Meerwasser- Entsalzungsanlagen Lösung für den weltweiten Wassermangel? Marcel Dierker Fachgebiet Geohydraulik und Ingenieurhydrologie FB 14 Einführung in die Ingenieurhydrologie Prof. Dr. Manfred Koch 25.07.2012 Universität Kassel

Gliederung Wasserknappheit Meerwasser-Entsalzungs -Verfahren Vergleich und weltweite Verbreitung Umweltauswirkungen Neue Ansätze/Technologien

Wasserknappheit z.E. Wasserstress beginnt bei einer Wasserverfügbarkeit von 1000 -1700 m³/P*a Bei weniger als 1000 m³/P*a spricht man von Wasserknappheit (Wasserknappheitsindex) Prognose über Bevölkerungswachstum auf 9 Mrd. Menschen im Jahr 2050 Bevölkerungswachstum findet vor allem in Afrika und Asien statt, wo jetzt schon Wasserstress bzw. Wasserknappheit herrscht

Wasserknappheit

Wasserknappheit In MENA-Region lagen im Jahr 2000 nur 4 Länder oberhalb der Wasserknappheitsgrenze von 1000 m³/P*a In Modellszenarien geht man davon aus, dass der Wasserbedarf von 270 Mrd. m³/a im Jahr 2050 auf 460 Mrd. m³/a ansteigen wird Optimistische Schätzungen mit Effizienzannahmen gehen 2050 von 390 Mrd. m³/a aus Im „Business as Usual“-Fall von 570 Mrd. m³/a

Meerwasser-Entsalzungs– verfahren Konventionelle Meerwasser-Entsalzungs- anlagen thermisch MSF „multi-stage-flash-desalination“ MED „multi-effect-desalination“ Solare Entsalzung mechanisch-membranbasiert RO „reverse osmosis“ (Umkehrosmose) Elektrodialyse

MSF (mehrstufige Entspannungsverdampfung)

MSF (mehrstufige Entspannungsverdampfung) Vorgewärmtes Meerwasser mit Dampf auf max. 120°C erhitzt bzw. überhitzt Erhitztes Wasser gelangt in erste Kammer mit niedrigerem Druck -> ein Teil des Wasser verdampft schlagartig Wasser kondensiert an Wärmetauscherflächen zu Trinkwasser, hier wird auch das einströmende Meerwasser vorgewärmt Restwasser gelangt in nächste Kammer mit wiederum geringerem Druck und Prozess beginnt erneut Prozess wird bis zu 40 mal wiederholt, wobei der Salzgehalt im Restwasser schrittweise zunimmt Es muss keine neue Energie zugeführt werden

MSF (mehrstufige Entspannungsverdampfung) Überhitzter Prozessdampf nötig Erhitzung auf 100 -120°C Bis zu 40 Kammern Wärmeenergiebedarf von 250- 330 kJ/kg Elektrischer Energiebedarf 3-5 kWh/m² Große Anlagen produzieren 1,6 -1,7 Mio. m³/d Eine Trinkwasserlinie bis zu 2000 m² groß

MED (Multi-Effekt-Entsalzung)

MED (Multi-Effekt-Entsalzung) Vorgewärmtes Meerwasser wird als dünne Schicht auf die Oberfläche eines Wärmetauschers aufgebracht oder gesprüht Dampf strömt durch den ersten Wärmetauscher Ein Teil des aufgebrachten Meerwassers verdampft am Wärmetauscher Die Verdampfungsflächen der nachfolgenden Kammern werden jeweils von Dampf der vorherigen erwärmt In folgenden Druckkammern herrscht jeweils ein geringerer Druck, was zur Verdampfung führt Die letzte Kammer kann zur Vorerwärmung des Meerwasser genutzt werden

MED (Multi-Effekt-Entsalzung) Prozessdampf nötig Temperaturen aber im Bereich 55°C – 70°C Bis zu 16 Kammern Wärmeenergiebedarf von 190 – 390 kJ/kg Elektrischer Energiebedarf 1,5 -2,5 kJ/kg

Solare Entsalzung

Solare Entsalzung Becken mit Salzwasser gefüllt; auf Beckengrund befindet sich eine schwarze Absorptionsfläche, die einfallende Sonneneinstrahlung absorbiert und in Wärme umwandelt Transparentes geneigtes Dach aus Folie oder Glas Wasser und über dem Meerwasser stehende Luft wird erwärmt, die warme Luft nimmt Feuchtigkeit auf, wird mit Wasserdampf gesättigt An der Abdeckung kommt es zur Kondensatbildung durch Kühlung mit Umgebungsluft Kondensat wird in Auffangrinnen gesammelt und ausgeleitet Tägliche TW-Menge abhängig von der täglichen Strahlungsmenge R [MJ/m²] (Faustformel 37,52*10-3*R1,4)

