تغییر ساختاری در امنیت آبی خاورمیانه: مقایسه شیرین‌سازی حرارتی و اسمز معکوس

خاورمیانه با یک واقعیت جغرافیایی تلخ تعریف می‌شود: این منطقه تقریباً ۶ درصد از جمعیت جهان را در خود جای داده، اما کمتر از ۲ درصد از آب شیرین تجدیدپذیر جهان را در اختیار دارد. برای بقا و توسعه، این منطقه رودخانه‌های خود را مهندسی کرده و برای تأمین آب شهرهای خود به دریا روی آورده است. امروزه، کشورهای شورای همکاری خلیج فارس (GCC) تقریباً ۴۲ درصد از ظرفیت عملیاتی شیرین‌سازی آب در جهان را به خود اختصاص داده‌اند و سالانه میلیاردها متر مکعب آب شیرین تولید می‌کنند.[2][3]

برای دهه‌ها، این امنیت آبی از طریق استفاده بی‌محابای فراوان‌ترین منبع منطقه یعنی سوخت‌های فسیلی به دست می‌آمد. فناوری غالب، تقطیر ناگهانی چندمرحله‌ای (MSF) بود، یک فرآیند حرارتی که آب دریا را با تبدیل ناگهانی آن به بخار در یک سری محفظه‌های تحت فشار، می‌جوشاند. تأسیسات MSF عظیم، مقاوم و به شدت انرژی‌بر هستند و برای کارکرد به مقادیر زیادی گرما نیاز دارند.[4][6]

از آنجا که MSF به انرژی حرارتی زیادی نیاز دارد، این تأسیسات شیرین‌سازی تقریباً همیشه در کنار نیروگاه‌های سوخت فسیلی و در یک پیکربندی تولید همزمان (برق و حرارت) قرار می‌گرفتند. گرمای هدر رفته ناشی از سوزاندن گاز طبیعی یا نفت برای تولید برق، جمع‌آوری می‌شد و برای جوشاندن آب دریا استفاده می‌شد. این امر یک وابستگی ساختاری ایجاد کرد: برای تولید آب، کشورهای خلیج فارس مجبور بودند به طور مداوم سوخت فسیلی بسوزانند، صرف نظر از اینکه شبکه برق در آن لحظه واقعاً به آن انرژی نیاز داشت یا خیر.[2][6]

هزینه انرژی این زیرساخت قدیمی سرسام‌آور است. خاورمیانه تقریباً ۹۰ درصد از انرژی حرارتی مورد استفاده برای شیرین‌سازی آب در سراسر جهان را به خود اختصاص می‌دهد. یک تأسیسات سنتی MSF معادل حرارتی ۶۰ تا ۱۲۰ کیلووات ساعت در هر متر مکعب آب تولیدی مصرف می‌کند که معادل تقاضای الکتریکی ۱۰ تا ۱۶ کیلووات ساعت در متر مکعب است. تنها در عربستان سعودی، شیرین‌سازی آب در گذشته تقریباً ۳۰۰,۰۰۰ بشکه نفت در روز مصرف می‌کرد.[2][3][4]

با این حال، یک تغییر ساختاری عمیق اکنون در سراسر منطقه در حال وقوع است. کشورهای حاشیه خلیج فارس، با انگیزه تعهدات اقلیمی کربن صفر خالص، افزایش هزینه فرصت سوزاندن هیدروکربن‌های صادراتی، و پیشرفت‌های چشمگیر در فناوری غشایی، به سرعت از تقطیر حرارتی به سمت اسمز معکوس (RO) در حال چرخش هستند.[1][3]

برخلاف تأسیسات حرارتی، اسمز معکوس آب را نمی‌جوشاند. در عوض، از پمپ‌های فشار قوی برای عبور دادن آب دریا از طریق غشاهای نیمه‌تراوا استفاده می‌کند که نمک و ناخالصی‌ها را به دام می‌اندازند و تنها به مولکول‌های آب خالص اجازه عبور می‌دهند. از آنجا که RO کاملاً به فشار مکانیکی و نه گرما متکی است، از نظر مصرف انرژی به مراتب کارآمدتر است.[1][4]

