海水淡水化のコスト

1.海水淡水化のコスト。 はじめに

1960年代、海水淡水化は、世界のさまざまな地域や産業分野で使用するために、塩水を許容できる水質基準にするための最も重要な処理手段の1つとして登場した（Ghaffour, et al.） 気候変動、人口増加、工業化の進展の影響は、水不足に大きな役割を果たし、水需要に大きな影響を及ぼしています。 アフリカ、中東、アジアの多くの国々が深刻な淡水ストレスを受けており、2025年に向けて水不足が深刻化すると予測されています。 また、世界人口の約40％が海から100km以内に住んでおり（Ghaffour, et al., 2012）、海水淡水化が水不足に対する世界の対応に不可欠な要素であることも重要です。

この論文では、海水淡水化のコストの概要と、関連する資本コスト（CAPEX）および運用・保守コスト（OPEX）の主な構成要素を紹介します。 予想されるコストの範囲を説明し、海水淡水化プロジェクトの概念計画や開発に役立てるために、海水淡水化施設のコストの例を示している

2.

1. 熱脱塩（熱エネルギーを使って高塩分濃度の水から蒸留物を分離する）。主に多重効用蒸留（MED）と多段フラッシュ蒸留（MSF）が代表的である。 機械的蒸気圧縮法（MVC）は、主に高TDS（> 45,000 mg/l）および／または工業廃水を、必ずしも飲料水としてではなく、再利用を目的として脱塩するために使用されるものである。
2. 逆浸透（RO）膜分離は、膜バリアとポンプエネルギーを使用して、高塩分濃度の水（通常 < 45,000 mg/l）から塩を分離します。

脱塩技術は、汽水地下水、地表水、海水、家庭排水および産業排水など（これだけに限られない）さまざまな源からの水を処理できるものです。 海水淡水化技術の開発・改良に伴い、海水淡水化プラントの建設コストは低下している。 このコストの低下は、海水淡水化が受け入れられ、成長し、成功した主な要因の1つです。 1960年代以降、多段フラッシュ蒸留法（MSF）による海水淡水化のコストはおよそ10分の1になり、1960年代のおおよその単価は10米ドル/㎥でしたが、2010年には1米ドル/㎥（1000ガロンあたり3.79ドル）未満になりました。 2017年現在、場所によっては、技術開発とエネルギー価格の低下により、MSFのコストは2010年から最大20％減少しています。 同様に、膜設計とシステム統合の技術的な改善により、汽水域の脱塩コストは過去20年間で半分以上減少している（Ghaffour, et al.） 一例として、2012 年にテキサス州水資源開発局は、汽水地下水の脱塩にかかる総生産コストは、容量 1m3 あたり 0.29～0.66 ドル（千ガロンあたり 1.09～2.49 ドル）と推定している（Arroyo, et al.、2012 年）。 しかし、2012 年に行われた水再利用協会の調査では、大規模な海水逆浸透（SWRO）プロジェクトのコスト動向は 2005 年以降横ばいになっているようだが、それ以降は容量 1 m3 あたり 0.79 ドルから 2.38 ドル（千ガロンあたり 3.00 ドルから 9.00 ドル）の範囲で大きく変動している（WRA、2012）。 この大きな変動は、多くのコスト要因や変数によるものであるが、これについては第3節で説明する。

以下のチャート（図1～5）は、タイプ、場所、エンドユーザー用途別の総脱塩能力およびその伸びを示している。

2.1 総容量

総脱塩能力は2010年に6400万m3/日を超え、2015年には9800万m3/日に迫っている。 図1は、21世紀に入ってから能力が急速に伸びている様子を示している（出典：GWI Desal Data & IDA）

図1-世界の総脱塩能力（m3/日）

2.総脱塩能力

2.世界の総脱塩能力（m3/日）図1.世界の総脱塩能力図1.世界の総脱塩能力

図2、図3からわかるように、淡水源がなく、エネルギー資源が豊富なため、場所別の生産能力が大きいのは中東である。 海水淡水化のユーザーで容量が最も大きいのはサウジアラビア王国、次いで米国、UAE、オーストラリア、中国、クウェート、イスラエルと続く。

