ทำไมการแยกเกลือออกจากน้ำทะเลจึงทำได้ยาก?
(practical.engineering)- Carlsbad Desalination Plant ใกล้ San Diego ผลิตน้ำจืดได้ราว 50 ล้านแกลลอนต่อวัน หรือ 23,000㎥ และจ่ายน้ำจืดให้พื้นที่ประมาณ 10% แต่โรงงานแยกเกลือกว่า 18,000 แห่งทั่วโลกรับภาระน้ำไม่ถึง 1% ของความต้องการทั่วโลก
- น้ำทะเลโดยทั่วไปมีเกลือละลายอยู่ประมาณ 35g ต่อลิตร ดังนั้นหากต้องการให้ถึงระดับดื่มได้ที่ไม่เกิน 1‰ หรือตามเพดานของน้ำจืดที่ 500ppm จำเป็นต้อง กำจัดเกลือมากกว่า 98%
- การกลั่นมีหลักการเรียบง่าย แต่ในการทดลองต้องใช้เวลาราว 2 ชั่วโมงและไฟฟ้า 1kWh เพื่อผลิต 200ml ส่วนระบบสมัยใหม่เพิ่มประสิทธิภาพความร้อนด้วยความร้อนทิ้ง การระเหยหลายขั้น และการลดความดัน
- รีเวิร์สออสโมซิส (RO) ใช้แรงดันสูง เช่น ประมาณ 600psi ดันน้ำผ่านเมมเบรน อุปกรณ์ทดลองใช้เวลาราว 5 นาทีและกำลังไฟ 1,200W ต่อ 1 ลิตร แต่โรงงาน RO รุ่นใหม่ลดลงได้ถึง 1~2kWh ต่อ 1㎥
- ต้นทุนจริงมักทำให้ยากต่อการให้เหตุผลเมื่อเทียบกับแหล่งน้ำอื่น เพราะมีทั้งการปรับสภาพเบื้องต้น การทำความสะอาดและเปลี่ยนเมมเบรน·เครื่องระเหย การปรับสภาพภายหลัง การจัดการน้ำเกลือเข้มข้น ราคาพลังงาน รวมถึงความเสี่ยงด้านเทคโนโลยี กฎหมาย การเมือง และสิ่งแวดล้อม
ตัวเลขพื้นฐานที่การแยกเกลือออกจากน้ำทะเลต้องเผชิญ
- Carlsbad Desalination Plant ใกล้ San Diego ใน California สูบน้ำจากทะเลโดยตรงและผลิตน้ำจืดได้ประมาณ 50 ล้านแกลลอน หรือ 23,000㎥ ต่อวัน
- ปริมาณการผลิตนี้คิดเป็นประมาณ 10% ของน้ำจืดในพื้นที่ดังกล่าว
- ทั่วโลกมีโรงงานแยกเกลือมากกว่า 18,000 แห่งที่กำลังดำเนินงานอยู่ แต่ปริมาณน้ำที่โรงงานเหล่านี้จ่ายยังไม่ถึง 1% ของความต้องการน้ำทั่วโลก
- โรงงานแยกเกลือใช้งานพลังงานคิดเป็นหนึ่งในสี่ของการใช้พลังงานทั้งหมดในอุตสาหกรรมน้ำ
- ความเค็มของน้ำทะเลแตกต่างกันเล็กน้อยตามพื้นที่และฤดูกาล แต่โดยทั่วไปมีเกลือละลายอยู่ประมาณ 35g ต่อ 1 ลิตร
- ซึ่งเท่ากับ 35‰ หรือ 35 parts per thousand ตามหน่วยส่วนในพัน
- น้ำเกลือทางการแพทย์มีความเข้มข้นราว 9‰ และเกือบเป็น isotonic กับเลือด แต่ความเข้มข้นระดับนี้ก็ยังไม่ใช่รสชาติที่เหมาะสำหรับดื่ม
- World Health Organization มองว่าโดยทั่วไปผู้บริโภคจะยอมรับได้ยากหากของแข็งที่ละลายอยู่เกิน 1‰
- เพดานทั่วไปของน้ำจืดอยู่ที่ 500ppm หรือระดับ 0.5‰ และเป็นค่ารวมของของแข็งที่ละลายทั้งหมด ไม่ใช่แค่เกลือ
- หากต้องการทำให้น้ำทะเลอยู่ในระดับที่ดื่มได้ จำเป็นต้องกำจัด เกลือมากกว่า 98%
การกลั่นเรียบง่าย แต่ติดปัญหาพลังงานและสเกล
- การกลั่นเป็นวิธีแยกเกลือที่เก่าแก่และเข้าใจง่ายที่สุด โดยเหลือเกลือไว้ ให้ความร้อนแก่น้ำจนกลายเป็นไอ แล้วควบแน่นกลับเป็นน้ำอีกครั้ง
- ในอุปกรณ์ทดลอง มีการใส่น้ำทะเลที่ทำขึ้นเองลงในขวดแฟลสก์ ให้ความร้อนด้วย hot plate แล้วหมุนเวียนน้ำหล่อเย็นเพื่อเปลี่ยนไอกลับเป็นของเหลว
- ของแข็งที่ละลายอยู่ในผลิตภัณฑ์มีเพียงไม่กี่ ppm แทบไม่มีเลย แต่ต้องใช้ไฟฟ้าประมาณ 1kWh และเวลาราว 2 ชั่วโมง เพื่อให้ได้น้ำ 200ml
- หากประเมินการใช้น้ำต่อวันของครัวเรือนอเมริกันไว้คร่าว ๆ ที่ 300 แกลลอน หรือ 1,100 ลิตร จะต้องขยายอุปกรณ์ทดลองที่มีประสิทธิภาพเท่าเดิมให้ใหญ่ขึ้นประมาณ 500 เท่า
