Meerwasserentsalzung
Entsalzung ist ein Verfahren, das salzhaltigem Wasser mineralische Bestandteile entzieht. Ganz allgemein bezieht sich die Entsalzung auf die Entfernung von Salzen und Mineralien aus einer Zielsubstanz, wie bei der Entsalzung von Böden, die für die Landwirtschaft von Bedeutung ist. Salzwasser (insbesondere Meerwasser) wird entsalzt, um Wasser zu gewinnen, das für den menschlichen Verbrauch oder die Bewässerung geeignet ist. Das Nebenprodukt des Entsalzungsprozesses ist Salzsole. Die Entsalzung wird auf vielen Hochseeschiffen und U-Booten eingesetzt. Das moderne Interesse an der Entsalzung konzentriert sich vor allem auf die kostengünstige Bereitstellung von Süßwasser für den menschlichen Gebrauch. Zusammen mit recyceltem Abwasser ist sie eine der wenigen regenunabhängigen Wasserressourcen. ⓘ
Aufgrund des Energieverbrauchs ist die Entsalzung von Meerwasser in der Regel kostspieliger als die Gewinnung von Süßwasser aus Oberflächen- oder Grundwasser, das Wasserrecycling und die Wassereinsparung. Diese Alternativen sind jedoch nicht immer verfügbar, und die Erschöpfung der Reserven ist weltweit ein kritisches Problem. Entsalzungsprozesse werden in der Regel entweder durch thermische (im Falle der Destillation) oder mechanische (z. B. im Falle der Umkehrosmose) Energiearten angetrieben. ⓘ
Meerwasserentsalzung ist die Gewinnung von Trinkwasser und Betriebswasser für Industrie- oder Kraftwerksanlagen aus Meerwasser (Salzwasser) 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 Speisesalz an. ⓘ
Anwendungen
| Externes Audio ⓘ | |
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 "Die Wüsten zum Blühen bringen: Harnessing nature to deliver us from drought", Distillations Podcast und Transkript, Episode 239, 19. März 2019, Science History Institute |
A - Dampf ein B - Meerwasser ein C - Trinkwasser aus
D - Soleausgang (Abfall) E - Kondensatausgang F - Wärmeaustausch G - Kondensatauffang (entsalztes Wasser)
H - Solebehälter
Der Druckbehälter fungiert als Gegenstromwärmetauscher. Eine Vakuumpumpe senkt den Druck im Behälter, um die Verdampfung des erhitzten Meerwassers (Sole) zu erleichtern, das von der rechten Seite in den Behälter eintritt (dunklere Farbtöne bedeuten niedrigere Temperatur). Der Dampf kondensiert an den Rohren auf der Oberseite des Behälters, durch die das frische Meerwasser von links nach rechts fließt. ⓘ
Derzeit sind weltweit etwa 21.000 Entsalzungsanlagen in Betrieb. Die größten davon stehen in den Vereinigten Arabischen Emiraten, Saudi-Arabien und Israel. Die größte Entsalzungsanlage der Welt befindet sich in Saudi-Arabien (Ras Al-Khair Power and Desalination Plant) mit einer Kapazität von 1.401.000 Kubikmetern pro Tag. ⓘ
Die Entsalzung ist derzeit im Vergleich zu den meisten alternativen Wasserquellen teuer, und nur ein sehr kleiner Teil des gesamten menschlichen Bedarfs wird durch Entsalzung gedeckt. Die Entsalzung ist in der Regel nur für hochwertige Anwendungen (z. B. in Haushalten und in der Industrie) in trockenen Gebieten wirtschaftlich sinnvoll. Allerdings nimmt die Entsalzung in der Landwirtschaft und in stark bevölkerten Gebieten wie Singapur oder Kalifornien zu. Am weitesten verbreitet ist die Nutzung im Persischen Golf. ⓘ
In einer Studie aus dem Jahr 2004 wird zwar festgestellt, dass die Kosten sinken, und die Technologie für wohlhabende Gebiete in Meeresnähe wird allgemein positiv bewertet, aber: "Entsalztes Wasser mag eine Lösung für einige wasserarme Regionen sein, aber nicht für Orte, die arm sind, tief im Inneren eines Kontinents liegen oder sich in großer Höhe befinden. Leider gehören dazu auch einige der Orte mit den größten Wasserproblemen", und: "Tatsächlich muss man das Wasser um 2000 m anheben oder es über mehr als 1600 km transportieren, um Transportkosten in Höhe der Entsalzungskosten zu erzielen. ⓘ
Daher kann es wirtschaftlicher sein, Süßwasser von einem anderen Ort zu transportieren, als es zu entsalzen. An Orten, die weit vom Meer entfernt sind, wie Neu-Delhi, oder an hoch gelegenen Orten, wie Mexiko-Stadt, könnten die Transportkosten den Entsalzungskosten entsprechen. Entsalztes Wasser ist auch an Orten teuer, die sowohl etwas weiter vom Meer entfernt als auch etwas höher gelegen sind, wie Riad und Harare. Im Gegensatz dazu sind die Transportkosten an anderen Orten wie Peking, Bangkok, Saragossa, Phoenix und natürlich in Küstenstädten wie Tripolis viel geringer." Nach der Entsalzung in Jubail, Saudi-Arabien, wird das Wasser 320 km ins Landesinnere nach Riad gepumpt. Für Küstenstädte wird die Entsalzung zunehmend als wettbewerbsfähige Lösung angesehen. ⓘ
Nicht jeder ist davon überzeugt, dass die Entsalzung in absehbarer Zeit wirtschaftlich tragfähig oder ökologisch nachhaltig ist oder sein wird. Debbie Cook schrieb 2011, dass Entsalzungsanlagen energieintensiv und kostspielig sein können. Daher sollten sich wasserarme Regionen besser auf die Erhaltung oder andere Lösungen zur Wasserversorgung konzentrieren, als in Entsalzungsanlagen zu investieren. ⓘ
Entsalzung bietet eine Methode zur Herstellung von Dünger aus Salz, das im Entsalzungsprozess entfernt wird ⓘ
Technologien
Entsalzung ist ein künstlicher Prozess, bei dem Salzwasser (im Allgemeinen Meerwasser) in Süßwasser umgewandelt wird. Die gängigsten Entsalzungsverfahren sind Destillation und Umkehrosmose. ⓘ
Es gibt mehrere Methoden. Jede hat Vor- und Nachteile, aber alle sind nützlich. Die Methoden lassen sich in membranbasierte (z. B. Umkehrosmose) und thermische (z. B. mehrstufige Flash-Destillation) Verfahren unterteilen. Das traditionelle Verfahren der Entsalzung ist die Destillation, d. h. das Sieden und Wiederkondensieren von Meerwasser, wobei Salz und Verunreinigungen zurückbleiben. ⓘ
Derzeit gibt es weltweit zwei Technologien mit größerer Entsalzungskapazität, die mehrstufige Flash-Destillation und die Umkehrosmose. ⓘ
Destillation
Solare Destillation
Die solare Destillation ahmt den natürlichen Wasserkreislauf nach, bei dem die Sonne das Meerwasser so stark erwärmt, dass es verdunstet. Nach der Verdunstung kondensiert der Wasserdampf auf einer kühlen Oberfläche. Es gibt zwei Arten der solaren Entsalzung. Bei der ersten Art wird die Sonnenenergie mit Hilfe von Photovoltaikzellen in elektrische Energie umgewandelt, um die Entsalzung zu betreiben. Bei der zweiten Art wird die Sonnenenergie in Wärme umgewandelt, was als solarthermisch betriebene Entsalzung bezeichnet wird. ⓘ
Natürliche Verdunstung
Neben der Sonneneinstrahlung kann Wasser auch durch verschiedene andere physikalische Effekte verdunsten. Diese Effekte wurden in eine multidisziplinäre Entsalzungsmethodik im IBTS-Gewächshaus einbezogen. Das IBTS ist ein industrielles Entsalzungs(kraft)werk auf der einen Seite und ein Gewächshaus, das mit dem natürlichen Wasserkreislauf (im Maßstab 1:10) arbeitet, auf der anderen Seite. Die verschiedenen Verdunstungs- und Kondensationsprozesse sind in Low-Tech-Anlagen untergebracht, die teilweise unterirdisch liegen und die architektonische Form des Gebäudes selbst bilden. Dieses integrierte biotektonische System eignet sich am besten für eine groß angelegte Wüstenbegrünung, da es eine Grundfläche von 2 km2 für die Wasserdestillation und dieselbe für die Landschaftsumgestaltung bei der Wüstenbegrünung bzw. die Wiederherstellung des natürlichen Süßwasserkreislaufs hat. ⓘ
