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

Die ausgetrocknete Landschaft Saudi-Arabiens ist an seiner Ost- und Westküste vom Meer umgeben und einer der heißesten und trockensten Orte der Erde. Die Zeilen „Wasser, überall Wasser, noch kein Tropfen zum Trinken“ kommen einem in den Sinn, wenn man die Herausforderungen bedenkt, denen diese trockene Nation gegenübersteht.

Niederschlagsdurchschnitte in der Hauptstadt Riad nur zehn Zentimeter im Jahr, während einige Teile des Landes möglicherweise ein Jahrzehnt oder länger keinen Regen sehen. Im Sommer überschreiten die Temperaturen in den Städten regelmäßig 40 ° C und steigen in der Wüste auf 55 ° C an. Das Land hat keine Seen oder Flüsse, und seine unterirdischen Grundwasserleiter gehen schnell zur Neige.

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

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 Hersteller von entsalztem Wasser streben sie nun eine Zukunft an, in der diese lebenswichtige Ressource sowohl erschwinglich als auch nachhaltig ist.

CO2-freie 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 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 beinhaltete eine Reihe von Nachhaltigkeitsversprechen – wie die Steigerung der Energiegewinnung aus erneuerbaren Quellen und die Reduzierung der CO2-Emissionen – die nun Teil der Saudische Grüne Initiative.

Der Trickle-Down-Effekt war überall zu beobachten, insbesondere aber in der Wasserwirtschaft des Landes. An der Spitze stand die Saline Water Conversion Corporation (SWCC), die Gesellschaft, die rund 70 Prozent des entsalzten Wassers des Königreichs produziert.

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

Das Unternehmen hat auch eine neuere Membranfiltrationstechnologie eingeführt, die von Wissenschaftlern mit Sitz in Saudi-Arabien entwickelt wurde, um den Energieverbrauch laut SWCC-Berater Nikolay Voutchkov zu halbieren. Es ist tatsächlich so effektiv, dass die SWCC a neuer Guinness-Weltrekord im März 2021 für die energieärmste Wasserentsalzungsanlage der Welt.

„Trotz unserer bisherigen Erfolge haben wir immer noch den Antrieb, noch besser zu werden“, sagt Voutchkov.

Die SWCC hat sich nun das Ziel gesetzt, ihren Energieverbrauch bis zum Jahr 2030 zu halbieren und bis zum Jahr 2050 klimaneutral zu werden. Ein Großteil dieser Veränderung wird auf die weitere Verbesserung der in den Werken eingesetzten 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 Reduzierung des Verbrauchs fossiler Brennstoffe beitragen.

Die SWCC plant auch, fortschrittlichere Prozesse zur Kohlenstoffabscheidung und -speicherung in ihre Destillationsverfahren zu integrieren und ein umfassendes Baumpflanzprogramm an ihren Standorten einzuführen, um die weitere Bindung von CO . zu fördern₂ Emissionen.

Auch ihre Entsalzungsanlagen werden intelligenter. Mithilfe von KI-Systemen können Maschinen ihren Energie- und Chemikalienverbrauch autonom maximieren und gleichzeitig Wasser produzieren, sagt Voutchkov.

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

Ein futuristischer Vorschlag in Betracht gezogen wird eine „Solarkuppel“, die die Wärme der Sonne konzentriert, um Meerwasser zu verdampfen und Süßwasser zu produzieren. Ähnliche Technologien werden bereits verwendet, um Strom durch Dampfkraft zu erzeugen, aber wenn Wissenschaftler sie für eine großtechnische Anwendung geeignet finden, wird dies das erste Mal sein, dass sie zur Entsalzung verwendet wird.

Aber realistischere Prototypen haben bereits bei Kaust . gebaut. In einem wurden Entsalzungsanlagen mit Sonnenkollektoren kombiniert, damit die von diesen Kollektoren erzeugte Wärme zur Verdunstung von Meerwasser beitragen konnte. Tests haben ergeben, dass jede Stunde bis zu 1,64 Liter Wasser pro Quadratmeter Solarpanelfläche produziert werden können und dass Wasser für die Landwirtschaft nicht weiter behandelt werden muss.

