Проблема нехватки пресной воды и пути её решения
Описание проблемы
Только за период времени с 1950 по 1980 годы потребление пресной воды в год возросло в четыре раза и достигло 4000 км3, и этот рост продолжается. Расход воды на одного жителя современного города составляет от 100 до 900 л в сутки. И это только на бытовые нужды. Однако во многих странах эта цифра составляет менее 10 л, в результате чего более двух миллиардов человек на земле не обеспечены даже питьевой водой в достаточном количестве.
За последние 30 лет средний расход топлива на 100 км легковыми автомобилями сократился более чем в два раза, но по прежнему человеку нужно не менее двух литров питьевой воды в сутки. Мы живём в так называемую эпоху End of Oil Age, Beginning of Renewable Resources Age. По мнению экспертов ООН, в XXI веке вода станет более важным стратегическим ресурсом, чем нефть и газ, поскольку тонна чистой воды уже сейчас дороже нефти (Северная Африка, Австралия, ЮАР, Аравийский полуостров, Центральная Азия, США (некоторые штаты). По некоторым оценкам, каждый доллар, вложенный в улучшение водоснабжения и санитарии, приносит внушительный доход от $ 25 до $ 84.
Основными источниками пресной воды являются воды рек, озёр, артезианских скважин и опреснение морской воды. Количество воды, находящейся в каждый данный момент в атмосфере, составляет от 10 до 14 тыс. км3, в то время как всего во всех речных руслах и озёрах содержится 1,2 тыс. км3. Ежегодно испаряется с поверхности суши и океана около 600 тыс. км3, столько же потом выпадает в виде осадков, и всего лишь 7 % общего количества выпадающих осадков составляет речной годовой сток. Из сравнения общего количества испаряющейся влаги и количества воды в атмосфере легко видеть, что она в течение года в атмосфере обновляется 45 раз [1, 3]. Итак, основной источник пресной воды — вода в атмосфере — оказывается неиспользуемым.
В настоящее время в основном используются два метода опреснения воды: дистилляция путём выпаривания (70 %) и фильтрация через мембраны (30 %).
Оба метода достаточно дороги, так как требуют значительных расходов энергии. Мембранный метод достаточно чувствителен к механическим загрязнениям воды, кроме того с ростом температуры опресняемой воды производительность мембранных установок снижается. В результате деятельности обеих типов систем получается значительное количество соли, которую необходимо удалять, что приводит к загрязнению среды мощными опреснительными заводами. Кроме того, сжигание нефти для получения энергии, необходимой для работы этих установок приводит к загрязнению атмосферы. Использование же естественных процессов позволяет получать огромные количества пресной воды в южных районах, практически не влияя на окружающую среду.
Большое число стран, расположенных в засушливых и жарких районах земного шара, страдают от отсутствия пресной воды, хотя её содержание в атмосфере значительно. Вода в атмосфере распределена неравномерно, более половины всего водяного пара приходится на нижние слои (до 1,5 км) и около 50 % — на тропосферу [1]. На поверхности Земли средняя по земному шару абсолютная влажность составляет примерно 10-12 г/м3, в тропических зонах она составляет более 25 г/м3 [1]. В пустынях и степях, где практически отсутствуют источники пресной воды, абсолютная влажность в приземном слое воздуха колеблется от 15 до 35 г/м3 и существенно меняется в течении суток у поверхности земли, достигая максимальных значений в ночное время [3]. Данный ресурс пресной воды постоянно возобновляется, характеристики конденсата, который может быть получен в большинстве районов Земли, очень высокие: конденсат содержит на два-три порядка меньше токсичных металлов по сравнению с требованиями санитарных служб, практически не содержит микроорганизмов, хорошо аэрирован. Использование влаги, содержащейся в атмосфере Земли, с минимальным воздействием на окружающую среду, позволит решить все проблемы, связанные с дефицитом пресной воды, причём, как будет показано ниже, возможно создание таких установок, практически не требующих энергозатрат, что позволяет утверждать — эта вода будет самой дешёвой из всех, которые получаются иными способами [3].
