気候が温暖化するにつれ、地球上の多くの乾燥地域はさらに乾燥する一方で、人口と水需要は増加します。2025年までに世界人口の最大60%が深刻な水不足に直面する可能性があります。
地球上の水の97%は海水で、残りの3%のほとんどは氷河や永久凍土に凍りついており、アクセスできません。帯水層や河川に淡水として存在し、人間が利用できるのは、わずか0.5%程度です。しかし、淡水化と呼ばれるプロセスによって、私たちは海に浸かり、喉の渇きを癒すことができるのです。
淡水化は数十年前から存在し、海水と塩分を含んだ地下水の両方を飲料水として利用できるようにするために利用されています。しかし、科学者たちは、より温暖で乾燥した未来において、淡水化の重要性はますます高まると考えています。最近の国連主導の調査では、研究者らは「湖、河川、帯水層に貯められた雨水、雪解け水、河川流出水といった『従来の』水源は、水不足地域における人間の需要を満たすにはもはや不十分である」と述べています。
2019年アメリカ地球物理学連合（AGU）会議のメディア向けラウンドテーブルで、ローレンス・バークレー国立研究所水エネルギーレジリエンス研究所所長のピーター・フィスク氏は、高コストとエネルギー消費のために見過ごされてきたこの技術を、将来の水供給の安定化のためにより真剣に検討する必要がある理由について議論しました。その概要をご紹介します。
海から水道まで
淡水化とは、その名の通り、水から塩分を取り除くプロセスです。淡水化は海水はもちろんのこと、地下の塩水層にも利用できます。現在、177の国と地域で約16,000の淡水化プラントが稼働しており、1日あたり約9,500万立方メートル、つまりオリンピックプール38,000個分の水を生産しています。その水の約半分は中東と北アフリカで生産されています。サウジアラビアは世界の淡水化水の15.5%、アラブ首長国連邦は10.1%を生産しています。また、淡水化は米国沿岸地域にとっても重要な水源であり、世界の淡水化水の11.2%を生産しています。
1930年代に遡ると、初期の淡水化装置は海水を沸騰させ、凝縮液として淡水を回収していました。しかし、今日の新しいプラントでは、従来の熱処理よりもエネルギー消費量が少ない逆浸透と呼ばれる技術が一般的に使用されています。逆浸透は、圧力を利用して海水を膜に押し込みます。淡水だけが膜を通過でき、反対側には塩分を多く含んだ海水が残ります。このプロセスは、介入しない場合とは逆のプロセスを強制的に行うため、依然として本質的に非常にエネルギーを消費します。つまり、膜を介して淡水がより塩分の多い水へと拡散し、塩分濃度が等しくなるまで進行するのです。そして、水の塩分濃度が高いほど、膜を通過させるのに必要なエネルギーは大きくなります。そのため、淡水化プラントでは、淡水を生産するために安定したエネルギー源が必要です。
これらのプラントが一定量の海水から絞り出せる淡水の量は様々ですが、海水の場合は取水量の約50%です。つまり、海水2ガロン（約8.3リットル）ごとに、淡水1ガロン（約1.8リットル）と濃縮塩水1ガロン（約1.8リットル）が淡水化によって生成されることになります。
淡水化の汚点
設計上、脱塩は相当量のエネルギーを消費します。水を膜に通すには、浸透圧という自然な流れに逆らって水を移動させる圧力を加える必要があります。過去20年間で改善が見られたものの、海水から淡水を生成するには、淡水帯水層や河川からの取水、あるいは汽水源（海水と淡水の中間の塩分濃度の高い水）の処理など、他の飲料水源の調達よりも多くのエネルギーを消費します。
しかし、遠くから水を輸入している乾燥地域では、淡水を長距離輸送するのと同程度のエネルギーしか淡水化に使用されない可能性がある。フィスク氏によると、サンディエゴ当局が、カリフォルニア州最大のエネルギー消費源である州水プロジェクト（SWP）のエネルギー使用量を計算したところ、同プロジェクトはサクラメント・サンホアキン・デルタからセントラルバレーや南カリフォルニアまで444マイル（約720キロメートル）の導水管を管理している。SWPの生産水量あたりのエネルギー総量は、カールスバッド淡水化プラントの生産水量とほぼ同程度だったという。水は重い。1リットルあたり2ポンド（約900グラム）以上ある。水道まで水を送るために丘の上までポンプで汲み上げる必要があるたびに、膨大な量のエネルギーが消費されているのだ。
さらにフィスク氏は、これらの遠方の水源の中には、必ずしも信頼できるものではないものがあると付け加えている。カリフォルニア州民にも大量の水を供給しているコロラド川は、水資源の割り当てが過剰になっている。これは文字通り、水資源管理者が農場や都市に、川の供給量を上回る水を約束していることを意味する。特に干ばつの年には、これらの表層水源に依存している利用者は水不足に陥るだろう。
しかし、淡水化には他の環境問題もあり、中でもブラインの処理は最も深刻です。この廃棄物は非常に塩分が多く、腐食性が強いです。さらに悪いことに、粒子を凝集させるために使用される凝固剤や抗菌剤など、処理プロセスから残留する化学物質も含まれています。前述の国連の調査では、淡水化によって世界中で毎日1億4,150万立方メートルのブラインが生成されていると推定されています。これは、生産される真水の50％以上、またはどこかに処分する必要がある厄介な廃棄物で満たされたオリンピックプール56,600個分に相当します。海水淡水化プラントでは、このブラインは海にポンプで戻されます。周囲の水と完全に混ざれば、それほど心配する必要はありません。しかし、ブラインが溜まると、海洋生物に有毒な水の塊が生成されます。
淡水化は、海水を吸い上げて処理する取水管を通じて海洋生物に悪影響を与える可能性があります。プランクトンや魚の幼生が施設内に吸い込まれ、大型生物は取水管の入口の網目に引っかかってしまいます。どちらの場合も、最終的には致命的な被害をもたらします。取水管を砂の下に埋めれば、天然のフィルターとして機能し、この影響を軽減することが可能です。しかし、世界的な水問題シンクタンクであるパシフィック研究所の研究ディレクター、ヘザー・クーリー氏は、この方法は必ずしも利用できるとは限らないと述べています。海底が岩や粘土質が多すぎる場合は効果がありません。
水供給の安定化
淡水化水は導入以来、コストは低下しているものの、依然として従来の水源よりもはるかに高価である傾向がある。サンディエゴ地域の住民にとって、コロラド川の水は1エーカー・フィートあたり約1,100ドルであるのに対し、淡水化水は同じ量で約2,200ドルかかるとフィスク氏は言う。（ただし、最近の報告によると、淡水化水はさらに値上がりしており、2019年6月時点では1エーカー・フィートあたり2,685ドルとなっている。）このプラントが2015年に給水を開始して以来、住民は毎月約5ドル多く水道料金を支払っている。この大きな差にもかかわらず、フィスク氏によると、地元の水道管理者は、温暖化の影響をうけない水源を確保するために、そのコストは価値があると考えているという。
クーリー氏は、水供給を改善する他の方法がまだ十分に実現されていないと述べています。「カリフォルニアで私たちが気づいたのは、多くの場所で、エネルギー消費量が少なく、環境への影響も少ない、はるかに安価な選択肢がまだあるということです」と彼女は言います。
水を節約することもその方法の一つです。クーリー氏によると、カリフォルニア州の多くの都市では、人口増加と経済成長にもかかわらず、30年前よりも水の使用量が少なくなっています。これは、節水トイレやフロントローディング式洗濯機への切り替えなど、様々な対策による水効率の向上によるものです。雨水を海に流すのではなく、集水して地下水盆に涵養することでも、水供給量を増やすことができます。また、廃水を河川に排出するのではなく、処理して再利用することも、水供給にとって費用対効果の高い選択肢だとクーリー氏は言います。
ナルコ・ウォーターで水処理システムを検討している化学エンジニア、ジェーン・クセラ氏は、海水淡水化の逆浸透法は、現在、理論上可能な限り効率的になっていると述べています。新たなナノ材料は、膜を透過する水のエネルギー消費量を削減することで一定の効果をもたらしますが、淡水化プラントは二酸化炭素排出量を削減するために、他の改良も必要になります。クセラ氏によると、その第一歩は、太陽光、風力、波力などの再生可能エネルギーを利用したプラントの稼働開始です。フィスク氏は、製造に多大なエネルギーを必要とする消毒用化学物質を、紫外線などの電動消毒技術に置き換えることも、もう一つの改善策だと付け加えています。
コストはかかるものの、フィスク氏は、淡水化は気候変動による水不足の解決策となり得ると述べています。海沿いの都市は海洋淡水化に頼ることができ、内陸のコミュニティは塩分を多く含む地下水の利用や下水の再利用に淡水化を利用できるとフィスク氏は言います。淡水化プラントの建設時期を決める鍵は、将来の水供給量を正確に予測することです。そうすれば、淡水化にコストに見合うだけの需要がいつ、どこで発生するかを予測できるのです。
フィスク氏はまた、淡水化インフラの構築方法を変えることでコストを大幅に削減できると考えています。「現在、私たちの淡水化施設のほとんどは大規模で、特注設計となっており、設計、許可取得、建設、そして稼働開始までには何年もかかります」と彼は言います。「もし私たちがこれらの非伝統的な水源をすべて利用しようとするなら、より統合されたモジュール式の水処理システムを製造する必要があるでしょう。」
フィスク氏は、地域が利用する水源に応じて塩分濃度を調整できる小規模施設を多数設置することを構想している。これらの施設は、干ばつに備えた一種の保険として機能し、渇水期に住民が水不足に陥るのを防ぐ。フィスク氏の構想（あるいはその一部）が実現すれば、「（淡水化によって生成される）再生水やリサイクル水の利用を大幅に拡大することで、21世紀の水不足問題に対応できると考えています」とフィスク氏は述べている。
