Energie
Solarbetriebene Entsalzung – Lösung der Wasserknappheit für 2,2 Mrd. Menschen
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Das Problem der Wasserknappheit ist dringender, als wir uns vorstellen können. Laut den von der United Nations Environment Programme, fast 50 Prozent der Weltbevölkerung, was fast 4 Milliarden Menschen entspricht, haben mindestens einen Monat im Jahr mit Wasserengpässen zu kämpfen.
Im Jahr 2025 werden voraussichtlich 1,8 Milliarden Menschen das erleben, was die Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation (FAO) als „absolute Wasserknappheit“ bezeichnet.
Die Bewältigung eines solch gewaltigen und allgegenwärtigen Problems erfordert innovative Lösungen, die unerschlossene oder wenig erschlossene Ressourcen nutzen.
Zum Beispiel könnte die Umwandlung von Meerwasser in Süßwasser, eine der effektivsten Lösungen, da Meerwasser im Überfluss vorhanden ist, das Problem der Wasserknappheit bekämpfen. Es wäre besser, wenn der Prozess durchgeführt werden könnte unter Verwendung von erneuerbarer Energie, wie Solarenergie.
Energieeffizientes Gerät zur Herstellung von Trinkwasser aus Meerwasser
Die Umwandlung von Meerwasser in frisches Trinkwasser erfordert Entsalzung. Die derzeitigen Entsalzungsanlagen, die Meerwasser durch Membranen pumpen, um Salz vom Wasser zu trennen, sind jedoch nicht nur energieintensiv, sondern leiden auch unter Salzablagerungen auf der Geräteoberfläche. Infolgedessen wird der Wasserfluss behindert, was die Effizienz verringert. Diese Salzablagerungen machen die Maschinen ungeeignet für den Dauerbetrieb und kostenintensiv, da häufige Wartungsarbeiten erforderlich sind.
Ein Team von Forschern der University of Waterloo hat nun eine eine Lösung, inspiriert von dem natürlichen Wasserkreislauf, die stark von der Art und Weise abgeleitet ist, wie Bäume Wasser von den Wurzeln zu den Blättern transportieren.
Laut Dr. Michael Tam, Professor in der Abteilung für Chemieingenieurwesen der Waterloo:
“Unsere Inspiration stammt daraus, die Selbstregulierung der Natur zu beobachten und zu sehen, wie Wasser in der Umgebung verdampft und kondensiert.”
Da der Mechanismus vom natürlichen Wasserkreislauf inspiriert ist, erfordert er kaum größere Wartung.
Der Prozess beinhaltet eine konstruierte Lösung, die das Wasser zum Verdampfen bringt, es zur Oberfläche transportiert und in einem geschlossenen Kreislauf kondensiert. Das Ergebnis ist eine wirksame Verhinderung von Salzansammlungen und eine verlängerte Gerätelebensdauer bei unveränderter Effizienz.
Ein zusätzlicher Vorteil des Geräts ist, dass es erneuerbare Energie nutzt, wodurch das Gerät energieeffizient wird. Es läuft mit Solarenergie und kann fast 93 % der Sonnenenergie in Strom umwandeln.
Die Effizienz ist fünfmal höher im Vergleich zu den derzeit auf dem Markt verfügbaren Entsalzungsanlagen und erzeugt fast zwanzig Liter Frischwasser pro Quadratmeter.
Interessanterweise, es ist dieselbe Menge Wasser, die die WHO für jede Person täglich für grundlegendes Trinken und Hygiene empfiehlt.
Um das Gerät effizient mit Solarenergie zu betreiben, verwendeten die Forscher das Grundmaterial Nickel (Ni). Die Nickel‑Schaum‑Grundlage wurde mit einer leitfähigen Polymerbeschichtung und thermoresponsiven Pollenkörnern versehen. Die Zusammensetzung machte das Material geeignet, Sonnenlicht über das gesamte Sonnenspektrum zu absorbieren.
Für die Aufwärtsbewegung des Wassers wurde eine dünne Schicht Salzwasser erwärmt und transportiert. Dies ähnelt dem Weg, den Wasser durch natürliche Baumkapillaren nimmt. Die Verdampfung des Wassers führt dazu, dass das verbleibende Salz zum Boden des Geräts sinkt.
Die Einfachheit der Lösung macht sie bereit für eine breitere Einführung. Ihre Portabilität stellt sicher, dass sie verwendet werden kann in abgelegenen Regionen, insbesondere in Küsten- und Inselstaaten.
