Ontzilting Is Niet Absurd Goedkoop
Hoeveel energie verbruikt ontzilting? Is het "absurd goedkoop"? Een diepgaande duik in ontzilting.
Vrij naar Hannah Ritchie, 19 september 2024
Elon Musk heeft onlangs meerdere keren gezegd dat ontzilting "absurd goedkoop" is.¹
Dit was verrassend voor mij. Toen ik jonger was, werd mij het mantra geleerd dat ontzilting "veel energie verbruikt en erg duur is". En eerlijk gezegd had ik er sindsdien niet veel meer over nagedacht.
Goedkope ontzilting zou inderdaad zeer welkom zijn; niet alleen om samenlevingen veerkrachtiger te maken in periodes van waterschaarste, maar ook om de druk op grondwaterbronnen te verlichten en schoon water te leveren aan degenen die het al moeilijk hebben.
Ik dacht dat het tijd was om mijn perspectief te updaten en te kijken wat de cijfers te zeggen hadden over de vooruitzichten voor ontzilting.
Een paar kanttekeningen om mee te beginnen:
Ontziltingstechnologieën
Er zijn twee belangrijke soorten ontziltingstechnologie: thermische ontzilting en omgekeerde osmose.
Bij thermische ontzilting wordt warmte gebruikt om het water te verdampen (het te scheiden van de zouten en onzuiverheden) voordat het weer condenseert tot een vloeistof. Het zoute pekelwater blijft achter.
Bij omgekeerde osmose wordt druk uitgeoefend om water door een semi-permeabel membraan te duwen, waardoor het zout en de onzuiverheden worden verwijderd en er aan de andere kant zoet water overblijft. De onderstaande afbeelding toont het "natuurlijke" proces van osmose waarbij zoet en zout water zich willen mengen om de concentratie zouten aan beide kanten van het membraan gelijk te maken.
Bij omgekeerde osmose (rechts afgebeeld) wordt druk uitgeoefend om dit te overwinnen en om te keren.
Bron: How Stuff Works
Beide technologieën werken, maar thermische ontzilting is veel energie-intensiever (en daarom duurder). Het gebruikt ongeveer drie tot vijf keer zoveel energie per kubieke meter water.²
De meeste ontziltingsinstallaties gebruiken tegenwoordig omgekeerde osmose, en dit is het proces waarop ik me in dit artikel zal richten.
Ontzilting is energiezuiniger geworden
Omgekeerde osmosetechnologieën zijn de afgelopen decennia veel energiezuiniger geworden. U kunt dit zien in de onderstaande grafiek (hoewel deze eindigt in 2008).
In de jaren 70 kostte het ongeveer 20 kilowattuur (kWh) om één kubieke meter water te ontzilten.
Tegenwoordig ligt dat cijfer rond de 2,5 tot 3,5 kWh. Er wordt vaak gesuggereerd dat het theoretische minimum voor omgekeerde osmose ongeveer 1 kWh is. Zie dit als de bodem en het absolute maximum dat kan worden bereikt. Niemand is er nog en het lijkt onwaarschijnlijk dat we het proces zo efficiënt krijgen als dit.
Als we het energieverbruik lager dan 1 kWh per m3 willen krijgen, moeten we innoveren en een ander proces ontwikkelen.
Voor alle berekeningen die volgen, ga ik ervan uit dat omgekeerde osmose 3,5 kWh per m3 verbruikt. Ik ben hier (opzettelijk) streng, omdat sommige ontziltingsinstallaties minder verbruiken.
Bron: Kumar et al. Ontzilting van water: geschiedenis, vooruitgang en uitdagingen
Hoeveel energie zouden huishoudens nodig hebben om al hun water uit ontzilting te halen?
Wat zou er met de vraag naar elektriciteit gebeuren als landen al hun huishoudelijk water uit ontzilting zouden halen?
Het gemiddelde Amerikaanse huishouden gebruikt ongeveer 1135 liter water per dag. Als al dit water uit ontzilting zou worden gehaald, zou de binnenlandse elektriciteitsvraag met ongeveer 13% toenemen.³
Het gemiddelde Britse huishouden gebruikt minder water: 349 liter water per dag. Maar het gebruikt ook minder elektriciteit, dus ontzilting zou de elektriciteitsvraag met een vergelijkbaar percentage verhogen: 15%.
Laten we deze elektriciteitsvraag in de context van de Verenigde Staten plaatsen. Om dit te doen, gebruik ik gegevens van de Residential Energy Consumption Survey van de Energy Information Administration (EIA). In een eerder artikel heb ik gekeken waar Amerikaanse huishoudens elektriciteit voor gebruiken.
