世界の多くの水系において、海水淡水化という技術は不可欠にもかかわらず、十分にこれまでその可能性を発揮することがありませんでした。また、高額なコスト、そしてプロセスや環境問題の非効率さが重なり、その成長はいくぶんか制限され対する意見が分かれるようになってきました。しかし、その状況は今まさに変わろうとしているかもしれません。高水準な投資と先駆的な技術的進歩より、水不足との世界的な戦いの主軸としての地位を海水淡水化がついに確立する可能性があります。

Abdul Latif Jameel、副社長兼副会長、アブドゥル・ラティフ・ジャミール

涙が出そうな水不足の現実

水不足は人道的、経済的、生態学的な危機です。国連食品農業機関(FAO)は、水不足が私たち社会の持続可能な発展にとって、最も緊急な課題の1つであると認識しています。[1]ユニセフおよび世界保健機関(WHO)の最近の報告によると、世界の3人のうち1人が安全な飲料水を入手できない状況となっています。[2]

世界人口の4分の1を占める人口が生活する17カ国が、ベースライン水ストレスの「極めて高い」レベルに直面していると、世界資源研究所が明らかにしています。[3]これらの国のうち12カ国が中東と北アフリカに位置し、そこでは農業、産業、および国内の水利用により、乾燥気候の進行は加速の一途をたどっています。[4]

水不足は、真に地球規模の問題となっています。また、急速に拡大する大規模な需要により、米国、中国、インドは水問題において危険な地域にあたります。2018年、ケープタウンで断水が解除されたのは90日間だけでした。[5]比較的に水が多い地域でも、問題を引き起こす可能性があります。

EUの一部として実施されている研究調査インプレックスプロジェクト[6](水理学的極値の予測と管理の改善) は指摘しています。[7]

淡水(真水)の供給は着実に減少しており、需要は着実に増加しています。20世紀に、世界人口は4倍に増えましたが、水の使用量は6倍に増加しました。[8]

2050年までに、世界の多くの水域で供給量が最大で25%減少する可能性があります。[9]今後30年以内に、一部の地域で水不足はGDPにおいて最大6%の負担となり、大量移民や紛争につながる可能性があると、世界銀行の専門家は、考えています。[10]しかし一方で、これらのリスクはより良い政策決定によって解決できる可能性があり、一部の地域では水資源管理の改善によって成長率が最大6%向上することになります。

ALJ Water Scarcity GDP

でも主要な問題のひとつである水不足は、安全な水とトイレをせかいじゅうに(SDG 6)、気候変動対策(SDG 13)、皆に入手可能なクリーンなエネルギー(SDG 7)、飢餓をゼロに(SDG 2)など、17の開発目標(SDGs)のいくつかに影響を与えます。[11]特に気候変動においては、大きな懸念材料となります。

FAO(国際連合食糧農業機関)は、「地球温暖化が1度進むごとに、世界人口の7%の人々にとって、再生可能な水資源の20%以上を減少することになるだろう」と試算しています。[12]

その答えは明白です。もっと水が必要です。幸いなことに、私たちも水に囲まれています。

あらゆる場所に存在するはずの水

ただし、若干の問題があります。地球の約71%が水に覆われているのに対し、人間が消費できる割合はわずか1パーセントです。また、2パーセントが凍っていて、残りは(膨大な量のナトリウム、他の様々なミネラル、汚染物質、すべての海洋生物と一緒に)海、湖、地下水などにあります。

海水を人間の使用に適した水に変えるのは、直接消費はもちろんのこと、海水に含まれる大量の塩分やその他の不純物の多さが障害となり思ったほど簡単なプロセスではありません。

海水淡水化とは、海水から塩分を抽出し、淡水を生成するプロセスを指します。淡水は、飲料水、または工業用水、農業用水となる超純水に変換できます。

熱脱塩と膜脱塩の 2つの方法が、海水淡水化においては最も一般的です。

熱脱塩は、熱を使用して水を蒸発させ、塩と分離します。膜脱塩では、逆浸透膜(RO)は自然の浸透プロセスを利用し、半透過性の膜を介して水を移し、塩分やその他の不純物を除去します。また、多くの海水淡水化プラントでは、効率を高めるために水の前処理を行っています。

