Meerwasserentsalzung

Fließbild einer dreistufigen Entspannungsverdampfungsanlage zur Meerwasserentsalzung

Meerwasserentsalzung ist die Gewinnung von Trinkwasser oder Betriebswasser aus Meerwasser durch die Verringerung des Salzgehaltes. Die Entsalzung kann auf verschiedenen Prozessen beruhen, die Salze und Mineralien aus dem Wasser entfernen. Teilweise fallen dabei verwertbare Nebenprodukte wie Kochsalz an.

Bedeutung

Der Meerwasserentsalzung wird für die Zukunft eine große Bedeutung zugemessen, da die Versorgung aller Menschen mit sauberem Wasser durch Mangel oder Verschmutzung des vorhandenen Süßwassers immer schwieriger wird. Die Entsalzung von Meerwasser wird auf Schiffen, U-Booten und auf Inseln eingesetzt. Die Kosten spielen hier vor der Notwendigkeit der Beschaffung von salzfreiem Wasser nur eine geringe Rolle. Der Ausgangsstoff darf nur sehr niedrige Verunreinigung aufweisen. In der Nähe von Hauptschifffahrtsrouten muss ein Landbrunnen, der den Meerwasserspiegel erreicht, das Meerwasser vorfiltern. Im Nahen Osten ist diese energieintensive Form der Trinkwassergewinnung weit verbreitet. In den ölreichen Golfstaaten ist sie die Hauptquelle der Trinkwassergewinnung. Hier wird das Trinkwasser durch gas- oder ölbefeuerte Entsalzungsanlagen gewonnen. Auch kombinierte Gas- und Dampfturbinenkraftwerke mit angeschlossener MSF-Entsalzungsanlage kommen häufig zum Einsatz. Die Abkürzung MSF steht für Multi Stage Flash Evaporation in der Bedeutung mehrstufige Entspannungsverdampfung. Auf den kanarischen Inseln und der deutschen Insel Helgoland wird Trinkwasser durch das Umkehrosmoseverfahren gewonnen.

Etablierte Techniken

Solare Meerwasserentsalzungsanlagen entsalzen Meerwasser mit Hilfe von Sonnenenergie. Weitere Verfahren sind: Gefrierverfahren, Evaporationsschläuche aus Kunststoff, Elektrodialyse, Vakuum-Destillationsanlagen mit Wärmepumpen und Anlagen nach dem Brüdenkompressions-Verfahren.

Membrandestillation

Bei dem Verfahren der Membrandestillation wird eine mikroporöse Membran eingesetzt, die nur Wasserdampf durchlässt, flüssiges Wasser jedoch zurückhält. Auf der einen Seite der Membran befindet sich warmes Salzwasser und auf der anderen Seite eine kältere Fläche. Durch den Gegenstrombetrieb der Anlage wird erreicht, dass auf ganzer Länge der Membran eine Temperaturdifferenz besteht. Die dadurch entstehende Differenz des Wasserdampfpartialdruckes bewirkt, dass Wassermoleküle von der warmen auf die kalte Seite der Membran gelangen.

Umkehrosmose

Industrielle Anlage zur Umkehrosmose

Bei der Umkehrosmose (engl. RO (reverse osmosis)) wird die Lösung (Meerwasser) zur Überwindung des osmotischen Druckes unter hohem Druck durch eine semipermeable Membran aus Polyamid, PTFE oder sulfonierten Copolymeren mit einem Porendurchmesser von 0,5 bis 5 nm gepresst. Diese wirkt wie ein Filter und lässt nur bestimmte Ionen und Moleküle durch. Somit erhält man eine Auftrennung der ursprünglichen Lösung. Durch den Membranfilter lassen sich Salze, Bakterien, Viren, ein Überangebot an Kalk und Gifte wie Schwermetalle zurückhalten.

Aus technischen Gründen ist es notwendig, im Anschluss Elektrolyte in der notwendigen Menge zu ergänzen, da völlig demineralisiertes Wasser starke Korrosionsschäden an Pumpen und Rohrleitungen verursacht. Deshalb wird der pH-Wert durch Zugabe handelsüblicher Chemikalien (meist Kalk) auf den gewünschten pH-Wert 7 eingestellt.

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 (Präzipitation) in den Membranen verhindert werden muss, ist die Benutzung der Umkehrosmose nur bis zu einer gewissen Maximalkonzentration des Rückflusses sinnvoll. Je nach Salzkonzentration muss aufgrund des hohen Drucks auch in optimalen Anlagen mit einem Energieaufwand zwischen 2 und 4 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 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. Eine weitere Verbesserung der Filtereffektivität wird neuerdings durch den Einsatz von Nanoröhren erreicht.

