Van zeewater tot drinkwater

Schoon water komt bij ons gewoon uit de kraan. Voor velen is dat vanzelfsprekend. Toch heeft dat water een hele weg afgelegd. In Vlaanderen komt de helft van het drinkwater uit grondwaterbronnen en de andere helft uit oppervlaktewater.

Grondwater is over het algemeen schoner en heeft weinig behandeling nodig, maar het is minder beschikbaar. Grondwaterbronnen zijn bedreigd door verontreiniging, onder andere door zoutintrusie van zeewater. Aan het opgepompte grondwater voegen de watermaatschappijen eerst lucht toe, om andere gassen te verdrijven. Daarna volgt een filtering. De kwaliteit van oppervlaktewater is lager, met een groter risico op microbiologische besmetting, en het varieert met de seizoenen. De behandeling is heel wat uitgebreider. Naast veelvuldige filtering volgt meestal een actieve koolfiltratie en altijd een desinfectie.

Niet de kwaliteit van het water is in België een probleem, maar de kwantiteit. Wie geregeld natgeregend thuiskomt, kan het zich moeilijk voorstellen, maar we leven in een waterschaars gebied. Een probleem dat zal verergeren aangezien extreme weersomstandigheden vaker voorkomen door de klimaatverandering. Ook een groeiende wereldbevolking laat het waterverbruik stijgen.

Volgens voorspellingen groeit de wereldbevolking tegen 2040 met een kwart tegenover 2015. Door de groeiende welvaart en stijgende levenskwaliteit, gaat dit gepaard met 70 procent stijging in de vraag naar water. De gemiddelde Belg verbruikt zo’n 100 liter water per dag om zich te wassen, te koken, het toilet door te spoelen, … Maar ook voor de producten die we gebruiken en het voedsel dat we verorberen is water nodig. Als we dat mee in rekening brengen, komt ons gemiddeld waterverbruik op 7.400 liter water per dag per persoon. De productie van een kilogram katoen vergt bijvoorbeeld 11.000 liter water, in de landen waar dat katoen geteeld wordt, zoals India, Pakistan, Oezbekistan, Turkije en China. Driekwart van ons indirect waterverbruik ligt buiten België.

Wereldwijd is zoet water een zeldzaam goed als je de volledige waterhuishouding bekijkt. Zo’n 97 procent is zout en zit vervat in de oceaan, zeeën en meren. Slechts 3 procent van al het water op aarde is zoet en het meeste daarvan (2,5 procent) is bevroren. Antarctica bevat ongeveer 60 procent van al het zoet water op aarde. Dat betekent dat maar 0,5 procent van al het water op aarde direct beschikbaar is voor de mens.

De waterbron van de toekomst

Water is overvloedig aanwezig op aarde, maar proper zoet water is schaars. De enige manieren om meer drinkbaar water beschikbaar te maken, is door ontzouting en hergebruik. In regio’s waar grondwater en oppervlaktewater schaars zijn, wordt al heel lang zeewater ontzout. Koeweit bijvoorbeeld haalt al zijn drinkwater uit zeewater. En in Jubail (Saudi-Arabië) wordt al decennia drinkwater geproduceerd uit zeewater van de Perzische Golf. Hier bevindt zich de grootste ontzoutingsinstallatie ter wereld. Dichter bij huis doen alsmaar meer landen in het mediterrane zeegebied aan zeewaterontzouting. Zo bouwde Spanje zo’n vijftig jaar geleden al een eerste zeewaterontzoutingsinstallatie.

Destillatie is de klassieke methode voor ontzilting. Zeewater verdampt onder lage druk en hoge temperatuur. Opgeloste stoffen als zouten blijven achter en de waterdamp wordt opgevangen als gezuiverd water. Dat kan op verschillende manieren. Bij multi-stage flash destillatie (MSF) wordt het zeewater door stadia met telkens een lagere druk gevoerd. In elk stadium verdampt een deel. Deze techniek vraagt enorm veel energie, tot 15-30 kWh per kubieke meter geproduceerd water.

