Entsalzung: Unser Essential Guide zur Entsalzung und zur globalen Wasserkrise

Entsalzung: Den wachsenden Durst auf der ganzen Welt stillen

Mit mehr als 20.000 Anlagen, die jetzt auf der ganzen Welt unter Vertrag stehen, ermöglicht die Entsalzung den Ländern, angesichts wachsender Klimabedenken die Wassersicherheit für zukünftige Generationen zu gewährleisten. Durch die Umwandlung von Salzwasser kann das Verfahren Süßwasser in Gebieten ohne natürliches Grundwasser oder Oberflächenwasser liefern. Zusammen mit der Wiederverwendung von Wasser kann die Entsalzung Lösungen für die Wasserknappheit bieten und in einigen Ländern über 90 Prozent der gesamten Wasserversorgung bereitstellen. Der rasant wachsende Fortschritt in der Wasserwiederverwendung, insbesondere die direkte und indirekte Trinkwasserwiederverwendung von kommunalem Abwasser, nutzt die Entsalzungsmembrantechnologie. Welche Prozesse und Technologien sind an der Entsalzung beteiligt? Was ist der Unterschied zwischen MED und MSF thermal treatment? Was sind die Vor- und Nachteile der Entsalzung? Unser Essential Guide taucht tiefer in die Entsalzung und die damit verbundenen Prozesse ein.

Was ist Entsalzung?

Entsalzung bezieht sich auf einen Prozess, bei dem das Salz aus dem Wasser genommen wird, um es trinkbar zu machen. Bei der Entsalzung wird entweder Meer- oder Brackwasser behandelt, um Süßwasser zu erzeugen. Um dies zu erreichen, umfassen Entsalzungsanlagen mehrere Technologien, von der Vorbehandlung bis hin zu Pumpen und Membranen.

Laut dem neuen Wassersicherheitshandbuch der International Desalination Association (IDA) liegt die weltweit installierte Entsalzungskapazität bei 97.4 Millionen Kubikmeter pro Tag (m3 / Tag), während die gesamte globale kumulierte kontrahierte Kapazität 104,7 Millionen m3 / d beträgt.

Zum 30. Juni 2018 wurden weltweit mehr als 20.000 Entsalzungsanlagen kontrahiert. Nach Angaben der International Water Association (IWA) liefert die Entsalzung immer noch nur ein Prozent des weltweiten Trinkwassers, wächst aber „von Jahr zu Jahr“.Die Nachricht für die Entsalzung ist, dass die Weltmeere über 97,2 Prozent der Wasserressourcen des Planeten enthalten, „dürresicher und praktisch unbegrenzt“ sind.

Der Entsalzungsprozess kann sich entweder auf Brackwasser oder Meerwasser konzentrieren. Bei Brackwasser hat das Wasser einen Salzgehalt von weniger als 10.000 mg / L. Meerwasser hat einen höheren Salzgehalt im Bereich von 30.000 bis 44.000 mg / L.

Neben Brack- und Meerwasser können nach Angaben der American Membrane Technology Association (AMTA) Brunnen, Oberflächengewässer (Flüsse und Bäche), Abwasser sowie industrielle Futter- und Prozesswässer andere Quellen sein.

Rund 44 Prozent der gesamten globalen Entsalzungskapazität befinden sich im Nahen Osten und in Nordamerika, wobei ein Wachstum von sieben bis neun Prozent pro Jahr erwartet wird. Die IWA sagte, dass die erwarteten „Hot Spots“ für beschleunigte Entsalzungsaktivitäten in Asien, den USA und Lateinamerika liegen.

Der Markt für industrielle Entsalzung ist ebenfalls wichtig. Zwischen 2016 und 2017 wuchs allein dieser Markt laut IDA um 21 Prozent. Upstream- und Downstream-Öl & Gasaktivitäten machten auch einen erheblichen Teil der vertraglich vereinbarten Industriekapazität im Jahr 2017 aus.

