Как устроен автономный адсорбционный генератор воды «из воздуха»
Первый экспериментальный образец панели 42 × 42 см в собранном «на коленке» корпусе
Качать воду прямо из воздуха — любопытная идея. Даже в жаркой пустыне воздух содержит в себе водяной пар. Относительная влажность днем там не опускается ниже 5%, а типичное значение составляет 20%. Вполне можно попробовать.
Решение в лоб — это охлаждение воздуха до момента, пока из него не «польется» вода. Например, при 30 °С воздух может удерживать до 30 грамм пара на кубический метр, а при 0 °С уже лишь 5 грамм. Но охлаждение требует больших затрат энергии и имеет много ограничений, поэтому целесообразность теряется.
К счастью, людям приходят в голову другие идеи получения воды. Под катом рассказ про предсерийную концепцию автономной адсорбционной системы AlterOcean. Это такие панели, работающие от солнца и генерирующие воду из воздуха.
Как это работает
Солнечная гидропанель представляет собой блок типового размера: в экспериментах пробовали 30 × 30 см, 42 × 42 см, а коммерческую версию разрабатывают в формфакторе 81 × 46 см. Она ощутимо толще солнечной панели, но размещают ее по тем же принципам — направляют на солнце. Работает панель в суточном режиме — ночью поглощает влагу из атмосферного воздуха, а днем благодаря солнечному теплу в специальном блоке конденсируется практически дистиллированная вода, которая поступает потребителю.
В ночном режиме влажный воздух прогоняют через установку с помощью маломощного вентилятора. Водяной пар из воздуха задерживается в специальном пористом слое — адсорбенте (материале, напоминающем губку). Этот материал недорог в производстве и принимает до 45% воды от своей массы.
В дневном режиме адсорбент нагревается от солнца (тепло аккумулируют при помощи селективного экрана на основе оксинитрида титана), постепенно высвобождая водяной пар. Он оседает на поверхности конденсатора внутри установки, откуда стекает во внешний приемник. Для этого конденсатор охлаждают, прогоняя через него атмосферный воздух.
Внешний вид панели 30 × 30 см — второй экспериментальный образец
1 — корпус; 2 — боковые крышки; 3 — конденсатор воды; 4 — воздушный коллектор; 5 — опорная сетка; 6 — теплопроводящая вставка (размещается в слое пористого материала); 7 — пористый материал; 8 — селективный экран; 9 — рамка; 10 — прозрачный защитный экран; 11 — фильтр воздуха; 12 — система принудительной подачи воздуха
Электроэнергию для работы установки получают от солнца. В последней версии устройства на 1 м2 гидропанели необходимо примерно 9–10 Вт, но от образца к образцу эти цифры меняются.
Небольшой нагнетающий вентилятор расположен с обратной стороны панели
В солнечном климате для бесперебойной работы установки, включающей 5 м2 гидропанелей, в среднем достаточно солнечной батареи площадью 1 м2. Днем она также заряжает аккумулятор, от которого система будет работать ночью.
Вместе с дополнительным оборудованием 1 м2 солнечной гидропанели весит около 60–90 кг. Коммерческая версия будет состоять из трех частей, каждая весом 20–30 кг.
По расчетам, с квадратного метра панели можно получить до 4–5 литров воды, но пока на втором экспериментальном образце (при «коленочной» сборке и прочих оговорках) получается извлечь два с небольшим литра.
Следующая версия должна дать уже четыре литра. Для данного принципа действия это хороший показатель. Процесс и установка уже запатентованы.
Гидропанель позволяет получить воду, близкую к дистилляту, поэтому для использования ее в пищу необходима минерализация: воду пропускаются через специальный фильтр-минерализатор. Сам дистиллят тоже можно использовать в быту: в утюгах, увлажнителях воздуха и прочей бытовой технике. А некоторые предпочитают заваривать на нем кофе.
Есть материалы покруче, но…
Существуют материалы-рекордсмены, которые запасают в сотни раз больше воды по сравнению с собственным весом. Однако это не играет существенной роли в генерации атмосферной воды, поскольку производительность ограничена сразу несколькими процессами.
