Können wir Trinkwasser produzieren, ohne einen CO2-Fußabdruck zu hinterlassen?

Die ausgedörrte Landschaft Saudi-Arabiens, die an ihrer Ost- und Westküste vom Meer begrenzt wird, ist einer der heißesten und trockensten Orte der Erde. Die Zeilen „Wasser, Wasser überall, kein Tropfen zu trinken“ kommen einem in den Sinn, wenn man die Herausforderungen betrachtet, denen diese trockene Nation gegenübersteht.

Durchschnittliche Niederschlagsmenge in der Hauptstadt Riad bei nur drei Zoll in einem Jahr, während einige Teile des Landes möglicherweise ein Jahrzehnt oder länger keinen Regen sehen. Im Sommer übersteigen die Temperaturen in den Städten regelmäßig die 40°C-Marke und steigen in der Wüste auf 55°C. Das Land hat keine Seen oder Flüsse, und seine unterirdischen Grundwasserleiter erschöpfen sich schnell.

Unnötig zu erwähnen, dass Saudi-Arabien den Wert von Wasser nur allzu gut kennt.

Aber im Gegensatz zu den verlorenen und verzweifelten Seefahrern in Coleridges berühmtem Gedicht „The Rime of the Ancient Mariner“ haben saudische Wissenschaftler das salzige Meerwasser um sie herum durch Entsalzung nutzbar gemacht. Als weltweit größter Produzent von entsalztem Wasser streben sie jetzt in eine Zukunft, in der diese wichtige Ressource sowohl erschwinglich als auch nachhaltig ist.

Kohlenstofffreie Entsalzung

Traditionell wird die Entsalzung durch Destillation erreicht, bei der Meerwasser erhitzt wird, um die trinkbare Flüssigkeit von Salzen und anderen Verunreinigungen zu trennen. Das Verfahren ist nicht nur energieintensiv, sondern auch teuer.

Dies änderte sich jedoch 2016, als der Kronprinz Mohammed bin Salman die Vision 2030 ankündigte, einen strategischen Plan, der darauf abzielte, das Leben in allen Teilen der saudischen Gesellschaft zu verbessern. Es enthielt eine Reihe von Nachhaltigkeitsversprechen – wie etwa die Erhöhung der Energie aus erneuerbaren Quellen und die Reduzierung der CO2-Emissionen – die nun Teil des sind Saudische Grüne Initiative.

Der Trickle-Down-Effekt war überall zu sehen, besonders aber in der Wasserindustrie des Landes. An der Spitze steht dabei die Saline Water Conversion Corporation (SWCC), das Unternehmen, das rund 70 Prozent des entsalzten Wassers des Königreichs produziert.

Das SWCC startete ein Programm, um die thermische Destillationstechnologie in seinen Werken durch Umkehrosmose zu ersetzen, ein energieeffizienteres Verfahren, das Salzwasser durch feine Membranfilter zwingt. Im Vergleich zur Destillation verbraucht diese Methode laut SWCC typischerweise nur ein Viertel der Energie, um die gleiche Menge Wasser herzustellen.

Das Unternehmen hat auch eine neuere Membranfiltrationstechnologie eingeführt, die von Wissenschaftlern in Saudi-Arabien entwickelt wurde, um den Energieverbrauch zu halbieren, so Nikolay Voutchkov, beratender Ingenieur von SWCC. Es ist in der Tat so effektiv, dass das SWCC-Set a neuen Guinness-Weltrekord im März 2021 für die energiesparendste Wasserentsalzungsanlage der Welt.

„Trotz unserer bisherigen Erfolge haben wir immer noch den Drang, es besser zu machen“, sagt Voutchkov.

Das SWCC hat sich nun zum Ziel gesetzt, seinen Energieverbrauch bis zum Jahr 2030 zu halbieren und bis zum Jahr 2050 CO2-neutral zu werden. Ein Großteil dieser Veränderungen wird auf die weitere Verbesserung der in den Werken verwendeten Technologien zurückzuführen sein, sagt Voutchkov. Dazu gehören verbesserte Membranfiltrationssysteme, neue Energierückgewinnungsgeräte, die den Abfall praktisch auf Null reduzieren, und energieeffizientere Pumpen, die alle zu einer Verringerung des Verbrauchs fossiler Brennstoffe beitragen werden.

