سرمایه شور
تغییرات اقلیمی چگونه صنعت آب‌شیرین‌کن‌های جهان را رونق داده است؟
تغییرات اقلیمی گسترده باعث تسریع خشکسالی، ذوب یخچال‌های طبیعی و تغییر در روند بارندگی‌ها در اغلب مناطق دنیا شده است. حتی مناطقی که اکنون در شرایط نرمال آبی به سر می‌برند به فکر افتاده‌اند تا با حفظ منابع آبی خود، بتوانند در آینده از بحران‌های احتمالی کمبود آب جلوگیری کنند. زیرا طبق پیش‌بینی‌ها جمعیت کره زمین تا سال 2050 به 7 /9 میلیارد نفر می‌رسد که این می‌تواند تقاضای جهانی آب را تا 30 درصد منابع فعلی پایدار افزایش دهد. یکی از روش‌های نوین و پرطرفدار تامین آب، شیرین کردن (نمک‌زدایی) آّب است.
تغییرات اقلیمی گسترده باعث تسریع خشکسالی، ذوب یخچال‌های طبیعی و تغییر در روند بارندگی‌ها در اغلب مناطق دنیا شده است. حتی مناطقی که اکنون در شرایط نرمال آبی به سر می‌برند به فکر افتاده‌اند تا با حفظ منابع آبی خود، بتوانند در آینده از بحران‌های احتمالی کمبود آب جلوگیری کنند. زیرا طبق پیش‌بینی‌ها جمعیت کره زمین تا سال 2050 به 7 /9 میلیارد نفر می‌رسد که این می‌تواند تقاضای جهانی آب را تا 30 درصد منابع فعلی پایدار افزایش دهد. یکی از روش‌های نوین و پرطرفدار تامین آب، شیرین کردن (نمک‌زدایی) آّب است. فرآیندی که تبعات محیط‌زیستی زیادی دارد و اکنون و با تکنولوژی فعلی جز در موارد ضروری تصمیم معقولی برای دولت‌ها به حساب نمی‌آید. آب دریاها و اقیانوس‌ها بزرگ‌ترین منابع آبی کره زمین هستند که دارای املاح و نمک زیادی هستند. 97 درصد آب‌های کره زمین شور و غیرقابل شرب است. شیرین کردن آب دریاها و اقیانوس‌ها راه‌حل و نوشدارویی برای کمبود جبران آب در بسیاری از مناطق است. به‌رغم کیفیت پایین آب دریاها به دلایل نشت نفت، جلبک‌های دریایی و سایر آلودگی‌ها، تولید آب شیرین از این منابع در بیست سال گذشته حدود پنج برابر افزایش یافته است. ناگفته نماند همان‌طور که بهره‌برداری از آب شیرین می‌تواند باعث بهبود سطح دسترسی به آب شود، فرآیند شیرین‌سازی آب می‌تواند خطرات زیست‌محیطی مختلفی ایجاد کند.
روش‌های شیرین کردن (نمک‌زدایی) آب
نمک‌زدایی فرآیندی است که طی آن نمک‌ها و مواد معدنی مضر را از آب‌های شور حذف می‌کند تا آب شیرین و آشامیدنی مناسب تولید شود. دو نوع اصلی فرآیند نمک‌زدایی عبارت‌اند از:
1- «نمک‌زدایی حرارتی» برای جدا کردن آب شیرین از آب شور از طریق تقطیر چندمرحله‌ای.
2- «روش اسمز معکوس» (RO) که در آن از دیواره‌هایی استفاده می‌کنند تا مولکول‌های نمک را فیلتر کرده و تنها به مولکول‌های آب اجازه دهند از آن عبور کنند، به‌طوری که در یک طرف دیواره، آب شیرین و در سمت دیگر آب با شوری بالاتر جداسازی می‌شود. در سراسر جهان، اکثر کارخانه‌های نمک‌زدایی از اسمز معکوس (RO) استفاده می‌کنند که نیم‌قرن پیش معرفی شده است.