U kunt in de onderstaande grafiek zien hoe de vraag naar ontzilting — 1450 kWh — zich verhoudt tot andere huishoudelijke stroomverbruikers. Houd er rekening mee dat dit is gebaseerd op het gemiddelde in de VS en dat het de elektriciteit is voor huishoudens die die technologie of dat eindgebruik hebben. Het toont dus het gemiddelde elektriciteitsverbruik van een gezin met een elektrisch voertuig.⁴
Zoals u kunt zien, zou het een behoorlijke — maar niet gekke — hoeveelheid elektriciteit gebruiken. In de VS ligt het op een vergelijkbaar niveau als veel andere belangrijke technologieën zoals ontvochtiging; en veel minder dan de energie die wordt gebruikt om water te verwarmen of om hun huis te verwarmen of te koelen.
Maar voor huishoudens in armere landen is 1450 kWh veel elektriciteit.⁵ Meer dan een heel gezin in landen met een laag inkomen in totaal zou gebruiken. Toegegeven, huishoudens in de VS gebruiken veel meer water dan huishoudens in landen met meer water- en energiebeperkingen.
In de onderstaande grafiek heb ik de totale elektriciteitsvraag per hoofd van de bevolking voor alle toepassingen in veel landen met een laag inkomen (en die met iets hogere inkomens, zoals India) vergeleken met ontzilting van het Amerikaanse waterverbruik en de minimale richtlijn van de WHO van 50 liter per persoon per dag.
Om 50 liter per persoon per dag te leveren — het WHO-minimum — zou 64 kWh elektriciteit nodig zijn. Dat is ongeveer gelijk aan wat de gemiddelde Malawiaan vandaag de dag voor alles gebruikt. Zelfs voor degenen die meer dan 64 kWh gebruiken, zou de elektriciteitsvraag voor ontzilting gelijk zijn aan een toename van 50% in de vraag, of meer. Het bereiken van het Amerikaanse waterverbruik zou onhaalbaar zijn.
Voor mij is de belangrijkste boodschap van deze grafiek niet dat ontzilting ongelooflijk veel energie kost. Het is zo dat veel mensen in de wereld nog steeds in schrijnende energiearmoede leven.
Energievraag om iedereen van schoon drinkwater te voorzien
Slechts een fractie van het huishoudelijk water dat we gebruiken is om te drinken. Richtlijnen bevelen vaak aan om 2 tot 2,5 liter water per dag te drinken. Er zit enige nuance in dit getal, dat ik in de voetnoot zal laten staan, maar laten we het als een ruwe schatting nemen.⁶ We zullen gul zijn en ervan uitgaan dat er wat lekkages zijn, dus iedereen heeft 3 liter per dag nodig.
Als we ontzilting zouden gebruiken om dit water voor iedereen te voorzien — 8 miljard van ons — hoeveel elektriciteit zouden we dan nodig hebben?
31 TWh elektriciteit per jaar.⁷ De wereld produceert momenteel ongeveer 30.000 TWh elektriciteit per jaar, dus onze vraag zou met 0,1% toenemen. Niet veel!
Natuurlijk zou niet iedereen ter wereld drinkwater nodig hebben door ontzilting, maar je kunt de getallen dan snel opsplitsen. Stel je een ongelooflijk catastrofale en extreme droogte voor waarbij een derde van de wereld zonder water komt te zitten: er zou ongeveer 10 TWh per jaar nodig zijn om de meest basale drinkwatervoorziening te leveren.
De WHO heeft een richtlijn dat mensen minimaal 50 liter per dag moeten hebben om in al hun huishoudelijke behoeften te voorzien, wat niet alleen drinkwater is, maar ook schoonmaken, douchen etc. Zoals we eerder zagen, gebruiken mensen in rijkere landen veel meer dan dit: in het VK drie keer zoveel en in de VS zes keer zoveel.
Als we de 50 liter minimum voor 8 miljard mensen zouden leveren, zouden we 511 TWh aan elektriciteit nodig hebben. Dat is 1,7% van wat de wereld momenteel produceert.
Zie de onderstaande grafiek.
Wat zou ontzilting kosten?
Hier concentreer ik me op de eenheidskosten. Grootschalige ontziltingsinstallaties zouden ook aanzienlijke kapitaalinvesteringen vergen, wat waarschijnlijk de grootste barrière zal zijn in veel landen. Het is niet anders dan bij sommige hernieuwbare projecten: de kosten per eenheid elektriciteit zijn vaak erg laag, maar mensen of gemeenschappen moeten nog steeds van tevoren kapitaal zien te vinden.
