Ett nytt sätt att bedöma effektiviteten hos rivaliserande avsaltningsteknik kan hjälpa till att styra ny utveckling för att leverera dricksvattenförsörjning i stadsområden, visar forskning som utförts på KAUST.

Den globala vattenbehovet nådde ungefär 4000 miljarder kubikmeter år 2000 och beräknas växa med mer än 58 procent till 2030. Sötvattenkällor kan inte hålla jämna steg med denna efterfrågan, och avsaltning av havsvatten blir ett allt viktigare sätt att leverera dricksvatten.

Omkring 60 procent av världens avsaltningskapacitet är beroende av system för omvänd osmos, som använder elektrisk kraft för att driva vatten genom ett membran för att avlägsna salt och andra föroreningar. Andra avsaltningsprocesser använder värme för att avdunsta rent vatten från saltvatten. Världens avsaltningskapacitet förväntas fördubblas under det kommande decenniet, och förenklade beräkningar tyder på att omvänd osmos kan vara ett mer energieffektivt sätt att tillgodose det behovet.

Men Muhammad Wakil Shahzad, Muhammad Burhan och Kim Choon Ng från KAUSTs centrum för avsaltning och återanvändning av vatten, påpeka att de nuvarande sätten att jämföra energieffektivitet i de olika metoderna för avsaltning av havsvatten endast beaktar mängden sekundär energiförbrukning men ignorerar energitypen eller -graden (t.ex. ånga eller el) som förbrukas i processen.

De har visat ett enkelt termodynamiskt tillvägagångssätt som står för mängden och kvaliteten på den energi som behövs för att driva en avsaltningsanläggning. Detta tillvägagångssätt ger en gemensam plattform för jämförelse av energieffektivitet och använder ett vanligt universellt prestanda -förhållande som ger en rättvisare jämförelse mellan avsaltningsmetoder för havsvatten.

Till exempel, gasturbiner med kombinerad cykel (CCGT) är bland de mest effektiva elproducerande kraftverken idag, förbränning av naturgas för att vända en turbin som genererar elen. Men de återvinner också avloppsvärme från gasturbinerna och använder den för att skapa ånga vid högt tryck och hög temperatur, som kan vända separata ångturbiner som bidrar till anläggningens elproduktion.

Värmebaserade avsaltningsanläggningar kan fungera parallellt med CCGT, blöder bort relativt låg temperatur ånga som annars skulle gå till spillo och använda den för att rena vatten genom avdunstning. Forskarna beräknade att utnyttjande av spillvärme från en CCGT på detta sätt säkerställer att det mest effektiva alternativet för termisk avsaltning sker i successiva skeden. Denna användning av spillvärme kallas multieffektdestillation.

Dock, även detta alternativ uppnår fortfarande bara upp till 13 procent av den maximala teoretiska effektiviteten. "Alla praktiska avsaltningsmetoder har energieffektivitet långt under den termodynamiska gränsen, "säger Shahzad. För att uppnå mål för hållbar utveckling, avsaltningens effektivitet bör fördubblas under det kommande decenniet, säger forskarna. "Det måste ske en förändring i teknikparadigmet från det som är tillgängligt idag, " han fortsätter.

Ng föreslår att membran baserade på atom-tunna kolark som kallas grafen, eller hybridsystem som kombinerar flera termiskt drivna processer, kan hjälpa till att uppnå ett paradigmskifte. Termiskt drivna metoder kräver en hybrid av flera termiskt drivna processer; till exempel, en kombination av multi-effektdestillation hybridiserad med en adsorptionscykel som ökar användning av låg värmeeffekt. De tror att upp till 30 procent av den termodynamiska gränsen är ett uppnåeligt mål för hållbar avsaltning av havsvatten inom en snar framtid.