Nachhaltigkeit
Nachhaltige Entsalzung – Wie reifende Solartechnologie unseren Ansatz für Wasserkrisen verändert
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Wasser ist Leben
Investoren und Technologen konzentrieren sich häufig auf die wertvollsten oder technisch nützlichsten natürlichen Ressourcen und Rohstoffe, wie Gold, Seltene Erden oder Lithium. Doch eine viel einfachere Ressource wird täglich in riesigen Mengen benötigt, um unsere Zivilisation zu erhalten: Süßwasser.
Obwohl es in den meisten Teilen der Welt buchstäblich vom Himmel fällt, steht seine Verfügbarkeit in der modernen Zivilisation weiterhin unter starkem Druck, da wir es für Industrie, Landwirtschaft und menschliche Bedürfnisse verbrauchen.
Nur 3 % des weltweiten Wassers ist nutzbares Süßwasser, 97 % sind salzhaltig (salzhaltiges Grundwasser und Meerwasser). Von diesem Süßwasser befinden sich 69 % in Gletschern und Polareiskappen, 30 % im Grundwasser und nur 1 % als Oberflächenwasser.
Quelle: USGS
In vielen Regionen ist daher die einzige verfügbare Wasserquelle salzhaltig. Entsalzung ist möglich, erfordert jedoch enorme Energiemengen. Bisher wurde sie häufig mit fossilen Brennstoffen durchgeführt, da die meisten Entsalzungstechniken energieintensiv sind und einen konstanten, stabilen Energiefluss benötigen.
Dies könnte sich ändern, dank einer neuen Methode, die von MIT‑Ingenieuren entwickelt und in Nature Water unter dem Titel “Direktantrieb‑Photovoltaik‑Elektrodialyse mittels flussgesteuerter Stromkontrolle” veröffentlicht wurde.
Solarentsalzung
Auf den ersten Blick scheint Solarenergie die logischste Energiequelle für den Betrieb von Entsalzungsanlagen zu sein. Sie ist nicht nur kostenlos von der Sonne bereitgestellt, sondern ist auch in trockenen Regionen wie Wüsten, die häufig am meisten Entsalzung benötigen, im Überfluss vorhanden.
Da Solarenergie Tag für Tag günstiger wird, wird sie voraussichtlich weiter als Energiequelle wachsen, wie wir in unserem Artikel “Das Sonnenzeitalter – Eine helle Zukunft für die Menschheit” beschrieben haben.
Ein Problem bleibt – Solarenergie wird nur erzeugt, wenn die Sonne scheint. Das bedeutet, dass die meisten rein solarbetriebenen Entsalzungsanlagen an ein Batteriesystem gekoppelt werden müssten, um effizient zu arbeiten, was die Kosten erhöht.
Dies ist besonders problematisch für aktuelle Entsalzungstechniken wie Umkehrosmose, die stabile Bedingungen und eine gleichmäßige Energieversorgung benötigen, um effizient zu sein. Denn sie erfordern konstanten Druck auf die Osmosemembranen.
Das verhindert jede kleinmaßstäbliche Entsalzung und kostengünstige Verfahren, solange Energiespeicher noch teuer sind. Das könnte sich ändern, wie wir in “Die Zukunft der Energiespeicherung –Technologie von Versorgungs‑Batterien” diskutierten; dennoch könnte es besser sein, sich auch an die natürlichen Schwankungen der Solarenergie anzupassen, einschließlich sehr kurzfristiger Schwankungen wie vorbeiziehender Wolken.
Flexible Batch‑Elektrodialyse
Die MIT‑Forscher bevorzugten diesen Ansatz. Sie untersuchten die Elektrodialyse, ein alternatives Verfahren zur Umkehrosmose für die Entsalzung. Elektrodialyse nutzt ein elektrisches Feld, um Salzionen herauszuziehen, während Wasser durch einen Stapel von Ionenaustauschmembranen gepumpt wird.
