Исследование опровергает миф о высокой стоимости опреснения морской воды
На протяжении многих лет нам говорили, что опреснение слишком энергоемко и дорого для широкого применения. Однако Илон Маск неоднократно утверждал, что затраты «безумно низкие». Какая точка зрения ближе к реальности? В этом анализе рассматриваются реальные энергетические потребности и затраты на опреснение морской воды, раскрывая его потенциал для решения проблемы глобальной нехватки воды.
В этом исследовании основное внимание уделяется потреблению энергии и экономической жизнеспособности опреснения, откладывая в сторону важные, но отдельные экологические проблемы, такие как утилизация рассола. Такой целенаправленный подход позволяет лучше понять структуру основных затрат на опреснение.
Чтобы лучше понять экономическое воздействие опреснения, мы рассмотрим экстремальные гипотетические ситуации — такие как обеспечение всей воды для домохозяйств США за счет опреснения или обеспечение питьевой водой всего населения мира. Хотя эти сценарии нереалистичны, они помогают количественно оценить масштаб затрат на опреснение.
Современное опреснение в основном использует два метода:
- Термическое опреснение: Нагревает морскую воду для испарения и отделения воды от солей, затем конденсирует пар в пресную воду, сбрасывая концентрированный рассол.
- Обратный осмос: Проталкивает морскую воду через полупроницаемые мембраны под давлением, отфильтровывая соли и примеси для получения пресной воды.
Хотя оба метода работают, термическое опреснение потребляет в 3-5 раз больше энергии, чем обратный осмос. Следовательно, большинство современных заводов используют технологию обратного осмоса, которая лежит в основе нашего анализа.
Технология обратного осмоса достигла замечательных улучшений в эффективности. В 1970-х годах для опреснения одного кубического метра воды требовалось около 20 кВтч электроэнергии. Сегодня этот показатель снизился до 2,5-3,5 кВтч. Теоретический минимальный расход энергии составляет 1 кВтч/м³, что предполагает возможность дальнейшего развития.
Для наших расчетов мы будем использовать 3,5 кВтч/м³ в качестве консервативной базовой линии — некоторые заводы уже работают ниже этого порога.
Если все дома в США получали бы воду за счет опреснения, как бы это повлияло на спрос на электроэнергию?
При среднем потреблении воды домохозяйствами 1135 литров в день, полное опреснение увеличило бы потребность в электроэнергии для жилых домов примерно на 13%. В Великобритании, где домохозяйства используют меньше воды (349 литров в день), но сталкиваются с более высокими ценами на электроэнергию, увеличение составило бы около 15%.
Анализ потребления электроэнергии домохозяйствами США показывает, что годовая потребность в опреснении (1450 кВтч) сопоставима с потреблением основных приборов, таких как осушители, оставаясь значительно ниже, чем использование водонагревателей, систем отопления или кондиционирования воздуха.
Хотя 1450 кВтч в год могут быть управляемыми для богатых стран, это превышает общее потребление электроэнергии многими домохозяйствами в развивающихся странах. Даже удовлетворение минимального стандарта воды ВОЗ (50 литров/человек/день) за счет опреснения потребует 64 кВтч в год — что эквивалентно потреблению электроэнергии на душу населения в Малави.
Это несоответствие подчеркивает глобальную энергетическую бедность больше, чем присущие опреснению энергетические потребности.
Учитывая, что людям требуется всего около 3 литров в день для питья (допуская некоторые потери), обеспечение всех 8 миллиардов человек потребует 31 ТВтч в год — всего 0,1% от мирового производства электроэнергии. Даже если одна треть человечества столкнется с нехваткой питьевой воды, годовая потребность составит примерно 10 ТВтч.
Удовлетворение полного базового стандарта воды ВОЗ (50 литров/человек/день) во всем мире потребует 511 ТВтч в год — около 1,7% от мировой выработки электроэнергии.
Помимо затрат на электроэнергию, крупномасштабное опреснение требует значительных капиталовложений — часто это самый большой барьер для многих стран, аналогично проектам возобновляемой энергетики, где первоначальные затраты перевешивают долгосрочную доступность.
Текущие мировые затраты на опреснение обычно составляют от 1 до 2,5 долларов США за кубический метр, хотя исключительные случаи, такие как завод Sorek B в Израиле, достигают 0,41 доллара США/м³, а одно исследование 107 заводов выявило 0,27 доллара США/м³ как самую низкую стоимость.
При промышленных тарифах на электроэнергию в США (~0,09 доллара США/кВтч) только стоимость электроэнергии для опреснения составит 0,45 доллара США/м³ (3,5 кВтч × 0,13 доллара США/кВтч). В районах с высокими затратами, таких как Калифорния, эта цифра может достигать 0,90 доллара США/м³. Поскольку электроэнергия обычно составляет одну треть от общих затрат, общие затраты могут достигать 1,50–2,00 доллара США/м³ на дорогих рынках.
Перевод в личные расходы:
- В среднем по США (310 литров/день): 154 доллара США в год
- В среднем по Великобритании: 159 долларов США в год
- Минимальный стандарт ВОЗ: 38 долларов США в год
- Основные потребности в питьевой воде: всего 2,30 доллара США в год — меньше, чем стоимость бутилированной воды во многих странах
В кризисных ситуациях эти затраты действительно поразительно низки. Однако 38 долларов США в год остаются обременительными для тех, кто живет на 2 доллара США в день — что составляет более двух недель дохода.
Сельское хозяйство представляет собой самую большую проблему для опреснения, потребляя 70% пресной воды в мире (превышая 90% в некоторых тропических странах). Замена даже части воды для сельского хозяйства увеличила бы потребность во многих странах в электроэнергии на 50–100%, что делает текущую технологию непрактичной для широкого использования в сельском хозяйстве.
Производство 1 кг пшеницы с использованием опресненной воды будет стоить 0,66 доллара США только за воду — в три раза больше рыночной цены пшеницы. Для кукурузы затраты на воду будут равны стоимости урожая. Только высокоценные культуры или водоэффективные системы (например, сельское хозяйство в помещении) могут в настоящее время оправдать опреснение для сельского хозяйства.