- ในกรณีนี้จะต้องใช้พลังงานประมาณ 6,000kWh ต่อวัน
- ตามค่าไฟฟ้าที่อยู่อาศัยเฉลี่ยของสหรัฐฯ จะมีค่าใช้จ่ายราว 800 ดอลลาร์ ต่อวัน
- ระบบกลั่นสมัยใหม่ถูกออกแบบให้มีประสิทธิภาพสูงกว่าอุปกรณ์ทดลองมาก
- บางกรณีตั้งอยู่ร่วมกับโรงไฟฟ้าถ่านหินหรือก๊าซเพื่อใช้ประโยชน์จากความร้อนทิ้ง
- นำความร้อนที่ได้จากกระบวนการควบแน่นกลับมาใช้ซ้ำ
- ใช้หลายขั้นตอนเพื่อทำให้ของเหลวระเหยได้มีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น
- ใช้ปั๊มลดความดันเพื่อกระตุ้นการระเหยเชิงกล
- การกลั่นยังมีปัญหา ตะกรัน (scale) ตามมาด้วย
- เมื่อน้ำเดือดหายไปและตะกอนเกลือสะสม การถ่ายเทความร้อนจะยากขึ้น ทำให้ประสิทธิภาพลดลง
- ตะกอนต้องถูกทำความสะอาดเป็นประจำ
- เครื่องระเหยแบบแฟลช (flash evaporator) ส่งการไหลของของเหลวผ่านวาล์วขยายตัวเพื่อกระตุ้นให้ระเหยที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดเดือด ซึ่งช่วยลดการสะสมของตะกรัน
- เป็นอุปกรณ์สำคัญที่ผลิตน้ำจืดได้อย่างน่าเชื่อถือมาหลายสิบปีในโรงงานแยกเกลือแบบกลั่น รวมถึงในภูมิภาคตะวันออกกลาง
รีเวิร์สออสโมซิสมีประสิทธิภาพกว่า แต่แรงดันและการจัดการเมมเบรนคือหัวใจ
- รีเวิร์สออสโมซิส (reverse osmosis, RO) คือวิธีใช้แรงดันผลักปรากฏการณ์ออสโมซิสที่แพร่ผ่านเมมเบรนตามธรรมชาติให้เกิดขึ้นย้อนกลับ
- เมมเบรนน้ำทะเลที่ใช้ในการทดลองถูกม้วนเป็นเกลียว จึงให้พื้นที่ผิวกว้างภายในแพ็กเกจขนาดเล็ก
- คล้ายฟิลเตอร์ที่ยอมให้น้ำผ่านและกักของแข็งที่ละลายไว้ แต่ทำงานในระดับที่เล็กกว่ามาก
- โรงงานแยกเกลือสมัยใหม่ส่วนใหญ่ใช้ RO เป็นวิธีแยกขั้นแรก
- โดยทั่วไปมีประสิทธิภาพสูงกว่าการกลั่นด้วยความร้อนมาก
- แต่ก็ยังใช้พลังงานมากกว่าโรงงานบำบัดน้ำดิบทั่วไปอย่างมาก
- อุปกรณ์ทดลองใช้แรงดันประมาณ 600psi หรือราว 40 เท่าของความดันบรรยากาศปกติ
- ระบบ RO ขนาดเล็กก็ใช้ปั๊มแรงดันสูงสำหรับการเดินเครื่องระยะยาวเช่นกัน
- ในการทดลองใช้เครื่องฉีดน้ำแรงดันสูงราคาถูกแทนปั๊มเฉพาะทาง
- ใน RO น้ำที่ไหลเข้าทั้งหมดไม่ได้ผ่านเมมเบรน
- น้ำส่วนใหญ่ไหลผ่านหน้าเมมเบรนแล้วถูกปล่อยออกเป็นน้ำเกลือเข้มข้น (brine) ที่เค็มกว่าเดิม
- น้ำที่ผ่านเมมเบรนออกมาเรียกว่า permeate และไหลออกจากตรงกลางของเฮาส์ซิง
- หากปิดวาล์วน้ำเกลือเข้มข้น ความดันในเฮาส์ซิงจะสูงขึ้นและอัตราการไหลของ permeate จะเพิ่มขึ้น แต่หากไม่มีน้ำมาชะล้างเกลือ เมมเบรนจะปนเปื้อน
- โดยทั่วไปเมมเบรนต้องให้น้ำไหลผ่านเป็นเวลาหลายชั่วโมงจึงจะเข้าใกล้ประสิทธิภาพสูงสุด
- เครื่องฉีดน้ำแรงดันสูงสำหรับการทดลองไม่เหมาะจะเดินเครื่องนานขนาดนั้น
- หลังผ่านไปประมาณ 30 นาที น้ำที่ได้มีของแข็งละลายอยู่ระดับ 1~2‰ ซึ่งไม่ใช่น้ำดื่มคุณภาพสูง แต่ก็อยู่ในระดับที่ดื่มได้
- ในการทดลอง กำลังไฟรวมของปั๊มบูสเตอร์และเครื่องฉีดน้ำแรงดันสูงอยู่ที่ประมาณ 1,200W และใช้เวลาประมาณ 5 นาทีในการผลิต 1 ลิตร
- หากต้องการผลิต 300 แกลลอนต่อวัน ต้องเดินเครื่องฉีดน้ำแรงดันสูง 4 เครื่องอย่างต่อเนื่อง
- ต้องใช้พลังงานมากกว่า 100kWh ต่อวัน และมีค่าใช้จ่าย 15 ดอลลาร์ต่อวัน หรือมากกว่า 5,000 ดอลลาร์ต่อปี
- โรงงาน RO รุ่นใหม่ใช้แร็กเมมเบรนขนาดใหญ่คุณภาพสูง ปั๊มประสิทธิภาพสูง และอุปกรณ์กู้คืนพลังงานจากน้ำเกลือเข้มข้น
