Meerwasserentsalzung
Als Meerwasserentsalzung bezeichnet man die Gewinnung von Trinkwasser oder Betriebswasser aus Meerwasser durch die Verringerung des Salzgehaltes. Die Entsalzung kann auf verschiedenen Prozessen beruhen, die Salze und Mineralien aus dem Wasser entfernen. Teilweise fallen dabei verwertbare Nebenprodukte wie Kochsalz an.
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Bedeutung
Der Meerwasserentsalzung wird für die Zukunft eine große Bedeutung zugemessen, da die Versorgung aller Menschen mit sauberem Wasser durch Mangel oder Verschmutzung des vorhandenen Süßwassers immer schwieriger wird. Meerwasserentsalzung wird schon lange auf Schiffen, U-Booten und auf Inseln betrieben. Hier spielen die Kosten nur eine geringe Rolle. Zum Funktionieren des Prozesses darf der Grundstoff allerdings nur sehr niedrige Kontamination (z. B. mit Öl) aufweisen, so dass in der Nähe von Hauptschifffahrtsrouten Meerwasserentsalzungen weniger wirtschaftlich arbeiten. Ein Landbrunnen, der den Meerwasserspiegel erreicht, muss dann helfen, das Meerwasser vorzufiltern.
Im Nahen Osten ist diese energieintensive Form der Trinkwassergewinnung weit verbreitet. In den ölreichen Golfstaaten ist sie die Hauptquelle der Trinkwassergewinnung. Überwiegend wird das Trinkwasser durch gas- oder ölbefeuerte Entsalzungsanlagen gewonnen. Auch kombinierte Gas- und Dampfturbinenkraftwerke mit angeschlossener MSF-Entsalzungsanlage (MSF: Multi Stage Flash Evaporation - Mehrstufige Entspannungsverdampfung) kommen häufig zum Einsatz. Auf den kanarischen Inseln und der deutschen Hochseeinsel Helgoland wird das Trinkwasser durch das Umkehrosmoseverfahren gewonnen.
Etablierte Techniken
Eine Zusammenfassung der auf Sonnenenergie beruhenden Verfahren zur Meerwasserentsalzung findet sich im Artikel Solare Meerwasserentsalzungsanlagen. Weitere nicht solare Verfahren sind: Gefrierverfahren, Evaporationsschläuche aus Kunststoff, Elektrodialyse, Vakuum-Destillationsanlagen mit Wärmepumpen und Anlagen nach dem Brüdenkompressions-Verfahren.[1]
Membrandestillation
- Hauptartikel: Membrandestillation
Dabei handelt es sich um ein Verfahren, bei dem eine halbdurchlässige Membran eingesetzt wird, welche nur Wasserdampf durchlässt und flüssiges Wasser zurückhält. Bei diesem Verfahren ist auf der einen Seite der Membran heißes Salzwasser und auf der anderen Seite eine kalte Fläche. Durch den Betrieb der Anlage wird erreicht, dass über die Membran eine Temperaturdifferenz besteht. Dadurch stellt sich eine Druckdifferenz des Wasserdampfpartialdruckes zwischen den beiden Seiten der Membran ein. Diese bewirkt, dass die Wassermoleküle auf die andere Seite gelangen.
Die Membran ist hydrophob, also aus einem Material, das verhindert, dass sie direkt von dem flüssigen Wasser benetzt wird. Die Membran ist sehr dünn und besitzt Porengrößen von ca. 35 µm. Bei technischen Anwendungen ist sie auf einem Kunststoffsieb befestigt und wird damit gestützt. Dieses Kunststoffsieb hat etwas größere Poren und besteht aus einem hydrophoben Material. Das System arbeitet nach dem Wärmeübertragerprinzip. Das kalte Meerwasser strömt ein und erwärmt sich durch die Kondensationswärme von 25 auf 87 °C auf. Danach wird es solar auf 90 °C erwärmt, um eine ausreichend hohe Temperaturdifferenz zu erreichen. Ein Teil des Meerwassers diffundiert durch die Membran und kondensiert an der gegenüberliegenden Membranfläche. Das heiße Meerwasserkonzentrat kühlt sich auf 28 °C ab.