| Wasserentsalzung
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| Verfahren |
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Vakuum-Destillation
Bei der Vakuumdestillation wird der atmosphärische Druck verringert, wodurch die zum Verdampfen des Wassers erforderliche Temperatur sinkt. Flüssigkeiten sieden, wenn der Dampfdruck gleich dem Umgebungsdruck ist und der Dampfdruck mit der Temperatur steigt. Tatsächlich sieden Flüssigkeiten bei einer niedrigeren Temperatur, wenn der Umgebungsdruck geringer ist als der übliche atmosphärische Druck. Aufgrund des geringeren Drucks kann also Niedertemperatur-"Abwärme" aus der Stromerzeugung oder aus industriellen Prozessen genutzt werden. ⓘ
Mehrstufige Flash-Destillation
Wasser wird durch mehrstufige Flash-Destillation, d. h. eine Reihe von Flash-Verdampfungen, verdampft und vom Meerwasser getrennt. Jeder nachfolgende Flash-Prozess nutzt die Energie, die bei der Kondensation des Wasserdampfs aus dem vorherigen Schritt freigesetzt wird. ⓘ
Mehrfacheffekt-Destillation
Die Mehrfacheffekt-Destillation (MED) arbeitet mit einer Reihe von Schritten, die als "Effekte" bezeichnet werden. Eingehendes Wasser wird auf Rohre gesprüht, die dann erhitzt werden, um Dampf zu erzeugen. Der Dampf wird dann verwendet, um die nächste Charge des einströmenden Meerwassers zu erhitzen. Um die Effizienz zu erhöhen, kann der Dampf zum Erhitzen des Meerwassers aus nahe gelegenen Kraftwerken entnommen werden. Obwohl diese Methode die thermodynamisch effizienteste unter den mit Wärme betriebenen Verfahren ist, gibt es einige Einschränkungen, wie z. B. eine maximale Temperatur und eine maximale Anzahl von Effekten. ⓘ
Dampf-Kompressions-Destillation
Bei der Brüdenkompressionsverdampfung wird der über der Flüssigkeit befindliche Dampf entweder mit einem mechanischen Kompressor oder mit einem Dampfstrahl komprimiert. Der komprimierte Dampf wird dann verwendet, um die für die Verdampfung des restlichen Meerwassers erforderliche Wärme zu erzeugen. Da dieses System nur Strom benötigt, ist es kostengünstiger, wenn es in kleinem Maßstab betrieben wird. ⓘ
Wellengetriebene Entsalzung
Wellenbetriebene Entsalzungsanlagen wandeln im Allgemeinen die mechanische Wellenbewegung direkt in hydraulische Energie für die Umkehrosmose um. Solche Systeme zielen darauf ab, die Effizienz zu maximieren und die Kosten zu senken, indem sie die Umwandlung in Strom vermeiden, den Überdruck über den osmotischen Druck hinaus minimieren und Innovationen bei den hydraulischen und wellengetriebenen Komponenten vornehmen. Ein solches Beispiel ist CETO, eine Wellenkrafttechnologie, die Meerwasser mit Hilfe von Unterwasserbojen entsalzt. Wellenkraftbetriebene Entsalzungsanlagen wurden 2013 auf Garden Island in Westaustralien und 2015 in Perth in Betrieb genommen. ⓘ
Membrandestillation
Bei dem Verfahren der Membrandestillation wird eine mikroporöse Membran eingesetzt, die nur Wasserdampf durchlässt, flüssiges Wasser jedoch zurückhält. Auf der einen Seite der Membran befindet sich warmes Salzwasser und auf der anderen Seite eine kältere Fläche. Durch den Gegenstrombetrieb der Anlage wird erreicht, dass auf ganzer Länge der Membran eine Temperaturdifferenz besteht. Die dadurch entstehende Differenz des Wasserdampfpartialdruckes bewirkt, dass Wassermoleküle von der warmen auf die kalte Seite der Membran gelangen. ⓘ
Osmose
Umkehrosmose
Das führende Verfahren zur Entsalzung in Bezug auf die installierte Kapazität und das jährliche Wachstum ist die Umkehrosmose (RO). Bei der Umkehrosmose werden halbdurchlässige Membranen und ein Druck (auf der Zufuhrseite der Membran) eingesetzt, um die Permeation von Wasser durch die Membran zu fördern und Salze zurückzuhalten. Umkehrosmose-Membransysteme verbrauchen in der Regel weniger Energie als thermische Entsalzungsprozesse. Die Energiekosten für Entsalzungsprozesse sind je nach Salzgehalt des Wassers, Größe der Anlage und Art des Prozesses sehr unterschiedlich. Gegenwärtig sind die Kosten für die Meerwasserentsalzung beispielsweise höher als bei herkömmlichen Wasserquellen, aber es ist zu erwarten, dass die Kosten mit technologischen Verbesserungen weiter sinken werden, wozu unter anderem ein höherer Wirkungsgrad, eine Verringerung des Platzbedarfs der Anlagen, Verbesserungen beim Betrieb und bei der Optimierung der Anlagen, eine effektivere Vorbehandlung der Beschickung und kostengünstigere Energiequellen gehören. ⓘ
Bei der Umkehrosmose wird eine Dünnschicht-Verbundmembran verwendet, die aus einer ultradünnen, aromatischen Polyamid-Dünnschicht besteht. Dieser Polyamidfilm verleiht der Membran ihre Transporteigenschaften, während der Rest der Dünnschicht-Verbundmembran für die mechanische Unterstützung sorgt. Der Polyamidfilm ist ein dichtes, lückenloses Polymer mit einer großen Oberfläche, was seine hohe Wasserdurchlässigkeit ermöglicht. Eine kürzlich durchgeführte Studie hat ergeben, dass die Wasserdurchlässigkeit in erster Linie von der internen nanoskaligen Massenverteilung der aktiven Polyamidschicht bestimmt wird. ⓘ
Der Umkehrosmoseprozess ist nicht wartungsfrei. Verschiedene Faktoren beeinträchtigen die Effizienz: ionische Verunreinigungen (Kalzium, Magnesium usw.), gelöster organischer Kohlenstoff (DOC), Bakterien, Viren, Kolloide und unlösliche Partikel, Biofouling und Ablagerungen. In extremen Fällen werden die RO-Membranen zerstört. Um den Schaden zu mindern, werden verschiedene Vorbehandlungsstufen eingesetzt. Zu den Anti-Kalk-Inhibitoren gehören Säuren und andere Mittel wie die organischen Polymere Polyacrylamid und Polymaleinsäure, Phosphonate und Polyphosphate. Inhibitoren für Fouling sind Biozide (als Oxidationsmittel gegen Bakterien und Viren) wie Chlor, Ozon, Natrium- oder Calciumhypochlorit. In regelmäßigen Abständen, je nach Verschmutzung der Membranen, schwankenden Meerwasserbedingungen oder aufgrund von Überwachungsprozessen, müssen die Membranen gereinigt werden, was als Not- oder Stoßspülung bezeichnet wird. Die Spülung erfolgt mit Inhibitoren in einer Frischwasserlösung und die Anlage muss vom Netz gehen. Dieses Verfahren ist ökologisch riskant, da das verunreinigte Wasser ohne Behandlung in den Ozean abgeleitet wird. Empfindliche marine Lebensräume können irreversibel geschädigt werden. ⓘ
Netzunabhängige, solarbetriebene Entsalzungsanlagen nutzen die Sonnenenergie, um einen Puffertank auf einem Hügel mit Meerwasser zu füllen. Der Umkehrosmoseprozess wird in den sonnenfreien Stunden durch Schwerkraft mit unter Druck stehendem Meerwasser gespeist, was zu einer nachhaltigen Trinkwasserproduktion ohne fossile Brennstoffe, Stromnetz oder Batterien führt. Für dieselbe Funktion werden auch Nanoröhrchen verwendet (d. h. Umkehrosmose). ⓘ
Vorwärts-Osmose