- อุปกรณ์ทดลองต้องใช้พลังงานประมาณ 100kWh เพื่อบำบัดน้ำทะเล 1㎥ หรือ 264 แกลลอน
- โรงงาน RO รุ่นใหม่สามารถบำบัดปริมาณเดียวกันได้ด้วย 1~2kWh
ต้นทุนจริงเพิ่มขึ้นนอกกระบวนการแยก
- โรงงานแยกเกลือจากน้ำทะเลจริงไม่ได้เริ่มจากน้ำประปาเหมือนการทดลอง แต่ต้องบำบัดน้ำทะเลดิบที่มีดิน สาหร่าย อินทรียวัตถุ และมลพิษอื่น ๆ ปะปนอยู่ นอกเหนือจากเกลือ
- องค์ประกอบเหล่านี้อาจปนเปื้อนหรือทำความเสียหายต่อเครื่องระเหยหรือเมมเบรนได้ ดังนั้นโรงงานแยกเกลือทุกแห่งจึงต้องทำ การปรับสภาพเบื้องต้น ก่อน
- การปรับสภาพเบื้องต้นมีต้นทุนจากการเติมสารเคมีและการบำรุงรักษาฟิลเตอร์
- ต้นทุนและพลังงานเหล่านี้เกิดขึ้นก่อนขั้นตอนแยกเกลือแล้ว
- แม้การปรับสภาพเบื้องต้นจะทำได้ดี เมมเบรน RO หรือเครื่องระเหยก็ต้องหยุดเดินเครื่องเพื่อทำความสะอาดเป็นประจำ
- เมื่อเวลาผ่านไปก็จำเป็นต้องเปลี่ยนด้วย
- โดยทั่วไป permeate จาก RO หรือน้ำกลั่นไม่สามารถส่งให้ลูกค้าได้ทันที
- น้ำสะอาดเกินไป จึงต้องมีการปรับสภาพภายหลังเพื่อเติมแร่ธาตุกลับเข้าไปให้ได้รสชาติที่คนส่วนใหญ่ชอบ
- ยังต้องเติมสารฆ่าเชื้อเพื่อไม่ให้ปนเปื้อนระหว่างผ่านระบบท่อจ่ายน้ำ
- น้ำเกลือเข้มข้น (brine) คือของเสียที่เกลือซึ่งถูกกำจัดออกจากน้ำผลิตไปรวมอยู่ในปริมาตรน้ำที่เล็กลง
- โรงงานแยกเกลือสมัยใหม่โดยทั่วไปกู้คืนน้ำได้ประมาณครึ่งหนึ่งของน้ำที่ไหลเข้า
- ดังนั้นน้ำเกลือเข้มข้นจึงมีความเค็มสูงกว่าน้ำทะเลทั่วไปประมาณ 2 เท่า
- หากปล่อยน้ำเกลือเข้มข้นที่มีความเค็มสูงลงทะเลโดยตรง อาจส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมต่อพืชและสัตว์ใกล้ก้นทะเลได้
- เพราะสารละลายเข้มข้นมักจมลง
- ท่อระบายจำนวนมากใช้ diffuser เพื่อเจือจางน้ำเค็มอย่างรวดเร็ว
- บางครั้งผสมกับกระแสน้ำอื่น เช่น น้ำหล่อเย็นจากโรงไฟฟ้าหรือน้ำทิ้งที่ผ่านการบำบัด ก่อนปล่อยออก
- หากใช้วิธีเหล่านี้ไม่ได้ โรงงานบางแห่งต้องอัดฉีดน้ำเกลือลงใต้ดิน ซึ่งเป็นวิธีที่มีต้นทุนสูง
การแยกเกลือแข่งขันกับแหล่งน้ำอื่นอย่างไร
- วัฏจักรน้ำตามธรรมชาติทำหน้าที่กลั่นน้ำทะเลด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ ขนส่งเข้าแผ่นดิน และปล่อยลงสู่พื้นผิวอยู่แล้ว
- เขื่อน อ่างเก็บน้ำ คลอง สถานีสูบน้ำ และสิ่งอำนวยความสะดวกในการรับน้ำผิวดินก็มีต้นทุนและผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมสูงเช่นกัน แต่ด้วยต้นทุนมหาศาลและความต้องการพลังงานของการแยกเกลือจากน้ำทะเล สำหรับบางพื้นที่ที่มีประชากรหนาแน่น การสร้างและเดินระบบท่อส่งน้ำระยะไกลก็อาจเป็นไปได้
- การแยกเกลือดูเหมือนเรียบง่ายเมื่อมองผิวเผิน แต่เมื่อนำต้นทุนจริงและความซับซ้อนมารวมกัน หลายกรณีก็ยากที่จะให้เหตุผลว่าดีกว่าทางเลือกอื่น
- คล้ายกับพลังงานนิวเคลียร์ที่ดูเรียบง่ายในระดับผิวหน้า แต่มีความซับซ้อนสูงในการปฏิบัติจริง
- เพราะเป็นเทคโนโลยีที่ค่อนข้างใหม่ จึงยากที่จะคาดการณ์ปัญหาที่ซ่อนอยู่ด้านเทคโนโลยี กฎหมาย การเมือง และสิ่งแวดล้อม
- เนื่องจากมีความต้องการพลังงานสูง การแยกเกลืออาจเชื่อมต้นทุนน้ำกับต้นทุนไฟฟ้าอย่างแน่นแฟ้น
- ระหว่างภัยแล้ง ต้นทุนไฟฟ้าพลังน้ำอาจเพิ่มขึ้น