Ik heb geprobeerd een reeks projecten over de hele wereld te vinden die inzicht zouden geven in hoeveel ontzilting kost en hoe dit zou kunnen variëren. De meeste genoemde cijfers liggen in het bereik van $1 tot $2,50 per kubieke meter. Ik kon niet veel schattingen vinden die hoger waren dan dit.
Er zijn ook wat optimistischere cijfers: de Sorek B-fabriek in Israël heeft bijvoorbeeld een contract om water te produceren voor $0,41 per kubieke meter. Een onderzoek naar 107 ontziltingsfabrieken vond een minimumkost van $0,27.⁸
Een manier om deze cijfers te testen, is door te schatten hoeveel de elektriciteit alleen zou kosten. Elektriciteit in de VS kostte in 2023 ongeveer $0,13 per kWh (de industrie wordt gesubsidieerd, dus het wordt verkocht voor ongeveer $0,09 per kWh). Als er 3,5 kWh nodig is om één kubieke meter water te produceren, kost dat $0,45 per m3. De elektriciteitsprijzen in staten als Californië zijn veel hoger — ongeveer twee keer het nationale gemiddelde — dus daar zou het $0,90 per m3 kunnen kosten.
Energie is slechts een deel van de totale kosten; schattingen zijn ongeveer een derde. Vermenigvuldig met drie en we krijgen ongeveer $1,50 per m3. In staten als Californië kunnen de energiekosten $0,50 hoger zijn, waardoor het totaal op $2 komt.
Laten we deze cijfers in context plaatsen. Hoeveel zou ontzilt water per persoon per jaar kosten?
Als de gemiddelde persoon in de Verenigde Staten 310 liter water per dag gebruikt voor huishoudelijk gebruik, zou het hen $0,42 per dag kosten.⁹ Of $154 per jaar.
In het VK zou het vergelijkbaar zijn: $0,43 per dag en $159 per jaar. Britse elektriciteit is duurder, maar we gebruiken ook minder water, dus de kosten zijn in evenwicht.
Om de "minimale" huishoudelijke voorraad van 50 liter per dag van de WHO te krijgen, zou het ongeveer $0,11 per dag en $38 per jaar kosten.¹⁰
Dit is het verrassende cijfer. Genoeg drinkwater produceren voor iemand — uitgaande van 3 liter per dag — kost slechts $2,30 voor het hele jaar. Dat is minder dan de kosten van één fles water in veel landen.
Dit was veel goedkoper dan ik had gedacht, en in een watercrisis zou ik het ermee eens zijn dat dit "absurd goedkoop" is. Duurder dan velen van ons vandaag de dag uit de kraan halen, maar vrij goedkoop voor een essentiële hulpbron.
Nogmaals, het is de moeite waard om de $38 die nodig zou zijn om te voldoen aan de minimale richtlijnen van de WHO van 50 liter per dag, in context voor de allerarmsten ter wereld.
Sommige mensen leven nog steeds van slechts $2 per dag. 50 liter huishoudelijk water per dag uit ontzilting halen, zou elk jaar meer dan de helft van een maandinkomen opslokken.¹¹
Ontzilt water gebruiken voor landbouw
Landbouw is waar de kosten van ontzilting onhaalbaar beginnen te worden.¹²
De meeste zoetwateronttrekkingen ter wereld — ongeveer 70% — worden gebruikt voor landbouw. In sommige landen — met name in de tropen en subtropen — kan dit meer dan 90% zijn. Ervoor zorgen dat mensen thuis drinkwater en basisvoorzieningen hebben, is cruciaal in periodes van waterschaarste. Maar als er sprake is van droogte, komt dat meestal doordat oogsten mislukken en voedselvoorraden opraken.
Laten we eens kijken hoeveel zoet water er uit watervoerende lagen wordt gehaald voor landbouw in verschillende landen, en hoeveel elektriciteit er nodig zou zijn om dat te vervangen door ontzilting.¹³ Let op: dit is niet al het water dat in de landbouw wordt gebruikt, aangezien veel ervan regenwater is.
Zoals u kunt zien, zou ontzilting om slechts een deel van het water dat voor landbouw wordt gebruikt te vervangen, de vraag naar elektriciteit met ongeveer 50% tot tweederde verhogen voor veel landen. Voor sommige landen — vaak de landen waar de waterstress al hoog is — zou de totale elektriciteitsproductie meer dan moeten verdubbelen. Huidige ontziltingstechnologieën zullen niet het landbouwvangnet zijn voor grootschalige nationale droogtes.
Maar de grootste beperking voor ontzilting in de landbouw zijn de kosten. Het gebruik van ontzilt water zou de boer failliet laten gaan of voedsel veel duurder maken.
Laten we een voorbeeld nemen van tarwe. Er is ongeveer 650 liter nodig om één kilo tarwe te produceren.¹⁴ Er zou ongeveer 2,3 kWh elektriciteit nodig zijn om het water hiervoor te produceren. Neem de elektriciteitskosten in het VK en het water kost $0,66.
De huidige marktprijs voor tarwe is ongeveer $0,22 per kilo. Het water zou drie keer zo duur zijn als het huidige eindproduct.
Voor de productie van maïs in de VS schat ik dat ontzilt water $0,20 per kilo zou kosten.¹⁵ In sommige staten met hogere elektriciteitsprijzen zou het het dubbele kunnen zijn. De marktprijs voor maïs is ongeveer $0,20.
De economie voor basisgewassen die goedkoop zijn en een lage marge hebben, werkt gewoon niet.
Het zou alleen economisch kunnen zijn in randgevallen voor hoogwaardige gewassen, geteeld in omstandigheden die veel waterefficiënter zijn - zoals indoor farming - maar we zijn nog ver verwijderd van oplossingen die een grote deuk kunnen slaan in het voldoen aan de vraag naar water voor basisgewassen.
{1} Hij noemde dit ook in de Bill Maher-show. En op het World Water Forum.
[2] Omgekeerde osmose gebruikt ongeveer 2,5 tot 3,5 kWh per kubieke meter. Thermische technologieën kunnen ergens in het bereik van 13 kWh gebruiken.
[3] Het gemiddelde Amerikaanse huishouden gebruikt 1135 liter per dag. Om dit te ontzilten is [1135L * 0,0035 kWh] = 4 kWh per dag nodig. Dat is 1450 kWh per jaar.
[4] Aangezien de meeste huishoudens (nog) geen elektrische auto hebben, zou het werkelijke gemiddelde over de hele bevolking erg laag zijn, aangezien de meeste huishoudens hiervoor geen elektriciteit zullen gebruiken.
[5] Dit doet me denken aan de vergelijking van Todd Moss dat het elektriciteitsverbruik van één typische koelkast hoger is dan de totale elektriciteitsvraag van veel mensen in landen met een laag inkomen.
[6] Deze aanbeveling houdt er geen rekening mee dat je ook water consumeert via het voedsel dat je eet. Het hoeft ook niet per se in de vorm van water te zijn. Sap, thee en andere vloeistoffen tellen ook mee. Het zal uiteraard ook variëren afhankelijk van factoren zoals klimaat (je hebt meer nodig in warmere klimaten als je zweet), je omvang en activiteitsniveau. https://www.bbc.com/future/article/20190403-how-much-water-should-you-drink-a-day
[7] We berekenen dit als volgt: [3 liter * 8 miljard mensen * 0,0035 kWh = 84 miljard kWh per dag]. Dat is 31 miljard kWh per jaar. Of 31 terawattuur (TWh).
[8] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0011916420313114 ~ https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0957582022009594
[9] Hier gaan we ervan uit dat elektriciteit $0,13 per kWh kost. En dat de totale kosten van ontzilting drie keer zo hoog zijn.
[10] Hier ga ik ervan uit dat elektriciteit $0,22 per kWh kost. Dit is duurder dan de prijzen in landen als de VS of China, maar lager dan de tarieven in veel landen in Europa.
[11] Als ze $2 per dag verdienen, dan zou $38 gelijk zijn aan ongeveer 19 dagen inkomen.
[12] Hier richt ik me op landbouw in de buitenlucht, niet op technologieën voor landbouw binnenshuis.
[13] Deze gegevens zijn niet algemeen beschikbaar en ook niet up-to-date. Ik heb gegevens van de Aquastat van de FAO gebruikt, maar voor sommige landen is het meest recente jaar 2010. Ik neem aan dat het 3,5 kWh per kubieke meter kost. Gegevens over elektriciteitsopwekking komen van Ember (2024) – getoond hier.
[14] Dit is alleen de onttrekking van zoet water, dus de totale voetafdruk kan nog hoger zijn.
[15] Maïs gebruikt ongeveer 200 tot 400 liter water per kilogram. Dat is 0,7 tot 1,4 kWh elektriciteit. Ik ga uit van Amerikaanse elektriciteitstarieven van $0,13 per kWh.
Duurzaamheid door cijfers is tegenwoordig gratis. Maar als je dit bericht leuk vond, kun je Duurzaamheid door cijfers laten weten dat hun schrijven waardevol is door een toekomstig abonnement te beloven. Je wordt niet in rekening gebracht, tenzij ze betalingen inschakelen.