Solarbetriebene Polymertechnologie halbiert die Entsalzungskosten

Ein großer Teil der modernen Welt ist von oft vergessener Infrastruktur wie Straßen, Häfen, Stromleitungen usw. abhängig.

Eine weitere kritische Infrastruktur ist Wasser, von der Sammlung bis zur Aufbereitung und Behandlung von Abwasser. Der Zugang zu sauberem Wasser ist nicht nur für das tägliche Leben und die Kontrolle von Verschmutzung wichtig; er ist auch eine wesentliche Ressource für die Fertigung, Rechenzentren usw.

Leider ist der überwiegende Teil des Wassers auf der Erde in den Ozeanen oder den arktischen und antarktischen Gletschern eingeschlossen, sodass weniger als 1 % als nutzbares Süßwasser verfügbar ist.

Quelle: OpenEdu

Deshalb könnten effiziente Entsalzungsmethoden, die nicht auf teure und energieintensive Verfahren angewiesen sind, eine bedeutende Innovation darstellen. Sie könnten nicht nur trockene Regionen unterstützen, die derzeit auf solche kostspieligen Entsalzungsverfahren angewiesen sind, sondern auch überall an Küsten der Erde frisches Wasser erzeugen, wo bereits 80 % der Weltbevölkerung lebt.

Die kumulierte vertraglich zugesicherte Entsalzungskapazität hat nun 100 Millionen m³/Tag, und fast 60 % der Entsalzung ist dem menschlichen Verbrauch gewidmet, mit bereits 21.000 Meerwasserentsalzungsanlagen weltweit.

Die Effizienz solcher Anlagen zu steigern würde auch den Energieverbrauch senken und dazu beitragen, die CO₂-Emissionen zu reduzieren – ein wichtiger Schritt, da die globale Erwärmung selbst ein Faktor für Desertifikation und Wasserknappheit ist, die die Notwendigkeit von Entsalzung weiter erhöhen.

Chinesische Forscher der Beijing Academy of Science haben ein neues Polymer mit einer neuartigen dreidimensionalen (3D) photothermalen Architektur entwickelt, die die Verdunstung beschleunigt und die sonnenbetriebene Entsalzung deutlich effizienter macht, wobei der Energieverbrauch der Verdunstung um 45,7 % reduziert wurde. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in Advanced Materials¹, unter dem Titel “Interlocking Stabilized 3D Photothermal Nano-Architectures Enables Distributed Solar Desalination”.

Solarbetriebene Entsalzung

Es gibt viele Methoden, Salz aus Meerwasser zu entfernen, um es in trinkbares Süßwasser zu verwandeln. Derzeit ist das am häufigsten eingesetzte großtechnische Entsalzungsverfahren die Umkehrosmose, bei der Hochdruckpumpen das Wasser durch spezialisierte Membranen mit mikroskopischen Poren drücken und reines Wasser von gelösten Salzen trennt.

Das Problem ist, dass dieser Prozess ziemlich energieintensiv ist und teure künstliche Membranen erfordert.

Eine Alternative sind thermische Verfahren, die darauf basieren, dass beim Verdampfen des Wassers das Salz zurückbleibt und der Dampf reines Süßwasser ist. Auch dies ist jedoch ein energieintensiver Prozess.

Die meisten trockenen Gebiete sind Wüsten und zeichnen sich durch intensives Sonnenlicht aus, was die Sonne zur logischen Energiequelle für die Entsalzung macht.

Deshalb kann jedes Material, das die Verdunstung mit weniger Energie ermöglicht, die Wirtschaftlichkeit der Entsalzung grundlegend verändern. Zum Beispiel haben wir bereits behandelt, wie Hydrogel kann Photonen helfen, Verdunstung unabhängig von Wärme zu erzeugen oder wie ein Ionenkonzentrationsverfahren verwendet werden kann, um eine tragbare Entsalzungseinheit zu schaffen, die weniger als 10 Kilogramm wiegt.

Das neue von chinesischen Forschern entwickelte Polymer zeichnet sich dadurch aus, dass es Haltbarkeit, einfache Herstellung und Praxisversuche kombiniert, die seine wirtschaftliche Tragfähigkeit bei der Produktion von Frischwasser, das günstiger als Flaschenwasser ist und zum Anbau von Pflanzen geeignet ist, belegen.