Bei der Vorwärtsosmose wird eine semipermeable Membran verwendet, um Wasser von gelösten Stoffen zu trennen. Die treibende Kraft für diese Trennung ist ein osmotisches Druckgefälle, so dass eine Lösung mit hoher Konzentration "gezogen" wird. ⓘ
Gefrier-Auftau
Bei der Gefrierentsalzung (oder Gefrierentsalzung) wird Süßwasser durch Gefrieren von Salzwasser getrennt. Das Salzwasser wird während des Gefrierens in ein Becken gespritzt, in dem sich ein Eisberg bildet. Wenn sich die jahreszeitlichen Bedingungen erwärmen, wird natürlich entsalztes Schmelzwasser zurückgewonnen. Diese Technik beruht auf längeren Perioden mit natürlichen Minusgraden. ⓘ
Bei einer anderen, nicht wetterabhängigen Gefrier-Auftau-Methode, die von Alexander Zarchin erfunden wurde, wird Meerwasser in einem Vakuum gefroren. Unter Vakuumbedingungen wird das entsalzte Eis geschmolzen und zur Sammlung umgeleitet, und das Salz wird aufgefangen. ⓘ
Elektrodialyse-Membran
Bei der Elektrodialyse wird das elektrische Potenzial genutzt, um die Salze durch Paare geladener Membranen zu bewegen, die das Salz in abwechselnden Kanälen auffangen. Es gibt verschiedene Varianten der Elektrodialyse, z. B. die herkömmliche Elektrodialyse und die umgekehrte Elektrodialyse. ⓘ
Mikrobielle Entsalzung
Mikrobielle Entsalzungszellen sind biologische elektrochemische Systeme, bei denen elektroaktive Bakterien eingesetzt werden, um die Entsalzung von Wasser an Ort und Stelle voranzutreiben, wobei das natürliche Anoden- und Kathodengefälle der elektroaktiven Bakterien genutzt wird und somit ein interner Superkondensator entsteht. ⓘ
Konstruktive Aspekte
Energieverbrauch
Der Energieverbrauch des Entsalzungsprozesses hängt vom Salzgehalt des Wassers ab. Die Entsalzung von Brackwasser erfordert weniger Energie als die Entsalzung von Meerwasser. Der Energieverbrauch der Meerwasserentsalzung liegt bei bis zu 3 kWh/m³, einschließlich Vorfilterung und Nebenanlagen, was dem Energieverbrauch anderer Süßwasserversorgungen entspricht, die über große Entfernungen transportiert werden, aber viel höher ist als die lokale Süßwasserversorgung, die 0,2 kWh/m³ oder weniger verbraucht. ⓘ
Für die Meerwasserentsalzung wurde ein Mindestenergieverbrauch von etwa 1 kWh/m3 ermittelt, wobei die Vorfilterung und das Pumpen von Zulauf und Ablauf nicht berücksichtigt wurden. Mit der Umkehrosmose-Membrantechnologie wurden weniger als 2 kWh/m3 erreicht, so dass der Spielraum für weitere Energieeinsparungen begrenzt ist, da der Energieverbrauch der Umkehrosmose in den 1970er Jahren bei 16 kWh/m3 lag. ⓘ
Würde das gesamte Haushaltswasser in den USA durch Entsalzung gewonnen, würde der Energieverbrauch in den Haushalten um etwa 10 % steigen, was in etwa der Energiemenge entspricht, die für Haushaltskühlschränke benötigt wird. Der häusliche Verbrauch ist ein relativ kleiner Teil des gesamten Wasserverbrauchs. ⓘ
| Entsalzung Methode ⇨ | Mehrstufig Flash MSF |
Multi-Effekt Destillation MED |
Mechanische Verdampfung Verdichtung MVC |
Umgekehrt Osmose RO |
|---|---|---|---|---|
| Energie ⇩ | ||||
| Elektrische Energie | 4–6 | 1.5–2.5 | 7–12 | 3–5.5 |
| Thermische Energie | 50–110 | 60–110 | keine | keine |
| Elektrisches Äquivalent der thermischen Energie | 9.5–19.5 | 5–8.5 | keine | keine |
| Gesamte äquivalente elektrische Energie | 13.5–25.5 | 6.5–11 | 7–12 | 3–5.5 |
Hinweis: "Elektrisches Äquivalent" bezieht sich auf die Menge an elektrischer Energie, die mit einer bestimmten Menge an thermischer Energie und einem entsprechenden Turbinengenerator erzeugt werden könnte. Diese Berechnungen beinhalten nicht die Energie, die für den Bau oder die Renovierung der in diesem Prozess verbrauchten Gegenstände erforderlich ist. ⓘ
Angesichts des energieintensiven Charakters der Entsalzung und der damit verbundenen wirtschaftlichen und ökologischen Kosten wird die Entsalzung im Allgemeinen als letzter Ausweg nach der Wassereinsparung betrachtet. Dies ändert sich jedoch, da die Preise weiter sinken. ⓘ
Kraft-Wärme-Kopplung
Bei der Kraft-Wärme-Kopplung werden überschüssige Wärme und Strom in einem einzigen Prozess erzeugt. Die Kraft-Wärme-Kopplung kann nutzbare Wärme für die Entsalzung in einer integrierten Anlage liefern, in der ein Kraftwerk die Energie für die Entsalzung bereitstellt. Alternativ kann die Energieerzeugung der Anlage für die Produktion von Trinkwasser verwendet werden (eine eigenständige Anlage), oder es kann überschüssige Energie erzeugt und in das Energienetz eingespeist werden. Die Kraft-Wärme-Kopplung kann verschiedene Formen annehmen, und theoretisch könnte jede Form der Energieerzeugung genutzt werden. Die meisten der derzeitigen und geplanten KWK-Entsalzungsanlagen nutzen jedoch entweder fossile Brennstoffe oder Kernkraft als Energiequelle. Die meisten Anlagen befinden sich im Nahen Osten oder in Nordafrika, die ihre Erdölressourcen nutzen, um die begrenzten Wasserressourcen auszugleichen. Der Vorteil von Anlagen mit doppeltem Verwendungszweck besteht darin, dass sie einen effizienteren Energieverbrauch aufweisen und damit die Entsalzung wirtschaftlicher machen. ⓘ
Der aktuelle Trend bei Doppelzweckanlagen sind Hybridkonfigurationen, bei denen das Permeat aus der Umkehrosmose-Entsalzung mit Destillat aus der thermischen Entsalzung gemischt wird. Im Grunde werden zwei oder mehr Entsalzungsprozesse mit der Stromerzeugung kombiniert. Derartige Anlagen wurden in Saudi-Arabien in Jeddah und Yanbu errichtet. ⓘ
Ein typischer Superträger des US-Militärs ist in der Lage, mit Hilfe von Kernkraft täglich 1.500.000 l Wasser zu entsalzen. ⓘ
Alternativen zur Entsalzung
Erhöhte Wassereinsparung und Effizienz bleiben die kosteneffektivsten Ansätze in Gebieten mit einem großen Potenzial zur Verbesserung der Effizienz der Wassernutzungspraktiken. Die Rückgewinnung von Abwasser bietet zahlreiche Vorteile gegenüber der Entsalzung von Salzwasser, obwohl dabei in der Regel Entsalzungsmembranen verwendet werden. Städtische Abflüsse und das Auffangen von Regenwasser bieten ebenfalls Vorteile bei der Behandlung, Wiederherstellung und Auffüllung des Grundwassers. ⓘ
Eine vorgeschlagene Alternative zur Entsalzung im amerikanischen Südwesten ist die kommerzielle Einfuhr von Wasser in großen Mengen aus wasserreichen Gebieten, entweder durch zu Wasserträgern umgebaute Öltanker oder durch Pipelines. Diese Idee ist in Kanada politisch unpopulär, da die Regierung dort aufgrund einer Forderung im Rahmen des Nordamerikanischen Freihandelsabkommens (NAFTA) Handelsbarrieren für die Ausfuhr von Wasser in großen Mengen eingeführt hat. ⓘ
Das kalifornische Ministerium für Wasserressourcen und das California State Water Resources Control Board haben der Legislative des Bundesstaates einen Bericht vorgelegt, in dem empfohlen wird, dass städtische Wasserversorger bis 2023 einen Standard für die Wassernutzung in Innenräumen von 55 Gallonen pro Kopf und Tag erreichen, der bis 2025 auf 47 Gallonen pro Tag und bis 2030 und darüber hinaus auf 42 Gallonen pro Tag sinkt. ⓘ
Kosten