Während sie die groben Vorteile der Lösung, Dr. Yuning Li, Professor in der Abteilung für Chemieingenieurwesen der Waterloo, sagte:
“Dieses neue Gerät ist nicht nur effizient, sondern auch tragbar, was es ideal für den Einsatz in abgelegenen Regionen macht, wo der Zugang zu Frischwasser begrenzt ist.”
Um die potenziellen Vorteile weiter zu erläutern, sagte Dr. Michael Tam Folgendes:
“Wenn der Test erfolgreich ist, kann die Technologie nachhaltig Frischwasser für Küstengemeinden bereitstellen und die UN‑Ziele für nachhaltige Entwicklung 3, 6, 10 und 12 vorantreiben.”
Während die oben erwähnte Forschung große Hoffnungen in der wissenschaftlichen Gemeinschaft und bei Menschen, die an nachhaltigen Süßwasserlösungen arbeiten, geweckt hat, haben auch andere Forscher daran gearbeitet.
Im folgenden Abschnitt diskutieren wir die Entwicklung einer tragbaren Entsalzungseinheit, die MIT‑Forscher im Jahr 2022 vorgeschlagen haben.
Tragbare Entsalzungseinheit zur Erzeugung von klarem, sauberem Trinkwasser
Im April 2022 entwickelten MIT‑Forscher eine tragbare Entsalzungseinheit, die weniger als 10 Kilogramm wog, etwa die Größe eines Koffers. Sie konnte mit weniger Energie betrieben werden, als für das Laden eines Handys erforderlich ist. Für 50 US‑Dollar erhältlich, ähnlich dem Gerät, das wir im vorherigen Abschnitt besprochen haben, kam auch dieses ohne die Notwendigkeit von Wasser, das durch Filter fließt. Stattdessen nutzte es elektrische Energie, um Partikel aus dem Trinkwasser zu entfernen.
Ionenkonzentrations‑Polarisationstechnik, die die Einheit filterfrei macht
Der Prozess, das Ergebnis einer jahrzehntelangen Arbeit der Forscher, beinhaltete das Anlegen eines elektrischen Feldes an Membranen, die über und unter einem Wasserkanal platziert waren. Die Membranen konnten positiv oder negativ geladene Teilchen abstoßen, einschließlich Salzmolekülen, Bakterien und Viren, während das Wasser an ihnen vorbeiströmte. Der Prozess konnte sowohl gelöste als auch suspendierte Feststoffe entfernen.
Die Forscher haben bei der Entwicklung ihrer Lösung die besten verfügbaren Techniken, einschließlich maschinellem Lernen, klug eingesetzt. Maschinelles Lernen erwies sich als effektiv, um die ideale Kombination aus ICP‑ und Elektrodialyse‑Modulen zu finden, da der Prozess insgesamt sechs Module umfasste.
Die Forscher berücksichtigten zudem, dass Geräte dieser Art, die nur wirksam werden, wenn sie von vielen Anwendern übernommen werden, einfach und benutzerfreundlich sein müssen. Daher könnte gestartet werden mit nur einem Knopf für automatische Entsalzung und Reinigung.
Es könnte auch die Benutzer benachrichtigen, wenn der Salzgehalt und die Teilchenzahl unter einen bestimmten tolerierbaren Schwellenwert fallen. Um die Datenauslesung einfach und intuitiv zu gestalten, stellten die Forscher eine Smartphone‑App bereit, die das Gerät drahtlos steuern und alle verfügbaren Daten zum Energieverbrauch und zur Wassersalinität in Echtzeit.
Teilweise finanziert, vom DEVCOM Soldier Center, dem Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J‑WAFS), dem Experimental AI Postdoc Fellowship Program der Northeastern University und dem Roux AI Institute, die Forschung lieferte zufriedenstellende Ergebnisse.
Die Forscher brachten die Lösung aus dem Labor und testeten sie am Carson Beach in Boston. Das resultierende Wasser übertraf die Qualitätsrichtlinien der World Health Organization, indem die Menge an suspendierten Feststoffen um mindestens den Faktor 10 reduziert wurde, während der Prototyp Trinkwasser mit einer Rate von 0,3 Liter pro Stunde erzeugte und dabei nur 20 Wattstunden pro Liter benötigte.
Im Hinblick auf die bahnbrechende Natur des Experiments erläuterte der leitende Autor Jongyoon Han, Professor für Elektrotechnik und Informatik und für Biologische Ingenieurwissenschaften sowie Mitglied des Research Laboratory of Electronics (RLE), folgendes zu sagen:
“Dies ist wirklich der Höhepunkt einer zehnjährigen Reise, die ich und meine Gruppe unternommen haben. Wir haben jahrelang an der Physik einzelner Entsalzungsprozesse gearbeitet, aber all diese Fortschritte in ein Gehäuse zu integrieren, ein System zu bauen und es im Ozean zu demonstrieren, war für mich eine wirklich bedeutungsvolle und lohnende Erfahrung.”