図2 国別の海水淡水化容量

2007～2016年の9年間における海水淡水化市場トップ15は、図3のとおりである。 2012年以降、設置容量が最も増加しているのは米国である。

Figure 3 – Desalination market share 2007 – 2016

2.3 技術別の設置容量

図4は設置容量と技術の比較を示したものである。 現在使用されている海水淡水化技術の主流は逆浸透膜（RO）である。 ROの使用は、低いOPEX（一般に高価な熱エネルギーではなく電気機械エネルギーを使用）と高いCAPEX（膜のコストと比較的短い寿命のため、交換コストが高い）の間のトレードオフであった。 長年にわたり、膜の価格は劇的に低下し、膜の寿命は、給水の前処理の改善とROシステムの運用方法の理解により長くなりました。

図4 – 脱塩タイプ別の世界の総容量

2.4 用途および使用別の設置容量

図5は、エンドユーザー用途別の脱塩市場シェアを示しています。 都市部での海水淡水化用途が最も多く、次いで工業、電力、灌漑、観光の各用途となっている。

図5 – 世界の海水淡水化の市場用途別容量

容量、場所、タイプ、用途などの上記の要素（セクション2）は、コストに大きな影響を及ぼします。 海水淡水化コストに直接影響する他の重要なサイト固有の要因があり、これについては次のセクションで説明します。

3 海水淡水化コストへの主な影響

海水淡水化コストに直接かつ大きな影響を与える要因としては、海水淡水化技術、原水および製品水質、取水と出水のタイプ、工場またはプロジェクトの位置、使用するエネルギー回収タイプ、電力価格、後処理必要量、貯蔵、流通、地域のインフラコスト、環境規制がありますが、それだけにとどまるものではありません。

3.1 脱塩技術

今日設置されている脱塩能力のほぼ95％は、熱（35％）または膜ベース（60％）の技術である（Ghaffour, et al.,）。 2012). それぞれのタイプのシステムは、設置面積、建設材料、装置、前処理要件、電力と蒸気の要件など、他の違いも含めてかなり異なっています。 技術の選択はまた、運用コストに影響を与える前処理と後処理に使用される化学物質の種類を決定する。

3.2 所在地

脱塩施設が建設される場所は、プロジェクトの全体コストに大きな影響を与えうる。 例えば、SWRO（海水逆浸透）海水淡水化プラントでは、取水パイプラインや複雑な取水構造のコスト上昇を避けるため、プラントを海水取水源のできるだけ近くに設置する必要がある。 また、最適なプロジェクト配置により、海へ戻る濃縮ブライン排出ラインも削減できます。 しかし、不動産取得費用は大きな要因であり、土地費用が比較的短い距離で桁違いの差を示すような場所では、より大きな送水が必要になる可能性があります。 建設の観点からは、送電コストを削減するために、地元の土壌条件（新しい土壌充填または構造用コンクリート杭を必要とする場合がある）および信頼できる電源に近いなどの項目について慎重に検討することが推奨されます

3.3 原水品質

サイト固有の原水品質は、脱塩工程自体の前に必要な前処理工程の数と種類、および脱塩プラント全体のサイズに大きな影響を与えることがあります。 原水の塩分濃度が高くなると、通常、高い運転圧力（RO）と温度（熱）が必要になるため、原水の全溶解固形物（TDS）レベルは運転コストに直接影響を及ぼします。 また、原水の塩分濃度が高くなると、ROシステムと熱システムの両方で、原水1ガロンあたりの実現可能な製品水回収量が減少する可能性がある。 SWROの場合、小さな湾や湾、水路などの地域では、海水の流れや、その結果生じる大きな海水体（すなわち海洋）からの自然混合が最小になることがある。 これらの地域では、外洋の水と比較して、塩分濃度が高く、総浮遊物質量が多く、温度変化が大きく、有機物負荷や生物活性が高くなる可能性がある。 5074>