Auch im Bergbau wurden allein im ersten Halbjahr 2018 über 200.000 m3/Tag an neuen Kapazitäten vergeben. Die Mikroelektronik ist eine weitere durstige Branche, die zu neuen Möglichkeiten für Entsalzungstechnologien führt, wobei sich die vertraglich vereinbarte Kapazität zwischen 2016 und 2017 mehr als verdoppelt hat.

Was sind die Entsalzungsprozesse?

Es gibt zwei Haupttypen von Entsalzungsprozessen: membran (Umkehrosmose (RO) und Nanofiltration (NF) und thermische, die Multi-Effekt-Destillation (MED), mehrstufige Flash-Destillation (MSF) und mechanische Dampfkompression (MVC) umfasst. Weitere Technologien und Verfahren sind die Elektrodialyse (ED), die Vorwärtsosmose (FO) und die Membrandestillation (MD).

Membranbasierte Entsalzung stellt weiterhin die überwiegende Mehrheit der installierten Entsalzungskapazität bereit. So entfielen 2017 95,6 Prozent der vertraglich vereinbarten Jahreskapazität auf die Membrantechnologie, während thermische Prozesse lediglich 4,4 Prozent ausmachten.

Diagramm Entsalzung - Osmose

  • Membranentsalzung
  • Nach AMTA: Umkehrosmose (RO) und Nanofiltration (NF) sind die führenden druckgetriebenen Membranverfahren. Membrankonfigurationen umfassen Spiralwunden, Hohlfasern und Bleche, wobei Spiralen am häufigsten verwendet werden. Zeitgenössische Membranen umfassen hauptsächlich polymere Materialien, wobei Celluloseacetat noch in viel geringerem Maße verwendet wird. Ein bemerkenswertes Beispiel ist die Dünnschichtverbundmembran (TFC), die Polyamid als aktive Schicht enthält. Je nach Speisewassersalzgehalt liegen die Betriebsdrücke für RO und NF im Bereich von 50 bis 1.000 PSIG (3,4 bis 68 bar, 345 bis 6896 kPa). Die Meerwasser-RO benötigt eine elektrische Leistung von 3,0 bis 3,5 kWh/m3.

  • Multieffektdestillation (MED)
  • MED ist ein thermischer Niedertemperaturprozess, bei dem Süßwasser gewonnen wird, indem der Dampf von kochendem Meerwasser in einer Folge von Gefäßen zurückgewonnen wird, die als multiple Effekte bezeichnet werden. In einem Gefäß abgekochter Dampf kann dann zum Erhitzen des nächsten verwendet werden, da der Siedepunkt des Wassers gleichzeitig mit dem Druck abnimmt. Infolgedessen benötigt laut Sidem nur das erste Gefäß eine externe Wärmequelle. Kurz gesagt: Vom ersten bis zum letzten Gefäß sinken sowohl Druck als auch Temperatur von heiß auf kalt. Der MED-Prozess benötigt Wärmeeintrag und elektrische Leistung von 0,9 bis 1,5 kWh/m3.

  • Multi-Stage Flash Distillation (MSF)
  • Im kommerziellen Einsatz seit den 1950er Jahren, wie MED, Multi-Stage Flash (MSF) umfasst eine Reihe von Stufen. Meerwasser oder aufbereitete Sole, die in den Rohren fließt, wird durch Dampf erhitzt, der von Turbinen im Wärmetauscher, dem sogenannten Soleerhitzer, abgezogen wird. Dieses erwärmte Meerwasser fließt durch den Soleerhitzer zu den Verdampferstufen, die jeweils mit einer niedrigeren Temperatur und einem niedrigeren Druck arbeiten. Dadurch entsteht in der Sole ständig Wasserdampf, der an den Rohren kondensiert und in jeder Stufe als Destillierprodukt aufgefangen wird. Der kondensierende Wasserdampf erwärmt die in den Rohren strömende Meerwassersole vor und gewinnt die Wärme zurück. In den Wärmerückgewinnungsstufen werden die letzten Stufen von MSF, das Sole-Blowdown und das Destillat gekühlt und die verbleibende Wärme wird im Wärmeabweisungsbereich von MSF zurückgewiesen. Der MSF-Prozess benötigt Wärmeeintrag und elektrische Leistung von 3,5 bis 4,5 kWh/m3.

