Meerwasser- Entsalzungsanlagen

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

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

3. 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

4. Wasserknappheit

5. 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 asUsual“-Fall von 570 Mrd. m³/a

6. Meerwasser-Entsalzungs–verfahren

7. MSF (mehrstufige Entspannungsverdampfung)

8. 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

9. 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

10. MED (Multi-Effekt-Entsalzung)

11. 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

12. 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

13. Solare Entsalzung

14. 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)

15. 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

16. Umkehrosmose (reverseosmosis)

17. Umkehrosmose (reverseosmosis) • 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

18. Umkehrosmose (reverseosmosis) • 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)

19. Elektrodialyse

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

21. 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

22. 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

23. Globale Anlagenkapazität

24. Vergleich Primärenergiebedarf

25. 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/m²dKollektorfäche

26. 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

27. 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: Meerwasserentsalzungenhttp://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

28. Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!