Seien Sie nicht salzig: Wie die Entsalzung in der Welt von morgen funktioniert

Obwohl Wasser für den menschlichen Verbrauch und die Landwirtschaft oft knapp ist, ist dieser Planet zu drei Vierteln davon bedeckt. Das Problem besteht darin, das Salz herauszubekommen, und dies geschieht normalerweise durch den Wasserkreislauf der Erde, der Regen und ähnliche Phänomene erzeugt, die die Menge an Süßwasser wieder auffüllen. Ungefähr 3 % des Wassers auf der Erde ist Süßwasser, ein Bruchteil davon ist Trinkwasser.

In den letzten Jahrzehnten hat der Einsatz der Entsalzung Jahr für Jahr zugenommen, insbesondere in Ländern wie Saudi-Arabien, Israel und den Vereinigten Arabischen Emiraten, aber ausgedörrte US-Bundesstaaten wie Kalifornien beschäftigen sich zunehmend mit Entsalzungstechnologien. Zu den offensichtlichen Hindernissen, denen sich die Entsalzung gegenübersieht – unabhängig von der genauen eingesetzten Technologie – gehören die für den Betrieb dieser Systeme erforderliche Energie und die Endkosten des produzierten Trinkwassers im Vergleich zum Import von anderswo.

Zu den weiteren Problemen, die bei der Entsalzung auftreten, gehören die Auswirkungen auf die Umwelt, insbesondere durch die Soleabfälle und möglicherweise Meereslebewesen, die in die Ansaugrohre gesaugt werden. Welche Optionen stehen zur Verfügung, um den Strombedarf und die Umweltbelastung zu reduzieren, da der Bedarf an Entsalzung zunimmt?

Eine übliche Art der Entsalzung ist die Destillation, die im Wesentlichen auch in der Natur durch Verdunstung von Oberflächenwasser erfolgt. Wenn Wasser erhitzt wird, verdunstet es, wobei Salze und andere gelöste Feststoffe zurückbleiben. Wenn dieser Prozess unter Einsatz intensiver Hitze und in Etappen durchgeführt wird, spricht man von der mehrstufigen Flash-Destillation (MSF), die zusammen mit der Multi-Effekt-Destillation (MED), bei der Stufen mit erhitzter Luft zum Einsatz kommen, eine der drei häufigsten Destillationsarten ist Dampf, der in die nächste Stufe eingekoppelt wird, wodurch die Wärme effektiv wiederverwendet wird. Die bei weitem häufigste Art der Destillation (~69 % Anteil) ist jedoch die Umkehrosmose (RO), bei der ein Druckunterschied über eine Membran genutzt wird, der die Wassermoleküle durchlässt, nicht jedoch Salze und viele andere gelöste Feststoffe.

Es ist wichtig zu bedenken, dass das Ergebnis keines dieser groß angelegten Entsalzungsprozesse eine saubere Trennung in Wasser und alles, was sonst noch übrig ist, ist. Stattdessen gibt es einen Frischwasserausstoß (~40 % für Umkehrosmose) mit einem Konzentratfluss, der im Wesentlichen aus Salzwasser besteht, sodass alle Verunreinigungen, die sich in der Zufuhr befanden, Salz- oder Brackwasser enthalten können. Dieser Konzentratstrom wird in das Meer oder ein anderes Gewässer zurückgeführt, aus dem das Zulaufwasser entnommen wurde.

Neben dem viel höheren Salzgehalt dieses Konzentratstroms, der etwa doppelt so hoch ist wie der von Meerwasser, weist er auch eine viel höhere Temperatur auf als das Zulaufwasser für thermische Entsalzungsanlagen. Während eine erhöhte Temperatur der eingeleiteten Sole eindeutig negative Auswirkungen auf das örtliche Meeresleben hat, wurde berichtet, dass die Salzwasserfahne an manchen Stellen bis zu 5 km von der Einleitungsstelle entfernt bestehen bleibt. Dies würde das Gebiet für eine Reihe von Arten ungeeignet machen, die mit Salzwasser nicht gut zurechtkommen.

Vieles davon wird in einem Bericht von Ihsanullah et al. vom August 2021 hervorgehoben. Einzelheiten zu den bekannten Umweltauswirkungen heutiger Entsalzungsanlagen sowie zu Strategien, um die Entsalzung umweltfreundlicher zu gestalten. Diese Überprüfung deckt auch die Zusatzstoffe ab, die üblicherweise dem Ansaugwasser zugesetzt werden und in die Umwelt gelangen können, darunter:

Darüber hinaus kann der Abfallstrom aufgrund der Korrosion von Wärmetauschern und anderen Komponenten der Entsalzungsanlage verschiedene andere Verunreinigungen wie Kupfer und Nickel enthalten. Aufgrund der Natur des Entsalzungsprozesses werden auch die Schwermetallkonzentrationen erhöht. Um die Umweltauswirkungen dieses Abfallstroms zu verringern, werden die Abfallströme aus Entsalzungsanlagen zunehmend behandelt, bevor sie wieder in die Umwelt gelangen.

Bis in die 1980er-Jahre war die thermische Entsalzung üblich, als Umkehrosmose kommerziell verfügbar wurde. Ein enormer Vorteil von RO ist der viel geringere Energiebedarf pro Kubikmeter produziertem Frischwasser (Elsaid et al., 2020), wobei MSF (Betrieb bei 120 °C) die meiste Energie benötigt, insbesondere thermisch. MED verbraucht deutlich weniger Strom, da die Wärme in den aufeinanderfolgenden Phasen wiederverwendet wird. Wie aus der hier wiedergegebenen Tabelle von Ihsanullah et al. hervorgeht. (2021) macht RO aufgrund des fehlenden Wärmeenergiebedarfs standardmäßig deutlich effizienter, da nur elektrische Energie benötigt wird, um den Druckgradienten über die Membran zu erzeugen.