Zu den Faktoren, die die Kosten für die Entsalzung bestimmen, gehören Kapazität und Art der Anlage, Standort, Speisewasser, Arbeit, Energie, Finanzierung und Konzentratentsorgung. Die Kosten für die Entsalzung von Meerwasser (Infrastruktur, Energie und Wartung) sind in der Regel höher als die Kosten für Frischwasser aus Flüssen oder Grundwasser, Wasserrecycling und Wassereinsparung, aber es gibt nicht immer Alternativen. Die Kosten für die Entsalzung lagen 2013 zwischen 0,45 und 1,00 US-Dollar/m3. Mehr als die Hälfte der Kosten entfällt direkt auf die Energiekosten, und da die Energiepreise sehr unbeständig sind, können die tatsächlichen Kosten erheblich schwanken. ⓘ
Die Kosten für unbehandeltes Süßwasser können in den Entwicklungsländern bis zu 5 US-Dollar pro Kubikmeter betragen. ⓘ
| Verfahren | Kosten (USD/Liter) ⓘ |
|---|---|
| Passive Solaranlage (30,42 % Energieeffizienz) | 0.034 |
| Passive Solarenergie (verbessertes einfaches Gefälle, Indien) | 0.024 |
| Passive Solaranlage (verbessertes Doppelgefälle, Indien) | 0.007 |
| Mehrstufen-Flash (MSF) | < 0.001 |
| Umkehrosmose (Konzentrierte Solarenergie) | 0.0008 |
| Umkehrosmose (Photovoltaische Energie) | 0.000825 |
| Gebiet | Verbrauch Liter/Person/Tag |
Kosten für entsalztes Wasser US$/Person/Tag |
|---|---|---|
| US | 378 | 0.38 |
| Europa | 189 | 0.19 |
| Afrika | 57 | 0.06 |
| Von der UN empfohlenes Minimum | 49 | 0.05 |
Entsalzungsanlagen steuern Druck, Temperatur und Solekonzentration, um die Effizienz zu optimieren. Kernkraftbetriebene Entsalzungsanlagen könnten in großem Maßstab wirtschaftlich sein. ⓘ
Im Jahr 2014 entsalzten die israelischen Anlagen in Hadera, Palmahim, Ashkelon und Sorek Wasser für weniger als 0,40 US-Dollar pro Kubikmeter. Im Jahr 2006 wurde in Singapur Wasser für 0,49 US-Dollar pro Kubikmeter entsalzt. ⓘ
Umweltbelange
Zulauf
In den Vereinigten Staaten werden Kühlwassereinlaufbauwerke von der Environmental Protection Agency (EPA) reguliert. Diese Bauwerke können die gleichen Auswirkungen auf die Umwelt haben wie die Zuläufe von Entsalzungsanlagen. Nach Angaben der EPA verursachen Wassereinlaufbauwerke negative Umweltauswirkungen, indem sie Fische und Schalentiere oder deren Eier in ein industrielles System saugen. Dort können die Organismen durch Hitze, physischen Stress oder Chemikalien getötet oder verletzt werden. Größere Organismen können getötet oder verletzt werden, wenn sie sich an den Sieben an der Vorderseite eines Einlaufbauwerks verfangen. Zu den alternativen Entnahmearten, die diese Auswirkungen abmildern, gehören Strandbrunnen, die jedoch mehr Energie und höhere Kosten erfordern. ⓘ
Die Entsalzungsanlage Kwinana wurde 2007 in Perth eröffnet. Dort und in der Entsalzungsanlage Gold Coast in Queensland sowie in der Entsalzungsanlage Kurnell in Sydney wird das Wasser mit einer Geschwindigkeit von 0,1 m/s entnommen, was langsam genug ist, um Fische entkommen zu lassen. Die Anlage liefert fast 140.000 m3 (4.900.000 cu ft) sauberes Wasser pro Tag. ⓘ
Ausfluss
Bei Entsalzungsprozessen fallen große Mengen an Salzsole an, die möglicherweise eine höhere Temperatur als die Umgebungstemperatur hat und Rückstände von Vorbehandlungs- und Reinigungschemikalien, deren Reaktionsnebenprodukte und Schwermetalle aufgrund von Korrosion (vor allem in thermisch betriebenen Anlagen) enthält. Chemische Vorbehandlung und Reinigung sind in den meisten Entsalzungsanlagen erforderlich, was in der Regel die Verhinderung von Biofouling, Kesselsteinbildung, Schaumbildung und Korrosion in thermischen Anlagen und von Biofouling, Schwebstoffen und Kesselsteinablagerungen in Membrananlagen umfasst. ⓘ
Um die Umweltauswirkungen der Rückführung der Sole in den Ozean zu begrenzen, kann sie mit einem anderen Wasserstrom verdünnt werden, der in den Ozean gelangt, z. B. mit dem Auslass eines Klärwerks oder Kraftwerks. Bei mittleren bis großen Kraftwerken und Entsalzungsanlagen ist der Kühlwasserstrom des Kraftwerks wahrscheinlich um ein Vielfaches größer als der der Entsalzungsanlage, was den Salzgehalt der Kombination verringert. Eine andere Methode zur Verdünnung der Sole besteht darin, sie über einen Diffusor in einer Mischzone zu mischen. Sobald eine Pipeline mit der Sole den Meeresboden erreicht, kann sie sich beispielsweise in viele Abzweigungen aufteilen, die die Sole nach und nach durch kleine Löcher entlang ihrer Länge freigeben. Die Durchmischung kann mit der Verdünnung in Kraftwerken oder Kläranlagen kombiniert werden. Darüber hinaus können Zero-Liquid-Discharge-Systeme eingesetzt werden, um die Sole vor der Entsorgung zu behandeln. ⓘ
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Entsalzungsanlage beweglich zu machen, um zu vermeiden, dass sich die Sole an einem einzigen Ort ansammelt (da sie von der Entsalzungsanlage ständig produziert wird). Einige solcher beweglichen (mit Schiffen verbundenen) Entsalzungsanlagen wurden bereits gebaut. ⓘ
Sole ist dichter als Meerwasser und sinkt daher auf den Meeresboden und kann das Ökosystem schädigen. Es hat sich gezeigt, dass Solefahnen im Laufe der Zeit bis zu einer verdünnten Konzentration abnehmen, die nur noch geringe oder gar keine Auswirkungen auf die Umgebung hat. Studien haben jedoch gezeigt, dass die Verdünnung aufgrund der Tiefe, in der sie auftrat, irreführend sein kann. Wenn die Verdünnung während der Sommersaison beobachtet wurde, besteht die Möglichkeit, dass es ein saisonales Thermokline-Ereignis gab, das ein Absinken der konzentrierten Sole auf den Meeresboden verhindert hat. Dies hätte das Potenzial, das Ökosystem des Meeresbodens nicht zu stören, sondern die darüber liegenden Gewässer. Es wurde beobachtet, dass sich die Sole aus den Entsalzungsanlagen mehrere Kilometer weit ausbreitet, was bedeutet, dass sie das Potenzial hat, Ökosysteme weit entfernt von den Anlagen zu schädigen. Eine sorgfältige Wiederansiedlung mit geeigneten Maßnahmen und Umweltstudien kann dieses Problem minimieren. ⓘ
Andere Probleme
Aufgrund der Art des Prozesses müssen die Anlagen auf einer Fläche von etwa 25 Hektar an oder in der Nähe der Küste errichtet werden. Bei einer im Landesinneren errichteten Anlage müssen Rohre in den Boden verlegt werden, um einen einfachen Zu- und Abfluss zu ermöglichen. Sobald die Rohre jedoch im Boden verlegt sind, besteht die Möglichkeit, dass sie in nahe gelegene Grundwasserleiter austreten und diese verseuchen. Abgesehen von den Umweltrisiken kann der Lärm, den bestimmte Arten von Entsalzungsanlagen erzeugen, sehr laut sein. ⓘ
Gesundheitliche Aspekte
Jodmangel
