مصرف بالای انرژی ویژه(SEC) شیرین سازی آبهای شور، مهمترین مانع در برابر توسعه و گسترش واحدهای نمک زدایی آب دریا طی سالهای اخیر بوده است. بخش عمده هزینه های بهره برداری و بهای نسبتاً بالای آب شیرین تولیدی توسط آب شیرین کن های آب دریا به دلیل مصرف بالای انرژی است که منجر به محدود شدن مصارف از منظر اقتصادی می شود.
مصرف بالای انرژی واحدهای آب شیرین کن صنعتی از منظر زیست محیطی نیز حایز اهمیت است. تأمین انرژی از منابع سوخت فسیلی برای شیرین سازی آبهای شور منجر به تولید گاز کربن دی اکسید بیشتر شده و چرخه معیوب گرم شدن زمین و تغییرات اقلیم را تقویت می کند. بنابراین شیرین سازی وسیع آب دریاها با صرف انرژی فسیلی، عوامل موثر در ایجاد معظل کم آبی در مناطق گرم و خشک را تشدید می کند. اهمیت این موضوع سبب شده است که اتحـادیه جهانی شیرین سازی سبز آب دریا(GCWDA) مفـهوم"آب بدون کـربن دی اکسـید" (H2O-CO2) را مطرح کند.
شیرین سازی آب دریا در مقیاس تجاری و صنعتی، با دو فناوری حرارتی و اسمز معکوس انجام می شود. در آب شیرین کن های حرارتی، آب شور دریا با صرف انرژی تبخیر و سپس مجدداً به فاز مایع تبدیل می شود. این تغییر فاز منجر به حذف یونهای محلول و شیرین سازی آب می شود. فناوری اسمز معکوس، فناوری تجاری دیگری است که در شیرین سازی آب دریا از آن استفاده می شود. در این فرایند آب شور با فشار بالا از غشای نیمه تراوا با هدف جداسازی یونهای محلول عبور داده می شود. پدیده فیزیکی اسمز معکوس، یونهای محلول در آب خام ورودی را از آب شیرین جدا می کند و آب دریا را به دو جریان آب شیرین و شورابه تقسیم می کند که شورابه با رعایت ملاحظات زیست محیطی به دریا بازگردانده می شود. توسعه چشمگیر فناوری اسمز معکوس در دو دهه اخیر، این فرایند را به عنوان اقتصادی ترین روش تجاری شیرین سازی آب دریا در مقیاس صنعتی معرفی کرده است.
انرژی مصرفی در واحدهای نمک زدایی اسمز معکوس در بخشهای پیش تصفیه، فرایند اسمز معکوس، تصفیه نهایی و انتقال آب صرف می شود. برداشت آب از دریا و پیش تصفیه حدود 12 درصد، فرایند اسمز معکوس حدود 75 درصد و بخش تصفیه نهایی و انتقال آب حدود 13 درصد از انرژی مصرفی یک واحد آب شیرین کن آب دریا را به خود اختصاص می دهند که اغلب مربوط به مصرف انرژی الکتریکی در الکتروموتورها است.
کاهش یونهای محلول در آب با فرایند اسمز معکوس تنها با غلبه به فشار اسمزی ممکن است. افزایش فشار آب خام برای غلبه به فشار اسمزی نیز مستلزم صرف انرژی است. مصرف انرژی ویژه فرایند اسمز معکوس در حالت تئوری برای شیرین سازی آب دریا با شوری 35 هزار میلیگرم بر لیتر و درصد بازیابی50 درصد تقریبا برابر یک کیلووات ساعت بر مترمکعب آب شیرین است. با افزایش درصد بازیابی آب شیرین به 75 درصد، مصرف انرژی ویژه تئوری فرایند اسمز معکوس به حدود یک و نیم کیلووات ساعت بر متر مکعب افزایش می یابد که این انرژی تنها توسط پمپ فشار قوی فرایند اسمز معکوس مصرف می شود.
مصرف انرژی واحدهای نمک زدایی علاوه بر میزان شوری و درصد بازیافت آب شیرین، متأثر از عوامل متعدد دیگری است. دما، کیفیت آب خروجی، راندمان پمپها، راندمان الکتروموتورها و برگشت ناپذیرهای موجود در فرایند نمک زدایی، انرژی ویژه مصرفی واحد نمک زدایی را تغییر می دهند. به عنوان نمونه کاهش هر چه بیشتر یونهای محلول در آب شور و دستیابی به آبهای با هدایت الکتریکی بسیار پایین، نیازمند فرایند اسمز معکوس دوبار گذر بوده که مصرف انرژی ویژه واحد را افزایش می دهد.
پمپ فشار قوی مهمترین مصرف کننده انرژی در آب شیرین کن های آب دریا است. افزایش فشار آب دریا به بیش از 60 اتمسفر برای غلبه به فشار اسمزی، بخش اصلی فرایند نمک زدایی است. با توجه به مصرف بالای انرژی در این بخش، نحوه بازیابی فشار شورابه خروجی از غشاهای اسمز معکوس به مهمترین عامل افزایش راندمان مصرف انرژی در دهه های گذشته مبدل شده است. توسعه فناوریهای بازیابی انرژی(ERD) از فشار بالای شورابه خروجی از توربین فرانسیس(FT) به توربین پلتون(PT) تا به فناوریهای ایزوباریک نظیر تبادل کننده فشار(PX) با هدف افزایش راندمان مصرف انرژی منجر به کاهش قابل توجه مصرف انرژی ویژه آب شیرین کن های آب دریا شده است.
سابقه تاریخی کارکرد آب شیرین های صنعتی در اواخر دهه 1970 نشان می دهد که میزان مصرف انرژی ویژه فناوری اسمز معکوس برای شیرین سازی آب دریا حدود 20 کیلووات ساعت به ازای هر مترمکعب بوده است. ولی با توسعه فناوریهای تولید غشاهای اسمز معکوس، افزایش راندمان پمپ فشار قوی و افزایش راندمان بازیابی انرژی، مصرف انرژی ویژه آب شیرین کن ها در اواسط دهه 1980 به حدود 8 کیلووات ساعت به ازای هر مترمکعب آب شیرین کاهش پیدا کرده است. امروزه با معرفی فناوری های جدید بازیابی انرژی، میزان راندمان بازیابی انرژی به حدود 93 الی 97 درصد افزایش پیدا کرده و انرژی ویژه مصرفی آب شیرین کن های بزرگ صنعتی به حدود 3 کیلووات ساعت بر متر مکعب کاهش پیدا کرده است که دستاورد بزرگی برای کاهش بهای آب شیرین تولیدی از دریاها است.
امروزه اگرچه پیشرفت های چشمگیری در زمینه فرایندهای نمک زدایی آب دریا با رویکرد بهینه سازی مصرف انرژی حاصل شده است. اما مطالعات مختلف نشان می دهد که کماکان میزان مصرف انرژی در فناوری اسمز معکوس، 40 تا 75 درصد از کل هزینه بهره برداری واحدهای آب شیرین کن دریایی را وابسته به هزینه های انرژی در کشورهای مختلف تشکیل می دهد. در کشور ما به دلیل بهای پایین انرژی الکتریکی نسبت به سایر نقاط دنیا، هزینه مصرف انرژی حدود 25 درصد از هزینه های بهره برداری واحدهای آب شیرین کن بزرگ را به خود اختصاص می دهد.
نگارنده: احسان مجتبوی- طراح و پژوهشگر آب شیرین کن های بزرگ آب دریا
