07 Mrz 2017

Mit Membrantechnologien gegen Wasserknappheit

Membran-Technologien sind aktuell die effizientesten Verfahren zur Gewinnung von Trinkwasser durch Meerwasserentsalzung

07 Mrz 2017

Die begrenzte Verfügbarkeit von Trinkwasser ist eines der größten Probleme der Menschheit – oder auch eine der größten Aufgaben der Technik in den kommenden Jahren, je nach Blickwinkel. Nach  Untersuchungen der Vereinten Nationen haben derzeit rund 800 Millionen Menschen keinen Zugang zu der lebensnotwendigen Ressource Trinkwasser. Noch in diesem Jahrhundert könnte diese Zahl aufgrund von Bevölkerungswachstum und Klimawandel leicht um zwei Milliarden Menschen anwachsen.

Meerwasserentsalzung – eine wichtige Trinkwasserressource

Eine wichtige und seit vielen Jahren praktizierte Möglichkeit, das Problem des fehlenden Trinkwassers zu lösen, ist die Entsalzung von Meerwasser. Aus logistischen Gründen macht dieser Weg jedoch nur für Regionen Sinn, die nicht weiter als ca. 200 Kilometer vom Meer entfernt liegen; immerhin leben in diesen Regionen annähernd drei Milliarden Menschen.

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(Video: YouTube / ARTE)

Vorreiter in der Nutzung dieser Technologie sind neben Israel vor allem die Staaten in der Golfregion und Nah-Ost. So plant allein Israel bis 2016 mehr als die Hälfte seines Frischwasserbedarfs durch entsprechende Anlagen zu decken. Obgleich die Technologie der Meerwasserentsalzung bereits seit vielen Jahren gut etabliert ist, steckt auch hier, wie so häufig, der Teufel im Detail. Eine wichtige Voraussetzung für die dauerhafte und störungsfreie Funktion der in der überwiegenden Mehrzahl auf dem Prinzip der Umkehr-Osmose (UO) beruhenden Anlagen ist eine möglichst effektive Vorreinigung des Meerwassers.

Algenblüte

Foto: Wikipedia / publ. domain, CC 3.0

Denn wenn die mikrofeinen Poren der eingesetzten Membranen sich durch Schwebstoffe und Schmutzpartikel zusetzen, geht die Effizienz der Anlagen sehr schnell in die Knie und die Menge an entsalztem Wasser nimmt schnell ab.

Schwebstoffe im Meerwasser reduzieren die Standzeit von Membranen

Daher hat sich seit geraumer Zeit das Start-Up-Unternehmen Akvolution GmbH aus Berlin mit dieser wichtigen Aufgabe befasst. Drei Berliner Studenten haben sich ihre pfiffige Lösung des Problems bei der Karpfenzucht abgeschaut: in den Zuchtbecken drücken Pumpen kleine Luftblasen in das Wasser und verhindern so einerseits, dass sich aufgrund der Wasserverwirbelungen Partikel an den Glasscheiben der Becken absetzen können. Anderseits entsteht durch die eingetragenen Luftbläschen ein Luftpolster, an das sich die im Wasser treibenden Algen anlagern können. Denn hier kommt noch ein zweiter Effekt zum Tragen: Luftbläschen und im Wasser treibende Algen sind an ihrer Oberfläche unterschiedlich elektrisch aufgeladen, durch elektrostatische Effekte ziehen beide Phasen einander an (ein Effekt, der in der Technik als „dissolved air flotation“ bekannt ist).

Mit viel Fleiß und Akribie setzten die Studenten das „Karpfen-Verfahren“ auf die Anwendung mit Meerwasser um. Als „Freiluftlabor“ für ihre „proof-of-principle“-Versuche nutzten die Studenten dabei den Landwehrkanal in Berlin, der regelmäßig Algenblüten erlebt – und daher ein ideales „Testgewässer“ darstellt. In einer weiteren Testphase ging es dann in den Aquadom in Berlin, eines der größten Salzwasser-Aquarien in Europa. Auch hier konnte das Team so gute Erfolge erreichen, dass man damit den auf den Zukunftsmarkt Meerwasserentsalzung fokussierten Großkonzern ThyssenKrupp überzeugen konnte, in das Thema einzusteigen. Inzwischen ist das Start-Up den „Kinderschuhen“ entwachsen und firmiert unter „akvola Technologies“.

Dissolved-air-flotation-Prozess reduziert Schmutzbelastung

Neben der Lösung des Reinigungsproblems liegt ein weiterer wesentlicher Vorteil des neuen Verfahrens („akvoFloat™-Technologie) in der deutlich höheren Effizienz des Verfahrens: während „klassische“ Membran-Technologien > 1 kWh / 10 m³ entsalztem Wasser benötigen,

air-flotation-process, schematisch

Foto: Wikipedia / publ. domain
air-flotation-process, schematisch am Bsp. Erzaufbereitung

verspricht die Technologie von akvola Technologies eine Reduzierung auf ca. 10 % dieses Wertes; u.a. aufgrund der effektiven Vorreinigung durch den „Luftbläschen-Teppich“. Zusätzlich verbessert sich durch die vorgeschaltete Reinigung und die damit einhergehende Reduzierung des Biofoulings auch die Standzeit der Membranen, was der Gesamt-Wirtschaftlichkeit dieser Entsalzungsverfahren natürlich ebenfalls zugute kommt.

