1. Einleitung Im Teil 1 der Beitragsserie /1/ wurden

die störenden Wasserinhaltsstoffe imZulauf einer Umkehrosmoseanlage behan-delt. Es wurde dargestellt, dass sie einScaling oder Fouling verursachen könnenund den Betrieb und die Wirtschaftlichkeiteiner Anlage entscheidend beeinflussen.

Die daraus sich ergebenden typischenAnforderungen, die an die Aufarbeitungdes Rohwassers gestellt werden, wurdenim Teil 2 /2/ behandelt. Dabei wurde aucherwähnt, dass die Anforderungen vomMembranmaterial und der Modul kon -struktion beeinflusst werden. Trotz einerFiltration des Rohwassers in natürlichen

Schwerpunktthemen

F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 26 (2012) Nr. 5 331

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Die Vorbehandlung von Rohwasser zur UmkehrosmoseTeil 4: Eine Kostenbetrachtung K. Gebhard, K. Nikolaus, S. Ripperger*

Die Umkehrosmose ist heute das bevorzugte Verfahren zur Trinkwasser gewin nung aus Brack- und Meerwasser. In vielenLändern der Erde werden solche Anlagen betrieben und ihre Zahl wird weiter steigen. Im ersten Teil dieser Serie /1/wurden störende Substanzen in den Rohwässern zur Umkehrosmose und ihre negative Wirkung näher beschrieben. Es wurde dargestellt, dass eine Aufarbeitung der Zulaufs (ein Pretreatment) von entscheidender Bedeutung für denwirtschaftlichen Betrieb einer Umkehrosmoseanlage ist. Verschiedene Systeme zur Wasser ent nahme wurden im Teil 2/2/ und Ver fahrensstufen zur Wasservor be hand lung wurden im Teil 3 /3/ vorgestellt. Im folgenden und letzten Beitragder Serie werden die Kosten zur Wasservorbehandlung behandelt. Dabei wird besonders der Kostenvergleich zwischendem konventionellen Pretreatment und der Vorbe hand lung durch eine Mikro- bzw. Ultrafiltration vorgenommen. Auchder Anteil der Vorbehandlungskosten an den gesamten Kosten zur Trinkwasserbereitung durch eine Umkehrosmosewird dargestellt.

* Dipl.-Wirtsch.-Ing. Katrin Gebhard Dipl.-Ing. Kai Nikolaus Prof. Dr.-Ing. Siegfried RippergerLehrstuhl für Mechanische VerfahrenstechnikTU KaiserslauternTel.: 0631-205-2121www.uni-kl.de/mvt

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Bodenschichten oder künstlichen Sand betten bei derWasserentnahme, die ebenfalls in Teil 2 dargestellt wurde, ist eineweitere Aufarbeitung meist notwendig. Dabei müssen standortspe-zifische Ge ge ben heiten, die insbesondere die Rohwasser -inhaltsstoffe betreffen, berücksichtigt werden. Die darauf abge-stimmten Verfahren der Rohwasser vorbe handlung, beeinflussenwiederum auch die Membranauswahl und die geplantenMaßnahmen zur Mem branreinigung. Ziel der Vorbehand lung bzw.des Pretreatments ist, das Rohwasser derart in die Stufe derUmkehrosmose zu leiten, dass die Anlage entsprechend derPlanung wirtschaftlich betrieben werden kann.

Um diese Ziele zu erreichen stehen unterschiedliche Verfahrenzur Roh was ser reinigung und/oder Konditionierung zur Verfügung,die im Teil 3 /3/ behandelt wurden. Dabei wurde zwischen vorwie-gend physikalisch und vorwiegend chemisch wirkendenBehandlungsmethoden unterschieden. Die eigentliche Vorbehand -lung ist ein komplexer Prozess, der meist mehrere Aufberei -tungsschritte umfasst. Dieser Prozess verursacht Kosten, die imFolgenden näher betrachtet werden. Dabei wird besonders derKostenvergleich zwischen dem konventionellen Pretreatment undder Vorbehandlung durch eine Mikro- bzw. Ultrafiltration vorge-nommen. Auch der Anteil der Vorbehandlungskosten an den ge -samten Kosten zur Trinkwasser bereitung durch eine Umkehros -mose wird dargestellt. Bei der Wirtschaftlich keits rechnung handeltes sich um Analysen zukünftig zu erwartender Aufwendungen(Kosten) und Erträge in einem bestimmten Zeitraum (meist einJahr). Im Folgenden werden nur die Aufwendungen und damit dieKosten zur Gewinnung von Wassers in Trinkwasserqualität näherbetrachtet.

2. Die Gesamtkosten der Wasserauf bereitung durchUmkehrosmose

Um Alternativen der Vorbehandlung des Rohwassers miteinan-der vergleichen zu können, reicht es nicht aus, lediglich die anfal-lenden Kosten der Vorbehandlung zu betrachten. Da dieVorbehandlung auch den nachfolgenden Prozess beeinflusst, sollzunächst aufgezeigt werden, wie sich die Kosten des gesamtenEntsalzungs ver fahrens bei verschiedenen Pretreatment-Variantenzusammensetzen.

Semiat /4/ schlüsselt die prozentualen Anteile der Wasser -gestehungskosten einer „typischen Anlage“ (konventionelle Vor be -handlung, Energierückgewinnung) nach den Faktoren Investi -tionen, Energie, Per so nalaufwand, Chemikalien, Instand hal tungund Membranersatz auf. Die einzelnen Anteile können der Abb. 1entnommen werden.

