Badanie obalone wysokim kosztem mit o odsalanie wody morskiej

Od lat słyszymy, że odsalanie jest zbyt energochłonne i kosztowne, aby było powszechnie stosowane. Jednak Elon Musk wielokrotnie twierdził, że koszty są „niesamowicie niskie”. Która perspektywa jest bliższa rzeczywistości? Niniejsza analiza bada rzeczywiste zapotrzebowanie na energię i koszty odsalania wody morskiej, ujawniając jej potencjał w rozwiązywaniu globalnego niedoboru wody.

Niniejsze badanie koncentruje się wyłącznie na zużyciu energii i opłacalności odsalania, pomijając ważne, ale odrębne kwestie środowiskowe, takie jak utylizacja solanki. To skoncentrowane podejście pozwala na jaśniejsze zrozumienie podstawowej struktury kosztów odsalania.

Aby lepiej zrozumieć wpływ ekonomiczny odsalania, przeanalizujemy ekstremalne hipotetyczne sytuacje – takie jak zaopatrywanie wszystkich gospodarstw domowych w USA w wodę poprzez odsalanie lub zapewnienie wody pitnej dla całej ludności świata. Chociaż są nierealne, scenariusze te pomagają oszacować skalę kosztów odsalania.

Nowoczesne odsalanie wykorzystuje głównie dwie metody:

• Odsalanie termiczne: Podgrzewa wodę morską, aby odparować i oddzielić wodę od soli, a następnie skrapla parę w świeżą wodę, odprowadzając skoncentrowaną solankę.
• Odwrócona osmoza: Wciska wodę morską przez półprzepuszczalne membrany pod ciśnieniem, filtrując sole i zanieczyszczenia w celu wytworzenia świeżej wody.

Chociaż obie metody działają, odsalanie termiczne zużywa 3-5 razy więcej energii niż odwrócona osmoza. W związku z tym większość nowoczesnych zakładów wykorzystuje technologię odwróconej osmozy, która stanowi podstawę naszej analizy.

Technologia odwróconej osmozy osiągnęła niezwykłą poprawę wydajności. W latach 70. odsalanie jednego metra sześciennego wody wymagało około 20 kWh energii elektrycznej. Dziś liczba ta spadła do 2,5-3,5 kWh. Teoretyczne minimalne zapotrzebowanie na energię wynosi 1 kWh/m³, co sugeruje potencjał dalszego rozwoju.

Do naszych obliczeń użyjemy 3,5 kWh/m³ jako konserwatywnej wartości bazowej – niektóre zakłady działają już poniżej tego progu.

Gdyby wszystkie domy w USA otrzymywały wodę poprzez odsalanie, jak wpłynęłoby to na zapotrzebowanie na energię elektryczną?

Przy średnim zużyciu wody w gospodarstwie domowym wynoszącym 1135 litrów dziennie, całkowite odsalanie zwiększyłoby zapotrzebowanie na energię elektryczną w sektorze mieszkaniowym o około 13%. W Wielkiej Brytanii, gdzie gospodarstwa domowe zużywają mniej wody (349 litrów/dzień), ale ceny energii elektrycznej są wyższe, wzrost wyniósłby około 15%.

Analiza zużycia energii elektrycznej w gospodarstwach domowych w USA ujawnia, że roczne zapotrzebowanie na energię elektryczną w procesie odsalania (1450 kWh) jest porównywalne z głównymi urządzeniami, takimi jak osuszacze, i pozostaje znacznie poniżej zużycia przez podgrzewacze wody, systemy grzewcze lub klimatyzację.

Chociaż 1450 kWh rocznie może być do opanowania dla bogatych krajów, przekracza to całkowite zużycie energii elektrycznej wielu gospodarstw domowych w krajach rozwijających się. Nawet spełnienie minimalnego standardu wody WHO (50 litrów/osobę/dzień) poprzez odsalanie wymagałoby 64 kWh rocznie – co odpowiada zużyciu energii elektrycznej na mieszkańca w Malawi.

Ta dysproporcja podkreśla globalne ubóstwo energetyczne bardziej niż samo zapotrzebowanie na energię w procesie odsalania.

Biorąc pod uwagę, że ludzie potrzebują tylko około 3 litrów dziennie do picia (pozwalając na pewne straty), zaopatrzenie wszystkich 8 miliardów ludzi wymagałoby 31 TWh rocznie – zaledwie 0,1% globalnej produkcji energii elektrycznej. Nawet jeśli jedna trzecia ludzkości borykałaby się z niedoborem wody pitnej, roczne zapotrzebowanie wyniosłoby około 10 TWh.

Spełnienie pełnego podstawowego standardu wody WHO (50 litrów/osobę/dzień) na całym świecie wymagałoby 511 TWh rocznie – około 1,7% światowej produkcji energii elektrycznej.

Oprócz wydatków na energię, odsalanie na dużą skalę wymaga znacznych inwestycji kapitałowych – często największej bariery dla wielu krajów, podobnie jak w przypadku projektów związanych z energią odnawialną, gdzie koszty początkowe przewyższają długoterminową przystępność.

Obecne globalne koszty odsalania wahają się zwykle od 1 do 2,5 dolara za metr sześcienny, chociaż wyjątkowe przypadki, takie jak zakład Sorek B w Izraelu, osiągają 0,41 dolara/m³, a jedno badanie 107 zakładów wskazuje 0,27 dolara/m³ jako najniższy koszt.

Przy amerykańskich stawkach przemysłowych za energię elektryczną (~0,09 dolara/kWh), sam koszt energii dla odsalania wyniósłby 0,45 dolara/m³ (3,5 kWh × 0,13 dolara/kWh). W obszarach o wysokich kosztach, takich jak Kalifornia, może to osiągnąć 0,90 dolara/m³. Ponieważ energia stanowi zazwyczaj jedną trzecią całkowitych kosztów, całkowite koszty mogą osiągnąć 1,50–2,00 dolara/m³ na drogich rynkach.

Przeliczając na wydatki osobiste:

• Średnia w USA (310 litrów/dzień): 154 dolary rocznie
• Średnia w Wielkiej Brytanii: 159 dolarów rocznie
• Minimalny standard WHO: 38 dolarów rocznie
• Podstawowe potrzeby w zakresie wody pitnej: Zaledwie 2,30 dolara rocznie – mniej niż koszty wody butelkowanej w wielu krajach

W sytuacjach kryzysowych koszty te są rzeczywiście niezwykle niskie. Jednak 38 dolarów rocznie pozostaje uciążliwe dla osób żyjących za 2 dolary dziennie – co stanowi ponad dwa tygodnie dochodu.

Rolnictwo stanowi największe wyzwanie dla odsalania, pochłaniając 70% globalnych zasobów słodkiej wody (przekraczając 90% w niektórych krajach tropikalnych). Zastąpienie nawet części wody rolniczej zwiększyłoby zapotrzebowanie na energię elektryczną w wielu krajach o 50–100%, co sprawia, że obecna technologia jest niepraktyczna do powszechnego stosowania w rolnictwie.

Produkcja 1 kg pszenicy z odsolonej wody kosztowałaby 0,66 dolara tylko za wodę – trzykrotność ceny rynkowej pszenicy. W przypadku kukurydzy koszty wody byłyby równe wartości uprawy. Tylko uprawy o wysokiej wartości lub systemy oszczędzające wodę (takie jak rolnictwo w pomieszczeniach) mogą obecnie uzasadniać odsalanie w rolnictwie.