さらに、給水温度はRO運転圧力コストに大きな影響を与え、給水温度が70⁰F以下になると、給水圧力は10％から15％増加する（WRA、2012年）。

ROシステムの場合、必要な製品水質は、必要な膜パスの数を決定し、それによってコストに影響を与える。

3.4 取水口と排出口

脱塩プラント用に選択した取水口と排出口の種類は、プラント費用効率設計と最適運転にとって最も重要な技術検討項目の1つである。 最適な取水口のタイプ（水中取水口対開放取水口）、プラントに対する取水口の距離、取水スクリーンのタイプ、取水構造のタイプ、取水パイプラインのタイプ（埋設対地上）、海洋生物の衝突と巻き込みに関する環境配慮などの重要な要因を評価する必要がある。 これらの項目はそれぞれ、コストに大きな影響を与える。 取水システムのコストは、開放型取水口の容量1000m3/日あたり0.13ミリオン（MGDあたり0.5ミリオン）という低いものから、複雑なトンネルや沖合取水口の容量1000m3/日あたり0.79ミリオン（MGDあたり3ミリオン）まで様々です（WRA、2012年）。

取水口と排出構造コストの潜在的な重要性を説明するために、塩分上昇に非常に敏感な海洋生息地の近くにあるSWRO工場の排出は、海水淡水化プロジェクトの総支出の30％を超えることができるコストと精巧な濃縮排出散気装置を必要とします。 これとは対照的に、造水コストが最も低い海水淡水化プラントは、濃縮排水が自然混合が非常に高い沿岸地域に位置するか、発電所の排出構造物と結合しているため、初期混合がよく、排出プルームの放散がよく行われるようになっている。 これらのプラントの取水・排水設備コストは、通常、総脱塩プラントコストの10％未満である（WRA, 2012）。

3.5 前処理

前処理費用は、前処理システムの種類と複雑さによって影響を受ける。 必要な前処理の種類は、プロジェクト現場の原水水質に依存する。 一部の原水海水または汽水地表水源は、高レベルの有機物と生物活性を有し、DAF（溶存空気浮遊）およびUF（限外ろ過）のような、より強固な前処理技術を必要とする。 水没した取水口や井戸水を利用する他の原水源は、1段階の媒体ろ過やMF（精密ろ過）など、より少ない前処理しか必要としない場合がある。

水再利用協会による「海水脱塩コスト」と題する記事によると、前処理コストは通常、1000m3/日あたり0.13MM～0.40MM（MGDあたり0.5MM～1.5MM）の範囲となる見込みです。 この範囲の下限では、従来の1段式媒体ろ過システムで十分である。 前処理費用は、2段式の媒体フィルターや、媒体フィルターに続いてMFまたはUFシステムを使用するなど、前処理工程が追加されるにつれて増加する。

前処理費用は、水源が廃水の場合、一般により高くなる。 これは、高いカルシウムとマグネシウム（硬度）レベルを除去する必要性、微生物を破壊するための塩素処理と脱塩素処理の追加、または高分子量の有機化合物を除去するためのUFの使用の必要性など、多くの要因に起因すると思われる。

3.6 エネルギー回収

RO システムでは、原水の浸透圧に打ち勝つために高圧ポンプを使用する。 例えば、いくつかのSWROプラントは、最大70バール（1000 psig）の供給圧力を必要とすることができる。 このプロセスからのRO濃縮ブラインの流れには圧力エネルギーが含まれており、ROシステム全体のエネルギー要件を低減するために回収することができる。 エネルギー回収技術により、全体のエネルギー投入量を削減し、運転経費を削減することができます。

3.7 電力

地元のエネルギー価格、送電距離、接続料、そしておそらく海水淡水化施設の予定地の関税は、接続電力の供給価格を決める上で重要な役割を担っている。 非常に大規模な熱脱塩プラントでは、そのような組み合わせの固有の利点のために、発電所との併設を検討することが有望である場合がある。

3.8 後処理

最終製品の水質により、必要とされる後処理の具体的な種類が決定される。 後処理工程は追加コストを必要とする。 非常に低いTDSレベルを達成するため、またはホウ素や塩化物のような特定のイオンの濃度を許容レベルまで下げるために2回目のROパスが必要になることは、高価なオプションとなり得ます。 2パスROシステムは、通常、シングルパスROシステムよりも15％～30％コストが高くなります（WRA、2012年）。