На нашей планете достаточно много мест с практически идеальными условиями для получения пресной воды из атмосферного воздуха Например, в Королевстве Саудовская Аравия, государстве с населением более 25 млн человек, занимающей почти 80 % территории Аравийского полуострова и несколько прибрежных островов в Красном море и Персидском заливе, по устройству поверхности большая часть страны — обширное пустынное плато (высота от 300-600 м на востоке до 1520 м на западе), слабо расчленённое сухими руслами рек (вади). Вдоль побережья Персидского залива протянулась местами заболоченная или покрытая солончаками низменность Эль-Хаса (шириной до 150 км). Климат на севере — субтропический, на юге — тропический, резко континентальный, сухой. Лето очень жаркое, зима тёплая. Среднегодовая норма осадков около 70100 мм (в центральных районах максимум весной, на севере — зимой, на юге — летом); в горах до 400 мм в год. В районах пустынь и некоторых других в отдельные годы дожди не выпадают совсем.
Почти вся Саудовская Аравия не имеет постоянных рек или водных источников, временные потоки образуются только после интенсивных дождей. Проблема водоснабжения (а это примерно 1520 км3) решается посредством развития предприятий по опреснению морской воды, созданием глубоких колодцев и артезианских скважин.
Средняя температура июля в Эр-Рияде колеблется от 26 до 42 °C, в январе от 8 до 21 °C, абсолютный максимум — 48 °C, на юге страны до 54 °С с относительной влажностью воздуха 40-70 % (относительная влажность может быть определена как отношение плотности водяного пара к плотности насыщающего водяного пара при той же температуре, выраженное в процентах), а в каждом кубическом метре воздуха содержится до 24 г воды. При понижении температуры на 10-15 °С из каждого кубического метра можно выделить до 12 г воды. Если учесть, что суточный перепад температуры может составлять более 20 °C, то становится понятным, почему в Сахаре часто выпадают обильные росы.
Для получения значительных количеств конденсата из атмосферного воздуха необходимо выполнение двух условий: температуры ниже «точки росы» и наличие центров конденсации. Если в пересыщенный пар внести каплю с радиусом больше критического, то рост капли будет приводить к уменьшению термодинамического потенциала и, следовательно, будет происходить конденсация. Если же радиус капли меньше критического, то будет происходить испарение капли, так как при росте капли в этом случае термодинамический потенциал растёт. При понижении температуры, которое происходит в Сахаре в ночное время, очень часто пар оказывается в метастабильном состоянии, и для появления второй фазы в атмосфере, то есть для образования капель, необходимо наличие «зародышей» размером, превышающим критический. Это могут быть мелкие капли воды либо пылинки, либо земная поверхность. Например, чтобы капля размером 0,1 мкм росла при температуре 10 °C, необходимо перенасыщение более 200 %. Мелкие ядра конденсации в атмосфере живут достаточно долго, но они малы, чтобы происходила конденсация, большие же ядра быстро удаляются в результате стоксова оседания. В условиях климата стран Ближнего Востока, в ночное время температурные условия во многих случаях бывают выгодными для формирования осадков, однако отсутствие ядер конденсации в нижней атмосфере не даёт возможности каплям достаточно развиться. Поэтому необходимо создание сильно разветвлённой системы конденсирующей поверхности и условий конвективной вентиляции для обдува её влажным атмосферным воздухом.
Если водяной пар сконденсировался и находится в воздухе в виде мелких капель, то получение воды сводится к механическому её извлечению из влажного воздуха. Эксперименты по получению воды данным методом проводились во многих районах мира. Этот способ получения воды происходит в природных экосистемах. Хорошо известно, что горы и лес как бы «вычёсывают» туманы. Даже если нет дождя, но если облако проходит в горах через лес, то влага конденсируется на ветках и листьях деревьев и потом попадает на землю. Получение конденсированной влаги на кустах, деревьях либо на искусственных водоуловителях подтверждено экспериментально в 47 местах в 22 странах мира. В районах города Феодосия, в Тувинской республике, на древних курганах Алтая и в Закавказье обнаружены кучи щебня (габионы), сложенные людьми для конденсации атмосферной влаги.
Наиболее интересными были феодосийские сооружения, которые, к сожалению, в настоящее время разобраны.
В городе Феодосия в России до 80-х годов XIX века не было водоснабжения из одного какого-либо мощного источника, но в довольно большом количестве имелись городские «фонтаны». Вода к ним была подведена самотёком по гончарным трубам в направлении с гор, окружающих город. На этих горах никаких признаков источников или каких-либо сооружений для водопровода не было. Дело было в том, что конденсат собирался со скалы, на которой были установлены специальные щебневые кучи. При этом использовался эффект капиллярной конденсации. Во времена расцвета Феодосии в XV-XIV веках её население достигало более 80 тыс. человек, однако всё водоснабжение осуществлялось с помощью таких конденсационных габионов.