Mit der Entsalzung des Meerwassers ist jedoch nur ein erster Schritt in Richtung „reguläre Trinkwasserversorgung“ getan. Denn eine solche Entsalzungsanlage läuft vor allem dann effizient, wenn sie im Dauerbetrieb gehalten wird. Es fällt also kontinuierlich eine mehr oder weniger große Menge an Trinkwasser an. Wohin damit? – denn die Abnahme des Trinkwassers erfolgt in der Regel diskontinuierlich (in der Nacht wird beispielsweise erheblich viel weniger Wasser abgenommen als in den frühen Morgenstunden oder am frühen Abend, wenn viele Menschen Duschen und Toiletten benutzen).

Herkulesaufgabe: keimfreie Lagerung von Trinkwasser

Die nächste Aufgabe besteht also nun einerseits darin, in den Zielregionen Trinkwasserspeicher so zu errichten, dass es unter den vorhandenen Lagerbedingungen (hohe Temperaturen, lang andauernde Sonneneinstrahlung) nicht zu einer Verkeimung des Trinkwassers kommt; unter den vorhandenen Umweltbedingungen keine leicht zu lösende Aufgabe. Und natürlich ist ein weiterer wichtiger Teil einer dauerhaften Trinkwasserversorgung der Aufbau einer zuverlässigen Verteilungs-Infrastruktur in Form entsprechender Trinkwasser-Verteilungsnetze.

Nutzung Erneuerbarer Energien verbessert Energiebilanz von Membranverfahren

Ein großer Vorteil des Aufbaus entsprechender Meerwasserentsalzungsanlagen in „heißen“ Regionen der Erde liegt in der möglichen Nutzung Erneuerbarer Energien, wie z.B. der Solar- oder auch der Windenergie, um den doch erheblichen Energiebedarf solcher Anlagen zudecken. Hierzu liegen bereits seit mehreren Jahren technische und wirtschaftliche Studien und Untersuchungen vor. Dies und die Tatsache, dass UO-Verfahren (trotz der Erzeugung der erheblichen Vordrucke von bis zu 80 bar) nur ca. 1/6 der Energie von thermischen Verfahren benötigen (-> Wasserverdampfung durch Energiezufuhr bei gleichzeitiger Druckerniedrigung und anschließende Kondensation des salzfreien Wasserdampfs; ein Verfahren, das sich Entspannungs-Verdampfung nennt) lässt den Siegeszug der Membranverfahren als unaufhaltsam erscheinen.

Entsorgung hochkonzentrierter Salzablaugen aufwendig

Ein Problem allerdings haben auch die modernsten Membran-Entsalzungsverfahren noch nicht zufriedenstellend lösen können: wohin mit den hochkonzentrierten Solen, die all das aufkonzentrierte Salz enthalten? (und nicht nur das, sondern auch noch eine ganze Menge Chemikalien, die die Ausbildung von Verkrustungen durch das enthaltene Salz, das sog. Scaling, verhindern sollen).Vielleicht können auch dafür in Zukunft neuartige Membranen auf der Basis von Graphen eine Lösung bieten, doch bis zur Kommerzialisierung solcher Membranen ist es noch ein weiter Weg.

Von den Problemen der Verklappung und Entsorgung hochkonzentrierter Salzlaugen kann die nordhessische K + S AG sicherlich eine lange Geschichte erzählen …

Für weitere Informationen und Lösungen rund um die Gewinnung und Nutzung von Trinkwasser, mit allen damit verbundenen möglichen Problemen der Trinkwasserhygiene, schauen Sie sich gerne die Beiträge auf meiner Web-Site an und nutzen Sie das Kontaktformular der Web-Site für Ihre spezielle Anfrage.

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Blog-Beiträge Dr. Matthias Brück

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Kommentare
  1. Siegfried Gendries April 20th, 2017 7:37AM

    Hallo Herr Dr Brück, aufschlussreicher Artikel über ein zukunftsträchtiges Thema. Bei Graphen kommen mir Zweifel, weil die human-toxikologischen Auswirkungen des Einsatzes noch nicht abschließend untersucht sind. Die Lösung „geht ja aktuell auch durch die Medien“ http://www.bbc.com/news/science-environment-39482342. Was meinen Sie?

    • brueck April 20th, 2017 8:18AM

      Hallo Herr Gendries,
      Graphen fällt, wie viele andere Substanzen, in das Prüfprozere der nanoskaligen Produkte. Die mögliche Gesundheitsgefahr solcher, meist lungengängiger, Mikro- / Nanopartikel ist in der Tat noch nicht umfassend erforscht. Fraglich ist, ob Graphen-Partikel hier eine deutlich höhere Belastung erzeugen als der „klassische Feinstaub“ aus Diesel- und Otto-Motoren – der gesellschaftlich offensichtlich noch immer toleriert wird (zumindest sieht man in Europa deutlich weniger Atemmasken im täglichen Straßenbild als in Japan, China oder Singapur …)

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