Während Universitätsforscher stark in diesem edlen Bestreben engagiert sind, gibt es mehrere Unternehmen, die die Aufgabe der Wasserentsalzung übernommen haben. Ihr Beitrag ist ebenso entscheidend, da die großflächige Einführung skalierbarer Lösungen erfordert, die im kommerziellen Maßstab funktionieren. In den folgenden Abschnitten betrachten wir einige dieser Unternehmen.
#1. Consolidated Water Co. Ltd. (NASDAQ: CWCO)
Das Unternehmen hat seine Ingenieurdienstleistungen bereit, seine Kunden mit dem vollständigen Design‑Build von Sea Water Reverse Osmosis Entsalzungsanlagen. Das Unternehmen betreut den gesamten Servicezyklus, der Installation, Erweiterung oder Nachrüstung umfasst.
Das Unternehmen, an der Nasdaq notiert und gehandelt, führt die Management-, Ingenieur‑ und Konstruktionsdienstleistungen für die Entsalzung über DesalCo, das von Lieferanten als Original Equipment Manufacturer (OEM) für Umkehrosmose‑Meerwasserentsalzungsanlagen anerkannt ist für das Unternehmen.
Technologisch erkennt das Unternehmen zwei Hauptmethoden zur Entsalzung:
(i) Thermische Destillation
(ii) Membrantrennung.
Das Unternehmen bevorzugt Letzteres aufgrund seiner geringeren Energiekosten. Das Unternehmen setzt die Umkehrosmose‑Membrantrennung für Brackwasser- und Meerwasserentsalzung ein. Es ist ein Fluidtrennungsprozess bei dem das salzhaltige Wasser unter Druck gesetzt wird, und Frischwasser wird vom Salzwasser getrennt, indem es durch eine semipermeable Membran geleitet wird, die die Salze zurückhält.
Die Seawater Reverse Osmosis Anlage von Consolidated Water (CWCO ) hat ihren Sitz in Nassau, New Providence, dem Commonwealth der Bahamas. Inbetrieb genommen im Juli 2006, die Anlage hat eine Betriebskapazität zur Bewältigung von 12 Millionen US‑Gallonen Wasser pro Tag.
Im Jahr 2023 vollendete das Unternehmen die Übernahme der verbleibenden 39 % Beteiligung an der PERC Water Corporation („PERC“), um 100 % Eigentümer dieser Tochtergesellschaft zu werden, die Wasserinfrastruktur‑Einrichtungen im Südwesten der USA entwirft, baut, betreibt und verwaltet.
Im selben Jahr erhielt PERC $204 Millionen Vertrag zur Planung, zum Bau und zum Betrieb einer neuen Entsalzungsanlage in Honolulu, Hawaii.
Die Unternehmens Einzelhandelsbetriebe auf den Kaimaninseln produzieren Trinkwasser in drei Seawater Reverse Osmosis Entsalzungsanlagen auf Grand Cayman, die sich an den Standorten Abel Castillo Water Works („ACWW“) und West Bay befinden.
Die aktuelle Gesamtkapazität der beiden bei ACWW befindlichen Anlagen beträgt 3,0 Millionen Gallonen Wasser pro Tag. Die Produktionskapazität der West Bay Anlage beträgt 1.000.000 Gallonen Wasser pro Tag.
CWCO Preisdiagramm
Im Jahr 2023 erzielte das Unternehmen einen Umsatz von US$180,2 Millionen, ein signifikanter Anstieg gegenüber dem Umsatz von US$94,1 Millionen im Jahr 2022. 2023 verzeichnete das Unternehmen einen Rekord‑Nettoertrag und Gewinn pro Aktie aus fortgeführten Geschäften von $30,7 Millionen bzw. $1,93. Der Kurs der Unternehmens Stammaktie erreichte im November 2023 ein Allzeithoch von US$38,29.
#2. Veolia
Das Unternehmen sieht Entsalzung als Schlüssellösung zur Bekämpfung der Wasserknappheit. Es behauptet, Hunderte von Entsalzungsanlagen und -systemen weltweit, die Süßwasser für sowohl kommunale als auch industrielle Bedürfnisse bereitstellen. Das Unternehmens jüngste Vorzeigeprojekte umfassten die Al Dur 2‑Anlage in Bahrain, die Rabigh 3‑Anlage in Saudi-Arabien und die Umm Al Quwain IWP‑Anlage in den VAE.