Quelle: Nature Water
Für ihr neues Design entwickelten sie ein modellbasiertes Steuerungssystem, das mit Sensoren in allen Teilen der Anlage verbunden ist. Es sagte die optimale Pumpgeschwindigkeit und die Spannung voraus, die angewendet werden sollte, um die Menge des aus dem Wasser herausgezogenen Salzes zu maximieren.
Auf diese Weise konnte der Entsalzungsbetrieb in Echtzeit mit der erzeugten Solarenergie schwanken.
Quelle: Nature Water
Im Durchschnitt nutzte das System direkt 77 % der von den Solarpaneelen erzeugten elektrischen Energie, was das Team schätzte, sei 91 % mehr als bei traditionell konzipierten solarbetriebenen Elektrodialysesystemen.
Weitere Verbesserungen
Die fast verdoppelte Ausnutzung der Solarenergie im Vergleich zu früheren Elektrodialysesystemen könnte noch durch regelmäßigeres Optimieren & Automatisieren gesteigert werden:
Wir konnten nur alle drei Minuten berechnen, und in dieser Zeit konnte eine Wolke buchstäblich vorbeiziehen und die Sonne blockieren.
Das System könnte sagen: „Ich muss mit hoher Leistung laufen.“ Aber ein Teil dieser Leistung ist plötzlich gesunken, weil weniger Sonnenlicht vorhanden ist. Deshalb mussten wir diese Leistung mit zusätzlichen Batterien ausgleichen.
Amos Winter – Direktor des K. Lisa Yang Global Engineering and Research (GEAR) Center am MIT
Dies war ein Proof‑of‑Concept‑Projekt und wird in Kürze in ein kommerzielles Design überführt, da das Team in den kommenden Monaten ein Unternehmen auf Basis ihrer Technologie gründen wird.
Dieses Forschungsprojekt wurde zudem in‑kind von Veolia Water Technologies and Solutions (VIE.PA) und Xylem Goulds (XYL ) unterstützt.
Nicht nur Meerwasser
Das Forschungsteam konzentrierte sich auf die Entsalzung von Brackwasser‑Grundwasser, das unter der Erde in New Mexico vorkommt. Da viele Bevölkerungszentren in trockenen Gebieten weit vom Meer entfernt sind, kann dies eine wichtige, derzeit aufgrund des Salzgehalts nicht verfügbare Wasserquelle darstellen.
„Der Großteil der Bevölkerung lebt tatsächlich so weit vom Meer entfernt, dass Meerwasserentsalzung sie nie erreichen könnte. Sie sind daher stark auf Grundwasser angewiesen, besonders in abgelegenen, einkommensschwachen Regionen. Und leider wird dieses Grundwasser durch den Klimawandel immer salziger.“
Das Forschungsmodell konnte bereits genug Süßwasser erzeugen, um 3 000 Menschen zu versorgen. Es wurde 6 Monate lang im Nationalen Forschungszentrum für Brackwasser‑Entsalzung in Alamogordo, New Mexico, betrieben.
Nicht nur Wüstengebiete
Wir denken häufig, dass Wasserknappheit und ein dringender Bedarf an Entsalzung nur in trockenen Regionen wie New Mexico oder Saudi‑Arabien auftreten. Doch auch „nasse“ Regionen können betroffen sein. Zum Beispiel erwägt das Vereinigte Königreich, während einer Dürre frisches Wasser aus Norwegen zu importieren.
Ähnlich ist Kanada von einer Krise der Frisch‑ und Sauberversorgung betroffen, was zu einer Klage über 1,1 Mrd. $ gegen die kanadische Regierung von über 50 First Nations nach einer jüngsten Vergleichszahlung von 8 Mrd. $ führte.
Unterdessen drohen Taiwans Wasserknappheiten die entscheidende Halbleiterindustrie, das Rückgrat der Wirtschaft der Insel.
Und der Klimawandel könnte jede dieser separaten Krisen im Laufe der Zeit verschärfen.
Viele Regionen und einkommensschwache Länder könnten ebenfalls davon profitieren, mehr Wasser zu nutzen, etwa zur Steigerung der Ernteerträge, wobei Meerwasser als offensichtliche Quelle für unbegrenzte Versorgung gilt, solange die Entsalzung preiswert genug ist und die Energie von der Sommer‑Sonne bereitgestellt wird.