От физических ограничений никуда не уйти — либо энергии нужно больше подать, чтобы запасенную воду извлечь, либо примесей в ней окажется выше нормы, либо стоимость производства выйдет за все рамки, либо срок эксплуатации окажется коротким. Те же металлоорганические каркасы, которые все сейчас так любят, отлично адсорбируют воду, но могут развалиться через год, а могут и завтра. Да и стоимость только по одним комплектующим будет настолько высока, что устройство вряд ли кто-то купит. Поэтому коммерческих проектов на основе таких материалов сейчас нет.
А если искать баланс, в том числе по стоимости и срокам эксплуатации, то выше 4–5 литров с квадратного метра гидропанели собрать не получится.
Кто еще так умеет?
В реальном мире у разрабатываемого устройства есть только один коммерческий аналог — SOURCE (ранее назывался Zeromass). Его производят в США.
Гидропанель SOURCE
Принцип работы у него немного отличается — он основан на абсорбции. Это явление близкое, но несколько иное. Если адсорбция — это удержание вещества на поверхности материала, то абсорбция подразумевает удержание вещества в объеме.
SOURCE накапливает влагу в объеме — для этого используют жидкий поглотитель. Такие генераторы уже лет семь поставляют по всему миру, но экономика этих проектов со стороны непонятна.
Это устройство позволяет получить с одного квадратного метра 1–2 литра воды. Установка работает при влажности от 10%, но есть сложности с монтажом: панели большие и для их установки нужен обученный персонал. Окупается ли их производство при таких условиях, по открытым данным не ясно.
Пара слов об эффективности (в том числе, экономической)
Эффективность установки зависит от погодных условий, в частности, от влажности воздуха, но благодаря принципу ее действия даже при 5%-й влажности теоретически можно получать около двух литров жидкости с квадратного метра в сутки. Такая влажность бывает в самых жарких и сухих местах пустынь; средняя влажность в пустыне — 20%. Два литра в сутки — это немного, но зато установка работает полностью автономно, используя только солнечную энергию.
Солнечная гидропанель лучше всего работает в жарком климате. Но если использовать систему подогрева адсорбента, тогда она успешно заработает на широте Москвы и даже севернее. Тем более здесь высокая относительная влажность воздуха.
При определенной доработке панель будет генерировать воду и при отрицательной температуре воздуха.
Но в этом случае встает вопрос энергозатрат. Эффективность работы адсорбента при низких температурах даже выше, однако потребуются дневной подогрев устройства, когда оно будет выделять влагу. Кроме того, из-за малого содержания влаги на холоде через систему придется прокачивать больше воздуха, что увеличивает энергозатраты на работу вентилятора. Энергии солнечной панели на это уже не хватит, и в зимнем варианте использования будет целесообразнее подключать гидропанель к обычной розетке.
Срок службы установки — около 10 лет. Адсорбирующий материал со временем практически не меняет своих свойств при тех условиях эксплуатации, которые подразумевает установка — т. е. без воздействия агрессивных химических веществ, экстремально низких или высоких температур. Время эксплуатации системы можно увеличить лет до 15–20 за счет своевременного обслуживания — примерно раз в пять лет. Понятно, что эти цифры пока приблизительные, более точные данные появятся после длительных испытаний опытного образца, который отработал лишь два года.
«Вход» в технологию довольно дорогой — стоимость 2 м2 панели AlterOcean оценивается в 200–250 тыс. рублей. Год назад устройство оценивали в 1,5–2 раза дешевле, но есть идеи, как можно вернуться к этим цифрам.
Основной показатель, который используют для оценки экономической эффективности гидропанелей, — стоимость одного литра полученной воды.
По ценам прошлого года получалось, что один литр обходится в семь рублей.
Таким образом, срок окупаемости вложений в гидропанель на фоне доставки питьевой воды — порядка 3–4 лет. А если учесть, что стоимость воды в доставке растет, то на практике срок окупаемости будет меньше.
Проектная стадия
За два года разработчики успели создать и протестировать два опытных образца и перейти из чисто научного проекта к началу коммерческой реализации.
