SIEMENS

Wenn es in Singapur regnet, stürzen die Wassermassen nur so vom Himmel. Dann ist es schwer vorstellbar, dass ein Land in den Tropen unter Wassermangel leiden könnte. Aber die Insel misst an der breitesten Stelle nur etwa 40 Kilometer und verfügt daher nicht über eine ausreichende Landmasse, um alle fünf Millionen Einwohner mit Trinkwasser – ob aus Regen oder Grundwasser – versorgen zu können. Doch die Regierung des Stadtstaats lässt sich einiges einfallen: Sie verwandelt große Gebiete der Insel in Wasserreservoirs, führt einen Teil des Trinkwassers aus Malaysia ein und betreibt Abwasserrecycling (Pictures of the Future, Frühjahr 2010, Lebendes Labor).

Darüber hinaus betrachtet sie die Meerwasserentsalzung als essenziellen Bestandteil des Wassermanagements. Allerdings sind die zwei zur Entsalzung üblichen Verfahren, Verdampfung und Umkehrosmose, sehr energieaufwändig. Erstere verbraucht mit etwa zehn Kilowattstunden pro Kubikmeter gereinigtem Wasser (kWh/m3) am meisten Energie. Die Umkehrosmose ist da schon sparsamer – sie verbraucht rund vier kWh/m3, hauptsächlich für Hochdruckpumpen, die das Wasser durch extrem feine Membranfilter pressen.

Doch Ingenieure bei Siemens Water Technologies suchten nach einer noch sparsameren Methode. Bereits 2008 erreichten sie im Labor den Energiespar-Weltrekord – damit gewann Siemens den Wettbewerb „Singapore Challenge“. Singapurs Regierung hatte darin die Wasserbranche aufgefordert, Meerwasser mit einem maximalen Energieverbrauch von 1,5 kWh/m3 zu entsalzen. Im Dezember 2010 ist es Siemens nun gelungen, auch mit einer größeren Pilotanlage, die mit Unterstützung der Stadtwerke in Singapur gebaut wurde, den Energieverbrauch im Vergleich zur Umkehrosmose zu halbieren. „Diese neue Methode ist eine Revolution für die Meerwasserentsalzung“, sagt der Entwicklungsleiter von Water Technologies, Dr. Rüdiger Knauf. „Die Pilotanlage zeigt, dass unsere Technologie nicht nur im Labormaßstab funktioniert, sondern auch mit einer Kapazität von fünfzig Kubikmetern Wasser pro Tag.“

Kombination zweier Verfahren. Der Clou der Meerwasserentsalzung à la Siemens ist die Verbindung von zwei Methoden: Dem Meerwasser wird zunächst mit einer auf hohe Salzfrachten spezialisierten Elektrodialyse (ED) Salz entzogen. Danach folgt eine kontinuierliche Elektrodeionisation – kurz CEDI –, die kleinere Salzmengen entfernt. Dadurch lässt sich erreichen, dass beide Methoden jeweils bei optimalen Bedingungen arbeiten. Außerdem kann Siemens bei CEDI von seiner Marktführerschaft bei der Herstellung von hochreinem Wasser für pharmazeutische Zwecke profitieren.

Im Detail funktioniert das so: Im Meerwasser sind etwa 3,5 Prozent Salz. Trinkwasser darf aber nur ein Siebzigstel davon enthalten. Diese enorme Reduktion des Salzgehaltes wird bei beiden Methoden, ED und CEDI, mit Hilfe elektrischer Felder erreicht. Da das im Meerwasser enthaltene Natriumchlorid, also Kochsalz, aus geladenen Ionen besteht, wird das Wasser bei der Elektrodialyse zwischen zwei elektrischen Polen hindurchgeleitet. Zwischen den Polen befinden sich mehr als 700 halbdurchlässige Membranpaare für eine hohe Entsalzungskapazität. Dabei wechseln sich Membranen ab, die entweder nur positive oder nur negative Ionen passieren lassen. Die Ionen folgen der Anziehungskraft des elektrischen Feldes durch eine Membran hindurch und werden dann von der nächsten Membran aufgehalten.