Seit 2007 ist das Unternehmen für den Bau und Betrieb der Seawater Reverse Osmosis Anlage von Sur gemeinsam mit der Oman Power and Water Procurement Company (OPWP) verantwortlich. Die Anlage versorgt mehr als 600.000 Menschen mit Trinkwasser. Veolia baut zudem Entsalzungsanlagen für industrielle Bedürfnisse.
Veolias proprietäre Barrel‑Technologie ist ein sicheres, kompaktes und digitales RO‑Entsalzungssystem, dessen Plug‑and‑Play‑Ansatz einen schnellen Zeitplan ermöglicht während seine eingebetteten digitalen Sensoren eine effiziente Fernüberwachung gewährleisten.
Veolia, abgesehen von ihren direkten Entsalzungslösungen, unterstützt ihre Kunden zudem mit einer Kombination aus digitalen Werkzeugen und Fachwissen, die Prozesse intelligenter, sicherer und nachhaltiger macht.
Das Portfolio seiner installierten Basisdienste bietet maßgeschneiderte Wasseraufbereitungsdienste, die auf die genauen Bedürfnisse des Kunden zugeschnitten sind. Die mobilen Wasserdienste von Veolia umfassen Mietanlagen, die die Standortbetriebe des Kunden für temporäre und langfristige Wasseraufbereitungsbedürfnisse unterstützen und unterstützen. Schließlich bietet das Unternehmen unter seiner Sparte für chemische Wasseraufbereitungsprogramme, dem Unternehmen bietet Wasserhygiene- und HYDREX‑Chemielösungen an, die die Leistung von Versorgungs- und Wasseraufbereitungsanlagen verbessern.
Veolia (OTC: VEOVY) Aktien werden am Over‑the‑Counter‑Markt (OTC) gehandelt. Im ersten Halbjahr 2024 registrierte das Unternehmen verzeichnete einen Umsatz von 22,141 Milliarden Euro, ein leichter Rückgang gegenüber dem Umsatz von 22,755 Milliarden Euro im ersten Halbjahr 2023. Von diesen 22,141 Milliarden stammen fast 8,8 Milliarden Euro aus dem Geschäftsbereich, der Wasserbedürfnisse bedient. Die anderen beiden betreffen Abfall und Energie.
Die wachsende Bedeutung der Entsalzung
Ein erheblicher Teil des Wassers stammt bereits aus der Entsalzung. Laut den von der International Desalination Association präsentierten Daten hat die kumulierte vertragliche Entsalzungskapazität nun 100 Millionen m³/Tag und fast 60 % der Entsalzung dem menschlichen Verbrauch zugeordnet. Nach Schätzungen, verlassen sich etwa 300 Millionen Menschen auf diesen Prozess für ihren täglichen Wasserverbrauch. Länder wie Kuwait erzeugen fast 100 % ihres Frischwasserverbrauchs durch Entsalzung.
Allerdings sind Entsalzungsprojekte weltweit noch nicht gleichmäßig verteilt. Die Regionen Naher Osten und Nordamerika machen zusammen mehr als 70 % der weltweiten Entsalzungskapazität. Von diesen 70 % allein der Naher Osten macht mehr als 53 % aus.
Daten deuten zudem darauf hin, dass es mehr als 21.000 Meerwasserentsalzungsanlagen im Jahr 2022, mit einer täglichen globalen Produktion von 99 Millionen m³/Tag entsalztem Wasser. Allerdings führt dieses Produktionsvolumen auch zu mehr als 150 Millionen m³/Tag Brine‑Nebenprodukt. Brine ist das leicht konzentrierte Meerwasser, das von den Entsalzungsanlagen ins Meer zurückgeworfen wird. Der Salzgehalt der Brine beträgt etwa 60 g/l, während das Meerwasser bei 40 g/l liegt, und die Temperatur der zurückgeworfenen Brine ist leicht höher als die des Meerwassers – ein paar Grad Celsius.
Zukünftige Forschung muss Zeit und Ressourcen investieren, um Wege zu finden, die umweltfreundlicher zu sein. Der Einsatz von Solarenergie beim Betrieb dieser Anlagen reduziert den CO₂‑Fußabdruck dieser Einrichtungen erheblich. Die zukünftige Forschung muss jedoch sicherstellen, dass nahezu das gesamte zugeführte Meerwasser in frisches Trinkwasser umgewandelt wird. Dies wird gewährleisten, dass es keine schädlichen Ableitungen entstehen als Nebenprodukt.
Erfolgreiche Transport- und Verteilungsmechanismen werden sicherstellen, dass dieses Wasser über die an der Küste liegenden Nationen hinaus und trockene, dürregeplagte Regionen erreicht, in denen keine bedeutende Trinkwasserquelle in der Nähe ist.
