Meerwasserentsalzung

Meerwasserentsalzung ist die Bezeichnung für die Gewinnung von Trinkwasser oder Brauchwasser aus Meerwasser durch die Verringerung des Salzgehaltes. Die Entsalzung bezieht sich auf mehrere Prozesse, die Salze und Minerale aus dem Wasser entfernen um daraus Trinkwasser zu gewinnen. Teilweise fallen verwertbare Nebenprodukte wie Kochsalz an.

Der Meerwasserentsalzung wird in Zukunft eine große Bedeutung zugemessen, da die Versorgung aller Menschen mit sauberem Wasser durch Mangel oder Verschmutzung des vorhandenen Süßwassers immer schwieriger wird. Meerwasserentsalzung betreibt man andererseits schon lange auf Schiffen, U-Booten und auf Inseln, wo die Kosten keine große Rolle spielen. Zum Funktionieren des Prozesses darf der Grundstoff allerdings nur sehr niedrige Kontamination (z.B. mit Öl) aufweisen, sodass 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 Form der Trinkwassergewinnung weit verbreitet. In den Golfstaaten ist diese die Hauptquelle der Trinkwassergewinnung. Überwiegend wird das Trinkwasser durch gas- oder ölbefeuerte Entsalzungsanlagen gewonnen. Auch kombinierte Gas- und Dampfturbinenkraftwerke mit angeschlossener MSF-Entsalzungsanlage kommen sehr häufig zum Einsatz. Auf der deutschen Hochseeinsel Helgoland wird das Trinkwasser durch das Umkehrosmoseverfahren gewonnen.

Techniken

Umkehrosmose

Bei der Umkehrosmose (engl. RO (reverse osmosis)) wird die Lösung (Meerwasser) unter hohem Druck, zwecks Überwindung des osmotischen Druckes, durch eine semipermeable Membran gepresst. Diese wirkt wie ein Filter und lässt nur bestimmte Atome und Moleküle durch. Somit erhält man eine Trennung der ursprünglichen Lösung. Durch den Membranfilter lassen sich Salz, 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 (Prezipitation) in den Membranen verhindert werden muss, ist die Benutzung der Umkehrosmose nur bis zu einer gewissen Maximalkonzentration des ‚reject‘ Flusses sinnvoll. Je nach Salzkonzentration muss aufgrund der hohen Drücke auch in den optimalen Anlagen mit einem Energieaufwand von zwischen 2 und 3 kWh pro Kubikmeter Trinkwasser gerechnet werden. 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.

Mehrstufige Entspannungsverdampfung

Hierbei handelt es sich um ein thermisches Verfahren mit der Abkürzung „MSF“ (englisch für Multi Stage Flash Evaporation)

Dieses Verfahren ist ebenfalls eine technische Möglichkeit, das zugeführte Meerwasser mit der Abwärme einer Gasturbine eines Kraftwerkes auf eine Temperatur von 115°C zu erwärmen. 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 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 allerdings wieder ins Meer zurückgeführt, womit sich die weiter unten beschriebenen Probleme mit der zunehmenden Salzkonzentration beispielsweise im Persischen Golf ergeben.

Großanlagen wie das in Dubai befindliche GuD-Kraftwerk „Jebel Ali“ können täglich bis zu 500.000 Kubikmeter Trinkwasser aus dem Meerwasser gewinnen.

Mit erneuerbarer Energie betriebene Entsalzungsanlagen könnten eine sehr wirtschaftliche Möglichkeit sein, Trinkwasser hoher Qualität zu gewinnen.
Solare Wasserdestillation

Die einfachste Anwendung der solaren Wasserdestillation stellen durchsichtige kegelförmige Schwimmhüte aus Makrolon dar, die eine nach innen gewölbte Auffangrinne besitzen. Man lässt sie auf der Salzwasseroberfläche schwimmen. Hierbei wird die direkte erwärmende Sonneneinstrahlung auf das Wasser genutzt. Die Ausbeute lässt sich steigern, wenn die Sonnenstrahlung knapp unter dem Wasserspiegel auf eine schwarzen Fläche auftrifft und dort in Wärme umgewandelt wird. Dieses als „Watercone“ vermarktete System lässt sich auch auf Schmutzwasserpfützen und auf Sumpfflächen einsetzen. Wegen ihres geringen Preises, der geringen Größe und technischen Unkompliziertheit könnten sie Einzug in viele Haushalte von Gebieten mit schlechter Trinkwasserversorgung halten.

Eine dezentrale, regenerative und wirtschaftliche Alternative zur solaren Trinkwassergewinnung wird auch über Sonnenkollektoren erreicht. Mit dem „RSD Rosendahl System“ wird in einem einstufigen Verfahren ausschließlich über Sonneneinstrahlung jegliche Art von Rohwasser wie Salz-, Brack- oder verseuchtes Süßwasser verdunstet und das Destillat unter einer kühleren Glasoberfläche vom Rohwasser getrennt. Dieses Prinzip wird seit vielen Jahren unter anderem in Puerto Rico kommerziell angewendet.

Mit flüchtigen Substanzen wie Leichtöl oder Benzin verseuchtes Wasser kann mit Destillations-Methoden generell nicht gereinigt werden, da diese Kohlenwasserstoffe mit dem Wasser verdunsten und so ins Kondensat übergehen würden.

 

MEH Verfahren – Thermische Entsalzung mit Niedertemperaturwärme z.B. aus Sonnenkollektoren [Bearbeiten]

Eine Weiterentwicklung dieses thermischen Verfahrens zur Meerwasserentsalzung stellt das so genannte Multi Effect Humidification/Dehumidification-Verfahren (MEH) dar. Systeme nach dem MEH-Verfahren basieren auf einer Trennung von solarem Energiegewinnungsteil und Entsalzungsapparatur. Für die Gewinnung der Antriebswärme finden hocheffiziente Sonnenkollektoren Verwendung, die bei Prozesstemperaturen von 85°C Wirkungsgrade von über 50% erreichen. Die so gewonnene Wärme wird einem thermischen Entsalzungsmodul zugeführt, in dem der natürliche Wasserkreislauf mit Verdunstung und Kondensation in effizienter Weise nachgebildet wird. Auf diese Weise können Produktionsraten von über 25 l/m² pro Tag erzielt werden. Dieses Verfahren wurde am Bayerischen Zentrum für angewandte Energieforschung zur Anwendungsreife geführt und wird derzeit von der TiNOX-Watermanagement kommerziell umgesetzt.

Zukünftige Probleme

Durch eine übermäßige Entsalzung von Meerwasser wird das zugehörige Meer verstärkt mit Salzfrachten belastet. Zusammen mit der globalen Klimaerwärmung und der Zunahme der Verdunstung wird sich der Salzgehalt beispielsweise des Persischen Golfes mittelfristig erhöhen und damit den Betrieb der Anlagen zur Meerwasserentsalzung verteuern. Dies wird an den Anrainerstaaten des Persisch-Arabischen Golfes befürchtet. Unterstützt durch die niedrige Austauschrate mit dem Indischen Ozean wird es daher voraussichtlich ab 2015 zu Problemen mit der Trinkwassergewinnung in dieser Region kommen. Die Entsalzungsanlage mit einer Anlage zur Salzproduktion zu kombinieren und keinerlei Konzentrat in das Meer zurückzupumpen wird hier immer mehr als Lösung gesehen.

Weiterhin zerstört die ins Meer zurückgeleitete hoch konzentrierte Salzlösung (engl.:Brine) die Lebensgrundlage für Meeresbewohner.

Verschiedene Studien zur Meerwasserverschmutzung machen eine verstärkte Meerwasserverdunstung aufgrund der Klimaerwärmung bzw. des Treibhauseffekts für einen Anstieg des Salzgehaltes von Meerwasser verantwortlich. Dadurch steigt die Salzkonzentration immer mehr und erschwert somit in naher Zukunft den Entsalzungsprozess.

Die Kosten für die Meerwasserentsalzung sind zur Zeit allerdings stark fallend. Eine moderne, große und effiziente Anlage verursacht teilweise nur 20% der Kosten, die bei der herkömmlichen Trinkwassergewinnung anfallen.

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