هزینه‌های اولیه احداث کارخانه آب‌شیرین‌کن
هزینه‌های اولیه (Capex)، بخش عمده‌ای از هزینه‌های ساخت کارخانه آب‌شیرین‌کن را تشکیل می‌دهند. طبق تخمین انجمن بین‌المللی نمک‌زدایی در سال 2016، Capex معمولی از 1 تا 5 /2 هزار دلار در هر مترمکعب ظرفیت تولید روزانه آب برای شیرین‌سازی آب به روش اسمز معکوس آب دریا (SWRO) متغیر است. برخی از عناصر کلیدی که بر سطوح Capex تاثیر می‌گذارند عبارت‌اند از: 1- تملک زمین و ساخت‌وساز
2- زیرساخت‌های ورودی و خروجی آب 3- سیستم‌های پیش‌تصفیه
4- ساختمان‌ها و تاسیسات 5- موجودی اولیه دیواره و قطعات یدکی 6- هزینه‌های مهندسی.
صرفه‌جویی در مقیاس معمولاً برای پروژه‌های آب‌شیرین‌کن بزرگ‌تر که قادر به برنامه‌ریزی مناسب ساخت کارخانه آب‌شیرین‌کن هستند Capex در هر مترمکعب را کاهش می‌دهد.
هزینه‌های عملیاتی احداث کارخانه آب‌شیرین‌کن
پس از پایان ساخت‌وساز، کارخانه‌های نمک‌زدایی به فاز عملیاتی انتقال می‌یابند که هزینه‌های عملیاتی (Opex) را متحمل می‌شوند. اجزای Opex به‌طور کلی عبارت‌اند از: 1- هزینه نیروی کار
2- هزینه‌های بیمه و اداری 3- نگهداری و تعمیرات عمومی 4- ذخایر تعویض دیواره و قطعات 5- مواد شیمیایی برای پیش و پس از انجام عملیات 6- هزینه‌های انرژی برای تغذیه پمپ‌های RO و فرآیندهای حرارتی.
مصرف انرژی به شدت به فناوری انتخاب‌شده وابسته است، زیرا نیروگاه‌های تقطیر حرارتی 2 تا 10 برابر بیشتر از نیروگاه‌های RO مصرف انرژی دارند. براساس گزارش بانک جهانی در سال 2019 میانگین کل اوپکس 50 /0 تا 1 دلار در مترمکعب است.
هزینه تخمینی احداث کارخانه آب‌شیرین‌کن به روش اسمز معکوس
در نمودار 1 هزینه‌های کمینه و بیشینه احداث کارخانه‌های آب‌شیرین‌کن به ازای میلیون گالن در روز (MGD) ذکر شده است. لازم به ذکر است که عواملی مانند هزینه‌های انرژی، شرایط محیطی، نرخ نیروی کار و صرفه‌جویی در مقیاس بر قیمت کل تاثیر می‌گذارد. امروزه با بهبود فناوری RO، هزینه‌ها به‌طور کلی کاهش یافته اما قیمت انرژی به عنوان پارامتر اصلی همچنان مطرح است. همان‌طور که از نمودار 1 مشخص است، با توجه به دسترسی به منابع سوخت، هزینه‌های پایین ساخت‌وساز و همچنین نیروی کار ارزان، خاورمیانه، جنوب شرق آسیا و آمریکای لاتین هزینه‌های کمتری برای احداث کارخانه متحمل می‌شوند و در مقابل اروپا، آمریکا و استرالیا بیشترین هزینه‌ها را برای احداث کارخانه می‌پردازند.
محدوده قیمتی تولید آب شیرین
با توجه به نمودار 2، عربستان به لطف انرژی ارزان خورشیدی و یارانه‌های دولتی سوخت‌های فسیلی، کمترین قیمت آب شیرین تولیدشده را دارد. از طرف دیگر مناطقی که نوسان زیاد قیمت نفت دارند باید هزینه‌های بیشتری را متحمل شوند. لازم به ذکر است که نمک‌زدایی در مقیاس کوچک برای مصارف صنعتی بیشترین هزینه تولید را دارد.
هزینه تولید آب به روش‌های سنتی
حتی با پیشرفت فناوری، آب شیرین‌سازی‌شده عرضه‌شده به مصرف‌کنندگان نهایی همچنان 5 /1 تا 4 برابر بیشتر از بسیاری از منابع معمولی آب شیرین شهری مانند دریاچه‌ها، رودخانه‌ها و چاه‌های کم‌عمق هزینه دارد. در نمودار 3 ، کمینه و بیشینه هزینه تهیه آب از رودخانه-دریاچه‌ها، آب‌های زیرمینی، آب باران و بازیافت فاضلاب به عنوان روش‌های مرسوم و سنتی تهیه آب آورده شده است.
مزایا و معایب
در اینجا به برخی از مزایای اصلی نمک‌زدایی که نشان می‌دهد چرا نمک‌زدایی جایگزین مناسبی برای منابع آب شیرین موجود در طبیعت است اشاره می‌شود:
1- آب مورد نیاز صنعت کشاورزی را تامین می‌کند: نمک‌زدایی نه‌تنها آب آشامیدنی را فراهم می‌کند، بلکه آب را برای استفاده در کشاورزی و دامداری ایمن می‌کند. نمک‌زدایی آب برای مناطق خشکی که کشاورزان ممکن است دسترسی مستقیم به منبع آب ثابت نداشته باشند یا مناطقی که خشکسالی را تجربه می‌کنند، بسیار عالی است، مانند آفریقای جنوبی.
2- به حفظ منابع آب شیرین فعلی کمک می‌کند: سیستم‌های اسمز معکوس آب دریا، نمک‌های محلول و سایر مواد معدنی را از آب دریا حذف می‌کنند و آن را به آب آشامیدنی تبدیل می‌کنند که راه‌حلی برای مناطقی است که منابع آب شیرین محدودی دارند و منبع جایگزین قابل اعتمادی برای آب در زمان‌های خشکسالی شدید هستند.
3- آب اقیانوس به عنوان یک منبع نامحدود و همیشه دردسترس: آب اقیانوس‌ها تقریباً یک منبع پایان‌ناپذیر برای تولید آب شیرین از طریق نمک‌زدایی است، بنابراین حتی در مواقع خشکسالی، دسترسی کافی به آب شیرین وجود خواهد داشت.
4- مستقل از عوامل متغیر: برخلاف راه‌حل‌های دیگر که به شدت به عوامل غیرقابل کنترلی مانند باران یا بارش برف متکی هستند، سیستم‌های نمک‌زدایی آب دریا به چیزی غیر از آب دریا متکی نیستند.
از معایب اصلی و کلیدی در فرآیند شیرین کردن آب می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
1- انرژی مصرفی بالا: نیاز به انواع سوخت از جمله سوخت‌های فسیلی
2- هزینه‌های بالای ساخت و بهره‌برداری: ساخت و راه‌اندازی کارخانه‌های نمک‌زدایی گران هستند. این هزینه‌ها می‌تواند تا 100 میلیون دلار برای ساخت و بهره‌برداری تمام شود. همچنین نگهداری تجهیزات به نسبت سایر روش‌های تهیه آب گران‌تر است.
3- تاثیرات مخرب زیست‌محیطی: اثر نمک‌زدایی بر روی اکوسیستم‌ها همچنان در حال مطالعه است و برخی پژوهش‌های اخیر نشان داده‌اند که اثرات آب شور بر محیط‌زیست ممکن است بیش از حد بزرگنمایی شده باشد، اما شواهد متعددی وجود دارد که نشان می‌دهد مواد زائد نمک‌زدایی، اکسیژن آب را کاهش می‌دهند، از رشد موجودات آبزی جلوگیری و تنوع زیستی را کم می‌کنند. رایج‌ترین روش فعلی تخلیه پسماند، ریختن آب نمک باقی‌مانده به اقیانوس است که به مرگ انواع آبزیان منجر می‌شود. آب شور می‌تواند حاوی فلزات سمی مانند جیوه، کبالت، مس، آهن، روی، نیکل و همچنین آفت‌کش‌ها و اسیدهایی باشد که باعث تغییرات غیرقابل برگشت در محیط می‌شوند.
مقاله منتشرشده در سال 2019 در ژورنال Science of The Total Environment نشان داد که حجم آب شور تولیدی از فرآیند نمک‌زدایی بیشتر از تخمین‌های صنعت است و به‌طور متوسط 5 /1 گالن برای هر گالن آب شیرین تولیدشده را شامل می‌شود.
همچنین انتشار گازهای گلخانه‌ای تولیدشده حاصل از انرژی مورد نیاز برای بهره‌برداری شیرین کردن آب باعث تغییرات اقلیمی زیادی می‌شود.