また、製品水の安定化には、通常、pH 調整と重炭酸アルカリ性の添加が必要で、これは、二酸化炭素、石灰、水酸化ナトリウムの組み合わせを使用して行われ、やはり、追加コストがかかります。

水を使用するコミュニティに近い海岸にある海水淡水化プラントでは、通常、土地は高価に設定されています。 施設を使用地点と適切な電源の近くに設置するコストは、沿岸または配水サービスエリアから遠く離れた場所に工場を移動することに関連する、追加の取水・排水パイプラインの権利、パイプラインコスト、材料の輸送、許可、労働、メンテナンスに関連するコストと比較検討されるべきである（WRA、2012年）。

後処理コストは、水源が廃水である場合、一般に大きくなります。 これは、ウイルスを不活性化するための後処理酸化や、廃塩水または固形物処分のコスト上昇など、多くの要因によるものと思われる。

3.9 地域のインフラコスト

インフラコストには、土工、コンクリート、鉄、構造物、排水、建築材料などの項目がある。 工場の立地条件によって、これらの各項目にかかるコストは大きく異なる場合がある。 工業都市から離れた場所にある工場は、コンクリート生産施設や建築資材が豊富にある工業地帯の近くに建設される工場に比べて、一般的に高い建設費を負担しなければならないでしょう。

3.10 環境規制

各地域は独自の環境規則と規制を持っており、これらはまた、単一の国の中で州によって異なることがあります。 例えば、カリフォルニアでのプロジェクトの許認可費用は、フロリダでの一般的な許認可費用のほぼ4倍である（WRA, 2012）。 カリフォルニア州は、テキサス州やフロリダ州と比べて飲料水製造に関する規制やガイドラインが厳しいため、海水淡水化プロジェクトに規制コストがかかるのである。 また、環境レビューの期間が長いと、プロジェクトのスケジュールも長くなり、その結果、プロジェクトコストも高くなるのが一般的である。 実際、カリフォルニア州のように規制が非常に厳しい州では、プロジェクトの開発と許可に必要な年数が、プラントの建設とスタートアップに必要な期間よりも大幅に長くなる可能性があります。 (WRA, 2012)

4.0 コスト構成要素-CAPEX

CAPEX は、直接コストと間接コストの2つの主要カテゴリに細分化されます。 直接費には、設備、建物およびその他の構造物、パイプライン、敷地開発などがあり、通常、総CAPEXの50％から85％の範囲に含まれる。 残りの間接コストには、融資の金利や手数料、エンジニアリング、法務・管理コスト、偶発事象などが含まれる（Ghaffour, et al.2012）。 ほとんどの海水淡水化プラントの典型的なCAPEXコストと構成要素は、さらに、取水と原水輸送、前処理、脱塩処理、後処理、製品水のポンプと貯蔵、電気・計装システム、プラント建物、敷地と土木工事とプラントのバランス、ブライン排出と固形物処理、および雑多なエンジニアリングと開発コストの9つの部分に分けることができる。 その他、融資手数料やその他の商業関連費用なども考慮しなければならない。 図 6 は、SWRO プラントの CAPEX コスト内訳の一例である。

図 6 – 典型的な SWRO 脱塩プラントの CAPEX 内訳（出典：Advisian）

CAPEX、かなりの程度、大規模な脱塩プラントでは設置容量 100 万ガロンあたりのコストが低くなることから、規模に依存します。 以下の図7に基づき、中規模の10MGD SWROプラントの建設費用は約8000万ドルで、サンディエゴ近郊の35MGDカールスバッドSWROプラントのような大規模プラントは2億5000万ドルと予想される。 注：環境、許認可、建設の問題により、このプラントは結局もっと費用がかかることになった。