تأسیسات مدرن RO در مقیاس کاربردی معمولاً بین ۴ تا ۸ کیلووات ساعت در متر مکعب برق مصرف می‌کنند. پیشرفت‌های اخیر این کارایی را حتی بیشتر کرده است؛ در سال ۲۰۲۱، شرکت تبدیل آب شور عربستان سعودی (SWCC) با بهره‌برداری از یک تأسیسات RO با مصرف تنها ۲.۲۷ کیلووات ساعت در متر مکعب، یک رکورد جهانی ثبت کرد. این نشان‌دهنده کاهش چشمگیر شدت انرژی تولید آب در مقایسه با سیستم‌های حرارتی قدیمی است.[1][3][4]

نکته حیاتی این است که از آنجا که RO با برق کار می‌کند و نه بخار صنعتی، پیوند اجباری بین تولید آب و تولید برق پایه با سوخت فسیلی را از بین می‌برد. یک تأسیسات RO می‌تواند توسط توربین گاز طبیعی یا به همان آسانی توسط یک مزرعه خورشیدی یا تأسیسات بادی تأمین انرژی شود. این جداسازی به کشورهای خلیج فارس اجازه می‌دهد تا شیرین‌سازی آب را در شبکه‌های انرژی تجدیدپذیر در حال گسترش خود ادغام کنند.[2][4]

با وجود مزایای آن، گذار به RO بدون چالش‌های زیست‌محیطی نیست. هم شیرین‌سازی حرارتی و هم غشایی، آب نمک غلیظ (Brine) تولید می‌کنند که یک محصول جانبی بسیار شور است. هنگامی که این توده متراکم به اقیانوس بازگردانده می‌شود، به کف دریا فرو می‌رود، جایی که سطوح بالای شوری می‌تواند موجودات کف‌زی کندرو، چمنزارهای دریایی و صخره‌های مرجانی را نابود کند.[5]

تأسیسات حرارتی این مشکل را با تخلیه آب نمک در دماهای بالا تشدید می‌کنند و باعث آلودگی حرارتی موضعی می‌شوند که اکوسیستم‌های دریایی را تحت فشار بیشتری قرار می‌دهد. در حالی که RO شوک حرارتی را حذف می‌کند، آب نمک آن اغلب حاوی مواد ضد رسوب و مواد شیمیایی پاک‌کننده است که برای جلوگیری از گرفتگی غشاهای حساس استفاده می‌شوند و نیاز به پخش‌کننده‌های خروجی با مهندسی دقیق دارند تا پراکندگی سریع در جریان‌های قوی اقیانوسی تضمین شود.[5][6]

از لحاظ تاریخی، RO برای جا افتادن در خلیج فارس با مشکل مواجه بود زیرا آب دریا در این منطقه به طور استثنایی شور، گرم و مستعد شکوفایی شدید جلبکی (کشند سرخ) است که به سرعت طرح‌های اولیه غشایی را مسدود می‌کرد. در مقابل، MSF ابزاری خشن بود که می‌توانست تقریباً هر چیزی را بجوشاند. اما سیستم‌های پیش‌تصفیه پیشرفته—مانند شناورسازی با هوای محلول و اولترافیلتراسیون—تا حد زیادی این مشکلات گرفتگی را حل کرده‌اند و RO را حتی در محیط خشن دریایی خلیج فارس نیز عملی ساخته‌اند.[4]

توجیه اقتصادی نیز به طور قاطع تغییر کرده است. هزینه چرخه عمر آب شیرین‌شده در سطح جهانی کاهش یافته است، به طوری که تأسیسات مدرن RO در خاورمیانه اکنون آب را با هزینه‌ای در حدود ۰.۴۰ تا ۰.۶۰ دلار در هر متر مکعب تولید می‌کنند. در نتیجه، تقریباً تمام ظرفیت‌های جدید شیرین‌سازی در مقیاس کاربردی که امروز در منطقه راه‌اندازی می‌شوند، از فناوری غشایی استفاده می‌کنند، در حالی که تأسیسات قدیمی MSF با رسیدن به پایان عمر عملیاتی خود، به تدریج بازنشسته یا تبدیل می‌شوند.[1][4]