Water Desalination in numbers

174か国にまたがる17,000ヵ所以上の淡水化プラントにより、毎日1億7千万m3の淡水化された水が生産されています。[13]多くの国は、今や淡水化なしでは機能しないでしょう。中東は総生産量の半分弱を占め、アジア、中国、米国、南米でも海水淡水化の生産量が急速に拡大しています。

Desalination by Region

サウジアラビアは、すでに重要な海水淡水化インフラを拡張しています。また、個人レベルでは、アブドゥル・ラティフ・ジャミールは、このAlmar Water Solutionsで、ますます大きな役割を果たし始めています。

Almar Water Solutionsでは、設計、資金調達、運営を含む水インフラ開発に必要な技術的能力を持つ専門家を現場に提供し続け、Abdul Latif Jameel Energyの再生可能エネルギー部門であるFotowatio Renewable Ventures、(FRV)を補完する理想的な存在であることを証明しています。

2019年1月、Almar Water Solutionsはサウジアラビアで、Al Shuqaiq 3 IWPの開発契約を受注しました。これは、世界最大規模の逆浸透海水淡水化プラントの一つです。

このプラントは、紅海の街Al Shuqaiq近郊に位置し、サッカー場34箇所分の広さを持つプラントの開発に6億米ドルが投資されます。2021年に完成予定で、SWPCとの25年間にわたるBOO(建設—所有—運営)計画に基づくと、毎日45万m3のきれいな水を供給することが可能になります。180万人以上がここから淡水を供給されるようになり、伴って700人分の雇用が創出されます。

当社が関与するというニュースは、ケニアの初めての大規模海水淡水化プラントを生産するための契約を獲得してから8週間足らずのうちに報じられました。ケニヤ沿岸に位置するモンバサでは、深刻な水の危機により数年間水の供給が中断されることがありましたが、当プラントが運用を開始すれば10万m3の飲料水をモンバサにで生活する100万人以上に提供することができます。

少量の塩を加えた淡水化(脱塩)の実施

事実上、無限であるこの原料供給は、海水淡水化を潜在的に重要なプロセスとしての資源にしています。この資源は、各国の水への依存度を減らし、世界において最も貧しい国々の一部に安全と繁栄をもたらすことが可能です。しかし残念ながら、時にはそれがエネルギー集約的な高価なものになってしまうこともあります。

平均的な逆浸透圧プラントは、処理量1000ガロンあたり最大13キロワット時まで燃焼します。[14]今日、そのエネルギーのほとんどは、化石燃料から来ています。2020年までに、石炭発電による海水淡水化プラントからの世界のCO2排出量は、2億1,800万トンに達する可能性があります。[15] 気候変動がその原因の大きな部分を占める問題を解決するために二酸化炭素をより多く排出することは、明らかに持続不可能であり、自己破壊的であると言えるでしょう。

皮肉なことに海水淡水化は、それが最も必要とされている地域では、最も非経済的であることが往往にしてあります。エネルギーコストが高いことに加えて、水はその価値と比較して、輸送するには重く、高価なものとなります。またこれは、海水淡水化プラントは通常、沿岸部や使用場所付近に位置し、比較的豊かな産業、商業、または国内需要に供することを意味しています[16]。より多くの貧困層が残された内陸部は、比較的「見放されてしまうのです」。

国連水環境保健大学によると、低所得国や中低所得国で手頃な価格で環境に優しい海水淡水化システムを普及させるためには、技術革新、そしてそのようなスキームの持続可能性を支援するための革新的な金融メカニズムが必要となります。[17]

環境問題

海水淡水化の主な副産物である塩分濃度の高い排水(ブライン)に関する懸念も高まっています。塩水は海水中の酸素濃度を低下させ、海洋生物にとって有害である可能性があるため、その影響を最小限に抑えるためには広範囲に拡散させる必要があると主張する評論家もいます。国連大学からの最新の報告書によると、 海水淡水化プラントは、これまで考えられていたよりもブラインを50%多く排出し、毎年フロリダの水深30cmまで水面下に置くのに十分であることがわかりました。[18]