Пути решения
В последнее время осуществлялись попытки создания подобных искусственных установок в России. Так, в Лаборатории возобновляемых источников энергии географического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова профессором Алексеевым В.В. с сотрудниками разработана конструкция стационарной установки «Роса-1» с расчётной производительностью 20-40 м3 пресной воды в сутки в районе Средиземноморья [4]. Она предназначена для получения пресной воды путём конденсации атмосферной влаги на системы развёрнутых конденсирующих поверхностей, обдуваемых влажным атмосферным воздухом.
Конденсация паров воды, содержащихся в воздухе, при охлаждении его в вечернее и ночное время — природный процесс. Он активно используется природными экосистемами, но применение его в хозяйственных целях представляет сложную проблему ввиду малого удельного (в расчёте на единицу площади) количества образующегося конденсата. Авторы установки «Роса-1» ставили перед собой задачу локализовать в предлагаемых ими устройствах и интенсифицировать процесс конденсации атмосферной влаги с целью получения результатов, обеспечивающих с технической и экономической стороны возможность хозяйственного использования этих устройств, главным образом в засушливых зонах, лишённых источников воды. При этом они опираются на исторический опыт применения для получения пресной воды аналогов этих устройств, представляющих собой галечные (гравийные) «кучи».
По этой аналогии авторы также предлагают использовать галечное заполнение некоторого объёма, в котором локализуется процесс конденсации атмосферной влаги, поскольку необходимым условием такой локализации является максимальное развитие поверхности конденсации, то есть предлагаются некие конструкции для конденсации атмосферной влаги, основу которых при различных общих геометрических формах составляют так называемые габионы, представляющие собой сетчатый контейнер из проволоки, заполненный кусками щебня с условным диаметром 10 см. Для усиления воздухообмена в объёме этой конструкции предлагаются вытяжные устройства различного конструктивного исполнения с подогревом воздуха для усиления естественной тяги, а также тепловые трубы для отвода тепла из объёма устройства в атмосферу.
Основным показателем работы рассматриваемого устройства является его производительность, которая при сопоставлении с капитальными вложениями и эксплуатационными затратами определяет себестоимость единицы продукции (пресной воды), что, в свою очередь, даёт ответ на вопрос о возможности хозяйственного применения устройства. Опытный образец такой установки был установлен в городе Обнинске Московской области, однако производительность её оказалась крайне низкой в первую очередь за счёт плохой работы габионов, эффективное охлаждение которых которые оказалось невозможным. Однако работы на этом не прервались, и группа профессора Алексеева В.В. разработала несколько других схем установок типа «Источник» и других [4-6]. Однако расчётной производительности, которая позволила бы создать промышленную установку, достичь так и не удалось.
Нашей задачей стало разработка схемы установки для получения пресной воды из атмосферного воздуха (схема установки представлена на рис. 1 и 2 [7]), использующей возобновляемые источники энергии с увеличением эффективности работы конденсирующей поверхности и обеспечением полной автономности при работе. Для этого в установку для конденсации пресной воды из атмосферного воздуха [7], содержащую солнечные коллектора, солнечные батареи,
Основным показателем работы рассматриваемого устройства является его производительность, которая при сопоставлении с капитальными вложениями и эксплуатационными затратами определяет себестоимость единицы продукции холодильную систему, водосборник, воздуховод и вентиляционную систему, введена в качестве конденсатора высокоэффективная система конденсирующих панелей специальной конструкции, а в качестве источника холода используются поверхностные слои земли на некоторой глубине. Эффект достигается за счёт того, что используется в качестве конденсатора высокоэффективная система конденсирующих плоских тонкостенных панелей, а в качестве источника холода используются естественные источники холода — поверхностные слои земли на некоторой глубине.
