水の時代 ― 人類にとって明るい未来

技術者は、金、レアアース、リチウムなど、最も貴重な、または技術的に有用な天然資源や商品に注目する傾向があります。しかし、私たちの文明を維持するには、もっと単純な資源である淡水が毎日大量に必要となります。

Investors and technologists tend to focus on the most precious or technically useful natural resources and commodities, such as gold, rare earth, or lithium. However, a much simpler resource is needed in massive amounts daily to sustain our civilization: fresh water.

投資家や技術者は、金、レアアース、リチウムなど、最も貴重な、または技術的に有用な天然資源や商品に注目する傾向があります。しかし、私たちの文明を維持するには、もっと単純な資源である淡水が毎日大量に必要となります。

While it literally falls from the sky in most of the world, its availability is still under severe pressure in modern civilization, as we consume much of it for industry, agriculture, and human needs.

文字通り、世界中のほとんどの地域で空から降ってくるものですが、私たちはその多くを産業、農業、人間のニーズのために消費するため、現代文明においてその入手可能性は依然として厳しい圧力にさらされています。

Only 3% of the world’s water is usable fresh water, with 97% being saline (saline groundwater and seawater). Of this freshwater, 69% is held in glacier and polar ice caps, 30% is groundwater, and only 1% is surface water.

世界の水のうち利用可能な淡水はわずか 3% のみで、97% は塩水 (塩分を含んだ地下水と海水) です。この淡水のうち、69% が氷河と極地の氷床に保持されており、30% が地下水で、地表水はわずか 1% です。

Source: USGS

出典: USGS

As a result, in many places, the only available water source is saline. Desalination is possible but requires a tremendous amount of energy. Until now, it has often been done with fossil fuels, as most desalination techniques are energy-intensive and require constant and stable energy inputs.

その結果、多くの場所で利用できる唯一の水源は塩水です。脱塩は可能ですが、膨大なエネルギーを必要とします。ほとんどの淡水化技術はエネルギーを大量に消費し、一定かつ安定したエネルギー入力を必要とするため、これまでは化石燃料を使用して行われることが多かった。

This could change, thanks to a new method developed by MIT engineers and published in Nature Water under the title “Direct-drive photovoltaic electrodialysis via flow-commanded current control.”

この状況は、MIT のエンジニアによって開発され、「流れ指令による電流制御による直接駆動光起電力電気透析」というタイトルで Nature Water に掲載された新しい方法のおかげで変わる可能性があります。

Solar Desalination

太陽熱淡水化

At first glance, solar power seems to be the most logical energy source for powering desalination operations. Not only is it provided for free by the Sun, but it is also generally abundant in dry regions like deserts, which often need desalination the most.

一見すると、太陽光発電は海水淡水化事業に電力を供給するための最も論理的なエネルギー源であるように見えます。それは太陽によって無料で提供されるだけでなく、一般に脱塩が最も必要な砂漠のような乾燥地域にも豊富に存在します。

With solar power becoming cheaper by the day, it will likely continue to grow as an energy source, as we covered in our article “The Solar Age—A Bright Future To Mankind.”

「太陽の時代 ― 人類にとって明るい未来」の記事で取り上げたように、太陽光発電は日に日に安くなり、エネルギー源として今後も成長し続けるでしょう。

There is still one problem – solar energy is only produced when the sun shines. This means that to operate efficiently, most solar-power-only desalination operations would need to be coupled to a battery system, increasing costs.

まだ問題が 1 つあります。太陽エネルギーは太陽が輝いているときにのみ生成されます。これは、効率的に運用するには、ほとんどの太陽光発電のみの淡水化運用をバッテリー システムに接続する必要があり、コストが増加することを意味します。

This is especially problematic for current desalination techniques, like reverse osmosis, which needs stable conditions and a stable energy supply to be efficient. This is because it requires constant pressure on the osmosis membranes.

これは、効率を高めるために安定した条件と安定したエネルギー供給を必要とする逆浸透などの現在の脱塩技術にとって特に問題です。これは、浸透膜に一定の圧力がかかる必要があるためです。

This precludes any small-scale desalination and any low-cost methods, at least as long as energy storage is still expensive. This might change, as we discussed in “The Future Of Energy Storage—Utility-Scale Batteries Tech”; still, it could be better to also adapt to the natural fluctuation of solar power, including very short-term ones like clouds passing by.