  • Mechanische Dampfkompression (MVC)
  • Beim MVC-Verfahren gelangt Meerwasser in die Vorwärmeinheit, wo es Wärmeenergie mit Konzentrat- und Produktwasserabwässern austauscht. Vorgewärmtes Meerwasser wird über Bündel von Wärmetauschschläuchen gesprüht, die eine höhere Temperatur als Meerwasser haben. Hier verdampft das Meerwasser teilweise. Wasserdämpfe werden mit einem mechanischen Kompressor komprimiert und in die Schläuche von Wärmeaustauschbündeln gepumpt. Der komprimierte Dampf kondensiert im Schlauch und setzt Energie frei, die auf Meerwasser übertragen wird, das über den Schlauch gesprüht wird, und dessen Verdampfung verursacht.

  • Elektrodialyse (ED)
  • Die Prozesse der Elektrodialyse (ED) und der Elektrodialyse-Umkehrung (EDR) werden durch Gleichstrom (DC) angetrieben, bei dem Ionen durch ionenselektive Membranen zu Elektroden entgegengesetzter Ladung fließen AMTA. Dies ist das Gegenteil im Vergleich zu Wasser in druckgetriebenen Prozessen, wie oben beschrieben. In EDR-Systemen wird die Polarität der Elektroden periodisch umgekehrt. Ionenübertragende (perm-selektive) Anion- und Kationenmembranen trennen die Ionen im Speisewasser. Diese Systeme werden in erster Linie in Gewässern mit niedrigen Gesamt gelösten Feststoffen (TDS) verwendet.

  • Vorwärtsosmose (FO)
  • Im Vergleich zu RO, wo Salzwasser durch eine Membran gedrückt wird, verwendet die Vorwärtsosmose (FO) stattdessen den osmotischen Druck, der aus einem natürlichen Salzkonzentrationsgradienten als treibende Kraft durch eine Membran erzeugt wird. Für diese Arbeit gibt es das Speisewasser – oft Meerwasser – auf der einen Seite und Membran und dann eine Ziehlösung auf der anderen Seite. Laut AMTA bedeutet dies, dass das Wasser aus der Zufuhrlösung ohne Anwendung eines externen Drucks auf natürliche Weise durch die Membran zur Abzugslösung migriert. Die verdünnte Lösung wird dann verarbeitet, um das Produkt von der wiederverwendbaren Ziehlösung zu trennen.

Entsalzungskosten

Die Kosten für die Entsalzung können in folgende Elemente unterteilt werden: Fixkosten (37 Prozent), Arbeitsaufwand (4 Prozent), Membranersatz (5 Prozent), Wartung und Ersatzteile (7 Prozent), Verbrauchsmaterialien (3 Prozent) und elektrische Energie (44 Prozent).

Die Entsalzung wurde in der Vergangenheit als teurere Option im Vergleich zur traditionellen Behandlung von Oberflächen- oder Grundwasser mit Preisen von etwa 1 US-Dollar pro Kubikmeter ($ / m3) angesehen. Einer der jüngsten Durchbrüche bei der Entsalzung war jedoch eine Verbesserung der Gesamtkosten, einschließlich der Betriebsausgaben (OPEX) sowie der Anfangsinvestitionen (CAPEX). In den letzten 20 Jahren konnte dieser durch Fortschritte in Technologie und Ausrüstung um 80 Prozent reduziert werden.