Im Folgenden wird die Kosten ver gleichsmethode angewendet,d. h. Ge samt kosten werden für einzelne Verfahrens- bzw.Anlagenvarianten und für einen bestimmten Zeitraum ermittelt(meist ein Jahr) und miteinander verglichen. Meist werden aus denGesamtkosten auch die spezifischen Wassergestehungskosten k in

€/m3 ermittelt. Dabei werden die im betrachteten Zeitraum anfal-lenden Kosten auf das im gleichen Zeitraum produzierte Permeatumgelegt. Maßgebliche Größen dabei sind der Permeat -volumenstrom sowie die Betriebsstunden der Anlage im betrachtenZeitraum bzw. ihr Aus lastungs grad. Die jährlichen GesamtkostenKges ergeben sich aus dem Kapitaldienst KKD als eine Folge derInvestitionskosten KI und den Betriebskosten KB:

(1) Zur Bestimmung des Kapitaldienstes KKD wird die

Investitionssumme berechnet und der Abschreibungszeitraum derAn lage festgelegt. Die Abschreibung berücksichtigt dieWertminderung der Anlage bzw. die schrittweise Rückführung desinvestierten Kapitals. Meist legt man eine lineare Abschreibungzugrunde, bei der über dem Abschreibungszeitraum von gleich -mäßigen Abschreibungsbeträgen aus gegangen wird. Ein Restwert(Schrot ter lös) der Anlage am Ende der Lebens dauer wird meistvernachlässigt. Aus dem Abschreibungszeitraum und dem berük-ksichtigten Zinssatz berechnet man den Annuitätsfaktor(Tilgungsfaktor) a, der in Verbindung mit der Investitions summeden Geldbetrag bestimmt, der zur Tilgung des Anlagekapitals KI

und für dessen Verzinsung jährlich aufgebracht werden muss. Istder jährliche Tilgungsbetrag konstant und der Zinssatz z währenddes Abschreibungszeitraums n fest, so ergibt sich die Annuität auf-grund der Investition zu:

. (2)Die Summe der Annuitäten ergibt das über die Laufzeit einer

Abschreibung oder eines Kredits (n Jahre) verzinste Kapital. Beikommunalen Anlagen werden erfahrungsgemäß eine Laufzeit vonca. 20 bis 30 Jahren und ein Zinsfuß in der Spanne von 3 bis 8 %als angemessen empfunden. Im Folgenden werden die Investitions -kosten näher betrachtet.

2.1 Investitionskosten

Investitionskosten KI, die in dem Zeitraum der Konzep tions -phase bis zur Inbetriebnahme anfallen, bestehen sowohl aus direk-ten KID als auch aus indirekten Kosten KIID.

. (3)Erste umfassen den Bauaufwand und damit die Errichtung des

Meer wasser ent nahme-Systems, der Vorbehandlungs an lagen, derPumpen und Rohre, der RO-Mem branen und Druckbehälter, desEner gierückgewinnungssystems, der Ein rich tungen zum Posttreat -ment und des Entsorgungssystems für das Konzentrat. Die direktenKosten decken weiterhin Hilfsgeräte zur Montage sowie denGrund und Boden und die Gebäude ab. Im Folgenden werden dieseKosten in die Kostenblöcke Membrankosten KM, An lagenkostenKA, Gebäude und Neben kosten KGN und Montagekosten KMo zu sam -mengefasst.

. (4)Unter die indirekten Kosten fallen Fracht, Versicherungen, indi-

rekte Kon struktions kosten und ein Faktor für unerwarteteKostenaspekte. Sie werden häufig als Prozentsatz der direkten In -vesti tionskosten ausgedrückt. Da sich die Investitionen währendder Durchführung des Projektes nicht verändern, werden sie alsFixkosten behandelt.

Die Investitionskosten KI werden we sent lich von der Größe derAnlage, ausgedrückt mit dem Permeatvolumenstrom, und derWahl des Standortes bestimmt. Daher sollen diese beidenParameter näher betrachtet werden.

Schwerpunktthemen

332 F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 26 (2012) Nr. 5

Abb. 1: Kostenanteile einer üblichen Umkehrosmose

02_fs_0512_seite_292-373__ 07.10.12 21:10 Seite 332

Der Permeatvolumenstrom beeinflusstdirekt die Mem bran kosten KM. Diese stei-gen nahezu proportional mit der Mem -branfläche an. Sie beinhalten die Kostenfür die auszutauschenden Membran ein -heiten. Teile der Membranmodule, dieüber die Nutzungs dauer der Anlage nichtausgetauscht werden (z. B. Anschlüsse,Druckgehäuse) werden zweckmäßiger-weise den Anlagen kosten KA zugerechnet.Die Anlagenkosten KA können aufgrundvon Planungs unterlagen sowie vorliegen-den Angeboten ermittelt werden. DieKosten einer Anlage können auch auf derKostenbasis von bereits errichteten An -lagen abgeschätzt werden. Hierbei ist dar-auf zu achten, dass der Verarbeitungs- undAusrüstungs standard sowie die verwende-ten Werk stoffe der zu vergleichendenAnlagen übereinstimmt. Zunächst müssendie Preisdaten aus früheren Jahren mitHilfe von Preisindizes korrigiert werden.Da die Größe der Vergleichsanlage meistnicht mit dem Schätzobjekt überein-stimmt, ist auch hierzu eine Umrechnungnotwendig. Im Fall von Membrananlagenbietet es sich an, die Membranfläche oderdie Anzahl der Membranmodule zurKenn zeichnung der Anlagengröße zu wäh-len. Entsprechend den Erfahrungen steigt

der Preis unterproportional mit der Mem -bran fläche bzw. der Membran modul -anzahl an. Die Abhängigkeit der Anlagen -kosten von der Membranfläche kann füreinen bestimmten Ausführungs standardwie folgt erfasst werden:

(5)KB Kosten einer errichteten Anlage mit

gleichem Ausrüstungs- undVerarbeitungsstandard (Bezugsanlage)

AB Membranfläche der BezugsanlageAA Membranfläche der zu errichtenden

Anlagem DegressionsexponentKB ist vom verarbeiteten Werkstoff, den

verwendeten Membranmodulen und vomAusführungsstandard abhängig. Es mussgeprüft werden, ob diese Ausführung auchfür die neu zu errichtende Anlage zutrifft.Für den Degressionsexponenten m werdenfür verschiedene Apparatetypen in derLiteratur Werte veröffentlicht. Für An la -gen mit einem hohen Anteil an Apparaten(z. B. Behälter, Kolonnen) liegt er zwi-schen 0,6 und 0,7. Für Anlagen mit einemhohen Anteil an Rohrleitungen werden oftWerte über 0,75 angegeben. Die Anlagen -

kosten von Membrananlagen können häu-fig mit einem Wert von 0,8 abgeschätztwerden. RAUTENBACH /5/ konnte dieInvestitionskosten von Umkehrosmose -anlagen zur Trinkwassergewinnung mitKapazitäten von 20 bis 100.000 m3/d mitExponenten im Bereich von 0,8 bis 0,85recht gut beschreiben.

Der Trend hin zu großen Anlagen hatentscheidend zur Reduzierung der Trink -wasser-Gestehungskosten bei der Um -kehr osmose beigetragen. Ermöglicht wur -de die Entwicklung durch die Ver füg- barkeit serienmäßig produzierter großerHochdruckpumpen, leistungsstarker Ener -gie rückgewinnungssysteme, großer Mem -bran einheiten und Zusatzausrüstungen.

Die Gebäude- und Nebenkosten KGN

sowie die Montagekosten KMo müssen auf-grund der jeweils vorliegenden Ge geben -heiten abgeschätzt werden. Allge meineAussagen können mit sehr großen Fehlernbehaftet sein.

Je nach Ausführung und Anwendungvariieren die Investitionskosten in einemweiten Bereich. Sie werden neben derAnlagengröße auch von der Material -auswahl, der Instrumentierung und Auto -matisierung sowie der Wahl des Standortes

Schwerpunktthemen

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beeinflusst. Die notwendige Infrastrukturzum Bau der Umkehrosmoseanlage, zurWasserentnahme, zur Entsorgung desKonzentrats und zur Belieferung derNutzer muss berücksichtigt werden /6/. Obdie Errichtung der Anlage an einem spe-ziellen Standort sinnvoll ist, hängt u. a.von folgenden Faktoren ab:- dem Grundstückspreis,- der geotechnischen Eignung (wie im Teil

2 /2/ behandelt), - den architektonischen Einschränkungen

und den Umweltauflagen, - den benötigten Genehmigungen und den

Anforderungen der öffentlichen Verwal -tung,

- der Verfügbarkeit an Energie und - dem Zugang zum Meer oder einem ande-

ren öffentlichen Gewässer. Der letzte Faktor bestimmt auch die

Qualität des Feeds. Auch die Lohnkostenund der Energiepreis sind vom Standortabhängig, obwohl diese Faktoren primärdie Betriebskosten beeinflussen.

Schließlich ist bei der Anlagenkon zep -tion auch der Gesichtspunkt der Anlagen -verfügbarkeit zu beachten. Bei denKosten abschätzungen wird in der Regelangenommen, dass eine Anlage in dergeplanten Betriebszeit störungsfrei arbei-tet, was mit absoluter Sicherheit in derPraxis nicht gewährleistet werden kann.Solange die Verfügbarkeit kein kritischesKriterium ist, ist dieses Ausfallrisiko inden pauschalen Wartungskosten enthalten.Ist jedoch ein Ausfall der Anlage mithohen Folgekosten verbunden, z. B. verur-sacht durch eine Produktions unter bre -chung, so wird man die Verfügbarkeitdurch eine gezielte Überdimensionierung(evtl. auch in Form von Standby Modul -blöcken) und eine Parallelschaltung vonAnlagen sicherstellen, wodurch ebenfallsdie Investitionskosten beeinflusst werden.

2.2 Betriebs- und Wartungskosten

Sämtliche Ausgaben die nach derInbetriebnahme der Anlage anfallen, sindTeil der Betriebs- und Wartungskosten. Alsvariable Kosten verändern sich die Aus -

gaben für elektrische Energie undChemikalien mit der Marktentwicklungund dem Bedarf /7/. Sie sind direkt abhän-gig von dem zu entsalzenden Wasser -volumen. Auch wenn sich die Höhe derLöhne für angestelltes Personal sich mitder Zeit ändert, sind diese Kosten nichtdirekt abhängig von der Feedmenge.Daher handelt es sich hierbei um einenfixen Anteil. Wenn von einem Wechsel derMembran nach festen Zeitintervallen aus-gegangen wird, werden auch diese Kostenals Fixkosten betrachtet. Es wird ange-nommen, dass die Degradierung mit derersten Benetzung beginnt.