Vorteile: Gegenüber anderen Verfahren verbraucht die Membrandestillation weniger Energie. Durch die externe Aufheizung ist eine Nutzung von regenerativen Energien, vor allem der Solarenergie, möglich. Die Konstruktion ist einfach und basiert auf vorgefertigten Modulen. Gegenüber konventionellen Verfahren sind die Herstellungskosten wesentlich geringer. Außerdem besteht aufgrund der innovativen Technologie ein wesentliches Kostensenkungspotenzial. Herstellungskosten von unter 0,50 € pro m³ Trinkwasser scheinen erreichbar. Es kann Trinkwasser aus Meer- und Brackwasser in großem Umfang gewonnen werden. Abwasser kann aufbereitet werden. Die Abwärmenutzung von (solaren) Kraftwerken ist möglich. Nachteile: Es handelt sich um eine neue Technologie, deren Potenziale noch nicht vollständig ausgeschöpft sind. So sollte der gegenwärtige Energiebedarf von 115-130 kWh pro m³ Destillat weiter gesenkt werden. Außerdem ist die Destillatausbeute mit 2,33 Litern pro 100 Litern Meerwasser noch zu gering. Ausblick: Das Ziel ist die Entwicklung einer wartungsarmen, dezentral einsetzbaren Anlage mit wenigen Bauteilen. Da die Membran aus hydrophoben Material besteht, ist es ungefährlich, wenn die Anlage trockenläuft. Erste EU-geförderte Pilotanlagen sollen in Jordanien, Ägypten und Marokko aufgebaut werden. In diesen Ländern sollen kleine, kompakte Anlagen getestet werden. Eine große Anlage mit einer Kapazität von 20 m³/d soll in Spanien errichtet werden. An der Entwicklung der Membrandestillation arbeiten zurzeit unter anderem das Fraunhofer-Institut für solare Energiesysteme und ein Konsortium aus führenden europäischen Industrieunternehmen (EMF-Ecological Management Foundation, TNO-Apeldoorn, Twente Universität, Hamers International, Water-Technology- Holland, Seghers-Keppel-Technology-Group, E.on-Benelux, Heineken, Gemeentewaterleidingen Amsterdam, Waterbedrijf Europoort).
Umkehrosmose
Bei der Umkehrosmose (engl. RO (reverse osmosis)) wird die Lösung (Meerwasser) zur Überwindung des osmotischen Druckes unter hohem Druck durch eine semipermeable Membran (z.B. Folien aus Polyamid, PTFE oder sulfonierten Copolymeren mit einem Porendurchmesser von 5x10-7 - 5x10-6mm[2]) gepresst. Diese wirkt wie ein Filter und lässt nur bestimmte Ionen und Moleküle durch. Somit erhält man eine Auftrennung der ursprünglichen Lösung. Durch den Membranfilter lassen sich Salze, Bakterien, Viren, Kalk und Gifte wie Schwermetalle zurückhalten.
Der osmotische Druck steigt mit zunehmender Salzkonzentration, der Prozess würde somit irgendwann zum Stehen kommen. Um dem entgegenzuwirken, wird das Konzentrat abgeführt. Da das Auskristallisieren des Salzes oder der Mineralien (Präzipitation) in den Membranen verhindert werden muss, ist die Benutzung der Umkehrosmose nur bis zu einer gewissen Maximalkonzentration des Rückflusses sinnvoll. Je nach Salzkonzentration muss aufgrund des hohen Drucks auch in optimalen Anlagen mit einem Energieaufwand zwischen 2 und 4 kWh pro Kubikmeter Trinkwasser gerechnet werden.
Es gibt Überlegungen, den Druck am Fuß von Fallwindkraftwerken zu nutzen, um mit Hilfe der Umkehrosmose Trinkwasser herzustellen. Der dafür notwendige Druck von ca. 70 bar würde bei wirtschaftlichen (und technisch realisierbaren) Dimensionen des Fallturms von 1200 m Höhe und 400 m Durchmesser erreicht. Besonders die küstennahen Gebiete Nordafrikas und der Golfregion würden sich für solche Projekte eignen. [3]
Die Trinkwasseraufbereitungsanlagen können je nach Art der Wasserverunreinigung mit weiteren Vorfiltern ausgestattet werden. Grobstoffe können so bis zu einer Partikelgröße von 20 Mikrometern (entspricht der halben Dicke eines menschlichen Haares) abgetrennt werden. Ein zusätzlicher Aktivkohlefilter scheidet organische Stoffe wie Pflanzenschutzmittel ab. Auch kann eine UV-Bestrahlung nachgeschaltet werden, was eine zusätzliche Sicherheitsstufe gegen Keime darstellt.
