太陽光淡水化

太陽熱淡水化は太陽エネルギーを利用した淡水化技術です。一般的な2つの方法は直接（熱）と間接（光起電）です。^[1]

太陽熱蒸留は何千年も前から使われてきました。古代ギリシャの船乗りやペルシャの錬金術師は、淡水と薬用の蒸留液の両方を生産していました。太陽熱蒸留器は、汚染された水を飲料水に変換するために大規模に使用された最初の方法でした。^[2]

1870年、米国初の太陽熱蒸留装置の特許がノーマン・ウィーラーとウォルトン・エバンスに与えられた。^{[3] 2年後、チリのラス・サリナスでスウェーデン人技術者チャールズ・ウィルソンが}硝石と銀の鉱山労働者に真水を供給するための太陽熱蒸留プラントの建設を開始した。このプラントは40年間連続稼働し、鉱山からの排水を給水として使用して1日平均22.7 m3の水を蒸留した^。[4]

米国における太陽熱淡水化は、1950年代初頭に議会が塩水転換法を可決し、1955年に塩水局（OSW）が設立されたときに始まりました。OSWの主な機能は、淡水化の研究開発プロジェクトへの資金管理でした。^{[5] 5つの実証プラントのうちの1つは}、フロリダ州デイトナビーチにありました。プロジェクトの多くは、遠隔地の砂漠や沿岸地域の水不足問題を解決することを目的としていました。 ^[4] 1960年代と1970年代には、ギリシャ諸島に2000〜8500 m ³ /日の容量を持つ蒸留プラントがいくつか建設されました。^{[2] 1984年には、120 m 3} /日の容量を持つプラントがアブダビに建設され、現在も稼働しています。^[4]イタリアでは、ガブリエーレ・ディアマンティによる「Eliodomestico」と呼ばれるオープンソース設計が、個人向けに50ドルで開発されました。^[6]

世界中で淡水化によって生産される淡水は毎日2,200万m3と推定されていますが^{、そのうち太陽エネルギーを使用しているのは1%未満です。 [2]}一般的な淡水化方法であるMSFとROはエネルギー集約型であり、化石燃料に大きく依存しています。^[8]淡水供給方法が安価で、エネルギー資源が安価に豊富にあるため、太陽熱蒸留はコストがかかりすぎて非現実的であると考えられてきました。^[2]従来の燃料で稼働する淡水化プラントは、年間2億300万トンの燃料に相当する量を消費していると推定されています。^[2]

太陽熱淡水化は、太陽エネルギーを利用して塩水を淡水に変換し、人間の消費や灌漑に適したものにする技術です。このプロセスは、利用する太陽エネルギー源の種類に基づいて分類できます。直接太陽熱淡水化では、塩水が太陽エネルギーを吸収して蒸発し、塩分やその他の不純物が残ります。その一例が太陽熱蒸留器で、密閉された環境で純粋な水蒸気を集めて凝縮することができます。一方、間接太陽熱淡水化では、太陽エネルギーを捕らえて塩水に伝えるソーラーコレクターを使用します。このエネルギーは、加湿・除湿 (HDH) や拡散駆動法などの淡水化プロセスに電力を供給するために使用されます。

直接（蒸留）方式では、太陽熱集熱器が蒸留機構と結合されます。^{[9]このタイプの} 太陽熱蒸留器は、サバイバルガイドに記載されており、海洋サバイバルキットに同梱されており、多くの小規模な淡水化および蒸留プラントで使用されています。

水の生産量は太陽の表面積と太陽の入射角に比例し、平均推定値は1平方メートルあたり3～4リットル（0.074～0.098米ガロン/平方フィート）です。^{[2]この比例性と、建設のための土地と資材の比較的高いコストのため、蒸留は生産能力が200 m 3} /日（53,000米ガロン/日）未満のプラントに有利になる傾向があります。 ^[2]

これは降雨と同じプロセスを利用しています。透明なカバーが塩水を入れたパンを囲みます。後者は太陽エネルギーを捕らえ、海水を蒸発させます。蒸気は傾斜した透明なカバーの内側の表面で凝縮し、塩分、無機および有機成分、微生物を残します。

直接法では4～5L/m2/日、効率は30～40%を達成します^。 [ 10 ^]二重勾配または追加の凝縮器を使用することで効率を45%まで向上させることができます。^[11]

芯蒸留器では、供給水は多孔質の放射線吸収パッドを通ってゆっくりと流れます。これにより加熱する水が少なくなり、太陽に対する角度を変えるのが容易になり、時間の節約になり、より高い温度を達成できます。^[12]

拡散蒸留器は、太陽熱集熱器と蒸留装置に接続された熱貯蔵タンクで構成されています。加熱はそれらの間の熱拡散によって生成されます。^[13]