Die Wartungs- und Instandhaltungs -kosten werden in der Regel als Prozentsatzder jährlichen Investitionen angegeben.

Zur Berechnung der jährlichen Be -triebs kosten KB werden somit (auch inAnlehnung an Abbildung 1) folgendeAnteile berücksichtigt:

. (6)t jährliche Betriebsstunden P Leistungsbedarf (kW) (z. B. für

Pumpen) kE Preis für Elektroenergie (EUR/kWh) KM Membranersatzkosten nM Standzeit der Membran in Jahren KR Kosten für die Membranreinigung KW Kosten für die Wartung und

Instandhaltung

2.2.1 Energiekosten

Wie in Gl. 6 aufgeführt, ergeben sichdie jährlichen Energiekosten aus der benö-tigen Leistung zum Betrieb der Anlage,den jährlichen Betriebsstunden sowie demEnergiepreis. Der Energiepreis ist stand-ortspezifisch und variiert über einen wei-ten Bereich. Die zum Betrieb der Anlagenotwendige Leistung wird wesentlich vonden Hochdruckpumpen, die vor der erstenUmkehrosmose-Stufe eingesetzt werden,bestimmt. Ihr Verbrauch hängt wesentlichvon dem Salzgehalt des Feeds und dergewählten Wasserausbeute ab. Der Quo -tient aus dem Leistungsbedarf und dem

Permatvolumenstrom ergibt den spezifi-schen Energiebedarf w. Nikolaus et al. /8/haben für den Falle einer einstufigenAnlage zur Gewinnung von Trinkwasseraus Meerwasser den spezifischen Energie -bedarf auf Basis der Antriebsleistung P derHochdruckpumpe in Abhängigkeit von derWasserausbeute berechnet. Dabei wurdeein Wirkungsgrad ηP der Pumpe von 0,8,ein Salzgehalt im Feed von cNaCl = 35 g/lund eine Rückhaltung der Membran vonnäherungsweise R≈1 berücksichtigt. Beieiner steigenden Ausbeute sinkt zunächstder spezifische Energiebedarf w infolgeder steigenden Bezugsgröße – demPermeatstrom – ab, gleichzeitig steigtjedoch infolge der höheren Salzkonzen -tration der notwendige Betriebsdruck an,was ab einem bestimmten Wert einenAnstieg des spezifischen Energiebedarfzur Folge hat. Das Diagramm in Ab bil -dung 2 zeigt, dass die optimale Ausbeutehinsichtlich der Energieaus nutzung einerUmkehrosmoseanlage entsprechend beietwa 50 % liegt.

Des Weiteren muss beachtet werden,dass bei einer Erhöhung der Ausbeute, beigleichbleibendem Permeat-Output, weni-ger Feed benötigt wird. Folglich kann dasWasserentnahmesystem und die Vorauf -bereitung für einen geringeren Durchsatzausgelegt werden, was sich positiv auf dieInvestitionskosten und die Betriebskostendes Pretreatments auswirkt. Beachtet mandie positiven Faktoren zusätzlich zumEnergiebedarf, so verschiebt sich die opti-male Ausbeute bei einer Anlage ohneEnergierückgewinnung in Bezug auf dieGestehungskosten auf einen Wert zwi-schen 55 % und 60 %, je nach Salzgehaltdes Feeds.

Ein Großteil der aufgewendeten Ener -gie kann zurück gewonnen werden. Sokann z. B. die im Konzentrat enthalteneDruckenergie über eine Turbine entspanntwerden. Alternativ sind inzwischen auchPumpe-Turbine-Kombinationen (Hy drau -lic turbo charger) verfügbar. Eine neueGeneration von Energierückgewinnungs -an lagen überträgt den Druck aus dem

Schwerpunktthemen

334 F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 26 (2012) Nr. 5

Abb. 2: Berechneter spezifischer Energiebedarf bei unterschiedlichenAusbeuten (nach /8/)

Abb. 3: Anteile einzelner Prozessstufen am Gesamt-Energiebedarfeiner Umkehrosmoseanlage ohne Energierückgewinnung

02_fs_0512_seite_292-373__ 07.10.12 21:10 Seite 334

Konzentratstrom mittels Kolben direkt aufden Feedstrom /9/. Berücksichtigt man dieauf diese Weise übertragene Energie desKonzentratstroms auf den Feedstrom unterBerücksichtigung eines Wirkungsgradesdes Systems zur EnergierückgewinnungηER = 0,9, so erhält man den zweiten Kur -venverlauf in Abb. 2. Der Kurvenverlauflässt erkennen, warum im Fall einerEnergierückgewinnung es aus energeti-scher Sicht angebracht ist, dass eineMeerwasseranlagen bei Ausbeuten zwi-schen φ = 30 % und φ = 50 % betriebenwird. Dabei muss jedoch auch beachtetwerden, dass die erreichbare Ener gie -einsparung auch mit Investitionskosten füreine Energierückgewinnungsanlage ver-bunden ist und, dass mit steigender Aus -beute der Konzentratstrom weniger Ener -gie zur Rückgewinnung enthält. Bei derüblich angestrebten Ausbeute von 0,5kann mit einem System zur Energie -rückgewinnung der Energiebedarf zurTrinkwassergewinnung um ca. 30 % redu-ziert werden. Durch eine Kosten-Nutzen-Analyse muss im Einzelfall entschiedenwerden, ob sich die Investition lohnt.

