Meerwasserentsalzung

Fließbild einer dreistufigen Entspannungsverdampfungsanlage zur Meerwasserentsalzung

Hierbei handelt es sich um ein thermisches Verfahren mit der Abkürzung „MSF“ (englisch Multi-stage flash (distillation, evaporation oder desalination)). Es ist das am häufigsten eingesetzte Verfahren zur Meerwasserentsalzung. Vorläufer war die Multi-Effekt-Destillation.

Bei diesem Verfahren wird das zugeführte Meerwasser mit der Abwärme eines kalorischen Kraftwerks, in seltenen Fällen auch eines Kernkraftwerks auf eine Temperatur von 115 °C erwärmt. Das im sogenannten Brine-Heater („Salzlaken-Heizer“) 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 das Gemisch 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.

Großanlagen, wie die Kraftwerks- und Meerwasserentsalzungsanlage Dschabal Ali, die weltweit größte Meerwasserentsalzungsanlage, entsalzt täglich 2,135 Millionen Kubikmeter Meerwasser. Üblicherweise werden mit dem Verfahren täglich bis zu 500.000 Kubikmeter Trinkwasser aus dem Meerwasser gewonnen. Ähnliche Mengen werden auch von den in der Region vorhandenen Ölkraftwerken erzeugt.

Der Energieverbrauch dieses Verfahrens beträgt 23–27 kWh/m³ (ca. 90 MJ/m³)[5].

Industrielle Anlage zur Umkehrosmose

Bei der Umkehrosmose 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[6] 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.

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 der gelösten mineralischen Anteile (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.[7] Das physikalische Minimum sind 1,9 kWh pro Kubikmeter.[8]

Die Membranen einer Umkehrosmoseanlage sind nicht wartungsfrei. Belagsbildung, hervorgerufen durch mineralische Ablagerungen (Scaling), biologische Stoffe (Biofouling) oder kolloidale Partikel, vermindert die Permeation der Wassermoleküle durch die Membranen. Um dem entgegenzuwirken, ist eine Spülung der Membranen mit chemischen Reinigern nötig. Gängig sind Verkrustungshemmer wie Polyphosphorsäure und Polymaleinsäure (einem Polymer der Maleinsäure) sowie Biozide und Chlor gegen Bakterienbeläge. Diese Reinigungsmittel bzw. Spülwasser sind nicht umweltverträglich und müssen separiert oder vor Rückführung ins Konzentrat (Meer) behandelt werden.[9]

Die Trinkwasseraufbereitungsanlagen können je nach Art der Wasserverunreinigung mit weiteren Vorfiltern wie beispielsweise Mikrofiltration oder Polstofffiltration ausgestattet werden. Grobstoffe können so bis zu einer Partikelgröße von <5 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 nach diesem Wirkungsprinzip arbeitende Anlage ist die Meerwasserentsalzungsanlage Mossel Bay in Südafrika sowie die Sorek-Entsalzungsanlage in Israel.

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.

Das französische Forschungszentrum CEA/GRETh hat im Rahmen eines europäischen CRAFT-Projektes eine 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. 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.

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.

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. Der Siemens-Konzern betreibt eine Pilotanlage in Singapur.[10]

An Bio-Brennstoffzellen zur Entsalzung schwach salzhaltiger Gewässer wird unter anderem an der University of Queensland, der Tsinghua-Universität und dem Oak Ridge National Laboratory, USA geforscht. Ein praktischer Einsatz wird auch für Brackwasser erwogen.[11]

Eine Arbeitsgruppe am MIT hat einen Prototyp vorgestellt, bei dem mit Hilfe von Sonnenenergie Wasser verdunstet und an anderer Stelle wieder kondensiert wird. Das Problem von sich ansammelndem Salz wird hier dadurch gelöst, dass durch Konzentrations- und Temperaturgradienten eine passive Konvektion erzeugt wird. So konnten sie eine hohe Entsalzungsleistung zu geringen Kosten bei langer Lebensdauer der Anlage erreichen.[12][13]

Die Ägypter und Griechen gehörten zu den ersten Zivilisationen, die Entsalzungstechniken durch den natürlichen Wasserkreislauf bzw. die Verdunstung durch die Sonne einführten[14].

Eine der ersten Anwendungen von Unterformen der Meerwasserentsalzung wurde von Seemännern in kalten Regionen nahe der Pole durchgeführt. Der Prozess der Gefrierentsalzung führte bereits ohne technischen Fortschritt der heutigen Zeit zu einem hohen Trennungsfaktor. Durch die Gefrierentsalzung entsteht reines gefrorenes Wasser mit Soletaschen, da Verunreinigungen in der Mitte konzentriert werden[15].

Im Jahr 1881 in Sleima, Malta, wurde die erste kommerzielle thermische Entsalzungsanlage errichtet. Die thermische Entsalzungsanlage nutzte die Methode der Mehrstufen-Destillation, um die Wasserversorgung der Einwohner sicherzustellen.

Auf der Insel Curaçao wurde die erste Destillationsanlage an Land entwickelt. Dadurch konnte die Insel ihre Wasserversorgung unabhängig gestalten und die Wassersicherheit erhöhen[16].

Aufgrund der Wasserknappheit in den Trockengebieten im Westen der USA wurde der „Saline Water Act“ vom Kongress verabschiedet. Das Ziel des Gesetzes ist es, Mittel, Personal, Patentdaten, Land und Marketing für wirtschaftlich tragfähige Entsalzungsmethoden in großem Maßstab bereitzustellen[17].

Kuwait war eines der ersten Länder, das eine mehrstufige Entspannungsverdampfungsanlage installiert hat. Der hohe Energiebedarf wurde durch das reichlich vorhandene Erdöl in Kuwait gedeckt. Der Energiebedarf für die Herstellung von reinem Wasser betrug bis zu 290 kJ/kg[18].

Das Programm wurde als Antwort auf den wachsenden Wasserbedarf Spaniens entwickelt. Das Ziel bestand darin, eine Gesamtkapazität von etwa 800.000 Kubikmetern entsalztem Wasser pro Tag (m³/Tag) zu erreichen[19].