外部エネルギー源を使用して内部温度を上げると、生産性が向上します。^{[引用が必要]}

直接法は、2相分離の一環として熱エネルギーを使用して海水を蒸発させる。このような方法は比較的単純で、必要なスペースも少ないため、通常は小規模なシステムで使用されます。ただし、動作温度と圧力が低いため生産率が低いため、1日あたり200 m ³の生産量のシステムに適しています。^[14]

間接淡水化では、太陽光発電や流体ベースの熱コレクターで構成される太陽光収集アレイと、別の従来の淡水化プラントを使用します。 ^[9]多くの配置が分析され、実験的にテストされ、展開されています。カテゴリには、多重効用加湿（MEH）、多段フラッシュ蒸留（MSF）、多重効用蒸留（MED）、多重効用沸騰（MEB）、加湿-除湿（HDH）、逆浸透（RO）、凍結効果蒸留が含まれます。^[8]

大規模な太陽熱淡水化プラントでは、通常、間接的な方法が採用されています。^{[要出典]間接的な太陽熱淡水化プロセスは、単相プロセス（膜ベース）と相変化プロセス（非膜ベース）に分類されます。 [15]}単相淡水化では、ポンプを駆動する電力を生成するために太陽光発電を使用します。^[16]相変化（または多相）太陽熱淡水化は膜ベースではありません。^[17]

太陽光発電（PV）パネルと逆浸透（RO）を使用した間接的な太陽熱淡水化システムは、2009年から使用されています。2013年までに、生産量はシステムあたり1時間あたり1,600リットル（420米ガロン）、PVパネル1平方メートルあたり1日あたり200リットル（53米ガロン）に達しました。^{[18] [19]} 太平洋のウティリック環礁には、2010年からこの方法で淡水が供給されています。 ^[20]

単相淡水化プロセスには、逆浸透法と膜蒸留法があり、膜が水から汚染物質をろ過します。^{[15] [17]} 2014年の時点で、逆浸透（RO）は間接法の約52％を占めていました。^{[21] [22]}ポンプは、塩水をROモジュールに高圧で押し込みます。^{[15] [21]} ROシステムは圧力差に依存しています。海水を浄化するには55〜65バールの圧力が必要です。大規模ROプラントを稼働させるには、通常、平均5 kWh / m ^{3のエネルギーが必要です。 [21]} 膜蒸留（MD）は、微多孔性疎水性膜の両側からの圧力差を利用します。^{[21] [23]}淡水は、直接接触（DCMD）、エアギャップ（AGMD）、スイーピングガス（SGMD）、真空（VMD）の4つのMD法で抽出できます。^{[21] [23]}中規模の太陽光発電プラントを支える推定水コストは1m3あたり15ドル^と18ドルです。^{[21] [24]}エネルギー消費量は200～300kWh/m3です^{。[ 25]}

相変化（または多相）太陽熱淡水化法^{[17] [22] [26]には}、多段フラッシュ法、多重効用蒸留（MED）、および熱蒸気圧縮法（VC）が含まれます。^{[17]これは、}相変化材料（PCM）を使用して潜熱貯蔵と高温を最大化することで実現されます。 ^[27] MSFの相変化温度は80〜120℃、VCの場合は40〜100℃、MED法の場合は50〜90℃です。^{[17] [26]} 多段フラッシュ（MSF）では、海水を連続的に低い圧力に保たれた一連の真空反応器に通す必要があります。^[22]蒸気の潜熱を捕捉するために熱が加えられます。海水が反応器を流れると、蒸気が集められ、凝縮されて真水が生成されます。^[22]多重効果蒸留（MED）では、海水は連続的に低圧容器を通過し、潜熱を再利用して海水を蒸発させて凝縮します。^[22] MED淡水化は、熱力学的伝達率の効率が高いため、MSFよりもエネルギー消費量が少なくて済みます。^{[22] [26]}

多段フラッシュ（MSF）法は、特に大規模な海水淡水化プラントで広く使用されている淡水化技術です。蒸発と凝縮のプロセスを利用して海水と淡水を分離するという原理に基づいています。^[28]

MSF 淡水化プロセスでは、海水が加熱され、複数の段階で一連のフラッシュまたは急速減圧が行われます。各段階は、一連の熱交換器とフラッシュ チャンバーで構成されています。このプロセスには通常、次の手順が含まれます。