図 7 – ユニット建設コスト対 SWRO プラント容量

5.0 コスト要素 – OPEX

運営コスト (OPEX) は一般的に 2 つの大きなカテゴリに分類されます：固定費（人件費や行政、機器や膜交換費用、不動産料金/税など）と可変コスト（電力や化学薬品、他の消耗品など）です。 (Arroyo, et al.，2012）。 ほとんどの海水淡水化プラントの典型的なOPEXコストと構成要素は、図8に示すように、電力消費、消耗品、固体廃棄物、化学薬品、労働、メンテナンス、機器保証、プラント&ユーティリティのバランス、その他の固定費（管理、スペア、危機管理など）からなる9部分にさらに細分化することが可能である。

図8 – 典型的なSWRO脱塩プラントOPEX内訳（出典：Advisian）

6.0 海水淡水化の総コスト

ライフサイクルコストは、単位生産コストまたは年率コストとも呼ばれ、海水淡水化によって1000ガロンまたは1立方メートルの水を生産するコストで、すべてのCAPEX（債務返済を含む）とOPEXを考慮し、予測または実際のプラント運用係数で調整することがあります。 すべての変数が関係するため、これらの年換算コストは非常に複雑であり、プロジェクト間の単位生産コストの差は直接比較できない場合があります。 せいぜい、過去のプラントコスト情報を使って将来のコストを予測しても、概算にしかならない。

図 9 は、完成したさまざまなタイプの RO プロジェクトの年換算コストが大きく変化していることを示す。 表示されたデータの最良適合線で表される平均コストは、超大型プラント（325,000 m3/日）で約0.70ドル/m3（千ガロン当たり2.65ドル）、小型プラント（1万m3/日）で1.25ドル/m3（千ガロン当たり4.75ドル）まで上昇している。

しかし、コストは、高価なサイト固有の取水、排出、および搬送の特殊性を持つ非常に小さな容量のプラント（4,000 m3/日または 1 MGD 未満）については 3.20/m3 と高くなる可能性があります。 取水、排出、および輸送の影響を除去すると、年換算コストの範囲は、SWRO プラントでは 0.53/m3 から 1.58/m3 （千ガロンあたり 2.00 から 6.00 ドル）、汽水 RO プラントでは 0.11 から 1.10/m3 （千ガロンあたり 0.40 から 4.00 ドル）に縮小する（WRA、2012 年の記事）。

図 9 – RO プラント単位生産コスト対プロジェクト容量

工業廃水を再利用するために脱塩するコストはこれよりはるかに大きい可能性がある。 たとえば、WorleyParsons/Advisian は、アラビア湾地域に位置し、油田生産水と生産ボイラー供給水を供給する 35,000 m3/day の海水淡水化プラントの CAPEX および OPEX を開発するための研究を実施しました。 この研究で作成された予算上のCAPEXとOPEXコストに基づくと、単位生産コストは図9を使用して予測されるよりも約4倍高くなりました。

以下の図10は、1日あたり1立方メートル（264ガロン）の水を生産するためのMSF、MED、SWROの典型的なライフサイクルコスト比較である。 このように、熱脱塩技術であるMSFとMEDは、電気エネルギーに加えて蒸気（熱エネルギー）を必要とし、これがSWROと比較して水のトータルライフサイクルコストが高くなる主な理由である。

図10-海水淡水化技術の水の単位生産コスト

7.0 海水淡水化施設のコスト例

本稿で述べたように、海水淡水化施設の開発・建設・運営コストは、施設の設置場所、原水の種類と水質、取水口と排水口の種類、使用する淡水化技術やエネルギー回収システム、電力コスト、必要な後処理と貯蔵、流通コスト、環境規制などによって異なる。 これらの違いにより、世界のある地域に建設された大規模プラントは、世界の別の地域に建設された小規模プラントよりも高価になり、結果としてOPEXに大きな差が生じる可能性がある。 このことは、

表1に示した、米国、中東、オーストラリアなど世界の様々な場所にある3つのSWROプラントのプロジェクトで説明されている。

（順不同

2008.1

2002.1000 (50)