Desalination process国際海水淡水化協会IDA)、ただし、これらの懸念は多くの場合では以下の理由で軽視されています。「世界中での長期的な経験から、海水淡水化プラントからの排水は環境的に安全であり、水生動植物の変化をもたらさないことが示されています。」[19]

一方で多くの専門家は、ブラインには毒性がないことを認めています。ブラインは単に、元々海にあった塩分と同じ塩分を含んでおり、膜ろ過した後に海に戻しているだけなためです。ブラインを広い範囲に拡散させて希釈する必要があるという点から、海水淡水化プラントから排出される水(海水淡水化水とブライン)はすべて、最終的に通常の水循環の一部として海に戻るため、希釈レベルは自然に維持されるという事実を指摘しています。さらに、雨水はこの希釈率をさらに高め、海が自然な塩分濃度を維持できるようにしています。

イノベーションへの欲求

このような課題があるにも関わらず、私たちが前向きになれる理由はまだたくさんあると強く信じています。最近の技術と研究開発の進歩は、再生可能な海水淡水化が、世界の水システムを一変させる画期的な進歩を遂げようとしていることを示唆しています。

1970年代以降の継続的な技術革新により、逆浸透膜のエネルギー消費量はすでに10分の1にまで削減されており、今後20年間でコストは最大で3分の2にまで低下すると予想されています。[20]前処理、ナノテクノロジーフィルタリング、電気化学的方法に関する広範な研究により、海水淡水化の効率化が期待されています。研究の大半は、逆浸透膜やその他の膜脱塩プロセスで使用される膜の効率を向上させることに焦点を当てています。

Graphene sieve seawater to drinking water
イメージクレジット © マンチェスター大学

ナノ構造の膜は、20%の生産性向上をもたらすことが実証されています。高密度に充填されたカーボンナノチューブを逆浸透膜に使用することで、10年以内に従来の水処理技術と同等のレベルまで、海水淡水化コストを削減できる可能性があります。[21]

マンチェスター大学の科学者は最近、海水を飲料水に変換するグラフェンのふるいを開発しました。このグラフェンのふるいは、スケールアップできれば大きな可能性を秘めています。[22]査読済みジャーナル 自然ナノテクノロジーへのコメントとして、 マンチェスター大学のラフール・ルヴィンドラン・ネール教授は次のように述べています:「原子レベルまで均一な細孔径を持つスケーラブルな膜の実現は大きな前進であり、海水淡水化技術の効率化に新たな可能性を拓くものです。」[23]

別の英国企業であるG20は、酸化グラフェンを使用して、既存のポリマーベースのメンブレンフィルターの有効性を改善しています。[24]

自然から学ぶもの

自然から学べる化学のレッスンもたくさんあります。

最もエキサイティングな研究の一部は、進化によって考案された独創的な水輸送ソリューションを模倣しようとしています。微生物をモデルとしたアクアポリン構造を持つバイオミメティック膜は、研究の初期段階にありますが、低エネルギーの海水淡水化において画期的な進歩をもたらす可能性があります。[25]

植物が土壌から水を吸収するプロセスである順浸透は、すでに工業廃水処理に利用されており、海水淡水化にも適している可能性があります。圧力を利用する逆浸透とは異なり、順浸透は低エネルギーのプロセスです。「切り替え可能な塩分」は海水から純水を抜き、膜の反対側に沈殿させます。加熱された空気をブリニー添加剤を通して強制的にガスに変換し、エネルギー効率の高いループで回収して再利用することができます。[26]

研究者はプラントに利益を還元しています。水不足は、農業の海水淡水化への依存度が高まっているということを意味します。それでも、使用されている主要な技術である逆浸透は、多くの水を無駄にし、肥料を通して追加する必要がある有用な栄養素を除去します。しかし、最先端の研究は、ここでも新たな解決策の可能性を開拓しています。