دیپلماسی نمک‌زدایی
از آنجا که کشورهای مختلف در سراسر جهان از جمله در خاورمیانه به نمک‌زدایی به عنوان راه‌حلی برای نیازهای آبی خود نگاه می‌کنند، نشانه‌هایی وجود دارد که دیپلماسی نمک‌زدایی می‌تواند به یک ابزار سیاسی مهم تبدیل شود، به عنوان مثال، مجمع سالانه پروژه‌های نمک‌زدایی MENA به رویداد مهمی برای ذی‌نفعان منطقه‌ای و بین‌المللی تبدیل شده است تا آخرین پیشرفت‌ها در فناوری نمک‌زدایی را به نمایش بگذارد. همچنین نمک‌زدایی می‌تواند به کانون درگیری سیاسی تبدیل شود. نشت نفت در آب‌های خلیج‌فارس که پر از سکوهای نفتی است و از طریق بزرگ‌ترین تانکرهای نفتی جهان جابه‌جا می‌شود، می‌تواند باعث اختلال در تامین آب چندین کشور خلیج فارس شود. علاوه بر این، تحلیلگران امنیتی به تهدید بالقوه حمله‌ای که زیرساخت‌های نمک‌زدایی یک کشور را هدف قرار می‌دهد، اشاره کرده‌اند. جنگ عراق و کویت سرنخی در مورد چگونگی هدف قرار گرفتن زیرساخت‌های نمک‌زدایی در طول یک درگیری ارائه می‌دهد. در سال 1991، همزمان با عقب‌نشینی ارتش عراق از کویت، صدام حسین، دیکتاتور سابق عراق، کارخانه نمک‌زدایی این کشور را منهدم کرد و سپس نفت کویت را به خلیج‌فارس رها کرد و یک لکه نفتی بزرگ ایجاد کرد و کارخانه‌های نمک‌زدایی منطقه را مختل کرد. این نگرانی وجود دارد که یک درگیری در خلیج‌فارس زیرساخت‌های آب شیرین حاصل از دریا را در زمان جنگ هدف قرار دهد.
چشم‌انداز و چالش‌ها
تا سال 2050، ممکن است یک تریلیون دلار در سطح جهان در زیرساخت‌های نمک‌زدایی سرمایه‌گذاری شود، به همین دلیل کشورهایی که بتوانند از نمک‌زدایی برای تکمیل منابع آب طبیعی استفاده کنند، سود زیادی خواهند برد. با این حال، ادامه پیشرفت‌های فناوری با هدف نمک‌زدایی مقرون‌به‌صرفه برای مناطقی در سراسر جهان که با کمبود حاد آب مواجه هستند، حیاتی خواهد بود.
به دلیل افزایش پیش‌بینی‌شده در هزینه‌های قطعات، تغییرات ارزی و هزینه‌های ناپایدار نفت خام، برخی از پژوهشگران پیش‌بینی می‌کنند که هزینه‌های آب شیرین‌شده در سال‌های آینده کاهش نیابد. علاوه بر این، سیستم‌های اسمز معکوس سال‌های بسیاری است که در کشورهای مختلف جهان مورد توجه قرار گرفته است. با وجود اینکه تولید دیواره‌های اسمز معکوس تنها در انحصار چند کشور دنیاست اما علاوه بر این دیواره‌ها، گلوگاه‌های دیگری نیز وجود دارند. با توجه به اینکه انتظار می‌رود ظرفیت جهانی نمک‌زدایی تا سال 2030 تقریباً دو برابر شود، تمرکز شدید بر بهبود مقرون‌به‌صرفه بودن از طرق زیر لازم است:
صرفه‌جویی در مقیاس: کارخانه‌های بزرگ‌تر هزینه‌های ثابت را بر حجم آب بیشتری تقسیم می‌کنند.
منابع انرژی ارزان‌تر مانند انرژی‌های تجدیدپذیر و هسته‌ای به جای سوخت‌های فسیلی: افزایش سهم انرژی‌های تجدیدپذیر در تامین برق به کاهش قیمت این فناوری نیز کمک می‌کند، زیرا برق تجدیدپذیر در حال حاضر بسیار ارزان‌تر از انرژی سوخت‌های فسیلی در بسیاری از نقاط جهان است. مطالعه‌ای در سال 2020 به سرپرستی پروفسور کریستین بریر نشان داد که در صورت استفاده از انرژی خورشیدی، متوسط هزینه جهانی آب آشامیدنی از کارخانه‌های نمک‌زدایی می‌تواند از 60 /2 دلار در مترمکعب در سال 2015 به 05 /1 دلار در مترمکعب در سال 2050 کاهش یابد.