溶存ガス浮上＋ろ過

地域	米国	アラブ湾岸部	オーストラリア
プロジェクト名	Carlsbad Desalination Project	Fujairah F1 Extension SWRO	Gold Coast Desalination Plant
工場所在地	Carlsbad.の工場。 CA, USA	Fujairah, UAE	Tugin.Planet（英語）	Tugin, オーストラリア
工場建設時期	2014	2013	2009
プラント容量 m3/d (MGD)	189.0 2009
136,000 (30)	133,000 (35.1）
植物回復	45-50%	45->
45-50% 45->	45%
原水塩分（ppm）	36,000	45,000	38,000
製品水質（ppm）	200	500 (WHO基準)	200
取水口タイプ	オープン取水口, 共同設置	オープンインテーク	オープンインテーク、ドラムスクリーン。 吸気・排気トンネル
前処理タイプ	デュアルメディアフィルトレーション	二重媒体ろ過
脱塩技術 。	2 パス SWRO	2 パス SWRO	2 パス SWRO
Energy 回収型	ERI	ERI	DWEER ERD
ポスト・リカバリー型処理	CO2、石灰添加。 塩素処理、フッ素添加	CO2・石灰添加、塩素処理	CO2・石灰添加、塩素処理、フッ素添加
貯蔵・分配	3.貯蔵・分配：1.貯蔵・分配：1回目、2回目、3回目、4回目。4 MG + 10 miles conveyance pipeline and pumping	NA	8 MG + 16 miles pipeline + pumping
ブライン排出	発電所で直接海へ	直接海へ	300m海中へ。 拡散器
環境規制	非常に厳しい	中程度 の場合	Stringent
比エネルギー（kwh/ m3）	N/A	3.7 – 4.0	3.40
TIC cost (US$)	$692,000,000 (529M + 163M conv.). パイプライン） ＋金融費用213MMドル （合計904MMドル）	2億ドル	9430万ドル （745MMプラント＋198MMトンネル）
予想寿命：5年。 年	20	20	20
単純計算の年間設備投資額。 5074>	N/A	N/A	$47,150,000
OPEX (US$/year)	$53,100.N/Y000	$26,900,000*2	$32,000,000
生産単価 US$/m3 day	$1.0	$3,000, $3,000, $3,500,000,	$3,000, $3,000,000, $3,000,000,	< $0.60	$1.63

*1 支払、パイプラインの金融手数料、建設改良費、雑費、管理費などオーナーへのユニットコスト合計額です。 *2 推定値

1. Noreddine Ghaffour, Thomas M. Missimer, Gary L. Amy. “水の脱塩の経済性の技術的検討と評価。 より良い水供給の持続可能性のための現在と将来の課題”. Water Desalination and Reuse Center KAUST, October 2012.
2. Jorge Arroyo, Saqib Shirazi. “Cost of Brackish Groundwater Desalination in Texas,” 2012年9月.
3. Water Reuse Association. “Seawater Desalination Costs,” January 2012.
4. Pankratz, Tom. Water Desalination Report, 2010.
5. Crisp, Gary. “Desalination in Australia” presentation, May 2010.
6. San Diego County Water Authority.
7. San Diego County Water Authority. “Overview of Key Terms for a Water Purchase Agreement between the San Diego County Water Authority and Poseidon Resources” presentation, September 2012.
8. GWI Desal Data & IDA (Int. Desal. Association) for Figure 1, Figure 3, Figure 5, Figure 10.「サンディエゴの海水淡水化」プレゼンテーション。
9. Xavier Bernat, Oriol Gibert, Roger Guiu & Joana Tobella, Carlos Campos. “様々な用途の海水淡水化の経済性”. Water Technology Center, Barcelona, Spain.
10. Robert Huehmer, Juan Gomez, Jason Curl, Ken Moore. “海水淡水化システムのコスト・モデリング”. Desalination Global Technology Leader, CH2M HILL, USA.
11. Gleick H. Peter, Heather Coooley.「海水淡水化システムのコスト・モデリング」（日本経済新聞社）. “The World’s Water 2008-2009: The Biennial Report on Freshwater Resources,” Pacific Institute.
12. Global Water Intelligence. Volume 12, Issue 12, 2011.

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