Durch die Entsalzung wird dem Wasser Jod entzogen, was das Risiko von Jodmangelerkrankungen erhöhen könnte. Israelische Forscher behaupteten einen möglichen Zusammenhang zwischen Meerwasserentsalzung und Jodmangel. Sie stellten Jodmangel bei Erwachsenen fest, die jodarmem Wasser ausgesetzt waren, während gleichzeitig ein zunehmender Anteil des Trinkwassers in ihrem Gebiet aus Meerwasserumkehrosmose (SWRO) stammte. Später wurde festgestellt, dass in einer Bevölkerung, die auf entsalztes Meerwasser angewiesen ist, wahrscheinlich Jodmangelerkrankungen auftreten. Israelische Forscher vermuteten einen möglichen Zusammenhang zwischen der starken Nutzung von entsalztem Wasser und dem Jodmangel im Land. Sie stellten eine hohe Jodmangelbelastung in der israelischen Allgemeinbevölkerung fest: 62 % der Kinder im Schulalter und 85 % der schwangeren Frauen liegen unter dem von der WHO festgelegten Angemessenheitsbereich. Als mögliche Gründe für die geringe Jodzufuhr der Bevölkerung nannten sie die Abhängigkeit des Landes von jodarmem entsalztem Wasser, das Fehlen eines universellen Jodierungsprogramms für Salz und Berichte über den verstärkten Einsatz von Schilddrüsenmedikamenten in Israel. In dem Jahr, in dem die Erhebung durchgeführt wurde, machte die aus den Entsalzungsanlagen gewonnene Wassermenge etwa 50 % der für den gesamten Bedarf bereitgestellten Frischwassermenge und etwa 80 % des für den häuslichen und industriellen Bedarf in Israel bereitgestellten Wassers aus. ⓘ
Experimentelle Techniken
Andere Entsalzungstechniken sind: ⓘ
Abwärme
Thermisch betriebene Entsalzungstechnologien werden häufig für den Einsatz mit Niedertemperatur-Abwärmequellen vorgeschlagen, da die niedrigen Temperaturen nicht für die in vielen industriellen Prozessen benötigte Prozesswärme geeignet sind, aber ideal für die niedrigen Temperaturen, die für die Entsalzung benötigt werden. In der Tat kann eine solche Kombination mit Abwärme sogar den elektrischen Prozess verbessern: Dieselgeneratoren liefern häufig Strom in abgelegenen Gebieten. Etwa 40-50 % der erzeugten Energie ist minderwertige Wärme, die den Motor über den Auspuff verlässt. Durch den Anschluss einer thermischen Entsalzungstechnologie, z. B. einer Membrandestillationsanlage, an die Abgase des Dieselmotors wird diese minderwertige Wärme für die Entsalzung genutzt. Das System kühlt den Dieselgenerator aktiv, verbessert seinen Wirkungsgrad und erhöht seine Stromproduktion. Das Ergebnis ist eine energieneutrale Entsalzungslösung. Eine solche Anlage wurde im März 2014 von dem niederländischen Unternehmen Aquaver in Gulhi auf den Malediven in Betrieb genommen. ⓘ
Thermische Niedertemperaturen
Die thermische Niedertemperatur-Entsalzung (Low Temperature Thermal Desalination, LTTD) stammt ursprünglich aus der Forschung zur Umwandlung von thermischer Meeresenergie und nutzt den Vorteil, dass das Wasser bei niedrigem Druck und sogar bei Umgebungstemperatur kocht. Das System verwendet Pumpen, um eine Umgebung mit niedrigem Druck und niedriger Temperatur zu schaffen, in der das Wasser bei einem Temperaturgefälle von 8-10 °C (14-18 °F) zwischen zwei Wasservolumina siedet. Das kühle Meerwasser wird aus einer Tiefe von bis zu 600 m (2.000 ft) zugeführt. Dieses Wasser wird durch Spulen gepumpt, um den Wasserdampf zu kondensieren. Das dabei entstehende Kondensat ist gereinigtes Wasser. Das LTTD-Verfahren kann sich das Temperaturgefälle in Kraftwerken zunutze machen, wo große Mengen warmen Abwassers aus dem Kraftwerk abgeleitet werden, was den Energieaufwand für die Schaffung eines Temperaturgefälles verringert. ⓘ
In den USA und Japan wurden Experimente durchgeführt, um den Ansatz zu testen. In Japan wurde von der Universität Saga ein System zur Sprühverdampfung getestet. Auf Hawaii testete das National Energy Laboratory eine OTEC-Anlage mit offenem Kreislauf und Süßwasser, die bei einem Temperaturunterschied von 20 °C zwischen Oberflächenwasser und Wasser in einer Tiefe von etwa 500 m Strom erzeugt. LTTD wurde vom indischen National Institute of Ocean Technology (NIOT) im Jahr 2004 untersucht. Die erste LTTD-Anlage wurde 2005 in Kavaratti auf den Lakshadweep-Inseln eröffnet. Die Anlage hat eine Kapazität von 100.000 Litern pro Tag und kostete 50 Millionen INR (922.000 €). Die Anlage nutzt Tiefenwasser mit einer Temperatur von 10 bis 12 °C. Im Jahr 2007 eröffnete NIOT vor der Küste von Chennai eine schwimmende LTTD-Versuchsanlage mit einer Kapazität von 1.000.000 Litern (220.000 tlw.) pro Tag. Eine kleinere Anlage wurde 2009 im Wärmekraftwerk North Chennai errichtet, um die Anwendung von LTTD dort zu testen, wo Kühlwasser aus dem Kraftwerk zur Verfügung steht. ⓘ
Thermoionisches Verfahren
Im Oktober 2009 kündigte Saltworks Technologies ein Verfahren an, das Sonnen- oder andere thermische Wärme nutzt, um einen Ionenstrom anzutreiben, der mit Hilfe von Ionenaustauschermembranen alle Natrium- und Chlorionen aus dem Wasser entfernt. ⓘ
Verdunstung und Kondensation für Nutzpflanzen
Das Meerwassergewächshaus nutzt die natürlichen Verdunstungs- und Kondensationsprozesse in einem mit Solarenergie betriebenen Gewächshaus, um Pflanzen in trockenen Küstenregionen anzubauen. ⓘ
Andere Ansätze
Die Entsalzung durch Adsorption (AD) beruht auf den feuchtigkeitsabsorbierenden Eigenschaften bestimmter Materialien wie Kieselgel. ⓘ
Vorwärts-Osmose
Ein Verfahren wurde von Modern Water PLC unter Verwendung von Vorwärtsosmose kommerzialisiert, und es wird berichtet, dass eine Reihe von Anlagen in Betrieb sind. ⓘ
Entsalzung auf Hydrogelbasis
Die Idee der Methode besteht darin, dass das Hydrogel, wenn es mit einer wässrigen Salzlösung in Berührung kommt, aufquillt und eine Lösung mit einer anderen Ionenzusammensetzung als die ursprüngliche Lösung aufnimmt. Diese Lösung kann mit Hilfe eines Siebes oder einer Mikrofiltrationsmembran leicht aus dem Gel herausgepresst werden. Die Kompression des Gels in einem geschlossenen System führt zu einer Änderung der Salzkonzentration, während die Kompression in einem offenen System, während das Gel Ionen mit der Masse austauscht, zu einer Änderung der Anzahl der Ionen führt. Die Folge der Kompression und Quellung im offenen und geschlossenen System ist der umgekehrte Carnot-Zyklus einer Kühlmaschine. Der einzige Unterschied besteht darin, dass bei diesem Zyklus anstelle von Wärme Salzionen aus der Schüttung mit niedrigem Salzgehalt in eine Schüttung mit hohem Salzgehalt übertragen werden. Ähnlich wie der Carnot-Zyklus ist dieser Zyklus vollständig umkehrbar, so dass er im Prinzip mit einem idealen thermodynamischen Wirkungsgrad arbeiten kann. Da die Methode ohne osmotische Membranen auskommt, kann sie mit der Umkehrosmose konkurrieren. Außerdem ist das Verfahren im Gegensatz zur Umkehrosmose unempfindlich gegenüber der Qualität des Speisewassers und seinen jahreszeitlichen Schwankungen und ermöglicht die Herstellung von Wasser in jeder gewünschten Konzentration. ⓘ
Solaranlagen im kleinen Maßstab
Die Vereinigten Staaten, Frankreich und die Vereinigten Arabischen Emirate arbeiten an der Entwicklung einer praktischen solaren Entsalzung. Der WaterStillar von AquaDania wurde in Dahab, Ägypten, und in Playa del Carmen, Mexiko, installiert. Bei diesem Ansatz kann ein zwei Quadratmeter großer solarthermischer Kollektor 40 bis 60 Liter pro Tag aus einer beliebigen lokalen Wasserquelle destillieren - fünfmal mehr als herkömmliche Destillierapparate. Dabei werden keine PET-Plastikflaschen und kein energieaufwändiger Wassertransport mehr benötigt. In Zentral-Kalifornien entwickelt das Start-up-Unternehmen WaterFX eine solarbetriebene Entsalzungsmethode, die die Nutzung von lokalem Wasser ermöglicht, einschließlich Abflusswasser, das aufbereitet und wieder verwendet werden kann. Das salzhaltige Grundwasser in der Region könnte zu Süßwasser aufbereitet werden, und in Gebieten in Meeresnähe könnte Meerwasser aufbereitet werden. ⓘ