インテリジェント選択的電気透析(ISED)は、カルシウムやマグネシウムなどの有用な栄養素を維持しながら、植物が好まないイオン(ナトリウムや塩化物のような一価(単電荷)イオン)を水から選択的に除去します 」と、MITのアブドゥル・ラティフ・ジャミールの水と食の安全研究所(J-WAFS)の博士課程の学生であるキショール・ゴヴィンド・ナヤール氏は言います。 「このソリューションは、逆浸透と比べ、水の消費量を最大25%、肥料の使用量を30%削減できると考えています」とキショール氏は付け加えています。

逆浸透の主な問題の1つは、塩分や生物学的活性物質(生物付着)による膜の汚れです。[27]入水の化学的前処理は、高価で時間がかかり、部分的にしか効果がありません。最近では環境に優しい海水淡水化への意欲が各地で高まっており、高度な前処理設計と操作により、使用される化学物質が削減されています。スアンヘ・チョウ教授と彼のチームは、振動を利用した 膜洗浄技術を開発しています。これは、膜の効率と寿命を向上させ、逆浸透のコストを削減する能力を備えたものです。

スアンヘ・チョウ氏(MIT機械工学科ノイス・キャリア開発教授)

これらすべての効率向上技術により、生産(高)を増やすことが容易になります。

また、海水淡水化プロセス自体を「よりクリーン」にすることに焦点を当てた技術革新も盛んに行われています。

いわゆる「ゼロ液体排出」[28](ZLD)システムは、例えば、リサイクルによって廃水を処理した後、回収して産業用に再利用することで、ブラインの生成を削減します。

Desalination typical zero liquid process現在は高コストのプロセスですが、ZLDは塩分やその他の潜在的に有用な鉱物を廃水から回収することで、経済的な利益への道を切り開きます。 。

海には世界最大のリチウムの埋蔵量があり、他にもカルシウム、ナトリウム、マグネシウム、カリウムなどの貴重なミネラルも含まれています。将来的にはこれらの鉱物を分離し、工業用、家庭用、農業用などの副産物として淡水化した水(脱塩水)を製造する技術を確立して、水不足に関する問題の解決に貢献することが期待されています。

国連大学の最近の報告書では、上記の物質を抽出する費用対効果の高い方法を開発するため、多くの産業にとって不可欠であるこの投資を行うよう人々に呼びかけています。[29]

海水淡水化技術の最大ユーザーの1つであるサウジアラビアの食塩水変換公社脱塩技術研究所(SWCC)はこのほど、海水から高ミネラル含有量の2つのストリームを生成するデュアルブライン濃縮装置の特許を取得しました。[30]また、塩水からのカルシウムは、淡水化水の後処理にも使用することができ、市販されている化合物への依存を軽減します。[31]

明るい未来

これらの新しい技術は有望なものですが、将来の飲用可能性は今すぐ行動を起こすことにかかっています。

真に持続可能で費用対効果の高い水技術を実現するためには、効率を高めるベストプラクティス、さらに重要なことに持続可能なエネルギーへの投資を増やす必要があります。

IDA logoThe International Desalination Association’s (IDA) のグローバル・クリーン・ウォーター脱塩アライアンスは、2020年から2025年の間に、新規プラントの20%を再生可能エネルギーによって電力供給するという目標を掲げています。[32]同アライアンスは、エネルギー・海水淡水化産業、水道事業、政府、金融機関、学術機関、研究開発機関などの主要なステークホルダーを結集し、「既存の海水淡水化プラントからのCO2排出量を削減し、協調的な行動を通じてクリーンな海水淡水化技術の利用を拡大することを目標としている 」としています。[33]

将来を見据えた国の政府は、すでに動き出しています。サウジアラビアは、2023年までに再生可能エネルギーを9.5GW発電という目標をビジョン2030として掲げています。また西オーストラリア州では、すべての新しい海水淡水化プラントは、再生可能エネルギーをすでに使用している必要があります。オーストラリア初のパース海水淡水化プラント (SWRO)は、風力発電所で発電された電力を利用しています。