Eine weitere Verbesserung der Filtereffektivität wird neuerdings durch den Einsatz von Nanotunneln erreicht.
Mehrstufige Entspannungsverdampfung
Hierbei handelt es sich um ein thermisches Verfahren mit der Abkürzung "MSF" (englisch für Multi Stage Flash Evaporation). Ihr Vorläufer war die Multi-Effekt-Destillation.
Bei diesem Verfahren wird das zugeführte Meerwasser mit der Abwärme eines Kraftwerkes auf eine Temperatur von 115°C erwärmt. Das im so genannten Brine-Heater aufgeheizte Salzwasser verdampft in nachgeschalteten Entspannungsstufen unter Vakuum, der Wasserdampf schlägt sich als Kondensat innerhalb dieser Stufen an mit Kühlflüssigkeit gefüllten Rohrleitungen nieder und wird als salzfreies Wasser abgezogen. Das durch den Verdampfungsprozess immer stärker mit Salz angereicherte Wasser wird auch Brine (Salzlake) genannt und in einem nachgeschalteten Wärmeübertrager auf die Kondensationstemperatur (~40°C) des Dampfes des zugeführten Frischwassers abgekühlt. Es dient dann anschließend in den Rohrleitungen als Kühlflüssigkeit. Die Rohrleitungen selbst werden kontinuierlich mit Schwammgummikugeln von auskristallisierendem Salz gereinigt. Zuletzt wird dem Brine frisches Salzwasser zugeführt und erneut durch die Abwärme der Gasturbine aufgeheizt. Der gesamte Vorgang stellt also einen geschlossenen Kreislauf dar. Der Überschuss des sich im Kreislauf konzentrierenden Salzes wird wieder ins Meer zurückgeführt, wodurch örtlich die Lebensgrundlage vieler Meeresbewohner zerstört werden kann.
Das bei der Kondensation anfallende Destillat ist für eine direkte Verwendung als Trinkwasser zu salzarm. Weiterhin sind derartige salzarmen Wässer für Eisenwerkstoffe korrosiv, da keine Kalk–Rost–Schutzschicht gebildet werden kann. Durch Zusatz von Calciumhydrogenkarbonat wird deshalb der Gehalt an Karbonathärte im Wasser wieder erhöht. Das Calciumhydrogenkarbonat wird durch eine Reaktion von Calciumhydroxid (Kalkmilch) mit CO2–Gas hergestellt. Das hierfür notwendige CO2 wird häufig durch Verbrennung von Erdgas mit Luft gewonnen.
Großanlagen, wie das in Dubai befindliche GuD-Kraftwerk (Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerk) "Jebel Ali" (25° 03' 20" N, 55° 06' 46" O), können täglich bis zu 500.000 Kubikmeter Trinkwasser aus dem Meerwasser gewinnen. Ähnliche Mengen werden auch von den in der Region vorhandenen Ölkraftwerken erzeugt. Mit erneuerbarer Energie betriebene Entsalzungsanlagen können eine sehr wirtschaftliche Möglichkeit sein, Trinkwasser hoher Qualität zu gewinnen.
Evaporationsschläuche aus Kunststoff
Das französische Forschungszentrum CEA/GRETh hat im Rahmen eines europäischen CRAFT-Projektes eine innovative Meerwasserentsalzungsanlage entwickelt, in der die Metallbauteile weitgehend durch Polymere ersetzt wurden. Dies hat den Vorteil, dass Kunststoffe wesentlich weniger korrodieren und damit beständiger als Metalle sind. Durch den Einsatz von Kunststoff kann der Prozess unter Normalbedingungen bei 100 °C und 1 bar ablaufen. Die Anlage kann daher wesentlich einfacher und robuster konzipiert werden. Der Apparat erreicht eine Trinkwasserproduktionsleistung von 100 l/h. Da das Wasser auf 100 °C erhitzt wird, ist es steril und enthält nur noch geringe Mengen an Salz. Der Herstellungspreis von einem Kubikmeter Wasser aus einer solchen Anlage beläuft sich auf 4 €.