Sole zum Rohstoff machen

Die Entsalzung – auch der energiearmen Umkehrosmose-Variante – bringt eine weitere Herausforderung mit sich: Sole. Dieses Nebenprodukt hat das Potenzial, das Küstenleben und die Ökologie zu beeinträchtigen, da einige Entsalzungsanlagen es einfach ins Meer zurückleiten. Als Land ohne Seen und Flüsse ist Saudi-Arabien der weltweit größte Soleproduzent.

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

In Saudi-Arabien werden die Ableitungen aus Entsalzungsanlagen kontinuierlich überwacht, um sicherzustellen, dass die Meeresumwelt erhalten und geschützt wird und alle Abfälle umweltgerecht behandelt werden, so Voutchkov.

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.

„Der kommerzielle Erlös hat das Potenzial, die Kosten der Wasserproduktion in Saudi-Arabien vollständig zu subventionieren und uns zu neuen erneuerbaren Energiequellen für das Königreich zu führen“, sagt er.

Es ist bereits geplant, im Königreich eine neue Kläranlage zu bauen, die als „Solemine“ fungieren soll, in der Mineralien und seltene Metalle aus der Sole entfernt werden. Natriumchlorid zum Beispiel wird dann an lokale Chloralkalifirmen verkauft, die Produkte wie Chlor und Natronlauge herstellen.

Laut Dr. Ahmad Al Amoudi, Direktor des Instituts für Forschung, Innovation und Entsalzungstechnologien am SWCC, wurden bereits Vereinbarungen mit mehreren Chloralkali produzierenden Unternehmen in Saudi-Arabien getroffen, um diese Rohstoffe nach Inbetriebnahme der Anlage zu liefern.

Das Team von Dr. Al Amoudi arbeitet außerdem mit dem US-Energieministerium an einem gemeinsamen Forschungsprogramm, um Möglichkeiten zur Gewinnung von Rubidium aus Salzlake zur Gewinnung umweltfreundlicher Energie zu untersuchen.

Hydrogel-Technologie

In den Nebelwüsten Namibias, wo es selten regnet und die Fauna durstig ist, wird Einfallsreichtum belohnt. Aus diesem Grund kann man den nebeligen Käfer, eine Kreatur, die nicht größer als eine Erdbeere ist, auf hohen Sanddünen sehen und Handstände ausführen. In diesen wasserreichen Höhen kondensiert der Nebel am Körper des Käfers und rollt ihm direkt ins Maul, womit die gelungene, scheinbar magische Gewinnung des Wassers aus der Luft vollendet ist.

Bei Kaust perfektionieren Forscher eine Technologie, die ähnlich geniale Ergebnisse erzielt. Im Jahr 2018 haben Peng Wang und sein Team am Water Desalination and Reuse Center . 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 auffangen 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 Prototyptests nahmen 35 g Hydrogel 37 g Wasser auf; Nachdem es einige Stunden draußen im Sonnenlicht belassen wurde, trennte sich das reine Wasser vom Gel und wurde gesammelt. Das Labor schätzte, dass die Sammlung von 3 Litern Wasser nur einen halben Cent pro Tag kosten könnte, ein wichtiger Faktor für die weniger wohlhabenden Regionen des Landes in den kommenden Jahren.

Der nächste Schritt war, die Wasserproduktion von einem Batch-Prozess auf einen kontinuierlichen Prozess umzustellen – eine Aufgabe, die das Team 2019 gelöst hat. Und im Jahr 2020 konnte das Team eine Prototyp Solarpanel das mit Wasser aus dem Hydrogel gekühlt wurde, eine Innovation, die sich besonders in der Hitze des Nahen Ostens bewährt.

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

Renyuan Li, leitender 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 sein wie einige Millimeter für elektronische Geräte, Hunderte von Quadratmetern für ein Gebäude oder sogar noch größer für die passive Kühlung von Kraftwerken.“

Die Zukunft des Wassers

Mit zunehmenden Auswirkungen des Klimawandels werden Ressourcen wie Wasser nur noch wertvoller, sodass 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.“

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