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

Water is de meest essentiële hulpbron voor het menselijk leven, maar de manier waarop we er toegang toe krijgen, verandert. Eeuwenlang hebben samenlevingen vertrouwd op rivieren, meren en ondergrondse aquifers om aan hun behoeften te voldoen. Maar naarmate de bevolking groeit en het klimaat verandert, komen deze traditionele bronnen onder druk te staan of raken ze uitgeput. Als reactie hierop hebben ingenieurs zich gericht op de oceanen en de diepere, zoutere lagen van de aarde voor zoet water. Het proces van het verwijderen van zout uit water, bekend als ontzilting, is een krachtig hulpmiddel, maar het creëert een bijproduct: een dikke, zoute vloeistof die pekel wordt genoemd. Het beheer van dit afval is net zo cruciaal als het maken van het zoete water zelf. Als het onbehandeld blijft, kan pekel het milieu schaden, maar het wegwerken ervan kost geld en energie. De centrale vraag waar waterplanners vandaag de dag voor staan, is niet alleen hoe ze zoet water kunnen maken, maar hoe ze dat op een betaalbare en veilige manier kunnen doen, afhankelijk van waar een gemeenschap zich bevindt en met wat voor soort zout water ze moeten beginnen.

Een team onderzoekers aan het Georgia Institute of Technology heeft een nieuwe manier ontwikkeld om deze vraag voor de gehele Verenigde Staten te beantwoorden. Ze hebben een gedetailleerde kaart gemaakt die de werkelijke kosten berekent van het omzetten van verschillende soorten zout water in zoet water, terwijl ook de kosten voor het verwerken van de overgebleven pekel worden meegerekend. Hun werk kijkt naar drie hoofdbronnen van zout water: zeewater aan de kust, brak grondwater dat landinwaarts wordt gevonden, en geproduceerd water, een zoute vloeistof die aan de oppervlakte komt tijdens olie- en gaswinning. Voor elke bron testten ze drie verschillende manieren om met het afval om te gaan: het terugpompen in de oceaan, het diep onder de grond injecteren, of het gebruiken van een complex systeem om al het water te verdampen en het vaste zout terug te winnen. Door duizenden berekeningen door het hele land uit te voeren, ontdekten ze dat de beste oplossing volledig afhangt van twee dingen: hoe zout het water is en hoe ver de locatie van de oceaan verwijderd is.

De onderzoekers ontdekten dat voor kuststeden de eenvoudigste aanpak vaak de beste is. Als een installatie nabij de zee staat, kan het zeewater door een filter pompen om zoet water te maken en vervolgens de zoute pekel terug naar de oceaan pompen. Deze methode is goedkoop en kost tussen de één en anderhalve dollar voor elke kubieke meter geproduceerd water. Deze optie wordt echter onpraktisch naarmate een stad verder landinwaarts ligt. Het transporteren van zoet water van de kust naar een plaats als Denver, bijvoorbeeld, voegt zoveel kosten toe dat de totale prijs stijgt naar ongeveer drie en een halve dollar per kubieke meter. De studie laat zien dat het voor landinwaartse gebieden zinvoller is om lokaal zout water te behandelen dan om zoet water vanaf de kust te verschepen.

Bij het kijken naar landinwaartse bronnen, doet het type water er sterk toe. Voor gebieden met licht zilt grondwater is de meest economische manier om met het afval om te gaan het diep in geologische formaties pompen, een methode genaamd diepe putinjectie. Dit voorkomt de hoge kosten van het transporteren van de zware, zoute vloeistof terug naar de oceaan. De onderzoekers ontdekten dat voor water met een laag zoutgehalte dat ver van de kust wordt gevonden, het proberen te winnen van het zout meestal een financieel verliesgevende onderneming is. De apparatuur die nodig is om het water te laten koken en het zout te verzamelen, is duur om te bouwen en te exploiteren, en de kleine hoeveelheid gewonnen zout kan de kosten van het proces niet terugbetalen. In deze gevallen blijven de kosten voor het maken van het water tussen de één en drie dollar per kubieke meter, maar het systeem voor zoutwinning voegt te veel extra kosten toe om de moeite waard te zijn.

De situatie verandert wanneer het water zeer zout is, zoals het geproduceerde water uit olie- en gasoperaties. In deze gevallen met een hoog zoutgehalte keert de economie. Omdat er zoveel zout in het water zit, kan een systeem dat het zout terugwint daadwerkelijk geld verdienen door het zout te verkopen. Deze inkomsten helpen de hoge kosten van de apparatuur die nodig is om de pekel te concentreren en te kristalliseren te compenseren. De studie suggereert dat voor deze specifieke, zeer zoute landinwaartse bronnen, een zero-liquid-discharge systeem — waarbij geen water als afval de installatie verlaat — een levensvatbare en soms voorkeursoptie is. De onderzoekers merkten op dat voor deze hoogzoute voedingen, de zoutwinning een kostbaar afvalprobleem kan veranderen in een inkomstenstroom, waardoor het hele proces betaalbaarder wordt.

Om deze bevindingen te visualiseren, heeft het team een gids gemaakt die fungeert als een besluitvormingstool voor waterplanners. Het laat zien dat als een gemeenschap zich binnen ongeveer 500 tot 700 kilometer van de kust bevindt, het pompen van zeewater en het lozen van de pekel in de oceaan de goedkoopste weg is. Als de gemeenschap verder landinwaarts ligt maar water met een laag zoutgehalte heeft, is het injecteren van het afval ondergronds de beste keuze. Als het landinwaartse water zeer zout is, dan wordt het terugwinnen van het zout de meest verstandige economische strategie. Dit kader helpt om voorbij een 'one-size-fits-all' benadering te gaan, door te erkennen dat een oplossing die werkt voor een kuststad in Californië niet zal werken voor een stad in het midden van het land.

De studie vergeleek deze ontziltingsmethoden ook met een andere opkomende technologie: het water rechtstreeks uit de lucht halen. Hoewel het opvangen van vocht uit de atmosfeer een perfecte oplossing lijkt voor droge gebieden, vonden de onderzoekers dat dit aanzienlijk duurder is dan ontzilting, met kosten van ongeveer elf tot dertien dollar per kubieke meter. Dit hoge prijskaartje betekent dat het halen van water uit de lucht alleen een realistische optie is voor zeer kleine, afgelegen gemeenschappen waar geen zout water beschikbaar is en het transporteren van water vanuit waar dan ook onmogelijk is. Voor de overgrote meerderheid van de bevolking ligt de weg vooruit in het beheren van de zoutere waterbronnen die al aanwezig zijn in de grond en de zee.

Uiteindelijk biedt dit onderzoek een duidelijk, op gegevens gebaseerd stappenplan voor de toekomst van water in de Verenigde Staten. Het bevestigt dat hoewel ontzilting een noodzakelijk instrument is om waterschaarste te bestrijden, het succes ervan afhangt van het matchen van de juiste technologie aan de juiste locatie. Door begrip te tonen van de specifieke kosten van transport, de ziltigheid van het lokale water en de waarde van de afvalproducten, kunnen gemeenschappen kiezen voor een pad dat niet alleen technisch mogelijk, maar ook economisch duurzaam is. Het werk suggereert dat met zorgvuldige planning de Verenigde Staten hun zoetwatervoorraad kunnen uitbreiden om aan de behoeften van hun groeiende bevolking te voldoen zonder dat dit de bank brengt of het milieu schaadt.