Solarbetriebene Entsalzung mittels Polymeren

Maximierung der Sonneneinstrahlung

Theoretisch ist die Nutzung von Sonnenlicht für die Entsalzung der einfachste Prozess, da sie die Wärme der Sonne zum Verdampfen des Wassers nutzt. In der Praxis kann die Verdunstungsrate von vielen Variablen abhängen, wie Umgebungstemperatur, Oberfläche, relative Luftfeuchtigkeit, Luftbewegung, Druck und Wassertemperatur.

„Solarbetriebene Verdunstung ist ein vielversprechender Ansatz, aber ihre praktische Umsetzung wird oft durch die Schwierigkeit behindert, Leistung, Robustheit und Wirtschaftlichkeit synergetisch zu integrieren“

Wie Wasser der Luft und den Sonnenstrahlen ausgesetzt wird, kann die Verdunstungsgeschwindigkeit und den dafür benötigten Energieaufwand grundlegend verändern. Vor diesem Hintergrund entwickelten die Forscher ein Polymer mit einzigartigen, miteinander verbundenen Hohlstrukturen, die die Verdunstung maximieren.

Quelle: Advanced Materials

„Die Struktur enthält eng verbundene Polymerketten mit hohlen Schalenstrukturen, die eine Rekordverdunstung von 8,5‑mal höheren Raten als bisher für die Technologie gemeldete ermöglichen.“

Diese Struktur maximiert die Sonnenlichtaufnahme und reduziert den für die Verdunstung benötigten Energieaufwand. Insgesamt wurde der Energieverbrauch der Verdunstung drastisch reduziert, als die Sonnenlichtabsorption nahe dem theoretischen Maximum lag.

„Diese Struktur weist eine 90,2 %ige breitbandige Sonnenabsorption auf und reduziert den Energieverbrauch der Verdunstung um 45,7 %.“

Optimale Polymer‑Sonnenfänger

Das verwendete Material war Ta₂O₅/C (Tantaloxid‑Kohlenstoff), das sowohl Sonnenlicht absorbieren als auch starke polymermolekulare Bindungen bilden kann. Es funktioniert, indem die Polyester‑Polymerkette die poröse Struktur der Nanokugeln präzise durchdringt und eine „Nanowald‑Morphologie“ erzeugt.

Quelle: Advanced Materials

Die Forscher testeten verschiedene Längen von Kapillarrohren, um zu beobachten, welche am besten die Verdunstung auslösen. Sie stellten fest, dass mit der hinzugefügten Hohlstruktur PET‑Kapillaren bereits bei einer Länge von nur 15 cm fast maximale Effizienz erreichten.

Quelle: Advanced Materials

Haltbarkeit & kommerzielle Anwendungen

Nach 30 Tagen in Meerwasser war das Material weder vom Salz noch vom Sonnenlicht beeinträchtigt, und es zeigten sich keine nachweisbaren Schäden selbst bei Beobachtung mit Elektronenmikroskopie. Zudem wurden bei Lichteinwirkung keine aktiven freien Radikale festgestellt, was auf eine potenziell gute Haltbarkeit und Zuverlässigkeit bei langfristiger Nutzung hindeutet, da Radikale ein Hauptfaktor für die durch Sonnenlicht verursachte Zersetzung von Kunststoffen sind.

Die Forscher schätzen, dass das Material unter realen Bedingungen jahrelang halten und seine Leistung beibehalten könnte, was eine Voraussetzung für großtechnische Anwendungen ist.

Sie testeten zudem das Potenzial für die Massenproduktion mit einem Labor‑Hydrothermalreaktor von 20 Litern und einem mehrzonen‑Tunnelofen, die 100 g des Materials erzeugten; das Verfahren lässt sich leicht auf wesentlich größere Chargen von mindestens mehreren zehn Kilogramm anwenden.

Eine vollständige Lebenszykluskostenanalyse zeigt, dass nach zwei Jahren Betrieb die Kosten der Wasserproduktion unter die von handelsüblichem Flaschenwasser fallen, was eine erhebliche wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit demonstriert, zumindest für Trinkwasser in jedem Gebiet mit Zugang zum Meer.

Quelle: Advanced Materials

Testen von Prototypen

Die Forscher setzten ihr Material in einem 0,75 m²‑Aktiv‑Kondensations‑Solarentsalzungsgerät ein. Es produzierte unter natürlichem Sonnenlicht mehr als 20 Liter (5,2 Gallonen) Süßwasser, das den WHO‑Trinkstandards entspricht.

Diese Menge reicht aus, um den täglichen Trinkbedarf von etwa zehn Personen zu decken, wobei ausschließlich Sonnenlicht und Meerwasser verwendet werden.