- หากต้นทุนพลังงานโดยรวมสูงขึ้น การแยกเกลืออาจมีความคุ้มค่าทางเศรษฐกิจลดลงในช่วงที่ต้องการมากที่สุด
- ในพื้นที่ที่มีประชากรขนาดใหญ่และขาดแคลนน้ำอย่างรุนแรง การแยกเกลืออาจเป็นทางออกที่ทำได้จริง
- โรงงานที่ใหญ่ที่สุดอยู่ในประเทศตะวันออกกลาง เช่น Saudi Arabia และ UAE
- ในพื้นที่ที่สภาพภูมิอากาศผันผวนสูง เช่น California, Texas และ Florida ก็อาจเป็นองค์ประกอบหนึ่งของพอร์ตโฟลิโอการจัดหาน้ำได้
- น้ำที่ได้จากการแยกเกลือมีราคาแพงกว่าแม่น้ำ อ่างเก็บน้ำ และน้ำบาดาล แต่ในภาวะภัยแล้งที่แหล่งน้ำอื่นมีข้อจำกัดหรือใช้ไม่ได้ อาจเชื่อถือได้มากกว่า
- ในพื้นที่ที่มีปากแม่น้ำหรือน้ำบาดาลกร่อยซึ่งมีความเค็มต่ำกว่าน้ำทะเล การแยกเกลืออาจเป็นแหล่งน้ำจืดที่คุ้มค่ากว่ามาก
ความเสี่ยงของภาคเอกชนและสัญญาณจากโครงการ Carlsbad
- หากภาคเอกชนรับความเสี่ยง ความเป็นไปได้ในการดำเนินโครงการแยกเกลืออาจสูงขึ้น
- โรงงานแยกเกลือขนาดใหญ่จำนวนไม่น้อยไม่ได้ดำเนินงานในรูปแบบที่สาธารณูปโภคภาครัฐจัดหาเงินทุน ก่อสร้าง และเดินระบบโรงบำบัดทั่วไปเองโดยตรง แต่ดำเนินผ่านความร่วมมือกับบริษัทน้ำเอกชน
- สาธารณูปโภคโอนต้นทุนทางการเงินและความเสี่ยงในการดำเนินงานให้บริษัทเอกชนผ่านสัญญาซื้อน้ำ และได้รับโครงสร้างการซื้อน้ำที่มั่นคง
- ยังช่วยลดภาระที่คณะกรรมการภาครัฐต้องตัดสินใจโดยตรงเกี่ยวกับปัญหาเทคโนโลยีที่ซับซ้อนและนวัตกรรมซึ่งมีตัวอย่าง precedents น้อย
- บริษัทเอกชนที่ดำเนินงานโรงงาน Carlsbad ใน San Diego County กำลังดำเนินโครงการสิ่งอำนวยความสะดวกสูบน้ำทะเลอิสระที่จำเป็น หลังโรงไฟฟ้าข้างเคียงปิดตัวลงในปี 2018 โดยตั้งเป้าแล้วเสร็จในปี 2024
- พันธบัตรของโครงการนี้ได้รับการปรับเพิ่มอันดับเป็น BBB จาก Fitch
- นี่คือการประเมินว่าสถานะคาดการณ์ของสิ่งอำนวยความสะดวกนี้ค่อนข้างมั่นคง และมีโอกาสผิดนัดชำระหนี้ต่ำ
- แม้จะเป็นการประเมินของสถาบันจัดอันดับแห่งหนึ่งต่อโครงการหนึ่งและโรงงานระบบเมมเบรนหนึ่งแห่ง แต่ก็เป็นสัญญาณว่าเทคโนโลยีแยกเกลือกำลังก้าวหน้า
1 ความคิดเห็น
ความเห็นจาก Hacker News
รู้สึกว่าบทความนี้เหมือนจะเลี่ยงคำถามหลักไปนิดหน่อย
ผมไม่ใช่นักฟิสิกส์ แต่ถ้าตัดขั้นตอนพิเศษอย่างรังสีอัลตราไวโอเลตหรือการออกซิไดซ์โลหะหนักออกไป การกรองส่วนใหญ่ก็ใกล้เคียงกับ การกรองเชิงกล โดยใช้ตัวกรองที่มีรูเล็กลงเรื่อย ๆ เพื่อดักแบคทีเรียและอนุภาคต่าง ๆ ส่วนรังสีอัลตราไวโอเลตใช้สลายไวรัส และสารออกซิไดซ์ทำให้โลหะตกตะกอน
แต่เกลือแตกต่างออกไป เพราะขั้วคู่ของน้ำจะดึงพันธะไอออนิกออกจากกัน แล้วห่อหุ้มไอออนแต่ละตัวด้วย เปลือกไฮเดรชัน ทำให้มันเล็กเกินกว่าจะจัดการด้วยขนาดรูกรอง และยังเสถียรในเชิงอุณหพลศาสตร์ จึงต้องใส่พลังงานเพิ่มผ่านกระบวนการอย่างการระเหย การกลั่น หรือปฏิกิริยาการตกตะกอน
เพราะอย่างนั้นจึงมีการใช้รีเวิร์สออสโมซิสเป็นทางเลือกที่ถูกกว่า โดยอัดแรงดันสูงผ่านเยื่อกึ่งซึมผ่านให้น้ำผ่านไปได้ ขณะที่ไอออนคงอยู่ในน้ำเกลือเข้มข้น ใช้พลังงานน้อยกว่าแต่ก็เกิดของเสียเหลวที่ต้องจัดการ
ไม่ว่าจะใช้วิธีไหน สุดท้ายก็ต้องจัดการกับกองเกลือที่แยกออกมาอยู่ดี
วัสดุพอลิเมอร์เป็นของแข็งอสัณฐานที่มีช่องว่างชั่วคราวเกิดขึ้นและหายไปจากการเคลื่อนที่เชิงความร้อน มันไม่ใช่ “รู” ที่คงอยู่ระยะยาว แต่ถูกจำลองให้พอลิเมอร์กับน้ำเป็นเฟสของไหลเดียวกันมากกว่า