エネルギー効率を高める設計

プラントの効率を上げるには、コロケーション、コジェネレーション、ハイブリッド技術の3つの方法があります。

併設プラントでは、近隣の発電所からの冷却水を給水源として使用します。というのは、すでに温められているこれらの水を使用することでこのプロセスで消費されるエネルギーを少なくすることができるからです。その後、副産物の水が発電所の冷却水の流出口に加えられ、希釈されてから海に戻ります。例えば、フロリダ州のタンパベイ海水RO淡水化施設では、タンパエレクトリック(TECO)のビッグベンド発電所の冷却システムから、温かい海水を最大4億4,400万ガロン使用しています。[34]

コジェネレーションプラントは、化石燃料の使用量を削減するために、発電所からの廃蒸気を追加エネルギー源として使用します。

ハイブリッドプラントでは、プラントの性能を最適化するためにさまざまな処理方法を組み合わせています。例えば、ノースカロライナ州のハッテラス岬淡水化プラントではに、汽水のための逆浸透や有機物含有率の高い水のためのイオン交換[35]などを組み合わせています。[36]

効率的な設計は不可欠ですが、真のチャンスは化石燃料を再生可能なエネルギー源に置き換えることにあります。水力、地熱、原子力は、海水淡水化の需要を満たす高レベルの一貫したエネルギーを供給できる成熟した技術です。最近まで、太陽エネルギーや風力エネルギーは、海水淡水化プラントの電源としては高価すぎて実行可能なものではないと考えられていましたが、今ではその認識が急速に変わりつつあります。

太陽エネルギーの可能性を解き放つことは、特に重要です。というのは、もちろん、水が最も少ない国の多くでは太陽の熱が最も多いからです。

幸いなことに、技術的進歩により、太陽発電の可能性が現実のものとなっています。

J-WAFSと中国の研究者が開発したパッシブソーラー発電による海水淡水化システムは、1m2のソーラーパネル面積から1時間あたり1.5ガロンを超える新鮮な飲料水の生産を実現できる可能性があります。この高効率のシステムでは、各ステージから放出される熱を使用して次のステージに電力を供給します。MITによると、「このシステムは、効率的で低コストの水資源を提供することでオフグリッドの乾燥した海岸エリアに貢献できる可能性があります。」 [37]

多くの再生可能エネルギー駆動の開発は、その資金を提供できないコミュニティを支援するためのいくつもの組織によって支えられています。非営利団体であるGivePowerは、世界中の貧困コミュニティに、バッテリー駆動の太陽光エネルギーによる海水淡水化システムを提供しています。[38]ケニアにあるこのような海水淡水化プラントは、約25,000人分の飲料水を2年間毎日最大19,800ガロン供給しています。[39]

GreenPower Kenya
GivePowerが初めて太陽光海水淡水化施設をケニアに開設。写真提供:© GivePower

再生可能エネルギーは、低中所得国に特別な利益をもたらします。海水淡水化から太陽光発電への切り替えは、石油を輸出用に解放する一方で、カーボンニュートラルな電力を提供し、経済を活性化させます。また、海水淡水化は発電所よりも町や都市に近いため、物流コストや廃棄物のリスクを軽減することができます。

すべての人のための水

今や海水淡水化は不可欠な技術のひとつであり、水供給への圧力が高まるにつれて、より一層重要になっていくことでしょう。政治の安定、経済成長、そして何百万人もの人々の生存の持続は、それに依存しています。

水不足という課題に対処するには消費量を削減し、より効率的な廃水リサイクルを開発するための協調的な取り組みが必要です。淡水化は、地球の未来を確実にしていくためのツールキットの重要な一部であり続けるでしょう。