Abb. 2 gilt für einen Salzgehalt im Feedvon cNaCl = 35 g/l. Bei einer Erhöhung bzw.Erniedrigung des Salzgehaltes verschiebensich die Kurvenverläufe etwas nach obenbzw. nach unten. Abb. 3 verdeutlicht, dassauch bei einer zweistufigen Umkehros mo -se ohne Energierück gewin nung, derBetrieb der Hochdruckpumpe den weitausgrößten Teil des Energie bedarfs erfordert(nach /10/).

2.2.2 Membranersatzkosten

Die Membranersatzkosten KM können,je nach Konstruktion der Mem bran mo -

dule, sehr verschieden sein. Zur Um -kehrosmose werden meist Wickelmoduleeingesetzt, die in einem Druckgehäuseeingebaut sind, so dass nur die Mem bran -wickel mit den zugehörigen Dichtungenausgetauscht werden. Der Austausch istarbeitsaufwendig, dafür sind die spezifi-schen Membrankosten für die auszutau-schenden Einheiten geringer als dieGesamtkosten eines Moduls. Zur Be -rechnung der jährlichen Membraner satz -kosten KM muss der Preis der Austausch -einheiten bekannt sein. Außerdem sindAnnahmen über die zu erwartendeLebensdauer notwendig. Je nach Mem -bran typ und Anwendung werden Mem -bran standzeiten zwischen drei und fünfJahren erreicht. Anhaltswerte hierzu lie-fern Erfahrungen mit bekannten Mem -bran anwendungen bei vergleichbarenBetriebsbedingungen. Bei sehr vorsichti-gen Schätzungen wird in Ermangelunggenauer Zahlen bei der Membran -nutzungs dauer häufig von dem Gewähr -leistungszeitraum des Membranlieferantenausgegangen. Mit einer gewissen Sicher -heit können die Parameter Ent sal zungs -volumen, Umsatzrate und Trans mem -branfluss bestimmt werden. DerNutzungs zeitraum ist dennoch schwierigabzuschätzen, da einige spezifischeFaktoren des Standorts im Vorhinein nichtermittelt werden können. Eine Beurteilungkann nur mit viel Betriebserfahrung erfol-gen /11/. Die durchschnittliche Standzeitder Membranen stieg jedoch von wenigerals drei auf über fünf Jahre an. Somit sinddie Membranaustauschkosten heutzutageweniger bedeutend als noch vor wenigenJahren /12/. Zusätzlich diesem Fortschrittsind die Preise für die spezifischenMembrankosten gesunken, bei gleichzei-

tig ansteigender Permeabilität und verbes-sertem Salzrückhalt. Nach /13/ vielen dieinflationskorrigierten Membrankosten umden Faktor 4 zwischen 1975 und 1990 undum weitere 75 % zwischen 1990 und2002. Die verbesserte Leistungsfähigkeitwirkt sich auch positiv auf dieEnergiekosten aus, da die Anlage miteinem etwas geringerem Druck betriebenwerden kann. Nach /14/ konnten seit 1996der benötigte Druck um 2,5 bis 4,5 bar aufder Hochdruckseite reduziert werden.Zudem kann bei gleichbleibendem Per -meat volumenstrom die Anzahl an Mem -branmodulen um 17 % bis 30 % verringertwerden, was sich positiv auf die Inve sti -tionskosten auswirkt. Es wird erwartet,dass eine weitere Reduktion der Betriebs -kosten durch neue Membranen erreichtwerden kann. Man erhofft sich von ihnen,dass sie weniger anfällig für ein Bio -fouling sind. Dadurch werden wenigerReinigungen benötigt und die Stillstand -zeit der Anlage wird verkürzt. AuchFortschritte im beim Pretreatment sowieeine umfassende Betriebserfahrung tragenzu längeren Standzeiten und seltenerenReinigungen bei /10/.

2.2.3 Kosten für Chemikalien

Dass zur Aufbereitung des Rohwassersje nach Verfahren Oxidations-, Koagula -tions-, Flockungs-, Antibelagmittel und/oder Säure eingesetzt werden, wurde imTeil 3 /3/ ausgeführt. Darüber hinaus kom-men weitere Chemikalien für dasPosttreatment zum Einsatz. Das entsalzteWasser der Umkehrosmose genügt imNormalfall nicht den Anforderungen, diean ein Trinkwasser gestellt werden. Ausdiesem Grund wird z. B. Natriumhydroxidzudosiert, um den pH-Wert zu erhöhen

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und/oder Kalk, um die Wasserhärte anzupassen. Darüber hinauswerden Chemika lien zur Reinigung der Membranen verwendet.Zur Entfernung von mine rali schem Scaling werden saureLösungen; gegen Biofouling eher basische Lösungen eingesetzt.Auch Detergentien werden gelegentlich genutzt /11/. Vouchtov etal. /10/ schlüsseln die Betriebs- und Instandhaltungskosten einerAnlage in Spanien für das Jahr 2004 auf und unterscheiden dabei„Chemikalien“ und „chemische Reinigungen“. Auf den erstge-nannten Faktor entfallen 4 bis 7,5 %, auf den letztgenannten 0,2 bis0,3 % der Gesamtkosten. Um die Kosten berechnen zu können,müssen die konkreten Chemikalien zusammen mit den eingesetz-ten Mengen und dem jeweiligen Preis bekannt sein. Sie sind vonden gewählten Vorreinigungsverfahren und der Qualität des Feedsabhängig.