So entsteht im Kanal des Membranpaars salzarmes Wasser, das so genannte Diluat. In den Kanälen zu beiden Seiten reichert sich das Salz an und das dabei entstehende Konzentrat fließt als Abwasser ab. Neu entwickelte Membranen ermöglichen den Einsatz der Elektrodialyse auch für die hohe Salzfracht von Meerwasser. Knauf: „Dies ist eine Technologie, aus der sich zusammen mit der schon ausgereiften Elektrodeionisation mittelfristig ein marktfähiges Produkt entwickeln lässt.“

Nachdem es drei Elektrodialysemodule durchflossen hat, erreicht das Diluat einen Salzgehalt von unter einem Prozent. Jetzt ist die Entsalzung mit der Elektrodialyse nicht mehr ausreichend effizient. Daher wird nun die kontinuierliche Elektrodeionisation nachgeschaltet, bei der ein Ionentauscherharz zwischen den Membranen die Effizienz des Prozesses deutlich erhöht, weil es die Salzionen aufnimmt und zu den Membranen transportiert. Gleichzeitig regeneriert sich das Harz wieder selbst, indem es die positiv und negativ geladenen Ionen des Wassers aufnimmt, die im hohen elektrischen Feld durch Wasserspaltung entstehen.

Weniger Lärm und Vibration. Der entscheidende Vorteil dieses Verfahrens ist, dass weder eine hohe Verdampfungsenergie noch hoher Druck zum Filtrieren erforderlich sind. Stattdessen muss nur der verhältnismäßig geringe elektrische Widerstand der Membranen überwunden werden. Weitere Vorzüge im Vergleich zur bisher führenden Umkehrosmose: Das neue Verfahren ist ohne Hochdruckpumpen gefahrlos zu bedienen und erzeugt weniger Lärm und Vibrationen; es hat weniger Korrosionsprobleme, da es mit Kunststoffrohren auskommt; es benötigt nur eine minimale Vor- oder Nachbehandlung des Wassers und der für Trinkwasserqualität notwendige Mineraliengehalt kann mit der Stärke des elektrischen Feldes eingestellt werden.

An dieser innovativen Entwicklung sind noch weitere Spezialisten von Siemens beteiligt. So untersuchen Fachleute von Siemens Corporate Technology (CT) in Singapur die Eigenschaften der Membranen und tragen damit zur Optimierung der neuen Materialien und Herstellungstechniken bei. Gleichzeitig bringt CT-Experte Dr. Andreas Hauser sein Knowhow zur Systemsimulation ein. Er wird in den kommenden drei Jahren zusammen mit der RWTH Aachen in einem vom deutschen Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekt ein Simulationsmodell der Elektrodialyse erstellen.

Ziel ist es, die Abläufe mit besonders leistungsfähigen Rechnern auf molekularer Ebene nachzubilden und genauer zu verstehen, wie die Ionen durch die Membranen transportiert werden und wie die Strömungsdynamik des Wassers im elektrischen Feld aussieht. „Die Ergebnisse sollen anschließend bei Siemens in die Produktentwicklung einfließen“, erwartet Hauser. Damit wollen die Forscher den Entsalzungsprozess weiter optimieren. Entwicklungsleiter Knauf sagt: „Ich erhoffe mir eine Software, die den optimalen Anlagenaufbau individuell für jeden Kunden berechnet.“

Bis Mitte 2012 sind Demonstrationsanlagen bei mehreren Kunden in Singapur, den USA und der Karibik geplant. Sie wollen zeigen, dass die neue, sparsame Entsalzungsmethode trotz des regional stark schwankenden Salzgehalts nicht nur in Singapur funktioniert, sondern überall. Knauf erklärt: „In 15 Jahren erwarten wir weltweit einen um 40 Prozent höheren Wasserverbrauch, sodass eine nachhaltige Wasserversorgung enorm wichtig wird. In Gebieten mit Süßwassermangel kann die elektrochemische Meerwasserentsalzung aufgrund ihrer hohen Energieeffizienz und der niedrigen CO2-Bilanz dazu einen wichtigen Beitrag leisten.“