これにより、少なくともエネルギー貯蔵が依然として高価である限り、小規模の淡水化や低コストの方法は不可能になります。 「エネルギー貯蔵の将来 - 実用規模の電池技術」で説明したように、これは変わるかもしれません。それでも、通過する雲のような非常に短期間の変動を含め、太陽光発電の自然変動にも適応したほうが良いかもしれません。

Flexible Batch Electrodialysis

柔軟なバッチ電気透析

The MIT researchers favored this approach. They studied electrodialysis, an alternative method to reverse osmosis for desalination. Electrodialysis uses an electric field to draw out salt ions as water is pumped through a stack of ion-exchange membranes.

MIT の研究者たちはこのアプローチを支持しました。彼らは、脱塩のための逆浸透に代わる方法である電気透析を研究しました。電気透析では、水がイオン交換膜のスタックを通ってポンプで送られるときに、電場を使用して塩イオンを引き出します。

Source: Nature Water

出典: 自然水

For their new design, they created a model-based control system connected to sensors in all parts of the system. It predicted the optimal rate at which to pump water and the voltage that should be applied to maximize the amount of salt drawn out of the water.

新しい設計では、システムのすべての部分のセンサーに接続されたモデルベースの制御システムを作成しました。それは、水をくみ出す最適な速度と、水から取り出される塩の量を最大化するために印加すべき電圧を予測しました。

By doing so, the desalination operation could fluctuate according to the solar power produced in real-time.

そうすることで、リアルタイムに発電される太陽光発電に応じて淡水化運転が変動する可能性があります。

Source: Nature Water

出典: 自然水

On average, the system directly used 77 percent of the available electrical energy produced by the solar panels, which the team estimated was 91 percent more than traditionally designed solar-powered electrodialysis systems.

平均して、このシステムはソーラーパネルによって生成される利用可能な電気エネルギーの 77% を直接使用し、研究チームはこれが従来設計の太陽光発電電気透析システムより 91% 多いと推定しました。

Further Improvement

さらなる改善

The almost doubled rate of solar power utilization compared to previous electrodialysis systems could still be improved with more regular optimization & automation:

以前の電気透析システムと比較してほぼ 2 倍の太陽光発電利用率は、より定期的な最適化と自動化によってさらに改善できる可能性があります。

We could only calculate every three minutes, and in that time, a cloud could literally come by and block the sun.

計算できるのは 3 分ごとだけで、その間に文字通り雲がやって来て太陽を遮ってしまう可能性があります。

The system could be saying, ‘I need to run at this high power.’ But some of that power has suddenly dropped because there’s now less sunlight. So, we had to make up that power with extra batteries.”

システムが「この高出力で実行する必要がある」と言っているのかもしれません。しかし、太陽光が少なくなったために、その電力の一部が突然低下しました。そのため、追加のバッテリーでその電力を補う必要がありました。」

Amos Winter – Director of the K. Lisa Yang Global Engineering and Research (GEAR) Center at MIT

エイモス・ウィンター – MIT の K. リサ・ヤン グローバル工学研究 (GEAR) センター所長

This was a proof-of-concept work and will be turned into a commercial design soon, as the team will be launching a company based on their technology in the coming months.

これは概念実証の作業であり、チームは今後数か月以内に彼らのテクノロジーに基づいて会社を立ち上げる予定であるため、すぐに商用設計に変換される予定です。

This research project was also supported in-kind (provided material for free) by Veolia Water Technologies and Solutions (VIE.PA) and Xylem Goulds (XYL -1.17%).

この研究プロジェクトは、Veolia Water Technologies and Solutions (VIE.PA) と Xylem Goulds (XYL -1.17%) からも現物で支援されました (資料は無料で提供されました)。

Not Just Seawater

海水だけじゃない

The research team focused on the desalination of brackish groundwater found underground in New Mexico. As many dry area population centers are far from the sea, this can be an important water source currently unavailable due to its salt content.

研究チームは、ニューメキシコ州の地下で見つかった汽水地下水の淡水化に焦点を当てた。多くの乾燥地帯の人口密集地は海から遠く離れているため、塩分が含まれているために現在は利用できない重要な水源となる可能性があります。

“The majority of the population actually lives far enough from the coast, that seawater desalination could never reach them. They consequently rely heavily on groundwater, especially in remote, low-income regions. And unfortunately, this groundwater is becoming more and more saline due to climate change.”

「実際、人口の大部分は海岸からかなり離れたところに住んでおり、海水淡水化が彼らに届くことはありません。そのため、特に遠隔地の低所得地域では、地下水に大きく依存しています。そして残念なことに、気候変動により、この地下水はますます塩分濃度が高くなっています。」

Jonathan Bessette – MIT PhD student in mechanical engineering

Jonathan Bessette – MIT 機械工学博士課程の学生

The research model was already able to provide enough fresh water

研究モデルではすでに十分な淡水を供給できていました