Een nieuwere technologie, tegenwoordig vaker gebruikt dan destillatie, is omgekeerde osmose (reverse osmosis of RO). In RO vormt een membraan een selectieve barrière die water doorlaat maar opgeloste stoffen (zout en andere mineralen) tegenhoudt. Het resulterende water is zuiver. Het is zo zuiver dat er na afloop mineralen worden toegevoegd om het ook drinkbaar te maken. Volledig gedestilleerd water is zelfs giftig. Om bij omgekeerde osmose het water door het membraan te krijgen, heb je een zeer hoge druk nodig. Die druk is nodig om de ‘spontane’ osmotische druk van het zeewater te overwinnen.

In RO gebeurt het omgekeerde van osmose. Dit vereist energie om de nodige druk te ontwikkelen. Naarmate je meer water door het membraan duwt, stijgt ook de osmotische druk aan de bronkant. De zoutconcentratie stijgt als je meer water verwijdert. Gevolg: naarmate de omgekeerde osmose vordert, stijgt ook de druk. Moderne RO-installaties zijn meestal gelimiteerd tot 50-60 bar, wat betekent dat ongeveer de helft van het water verwijderd kan worden. Dat lijkt laag, maar door de virtueel oneindige voorraad zeewater is dit geen probleem.

De hoge druk maakt het proces energie-intensief. Maar met een energievraag van 2 tot 4 kWh per kubieke meter geproduceerd water doet RO het al heel wat beter dan destillatie. De energievraag per geproduceerde kubieke meter water bedroeg in de jaren 70 nog meer dan 15 kWh per kubieke meter.

De energievraag van zeewaterontzouting nog laten dalen, wordt moeilijk. Aangezien je bij ontzouting tegen een natuurlijk proces ingaat – een beetje zoals water naar boven pompen in plaats van het naar beneden te laten stromen ­– zal dit proces altijd energie vergen, zelfs al is de technologie 100 procent efficiënt. Bij ontzouting van zeewater is die minimale benodigde energie ongeveer 1,1 kWh per kubieke meter.

Energie uit zeewater

Stel, je kan bij de ontzilting tegelijk energie uit het zeewater onttrekken en dit probleem het hoofd bieden. Er bestaan heel wat manieren om energie op te wekken uit zeewater. De bekendste zijn energiewinning uit de getijden, de stromingen en de golven. Hierbij halen turbines energie uit de beweging van het water. Ook temperatuurverschillen tussen waterlagen kunnen energie opleveren: in dat geval drijft koud zeewater, opgepompt uit diepere lagen en in een warmtewisselaar gecombineerd met warmer oppervlaktewater, een turbine aan.

In nieuwere systemen kan energie zelfs voortkomen uit de osmotische druk. Het enige wat je moet doen, is twee waterstromen met een verschillende osmotische druk samenbrengen langs een semipermeabel membraan. Het potentieel van al deze technologieën is zeer verschillend (zie figuur 1). Vooral energie uit golven, temperatuurgradiënten en osmotische druk hebben een groot wereldwijd potentieel.

Energie winnen gebruikmakend van osmotische druk kan op twee manieren. Pressure retarded osmosis (PRO) wekt mechanische energie op door water, dat zich spontaan door het semipermeabel membraan van lage naar hoge concentratie zal bewegen, over een turbine te jagen. Bij omgekeerde elektrodialyse (reverse electrodialysis, RED) laten de membranen geen water door, maar wel zouten en andere geladen componenten. Vandaar de naam ion-uitwisselingsmembranen.