Quelle: Advanced Materials

Dasselbe Wasser wurde ebenfalls getestet, um das Wachstum verschiedener Pflanzen über eine gesamte Saison hinweg zu unterstützen, wobei ein 5 m²‑Demonstrationsfeld verwendet wurde. Sie bauten Spinat, Mais und chinesischen Kohl an, was zeigt, wie dieses System den Anbau von Nutzpflanzen in trockenen Regionen ermöglichen kann.

Quelle: Advanced Materials

Zukunft der Entsalzung

Weitere Tests mit diesem neuen Material könnten durchgeführt werden, um die Produktion weiter zu optimieren. Beispielsweise könnten einfache Spiegelanlagen das Wasser erwärmen und die Verdunstungsrate noch weiter steigern, wobei sie nur geringe Zusatzmaterial- und Installationskosten verursachen.

Ähnlich könnten zusätzliche Geräte wie Ventilatoren oder andere unterstützende Systeme, etwa Druckerhöhung oder Luftfeuchtigkeitsreduktion, die alle von Photovoltaik‑Paneelen betrieben werden, die Produktivität weiter steigern.

Insgesamt ist es wahrscheinlich, dass eine Kombination aus fortschrittlichen Materialien, die die Effizienz steigern, und ausreichend einfachen Designs, die wirtschaftlich skaliert werden können, die Entsalzungslösungen dominieren wird.

Und Unternehmen mit Expertise im Umgang mit Süßwasser und Entsalzungsanlagen werden diese neuen Designs schrittweise übernehmen und ihre Infrastrukturen entsprechend modernisieren.

Investitionen in Wasserinfrastruktur

Consolidated Water

Consolidated Water (CWCO ) ist ein wichtiger Anbieter von Süßwasser für die Karibik und die USA. Seine Spezialität sind Entsalzungsanlagen, mit Fokus auf Gebiete mit begrenztem Süßwasservorrat.

Es betreibt insgesamt 11 Anlagen, die täglich 27,3 Millionen Gallonen Süßwasser erzeugen, sowie 97 Wasseraufbereitungsanlagen. Ein wichtiger Auftrag des Unternehmens befindet sich auf den Kaimaninseln, wo es eine exklusive Wasserversorgungslizenz für die Lieferung von 6 Millionen Gallonen pro Tag besitzt.

Quelle: Consolidated Water

Das Unternehmen hat kürzlich den Auftrag für ein großes Anlagenprojekt in Hawaii erhalten, um eine neue Meerwasser-Umkehrosmose‑Entsalzungsanlage in O‘ahu zu planen, zu bauen, zu betreiben und zu warten. Sie wird täglich 1,7 Millionen Gallonen Trinkwasser produzieren. Es wird die 24.^te von Consolidated Water errichtete Meerwasser‑Umkehrosmose‑Entsalzungsanlage und die erste in den USA sein. Sie wird in den ersten zwei Jahren Einnahmen von 148 Mio. $ erzielen, gefolgt von stabilen Einnahmen in den nächsten 24 Jahren, insgesamt 204 Mio. $.

Zusätzlich zum Betrieb von Wasseranlagen ist das Unternehmen auch Hersteller von Wasseraufbereitungsausrüstung über AEREX. AEREX wurde 2020 übernommen und ist eine von mehreren Akquisitionen, die dem Unternehmen weitere Skalierung und Fachkenntnisse in seiner Nische verschaffen (weitere Übernahmen umfassten Ramey Environmental Compliance – REC und PERC Water Corporation in Kalifornien).

Das Unternehmen erzielt stabile Einnahmen aus der Wasserproduktion und variablere Einnahmen aus gelegentlichen großen Bauprojekten.

Quelle: Consolidated Water

Das Unternehmen hat seine Expertise in der Entsalzung und der Bewältigung dringender Wasserbedürfnisse, wo es keine einfachen Lösungen gab, aufgebaut. Das Aufkommen neuer Entsalzungstechnologien in Kombination mit zunehmenden Wasserknappheiten sollte Consolidated Water dabei helfen, neue Märkte zu erschließen und seine Einnahmen in Zukunft zu steigern. Darüber hinaus sollte eine solide Bilanz strategische Akquisitionen unterstützen und die Kapital‑ und F&E‑Kosten für neue Wasseranlagenprojekte decken.

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Studie Referenziert

^{1. Dan Yu et al., Interlocking Stabilized 3D Photothermal Nano-Architectures Enables Distributed Solar Desalination. Advanced Materials. 21 Juni 2026. https://doi.org/10.1002/adma.73756}