Das SWCC plant außerdem, fortschrittlichere Kohlenstoffabscheidungs- und -speicherungsprozesse in seine Destillationsverfahren einzuführen und ein umfangreiches Baumpflanzprogramm an seinen Standorten einzuführen, um die weitere Bindung von CO zu fördern₂ Emissionen.

Auch ihre Entsalzungsanlagen werden intelligenter. Mit Hilfe von KI-Systemen können Maschinen ihren Energie- und Chemikalienverbrauch autonom maximieren, während sie Wasser produzieren, sagt Voutchkov.

Vielleicht könnte ein Teil dieser CO2-Emissionen auch durch die Nutzung der Kraft der Sonne eingespart werden – etwas, das Wissenschaftler an der King Abdullah University of Science and Technology (Kaust) in Saudi-Arabien untersucht haben.

Ein futuristischer Vorschlag In Betracht gezogen wird ein „Solardom“, der die Wärme der Sonne konzentrieren soll, um Meerwasser zu verdampfen und Süßwasser zu produzieren. Ähnliche Arten von Technologien werden bereits zur Stromerzeugung durch Dampfkraft eingesetzt, aber wenn Wissenschaftler feststellen, dass sie für eine großtechnische Anwendung geeignet ist, wird dies das erste Mal sein, dass sie zur Entsalzung eingesetzt wird.

Aber realistischere Prototypen haben bereits in Kaust gebaut. In einem Fall wurde eine Entsalzungsanlage mit Sonnenkollektoren kombiniert, sodass die von diesen Platten erzeugte Wärme dazu beitragen konnte, Meerwasser zu verdampfen. Tests ergaben, dass es stündlich bis zu 1,64 l Wasser pro Quadratmeter Solarmodulfläche produzieren kann und dass das Wasser keiner weiteren Behandlung bedarf, um für die Landwirtschaft verwendet zu werden.

Aus Sole eine Ressource machen

Die Entsalzung – selbst in der energiearmen Variante der Umkehrosmose – bringt eine weitere Herausforderung mit sich: Sole. Dieses Nebenprodukt hat das Potenzial, das Küstenleben und die Ökologie zu beeinträchtigen, da einige Entsalzungsanlagen es einfach zurück ins Meer leiten. Tatsächlich ist Saudi-Arabien als ein Land ohne Seen und Flüsse der weltweit größte Produzent von Sole.

Auch hier hat Voutchkov einen ehrgeizigen Plan: das Nebenprodukt in eine Ressource umzuwandeln. „Die Entsalzungsindustrie wird oft durch die Auswirkungen von Soleeinleitungen in die Meeresumwelt herausgefordert“, erklärt er. „Die Realität sieht jedoch so aus, dass die Entsalzungsindustrie und die Regulierungsbehörden heute über ein umfassendes System verfügen, um die potenziellen Umweltauswirkungen in allen Phasen der Projektentwicklung und -umsetzung vorherzusagen, zu überwachen und zu kontrollieren.“

In Saudi-Arabien wird laut Voutchkov die Einleitung von Entsalzungsanlagen kontinuierlich überwacht, um sicherzustellen, dass die Meeresumwelt erhalten und geschützt wird, und alle Abfälle werden nach einem umweltverträglichen Standard behandelt.

Er fügt hinzu, dass Sole reich an Mineralien ist, darunter Natriumchlorid, Magnesium und Rubidium, und die Gewinnung dieser wertvollen Ressourcen könnte eine völlig neue Industriekette untermauern.

„Die kommerziellen Erlöse haben das Potenzial, die Kosten der Wasserproduktion in Saudi-Arabien vollständig zu subventionieren und uns zu neuen Quellen erneuerbarer Energie für das Königreich zu führen“, sagt er.

Es gibt bereits Pläne, im Königreich eine neue Aufbereitungsanlage zu bauen, die als „Sole-Mine“ fungieren wird, in der Mineralien und seltene Metalle aus der Sole entfernt werden. Natriumchlorid zum Beispiel wird dann an lokale Chlor-Alkali-Unternehmen verkauft, die Produkte wie Chlor und Natronlauge herstellen.

Laut Dr. Ahmad Al Amoudi, Direktor des Instituts für Forschung, Innovation und Entsalzungstechnologien bei SWCC, wurden bereits Vereinbarungen mit mehreren Chloralkali produzierenden Unternehmen in Saudi-Arabien getroffen, um diese Rohstoffe zu liefern, sobald die Anlage in Betrieb ist.

