Tekst: Wim Swinnen
Aan water is er geen gebrek op deze planeet, wel aan een economisch rendabele methode om zeewater drinkbaar te maken. Ontziltingsfabrieken maken gebruik van membraantechnologie, waarbij het water onder hoge druk door uiterst fijnmazige vliezen wordt gestuwd om zout en andere deeltjes te filteren. Een duur en energieverslindend systeem. Zit er desondanks toekomstmuziek in?
De drinkwatervoorziening staat wereldwijd onder druk. Daaruit volgt dat de diversifiëring van waterbronnen noodzakelijk is, bijvoorbeeld door het ontzilten van zeewater. Maar een duurzame technologie ontwikkelen om deze schier onuitputtelijke bron te ontsluiten, blijkt geen lachertje te zijn. Systemen die op energiezuinige manier zout en brak water ontzilten vergen nog heel wat onderzoek, aldus bio-ingenieurs Marjolein Vanoppen en Arnout D’Haese (UGent), die zich toeleggen op industriële en circulaire watertechnologie. ‘Zoet water maakt slechts drie procent uit van al het water op deze planeet. Bovendien is het grotendeels onbereikbaar omdat het vastzit in bevroren poolkappen en permafrost. Tot overmaat van ramp springen we allesbehalve zuinig om met de beschikbare voorraad. Elke dag verbruiken jij en ik gemiddeld ongeveer honderd liter leidingwater, onder andere om te koken, (ons) te wassen en het toilet door te spoelen’ legt Vanoppen uit.
Brengen we echter alle producten die we gebruiken in rekening, dan bedraagt ons dagelijks waterverbruik maar liefst 7.400 liter per persoon. Voor de productie van voedingswaren, kleding en gebruiksvoorwerpen is een grote hoeveelheid water nodig. Daarvan slorpt voeding drie vierde op. Zo is voor de biefstuk op je bord bijna vierduizend liter water gebruikt, voor een brood zeshonderd liter en voor een gewoon pintje 75 liter, aldus Vanoppen.
Van het beschikbare zoet water vloeit zeventig procent naar de landbouw. Ondertussen blijft de wereldbevolking toenemen. Elke dag komen er bijna 230.000 mensen bij. In 2050 lopen we met ongeveer negen miljard mensen rond op aarde, een kwart meer dan vandaag. Daar komt nog bij dat de levensstandaard wereldwijd blijft stijgen. Vanoppen schat dat we over dertig jaar zeventig procent meer voedsel zullen nodig hebben. Dat betekent dat de behoefte aan water sterk zal toenemen.
Omgekeerde osmose
In ons land wordt de helft van het drinkwater opgepompt uit de grond. De rest komt van oppervlaktewater zoals rivieren en kanalen. Bij langdurige droogte, een desastreus fenomeen, dat ten gevolge van de klimaatverandering alleen maar frequenter wordt, komt onze watervoorraad in het gedrang. Om deze schaarste te verhelpen zouden we een voorbeeld kunnen nemen aan bepaalde landen in het Midden-Oosten. Omdat daar weinig oppervlaktewater is, wordt zeewater gedestilleerd om er zout aan te onttrekken. Hierbij kookt men het water onder hoge druk, zodat zouten en het verdampte water van elkaar worden gescheiden. Na condensatie van de waterdamp is het ontzilte zeewater perfect drinkbaar. Alleen kost deze techniek hopen energie. Voor het produceren van duizend liter drinkwater, zo rekent Vanoppen voor, heb je tweeduizend liter zeewater nodig. Het energieverbruik loopt daarbij op tot 15 tot 30 kWh. Dat is niet gering als je weet dat een Belgisch gezin met twee volwassenen en twee kinderen 9 à 10 kWh elektriciteit per dag verbruikt.
Er bestaat gelukkig een oplossing die energie-efficiënter is: membraantechnologie, gebaseerd op omgekeerde osmose. ‘Dat is volgens mij de ontziltingsmethode met het meest toekomstpotentieel’, oordeelt Arnout D’Haese. ‘Momenteel heeft deze technologie een marktaandeel van zeventig procent. De reden is eenvoudig: ze verbruikt het minst energie.’