1. 予熱: 後続の段階に必要なエネルギーを削減するために、最初に海水が予熱されます。予熱された海水は、その後、MSF システムの第 1 段階に入ります。
2. フラッシュ: 各段階で、予熱された海水はフラッシュチャンバーを通過し、そこで圧力が急速に低下します。この急激な圧力低下により、水はフラッシュされて蒸気になり、塩分濃度の高い濃縮塩水が残ります。
3. 凝縮: フラッシュ チャンバーで生成された蒸気は、熱交換器のチューブの表面で凝縮されます。凝縮は、蒸気がより冷たい海水または前の段階から冷たい淡水を運ぶチューブと接触するときに発生します。
4. 収集と抽出: 凝縮された淡水は収集され、製品水として集められます。その後、システムから抽出されて保管および分配され、残りの塩水は除去されて適切に処分されます。
5. 再加熱と繰り返し: 各段階からの塩水は、通常、プロセスを駆動するタービンから抽出された蒸気によって再加熱され、次の段階に導入されます。このプロセスは、次の段階で繰り返され、段階の数は、淡水生産の望ましいレベルとシステム全体の効率によって決まります。

多段フラッシュ（MSF）法は、フラッシュプロセス中の蒸発潜熱を利用することで高いエネルギー効率を実現することで知られており、2009年の記録によると、世界の淡水化能力の約45％を占め、熱システムの93％を占めています。^[2]

イタリアのマルゲリータ・ディ・サヴォイアでは、50～60 m ³ /日のMSFプラントが塩分勾配ソーラーポンドを使用しています。テキサス州エルパソでは、同様のプロジェクトが19 m ³ /日の真水を生産しています。クウェートのMSF施設は、パラボリックトラフコレクターを使用して太陽熱エネルギーを提供し、1日あたり100 m ^{3の真水を生産しています。 [8]}そして中国北部では、実験的な自動無人操作で、80 m ²の真空管ソーラーコレクターと1 kWの風力タービン（いくつかの小型ポンプを駆動）を組み合わせて、0.8 m ³ /日の真水を生産しています。^[29]

MSF太陽熱蒸留の出力容量は6～60 L/m ² /日であるのに対し、太陽熱蒸留器の標準出力は3～4 L/m ^{2 /日である。 [8]} MSFは起動時やエネルギーが低い期間に効率が悪い。最高効率を達成するには、各段階で圧力降下を制御し、安定したエネルギー入力が必要である。その結果、太陽熱アプリケーションでは、雲の干渉、変化する太陽パターン、夜間の運転、季節的な温度変化に対処するために、何らかの形の熱エネルギー貯蔵が必要となる。熱エネルギー貯蔵容量が増加すると、より連続的なプロセスを実現でき、生産率は最大効率に近づく。^[30]

海水温室では、加湿/除湿による間接的な太陽熱淡水化が使用されています。^[31]

塩水の結晶化に基づくこの間接的な方法は、実証プロジェクトでのみ使用されていますが、必要なエネルギーが少ないという利点があります。水の融解潜熱は6.01 kJ/モル、100 °Cでの蒸発潜熱は40.66 kJ/モルであるため、エネルギーコストの点では安価であるはずです。さらに、腐食のリスクも低くなります。ただし、氷と液体の混合物を機械的に動かすのが難しいという欠点があります。このプロセスは、コストと冷却システムの難しさのため、まだ商業化されていません。^[32]

このプロセスの利用方法として最も研究されているのは冷凍です。冷凍サイクルを使用して水流を冷却し、氷を作り、その後、それらの結晶を分離して溶かして真水を作ります。この太陽光発電プロセスの最近の例がいくつかあります。1980年代後半にシカゴ・ブリッジ・アンド・アイアン社がサウジアラビアに建設したユニットは、非効率性のために閉鎖されました。^[33]

しかしながら、最近の塩性地下水に関する研究^[34]では、1日100万ガロンの水を生産できるプラントでは、1000ガロンあたり1.30ドルのコストで水を生産できると結論付けています。これが真実であれば、逆浸透膜装置とコスト競争力のある装置となるでしょう。

太陽熱淡水化プロジェクトには、固有の設計上の問題がつきまといます。まず、システムの効率は、蒸発と凝縮の際の熱と物質の移動速度の競合によって左右されます。^[1]

第二に、凝縮熱は、水を蒸発させて飽和した蒸気を含んだ熱い空気を生成するために大量の太陽エネルギーを必要とするため、貴重です。このエネルギーは、定義上、凝縮中に凝縮器の表面に伝達されます。ほとんどの太陽熱蒸留器では、この熱は廃熱として放出されます。^{[引用が必要]}

熱回収により同じ熱入力を再利用することができ、水を数倍に増やすことができます。^[1]

解決策の1つは、貯水池内の圧力を下げることです。これは真空ポンプを使用して実現でき、必要な熱エネルギーを大幅に削減できます。たとえば、0.1気圧の水は、100℃（212°F）ではなく50℃（122°F）で沸騰します。^[35]

