Technoeconomic Framework for Evaluating Desalination and Brine Management Pathways across the United States

水は人類の生命にとって最も不可欠な資源ですが、その入手方法は変化しつつあります。何世紀もの間、社会は川、湖、そして地下帯水層に頼ってニーズを満たしてきました。しかし、人口が増加し気候が変化するにつれ、これらの伝統的な水源は逼迫、あるいは枯渇しつつあります。これに対応するため、技術者たちは海や、地球のより深く塩分を含んだ層へと目を向けています。水を真水に変えるプロセスである「脱塩」は強力な手段ですが、それは副産物、すなわち「ブライン（濃塩水）」と呼ばれる、厚く塩分の多い液体を生み出します。この廃棄物を管理することは、真水を作るのと同様に極めて重要です。もし未処理のまま放置されれば、ブラインは環境に害を及ぼす可能性がありますが、それを処分するには費用とエネルギーがかかります。今日の水資源プランナーが直面している中心的な問いは、単にどのように真水を作るかではなく、コミュニティの所在地や、扱う塩水の性質に応じて、いかに手頃な価格で安全に行うかという点にあります。

ジョージア工科大学の研究チームは、全米を対象としたこの問いに対する答えとなる新しい手法を開発しました。彼らは、異なる種類の塩水を真水に変える際の真のコストを算出する詳細なマップを作成しました。その際、残ったブラインを処理する費用も考慮に入れています。彼らの研究では、海岸線の海水、内陸で見られる汽水質の地下水、そして石油やガスの採掘時に地上に汲み上げられる塩水の多い液体である「生産水」という、3つの主要な塩水の供給源を調査しました。それぞれの供給源に対し、廃棄物の処理方法として、海へ放出する、地中深くへ注入する、あるいはすべての水を蒸発させて固体の塩を回収する複雑なシステムを用いる、という3つの方法をテストしました。全米にわたる数千回の計算を実行した結果、最善の解決策は、水の塩分濃度と、その場所から海までの距離という2つの要素に完全に依存することが分かりました。

研究者たちは、沿岸部の都市にとっては、最もシンプルなアプローチがしばえる最善であることを発見しました。プラントが海に近い場合、海水をフィルターに通して真水を作り、その塩分を含んだブラインを海に戻すことができます。この方法は安価であり、生産される水1立方メートルあたり1ドルから1.5ドルのコストで済みます。しかし、この選択肢は、内陸部へ進むにつれて非現実的なものになります。例えば、デンバーのような場所へ海岸から真水を輸送する場合、輸送コストが加わることで、総価格は1立方メートルあたり約3.5ドルまで跳ね上がります。この研究は、内陸地域においては、海岸から水を運ぶよりも、現地の塩水を処理する方が合理的であることを示しています。

内陸の供給源に目を向けると、水のタイプが非常に重要になります。塩分が比較的少ない地下水がある地域では、廃棄物を処理する最も経済的な方法は、地質学的構造の中へ深く注入する「深井戸注入法」です。これにより、重い塩水を海まで輸送するという高いコストを回避できます。研究者たちは、海岸から遠い場所にある低塩分度の水の場合、塩を回収しようとする試みは、通常、経済的に見合わないことを発見しました。水を沸騰させて塩を回収するために必要な設備は、建設と運用に多額の費用がかかり、回収できる少量の塩ではそのプロセスを賄うことができません。このようなケースでは、水の製造コストは1立方メートルあたり1ドルから3ドルの間に留まりますが、塩回収システムが余計な支出を増やしすぎるため、割に合いません。

状況は、石油やガス事業から出る生産水のような、非常に塩分が高い水の場合には変わります。このような高塩分度のケースでは、経済的な理屈が逆転します。水の中に非常に多くの塩が含まれているため、塩を回収するシステムは、塩を売ることで利益を生み出すことができるからです。この収益が、濃度を高め結晶化させるための装置が必要とする高いコストを相殺します。研究は、これらの特定の非常に塩分が高い内陸の供給源に対しては、「ゼロ・リキッド・ディスチャージ（液体排出ゼロ）」システム、つまりプラントから廃棄物として水が一切出ない仕組みが、実行可能であり、時には好ましい選択肢となることを示唆しています。研究者たちは、これらの高塩分供給源において、塩の回収がコストのかかる廃棄物問題を収益源へと変え、プロセス全体のコストを抑えることができると指摘しています。

チームは、これらの知見を可視化するために、意思決定ツールとして機能するガイドを作成しました。それは、コミュニティが海岸からおよそ500〜700キロメートルの範囲内にあれば、海水をポンプで汲み上げて海へブラインを放出するのが最も安価な経路であることを示しています。もしコミュニティがさらに内陸にあり、かつ塩分含有量が低い水を持っているならば、廃棄物を地下へ注入することが最善の選択です。もし内陸の水が非常に塩分が高いのであれば、塩を回収することが最も合理的な経済戦略となります。このフレームワークは、「万能な解決策」という考え方を超え、カリフォルニアの沿岸都市に有効な解決策が、アメリカ中部の町には通用しないという事実を認識させるものです。

また、この研究は、別の新興技術である「空気から直接水を取り出す技術」とも比較を行いました。大気中の水分を捕らえることは、乾燥した地域にとって完璧な解決策のように思えるかもしれませんが、研究者たちはこれが脱塩よりも大幅に高価であり、1立方メートルあたり約11ドルから13ドルかかると結論付けました。この高い価格設定により、空気から水を取り出すことは、塩水の利用ができず、他のどこからも水を輸送することが不可能な、極めて小さく孤立したコミュニティにおいてのみ現実的な選択肢となります。大多数の人々にとって、進むべき道は、すでに地面や海に存在する塩分を含む水資源を管理することの中にあります。

結局のところ、この研究は、米国における将来の水資源に向けた、明確でデータに基づいたロードマップを提供しています。脱塩は水不足に対処するための不可欠なツールであることを確認した一方で、その成功は、適切な技術を適切な場所に適合させられるかどうかにかかっています。輸送コスト、現地の水の塩分濃度、そして廃棄物の価値を理解することで、コミュニティは技術的に可能であるだけでなく、経済的にも持続可能な道を選択することができます。この研究は、注意深い計画さえあれば、米国は財政を破綻させたり環境を破壊したりすることなく、増え続ける人口のニーズを満たすために真水の供給を拡大できることを示唆しています。