Solare Entsalzung 40% der eingestrahlten Sonnenenergie ausgenutzt Soletemperatur steigt bis auf 70°C Bei Jahreseinstrahlungsleistungen von 1500 bis 2000 kWh/m² können zwischen 1,2 l/m²*d und ca. 6 l/m²*d erreicht werden Stark abhängig von Soletiefe: je kleiner, desto niedriger die Wärmekapazität => daher sehr flächenintensiv

Umkehrosmose (reverse osmosis)

Umkehrosmose (reverse osmosis) Synthetische semipermeable Membranen lassen unter Druck (bis zu 80 bar) Wasser passieren und halten Salzionen zurück -> osmotischer Druck muss überwunden werden, steigt mit höheren Salzkonzentrationen an! In einem Druckzylinder befinden sich bis zu 8 Membranen Durch erste Membran geht ein Teil des Wasser hindurch, der Rest fließt zur nächsten Membran Konzentrat muss stetig abgeführt werden damit osmotischer Druck und damit der Energiebedarf nicht zu hoch werden Aufwändige Vorreinigung (Flockung, Filtration, Erhärtung) notwendig, damit Membrane nicht verstopfen

Umkehrosmose (reverse osmosis) Je nach Salzkonzentration Wasser mit Druck von 50 – 80 bar gegen Membran gepresst => osmotischer Druck überwinden (steigt mit Salzkonzentration) Vorreinigung nötig Spez. Energiebedarf 2,5 -3,5 kWh/m³ Geringe Lebensdauer der Membrane (ca. 3 Jahre)

Elektrodialyse

Elektrodialyse Nur für geringe Salzgehalte z.B. im Brauchwasser wirtschaftlich, aufgrund der bisher eingesetzten Membranen

Elektrodialyse Ionenaustauschverfahren Meerwasser fließt in Elektrodialysezelle, die aus einer Reihe von Kammern bestehen Die Kammern bestehen abwechselnd aus kationen- und anionendurchlässigen Membranen In Endkammern befinden sich Elektroden an die eine Gleichspannung angelegt wird Kationen und Anionen passieren nun jeweils eine Membran, die für sie durchlässig sind; in der nächsten werden sie gestoppt ->Aufkonzentration Es entstehen salzkonzentrierte und salzfreie Kammern Relativ große Verstopfungsgefahr

Umweltauswirkungen Meerwasserentnahme greift in Lebensraum ein Emissionen durch Energiebereitstellung Verbrauch fossiler Energieträger Chemische Zusätze zur Vorreinigung gelangen als Restwasser zurück ins Meer Hochkonzentriertes Restwasser kann lokal Schädigungen hervorrufen

Globale Anlagenkapazität

Vergleich Primärenergiebedarf

Neue Ansätze Bisher: Substitution der knappen Ressource fossiler Brennstoff durch knappe Ressource Wasser 1. Ansatz: - Gewinnung der Prozesswärme durch erneuerbare Quellen (Konzentrierte Solarkraftwerke CSP) CSP-Studie zeigt Kombination mit MED ist die beste Alternative: - geringe Temperatur von 70°C notwendig - Elektr. Energiebedarf 2,2 -2,4 kWh/m² - derzeit 4L/m²d Kollektorfäche

Neue Ansätze 2. Ansatz: -Siemens: Kombination von Elektrodialyse mit kontinuierlicher Elektrodenionisation (CEDI) Siemens: - ED effizient für hohe Salzfrachten ( 3,5 %) durch Einsatz neuer Membranen - CEDI nachgeschaltet, effizient für niedrige Salzfrachten von unter 1% -spez. Energiebedarf 1,5kWh/m2

Literatur Volker Janisch/Hans Drechsel: solare Meerwasser-Entsalzungsanlagen Auqa-CSP: Solarthermische Kraftwerke für die Meerwasserentsalzung http://www.dlr.de/dlr/Portaldata/1/Resources/documents/AQUA-CSP_Zusammenfassung.pdf S. Latemann: Warnsignal Klima , Kap. 4.2 http://www.climate-service-center.de/imperia/md/content/csc/warnsignalklima/warnsignal_klima_kap4_4.2_latemann.pdf Benjamin Tobias Obergföll, Seminaarbeit: Meerwasserentsalzungen http://nachhaltigkeit-erforschen.de/fileadmin/erforschen/pdf-seminar/Meerwasserentsalzung.pdf Efinio: Mangelware Süßwasser http://www.efinio.at/presse/Mangelware_Suesswasser.pdf Kolloqium Prof. Robert Rautenbach: Meerwasserentsalzung http://www.stepconsulting.de/bilder/4downloads/downloads/STEP_011.pdf

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!