Самый первый экспериментальный образец устройства выглядел вот так и прошел несколько полевых испытаний:
Эксперименты с первым образцом в Краснодарском крае
Для второго экспериментального образца разработали собственный корпус. Он тоже прошел испытания «в полях».
Работа второй версии устройства в палаточном лагере
Сейчас команда прорабатывает третий опытный образец и надеется, что он станет предсерийным. На этой стадии в проект привлекают промышленных дизайнеров, чтобы создать экспериментальный образец с приемлемым внешним видом, который можно будет дальше масштабировать с минимальными доработками.
Промышленные дизайнеры помогут ответить и на сложные вопросы относительно эксплуатации устройства. Например, адсорбент сейчас неотъемлемая часть гидропанели, но намного интереснее было бы разместить его в картридже и легко менять при необходимости.
Это может потребоваться, если адсорбент загрязнится в результате разового распыления в воздухе какой-нибудь химии (тех же удобрений). Адсорбент после такого загрязнения вполне можно очистить —, но пока идет чистка, в установке будет работать другой картридж. В целом такой подход позволяет еще и уменьшить вес устройства, что облегчит логистику и монтаж.
Отдельно придется решить вопросы с размещением панелей. У них очевидно большая парусность, поэтому необходимо проработать специальные рамы, которые позволят устанавливать панели под углом, снижая нагрузку. Возможно, потребуются специальные стекла для защиты от града и других осадков. И все это нужно упаковать в сравнительно небольшой объем с ограниченным весом.
Один из возможных комплектов поставки — пять гидропанелей и одна солнечная панель, которая обеспечивает их работу. К этому комплекту должен прилагаться блок управления, в который будут «зашивать» дополнительные функции — например, сбор статистики генерации воды в зависимости от погодных условий для последующего анализа и прогнозов.
На конец года запланировали масштабные испытания третьей версии устройства, но, скорее всего, не в России. У нас даже в южных регионах будет прохладно, а основной рабочий режим устройства — жаркие страны.
Если испытания пройдут по плану, в следующем году запустят опытное производство и первые продажи.
Разумеется, тут есть еще вопросы финансирования. Разработчики рассчитывают на два раунда инвестиций — в этом и следующем году. Первый позволит достичь стадии MVP, а со вторым можно налаживать массовое производство. Не знаю, насколько быстро они смогут найти деньги, но часть финансирования они наверняка получат через программы НТИ, раз их проект в июле одобрили в акселератор «Архипелаг 2022».
Как разработчики видят основного потребителя
Есть отчеты Роспотребнадзора, по которым 12,5% населения в РФ не имеют доступа к чистой воде из системы центрального водоснабжения. А в южных регионах нередки проблемы с качеством локальных источников. Поэтому основной потребитель — частный домовладелец, у которого есть сложности с питьевой водой. Здесь гидропанель может выступать в роли резерва на случай перебоев с доставкой или даже как основной источник.
Систему — пусть даже минимальный комплект поставки — можно смонтировать на крыше, соединив с внутренним блоком-диспенсером воды, напоминающим кулер. В таком блоке можно даже сделать два крана — для дистиллированной и минерализованной воды в зависимости от потребностей.
Еще одна точка: удаленные производственные участки, которые обслуживают 2–3 человека в вахтовом режиме. В некоторых ситуациях такие производства устанавливаются без учета доступа к питьевой воде.
Однако в большей степени разработка ориентирована на экваториальные страны с жарким климатом. По статистике ВОЗ и ООН, без доступа к чистой питьевой воде живут около 2–2,2 млрд человек. К 2025 году 2,8 млрд человек будут испытывать дефицит воды.
Эскизы мобильного и промышленного сборщиков воды
Стандартный блок или контейнер можно доставить в лагерь условного Красного Креста или на территорию размещения беженцев и получать воду, пока она требуется. Гипотетически эту воду можно даже доочистить, чтобы сделать пригодной для инъекций, но надо понимать, что стоимость этой доочистки будет довольно высокой. После того как необходимость в воде пропадет, контейнер перевезут в другое место.
А есть еще идеи промышленных установок. В общем, пространство для расширения в теории есть, но сначала надо запуститься. Чего я им искренне желаю.