In jüngster Zeit ist der Preis bei Projektausschreibungen in Abu Dhabi, Saudi-Arabien und Israel erstmals unter 0,50 USD /m3 gefallen. „Nach einem Jahrzehnt, in dem die Preise aufgrund hoher Materialkosten und höherer Energiekosten nach oben drifteten, ist dies eine sehr gute Nachricht. In der Tat erwarten wir, dass 2019 das beste Jahr aller Zeiten auf dem Entsalzungsmarkt sein wird „, sagte Christopher Gasson, Herausgeber von GWI.

Bei einer Meerwasserentsalzung von 0,40 USD / m3 nähern sich die Kosten der indirekten Wiederverwendung von Trinkwasser mit Preisen im Bereich von 0,30 bis 0,40 USD.

Im IDA Water Security Handbook spielen mehrere Faktoren eine Rolle, warum die Entsalzungskosten in letzter Zeit ein historisch niedriges Niveau erreicht haben. Dazu gehört die „kosteneffiziente Optimierung des Bauprozesses“, die den Erfahrungen der Bauunternehmer nach jahrelangen Großprojekten folgt. Dies, gepaart mit neuen Vertrags- und Finanzmodellen sowie niedrigeren Zinssätzen im Finanzsektor, tragen dazu bei, die Tarife zu „drücken“.

Darüber hinaus tragen die geringeren Kosten für Komponenten von Entsalzungsanlagen aufgrund niedrigerer Erdölpreise dazu bei, den Preis zu senken.

„Darüber hinaus wurden Energieeinsparungen durch Fortschritte bei Membranen erzielt, die weniger Eingangsdruck erfordern, energieeffiziente Rückgewinnungsgeräte und größere Umkehrosmosestränge mit größeren Pumpen und Motoren, die höhere Wirkungsgrade erzielen können“, fügte Carlos Cosín, IDA und CEO von Almar Water Solutions, hinzu.

Was sind die größten Entsalzungsanlagen der Welt?

Wie Aquatech Global Events berichtet, galt das kürzlich in Saudi-Arabien vergebene Rabigh 3-Projekt mit einer Kapazität von 600.000 m3 / Tag als eine der größten Anlagen der Welt. Weltweit sind jedoch viel größere Entsalzungsanlagen in Betrieb. Nachfolgend finden Sie eine Liste der fünf größten Projekte der Welt.

  1. Ras Al Khair, Saudi-Arabien: 1.036.000 m3 / Tag
  2. Das massive Ras Al-Khair, das gemeinhin als das Entsalzungs-Schwergewicht der Welt gilt, ist ein Hybridprojekt, das sowohl thermische mehrstufige Flash- (MSF) als auch Umkehrosmose- (RO) Technologien verwendet. Der Standort liegt 75 km nordwestlich von Jubail und bedient Riad und verfügt mit einer Kapazität von 2.400 MW auch über eine erhebliche Stromerzeugungskomponente. Der Hauptauftragnehmer für den Anlagenbau war Doosan und sein Konsortialpartner Saudi Archirodon, wobei Poyry als Berater für das Projekt fungierte.

  3. Taweelah, VAE – 909.200 m3/ Tag
  4. Die Emirates Water and Electricity Company und ACWA Power haben den Wasserkaufvertrag für die weltweit größte Meerwasser-Umkehrosmose-Entsalzungsanlage im Taweelah Power and Water Complex, 50 km nördlich von Abu Dhabi, unterzeichnet. ACWA Power, mit dem Hauptentwickler des Projekts und einem 40-prozentigen Aktionär, bestätigte den erfolgreichen finanziellen Abschluss der weltweit größten SWRO-Anlage, zu einem Preis von US $ 847m, hat den Tarif für entsalztes Wasser 49.05 Cent / m3. Der Bau des Projekts begann im Mai 2019, die Fertigstellung wird für Oktober 2022 erwartet. Die Anlage wird voraussichtlich 909.200 Kubikmeter Wasser pro Tag liefern. Nach der Fertigstellung wird erwartet, dass die Taweelah Power and Water Development den Anteil des Emirats an entsalztem produziertem Wasser durch RO von heute 13 Prozent auf 30 Prozent bis 2022 erhöhen wird.

