Solare Wasserentsalzung: eine großartige Gelegenheit für den chilenischen Bergbau

Von Dr. Mercedes Ibarra, Fraunhofer Chile

Es besteht kein Zweifel mehr an der Verbindung zwischen Wasser- und Energieressourcen und ihrer Beziehung zur wirtschaftlichen Entwicklung eines großen Teils der Gesellschaften und Branchen. Um Wasser zu erzeugen, brauchen wir Energie und um Energie zu erzeugen, brauchen wir Wasser. Diese Verbindung hat viele Auswirkungen und Konsequenzen, zum Beispiel die Auswirkungen von Energieprojekten (Reservoirs) auf die Wasserressourcen oder die Folgen, die der Klimawandel auf den Zugang zu diesen Ressourcen haben wird.

Wenn wir zusätzlich auch noch eine wirtschaftliche und industrielle Tätigkeit wie den Bergbau betrachten, die beide Ressourcen in einer beachtlichen Weise erfordert und daher das Risiko steigert, den Zugang zu diesen Ressourcen für andere soziale Sektoren zu beschränken, wird deutlich, wie der Zugang zu Wasser durch eine Minimierung der benutzten Energie Vorteile bringen kann. Das nicht nur für den Bergbau selbst, sondern auch für die sozioökonomischen Strukturen, die ihn umgeben. Deshalb setzt Fraunhofer Chile auf solare Entsalzung.

Die Menschheit möchte seit Menschengedenken Salzwasser in Trinkwasser verwandeln. Die Prinzipien der Trennung von Salzen und Wasser werden unter anderem von Aristoteles, Thales von Milet, Democritus und Pliny beschrieben. Bereits Araber und Seefahrer des Mittelalters verwendeten Destillierapparate. Die erste Entsalzungsanlage selbst wurde jedoch erst 1878 in der Atacama-Wüste in Chile errichtet. Hier kam eine von dem Ingenieur Carlos Wilton [1] entworfene Anlage mit einer Fläche von 5000 m² zum Einsatz, um einem Natriumnitrat-Bergbauunternehmen Wasser zuzuführen.

Die Entsalzung ist ein Trennverfahren zwischen einem gelösten Stoff (Salz) und einem Lösungsmittel (Wasser), das einem endothermen Prozess unterworfen wird, das heißt, das Verfahren erfordert Energie. Die Mindestenergie, um den gelösten Stoff vom Lösungsmittel zu trennen, beträgt 1,2 kWh / m3 [2]. Diese Energie berücksichtigt nicht andere Energieverbräuche im Zusammenhang mit der Entsalzung, wie das Pumpen von Wasser für den Transport vom Meer oder Untergrund zur Aufbereitungsanlage und/oder von der Anlage zum Verbrauchsort oder zum Verbrauch von Vorbehandlungen. Daher ist es eine Technologie mit hohem Energiebedarf.

Das geographische und saisonale Zusammenfallen von hoher Sonneneinstrahlung und Wasserknappheit macht Solarenergie jedoch zu einem optimalen Kandidaten für die Entsalzung in der Atacama-Wüste.

Eine der einfachsten Technologien sind direkte solare Entsalzungssysteme, bei denen die Umwandlung der Sonnenstrahlung und die Entsalzung in dasselbe Gerät integriert sind. Ein Beispiel für diese Art von System sind die Solardestillatoren, bei denen ein Salzwassertank mit einem transparenten Material bedeckt ist, das die Sonnenstrahlung durchlässt. In diesem Gerät verdampft das Wasser und kondensiert im Deckel.

Um die Effizienz zu steigern, die in direkten Systemen recht gering ist, eignen sich eher indirekte Systeme. Hierbei wird eine herkömmliche Entsalzungstechnologie mit der am besten geeigneten Solartechnologie gekoppelt.

