Ontzouting van zeewater: Japans exporttechnologie

Paul op den Brouw, NOST Tokyo (Innovatie Attaché Netwerk Tokio)

Origineel gepubliceerd op de site van Rijksdienst voor Ondernemend Nederland

Samenvatting
Japanse bedrijven hebben de afgelopen jaren hun technologieën voor de ontzouting van zeewater geperfectioneerd en geëxporteerd naar landen in het Midden-Oosten. Omgekeerde osmose, multi-stage flash en multiple-effect destillatie worden in verschillende grootschalige buitenlandse projecten toegepast. Op nationaal niveau wordt hard gewerkt aan het mega-ton water systeem project om de kosten van zeewater ontzouting verder omlaag te brengen door technologische doorbraken. Japan hoopt daarmee zijn dominante technologie en octrooipositie te handhaven.

Inleiding
Drinkwater wordt schaarser. In veel delen van de wereld is er een ernstig tekort, omdat er te weinig regen valt of de ondergrond is uitgeput. Niet alleen is zoet water nodig voor dorstige kelen, ook de landbouw en de industrie kunnen niet zonder schoon en zuiver water. Ontzouting van brak water en zeewater wordt voor steeds meer landen aantrekkelijk. Zeewater maakt voor 97 procent deel uit van de totale hoeveelheid water op aarde en is daardoor in principe een onuitputtelijke bron. Wanneer de industrie goedkopere en efficiëntere technologieën kan ontwikkelen wordt ontzouting ook commercieel aantrekkelijk.

Figuur. 1 Totale wereldwijde capaciteit voor zeewater ontzouting (bron: ref. 2 ).

Het Japanse Ministry of Economy, Trade and Industry (METI) verwacht dat de wereldmarkt voor ontzouting van zeewater zal groeien tot ruim 40 miljard dollar tegen het jaar 2025. (1,2) In vergelijking met 2007 is de markt dan vier maal zo groot geworden. Vandaag de dag hebben de grootste ontzoutingsinstallaties een capaciteit van een half miljoen kubieke meter water per dag (m³/d). De sterke groei in het aantal grote steden wakkert de ontwikkeling van nog grotere installaties aan. De wereldwijde capaciteit voor ontzouting is de afgelopen jaren sterk toegenomen en ligt nu rond de 80 miljoen m³/d (zie figuur 1).

Omgekeerde osmose (RO)
Japanse bedrijven, zoals Sasakura Engineering, Mitsubishi Heavy Industries, Hitachi Zosen, Mitsui en Ishikawajima-Harima Heavy Industry, werken al jaren samen met Saoedi Arabië. Bijvoorbeeld aan het testen van membranen van bedrijven als Toyobo, Toray en Nitto Denko voor SWRO (seawater reverse osmosis/omgekeerde osmose van zeewater) in ontzoutingsfabrieken. Saoedi Arabië staat nummer een op de toptienlijst van landen met ontzoutingsinstallaties. In Jeddah ging onlangs één van de grootste installaties van start. Uit de Rode Zee wordt dagelijks 345.000 m³/d aan zoet water via RO geproduceerd. Hiermee kunnen een miljoen mensen van drinkwater worden voorzien. De installatie in Jeddah werkt deels met RO en maakt gebruik van membranen van het Japanse bedrijf Toyobo. (3) Deze membranen worden vervaardigd uit holle buizen waar omheen holle vezels met een dikte van vijf micrometer zijn gewikkeld. Zo ontstaat een semipermeabele barrière die het zout niet doorlaat omdat de poriën kleiner zijn dan een nanometer. Het zout wordt zo gescheiden van het water. Vaak wordt het zeewater eerst nog gezuiverd van organische en anorganische verontreinigen met behulp van ultra- of nanofiltratie.