Hiervan zijn er twee soorten. Ten eerste kationuitwisselingsmembranen die een negatieve lading dragen, waardoor ze kationen of positief geladen moleculen aantrekken en doorlaten. Ten tweede anionuitwisselingsmembranen met een positieve lading waardoor ze anionen of negatief geladen moleculen aantrekken. De lading van het membraan is tegengesteld aan de ionen die het doorlaat. Net zoals bij de polen van een magneet, stoten gelijke ladingen elkaar af en trekken tegengestelde ladingen elkaar aan.

Als je deze membranen inzet om zoet en zout water van elkaar te scheiden, verplaatsen zoutionen zich van het zoute water (hoge concentratie) naar het zoete water (lage concentratie) om een nieuw evenwicht te bereiken. Door kation- en anion-uitwisselingsmembranen af te wisselen, bewegen alle kationen zich naar een kant en alle anionen naar de andere. Hierdoor ontstaat een potentiaalverschil of een elektrische spanning over de membranen.

Die elektrische spanning kan je gebruiken om elektrische stroom, ook een beweging van (negatief) geladen deeltjes, op te wekken. Deze technologie zet de beweging van geladen zoutdeeltjes om in elektriciteit. Deze techniek is pas sinds de jongste jaren in opmars dankzij de ontwikkeling van betere membranen. Bovendien is het duurzame energie.

Ideale locaties bevinden zich waar rivierwater de zee instroomt. Dat geeft de technologie een enorm potentieel, wereldwijd gaat het om 12.000 TWh (terawattuur). Ter vergelijking: in 2016 lag het energieverbruik in België op 650 TWh. Wereldwijd was dit 160.000 TWh. Dat betekent dat RED kan instaan voor bijna 10 procent van de wereldwijde energiebehoefte. Het grote voordeel van RED en andere energiebronnen uit de zee is dat ze, in tegenstelling tot wind- en zonne-energie, continu energie levert. Meer nog, RED kan zelfs nuttig zijn om zonne-energie op te slaan. Het Nederlandse bedrijf ­AquaBattery gebruikt de technologie al om met overtollige zonne-energie zout water op te concentreren.

Het beste van twee werelden

RED mag dan wel ontwikkeld zijn om duurzame energie op te wekken, de techniek werkt ook prima om zeewaterontzouting energiezuiniger te maken. In een zogenaamd hybride proces (twee of meer technieken gecombineerd tot een optimaal systeem) biedt RED in combinatie met RO heel wat kansen. Deze combinatie (zie figuur 3) heeft twee grote voordelen: energie met RED opgewekt uit zeewater vangt een deel van de energievraag van RO op en bij RED is al een deel van het zout gemigreerd van de zeewaterzijde naar de zoetwaterkant. Daardoor daalt de concentratie in het zeewater. Die lagere concentratie geeft een lagere osmotische druk en dus een lagere energievraag van de RO. Het is vooral dat laatste effect dat een grote impact heeft op de energievraag van het volledige proces.

Een belangrijke bedenking bij dit hybride proces is natuurlijk dat het geen zin heeft rivierwater te gebruiken als zoetwaterbron. Dan is het nuttiger dat rivierwater rechtstreeks te gebruiken voor drinkwaterproductie. Veel beter is op zoek te gaan naar een waterbron die zoet is en ongeschikt voor de productie van drinkwater, zoals afvalwater. Dat afvalwater komt na zuivering, zeker voor grote kuststeden, vaak in zee terecht.

Een goed voorbeeld hiervan is Botany Bay in Sydney, waar de afvalwaterzuivering en een zeewaterontzoutingsinstallatie langs dezelfde baai liggen. Hier kan je het RED-RO-concept perfect toepassen. Als je bedenkt dat naar schatting een vijfde tot de helft van de wereldbevolking binnen 100 kilometer van een zee of oceaan woont, vaak in grote steden, weet je dat het potentieel enorm is.

En wat levert het op?

De vraag is nu natuurlijk hoe groot de energiebesparing is bij dit hybride proces. RED is volop in ontwikkeling. Langs de Afsluitdijk in Nederland wordt het getest en geoptimaliseerd. Industriële toepassingen zijn er nog niet. De onderzoekers hopen over vijf jaar een commerciële installatie te hebben.

