Инженеры Массачусетского технологического института построили новую систему опреснения, которая работает в ритме солнца.
Система, работающая на солнечной энергии, удаляет соль из воды со скоростью, которая точно следует за изменениями в солнечной энергии. По мере того, как количество солнечного света увеличивается в течение дня, система ускоряет процесс обессоливания и автоматически приспосабливается к любым внезапным изменениям солнечного света, например, уменьшая скорость в ответ на проходящее облако или увеличивая обороты, когда небо проясняется.
Поскольку система может быстро реагировать на незначительные изменения солнечного света, она максимизирует полезность солнечной энергии, производя большое количество чистой воды, несмотря на колебания солнечного света в течение дня. В отличие от других систем опреснения на солнечных батареях, система MIT не требует ни дополнительных батарей для хранения энергии, ни дополнительного источника питания, например, от сети.
Инженеры тестировали прототип в масштабе сообщества на скважинах подземных вод в Нью-Мексико в течение шести месяцев, работая в переменных погодных условиях и типах воды. Система использовала в среднем более 94 процентов электрической энергии, вырабатываемой солнечными панелями, для производства до 5000 литров воды в день, несмотря на большие колебания погоды и доступного солнечного света.
«Традиционные технологии опреснения требуют стабильного питания и аккумуляторных батарей для сглаживания переменного источника энергии, такого как солнечная энергия. Постоянно изменяя энергопотребление в соответствии с солнечным излучением, наша технология напрямую и эффективно использует солнечную энергию для производства воды», — говорит Амос Винтер, профессор машиностроения Гермесхаузена и директор Глобального инженерного и исследовательского центра им. К. Лизы Янг (GEAR) в Массачусетском технологическом институте. «Возможность производить питьевую воду из возобновляемых источников энергии без необходимости хранения аккумуляторов — это огромная задача. И мы это сделали».
Система направлена на опреснение солоноватых грунтовых вод — соленого источника воды, который находится в подземных резервуарах и более распространен, чем пресные подземные воды. Исследователи рассматривают солоноватые грунтовые воды как огромный неиспользованный источник потенциальной питьевой воды, особенно в связи с тем, что запасы пресной воды в некоторых частях мира истощены. Они предполагают, что новая возобновляемая система без батареек может обеспечить столь необходимую питьевую воду по низким ценам, особенно для внутренних районов, где доступ к морской воде и электросети ограничен.
«Большая часть населения на самом деле живет достаточно далеко от побережья, так что опреснение морской воды никогда не сможет добраться до них. Следовательно, они в значительной степени зависят от подземных вод, особенно в отдаленных регионах с низким уровнем дохода. И, к сожалению, эти подземные воды становятся все более и более солеными из-за изменения климата», — говорит Джонатан Бессетт, аспирант MIT в области машиностроения. «Эта технология может обеспечить устойчивую и доступную чистую воду в малодоступных местах по всему миру».
Исследователи сообщают о новой системе в статье, опубликованной в журнале Nature Water. Соавторами исследования являются Бессетт, Винтер и штатный инженер Шейн Пратт.
Насос и расход
Новая система основана на предыдущей конструкции, о которой Уинтер и его коллеги, в том числе бывший постдок Массачусетского технологического института Вэй Хэ, сообщили ранее в этом году. Эта система была нацелена на опреснение воды с помощью «гибкого периодического электродиализа».
Электродиализ и обратный осмос являются двумя основными методами, используемыми для опреснения солоноватых грунтовых вод. При обратном осмосе давление используется для прокачки соленой воды через мембрану и отфильтровывания солей. Электродиализ использует электрическое поле для вытягивания ионов соли, когда вода прокачивается через стопку ионообменных мембран.
Ученые стремились использовать в обоих методах возобновляемые источники. Но это было особенно сложно для систем обратного осмоса, которые традиционно работают на постоянном уровне мощности, несовместимом с естественно изменяемыми источниками энергии, такими как солнце.
Винтер, Хэ и их коллеги сосредоточились на электродиализе, ища способы создания более гибкой, «изменяемой во времени» системы, которая бы реагировала на изменения в возобновляемой солнечной энергии.