Nitto Denko is ook een producent van RO-membranen. Het bedrijf heeft het oppervlak van membranen groter gemaakt door ze te plooien. Deze membranen scheiden 99,8 procent van het zout van water. Nitto Denko werkt samen met het Singaporese Memstar, dat vezelmembranen produceert om samen de Chinese markt voor ontzouting te bewerken. Toray is een andere grote producent van membranen van weer een geheel ander type. De Japanse industrie heeft daardoor ruime keuze uit membranen die voor toepassing in landen met verschillende, lokale omstandigheden specifiek geschikt zijn.

Eén van de grootste problemen van membranen is verstopping omdat zij geleidelijk aan vervuilen doordat kleine deeltjes en micro-organismen zich ophopen aan het oppervlak en de poriën blokkeren. Toyobo past daarom membranen van cellulosetriacetaat toe. Dit materiaal maakt het mogelijk om chloor te gebruiken voor de reiniging waardoor membraanoppervlakken langer vrij van vervuiling blijven.

Tegenwoordig werkt Saoedi Arabië vooral samen met het Japanse Water Re-use Promotion Center (WRPC) en Sasakura en met Hitachi Zosen aan thermische ontzoutingsinstallaties gekoppeld met zonne-energie en met Metawater aan het testen van keramische membranen voor de voorbehandeling van zeewater.

Dominante octrooipositie
De laatste twintig jaar domineren Japanse bedrijven de wereldmarkt voor ontzouting ondanks een sterke teruggang in octrooiactiviteiten in de afgelopen vijf jaar. Op dit moment zijn Japan Organo en Kurita Water de belangrijkste spelers in het octrooidomein met ieder meer dan 200 octrooien. (4) Organo heeft diverse ontzoutingsinstallaties (1000-6000 m³/d) in Hyogo en Kurita heeft kleinere faciliteiten in Gunma en Shizuoka. In de VS speelt Nitto Denko een belangrijke rol op octrooigebied.  Mitsubishi Heavy Industries heeft de sterkste octrooipositie omdat het op een groot aantal terreinen hele series van onderling samenhangende octrooien bezit. Mitsubishi Heavy speelt dan ook een belangrijke rol in de bouw van grote op RO-gebaseerde zuiveringsinstallatie in de wereld, zoals bijvoorbeeld in Medina Yanbu in Saoedi Arabië (8530 m³/d) en ’s werelds eerste drietraps-RO-zuiveringsfabriek in Rabigh met een capaciteit van 192.000 m³/d. (5)

Tabel 1. Hitachi Zosen heeft sinds 1971 42 ontzoutingsfabrieken gebouwd.
*aangekondigd 25-1-2014.

Technologie voor derde landen
In de afgelopen jaren is ontzouting door krachtige stimulering van de overheid bij uitstek een exporttechnologie voor Japan geworden. Hitachi Zosen is daarvan een goed voorbeeld (zie tabel 1). (6) Technologie en financiering van grote buitenlandse projecten gaan hand in hand. Vorig jaar verleende de Japan Bank for International Cooperation (JBIC) nog een lening van 105 miljoen dollar aan de Muscat City Desalination Company (MCDC). MCDC is geïncorporeerd in Oman voor de uitvoering van het Al Ghubrah Independent Water Producer Project en bestaat uit Sumitomo Corp., Malakoff Corp. Berhad uit Malaysia en Cadagua uit Spanje. (7) Ondertussen is er een lange lijst van buitenlandse projecten.

RO is geen nieuwe technologie, maar de laatste jaren zijn de membranen die daarvoor worden gebruikt sterk verbeterd, zodat zij meer zout kunnen verwijderen en tegelijkertijd meer water laten passeren. De productiekosten van water gaan daardoor omlaag. Naast RO wordt nog een tweetal destillatietechnieken veel gebruikt: multi-stage flash en multiple effect destillatie.