Alternativ zur Entsalzung könnte das Herausziehen von Wasser aus der Luft dank schnell verbessernder atmosphärischer Wasserernter möglich sein.
Investitionen in Wasser
Der Zugang zu sauberem Süßwasser wurde seit 2010 von den Vereinten Nationen als Menschenrecht anerkannt. Es ist eine große Branche, die 2023 mit 323 Mrd. $ bewertet wurde und voraussichtlich bis 2032 mit einer CAGR von 7,5 % auf 617 Mrd. $ wachsen wird.
Sie ist zudem ein Sektor, der durch Ressourcenverfügbarkeit und Energiekosten eingeschränkt ist – ein Problem, das weniger kritisch werden könnte, da Solarenergie immer günstiger wird und neue Verfahren zur Wasserproduktion entstehen. Vorausgesetzt, der Klimawandel verursacht keine kritischen Engpässe.
Wenn Sie nicht an einzelnen Wasserunternehmen interessiert sind, können Sie auch in Wasser‑ETFs investieren, etwa den Global X Clean Water ETF (AQWA), den iShares Global Water UCITS ETF (IH2O) oder den Amundi MSCI Water ESG Screened ETF (WAT), die eine breitere Diversifizierung ermöglichen, um vom wachsenden Wassersektor zu profitieren.
Unternehmen, die Wasserknappheit lösen
Xylem Inc.
Gemeinsam mit dem europäischen Unternehmen Veolia ist Xylem ein globaler Marktführer in der Wasseraufbereitung, Abwasserbehandlung und Entsalzung. Das Unternehmen beschäftigt über 23 000 Mitarbeiter (davon über 6 000 Ingenieure) und ist in 150 Ländern aktiv, mit Schwerpunkt in den USA und über 35 000 direkten Industriekunden.
XYL Preisdiagramm
Der Hauptmarkt liegt im kommunalen Trink‑ und Abwasserbereich, doch Xylem liefert auch spezialisierte Lösungen für andere Sektoren wie Gesundheitswesen, Energie, Lebensmittel & Getränke, Öl & Gas, Mikroelektronik usw.
Quelle: Xylem
Xylem kann die kritischen, patentierten Geräte zur Wasserreinigung oder -erzeugung bereitstellen, etwa Ozon‑Generatoren, UV‑Lampen, Entsalzungs‑Membranen, Ultra‑rein‑Wasser‑Generatoren usw. Gleichzeitig liefert das Unternehmen „einfachere“ Geräte, die für wasserbezogene Prozesse ebenso entscheidend sind, wie Turbinen, Pumpen, Rohrleitungen, Injektion, Software usw., sowie Wartungs‑, Reparatur‑ und Installationsdienste.
Quelle: Xylem
Der Wassermarkt bleibt nach wie vor stark fragmentiert; Xylem ist eines der größten Unternehmen im Sektor, hält jedoch „nur“ einen Marktanteil von 10 % des adressierbaren Marktes von 80 Mrd. $.
Das Unternehmen investiert rund 4 % seines Umsatzes in Forschung & Entwicklung. Es dürfte von neuen Vorschriften zu PFAS (Per‑ und polyfluorierte Alkylsubstanzen, auch „Ewig‑Chemikalien“ genannt) profitieren, da über 6 000 Versorgungsbetriebe solche PFAS‑Behandlungen benötigen.
Xylem wächst stetig, wobei das Nettoeinkommen von 297 Mio. $ im Jahr 2012 auf 609 Mio. $ im Jahr 2023 gestiegen ist, bei einer stabilen EBITDA‑Marge von 17‑219 %.
Insgesamt macht dies das Investitionsprofil des Unternehmens weniger dem eines typischen Industrieunternehmens (oft konjunkturabhängig) und mehr dem eines Versorgungsunternehmens, das mit der Gesamtwirtschaft oder leicht darüber hinaus wächst – ähnlich wie die meisten seiner Kunden.