  5. Shuaiba 3, Saudi-Arabien – 880.000 m3/ Tag
  6. Ein Konsortium, an dem Siemens aus Deutschland für das Kraftwerk und Doosan für die thermische Entsalzungsanlage beteiligt waren, wurde von ACWA Power mit der Projektierung, Beschaffung und dem Bau der Anlage beauftragt. Eine Erweiterung der Anlage wurde abgeschlossen und eine Erweiterung befindet sich in der letzten Bauphase mit einer zusätzlichen RO-Kapazität von insgesamt 400.000 m3 / Tag, so ACWA Power. Nach Fertigstellung wird Shuaiba schließlich Ras Al Khair als größte in Betrieb befindliche Entsalzungsanlage mit einer Gesamtkapazität von 1.282.000 m3 / Tag überholen.

  7. Sorek, Israel – 624.000 m3/ Tag
  8. Sorek könnte mit einer enormen Kapazität von 624.000 m3 / Tag als die schwergewichtige Membrananlage der Welt angesehen werden. Das 15 km südlich von Tel Aviv in Israel gelegene und von IDE Technologies entwickelte Projekt war und ist einzigartig in der Verwendung von 16-Zoll-Meerwasser-Umkehrosmosemembranen, jedoch in vertikaler Formation. Eine Weiterentwicklung – Sorek 2 – IDE Technologies und Bank Leumi haben die PPP-Ausschreibung der israelischen Regierung für den Bau und Betrieb der Wasserentsalzungsanlage Sorek 2 gewonnen. IDE hat nun vier der fünf Ausschreibungen für den Betrieb von Entsalzungsanlagen in Israel gewonnen. Das Angebot mit einem beispiellosen Preis von 0,41 USD pro Kubikmeter Wasser sieht die jährliche Produktion von 200 Millionen Kubikmetern Wasser (Nennkapazität von 548.000 m3 / Tag) vor. Nach Fertigstellung wird Sorek 2 neben Hadera, Ashkelon, der ersten Sorek, Palmachim und Ashdod die sechste Entsalzungsanlage in Israel sein.

  9. JUBAIL 3A IWP – 600.000 m3/ Tag
  10. In diesem Jahr Im April 2020 wurde der 25-jährige Wasserkaufvertrag mit der Saudi Water Partnership Company (SWPC) von einem von ACWA Power geführten Konsortium einschließlich der Gulf Investment Corporation (GIC) und der Al Bawani Water & Power Company (AWP) unterzeichnet. Im Rahmen der Partnerschaft wird das von ACWA Power geleitete Konsortium die Entsalzungsanlage sowie die dazugehörigen Trinkwasserspeicher und elektrischen Sonderanlagen planen, bauen, in Betrieb nehmen, betreiben und warten. Das ACWA-Konsortium legte die niedrigsten Wasserkosten von USD 0,41 pro m3 vor. Mit einem Investitionswert von 650 Millionen US-Dollar wird das unabhängige Wasserwerk Jubail 3A (IWP) 600.000 m3 Trinkwasser / Tag erzeugen. Das Greenfield-Meerwasser-Umkehrosmose-Entsalzungsprojekt wird in Jubail, Königreich Saudi-Arabien, stattfinden. Der Engineering Procurement Construction Contract wurde an ein Konsortium bestehend aus Power China, SEPCO-III und Abengoa vergeben.

Vor- und Nachteile der Entsalzung

Nachteile der Entsalzung

Eine der größeren ökologischen Herausforderungen im Zusammenhang mit der Entsalzung ist die Verwaltung des Nebenprodukts der Sole – ein Abfall mit hohem Salzgehalt, der während des Prozesses entsteht.

Im Jahr 2019 unterstützten die Vereinten Nationen (UN) ein Papier mit dem Titel ‚The state of desalination and brine production: A global outlook‘.

Das Papier bezeichnete Sole als ’salziges Dilemma‘, wobei Entsalzungsanlagen auf der ganzen Welt zusammen 142 Millionen Kubikmeter Hypersalinsole pro Tag ablassen.