มีวัสดุที่มีรูชัดเจนอย่าง MOF หรือซีโอไลต์อยู่เหมือนกัน แต่แม้ในกรณีนั้น น้ำก็ยังถูกดูดซับในช่องว่างเหมือนของเหลว และการเคลื่อนที่ระหว่างรูทำงานคล้ายประตูทางผ่าน
ในความเป็นจริง น้ำเข้าไปในพอลิเมอร์สำหรับการแยกเกลือได้ดีอยู่แล้วไม่ว่าจะมีเกลือหรือไม่ ดังนั้นคำอธิบายว่า “รูเล็กจนปกติน้ำผ่านไม่ได้” จึงไม่ถูกต้อง
แม้แต่พอลิเมอร์ที่อุ้มน้ำได้ถึง 50% ของน้ำหนักตัวเองและไม่เกิดน้ำแข็ง ก็ยังกรองเกลือได้เกิน 90% ที่แรงดันมากกว่า 3000psi
หากไม่มีแรงดัน ทั้งเกลือและน้ำจะผ่านไปโดยไม่มีการเลือก ดังนั้นนี่ไม่ใช่การร่อนน้ำออกจากไอออนแบบกายภาพ แต่เป็นการที่แรงดันเปลี่ยนกิจกรรมของน้ำ ทำให้น้ำละลายเข้าไปในพอลิเมอร์ได้ดีกว่าและเคลื่อนที่ได้เร็วกว่า จนเกิด การแยกเกลือออกจากน้ำ ซึ่งอธิบายได้ถูกต้องกว่า
ถ้าอ่านดี ๆ จะเห็นว่ามันพูดถึงวิธีแยกเกลือหลายแบบ ทั้งการกลั่นและออสโมซิส และบทสรุปก็ค่อนข้างชัดเจน
การแยกเกลือออกจากน้ำทะเลดูเหมือนง่ายภายนอก แต่พอรวมต้นทุนและความซับซ้อนจริงแล้ว ก็มักอธิบายความคุ้มค่าได้ยากกว่าแนวทางอื่น โดยเฉพาะเพราะ ความต้องการพลังงานสูง ทำให้ราคาน้ำผูกติดกับค่าไฟอย่างมาก
ประเด็นสำคัญคือเมื่อเกิดภัยแล้ง ต้นทุนไฟฟ้าจากพลังน้ำสูงขึ้น ต้นทุนไฟโดยรวมก็เพิ่มขึ้นตาม ทำให้เศรษฐศาสตร์ของการแยกเกลืออาจแย่ลงในช่วงเวลาที่ต้องการมันมากที่สุด
ถ้าจะพูดให้ง่ายกว่านั้น ระหว่างน้ำทะเลกับน้ำจืดที่ดื่มได้ มี ความต่างด้านพลังงานและเอนโทรปี อยู่ และไม่ว่าวิธีไหนก็ลดต้นทุนต่ำกว่าขีดจำกัดขั้นต่ำนี้ไม่ได้
ไม่ว่าจะใช้วิธีใด ของแข็งที่ละลายอยู่ก็จะไปเกาะหรือค้างอยู่ตามผิวและในท่อ และสิ่งที่จะทำอย่างไรให้หลุดออกและจัดการต่อก็เป็นปัญหาอีกอย่าง
สุดท้าย ความฝันที่จะได้น้ำใสไร้สีไร้รสหนึ่งขวดพร้อมกองผงละเอียดอย่างเรียบร้อยนั้นทำได้ยาก และในทางปฏิบัติมักลงเอยด้วยการปล่อยนํ้าที่เค็มขึ้นกลับสู่แหล่งน้ำเดิม พร้อมหวังว่าจะไม่ทำให้ปลาตายมากเกินไป
วิธีคือทำให้น้ำเกลือร้อนขึ้นจนความดันไอของมันเหนือผิวน้ำเกลือ เท่ากับความดันไอเหนือหยดน้ำจืดไร้เกลือที่เกิดขึ้นทางฝั่งเย็นกว่า
จากนั้นอัดไอน้ำให้ไปควบแน่นที่อุณหภูมิสูงกว่าน้ำเกลือเล็กน้อย แล้วส่งทั้งน้ำกลั่นและน้ำเกลือที่เหลือเข้าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบไหลสวนทางแยกกัน เพื่ออุ่นน้ำทะเลที่ไหลเข้าระบบล่วงหน้าไปจนถึงอุณหภูมิเดินเครื่องของคอลัมน์
ในเชิงอุณหพลศาสตร์ มันอาจมีประสิทธิภาพพอ ๆ กับกระบวนการรีเวิร์สออสโมซิสที่มีเงื่อนไขขาเข้าและขาออกเท่ากัน และยังต้องใช้ปั๊มกับกังหันเพื่อปรับของเหลวระหว่างความดันบรรยากาศกับความดันเดินเครื่องภายในให้สูญเสียต่ำ
ข้อดีคือถ้าใช้อุปกรณ์รวมแสงอาทิตย์ให้ความร้อนกับน้ำเกลือโดยตรง ก็สามารถควบแน่นได้โดยไม่ต้องอัดไอน้ำ ทำให้ใช้งานได้เหมือนฮีตปั๊มดูดกลืนแบบเปิดชนิดที่ 1 ที่ป้อนพลังงานจากแสงอาทิตย์
การแยกเกลือออกจากน้ำทะเลถูกกว่าที่คิด
น้ำจากการแยกเกลือมีต้นทุนราว 50 เซนต์ต่อ 1000 ลิตร ซึ่งใกล้เคียงกับปริมาณน้ำที่ครัวเรือนอเมริกันทั่วไปใช้ในหนึ่งวัน
ถ้าสามารถจัดหาน้ำที่แยกเกลือสมบูรณ์ได้ในราคา 50 เซนต์ต่อวัน ก็นับว่า ถูกจนน่าทึ่ง