Passarell
Das Passarell-Verfahren nutzt den reduzierten atmosphärischen Druck anstelle von Wärme, um die Verdunstungsentsalzung voranzutreiben. Der durch die Destillation erzeugte reine Wasserdampf wird dann mit einem modernen Kompressor verdichtet und kondensiert. Der Verdichtungsprozess verbessert die Effizienz der Destillation, indem er den Unterdruck in der Verdunstungskammer erzeugt. Der Kompressor zentrifugiert den reinen Wasserdampf, nachdem er durch einen Demister (zur Entfernung von Restverunreinigungen) gezogen wurde, wodurch er gegen die Rohre in der Sammelkammer gedrückt wird. Durch die Kompression des Dampfes erhöht sich seine Temperatur. Die Wärme wird auf das in die Rohre fallende Eingangswasser übertragen, wodurch das Wasser in den Rohren verdampft. Der Wasserdampf kondensiert an der Außenseite der Rohre als Produktwasser. Durch die Kombination mehrerer physikalischer Prozesse ermöglicht das Passarell, dass der größte Teil der Energie des Systems durch die Prozesse Verdampfung, Entfeuchtung, Dampfkompression, Kondensation und Wasserbewegung wiederverwendet werden kann. ⓘ
Geothermie
Geothermische Energie kann die Entsalzung antreiben. An den meisten Standorten übertrifft die geothermische Entsalzung die Nutzung von knappem Grund- oder Oberflächenwasser in ökologischer und wirtschaftlicher Hinsicht. ⓘ
Nanotechnologie
Nanoröhrenmembranen mit höherer Durchlässigkeit als die derzeitige Generation von Membranen könnten zu einer Verringerung des Platzbedarfs von RO-Entsalzungsanlagen führen. Es wird auch vermutet, dass der Einsatz solcher Membranen zu einer Verringerung des Energiebedarfs für die Entsalzung führen wird. ⓘ
Es hat sich gezeigt, dass hermetische, sulfonierte Nanokompositmembranen in der Lage sind, verschiedene Verunreinigungen bis in den Bereich von Teilen pro Milliarde zu entfernen, und dass sie wenig oder gar nicht auf hohe Salzkonzentrationen ansprechen. ⓘ
Biomimesis
Biomimetische Membranen sind ein weiterer Ansatz. ⓘ
Elektrochemisch
Im Jahr 2008 kündigte Siemens Water Technologies eine Technologie an, die mit Hilfe elektrischer Felder einen Kubikmeter Wasser entsalzt und dabei angeblich nur 1,5 kWh Energie verbraucht. Wenn dies zutrifft, würde dieses Verfahren nur halb so viel Energie verbrauchen wie andere Verfahren. Im Jahr 2012 wurde in Singapur eine Demonstrationsanlage in Betrieb genommen. Forscher an der University of Texas in Austin und der Universität Marburg entwickeln effizientere Methoden der elektrochemisch vermittelten Meerwasserentsalzung. ⓘ
Elektrokinetische Schocks
Ein Verfahren, das elektrokinetische Schockwellen einsetzt, kann zur membranlosen Entsalzung bei Umgebungstemperatur und -druck eingesetzt werden. Bei diesem Verfahren werden Anionen und Kationen im Salzwasser durch elektrokinetische Stoßwellen gegen Karbonatanionen bzw. Kalziumkationen ausgetauscht. Kalzium- und Karbonat-Ionen reagieren zu Kalziumkarbonat, das ausfällt und Süßwasser hinterlässt. Die theoretische Energieeffizienz dieser Methode liegt auf dem Niveau der Elektrodialyse und der Umkehrosmose. ⓘ
Temperaturwechsel-Lösungsmittelextraktion
Bei der Temperaturwechsel-Lösungsmittelextraktion (TSSE) wird ein Lösungsmittel anstelle einer Membran oder hoher Temperaturen verwendet. ⓘ
Die Lösungsmittelextraktion ist eine gängige Technik in der Chemietechnik. Sie kann durch schwache Wärme (weniger als 70 °C) aktiviert werden, so dass keine aktive Heizung erforderlich ist. In einer Studie wurden durch TSSE bis zu 98,4 Prozent des Salzes aus der Sole entfernt. Dem Salzwasser wird ein Lösungsmittel zugesetzt, dessen Löslichkeit von der Temperatur abhängt. Bei Raumtemperatur zieht das Lösungsmittel die Wassermoleküle vom Salz weg. Das wasserhaltige Lösungsmittel wird dann erhitzt, wodurch das Lösungsmittel das nun salzfreie Wasser freigibt. ⓘ
Auf diese Weise kann extrem salzhaltige Sole entsalzt werden, die bis zu siebenmal so salzig ist wie der Ozean. Zum Vergleich: Die derzeitigen Verfahren können nur doppelt so salzhaltige Sole verarbeiten. ⓘ
Entsalzungsanlagen
Nach Angaben von Trade Arabia produziert Saudi-Arabien bis Ende 2021 täglich 7,9 Millionen Kubikmeter entsalztes Wasser, was 22 % der weltweiten Gesamtmenge entspricht. ⓘ
- Perth hat 2006 eine Umkehrosmose-Anlage zur Meerwasserentsalzung in Betrieb genommen. Die Entsalzungsanlage in Perth wird teilweise mit erneuerbarer Energie aus dem Windpark Emu Downs betrieben.
- Eine Entsalzungsanlage ist jetzt in Sydney in Betrieb, und die Wonthaggi-Entsalzungsanlage in Wonthaggi, Victoria, war im Bau. Ein Windpark in Bungendore in New South Wales wurde eigens errichtet, um genügend erneuerbare Energie zu erzeugen, um den Energieverbrauch der Anlage in Sydney auszugleichen und so die Bedenken hinsichtlich schädlicher Treibhausgasemissionen zu zerstreuen.
- In einem Artikel des Wall Street Journal vom 17. Januar 2008 hieß es: "Im November erhielt die in Connecticut ansässige Poseidon Resources Corp. eine wichtige behördliche Genehmigung für den Bau der 300 Millionen Dollar teuren Wasserentsalzungsanlage in Carlsbad, nördlich von San Diego. Die Anlage würde 190.000 Kubikmeter Trinkwasser pro Tag produzieren, genug, um etwa 100.000 Haushalte zu versorgen. Im Juni 2012 waren die Kosten für das entsalzte Wasser auf 2.329 $ pro acre-foot gestiegen. Je 1.000 Dollar pro acre-foot entsprechen 3,06 Dollar für 1.000 Gallonen oder 0,81 Dollar pro Kubikmeter.
Da neue technologische Innovationen die Kapitalkosten für die Entsalzung immer weiter senken, bauen immer mehr Länder Entsalzungsanlagen als kleinen Beitrag zur Bewältigung ihrer Wasserknappheitsprobleme. ⓘ
- Israel entsalzt Wasser zu einem Preis von 53 Cent pro Kubikmeter.
- Singapur entsalzt Wasser für 49 Cent pro Kubikmeter und bereitet auch Abwasser mit Umkehrosmose für die industrielle Nutzung und für Trinkwasser auf (NEWater).
- China und Indien, die beiden bevölkerungsreichsten Länder der Welt, setzen auf Entsalzung, um einen kleinen Teil ihres Wasserbedarfs zu decken
- 2007 kündigte Pakistan Pläne zur Nutzung von Entsalzungsanlagen an.
- Alle australischen Hauptstädte (mit Ausnahme von Canberra, Darwin, Northern Territory und Hobart) sind entweder im Begriff, Entsalzungsanlagen zu bauen, oder nutzen sie bereits. Ende 2011 wird Melbourne die größte Entsalzungsanlage Australiens, die Wonthaggi-Entsalzungsanlage, in Betrieb nehmen, um den niedrigen Pegel der Wasserreservoirs anzuheben.
- 2007 unterzeichnete Bermuda einen Vertrag über den Kauf einer Entsalzungsanlage
- Die größte Entsalzungsanlage in den Vereinigten Staaten ist die Anlage in Tampa Bay, Florida, die im Dezember 2007 mit der Entsalzung von 95000 m³ Wasser pro Tag begonnen hat. In den Vereinigten Staaten liegen die Kosten für die Entsalzung bei 3,06 $ für 1.000 Gallonen oder 81 Cents pro Kubikmeter. In den Vereinigten Staaten nutzen Kalifornien, Arizona, Texas und Florida die Entsalzung für einen sehr kleinen Teil ihrer Wasserversorgung.
- Nach der Entsalzung in Jubail, Saudi-Arabien, wird das Wasser über eine 320 km lange Pipeline ins Landesinnere in die Hauptstadt Riad gepumpt. ⓘ
Nach Angaben der International Desalination Association (2008) produzieren 13.080 Entsalzungsanlagen weltweit mehr als 12 Milliarden Liter Wasser pro Tag. Eine Schätzung aus dem Jahr 2009 ergab, dass sich die weltweite Versorgung mit entsalztem Wasser zwischen 2008 und 2020 verdreifachen wird. ⓘ
Die größte Entsalzungsanlage der Welt ist die Jebel Ali Desalination Plant (Phase 2) in den Vereinigten Arabischen Emiraten. Es handelt sich um eine Anlage mit doppeltem Verwendungszweck, die eine mehrstufige Flash-Destillation verwendet und 300 Millionen Kubikmeter Wasser pro Jahr produzieren kann. ⓘ
Ein typischer Flugzeugträger des US-Militärs nutzt die Kernenergie, um 400.000 US-Gallonen (1.500.000 Liter) Wasser pro Tag zu entsalzen. ⓘ
In der Natur
Die Verdunstung von Wasser über den Ozeanen im Wasserkreislauf ist ein natürlicher Entsalzungsprozess. ⓘ
Bei der Bildung von Meereis entsteht Eis mit wenig Salz, viel weniger als im Meerwasser. ⓘ
Seevögel destillieren Meerwasser im Gegenstromverfahren in einer Drüse mit einer Rete mirabile. Die Drüse sondert hochkonzentrierte Sole ab, die in der Nähe der Nasenlöcher oberhalb des Schnabels gespeichert wird. Der Vogel "niest" dann die Sole aus. Da es in ihrer Umgebung normalerweise kein Süßwasser gibt, besitzen einige Seevögel wie Pelikane, Sturmvögel, Albatrosse, Möwen und Seeschwalben diese Drüse, die es ihnen ermöglicht, das salzige Wasser ihrer Umgebung zu trinken, während sie sich weit vom Land entfernt befinden. ⓘ
Mangrovenbäume wachsen im Meerwasser; sie scheiden Salz aus, indem sie es in Teilen der Wurzel einschließen, die dann von Tieren (meist Krabben) gefressen werden. Zusätzliches Salz wird entfernt, indem es in abfallenden Blättern gespeichert wird. Einige Mangrovenarten haben Drüsen auf ihren Blättern, die ähnlich funktionieren wie die Entsalzungsdrüsen der Seevögel. Das Salz wird in Form von kleinen Kristallen an der Blattaußenseite abgelagert, die dann vom Blatt abfallen. ⓘ
Weiden und Schilf absorbieren Salz und andere Verunreinigungen und entsalzen so effektiv das Wasser. Dies wird in künstlich angelegten Feuchtgebieten zur Behandlung von Abwässern genutzt. ⓘ
Geschichte
Die Entsalzung ist in der Geschichte seit Jahrtausenden als Konzept und später als Praxis bekannt, wenn auch in begrenzter Form. Der antike griechische Philosoph Aristoteles stellte in seinem Werk Meteorologie fest, dass "Salzwasser, wenn es sich in Dampf verwandelt, süß wird und der Dampf kein Salzwasser mehr bildet, wenn er kondensiert", und bemerkte auch, dass ein feines Wachsgefäß Trinkwasser enthielt, nachdem es lange genug in Meerwasser getaucht worden war, da es als Membran zum Filtern des Salzes diente. Es gibt zahlreiche weitere Beispiele für Experimente zur Entsalzung in der Antike und im Mittelalter, aber die Entsalzung war bis zur Neuzeit nie in großem Maßstab durchführbar. Ein gutes Beispiel dafür sind die Beobachtungen von Leonardo da Vinci (Florenz, 1452), der erkannte, dass destilliertes Wasser in großen Mengen billig hergestellt werden konnte, indem er einen Destillierapparat an einen Kochherd anpasste. Während des Mittelalters wurde in anderen Teilen Mitteleuropas weiter an der Verbesserung der Destillation gearbeitet, wenn auch nicht unbedingt mit dem Ziel der Entsalzung. ⓘ
Es ist jedoch möglich, dass die erste größere Entsalzungsanlage an Land im Jahr 1560 auf einer Insel vor der tunesischen Küste in einer Notsituation errichtet wurde. Es wird vermutet, dass eine Garnison von 700 spanischen Soldaten von einer großen Zahl von Türken belagert wurde und dass der verantwortliche Kapitän während der Belagerung einen Destillierapparat herstellte, der in der Lage war, 40 Fässer Süßwasser pro Tag zu produzieren, obwohl keine Einzelheiten über das Gerät bekannt sind. ⓘ
Vor der industriellen Revolution war die Entsalzung in erster Linie für Hochseeschiffe von Bedeutung, die ansonsten Frischwasservorräte an Bord vorhalten mussten. Sir Richard Hawkins (1562-1622), der ausgedehnte Reisen in die Südsee unternahm, berichtete bei seiner Rückkehr, dass er seine Männer durch Destillation an Bord mit Frischwasser versorgen konnte. Darüber hinaus veröffentlichten Anfang des 16. Jahrhunderts mehrere prominente Persönlichkeiten der damaligen Zeit wie Francis Bacon oder Walter Raleigh Berichte über die Entsalzung von Wasser. Diese und andere Berichte bildeten die Grundlage für den ersten Patentstreit über Entsalzungsgeräte. Die beiden ersten Patente zur Wasserentsalzung stammen aus den Jahren 1675 und 1683 (Patente Nr. 184 und Nr. 226, veröffentlicht von William Walcot bzw. Robert Fitzgerald (und anderen)). Dennoch wurde keine der beiden Erfindungen wirklich in Betrieb genommen, da es technische Probleme bei der Vergrößerung gab. In den 150 Jahren von Mitte des 16. Jahrhunderts bis 1800 wurden keine nennenswerten Verbesserungen am grundlegenden Verfahren der Seewasserdestillation vorgenommen. ⓘ
Als die Fregatte Protector in den 1780er Jahren an Dänemark verkauft wurde (als das Schiff Hussaren), wurde die Entsalzungsanlage eingehend untersucht und aufgezeichnet. In den neu gegründeten Vereinigten Staaten katalogisierte Thomas Jefferson die auf Wärme basierenden Methoden, die bis in die 1500er Jahre zurückreichten, und formulierte praktische Ratschläge, die auf der Rückseite von Segelfreigaben für alle US-Schiffe veröffentlicht wurden. ⓘ
Ab etwa 1800 änderten sich die Dinge sehr schnell, als die Dampfmaschine aufkam und das so genannte Dampfzeitalter begann. Die Entwicklung von Kenntnissen über die Thermodynamik von Dampfprozessen und die Notwendigkeit einer reinen Wasserquelle für die Verwendung in Kesseln wirkten sich positiv auf die Destillationssysteme aus. Darüber hinaus führte die Ausbreitung des europäischen Kolonialismus zu einem Bedarf an Süßwasser in entlegenen Teilen der Welt und schuf damit das geeignete Klima für die Wasserentsalzung. ⓘ
Parallel zur Entwicklung und Verbesserung von Systemen, die mit Wasserdampf arbeiten (Mehrfacheffekt-Verdampfer), zeigten diese Geräte schnell ihr Potenzial auf dem Gebiet der Entsalzung. Im Jahr 1852 erhielt Alphonse René le Mire de Normandy ein britisches Patent für eine Seewasserdestillationsanlage mit vertikaler Röhre, die sich dank ihrer einfachen Konstruktion und ihres leichten Aufbaus sehr schnell für den Einsatz an Bord von Schiffen durchsetzte. Entsalzungsanlagen an Land kamen erst in der zweiten Hälfte des neunzehnten Jahrhunderts in nennenswertem Umfang auf. In den 1860er Jahren kaufte die US-Armee drei Normandy-Verdampfer mit einer Leistung von je 7000 Gallonen/Tag und installierte sie auf den Inseln Key West und Dry Tortugas. Eine weitere wichtige landgestützte Entsalzungsanlage wurde in den 1880er Jahren in Suakin installiert, um die dort stationierten britischen Truppen mit Süßwasser zu versorgen. Sie bestand aus sechs Destillierapparaten mit einer Kapazität von 350 Tonnen/Tag. ⓘ
Nach dem Zweiten Weltkrieg wurde in den Vereinigten Staaten intensiv nach verbesserten Entsalzungsmethoden geforscht. Das Office of Saline Water wurde 1955 gemäß dem Saline Water Conversion Act von 1952 im Innenministerium der Vereinigten Staaten eingerichtet. Es wurde 1974 mit dem Office of Water Resources Research zusammengelegt. ⓘ