Mehrstufige Entspannungsverdampfung

Hierbei handelt es sich um ein thermisches Verfahren mit der Abkürzung „MSF“ (englisch für Multi Stage Flash Evaporation). Ihr Vorläufer war die Multi-Effekt-Destillation.

Bei diesem Verfahren wird das zugeführte Meerwasser mit der Abwärme eines Kraftwerkes auf eine Temperatur von 115 °C erwärmt. 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 (Salzlake) 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 wieder ins Meer zurückgeführt.

Das bei der Kondensation anfallende Destillat ist für eine direkte Verwendung als Trinkwasser zu salzarm. Weiterhin sind derartige salzarmen Wässer für Eisenwerkstoffe korrosiv, da keine Kalk–Rost–Schutzschicht gebildet werden kann. Durch Zusatz von Calciumhydrogencarbonat wird deshalb der Gehalt an Carbonathärte im Wasser wieder erhöht. Das Calciumhydrogencarbonat wird durch eine Reaktion von Calciumhydroxid (Kalkmilch) mit CO₂–Gas hergestellt. Das hierfür notwendige CO₂ wird häufig durch Verbrennung von Erdgas mit Luft gewonnen.

Großanlagen, wie die in Dubai befindliche Kraftwerks- und Meerwasserentsalzungsanlage Dschabal Ali, können täglich bis zu 500.000 Kubikmeter Trinkwasser aus dem Meerwasser gewinnen. Ähnliche Mengen werden auch von den in der Region vorhandenen Ölkraftwerken erzeugt. Mit erneuerbarer Energie betriebene Entsalzungsanlagen können eine wirtschaftliche Möglichkeit sein, Trinkwasser hoher Qualität zu gewinnen.

Weitere Techniken

Evaporationsschläuche aus Kunststoff

Das französische Forschungszentrum CEA/GRETh hat im Rahmen eines europäischen CRAFT-Projektes eine innovative Meerwasserentsalzungsanlage entwickelt, in der die Metallbauteile weitgehend durch Polymere ersetzt wurden. Dies hat den Vorteil, dass Kunststoffe wesentlich weniger korrodieren und damit beständiger als Metalle sind. Durch den Einsatz von Kunststoff kann der Prozess unter Normalbedingungen bei 100 °C und 1 bar ablaufen. Die Anlage kann daher wesentlich einfacher und robuster konzipiert werden. Der Apparat erreicht eine Trinkwasserproduktionsleistung von 100 l/h. Da das Wasser auf 100 °C erhitzt wird, ist es weitgehend steril und enthält nur noch geringe Mengen an Salz. Der Herstellungspreis von einem Kubikmeter Wasser aus einer solchen Anlage beläuft sich auf 4 €.

Gefrierverfahren

Durch Abkühlen von Meerwasser bilden sich Eiskristalle, die frei von Salzen sind. Die technischen Schwierigkeiten bestehen jedoch im Wesentlichen in der Abtrennung der Eiskristalle von der Mutterlauge. Die Eiskristalle müssen von der Mutterlauge gewaschen werden. Dabei besteht wiederum ein erheblicher Bedarf an Süßwasser, der dieses Verfahren in der Praxis hat scheitern lassen.

Elektrodialyse

Die Elektrodialyse ist nur bei sehr niedrigen Salzgehalten wirtschaftlich. Die Energiekosten stehen in einem linearen Verhältnis zum Salzgehalt. Das Verfahren lohnt sich daher oft nur für Brackwasser.

Mögliche zukünftige Techniken

Ionenkraft

Salzwasser wird in 4 Becken geleitet. In Becken 1 wird die Salzkonzentration (z. B. durch Verdunsten, Solar) erhöht. Die entstandene konzentrierte Sole in Becken 1 wird über selektive Polystyrolmembranen (die zum Becken 2 Na⁺- Ionen und zum Becken 3 Cl^-- Ionen blockieren) verbunden, wodurch in diesen Becken ein Na⁺- bzw. Cl^--Ionenüberschuss entsteht. Diese beiden Becken werden mit dem 4. Becken über Membranen verbunden. Aus diesem 4. Becken diffundieren die Ionen zum Ionenausgleich in Becken 2 und 3. Das Wasser in Becken 4 wird somit NaCl frei. Müssen noch andere Salze entfernt werden, sind noch andere Ionen-Filter zu verwenden. In Kanada wurde eine Pilotanlage mit Umwelt-Fördergeldern gebaut. Der Siemens-Konzern betreibt eine Pilotanlage in Singapur.