Она содержит корпус 1, теплообменные панели 2, охладительные ёмкости 3, насосную станцию 4, теплообменную колонну 5, ёмкость для воды 6, аккумуляторную станцию 7, плоские солнечные коллектора 8, солнечные батареи 9 и систему автоматического управления 10. Теплообменные панели 2 представляют собой установленные вертикально плоские теплообменники, сваренные из двух тонкостенных (толщиной 0,1-0,5 мм) листов с внутренними каналами по которым проходит охлаждающая жидкость (вода), поступающая из холодильника. Холодильник выполнен в виде нескольких охладительных ёмкостей 3, представляющих из себя резервуары большой ёмкости (более 20-60 тыс. л), заполненные водой и зарытые в землю на глубину 5-10 м. Теплообменная колонна 5 — это установленная вертикально цилиндрическая ёмкость объёмом до 2000 л, заполненная водой, которая нагревается в дневное время плоскими солнечными коллекторами (СК) 8 (устройства, преобразующие солнечную энергию в тепловую энергию теплоносителя).
Работа установки происходит следующим образом. В дневное время происходит накопление тепловой энергии в теплообменной колонне за счёт работы плоских солнечных коллекторов (СК) и электрической энергии в аккумуляторах аккумуляторной станции за счёт работы солнечных батарей (СБ). Ночью температура поверхности земли и воздуха начинает уменьшаться вследствие радиационного излучения. За счёт теплообменной колонны, заполненной горячей водой, которая нагревается в дневное время плоскими солнечными коллекторами (СК), в вытяжной трубе корпуса установки создаётся поток тёплого воздуха.
В результате разности давлений атмосферный воздух поступает через открытую нижнюю часть внутрь корпуса и вступает в контакт сначала с нижним ярусом, а затем и с верхними ярусами теплообменных панелей, и через вытяжную трубу уходит в атмосферу.
Если относительная влажность воздуха близка к 100 %, то находящийся в нем водяной пар конденсируется на поверхностях теплообменных панелей, а полученная вода стекает в резервуар. Если относительная влажность воздуха меньше 100 %, но больше 50 %, то сначала воздух охлаждается у поверхности теплообменных панелей до температуры, когда пар становится насыщенным, а затем происходит конденсация. Процесс конденсации будет продолжаться также и днём, только сначала тёплый атмосферный воздух будет охлаждаться поверхностями теплообменных панелей, так как внутри теплообменных панелей протекает холодная вода, которая подаётся насосами из резервуаров большой ёмкости, заполненных водой и зарытых в землю на глубину более 5 м, до температуры, пока находящийся в нём пар не станет насыщенным. При нагреве воды в резервуаре холодильника выше установленной температуры система автоматического управления подключает к работе другой резервуар, а в отключённом резервуаре происходит охлаждение воды путём естественного теплообмена с холодным грунтом земли. Затем процесс повторяется в той же последовательности. При условии работы установки в течении 10 часов в сутки, суточная норма получения воды для установки с внешним диаметром 15 м с поверхностью конденсации около 2500 м2 должна составить от 15 до 25 тонн.
С целью подтверждения возможности получении пресной воды на автономной установке для получения воды из атмосферного воздуха были проведены экспериментальные исследования. Экспериментальные исследования проводились на территории опытного производства Центрального аэрогидродинамического института имени Н.Е. Жуковского (город Жуковский Московской области) в июле 2005 года с 17:30 до 18:30 часов в условиях переменной облачности при средней температуре окружающего воздуха 25 °С и относительной влажности около 70 % [8-10]. В качестве конденсирующей поверхности была использована плоская теплообменная панель из коррозионно-стойкой стали толщиной 0,3 мм с суммарной площадью поверхности 0,5 м2. Панель при помощи гибких шлангов и патрубка подсоединялась к водопроводной сети, а из другого патрубка панели вода сливалась в канализацию. Для проведения эксперимента использовалась вода из системы водоснабжения, температура которой на входе в панель не превышала 12-13 °C. Скорость подачи воды в панель составляла 5-6 л/мин. Для создания воздушного потока использовали бытовой вентилятор, которым была организована обдувка панели со скоростью 2-3 м/с. Эксперимент продолжался в течении одного часа. Полученную в результате конденсации воду собирали губкой (ввиду малого времени эксперимента) с поверхности в мерную ёмкость. В результате было получено за один час 0,28 л воды. То есть производительность установки для условий Москвы (очень неблагоприятных с точки зрения получения максимальной производительности) составляет примерно 0,56 л/ч. Таким образом, с одного квадратного метра за 10 часов можно получить 10-12 л пресной воды, а производительность промышленной установки с площадью конденсации 2500-3000 м2 может достигать 32 тонн воды в сутки. Для работы данной установки не требуется никакой энергии, кроме солнечной, функционирует она в автоматическом режиме и является при этом абсолютно экологически безопасной.