Multi-stage flash destillatie (MSF)
Door water te verdampen ontstaat ook een scheiding van het zout. In het Midden-Oosten is energie goedkoop. De grote hoeveelheid energie die nodig is om water op te warmen en te laten verdampen en weer te laten afkoelen is daar economisch haalbaar. Het Japanse bedrijf Hitachi Zosen past een multi-stage flash destillatie voor de ontzouting van zeewater toe. (8) Water van 110 °C wordt door een serie compartimenten geleid waar de waterdamp verzameld wordt. Gaande van het ene naar het andere compartiment neemt de temperatuur van het water af. Door geleidelijk de druk te verlagen neemt de temperatuur waarbij water kookt af en blijft water in damp vorm aanwezig. Wanneer het laatste compartiment wordt bereikt is het water nog 40 °C. Dit water wordt gerecycled om de restwarmte te verwijderen. Zodoende wordt het thermisch rendement van de complete installatie groter. Ook Sasakura werkt aan MSF. Het bedrijf leverde in 1983 een MSF-fabriek aan Saoedi Arabië met een productie van 138.000 m³ water per dag met behulp van een zestal eenheden. (9)

Toch is deze methode voorlopig nog duurder dan omgekeerde osmose en gebruikt twee tot drie keer meer energie. Vooral op heel grote schaal is deze vorm van ontzouting rendabel. Vooral wanneer deze wordt gecombineerd met energieopwekking. Een groot voordeel van MSF is dat de kwaliteit van het te ontzouten zeewater minder belangrijk is. Bij membraanbehandeling moet altijd zorgvuldig naar de waterkwaliteit gekeken worden; organisch materiaal, algen en fijne deeltjes (met een hoge Silt Density Index) zijn nadelig voor het membraan. Hierdoor moet het water vaak via voorbehandeling schoon gemaakt worden.

Multiple-effect Destillatie (MED)
Een andere regelmatig toegepaste ontzoutingstechniek is Multiple-effect Destillatie (MED). Een MED installatie is opgebouwd uit een aantal gesloten compartimenten. In elk van de ruimte voltrekt zich een verdampingsstap uit een meerstaps proces. Stoom afkomstig uit een energiecentrale zorgt via buizen voor de verhitting van zeewater. Een deel van het zeewater verdampt. Deze stoom wordt gebruikt voor verhitting van het zeewater in het volgende compartiment, waar weer een deel van het zeewater verdampt. Elke stap in dit proces heeft het effect dat zuiver water ontstaat en de warmte wordt hergebruikt in het volgende compartiment. Op deze wijze ontstaat een energetisch optimaal ontzoutingsproces, dat ongeveer veertig procent minder energie vereist dan RO-membraanprocessen.

MSF en MED zijn technieken die al meer dan vijftig jaar bestaan. In de loop van de tijd zijn verbeterde warmteoverdrachtstechnieken ontwikkeld zoals vertical en horizontal tube evaporator (VTE en HTE) en de multiple-effect plate (MEP). Hitach Zosen introduceerde jaren geleden een VTE MED ontzoutingsfabriek.

Nieuwste technologie
Samen met het Japanse Water Re-use Promotion Center (WRPC) heeft het Saoedi Arabische bedrijf SWCC een gezamenlijk onderzoekproject lopen naar een volledig geïntegreerde NF/SWRO/MED tri-hybride systeem. (9) Om kalkafzetting te voorkomen wordt bij commerciële MED ontzouting doorgaans een maximale top brine temperature (TBT) van 65 °C gehanteerd. Door toepassing van nanofiltratie (NF) als voorbehandeling van het opgepompte zeewater wordt de concentratie kalkvormende elementen sterk verminderd en kan de TBT in MED ontzouting worden verhoogd. Hierdoor kan de installatie een betere thermische prestatie leveren. Het resterende RO water met een hogere concentratie aan kalkvormende elementen (maar ruwweg de helft lager dan in onbehandeld zeewater) kan dan geleid worden naar een MSF of een MED ontzoutingsinstallatie, zodat een tri-hybride systeem ontstaat (zie fig. 2). Het gezamenlijk onderzoekprogramma heeft onlangs aangetoond dat de TBT in MED/TVC pilot plant tot 125 °C kan worden opgevoerd. De kosten van een kubieke meter water komen afhankelijk van de brandstofkosten tussen 0,5-2,5 dollar te liggen voor een 6000 m³/d productiefaciliteit. In combinatie met een thermische zonnecollector kan de stoomproductie nog verder in kosten verlaagd worden. (10)

Figuur 2. NF/RO/MSF of NF/RO/MED tri-hybride systeem (bron: ref 10).