Das Team von Dr. Al Amoudi arbeitet auch mit dem US-Energieministerium an einem gemeinsamen Forschungsprogramm, um nach Möglichkeiten zu suchen, Rubidium aus Sole zu extrahieren, um umweltfreundliche Energie zu erzeugen.

Hydrogel-Technologie

In den Nebelwüsten Namibias, wo es selten regnet und die Fauna durstig ist, wird Einfallsreichtum belohnt. Aus diesem Grund kann man den Nebelkäfer, eine Kreatur, die nicht größer als eine Erdbeere ist, auf hohen Sanddünen erklimmen und Handstände ausführen. In diesen wasserreichen Höhen kondensiert der Nebel auf dem Körper des Käfers und rollt direkt in sein Maul, womit die erfolgreiche, scheinbar magische Entnahme von Wasser aus der Luft abgeschlossen ist.

Bei Kaust perfektionieren Forscher eine Technologie, die ähnlich geniale Ergebnisse erzielt. Im Jahr 2018, Peng Wang und sein Team am Wasserentsalzungs- und Wiederverwendungszentrum der Universität ein Hydrogel geschaffen – ein Polymer, das einem schwarzen, matschigen Klecks ähnelt – das Wasser aus der Luft für andere Zwecke oder sogar zum Trinken aufnehmen kann.

Das Hydrogel enthält Calciumchlorid, ein ungiftiges Salz, das besonders durstig ist; Es nimmt Wasserdampf und Feuchtigkeit aus der Luft auf und gibt die Flüssigkeit dann wieder ab, wenn es den richtigen Bedingungen ausgesetzt wird.

In Kausts Prototypentests nahmen 35 g Hydrogel 37 g Wasser auf; Sobald es einige Stunden im Sonnenlicht belassen wurde, trennte sich das reine Wasser vom Gel und wurde gesammelt. Das Labor schätzte, dass das Sammeln von 3 l Wasser nur einen halben Cent pro Tag kosten könnte, ein besonders wichtiger Faktor für die weniger wohlhabenden Regionen des Landes in den kommenden Jahren.

Die nächste Stufe bestand darin, die Wasserproduktion von einem Batch-Prozess zu einem kontinuierlichen Prozess zu machen – eine Aufgabe, die das Team 2019 bewältigte. Und 2020 konnte das Team eine entwickeln Prototyp eines Solarmoduls das mit Wasser aus dem Hydrogel gekühlt wurde, eine Innovation, die besonders in der Hitze des Nahen Ostens nützlich ist.

Es ist eine wenig bekannte Tatsache, dass Sonnenkollektoren bei steigenden Temperaturen tatsächlich weniger Energie produzieren und ineffizienter werden. In Tests fanden Kaust-Forscher heraus, dass das vom Hydrogel freigesetzte Wasser die Solarmodule kühlen könnte um bis zu 10 Cwodurch ihre Effizienz drastisch verbessert wird.

Renyuan Li, der leitende Forscher des Projekts, sagte bei der Bekanntgabe der Forschungsergebnisse: „Wir glauben, dass diese Kühltechnologie die Anforderungen vieler Anwendungen erfüllen kann, da Wasserdampf überall vorhanden ist und diese Kühltechnologie leicht an verschiedene Maßstäbe angepasst werden kann.

„Die Technologie könnte so klein wie einige Millimeter für elektronische Geräte, Hunderte von Quadratmetern für ein Gebäude oder sogar größer für die passive Kühlung von Kraftwerken hergestellt werden.“

Die Zukunft des Wassers

Da die Auswirkungen des Klimawandels zunehmen, werden Ressourcen wie Wasser immer wertvoller, weshalb es wichtiger denn je ist, es kostengünstig und nachhaltig zu produzieren. Und die Forschung und Innovationen, die bereits in Saudi-Arabien stattfinden, könnten ein Modell sein, das in anderen wasserarmen Teilen der Welt repliziert werden könnte.

Wie Dr. Al Amoudi sagt: „Wasser ist so wichtig für das Leben und wir müssen es für zukünftige Generationen schützen.“

Das Saudische Grüne Initiative ist Saudi-Arabiens gesamtstaatlicher Ansatz zur Bekämpfung des Klimawandels.

[The article was originally published in October 2021]