Проведённые эксперименты подтвердили не только возможность получения пресной воды на автономной установке для получения пресной воды из атмосферного воздуха, но и её достаточно высокую эффективность, но, к сожалению, сегодня не существует ни одной промышленной установки по конденсации воды из атмосферы, хотя есть несколько бытовых решений для получения 10-100 л воды в сутки.
Основными рынками сбыта подобных промышленных установок будут страны Персидского залива, США (Калифорния и пр.), Австралия, Центральная Азия, Южная Европа, Северная Африка, Индия, Китай.
Вода, конденсируемая из атмосферы, является полностью возобновляемым природным ресурсом, для производства используются источники возобновляемой энергии, стоимость воды будет значительно ниже, чем воды из опреснительных станций, в тоже самое время стоимость опреснённой воды возрастёт в несколько раз до 2030 года.
Инвестиционная привлекательность проекта. Для инвесторов и фондов, принявших решение инвестировать в проект на ранней стадии развития открываются перспективы по получению инвестиционного дохода, сравнимые с инвестициями на ранних стадиях в такие компании, как Facebook, WhatsApp, Skype, Instagram и прочие. В следующее десятилетие на рынок выйдут новые компании с технологиями, которые сегодня находятся на уровне ранних R&D. Это повлечёт за собой создание новой международной индустрии, развитие новых технологий на разных континентах.
Промышленные установки для получения не менее 20 тыс. литров воды в сутки планируется создавать с применением технологий, не имеющих никаких мировых аналогов.
Эти установки будут полностью энергонезависимыми, в качестве источника электроэнергии для работы всех узлов и агрегатов будет использоваться электроэнергия от PV-панелей или ветровых генераторов (это зависит от региональной специфики), часть электроэнергии будет продаваться через традиционные энергетические сети.
Для достижения максимальной энергоэффективности и экономической эффективности мы планируем устанавливать не единичные установки, а монтировать AWG Farms^ которых одновременно будет эксплуатироваться 15-30 установок, это позволит получать от 300 тыс. до 600 тыс. литров воды в сутки, или от 90 тыс. до 200 тыс. тонн воды в год.
Патенты и «ноу-хау». Сегодня готовы материалы и документы для нескольких патентов, для которых нужна международная патентная защита. В процессе создания производства промышленных установок будет создано и подано не менее нескольких сотен патентов для защиты изобретений и «ноу-хау».
Производство. Для создания производства промышленных установок необходимо наличие высокоразвитой инфраструктуры, современное прессовое и сварочное оборудование, последние разработки в области нержавеющих сталей, материаловедения, PV-индустрии, специалисты-материаловеды, конструкторы, инженеры, теплотехники, технологи, логистики, специалисты ВИЭ (возобновляемые источники энергии) и т.п. После завершения работ с MVP мы планируем в течении года создать производство промышленных образцов.
Промышленные установки для получения не менее 20 тыс. литров воды в сутки планируется создавать с применением технологий, не имеющих мировых аналогов. Эти установки будут полностью энергонезависимыми (будет использоваться электроэнергия от PV-панелей или ветровых генераторов).
Маркетинг и продажи. Основными регионами мира, в которых есть огромный интерес к промышленным установкам конденсации воды являются: страны MENA, Центральная Азия, Южная Европа, Индия, Австралия, США, Китай, Северная и Южная Америка.
В качестве заказчиков и партнёров мы рассматриваем следующие типы организаций: частные и государственные компании, отвечающие за водоснабжение и коммунальные услуги; частные и государственные компании, занимающиеся развитием альтернативной энергетики и возобновляемыми природными ресурсами; частные и государственные фонды и агентства; международные организации и фонды; различные благотворительные и прочие социально ориентированные организации.
До 2025 года общие инвестиции всех стран в альтернативные технологии получения воды оцениваются на уровне $ 150-400 млрд.
Инвестиции, потребность в финансировании. Для завершения испытаний и создания MVP необходимо 15-20 млн рублей. Для создания производства промышленных установок необходимо $ 2224 млн.
