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Lsung fr den weltweiten Wassermangel? Marcel Dierker Fachgebiet Geohydraulik und Ingenieurhydrologie FB 14 Einfhrung in die Ingenieurhydrologie Prof. Dr. Manfred Koch 25.07.2012 Universitt Kassel

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Gliederung Wasserknappheit Meerwasser-Entsalzungs -Verfahren Vergleich und weltweite Verbreitung Umweltauswirkungen Neue Anstze/Technologien

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Wasserknappheit z.E. Wasserstress beginnt bei einer Wasserverfgbarkeit von 1000 -1700 m/P*a Bei weniger als 1000 m/P*a spricht man von Wasserknappheit (Wasserknappheitsindex) Prognose ber Bevlkerungswachstum auf 9 Mrd. Menschen im Jahr 2050 Bevlkerungswachstum findet vor allem in Afrika und Asien statt, wo jetzt schon Wasserstress bzw. Wasserknappheit herrscht

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Wasserknappheit

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In MENA-Region lagen im Jahr 2000 nur 4 Lnder oberhalb der Wasserknappheitsgrenze von 1000 m/P*a In Modellszenarien geht man davon aus, dass der Wasserbedarf von 270 Mrd. m/a im Jahr 2050 auf 460 Mrd. m/a ansteigen wird Optimistische Schtzungen mit Effizienzannahmen gehen 2050 von 390 Mrd. m/a aus Im Business as Usual-Fall von 570 Mrd. m/a

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Meerwasser-Entsalzungs verfahren Konventionelle Meerwasser-Entsalzungs- anlagen thermisch MSF multi-stage-flash- desalination MED multi-effect- desalination Solare Entsalzung mechanisch- membranbasiert RO reverse osmosis (Umkehrosmose) Elektrodialyse

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MSF (mehrstufige Entspannungsverdampfung)

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Vorgewrmtes Meerwasser mit Dampf auf max. 120C erhitzt bzw. berhitzt Erhitztes Wasser gelangt in erste Kammer mit niedrigerem Druck -> ein Teil des Wasser verdampft schlagartig Wasser kondensiert an Wrmetauscherflchen zu Trinkwasser, hier wird auch das einstrmende Meerwasser vorgewrmt Restwasser gelangt in nchste Kammer mit wiederum geringerem Druck und Prozess beginnt erneut Prozess wird bis zu 40 mal wiederholt, wobei der Salzgehalt im Restwasser schrittweise zunimmt Es muss keine neue Energie zugefhrt werden

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MSF (mehrstufige Entspannungsverdampfung) berhitzter Prozessdampf ntig Erhitzung auf 100 -120C Bis zu 40 Kammern Wrmeenergiebedarf von 250- 330 kJ/kg Elektrischer Energiebedarf 3-5 kWh/m Groe Anlagen produzieren 1,6 -1,7 Mio. m/d Eine Trinkwasserlinie bis zu 2000 m gro

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MED (Multi-Effekt-Entsalzung)

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Vorgewrmtes Meerwasser wird als dnne Schicht auf die Oberflche eines Wrmetauschers aufgebracht oder gesprht Dampf strmt durch den ersten Wrmetauscher Ein Teil des aufgebrachten Meerwassers verdampft am Wrmetauscher Die Verdampfungsflchen der nachfolgenden Kammern werden jeweils von Dampf der vorherigen erwrmt In folgenden Druckkammern herrscht jeweils ein geringerer Druck, was zur Verdampfung fhrt Die letzte Kammer kann zur Vorerwrmung des Meerwasser genutzt werden

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MED (Multi-Effekt-Entsalzung) Prozessdampf ntig Temperaturen aber im Bereich 55C 70C Bis zu 16 Kammern Wrmeenergiebedarf von 190 390 kJ/kg Elektrischer Energiebedarf 1,5 -2,5 kJ/kg

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Solare Entsalzung

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Becken mit Salzwasser gefllt; auf Beckengrund befindet sich eine schwarze Absorptionsflche, die einfallende Sonneneinstrahlung absorbiert und in Wrme umwandelt Transparentes geneigtes Dach aus Folie oder Glas Wasser und ber dem Meerwasser stehende Luft wird erwrmt, die warme Luft nimmt Feuchtigkeit auf, wird mit Wasserdampf gesttigt An der Abdeckung kommt es zur Kondensatbildung durch Khlung mit Umgebungsluft Kondensat wird in Auffangrinnen gesammelt und ausgeleitet Tgliche TW-Menge abhngig von der tglichen Strahlungsmenge R [MJ/m] (Faustformel 37,52*10 -3 *R 1,4 )

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Solare Entsalzung 40% der eingestrahlten Sonnenenergie ausgenutzt Soletemperatur steigt bis auf 70C Bei Jahreseinstrahlungsleistungen von 1500 bis 2000 kWh/m knnen zwischen 1,2 l/m*d und ca. 6 l/m*d erreicht werden Stark abhngig von Soletiefe: je kleiner, desto niedriger die Wrmekapazitt => daher sehr flchenintensiv