Puur theoretisch, op basis van de thermodynamische wetten in een ideale wereld, zou de energievraag 0 kWh per kubieke meter bedragen. Drinkwater zouden we energieneutraal uit zeewater kunnen halen. Hoewel het een hele uitdaging zal zijn om dit punt te bereiken, tonen de berekeningen het potentieel van de technologie aan.

De RED-technologie is in volle ontwikkeling. Hierbij komen heel wat uitdagingen naar voren. Hoe reageert het systeem bijvoorbeeld op het gebruik van afvalwater in plaats van rivierwater? Membranen zijn gevoelig aan vervuiling en werken dan minder goed. Voorts brengt het gebruik van afvalwater ook de bezorgdheid over organische micropolluenten met zich. Geneesmiddelen en pesticiden die via de mens in het afvalwater terechtkomen, komen via het RED-systeem in principe niet in het te ontzouten zeewater terecht, maar onderzoek moet dit bevestigen.

Daarnaast dringt zich een optimalisering van het RED-systeem op, met als doel een maximale energieproductie tegen minimale kosten. Via projecten en onderzoeken aan de UGent en daarbuiten zoeken wetenschappers antwoorden op deze uitdagingen. Ondertussen verschijnen ook de eerste prototypes van commerciële installaties.

Zeewaterontzouting in België

Het ontzouten van zeewater is al lang geen uniek verhaal van verre, warme oorden meer. De afgelopen decennia zijn ook in Europa heel wat ontzoutingsinstallaties opengegaan. De grootste daarvan zag in 2009 het levenslicht in Barcelona en heeft een productiecapaciteit van 200.000 kubieke meter per dag. In Zweden en Noorwegen zijn er enkele kleinere installaties die drinkwater leveren aan enkele honderden inwoners.

Sinds de langere periodes van droogte in België van de jongste jaren kijken we ook hier meer en meer richting zeewater. De Watergroep kondigde in 2019 aan dat het zeewater bekijkt als een bron voor drinkwater. Om dat zo duurzaam mogelijk te doen, wil het zo’n installatie koppelen met de windmolens op zee. Door de twee slim met elkaar te koppelen en in te zetten op nieuwere technologieën mikt het op een zo laag mogelijk energieverbruik. Ook voor de lozing van de geconcentreerde reststroom, met heel veel zout in, zoekt het naar oplossingen. Onlangs kondigde Knokke nog aan dat het een haalbaarheidsstudie uitvoert om zeewater te ontzouten. Farys opende eerder dit jaar een waterproductiecentrum in Oostende, waar het drinkwater maakt uit brak water.

Het waterprobleem opgelost?

Zeewaterontzouting vormt een stukje in de puzzel bij de aanpak van de wereldwijde waterschaarste. Door het proces energiezuiniger te maken, zal de technologie ook makkelijker toepassing vinden in ontwikkelingslanden en armere gebieden die kampen met droogte.

Met zeewaterontzouting alleen komen we er niet. Er zijn meer stukjes die op hun plaats moeten vallen. Zeewater is niet de enige alternatieve waterbron. Ook afvalwater en waterhergebruik, ook van industriële bronnen, kunnen dienen als basis voor drinkwater. Ook bewustmaking is essentieel om het probleem aan te pakken. Velen zijn zich nog te weinig bewust van waar hun water vandaan komt en hoeveel water ze indirect verbruiken. En vooral welke impact dat heeft, niet alleen op hun eigen leven maar ook op dat van andere mensen en op het milieu.

We moeten ook meer inzetten op de opvang en opslag van water. Waar onze infrastructuur regenwater zo snel mogelijk afvoert om wateroverlast te vermijden, wordt het alsmaar belangrijker net het tegenovergestelde te doen en in nattere periodes dat water vast te houden om droge periodes door te komen.