Vier Nationen des Nahen Ostens – Saudi–Arabien, Kuwait, die Vereinigten Arabischen Emirate und Katar – waren für mehr als die Hälfte der weltweiten Soleerzeugung verantwortlich, wobei die Autoren des Berichts angaben, dass Anlagen im Nahen Osten „viermal so viel Sole pro Kubikmeter sauberes Wasser produzierten wie Anlagen, in denen Flusswassermembranprozesse dominieren“. Es ist jedoch zu beachten, dass Flusswasser nicht den gleichen Salzgehalt wie Meerwasser enthält, sodass der Vergleich hier nicht gleich ist.

Ein weiteres Problem sind die möglichen Auswirkungen von Impingement und Entrainment (I&E), die mit dem Betrieb von offenen Ozeaneinlässen für Meerwasserentsalzungsanlagen verbunden sind.

Ein Aufprall kann auftreten, wenn Organismen, die groß genug sind, um nicht durch die Bildschirme zu gelangen, durch die Kraft des fließenden Quellwassers an ihnen eingeschlossen werden, so die EPA.

In der Zwischenzeit tritt eine Mitnahme auf, wenn Meeresorganismen in den Einlass der Entsalzungsanlage gelangen, in das Ansaugsystem gezogen werden und die Behandlungseinrichtungen passieren.

Das Ausmaß der Umweltauswirkungen auf Meeresorganismen, die direkt durch das Auftreffen und Mitreißen von Meerwassereinlässen verursacht werden, ist jedoch nach Angaben der Water Reuse Association standortspezifisch. Es kann von Projekt zu Projekt erheblich variieren, und modernere Anlagen, die Umweltstandards einhalten, weisen extrem niedrige I&E auf.

Vorteile der Entsalzung

Weltweit sind mehr als 300 Millionen Menschen für einige oder alle ihre täglichen Bedürfnisse auf entsalztes Wasser angewiesen. Insgesamt wird die Entsalzung in 150 Ländern auf der ganzen Welt praktiziert, mit insgesamt 20.516 Entsalzungsanlagen, die jetzt unter Vertrag stehen.

In Zukunft wird der Bedarf an Süßwasser mit der wachsenden Weltbevölkerung steigen. Die verfügbaren Süßwasservorräte sind jedoch begrenzt und schlecht verteilt.

Angesichts des Klimawandels, der Dürren und Überschwemmungen verstärkt, kann die Entsalzung eine garantierte Trinkwasserquelle aus Meerwasser liefern, um sicherzustellen, dass die Wasserversorgung den Wasserbedarf ausreichend deckt.

Zusammen mit der Wiederverwendung von Wasser stellt die Entsalzung eine zuverlässige Lösung für Länder dar, um ihre bestehende Wasserversorgung zu erweitern und über zusätzliche Kapazitäten zu verfügen, die bei Bedarf als ‚Versicherungspolice‘ fungieren.

„Entsalzung und Wasserwiederverwendung sind unkonventionelle, umweltfreundliche Wasserversorgungslösungen im Einklang mit der Kreislaufwirtschaft und bieten Lösungen für Wasserknappheit“, so die IDA.

Auch bei der Kopplung von Entsalzungsprozessen mit erneuerbaren Energien, wie z.B. Photovoltaik, beschleunigen sich die Entwicklungen. Erneuerbare und Entsalzungstechnologien können kombiniert werden, um den Kohlenstoff-Fußabdruck der Entsalzung kurzfristig zu reduzieren. Darüber hinaus wird die Entwicklung der Batterietechnologie als entscheidend angesehen, um eine angekündigte 24/7-Entsalzungsanlage mit unabhängiger Stromversorgung zu erreichen. Die Global Clean Water Desalination Alliance hat sich zum Ziel gesetzt, 2020-2025 20 Prozent der neuen Anlagen mit erneuerbaren Energien zu versorgen.

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