Vorteile: Sehr geringer Energieverbrauch, sofern die Verdunstung in Becken 1 durch Sonne erfolgt. Der Mineralgehalt mit Ausnahme von Natrium und Chlorid bleibt erhalten, sodass für eine Trinkwassernutzung nicht andere Mineralien zugesetzt werden müssen. Für andere Zwecke sind zusätzliche Ionenfilter erforderlich.

Bio-Brennstoffzelle

Bio-Brennstoffzellen sollen die Prozesse Entsalzung und Stromerzeugung kombinieren und können damit das Problem lösen, dass bisher eingesetzte Entsalzungstechniken energieaufwändig sind. Geforscht wird u. a. an der University of Queensland, Brisbane, Australien, der Tsinghua-Universität, Beijing, China und dem Oak Ridge National Laboratory, USA. Ein praktischer Einsatz wird zunächst nur für Brackwasser erwogen.

Auswirkungen auf die Umwelt

Die erste vollkommen umweltfreundliche, schwimmende Entsalzungsanlage auf Grundlage der Umkehrosmose ist seit Sommer 2007 in der südlichen Ägäis vor der Insel Iraklia in Betrieb und liefert täglich etwa 70 m³ Trinkwasser von hoher Güte. Die benötigte Energie zum Betrieb der Anlage ist durch eine schwimmende Windkraftanlage gewährleistet. Die Anlage kann ferngesteuert werden. Das Pilotprojekt ist eine Entwicklung der griechischen Universität der Ägäis und erfuhr im Rahmen der Verleihung des Europäischen Innovationspreises Regiostar 2008 lobende Erwähnung.

Noch vor Jahren war nach einer Untersuchung der Umweltorganisation WWF die Entsalzung von Meerwasser teuer und energieintensiv. Die Erzeugung der dazu benötigten Energie führe zu einer Zunahme von Treibhausgasen; sehr große Anlagen würden Küstenregionen verschandeln und die Rückführung des entzogenen Salzes als Sole in das Meer habe in den betroffenen Küstenregionen negative Folgen für Fischbestände, Korallen und Wasserpflanzen. Meerwasserentsalzung könne in Einzelfällen zwar sinnvoll sein, sei aber keine allgemein geeignete Lösung, um der drohenden Wasserknappheit zu begegnen. Zur Sicherstellung der Trinkwasserversorgung seien vor allem Maßnahmen zur besseren Nutzung vorhandener Wasserressourcen und ein besseres Wassermanagement vorzuziehen; auch die Abwasseraufbereitung sollte als Alternative in Betracht gezogen werden. Diese Bedenken sind mit der neusten Anlage in Iraklia nicht mehr relevant. Sogar das gewonnene Salz kann wiederverwertet werden^{[unverständlich]}. Befürworter der Entsalzung halten den oben genannten Vorwürfen überdies entgegen, die durch die Rückführung bedingte erhöhte Salzkonzentration sei bereits innerhalb weniger Meter im Meer messtechnisch nicht mehr nachweisbar. Was den Einwand des hohen nötigen Energiebedarfs angeht, so greift er spätestens bei einem neuen Verfahren nicht mehr, das Waterhub genannt wird. Es verbraucht nur 1,5 kWh je gewonnenem Kubikmeter Wasser.

Atomkraftwerke zur Meerwasserentsalzung

1973 ging in Aqtau (damals Schewtschenko, UdSSR), der erste in industriellem Maßstab arbeitende Brutreaktor in Betrieb. Das Kernkraftwerk Aqtau erzeugte 150 MW elektrischen Strom und 200 MW Prozesswärme zum Entsalzen von Meerwasser aus dem Kaspischen Meer.

Weblinks

• Seite der Deutsche MeerwasserEntsalzung e. V.
• arte - Mit offenen Karten - Trinkwasser aus dem Meer (Januar 2009)
• Deutschlandfund - Marburger Chemiker entwickelt Meerwasserentsalzungschip
• YOUTUBE: Ari Lipinski, Interview im L-TV über den Gaza-Konflikt aus israelischer Sicht, August 2014. Meerwasser-Entsalzung als möglicher Hebel für Frieden zwischen Israel und Gaza.