Analiza wydajności systemu odsalania napędzanego energią słoneczną pracującego metodą nawilżania–odwilżania

Przekształcanie światła słonecznego w wodę pitną

Czysta woda staje się coraz trudniejsza do pozyskania w wielu suchych regionach, w tym w Egipcie, gdzie miasta i nowe kurorty nad morzem pilnie potrzebują wody słodkiej, a rzek i opadów jest niewiele. W badaniu rozważono małe urządzenie napędzane energią słoneczną, które potrafi przemienić słoną wodę morską w wodę pitną, wykorzystując łagodne podgrzewanie zamiast intensywnego gotowania. Poprzez dokładne pomiary zachowania systemu w rzeczywistych warunkach zewnętrznych badacze pokazują, jak wycisnąć więcej wody z tego samego nasłonecznienia, przy jednoczesnym ograniczeniu kosztów i zanieczyszczeń.

Dlaczego ten rodzaj odsalania ma znaczenie

Duże elektrownie odsalające już zaopatrują wiele miast przybrzeżnych, lecz wymagają pomp wysokiego ciśnienia, skomplikowanych filtrów i dużych ilości energii elektrycznej. To sprawia, że są kosztowne i trudne do zainstalowania w odległych wioskach lub małych społecznościach. Testowany tu system wykorzystuje inną ideę nazwaną nawilżaniem–odwilżaniem: zamiast przepychać wodę morską przez cienkie membrany, naśladuje naturalny cykl wody. Ciepła słona woda odparowuje do powietrza, pozostawiając sól, a następnie wilgotne powietrze jest schładzane, dzięki czemu czysta woda kondensuje i może zostać zebrana. Ponieważ temperatury utrzymują się znacznie poniżej punktu wrzenia, a głównym źródłem ciepła jest słońce, podejście to może być prostsze, cichsze i czyściejsze niż konwencjonalne instalacje.

Jak działa testowany system

Zespół zbudował pilotażową instalację na dachu w Kairze i zasilał ją wodą z Kanału Sueskiego, która jest słodsza niż średnia oceaniczna. Promieniowanie słoneczne najpierw ogrzewało wodę morską w próżniowym kolektorze słonecznym rurowym, podnosząc jej temperaturę do poziomu kąpielowej wody lub wyżej. Gorąca słona woda była następnie rozpylana na plastikowy wypełniacz wewnątrz wysokiej skrzyni zwanej nawilżaczem. Gdy ściekała w dół, wentylator tłoczył powietrze w górę przez mokre powierzchnie, zabierając parę wodną i stając się ciepłym, wilgotnym powietrzem. To powietrze przechodziło potem przez izolowane przewody do drugiej skrzyni — odwilżacza — gdzie przepływało nad zimnymi metalowymi spiralami chłodzonymi wodą miejską. Para kondensowała na spiralach i skapując trafiała do zbiornika jako woda destylowana gotowa do magazynowania i późniejszego użycia.

Co mierzyli badacze

Od dziewiątej rano do piątej po południu, w ciągu 36 oddzielnych dni testowych w lutym i marcu, badacze zmieniali dwa główne parametry: jak szybko płynęła woda morska oraz jak szybko krążyło powietrze. Rejestrowali nasłonecznienie, temperatury, wilgotność powietrza i dokładną ilość świeżej wody produkowanej każdej godziny. Jak można było oczekiwać, produkcja rosła w ciągu poranka, osiągała szczyt około południa przy najsilniejszym słońcu, a potem spadała późnym popołudniem. Wyższe prędkości powietrza przenosiły więcej pary z nawilżacza do odwilżacza, a większy przepływ wody morskiej dostarczał więcej ciepłej wody do parowania. W najlepszych testowanych warunkach — przepływ wody morskiej 0,63 kilograma na sekundę i prędkość powietrza 13,2 metra na sekundę — dzienna wydajność osiągnęła 17,04 kilograma wody destylowanej, czyli około 17 litrów, w ciągu ośmiogodzinnego okresu pracy.

Równoważenie wydajności, efektywności i kosztów

Ponad samą produkcję zespół zbadał, jak efektywnie system wykorzystuje dostarczone ciepło słoneczne. Użyto miary zwanej współczynnikiem zysku (gain output ratio), który porównuje energię zgromadzoną w wyprodukowanej świeżej wodzie do energii termicznej dostarczonej. Ten wskaźnik, wraz ze współczynnikiem odzysku porównującym wyprodukowaną świeżą wodę do podanej wody morskiej, osiągały szczyt przy wysokich przepływach wody i powietrza, ale w nadal zrównoważonych warunkach: określona kombinacja dawała najlepszy kompromis między intensywnym parowaniem a efektywną kondensacją. W najlepszych warunkach ogólny współczynnik zysku osiągnął 1,22, co wskazuje, że wewnętrzne odzyskiwanie ciepła w systemie pomagało ponownie wykorzystywać energię. Analiza ekonomiczna, oparta na szacowanej dziesięcioletniej żywotności i lokalnych warunkach finansowych, wykazała, że każdy litr wody destylowanej kosztowałby około 1,7 centa amerykańskiego, przy założeniu 340 słonecznych dni pracy rocznie. Ponieważ ciepło pochodzi ze słońca, a nie paliw kopalnych, autorzy szacują, że w ciągu eksploatacji systemu uniknięto emisji około sześciu ton dwutlenku węgla.

Co to oznacza dla spragnionych regionów

Mówiąc prosto, praca ta pokazuje, że skromne, dachowe urządzenie słoneczne może niezawodnie przemieniać słoną wodę kanałową w czystą wodę przy niskim koszcie i bez dodatku gazów cieplarnianych. Poprzez dopracowanie szybkości przepływu powietrza i wody morskiej badacze zidentyfikowali warunki pracy maksymalizujące produkcję świeżej wody i efektywność energetyczną przy rzeczywistej pogodzie w Kairze. Chociaż dzienna objętość jest zbyt mała, by zasilić duże miasto, dobrze odpowiada potrzebom odizolowanych domów, gospodarstw czy obozów turystycznych wzdłuż egipskiego wybrzeża. Badanie dostarcza praktycznych danych, które inżynierowie i planiści mogą wykorzystać do projektowania kolejnej generacji małych jednostek odsalających, które są tanie, łatwe w utrzymaniu i zasilane głównie energią słoneczną.

Cytowanie: Gomaa, A., Hassaneen, A.E., Ibrahim, H. et al. Performance analysis of a solar desalination system operated by humidification–dehumidification technique. Sci Rep 16, 9805 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40700-6

Słowa kluczowe: odsalanie słoneczne, nawilżanie odwilżanie, małoskalowe uzdatnianie wody, energia odnawialna, zasoby wodne Egiptu