2.2.4 Wartung und Instandhaltung

Üblicherweise wird mit einer sehr hohen Verfügbarkeit derAnlage gerechnet. Der Auslastungsgrad beträgt in der Regel 90 bis95 %. Stillstandzeiten fallen einerseits zur Membranreinigung undandererseits zur Wartung und Instandhaltung an. DasVorhandensein von Ersatzteilen oder Duplikaten der wichtigstenElemente reduziert zwar die Dauer der Ausfälle, erhöht allerdingsgleichzeitig die benötigten Investitionen. Werden die Kosten vordem eigentlichen Betrieb abgeschätzt, so werden jährlich fürErsatzteile 1 bis 2 % der Fixkosten (ohne Berücksichtigung derAusgaben für den Membranersatz, die bei großen Anlagen etwa 15bis 20 % der Investitionskosten ausmachen) veranschlagt /6/.

2.2.5 Kosten für Arbeitskräfte

Ein zuverlässiger Betrieb einer Um kehrosmoseanlage ist auchvon der Erfahrung, den Fähigkeiten und der Ausbildung desPersonals abhängig /6/. Die Zahl der benötigten Arbeitskräfte wirddurch die Größe und Komplexität der Anlage bestimmt. DerEigentümer entscheidet, ob während des Betriebes An gestellteanwesend sein müssen, oder ob die Anlage auch unbeaufsichtigtbetrieben werden kann. Außerdem werden die Kosten von derHöhe der lokalen Stunden löhne bestimmt. Aufgrund des weitge-hend automatischen Betriebs der Anlagen macht der Kostenfaktornur einen geringen Anteil an den Wassergestehungskosten aus.

3. Kosten des Pretreatments

Der Großteil der Autoren schlüsselt die Kosten auch desPretreatments nach den verschiedenen Kostenarten und nicht nachden einzelnen Prozessschritten auf. Gene rell ist es schwierig dieKosten der Wasser vorbehandlung vom eigentlichen Prozess der

Entsalzung zu trennen, da sie sich gegenseitig beeinflussen.Außerdem werden z. B. Investitions-, Energie- und In stand -haltungskosten oft nur für den Gesamtprozess erfasst.

Knops und Phay /15/ haben sich gezielt mit der Roh -wasseraufbereitung befasst und die Kosten einer konventionellenVorbehandlung mit der einer Ultrafiltra tion verglichen. ZumZeitpunkt der Veröffentlichung (im Jahre 2008) herrschte dieMeinung, dass die zum Pretreatment verwendeten Mem -branverfahren die Kosten des Gesamtprozesses erhöhen. Knopsund Phay kamen jedoch im Rahmen ihrer Analyse zu demErgebnis, dass die Ultrafiltration auch ökonomisch eine attraktiveAlternative zur konventionellen Aufbereitung dargestellt. Sieermittelten für ein Pretreatment mittels Ultrafiltration spezifischeKosten von 0,12 bis 0,16 $/m3; für die konventionelleVorbehandlung (Flockung; Entspannungs flotation oder Sedimen -tation; Filtration) hingegen 0,14 bis 0,16 $/m3. EinzelneTeilergebnisse ihrer Analyse sind in Tabelle 1 dargestellt.

Allgemein verstärkte sich nach ca. 2008 die Auffassung, dassdie Gesamtkosten durch den Einsatz der Ultra- oder Mikro filtra -tion gesenkt werden können. Wichtig dabei ist, dass man nicht nurdas Pretreatment betrachtet, sondern auch die Auswirkungen desPretreatments auf den Gesamtprozess berücksichtigt. Côté, et al./16/ verglichen zwei Anlagen mit einer Kapazität von 75.000 m3/d,von denen eine mit einer konventionellen Rohwasser auf bereitungund eine mit einer Ultrafiltration ausgerüstet waren. Für ersteAnlage ergaben sich spezifische Pretreatment-Kosten von 0,122$/m3, für letzte leicht höhere Kosten von 0,132 $/m3. In ihrer Ab -handlung erläutern sie jedoch, dass die Voraufbereitung mittelsUltrafiltration das Potential hat, die spezifischen Gesamt kosten zusenken. Sie begründen diese Aussage durch einen höheren Trans -membranfluss, eine gesteigerte Ausbeute und eine verlängerteStandzeit der RO-Membranen. Die Einsparungen, die sich in derRO-Stufe dadurch ergeben, können die höheren Investitionskostender Ultrafiltra tion ausgleichen. Tabelle 2 zeigt die verschiedenenKostenfaktoren sowohl des Pretreatments als auch derUmkehrosmose auf und verdeutlicht die Veränderungen durch eineMembran vorbehandlung. Wie sich die einzelnen Verfahren auf dieHöhe einzelner Kasten arten auswirken, ist in Tabelle 3 anhandeiner Analyse von Drioli et al. /17/ dargestellt. Darin wird auch derEinfluss der Reinigungshäufigkeit der RO-Membranen auf dieGesamtkosten dargestellt, welche durch eine vorgeschaltete UF-Membran verringert werden kann.