ถ้าคุณสนใจนโยบายน้ำและการจัดการทรัพยากรน้ำ/วิศวกรรม ผมแนะนำอย่างยิ่งให้ดู "Let There Be Water: Israel's Solution for a Water-Starved World"
https://en.wikipedia.org/wiki/Desalination#Costs
อย่างที่แคลิฟอร์เนียแสดงให้เห็น มันทำได้จริง แต่ก็ยังไม่สามารถจัดหา น้ำจืดเพื่อการเกษตร ในระดับใหญ่ได้ อย่างที่เห็นจาก Central Valley เช่นกัน
แม้แต่ในแคลิฟอร์เนียที่มีปัญหาขาดแคลนน้ำเรื้อรัง การใช้น้ำเพื่อที่อยู่อาศัย การพาณิชย์ และอุตสาหกรรม รวมถึงการจัดสวนและสนามกอล์ฟทั้งหมดแล้ว ก็ยังอยู่ที่เพียง 10~20% ของการใช้น้ำทั้งหมด ขึ้นอยู่กับปริมาณฝน
การผลิตอาหาร น้ำเพื่ออุตสาหกรรม ฯลฯ เป็นอีกส่วนหนึ่งต่างหาก
บทความนี้แสดงให้เห็นได้ดีว่ามีข้อพิจารณาเพิ่มเติมอะไรบ้างนอกเหนือจากการบำบัดน้ำจริง ๆ และก็บอกด้วยว่าในหลายกรณีมัน ใช้งานได้จริง
อัตราค่าน้ำพื้นฐานทั่วไปสำหรับผู้บริโภคใน Irvine, CA คือ 1.78 ดอลลาร์ต่อ 748 แกลลอน หรือเกือบ 3000 ลิตร ซึ่งแพงกว่านั้นเสียอีก
อย่างไรก็ตาม ตัวเลขนี้น่าจะเป็นต้นทุนการผลิต และราคาที่ผู้บริโภคจ่ายซึ่งรวมการกระจายหลังโรงบำบัดและการบำรุงรักษาด้วยก็คงสูงขึ้นอีก แต่ก็ดูยังอยู่ในระดับสมเหตุสมผล
นอกประเด็นไปนิด แต่บทความพูดถึงโรงงานแยกเกลือ Carlsbad ถ้าคุณไป San Diego และชอบกินหอยนางรม ขอแนะนำทัวร์ Carlsbad Aquafarm
ที่น่าสนใจคือฟาร์มหอยนางรมแห่งนี้ทำหน้าที่เป็นตัวกรองก่อนการบำบัดของโรงงานแยกเกลือ และมีความสัมพันธ์แบบพึ่งพากันระหว่างโรงงานกับฟาร์ม
การแยกเกลือออกจากน้ำเป็นการย้อนกระบวนการดูดความร้อน จึงมีต้นทุนพลังงานค่อนข้างสูง และเพราะน้ำถูกใช้ในปริมาณมหาศาล ระบบจึงต้องมีขนาดใหญ่ด้วย
ที่สำคัญที่สุดคือ โลกได้ทำการแยกน้ำจืดให้เราไปแล้วฟรีๆ จำนวนมากผ่านกระบวนการทางธรณีวิทยา ดังนั้นราคามาตรฐานของการทำน้ำจืดจึงใกล้เคียง 0 ดอลลาร์ต่อลิตร
โครงสร้างพื้นฐานอย่างการกักเก็บน้ำฝน การสร้างเขื่อนกั้นแม่น้ำ และการสูบน้ำบาดาลขึ้นมา ไม่ได้ฟรีทั้งหมด แต่ต้นทุนส่วนเพิ่มของน้ำ 1 ลิตรถัดไปต่ำมาก
ปัญหาไม่ใช่ว่าการแยกเกลือออกจากน้ำนั้นยากในตัวมันเอง แต่เป็นการทำให้ได้ในระดับ ราคาถูกมากและขนาดใหญ่มาก ต่างหากที่ยาก
ถ้ามีความจำเป็นจริงและมีความตั้งใจจะทำ เทคโนโลยีที่ต้องใช้ก็มีพร้อมอยู่แล้ว
https://en.wikipedia.org/wiki/Water_supply_and_sanitation_in...
เมื่อหลายปีก่อน ผมเคยไปดูงานกระบวนการผลิตเมเปิลไซรัปที่มีเป้าหมายตรงกันข้ามพอดี: เป็นกระบวนการทำให้สารที่ละลายในน้ำมีความเข้มข้นขึ้น
ขั้นแรกใช้ reverse osmosis ไปได้ระดับหนึ่งเท่านั้น และขั้นที่สองคือต้ม แต่พยายามกู้คืนความร้อนจากไอน้ำมาอุ่นของเหลวขาเข้าให้ร้อนล่วงหน้า
ทั้งหมดนี้เป็นมาตรการเพื่อควบคุมต้นทุนพลังงาน
ต้อง กู้คืนความร้อนทิ้ง ให้ได้มากที่สุด
ในทางทฤษฎี การกลั่นแบบต่อเนื่องอาจมีประสิทธิภาพสูงมากเพราะดึงความร้อนออกมาได้เท่ากับที่ใส่เข้าไป แต่ในโลกจริง ฉนวน ปั๊ม เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ฯลฯ ไม่ได้ฟรี และยิ่งขยายขนาด ผลตอบแทนก็ยิ่งลดลงอย่างรวดเร็ว
หรือว่าความประหยัดนั้นหายไปเพราะปริมาตรและน้ำหนักในการขนส่งกับการจัดการ หรือจริงๆ แล้วไม่มี ตลาดไซรัปแบบเจือจาง เลยจึงไม่มีใครผลิต?