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Umkehrosmose (reverse osmosis)

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Synthetische semipermeable Membranen lassen unter Druck (bis zu 80 bar) Wasser passieren und halten Salzionen zurck -> osmotischer Druck muss berwunden werden, steigt mit hheren Salzkonzentrationen an! In einem Druckzylinder befinden sich bis zu 8 Membranen Durch erste Membran geht ein Teil des Wasser hindurch, der Rest fliet zur nchsten Membran Konzentrat muss stetig abgefhrt werden damit osmotischer Druck und damit der Energiebedarf nicht zu hoch werden Aufwndige Vorreinigung (Flockung, Filtration, Erhrtung) notwendig, damit Membrane nicht verstopfen

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Umkehrosmose (reverse osmosis) Je nach Salzkonzentration Wasser mit Druck von 50 80 bar gegen Membran gepresst => osmotischer Druck berwinden (steigt mit Salzkonzentration) Vorreinigung ntig Spez. Energiebedarf 2,5 -3,5 kWh/m Geringe Lebensdauer der Membrane (ca. 3 Jahre)

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Elektrodialyse

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Nur fr geringe Salzgehalte z.B. im Brauchwasser wirtschaftlich, aufgrund der bisher eingesetzten Membranen

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Elektrodialyse Ionenaustauschverfahren Meerwasser fliet in Elektrodialysezelle, die aus einer Reihe von Kammern bestehen Die Kammern bestehen abwechselnd aus kationen- und anionendurchlssigen Membranen In Endkammern befinden sich Elektroden an die eine Gleichspannung angelegt wird Kationen und Anionen passieren nun jeweils eine Membran, die fr sie durchlssig sind; in der nchsten werden sie gestoppt ->Aufkonzentration Es entstehen salzkonzentrierte und salzfreie Kammern Relativ groe Verstopfungsgefahr

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Umweltauswirkungen Meerwasserentnahme greift in Lebensraum ein Emissionen durch Energiebereitstellung Verbrauch fossiler Energietrger Chemische Zustze zur Vorreinigung gelangen als Restwasser zurck ins Meer Hochkonzentriertes Restwasser kann lokal Schdigungen hervorrufen

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Globale Anlagenkapazitt

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Vergleich Primrenergiebedarf

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Neue Anstze Bisher: Substitution der knappen Ressource fossiler Brennstoff durch knappe Ressource Wasser 1. Ansatz: - Gewinnung der Prozesswrme durch erneuerbare Quellen (Konzentrierte Solarkraftwerke CSP) CSP-Studie zeigt Kombination mit MED ist die beste Alternative: - geringe Temperatur von 70C notwendig - Elektr. Energiebedarf 2,2 -2,4 kWh/m - derzeit 4L/md Kollektorfche

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Neue Anstze 2. Ansatz: -Siemens: Kombination von Elektrodialyse mit kontinuierlicher Elektrodenionisation (CEDI) Siemens: - ED effizient fr hohe Salzfrachten ( 3,5 %) durch Einsatz neuer Membranen - CEDI nachgeschaltet, effizient fr niedrige Salzfrachten von unter 1% -spez. Energiebedarf 1,5kWh/m 2

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Literatur Volker Janisch/Hans Drechsel: solare Meerwasser-Entsalzungsanlagen Auqa-CSP: Solarthermische Kraftwerke fr die Meerwasserentsalzung http://www.dlr.de/dlr/Portaldata/1/Resources/documents/AQUA-CSP_Zusammenfassung.pdf http://www.dlr.de/dlr/Portaldata/1/Resources/documents/AQUA-CSP_Zusammenfassung.pdf S. Latemann: Warnsignal Klima, Kap. 4.2 http://www.climate-service- center.de/imperia/md/content/csc/warnsignalklima/warnsignal_klima_kap4_4.2_latemann.pdfhttp://www.climate-service- center.de/imperia/md/content/csc/warnsignalklima/warnsignal_klima_kap4_4.2_latemann.pdf Benjamin Tobias Obergfll, Seminaarbeit: Meerwasserentsalzungen http://nachhaltigkeit- erforschen.de/fileadmin/erforschen/pdf-seminar/Meerwasserentsalzung.pdfhttp://nachhaltigkeit- erforschen.de/fileadmin/erforschen/pdf-seminar/Meerwasserentsalzung.pdf Efinio: Mangelware Swasser http://www.efinio.at/presse/Mangelware_Suesswasser.pdfhttp://www.efinio.at/presse/Mangelware_Suesswasser.pdf Kolloqium Prof. Robert Rautenbach: Meerwasserentsalzung http://www.stepconsulting.de/bilder/4downloads/downloads/STEP_011.pdf

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Vielen Dank fr die Aufmerksamkeit!