Die spezifischen Wasseraufbereitungs kosten beim Pretreatmentsind nach vielen, teils unveröffentlichten Berichten, in den vergan-genen 10 Jahren weiter gefallen. So können nach Schätzungenzufolge sowohl beim konventionellen Preatreat ment als auch beieinem Preatreatment mittels Ultrafiltration spezifische Wasser auf -bereitungskosten von 0,10 $/m3 unterschritten werden. Nikolaus etal /25/ be rechnet z. B. für ein Preatretment mittels Ultrafiltrationspezifische Wasserauf berei tungs kosten im Bereich von 0,06 bis0,07 €/m3, je nach Ausbeute der Um kehros moseanlage. FolgendeEntwick lungen haben zu dieser Reduktion der Kosten in den letz-ten Jahren beigetragen:- Verbesserungen in der Ausgestaltung der Verfahren und der

zugehörigen Anlagen, - Weiterentwicklung der Membranen und der zugehörigen

Herstellungsverfahren, die zu geringen Kosten pro m2

Membranfläche und zu längeren Standzeiten führten, - Skaleneffekte durch größere Membraneinheiten und Anlagen, - Entwicklung von spezifisch wirkenden Chemikalien,- Gesteigerter Wettbewerb.

Es ist jedoch auf dem Gebiet in den nächsten Jahren mit keinemweiteren bedeutenden technologischen Durchbruch zu rechnen,der die Kosten weiter dramatisch reduzieren könnte.

Schwerpunktthemen

336 F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 26 (2012) Nr. 5

Tabelle 1: Vergleich der Kosten des konventionellen und des Membran-Preteatments (nach /15/); Annahmen: konventionelles Pretreatmentbeinhaltet Flotation und Filtration oder Flockung, Sedimentation undFiltration; Standzeit der UF- Membran: 8 Jahre

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4. Ausblick

Generell kann mit einer zunehmendenAnwendung der Meerwasserentsalzungmit Membranen gerechnet werden. DasVerfahren ist gegenüber den konkurrieren-den Verfahren wettbewerbsfähig und greiftinsbesondere in Küstenregionen auf eineverlässliche und dürresichere Ressourcezu. Es wurde mittlerweile ein Kosten -niveau erreicht, bei dem erwartet werdenkann, dass es nicht mehr wesentlich redu-ziert werden kann.

Verbesserungen, wie die Entwicklungnoch größerer Membraneinheiten und dieGruppierung einzelner Anlagenteile mitVen ti len, Pumpen usw. zu vorgefertigten

Module, können zu Senkungen einzelnerKostenblöcke beitragen, die jedoch ggf.durch steigenden Rohstoff- und Energie -kosten wieder ausgeglichen werden könn-ten. Auch wenn grundsätzlich Szenarienfür eine weitere Kostensenkung denkbarsind, ist es unwahrscheinlich und aufkurze Sicht schwer vorstellbar, dass sieumgesetzt werden. Einige Autoren beob-achten, dass sich mittlerweile ein Gegen -trend entwickelt hat: Neuere Veröffent -lichungen zeigen, dass die Kosten infolgevon Zunahmen in den Rohstoff- undEnergiepreisen sowie Zinssätzen ansteigen/26/. Da die Ausgaben für elektrischeEnergie die Gesamtkosten entscheidend

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F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 26 (2012) Nr. 5

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Tabelle 2: Vergleich der Kosten von Pretreatment-Varianten nach Einflussfaktoren sowohl auf derPretreatment- als auch auf der Umkehrosmose-Stufe

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beeinflussen, wirkt sich eine Energiepreis -erhöhung direkt aus. Sie kann die Ein -sparungen durch andere technologischeFortschritte mehr als ausgleichen. AnStandorten, wo elektrische Energie mitalternativen Methoden kostengünstigerzeugt werden kann, wird die Kom bi -nation von Umkehrosmoseanlagen mitalternativen Energietechniken zunehmen.Über entsprechende Großanlagen, beidenen die elektrische Energie mittelsWindräder erzeugt wird, wurde bereitsberichtet /27/. Abschließend sei noch ein-mal erwähnt, dass auch Verbesserungendes Pretreatments zu Kosteneinsparungenführen können.

Die Ultrafiltration generiert, wie bereitsbeschrieben, eine bessere Wasserqualitätund damit eine höhere Ausbeute und einengesteigerten Fluss, was sich zukünftigpositiv auf die Gesamtkosten auswirkenkann. Das „Committee on AdvancingDesalination Technology” sieht einezusätzliche Chance in der Weiter ent -wicklung der RO-Membranen, die beiimmer kleiner werdenden Druckdifferen -zen effektiv arbeiten /13/. Auch für dieseEntwicklung ist es notwendig, dass einehohe Wasserqualität bereits beim Pretreat -ment erreicht wird.