В своем предыдущем проекте команда построила систему электродиализа, состоящую из водяных насосов, ионообменной мембранной батареи и массива солнечных батарей. Инновация в этой системе заключалась в модельной системе управления, которая использовала показания датчиков от каждой части системы для прогнозирования оптимальной скорости, с которой вода должна прокачиваться через дымовую трубу, и напряжения, которое должно быть приложено к трубе, чтобы максимизировать количество соли, извлекаемой из воды.
Когда команда протестировала эту систему в полевых условиях, она смогла варьировать производство воды в соответствии с естественными изменениями солнца. В среднем, система напрямую использовала 77 процентов доступной электрической энергии, производимой солнечными панелями, что, по оценкам команды, на 91 процент больше, чем в традиционно разработанных системах электродиализа на солнечных батареях.
Тем не менее, исследователи чувствовали, что они могли бы добиться большего.
«Мы могли рассчитывать только каждые три минуты, и за это время облако могло буквально пролететь и закрыть солнце», — говорит Уинтер. «Система может сказать: «Мне нужно работать на этой высокой мощности». Но часть этой энергии внезапно упала, потому что теперь меньше солнечного света. Поэтому нам пришлось компенсировать эту мощность с помощью дополнительных батарей».
Команды солнечной энергии
В своей последней работе исследователи стремились устранить необходимость в батареях, сократив время отклика системы до доли секунды. Новая система способна обновлять скорость опреснения от трех до пяти раз в секунду. Более быстрое время отклика позволяет системе адаптироваться к изменениям солнечного света в течение дня без необходимости компенсировать задержку в питании с помощью дополнительных источников питания.
Ключом к более быстрому обессоливанию является более простая стратегия контроля, разработанная Бессеттом и Праттом. Новая стратегия заключается в «управлении током по потоку», при котором система сначала ощущает количество солнечной энергии, производимой солнечными панелями системы. Если панели вырабатывают больше энергии, чем потребляет система, контроллер автоматически «приказывает» системе увеличить мощность насоса, проталкивая больше воды через электродиализные батареи. В то же время, система отводит часть дополнительной солнечной энергии, увеличивая электрический ток, подаваемый в дымовую трубу, чтобы вытеснить больше соли из более быстро текущей воды.
«Допустим, солнце встает каждые несколько секунд», — объясняет Винтер. «Итак, три раза в секунду мы смотрим на солнечные батареи и говорим: «О, у нас больше мощности — давайте немного увеличим скорость потока и тока». Когда мы снова посмотрим и увидим, что избыточной мощности еще больше, мы снова увеличим ее. При этом мы можем очень точно сопоставлять потребляемую энергию с доступной солнечной энергией в течение дня. И чем быстрее мы это зацикливаем, тем меньше буферизации батареи нам нужно».
Инженеры внедрили новую стратегию управления в полностью автоматизированную систему, которая была рассчитана на опреснение солоноватых грунтовых вод в ежедневном объеме, которого хватило бы для снабжения небольшого населенного пункта численностью около 3000 человек. Они эксплуатировали систему в течение шести месяцев на нескольких скважинах в Национальном исследовательском центре опреснения солоноватых подземных вод в Аламогордо, штат Нью-Мексико. На протяжении всего испытания прототип работал в широком диапазоне солнечных условий, используя в среднем более 94 процентов электрической энергии солнечной панели для непосредственного питания опреснения.
«По сравнению с тем, как вы традиционно проектируете солнечную систему опреснения, мы сократили требуемую емкость батареи почти на 100 процентов», — говорит Уинтер.
Инженеры планируют провести дальнейшие испытания и масштабировать систему в надежде обеспечить более крупные сообщества и даже целые муниципалитеты недорогой, полностью солнечной питьевой водой.
«Несмотря на то, что это важный шаг вперед, мы все еще усердно работаем над тем, чтобы продолжить разработку более дешевых и устойчивых методов опреснения», — говорит Бессетт.
«Сейчас мы сосредоточены на тестировании, максимальном повышении надежности и создании линейки продуктов, которые могут поставлять опресненную воду с использованием возобновляемых источников энергии на различные рынки по всему миру», — добавляет Пратт.
В ближайшие месяцы команда запустит компанию, основанную на их технологии.
Это исследование было частично поддержано Национальным научным фондом, Фондом Джулии Берк и Академией дизайна Морнингсайд Массачусетского технологического института. Эта работа была дополнительно поддержана в натуральной форме компаниями Veolia Water Technologies and Solutions и Xylem Goulds.