Dieses Verfahren kann aufgrund der geringen Datenmenge nicht beurteilt werden. Deshalb ist es auch nicht möglich, das Verfahren in eine Kategorie einzuordnen.
Gefrierverfahren
Durch Abkühlen von Meerwasser bilden sich Eiskristalle, die frei von Salzen sind. Rein energetisch betrachtet wäre das Auskristallisieren von Wasser deutlich günstiger als das Verdampfen und Rekondensieren von Wasser. Die technischen Schwierigkeiten bestehen jedoch im Wesentlichen in der Abtrennung der Eiskristalle von der Mutterlauge. Die Eiskristalle müssen von der Mutterlauge gewaschen werden. Dabei besteht wiederum ein erheblicher Bedarf an Süßwasser, der dieses Verfahren in der Praxis hat scheitern lassen.
Elektrodialyse
Die Elektrodialyse ist nur bei sehr niedrigen Salzgehalten wirtschaftlich. Die Energiekosten stehen in einem linearen Verhältnis zum Salzgehalt. Das Verfahren lohnt sich daher oft nur für Brackwasser.
Elektro-Deionisation
Elektro-Deionisation arbeitet nach dem Prinzip der Umkehrosmose und wurde 2008 von einem Siemens-Entwickler-Team entwickelt. Im Gegensatz zur Umkehrosmose wird aber nicht das Wasser durch die Membran gepresst, sondern das Salz. Unter der Wirkung eines elektrischen Feldes passieren die geladenen Salzteilchen die Poren der Kunststoff-Barriere und zurück bleibt salzarmes Trinkwasser. Die Methode unterbietet den Stromverbrauch modernster Umkehrosmoseverfahren um die Hälfte und verbraucht so auf 1 Kubikmeter Wasser 1,5 Kilowattstunden [4].
Auswirkungen auf die Umwelt
Nach einer Untersuchung der Umweltorganisation WWF ist die Entsalzung von Meerwasser teuer und energieintensiv. Die Erzeugung der dazu benötigten Energie führe zu einer Zunahme von Treibhausgasen; sehr große Anlagen würden Küstenregionen verschandeln und die Rückführung des entzogenen Salzes als Sole in das Meer habe in den betroffenen Küstenregionen negative Folgen für Fischbestände, Korallen und Wasserpflanzen. Meerwasserentsalzung könne in Einzelfällen zwar sinnvoll sein, sei aber keine allgemein geeignete Lösung, um der drohenden Wasserknappheit zu begegnen. Zur Sicherstellung der Trinkwasserversorgung seien vor allem Maßnahmen zur besseren Nutzung vorhandener Wasserressourcen und ein besseres Wassermanagement vorzuziehen; auch die Abwasseraufbereitung sollte als Alternative in Betracht gezogen werden.[5] [6] Befürworter der Entsalzung halten dem entgegen, die durch die Rückführung bedingte erhöhte Salzkonzentration sei bereits innerhalb weniger Meter im Meer messtechnisch nicht mehr nachweisbar.[6]
Eine umweltfreundliche, schwimmende Entsalzungsanlage auf Grundlage der Umkehrosmose ist seit Sommer 2007 in der südlichen Ägäis vor der Insel Iraklia in Betrieb und liefert täglich etwa 70 m³ Trinkwasser von hoher Güte.
Das Pilotprojekt ist eine Entwicklung der griechischen Universität der Ägäis und erfuhr im Rahmen der Verleihung des Europäischen Innovationspreises Regiostar 2008 lobende Erwähnung.[7]
Einzelnachweise
- ↑ Aquavendola: Meerwasserentsalzungsanlagen, Schwerpunkt kleine Umkehrosmoseanlagen
- ↑ Meerwasserentsalzung
- ↑ http://physicaplus.org.il/zope/home/en/1124811264/1137833043_en/#a004
- ↑ Christian Heinrich: Quelle an der Küste, Süddeutsche Zeitung 28.8. 2008.
- ↑ Bitteres Süßwasser aus dem Meer. Abgerufen am 19. Juli 2008.
- ↑ a b Meerwasser-Entsalzung: Keine Lösung des Trinkwasserproblems. pressetext austria, 20. Juni 2007. Abgerufen am 18. Juli 2008.
- ↑ Ydriada: A floating, autonomous, environmentally friendly and efficient desalination unit. Abgerufen am 12. August 2008.
Weblinks
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