เครื่องกลั่นด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ของ MIT ในปี 2020 แสดงผลการผลิตน้ำจืดได้ 1.5 แกลลอนต่อชั่วโมง จากกระบวนการ membrane distillation แบบช่องว่างใกล้เคียงขนาด 1 ตารางเมตร
ถ้ามีอุปกรณ์นี้ 10,000 ตารางเมตร ก็จะผลิต น้ำจืด 150,000 แกลลอน ได้ในช่วงเวลารับแสงอาทิตย์ 10 ชั่วโมง
แกนสำคัญดูเหมือนจะอยู่ที่ระยะห่าง 1.2 ซม. หรือ 80 มม. ระหว่างแผ่นกระจาย ซึ่งทำให้ใช้ความร้อนจากแสงอาทิตย์ การควบแน่น และการเก็บรวบรวมร่วมกันในพื้นที่เดียว
แน่นอนว่ายังมีปัญหาเรื่องการเก็บรวบรวมน้ำเกลือทิ้ง แต่สามารถค่อยๆ ลดความเค็มลงจนเหลือ 2~3 ส่วนในพัน หรือ 0.2~0.3% ได้ด้วยการทำแบบเดียวกันซ้ำ 3 ครั้ง
ในแง่พลังงาน วิธีของ MIT นี้ทำให้วิธีพลังงานแสงอาทิตย์แบบ passive เหนือกว่า reverse osmosis พอสมควร แต่ในเรื่อง อัตราการผลิตพื้นฐาน reverse osmosis ก็ยังมีข้อได้เปรียบที่ยากจะเอาชนะ
https://news.mit.edu/2020/passive-solar-powered-water-desali...
มีการบอกว่าการปรับสภาพน้ำล่วงหน้าด้วย sodium hydroxide เป็นเรื่องที่พบได้บ่อยและต้องซื้อสารนี้ และในที่นี้ก็เสนอวิธี การนำ sodium hydroxide กลับคืน จากน้ำทิ้ง
https://news.mit.edu/2019/brine-desalianation-waste-sodium-h...
อาจเป็นความคิดที่โง่มาก แต่จะเป็นไปได้ไหมถ้าสูบน้ำทะเลไปพ่นในทะเลทรายที่ร้อนและแห้งเพื่อให้ระเหยตามธรรมชาติ แล้วค่อยเก็บกลับมาเป็นฝนน้ำจืด?
ถ้าจะเพิ่มปริมาณฝนอย่างเห็นได้ชัด ต้องทำให้น้ำ ระเหยมากแค่ไหน?
https://www.youtube.com/watch?v=V2b7ztWvFOg
ถึงจะทำให้น้ำระเหยได้มาก ก็มีโอกาสสูงที่ฝนจะไม่ตกในที่ที่ต้องการหรือที่เก็บกลับมาใช้ได้
แต่มันไม่ได้ทำให้ปริมาณฝนเพิ่มขึ้น
ตรงกันข้าม อิสราเอลกำลังแยกเกลือออกจากน้ำเพื่อฟื้นฟูแม่น้ำ และน้ำนี้ท้ายที่สุดก็อาจไหลไปถึงทะเลเดดซี
ถ้าคุณกำลังพูดถึงขนาดที่ใหญ่กว่านั้นมาก ทะเลเองก็ใหญ่กว่ามากและมีน้ำระเหยจากผิวน้ำอยู่ตลอดเวลา
มนุษย์ไม่สามารถสร้างพื้นที่ระเหยที่ใหญ่กว่าทะเลได้
อีกอย่าง น้ำไม่ได้ระเหยเพราะความร้อนเป็นหลัก แต่ระเหยเพราะ ลม
ทะเลทรายมีความร้อนมาก แต่มีลมค่อนข้างน้อย ขณะที่ทะเลมีลมมาก
ถ้าทำให้น้ำเกลือระเหย ก็จะเหลือของแข็งจากเกลือปริมาณมาก ทำให้นึกถึงสถานการณ์แบบ Great Salt Lake
ต้นทุนพลังงานอาจเป็น ประเด็นหุ่นฟาง อยู่บ้าง ขึ้นอยู่กับเงื่อนไขในแต่ละพื้นที่
แคลิฟอร์เนียมีการจำกัดการผลิตหรือทิ้งพลังงานหมุนเวียนจำนวนมหาศาลในช่วงฤดูใบไม้ผลิ
ถ้านำพลังงานนั้นมาใช้แยกเกลือออกจากน้ำตามฤดูกาลและเก็บน้ำจืดไว้ใช้ภายหลังได้ มันก็จะทำงานเหมือนแบตเตอรี่ยักษ์สำหรับย้ายพลังงานส่วนเกินจากฤดูใบไม้ผลิไปยังฤดูร้อน
แม้พลังงานหมุนเวียนจะล้นในบางช่วง แต่มันก็ยังมีต้นทุน และช่วงเวลาที่ไฟฟ้าส่วนเกินเกิดขึ้นอาจไม่ตรงกับความต้องการใช้น้ำ
ทุกวันนี้และน่าจะรวมถึงอนาคตด้วย ก็ยังไม่มีพลังงานหมุนเวียนส่วนเกินมากพอที่จะกลั่นน้ำได้แม้เพียงบางส่วนของปริมาณการใช้น้ำจืด
สุดท้ายก็ต้องคำนวณต้นทุนต่อ kWh ของไฟฟ้าที่ใช้ในการแยกเกลือออกจากน้ำ และต่อให้สร้างโรงงานเผื่อขนาดไว้เพื่อใช้ไฟฟ้าส่วนเกิน ต้นทุนก็ยังคงมีอยู่