Literatur:/1/ Gebhard, K., Nikolaus, K., Ripperger, S. 2011: Die Vorbehandlung von Rohwasser zur Umkehrosmose. Teil 1: Die Notwendigkeit der Rohwasservorbehandlung.Filtrieren und Separieren, 25, Nr. 6, S. 332-338/2/ Gebhard, K., Nikolaus, K., Ripperger, S. 2012: Die Vorbehandlung von Rohwasser zur Umkehrosmose. Teil 2: Systeme zur Wasserentnahme. Filtrieren undSeparieren, 26, Nr. 1, S. 6-10/3/ Gebhard, K., Nikolaus, K., Ripperger, S. 2012: Die Vorbehandlung von Rohwasser zur Umkehrosmose. Teil 3: Verfahren zur chemischen und physikalischenVorbehandlung. Filtrieren und Separieren, 26, Nr. 3, S.166-174/4/ Semiat, R. und Hasson, D. 2010. Seawater andBrackish-Water Desalination with Membrane Operations.In: Peinemann, K.-V. und Nunes, S.P. Membranes for WaterTreatment. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim./5/ Melin, T. und Rautenbach, R. 2007. Membranverfahren- Grundlagen der Modul- und Anlagenauslegung. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg ./6/ Poullikkas, A. 2008. Optimization Procedures for theSelection of Reverse Osmosis Desalination Plants. In:Delgado, D.J. und Moreno, P. Desalination ResearchProgress. Nova Science Publishers, Inc., New York./7/ Coquina Coast - Seawater Desalination AlternativeWater Supply Project. 2009. Land-Based Treatment -Technical Memorandum. Malcolm Pirnie, Inc., Tampa,Florida./8/ Nikolaus, K., Ripperger, S. 2010: Trinkwassergewinnungaus Meerwasser mittels Umkehrosmose. Teil 1: Grundlagenund energetische Betrachtung. Filtrieren und Separieren,24, Nr. 1, S. 6-10/9/ Geisler P, Krumm W, Peters TA (2001): Reduction of theenergy demand for Seawater RO with pressure exchangesystem PES. Desalination 135:205 – 210/10/ Voutchkov, N. und Semiat, R. 2008. SeawaterDesalination. In: Li, N.N. et al. Advanced MembraneTechnology and Applications. John Wiley & Sons, Inc.,Hoboken, New Jersey./11/ AWWA, Water Desalting Committee of the AmericanWater Works Association. 2004. Water Desalting PlanningGuide for Water Utilities. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken,

New Jersey./12/ Watson, I., Morin, O.J. und Henthorne, L. 2003.Desalting Handbook for Planners. Desalination and WaterPurification Research and Development Program ReportNo. 72. U.S. Department of the Interior, Bureau ofReclamation, Technical Service Center, Water TreatmentEngineering and Research Group./13/ Committee on Advancing Desalination Technology,National Research Council. 2008. Desalination: A NationalPerspective.The National Academies Press, Washington, D.C./14/ Fravel, Dr. H. o.J. The Reverse Osmosis MembraneEvolution. [Online, Abruf am: 07.08.2010.]http://www.waterworld.com/index/display/article-display/340334/articles/water-wastewater-international/volume-23/issue-4/features/the-reverse-osmosis-membrane-evolution.html/15/ Knops, F. und Phay, W. 2008. Economic evaluation ofa new UF membrane for SWRO pretreatment. Water &Wastewater Asia, März/April 2008. S. 36-41./16/ Côté, P., Liu, M. und Siverns, S. 2008. WaterReclamation and Desalination by Membranes. In: Li, N.N.,et al. Advanced Membrane Technology and Applications.John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey./17/ Drioli, E. und Macedonio, F. 2010. IntegratedMembrane Systems for Desalination. In: Peinemann, K.-V. and Nunes, S.P. Membranes for Water Treatment.Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim./18/ Gulamhuseina, A.H., et al. 2009. IMS SWRO Kindasa — Two years of operational experience.Desalination and Water Treatment, Volume 10, Issues 1-3.S. 245-254./19/ Pearce, G. 2007. The case for UF/MF pretreatment toRO in seawater application. Desalination, Volume 203,Issues 1-3. S. 286-295./20/ Vedavyasan, C.V. 2007. Pretreatment trends — anoverview. Desalination, Volume 203, Issues 1-3. S. 296-299./21/ Glueckstern, P. und Priel, M. 2002b. Comparative Costof UF vs. Conventional Pretreatment for SWRO Systems.Präsentiert auf der „5th Israel Desalination SocietyConference“ in Haifa, Israel./22/ Buscha, M., et al. 2009. Ultrafiltration pretreatment toreverse osmosis for seawater desalination — three yearsfield experience in the Wangtan Datang power plant.Desalination and Water Treatment, Volume 10. S. 1-20./23/ Bartels, C., Rybar, S. und Franks, R. o.J. IntegratedMembrane Desalination Systems - Potential Benefits ofCombined Technology. [Online, Abruf am: 04.07.2010.]http://www.membranes.com/docs/papers/New%20Folder/Gulf%20Industry%20Magazine%20-%20Hydranautics.pdf./24/ McArdle, J., Pang, R. und von Gottberg, A. 2007. UFPretreatment for One of Asia’s Largest Desalination Plants.[Online, Abruf am: 12.03.2010.]http://www.kochmembrane.com/pdf/UF%20Pretreatment%20for%20One%20of%20Asia%27s%20Largest%20Desalination%20Plants.pdf./25/ Nikolaus, K., Ripperger, S. 2010:Trinkwassergewinnung aus Meerwasser mittelsUmkehrosmose. Teil 2: Kostenrechnung unterBerücksichtigung einer vorgeschalteten Ultrafiltration.Filtrieren und Separieren, 24, Nr. 2, S. 62-65/26/ Cooley, H., Gleick, P.H. und Wolff, G. 2006.Desalination, with a Grain of Salt - A California Perspective.Pacific Institute for Studies in Development, Environment,and Security, Oakland, California./27/ Ripperger, S. 2011: Trinkwassergewinnung mit Membranen. Filtrieren und Separieren, 25, Nr. 4, S. 225-227

Schwerpunktthemen

338 F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 26 (2012) Nr. 5

Tabelle 3: Kostenvergleich der beiden Pretreatment-Optionen einer konkreten Anlage (nach /17/).Zugrunde gelegte Daten: Preis für elektrische Energie: 0,10 $/kWh; Energiebedarf 4,1 kWh/m3

(ohne Energierückgewinnung); Zinssatz 8 %, Abschreibungszeitraum: 20 Jahren

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