Da Strom anstelle von Elektrizität und thermischer Energie benötigt wird, kann praktisch jede konstante Stromquelle genutzt werden, was RO sehr vielseitig macht und sowohl für kleinere als auch größere Anlagen geeignet ist. Angesichts des rapiden Rückgangs des Marktanteils thermischer Entsalzungsanlagen ist es wahrscheinlich, dass RO und ähnliche membranbasierte Technologien auf absehbare Zeit weiterhin den Markt dominieren werden.

Kapazitive Ionisation (CDI) und Elektrodialyse/Elektrodialyseumkehr (ED bzw. EDR) sind einige von mehreren neueren Technologien, die in gewissem Umfang eingesetzt werden, allerdings hauptsächlich für mehr Brackwasser. Neben der Nanofiltration (NF) und ähnlichen Filtrationstechnologien werden diese durch Materialprobleme sowie einen höheren Stromverbrauch (insbesondere bei CDI und ED/EDR) beeinträchtigt. Weitere aufgeführte Technologien sind laut WNA Elektrodeionisierung, Membrandestillation und Vorwärtsosmose (FO).

Eine attraktive Energiequelle für den Antrieb von Entsalzungsanlagen – ob thermisch oder membranbasiert – ist ein Kernreaktor. Diese können sowohl Strom als auch Wärme liefern, wobei beispielsweise die japanische JAEA eine MSF-Entsalzungsanlage vorführt, die von einem Hochtemperaturreaktor namens GTHTR300 angetrieben wird. Da MSF ohne Vorbehandlung des Ansaugwassers beispielsweise mit stark verschmutztem Wasser besser umgehen kann als RO, kann die Abwärme von Kernreaktoren (einschließlich der heute vorhandenen Leichtwasserreaktoren) MSF und MED gegenüber RO deutlich wettbewerbsfähiger machen Verhinderung der Verschmutzung durch die heute überwiegend mit Erdgas betriebenen MSF- und MED-Entsalzungsanlagen.

Dies wurde in den letzten Jahrzehnten beispielsweise in Kasachstan (Schnellreaktor BN-350) und Japan gezeigt, wo zehn Entsalzungsanlagen mit Druckwasserreaktoren (PWRs) betrieben wurden, die hauptsächlich MED und RO nutzen. In Südkorea betreiben einige seiner DWRs auch MED-Entsalzungsanlagen, die größtenteils Wasser für die eigenen Kühlsysteme erzeugen. In Ägypten und Pakistan werden ihre neuen Kernkraftwerke auch zum Betrieb von MED- und RO-Anlagen genutzt.

Obwohl der Abfallstrom aus Entsalzungsanlagen im Allgemeinen wieder in die Umwelt eingeleitet wird, gibt es gute Gründe, stattdessen so viel wie möglich aus diesem konzentrierten Salzwasser zu verwenden. Insbesondere wenn Meerwasser als Zulaufwasser verwendet wird, enthält das Konzentrat am Ausgang des Entsalzungsprozesses erhebliche Mengen an Magnesium, Gold, Uran, Brom, Kalium, Cäsium, Rubidium und Lithium, von denen zumindest einige vorhanden sein können wirtschaftlich verwertbar.

Kürzlich haben wir uns mit der Gewinnung von Uran aus Meerwasser befasst, was eine Herausforderung darstellt, da nur wenige Teile pro Million Uran gelöst sind. Dasselbe gilt auch für die anderen Metalle und Mineralien, die von Interesse sein könnten. Obwohl die Ozeane mehr Uran und ähnliches enthalten, als vernünftigerweise aus der Erdkruste abgebaut werden kann, ist es Tatsache, dass es noch mehr Wasser gibt, in dem es verdünnt ist.

Da Entsalzungsanlagen die Wassermenge massiv reduzieren, folgt logischerweise, dass der entstehende „Abfall“ viel höhere Konzentrationen an Uran, Lithium usw. aufweist, was es attraktiv machen könnte, sie aus diesem konzentrierten Strom herauszufiltern. Dies kann dazu führen, dass wir einen Großteil, wenn nicht den Großteil dieses Konzentrats verwenden können, was die Menge an salzhaltigem, möglicherweise kontaminiertem Wasser, das in die Umwelt gelangt, verringern würde.

Wenn wir für unsere Entsalzungsanlagen billigere, umweltfreundliche Energiequellen nutzen und so viele Ressourcen wie möglich aus dem von diesen Anlagen erzeugten „Abfall“ nutzen wollen, könnten wir am Ende tatsächlich Geld sparen und Umweltschäden durch den Bergbau anderswo einsparen. Vielleicht ist es diese Perspektive, die bei jeder Diskussion über Entsalzung am hilfreichsten ist.

Wie bereits erwähnt, sind Kernkraftwerke häufig an der Entsalzung beteiligt. Wenn dieser Prozess mithilfe der MED-Technologie durchgeführt werden kann und im Wesentlichen Abwärme verwendet und der salzhaltige Abfall ordnungsgemäß entsorgt wird, kann er möglicherweise Millionen von Menschen mit reichlich Trinkwasser versorgen. Ein wesentlicher und kaum zu unterschätzender Teil einer Entsalzungsanlage besteht darin, dass sie Zugang zu einem Meer, Ozean oder einer anderen bedeutenden Quelle von Brack- oder Salzwasser erfordert.

Wenn eine Stadt mitten in der Wüste liegt, muss das Trinkwasser immer über eine Pipeline oder ähnliches bereitgestellt werden. Aber das ist eine ganz andere Sache.