Praxis der Meerwasserentsalzung heute Dr.-Ing. Bertram Skibinski Technische Universität München Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft Welt-Wasser-Konferenz, München, 13. Juni 2019 Stellen Sie sich vor, Sie befinden sich um 200 nach Christus auf einem Schiff mitten auf dem Meer. Die Küste, Trinkwasser und auch der nächste Getränkeautomat sind nicht nur geografisch, auch zeitgeschichtlich noch meilenweit von ihnen entfernt. So eine Situation war zu dieser Zeit tatsächlich nicht unüblich weshalb Alexander of Aphrodisias auch diese Szene hier überlieferte. Ein mit Wasser gefüllten Krug wurde von Seefahrern erhitzt und der Wasserdampf in einem Schwamm aufgefangen. Evaporation und Kondensation. Zwei grundlegende Prozesse der Wasserentsaltzung. In der jetzigen Zeit ist der Wunsch, salzhaltiges Wasser als Wasserresource zu verwenden präsenter den je, da langsam nachwachsende Wasserquellen wie Grundwasser immer knapper werden. Nicht mehr nur auch Schiffen sondern die Wasserversorgung ganzer Länder hängt mittlerweile von Technologien ab die es ermöglichen, salzhaltiges Wasser zur Trinkwassergewinnung nutzen zu können. Kondensation in Schwämmen (200 n.Chr.)

Entsalzungsverfahren 1 L/d 50 m³/d >100.000 m³/d Verdunstungsanlagen Membrandestillation Thermisch Mehrstufige-Entspannungsverdampfung (MSF) Vielfachverdampfung (MED) Natürlich sind die technsichen Umsetzungen bei weitem komplizierter als die Schwammmethode. Um diesen enormen Bedarf zu decken existieren heutzutage Analgen, welche bereits die Schallgrenze in der Kapazität von 1.000.000 m³/d überschritten haben. Grundlegend lassen sich Entsalzungsverfahren in Verfahren basierend auf thermischer und elektrischer Energie unterscheiden. Neben der Rohwassercharakteristik, dem zur Verfügung stehenden Raumdargebot sowie Energie ist u.a. auch die Anlagengröße entscheidend für die Wahl des passenden Verfahrens. Mit einem Blick auf die weltweit verteilten Kapazitäten an sieht man schnell, dass derzeit jedoch nur drei Verfahren maßgeblich angewendet werden. Die beiden Verdampfungsverfahren und die Umkehrosmose, ein membranbasiertes Verfahren in dem die Salzionen über eine, mit hohem Druck betriebene, Membran entfernt werden. Umkehrosmose (UO) Elektrisch Brüdenverdichtung Andere Dr.-Ing. Bertram Skibinski (TUM) | Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft

Entsalzungsverfahren 1 L/d 50 m³/d >100.000 m³/d MED 7% Verdunstungsanlagen Membrandestillation Thermisch MSF 21% UO 65% Mehrstufige-Entspannungsverdampfung (MSF) Vielfachverdampfung (MED) Mit Stand 2015 wird weltweit 65% der Meerwassers mit Membran-basierten Verfahren entsalzt. Verbleibende 28% verwenden thermische Verfahren. Diese zahlen werden u.a. auch vom Energiebedarf des jeweiligen Verfahrens beeinflusst. Umkehrosmose (UO) Gesamtkapazität (weltweit) Elektrisch Brüdenverdichtung Andere Dr.-Ing. Bertram Skibinski (TUM) | Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft

Energiebedarf Umkehrosmose Vielfachverdampfung Entspannungsverdampfung 3 – 10 kWh/m³ (el.) Vielfachverdampfung 0.5 – 1.5 kWh/m³ (el.) 42 – 61 kWh/m³ (therm.) Entspannungsverdampfung 3.5 – 5 kWh/m³ (el.) 70 – 84 kWh/m³ (therm.) Zum Vergleich: Herkömmliche Wasseraufbereitung, wie wir es in unseren Breiten kennen (z.B. die Aufbereitung von Oberflächen- oder Grundwasser), hat einen Energiebedarf von 0.1–0.7 kWh/m³. Bestehende Meerwasserensalzungsanlagen basierend auf Umkehromosemembranen liegen hier aktuell bei 3 bis 10 kWh um einen m³ Frischwasser zu produzieren. In Bezug auf die elektrische Energie sind thermische Verfahren derzeit etwas sparsamer als die UO Analgen. Die notwendige thermische Energie ist aber meist um ein 10-faches höher im Vergleich zu den UO-Analgen. Aus diesem Grund verschiebt sich die prozentuale Aufteilung in den ölreichen Golfstaaten, wo Energie durch fossile Energieträger verhältnismäßig günstig zur Verfügung steht, in Richtung thermische Verfahren (Jörg). [Insb. in den ariden Ölreichen Golfstatten wo energie… Kopplung mit heizkraftwerken] Dr.-Ing. Bertram Skibinski (TUM) | Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft

Umkehrosmose Zulauf Umkehrosmose Nachbehandlung 0.19 kWh/m³ Konzentrat Eine interessante Frage ist nun natürlich, wie genau setzt sich der Energiebedarf zusammen? Wir wissen – für eine Meerwasserentsalzung basierend auf RO von Wasser aus dem Pazifischen Ozean – dass der Bedarf für den Membranschritt allein bei ca. 2.54 kWh/m³ liegt. Das ist erstmal eine langweilige Zahl. Interesant ist aber, dass wir hier eine enorme Entwicklung in den letzten Jahren durch stetige Weiterentwicklung erlebt haben. Noch im Jahr 1980 lagen wir bei 8 kWh/m³. Eine der großen Nachteile der membranbasierten Meerwasserentsalzungstechnologien ist Membranfouling. Es lassen sich versch. Foulingarten. unterscheiden Eine Davon ist Biofouling. Mikroorganismen welche sich im Zulauf befinden lagern sich an der Membran an, wachsen und bilden einen Biofilm. Auch Salte können sich anlagern. Man spricht dann von Scaling. Beide Prozesse mindern die Leistungsfähigkeit stark und führen zu einem verstärkten Auswechseln der Membranen. Membranfouling Dr.-Ing. Bertram Skibinski (TUM) | Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft

Umkehrosmose Zulauf Umkehrosmose Nachbehandlung 0.19 kWh/m³ Konzentrat Eine interessante Frage ist nun natürlich, wie genau setzt sich der Energiebedarf zusammen? Wir wissen – für eine Meerwasserentsalzung basierend auf RO von Wasser aus dem Pazifischen Ozean – dass der Bedarf für den Membranschritt allein bei ca. 2.54 kWh/m³ liegt. Das ist erstmal eine langweilige Zahl. Interesant ist aber, dass wir hier eine enorme Entwicklung in den letzten Jahren durch stetige Weiterentwicklung erlebt haben. Noch im Jahr 1980 lagen wir bei 8 kWh/m³. Eine der großen Nachteile der membranbasierten Meerwasserentsalzungstechnologien ist Membranfouling. Es lassen sich versch. Foulingarten. unterscheiden Eine Davon ist Biofouling. Mikroorganismen welche sich im Zulauf befinden lagern sich an der Membran an, wachsen und bilden einen Biofilm. Auch Salte können sich anlagern. Man spricht dann von Scaling. Beide Prozesse mindern die Leistungsfähigkeit stark und führen zu einem verstärkten Auswechseln der Membranen. Membranfouling Dr.-Ing. Bertram Skibinski (TUM) | Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft

Meerwasserentsalzung und erneuerbare Energien Solar Entsalzungsverfahren Wind Weitere Möglichkeit: Kopplung mit erneuerbaren Energien Bedeutet, hier optimieren wir nicht das Verfahren sondern nur die Methode um an die entsp. Energie zu kommen. Aktuell sind hier schwer klare Trends zu entdecke. Kominationen Grundsätzlich kommen alle im vorangegangenen Abschnitt beschriebenen Verfahren auch für den Solarbetrieb in Frage. Allerdings gibt es Tendenzen zu folgenden Kopplungsmöglichkeiten zwischen Solarenergie und Entsalzungsprozessen. Tab.: Daten aus Rizzuti, Lucio, Ettouney, Hisham M., Cipollina, Andrea (2007) Solar Desalination for the 21st Wasser

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Ich bin sicher Herr Kastner wird sie bezüglich der erneuerbaren Energien in Kombination mit Entsalzungsverfahren noch weiter aufklären. Ich bin sehr gespannt und danke ihnen vorerst für Ihre Geduld und freue mich mit Ihnen auch nach dieser Session in Kontakt zu kommen und mit Ihnen vll auch über unsere aktuelle Forschungstätigkeiten zu diskutieren. Dr.-Ing. Bertram Skibinski (TUM) | Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft