regenwater op te vangen en op te slaan voor later gebruik. Regenwateropvangsystemen vangen water op van daken of andere oppervlakken en slaan het op in tanks. Hoewel technologisch minder geavanceerd dan AWH's, is het een duurzame manier om de watervoorziening aan te vullen, vooral in regio's met seizoensgebonden regenval. Omdat deze methode afhankelijk is van de regenval, is deze niet zo betrouwbaar als sommige andere benaderingen. Er is ook geen garantie dat het opvangwater niet verder hoeft te worden behandeld om ervoor te zorgen dat het veilig is voor consumptie.

Mist oogsten: Net als AWH's verzamelen mistoogsters water uit de atmosfeer. Ze gebruiken grote gaasnetten om waterdruppels in de mist op te vangen, die zich vervolgens ophopen en in opvangtanks druppelen. Deze methode is geschikt in kust- of berggebieden waar vaak mist voorkomt.

Grondwater opladen: Dit houdt in dat regenwater of teruggewonnen water de grond in wordt gestuurd om de watervoerende lagen aan te vullen. Technieken omvatten de aanleg van oplaadbassins, infiltratievijvers en het gebruik van doorlatende bestrating. Het is een methode om een ​​duurzame grondwatervoorziening te garanderen, die in veel regio's een belangrijke bron van zoet water is.

Zonnewater nog steeds: Een eenvoudige technologie waarbij zonne-energie wordt gebruikt om verontreinigd of zout water te verdampen en het condensaat wordt opgevangen als gedestilleerd water. Deze methode is meer geschikt voor kleinschalige toepassingen en is vooral nuttig in afgelegen gebieden met veel zonlicht.

Elk van deze technologieën heeft zijn toepassingsniches op basis van geografische, klimatologische en economische overwegingen. In veel gevallen wordt een combinatie van deze technologieën ingezet om een ​​betrouwbare en duurzame watervoorziening te garanderen.