Osmose is een proces op basis van diffusie, een basisprincipe in de fysica, waarbij een toestand van onevenwicht zo veel mogelijk evolueert naar een toestand van evenwicht. Neem nu verschillen in de concentratie of de sterkte van een oplossing. Deeltjes van plaatsen met een hoge concentratie zullen zich spontaan verplaatsen naar plaatsen met een lage concentratie tot de sterkte van de oplossing overal dezelfde is.
Stel dat er zich in een U-vormige buis aan de ene kant zeewater en aan de andere kant leidingwater bevindt. Onderaan worden zout en zoet water van elkaar gescheiden door een halfdoorlatende wand – het membraan. Dat fijnmazige vlies laat opgeloste stoffen niet door, maar vloeistof wel. Een gedeelte van het leidingwater stroomt door het membraan naar het zeewater en vermengt zich ermee. Uiteindelijk zal er in het water in beide delen van de buis dezelfde hoeveelheid zout zitten.
‘Bij omgekeerde osmose wordt een concentratieverschil gecreëerd’, legt D’Haese uit. ‘Door er hoge druk op uit te oefenen wordt het zeewater door het membraan gestuwd, terwijl het zout wordt tegengehouden. Zo kun je van duizend liter zeewater vijfhonderd liter drinkwater maken. Daarvoor heb je wel grote, krachtige pompen nodig die een druk van zestig bar kunnen ontwikkelen. Ter vergelijking: de luchtdruk op de begane grond is ongeveer een bar.’
Elektriciteit uit zeewater
Niet alleen zout, maar ook andere mineralen raken niet door het halfdoorlatende membraan. Omdat gedemineraliseerd water schadelijk voor de gezondheid is, moet er aan het ontzilte zeewater nog magnesium en calcium worden toegevoegd. Al bij al is zee- in drinkwater veranderen via omgekeerde osmose een dure aangelegenheid, die nog altijd relatief veel energie vergt. En dan rijst uiteraard de vraag of het sop de kool wel waard is. ‘Op veel plaatsen heeft men geen keuze’, repliceert D’Haese. ‘Rond de Middellandse Zee, op het Arabisch schiereiland, in het Midden-Oosten, maar ook in Californië en Australië, waar laatst een van de grootste ontziltingsinstallaties ter wereld werd gebouwd, is er te weinig zoet water voorhanden om aan de noden van de plaatselijke bevolking te voldoen. Daar is dus geen alternatief.’
‘Naast de membraantechnologie zijn er overigens nog diverse distillatietechnieken, die als de belangrijkste ontziltingsmethodes golden vooraleer omgekeerde osmose werd uitgevonden. Ze zijn minder efficiënt, maar worden nog altijd gebruikt omdat men de afvalwarmte die wordt gegenereerd, kan recupereren. Bijvoorbeeld om koeling te voorzien voor de energiecentrale waar het ontziltingsproces plaatsvindt.’
Het onttrekken van zout aan zeewater – op welke manier dat ook gebeurt – energieneutraal maken ziet D’Haese niet meteen gebeuren. ‘Ontzilten is een scheidingsproces dat per definitie energie kost. Volgens de wetten van de fysica kunnen we daar helaas niet onderuit.’
Zou het daarom niet mooi zijn als we niet alleen kraantjeswater, maar ook elektriciteit uit zeewater konden puren? Bijvoorbeeld via energiewinning uit de getijden, de stromingen en de golven. Ook temperatuurverschillen tussen waterlagen kunnen stroom opleveren. Hierbij drijft koud zeewater, dat wordt opgepompt uit diepere lagen en in een warmtewisselaar wordt gecombineerd met warmer oppervlaktewater, een turbine aan.
Door omgekeerde osmose te combineren met omgekeerde elektrodialyse probeert Vanoppen van haar kant de membraantechnologie duurzamer te maken. Hiervoor gebruikt ze membranen die geen water, maar wel zouten en andere geladen deeltjes doorlaten. Door via deze membranen ionen uit te wisselen kan er groene stroom worden opgewekt. Er kwam alvast een Europees project uit de startblokken om deze veelbelovende technologie te ontwikkelen en te commercialiseren.