ราคานั้นมีแนวโน้มจะทำให้ต้นทุนน้ำกลั่นต่อแกลลอนสูงกว่าน้ำจาก reverse osmosis หรือจากท่อส่งน้ำ ดังนั้นการแยกเกลือออกจากน้ำจึงยังคงใกล้เคียงกับ ทางเลือกสุดท้าย ที่ใช้เมื่อวิธีจัดหาน้ำจืดแบบอื่นทั้งหมดมีปัญหาเรื่องต้นทุน
ระหว่างที่ไม่ได้เดินเครื่องก็ไม่สามารถคืนทุนจากเงินลงทุนได้ ดังนั้นเอาเงินไปลงกับอย่างอื่นที่เดินได้ 24 ชั่วโมงน่าจะคุ้มกว่า
โดยเฉพาะในแคลิฟอร์เนีย การระเหยจะสูง ทำให้ความเค็มเพิ่มขึ้นและประสิทธิภาพลดลง
ไม่ได้ยากเสียทีเดียว แต่เป็นงานที่ต้องฝืนทางพลังงาน
การย้อนกลับเอนโทรปีต้องใช้พลังงาน และนี่คือ กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์
มันกำลังถูกลงเรื่อย ๆ เพราะราคาระบบพลังงานหมุนเวียนลดลง
ราคาค่าไฟฟ้าสำหรับผู้บริโภคมีทั้งกำไรของผู้จัดหาพลังงานและต้นทุนการลงทุนของการผลิตไฟฟ้าแบบเดิมที่มีต้นทุนสูง เช่น ก๊าซ ถ่านหิน และพลังงานนิวเคลียร์รวมอยู่ด้วย จึงไม่ควรนำมาใช้ตรง ๆ
ในพื้นที่แห้งแล้งจำนวนมากที่อยู่ภายในละติจูด 40 องศาจากเส้นศูนย์สูตร พลังงานแสงอาทิตย์เหมาะกับการผลิตพลังงานปริมาณมากในราคาถูก และที่ระดับไม่กี่เซนต์ต่อ kWh ก็เป็นจริงได้ หรือในอนาคตอันใกล้อาจต่ำกว่า 1 เซนต์ได้ด้วยซ้ำ
น้ำสามารถเก็บไว้ในอ่างเก็บน้ำได้ ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องกลั่นน้ำจืดตลอด 24 ชั่วโมง
ต้องใช้พลังงานประมาณ 3kWh ต่อ 1000 ลิตร และแม้จะคิดตามการใช้น้ำต่อวันของครัวเรือนอเมริกันที่ไม่มีประสิทธิภาพ ก็ยังอยู่แค่ระดับวันละไม่กี่เซนต์ต่อครัวเรือน
มันไม่ใช่ว่าจะเล็กน้อยไปเสียหมด แต่การกลั่นน้ำจืดซึ่งในสหรัฐฯ มักถูกมองเหมือนนิยายวิทยาศาสตร์นั้น กลับถูกพอที่จะเป็นวิธีแก้ปัญหาทั่วไปได้แม้ในพื้นที่ที่รายได้เฉลี่ยต่ำกว่ามาก
พลังงานที่ปล่อยออกมาเมื่อเกลือผสมกับน้ำนั้นมีค่าน้อย ประมาณ 3.9kJ/mol
มวลโมลาร์ของเกลือคือ 58g/mol และความเค็มเฉลี่ยของน้ำทะเลอยู่ที่ประมาณ 3.6% ดังนั้นในน้ำทะเล 1㎥ จะมีเกลืออยู่ 1000×0.036/0.058=620 โมล
ถ้าเป็นเครื่องกลั่นน้ำจืดที่สมบูรณ์แบบ จะต้องใช้พลังงาน 2.4MJ หรือประมาณ 0.75kWh ในการกำจัดเกลือ
ถ้าค่าไฟอยู่ที่ 10 เซนต์ต่อ kWh ต้นทุนต่ำสุดตามทฤษฎีของน้ำจืด 1㎥ จะอยู่ที่ประมาณ 8 เซนต์
เหมือนกับการยกของหนัก 500 ปอนด์หรือวิ่งมาราธอน
ลองนึกถึงเครื่องคัดแยกเหรียญที่ใช้แค่แรงโน้มถ่วงกับรูขนาดต่างกัน
ถ้าคุณอาศัยอยู่ในพื้นที่แห้งแล้งใกล้น้ำเค็ม การรู้วิธีทำ เครื่องกลั่นพลังงานแสงอาทิตย์ แบบชั่วคราวก็นับว่าเป็นทักษะเอาตัวรอดพื้นฐานที่ควรมี
มันเรียบง่ายมาก และทำได้ง่ายพอ ๆ กับเครื่องกลั่นสุราเถื่อน โดยไม่ต้องใช้พลังงานจากภายนอกนอกจากแสงอาทิตย์
เช่นเดียวกัน ทุกคนก็ควรรู้จักระบบกรองน้ำพื้นฐานที่ใช้กรวด ทราย และถ่านต่อเรียงกันเป็นชั้น ๆ
มันยังมีคุณค่าในฐานะการทดลองวิทยาศาสตร์ประยุกต์ที่ทำกับเด็ก ๆ ได้ด้วย
ผมคิดว่าการใช้พลังงานแสงอาทิตย์ที่อาศัยน้ำก็ยังเป็นพื้นที่ที่น่าศึกษาเพิ่มเติม
พลังงานแสงอาทิตย์แบบโฟโตโวลตาอิกก็มีข้อดี แต่ น้ำนั้นราคาถูก สะอาด และเชื่อถือได้
วิธีง่าย ๆ อย่างการใช้แสงอาทิตย์ตอนกลางวันอุ่นน้ำ แล้วเอาไปใช้ทำความร้อนตอนกลางคืนนั้นเป็นเรื่องคุ้นเคยอยู่แล้ว และในบางขนาด อาจทำให้วงจรคาร์โนต์มีความน่าสนใจในเชิงเศรษฐศาสตร์ได้ด้วย
มีระบบ พลังงานแสงอาทิตย์แบบความร้อนด้วยเกลือหลอมเหลว ที่ทำงานคล้ายกันอยู่เหมือนกัน