太陽熱加湿・除湿（HDH）プロセス（多重効果加湿・除湿プロセス、太陽熱多段凝縮蒸発サイクル（SMCEC）または多重効果加湿（MEH）とも呼ばれる） ^[36]は、水を蒸留することで、より短い時間枠で自然の水循環を模倣します。熱エネルギーによって水蒸気が生成され、別のチャンバーで凝縮されます。高度なシステムでは、凝縮する水蒸気から熱を集め、入ってくる水源を予熱することで、廃熱を最小限に抑えます。[ ^37]

間接的または単相の太陽光発電による淡水化では、太陽エネルギー収集システム（例：太陽光発電パネル）と逆浸透（RO）などの淡水化システムの2つのシステムが組み合わされています。主な単相プロセス（通常は膜プロセス）は、ROと電気透析（ED）で構成されています。単相淡水化は主に、ROポンプを駆動するための電気を生成する太陽光発電によって実現されます。世界中で15,000を超える淡水化プラントが稼働しています。約70％がROを使用しており、淡水化の44％を生み出しています。^[38]太陽熱収集を使用してROを駆動するための機械的エネルギーを提供する代替方法が開発されています。

ROは、水の前処理が必要であるにもかかわらず、熱淡水化システムに比べて効率が良いため、最も一般的な淡水化プロセスです。^[39]経済性と信頼性の考慮は、PV駆動RO淡水化システムを改善する上での主な課題です。しかし、PVパネルのコストが急落しているため、太陽光発電による淡水化はより実現可能になっています。^[要出典]

太陽光発電によるRO淡水化は、PVシステムとROシステムの両方のモジュール性と拡張性のため、実証プラントでは一般的です。PV駆動ROの 最適化戦略^[41]を検討した経済分析^{[40]では、好ましい結果が報告されています。}

PVは太陽光を直流（DC）電力に変換し、ROユニットに電力を供給します。太陽光は断続的で、日中は強度が変化するため、PV効率の予測が難しく、夜間の淡水化には限界があります。バッテリーは太陽エネルギーを蓄えて後で使用することができます。同様に、熱エネルギー貯蔵システムは日没後や曇りの日でも一定の性能を保証します。^[42]

バッテリーは連続運転を可能にする。研究では断続的な運転は生物付着を増加させる可能性があることが示されている。^[43]

バッテリーは依然として高価であり、継続的なメンテナンスが必要です。また、バッテリーにエネルギーを蓄えたり取り出したりすると効率が低下します。^[43]

RO淡水化の平均コストは0.56米ドル/m3と報告されている^。再生可能エネルギーを使用すると、コストは最大16米ドル/m3に増加する可能性^がある。^[38]再生可能エネルギーのコストは高いが、その使用は増加している。

電気透析（ED）と逆電気透析（RED）はどちらも、濃度差（RED）または電位（ED）の影響により、イオン交換膜（IEM）を介した選択的なイオン輸送を利用します。^[44]

ED では、電極に電気力が加えられ、陽イオンは陰極に向かって移動し、陰イオンは陽極に向かって移動します。交換膜は、その透過性タイプ (陽イオンまたは陰イオン) のみを通過させるため、この配置では、希釈塩溶液と濃縮塩溶液が膜 (チャネル) 間の空間に配置されます。このスタックの構成は、水平または垂直のいずれかです。供給水はすべてのセルを並行して通過し、透過水と塩水の連続的な流れを提供します。これはよく知られたプロセスですが、電気透析は汽水 (TDS < 1000 ppm) にしか使用できないため、海水淡水化には商業的に適していません。^{[38]チャネル内の}イオン輸送現象をモデル化することは複雑であるため、交換膜によって示される非理想的な動作を考慮すると、パフォーマンスが影響を受ける可能性があります。^[45]

基本的なEDプロセスは、電極の極性が定期的に変化し、膜を通る流れを逆転させるREDに改良することができます。これによりコロイド物質の堆積が制限され、自己洗浄プロセスとなり、化学的な前処理の必要性がほとんどなくなり、汽水にとって経済的に魅力的になります。^[46]

EDシステムの使用は1954年に始まり、REDは1970年代に開発されました。これらのプロセスは、世界中で1100以上のプラントで使用されています。淡水化プラントにおけるPVの主な利点は、小規模プラントに適していることです。一例として、日本の大島（長崎）では、1986年から稼働しており、390枚のPVパネルで¹日あたり10m3の水を生産し、溶解性固形物（TDS）は約400ppmです。^[46]

• ポイント・パターソン淡水化プラント

• アーヴィング、マイケル (2021-04-28)。「効率的な太陽光淡水化ユニットはチタンコーティングされたおむつ素材を使用」。ニューアトラス。 2021年5月3日閲覧。