Mega-ton water system
In 2010 startte de Japanse overheid het mega-ton water system project voor een bedrag van 3 miljard yen (circa 20 miljoen euro). Een team van honderd onderzoekers van universiteiten en industrie onder leiding van Dr. Maseru Kurihara, werkzaam bij Toray, werkt aan vijftig procent verlaging van de kosten voor de ontzouting van zeewater door middel van RO. Het nieuwe systeem moet een miljoen liter water per dag produceren. Toray hoopt op een technologiedoorbraak in het mega-ton water project. De financiering is afkomstig van het Funding Program for World-Leading Innovative R&D on Science and Technology (FIRST Program), dat in 2009 werd opgezet om het concurrentievermogen van Japan te versterken. Het onderzoeksteam zoekt de oplossing vooral in efficiëntere membranen en een verbeterde lay-out van de onderdelen van de ontzoutingsfabriek. De relatie tussen structuur en de prestaties van RO-membranen is onderzocht met TEM-tomografie. Door gebruik te maken van pressure retarded osmosis (PRO) kan energie opnieuw benut worden wat leidt tot energiebesparing en verminderde milieueffecten van geconcentreerde zoutoplossingen. Er is een speciale holle vezel voor PRO ontwikkeld die een jaar lang beproefd is in een prototype installatie.

Figuur 3. Schema van het mega-ton water systeem en de bijbehorende watercycli. (bron: ref. 10).

Behalve aan de SWRO plant is er gewerkt aan de integratie met industriële waterzuivering in een 100.000 m³ per dag (26,4 MGD) installatie (zie fig. 3). Het project komt voor april dit jaar tot een einde. In november vorig jaar zijn de resultaten bekend gemaakt van de projecten op de acht focusgebieden van de technologieontwikkeling: lagedruk membraantechnologie, diepzee en infiltratie inname van zeewater, chemicaliën vrije ontzouting, corrosiebestendig buizenmateriaal, PRO gebruikmakend van RO concentraat en behandeld industrieel afvalwater, andere energie(her)gebruikstechnieken, intelligente systemen voor besturing van de installatie en de ontwikkeling van een geïntegreerde SWRO/industrieel water behandelingssysteem. (11)

Samen met de deelnemers van het mega-ton water project wordt gewerkt aan de commercialisering van het systeem, zodat een goedkopere en efficiëntere watervoorziening kan bijdragen aan de wereldbehoefte. Japan hoopt met de resultaten van dit project zijn activiteiten in het Midden-Oosten, Noord-Afrika en China en andere regio’s voor waterzuivering en afvalwaterbehandeling verder te kunnen opvoeren.

Bronnen

1. Takuya Ogino, Slaking the world’s thirst, Nikkei, Asian Review, January  9, 2014.
2. Global desalination capacity growing substantially, finds study, Waterworld, Oct. 14, 2013.
3. Persbericht: Toyobo’s RO membranes for Seawater Desalination selected for use in the World’s largest Seawater Desalination Plants, June 4. 2012
4. Patent trends and top players in desalination technology, Cleantech, January 10, 2012.
5. World’s First Large Full Triple-Pass RO Seawater Desalination Plant, 2009
6. Technologies on Tap, Highlighting Japan, PRO, Government Japan, December 2010.
7. Project Financing for Al Ghubrah Seawater Desalination Project in Oman, JBIC July 26, 2013.
8. Hitachi Zosen Corporation, Desalination Plants.
9. Sasakura Engineering Seawater Desalination, Multi-Stage Flash Desalination.
10. Application of tri-hybrid system to satellite plants NF/RO + High Temperature MED desalination plant, SWCC, ACWA power & Sasakura.
11. Mega-ton water Systems Project.

-0-