Die erste industrielle Entsalzungsanlage in den Vereinigten Staaten wurde 1961 in Freeport, Texas, eröffnet, in der Hoffnung, die Wasserversorgung der Region nach einem Jahrzehnt der Dürre zu sichern. Vizepräsident Lyndon B. Johnson wohnte der Eröffnung der Anlage am 21. Juni 1961 bei. Präsident John F. Kennedy zeichnete eine Rede aus dem Weißen Haus auf, in der er die Entsalzung als eine Arbeit bezeichnete, die in vielerlei Hinsicht wichtiger ist als jedes andere wissenschaftliche Unternehmen, mit dem sich dieses Land derzeit beschäftigt. ⓘ
Die Forschung fand an staatlichen Universitäten in Kalifornien, bei der Dow Chemical Company und bei DuPont statt. Viele Studien befassen sich mit der Optimierung von Entsalzungsanlagen. ⓘ
Die erste kommerzielle Umkehrosmose-Entsalzungsanlage, die Coalinga-Entsalzungsanlage, wurde 1965 in Kalifornien für Brackwasser eingeweiht. Einige Jahre später, 1975, wurde die erste Anlage zur Entsalzung von Meerwasser durch Umkehrosmose in Betrieb genommen. ⓘ
Gesellschaft und Kultur
Trotz der Probleme, die mit Entsalzungsprozessen verbunden sind, kann die öffentliche Unterstützung für ihre Entwicklung sehr groß sein. Bei einer Umfrage in einer südkalifornischen Gemeinde sprachen sich 71,9 % aller Befragten für die Entwicklung von Entsalzungsanlagen in ihrer Gemeinde aus. In vielen Fällen führt eine hohe Süßwasserknappheit zu einer höheren öffentlichen Unterstützung für die Entwicklung von Entsalzungsanlagen, während in Gebieten mit geringer Wasserknappheit die öffentliche Unterstützung für die Entwicklung von Entsalzungsanlagen tendenziell geringer ist. ⓘ
Einsatzbereiche
Im Nahen Osten ist die energieintensive Gewinnung von Trink- und Betriebswasser mit fossilen Energieträgern wie Schweröl oder Erdgas weit verbreitet. In den ölreichen Golfstaaten stellt die Meerwasserentsalzung die Hauptquelle der Trinkwassergewinnung dar, sie dient aber auch zur Gewinnung von Betriebs- bzw. Kühlwasser für an der Küste befindliche größere kalorische Kraftwerke. Ein Beispiel ist das Kraftwerk Shoaiba, welches mit Stand 2014 das größte Kraftwerk in Saudi-Arabien ist. Das für die Kühlanlagen benötigte Wasser wird durch gas- oder ölbefeuerte Entsalzungsanlagen in unmittelbarer Nachbarschaft zu dem Kraftwerk gewonnen, auch kombinierte Gas-und-Dampf-Kombikraftwerke mit angeschlossener MSF-Entsalzungsanlage kommen zum Einsatz. Die Abkürzung MSF steht für englisch Multi Stage Flash Evaporation in der Bedeutung von mehrstufiger Entspannungsverdampfung. Die mit Stand 2014 weltweit größte Meerwasserentsalzungsanlage ist die Kraftwerks- und Meerwasserentsalzungsanlage Dschabal Ali in den Vereinigten Arabischen Emiraten. ⓘ
In Einzelfällen kann auch die Abwärme von Kernkraftwerken zur Meerwasserentsalzung verwendet werden. Ein Beispiel ist das stillgelegte Kernkraftwerk Aqtau, welches 150 MW elektrische Energie und 200 MW Prozesswärme zum Entsalzen von Meerwasser aus dem Kaspischen Meer erzeugte. Auf Flugzeugträgern wird die Abwärme des Atomreaktors zur Meerwasserentsalzung eingesetzt. ⓘ
Auf den kanarischen Inseln und der deutschen Insel Helgoland wird Trinkwasser durch das Umkehrosmoseverfahren gewonnen. Kleinere Einsatzgebiete stellen auch die Entsalzung von Meerwasser auf Schiffen und U-Booten dar. ⓘ
In allen Fällen ist das entsalzte Wasser für eine unmittelbare Verwendung als Trinkwasser nicht geeignet. Zudem sind derartige salzarme Wässer für Eisenwerkstoffe korrosiv, da keine Kalk-Rost-Schutzschicht gebildet werden kann. Durch nachträglichen Zusatz von Calciumhydrogencarbonat wird deshalb der Gehalt an Carbonathärte im Wasser wieder erhöht. Das Calciumhydrogencarbonat wird durch eine Reaktion von Calciumhydroxid (Kalkmilch) mit Kohlendioxid (CO2) hergestellt. Das hierfür notwendige CO2 wird häufig durch Verbrennung von Erdgas gewonnen. ⓘ
Etablierte Techniken
Im folgenden Abschnitt sind die üblichen Verfahren in der Reihenfolge ihrer wirtschaftlichen Bedeutung aufgelistet. Das Verfahren der mehrstufigen Entspannungsverdampfung (MSF) besitzt die größte Verbreitung und wird im großindustriellen Maßstab eingesetzt. Neben diesen Verfahren kommen in kleinerem Maße teilweise auch Verfahren der solaren Meerwasserentsalzung zum Einsatz. ⓘ
Mehrstufige Entspannungsverdampfung
Hierbei handelt es sich um ein thermisches Verfahren mit der Abkürzung „MSF“ (englisch Multi-stage flash distillation). Es ist das am häufigsten eingesetzte Verfahren zur Meerwasserentsalzung. Vorläufer war die Multi-Effekt-Destillation. ⓘ
Bei diesem Verfahren wird das zugeführte Meerwasser mit der Abwärme eines kalorischen Kraftwerks, in seltenen Fällen auch eines Kernkraftwerks auf eine Temperatur von 115 °C erwärmt. Das im sogenannten Brine-Heater („Salzlaken-Heizer“) 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 das Gemisch 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. ⓘ
Großanlagen, wie die Kraftwerks- und Meerwasserentsalzungsanlage Dschabal Ali, die weltweit größte Meerwasserentsalzungsanlage, entsalzt täglich 2,135 Millionen Kubikmeter Meerwasser. Üblicherweise werden mit dem Verfahren täglich bis zu 500.000 Kubikmeter Trinkwasser aus dem Meerwasser gewonnen. Ähnliche Mengen werden auch von den in der Region vorhandenen Ölkraftwerken erzeugt. ⓘ
Der Energieverbrauch beträgt 23–27 kWh/m3 (ca. 90 MJ/m3). ⓘ
Versuchstechniken
Im folgenden Abschnitt sind verschiedene Versuchsverfahren zur Entsalzung angeführt, welche teilweise auch in kleineren Anlagen im Einsatz sind. ⓘ
Evaporationsschläuche aus Kunststoff
Das französische Forschungszentrum CEA/GRETh hat im Rahmen eines europäischen CRAFT-Projektes eine 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. Der Apparat erreicht eine Trinkwasserproduktionsleistung von 100 l/h. Da das Wasser auf 100 °C erhitzt wird, ist es weitgehend steril und enthält nur noch geringe Mengen an Salz. ⓘ
Gefrierverfahren
Durch Abkühlen von Meerwasser bilden sich Eiskristalle, die frei von Salzen sind. 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. Der Siemens-Konzern betreibt eine Pilotanlage in Singapur. ⓘ
Ionenkraft
Salzwasser wird in vier Becken geleitet. In Becken 1 wird die Salzkonzentration (z. B. durch Verdunsten, solar) erhöht. Die entstandene konzentrierte Sole in Becken 1 wird über selektive Polystyrolmembranen (die zum Becken 2 Na+-Ionen und zum Becken 3 Cl−-Ionen blockieren) verbunden, wodurch in diesen Becken ein Na+- bzw. Cl−-Ionenmangel entsteht. Diese beiden Becken werden mit dem vierten Becken über Membranen verbunden. Aus diesem vierten Becken diffundieren die Ionen zum Ionenausgleich in Becken 2 und 3. Das Wasser in Becken 4 wird somit NaCl-frei. Müssen noch andere Salze entfernt werden, sind noch andere Ionen-Filter zu verwenden. In Kanada wurde eine Pilotanlage mit Umwelt-Fördergeldern gebaut. ⓘ
Vorteil ist der geringe Energieverbrauch, sofern die Verdunstung in Becken 1 durch Sonne erfolgt. Der Mineralgehalt mit Ausnahme von Natrium und Chlorid bleibt erhalten, sodass für eine Trinkwassernutzung nicht andere Mineralien zugesetzt werden müssen. Für andere Zwecke sind zusätzliche Ionenfilter erforderlich. ⓘ
Bio-Brennstoffzelle
An Bio-Brennstoffzellen zur Entsalzung schwach salzhaltiger Gewässer wird unter anderem an der University of Queensland, der Tsinghua-Universität und dem Oak Ridge National Laboratory, USA geforscht. Ein praktischer Einsatz wird auch für Brackwasser erwogen. ⓘ