水の危機はすべての人の責任です。しかしそれこそが、私たちがこの課題を共に解決できると信じるに足る理由です。

政治的責任と個人的責任がこの議題に関しての討論を後押しします。再生可能エネルギーへの投資と技術革新は、最も必要としている人々に信頼性の高い海水淡水化を提供し、化石燃料への依存度を減らし、気候変動の影響を緩和することになります。そして新しい技術は、生産性、効率性、廃棄物管理における飛躍的な進歩をもたらし、すべての人々の持続可能な未来の確保に貢献します。

 

[1] http://www.fao.org/about/en/

[2] https://www.who.int/news-room/detail/18-06-2019-1-in-3-people-globally-do-not-have-access-to-safe-drinking-water-unicef-who

[3] https://www.wri.org/news/2019/07/release-updated-global-water-risk-atlas-reveals-top-water-stressed-countries-and-states

[4] https://www.wri.org/blog/2019/08/17-countries-home-one-quarter-world-population-face-extremely-high-water-stress

[5] https://www.weforum.org/agenda/2019/08/cape-town-was-90-days-away-from-running-out-of-water-heres-how-it-averted-the-crisis/

[6] http://www.imprex.eu/

[7] 水資源の観点から見た、欧州経済の世界中の他地域への依存度

[8] https://www.mckinsey.com/business-functions/sustainability/our-insights/water-a-human-and-business-priority

[9] https://www.mckinsey.com/business-functions/sustainability/our-insights/climate-risk-and-response-physical-hazards-and-socioeconomic-impacts

[10] https://www.worldbank.org/en/topic/water/publication/high-and-dry-climate-change-water-and-the-economy

[11] https://www.un.org/sustainabledevelopment/sustainable-development-goals/

[12] http://www.fao.org/zhc/detail-events/en/c/880881/

[13] https://idadesal.org/wp-content/uploads/2019/04/World-Bank-Report-2019.pdf

[14] https://www.nationalgeographic.com/environment/2019/01/desalination-plants-produce-twice-as-much-waste-brine-as-thought/

[15] エネルギー効率の高い脱塩、International Water Summit、2018年1月15~18日

[16] https://idadesal.org/wp-content/uploads/2019/04/World-Bank-Report-2019.pdf

[17] https://www.unenvironment.org/news-and-stories/story/towards-sustainable-desalination

[18] https://unu.edu/media-relations/releases/un-warns-of-rising-levels-of-toxic-brine.html

[19] https://idadesal.org/wp-content/uploads/2019/10/EEC-White-Paper-10-13.pdf

[20] https://idadesal.org/wp-content/uploads/2019/04/World-Bank-Report-2019.pdf

[21] https://idadesal.org/wp-content/uploads/2019/04/World-Bank-Report-2019.pdf

[22] https://www.manchester.ac.uk/discover/news/graphene-sieve-turns-seawater-into-drinking-water/

[23] https://www.nature.com/articles/nmat5025

[24] https://www.theguardian.com/world/2019/apr/10/desalination-world-clean-water-crisis

[25] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6161077/

[26] https://www.herox.com/blog/162-the-challenge-of-desalination

[27] 動く標的を対処する:有害な藻が花開く

[28] https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/zero-liquid-discharge

[29] https://unu.edu/media-relations/releases/un-warns-of-rising-levels-of-toxic-brine.html

[30] https://saudigazette.com.sa/article/571985

[31] https://idadesal.org/wp-content/uploads/2019/10/EEC-White-Paper-10-13.pdf

[32] https://idadesal.org/

[33] http://climateinitiativesplatform.org/index.php/Global_Clean_Water_Desalination_Alliance_(GCWDA)

[34] https://www.waterworld.com/home/article/14071194/desalination-opportunities-and-challenges

[35] https://www.researchgate.net/publication/283276150_Desalination_by_Ion_Exchange#:~:text=Ion%20exchange%20is%20the%20most,combined%20with%20selective%20ion%20exchange.

[36] https://www.waterworld.com/home/article/14071194/desalination-opportunities-and-challenges

[37] http://news.mit.edu/2020/passive-solar-powered-water-desalination-0207

[38] https://givepower.org/projects-2/

[39] https://bigthink.com/technology-innovation/solar-power-desalination