Die Umkehrosmose ist die weltweit am meisten installierte Technologie (69% der Betriebseinrichtungen [3]). Dabei wird elektrische Energie verwendet, um Wasser mit hohem Druck (bis zu 25 bar) durch eine semipermeable Membran zu pumpen, wodurch die Salze vom Wasser getrennt werden können. In diesem Fall ist der Zusammenhang mit Photovoltaik-Energiesystemen sowohl für Entsalzungsanlagen mit hoher Kapazität (> 1000 m3 / d) als auch für kleine Anlagen mit einem Verbrauch unter 1 m3 / d offensichtlich [4].

Trotz ihrer weit verbreiteten Anwendung hat die Technologie auch Nachteile, da die Membranen besonders anfällig für Ablagerungen und Verschmutzungen sind. Verkrustung wird durch Partikel verursacht, die sich in den Poren der Membranen ansammeln und diese verstopfen, was zu einem höheren Energieverbrauch und einer geringeren Leistung führt. Das Fouling führt zu einem Wachstum von Mikroorganismen in den Poren der Membran, die ebenfalls Verstopfungen erzeugen.

Um die Membranen der Umkehrosmosesysteme nicht zu beschädigen, ist ein Mindestdurchfluss oder -druck erforderlich, da sonst Verschmutzungen und Verkrustungen auftreten. Daher sind Energiespeichersysteme (Batterien) mit hohen Investitions- und Betriebskosten oder Zugang zum Stromnetz erforderlich. Außerdem ist eine relativ große Oberfläche von Photovoltaikmodulen erforderlich, um eine ausreichende Wassermenge zu entsalzen, die nicht immer verfügbar ist.

Die weltweit am zweithäufigsten installierte Technologie ist die thermische Technologie, die mehrere Technologien umfasst: Multi-Effekt-Destillation, mehrstufige Verdampfung, Membrandestillation, direkte Osmose und Multi-Effekt-Destillation mit Dampfkompression.

Diese Systeme benötigen heißes Wasser oder Dampf zwischen 70 und 130 ° C. Daher hängt die ausgewählte Solartechnologie von der maximalen Temperatur ab, bei der die betreffenden Verdampfungs-Kondensationsphänomene stattfinden. Hauptvorteil ist, dass die Qualität des zugeführten Wassers nicht so entscheidend ist wie bei Umkehrosmosesystemen. In arabischen Ländern werden häufig mehrstufige Flash-Verdampfungssysteme aufgrund schwieriger Betriebsbedingungen im Persischen Golf sowie hohen Temperaturen und hohen Salzkonzentrationen  verwendet. Der Preis für thermische Systeme und der Energieverbrauch sind jedoch höher als der der Umkehrosmose, obwohl die neuesten Entwicklungen bei Kunststoff-Wärmetauschern diesen Trend ändern könnten, da sie wirtschaftlicher sind.

Die Membrandestillationstechnologie wird von wenigen Unternehmen weltweit vermarktet, darunter Solar Springs, ein Spin-Off des Fraunhofer ISE (Institut für Solare Energiesysteme in Deutschland).

Der Vorteil gegenüber anderen thermischen Systemen besteht darin, dass die Membranen vollständig aus Polymeren hergestellt werden können, wodurch ihre Herstellung rentabel wird und Korrosionsprobleme vermieden werden. Gegenüber druckgetriebenen Filtrationssystemen wie der Umkehrosmose besteht der Vorteil darin, dass die Membrandestillation mit weniger Druck (Umgebungsdruck) arbeitet und insbesondere die Gefahr von Verkrustungen und Verschmutzung geringer ist.

Der Prozess der Membrandestillation beruht auf einer Phasenänderung, die thermisch durch einen partiellen Dampfdruckgradienten, Produkt der Temperaturdifferenz, angetrieben wird. Das Hauptelement der Membrandestillation ist eine hydrophobe Membran, die für flüssige Phasen eine Barriere darstellt, nicht aber für Dampf. Die Wärme trennt den Wasserdampf von der Salzlake, dieser Dampf durchdringt dann die hydrophobe Membran und wird anschließend als Wasser kondensiert.

Einer der Vorteile der Membrandestillationstechnologie ist, dass für den Betrieb keine großen Mengen an Elektrizität erforderlich sind, sondern nur Niedertemperaturenergie für die Entsalzung erforderlich ist. Daher können Energiequellen wie Abfall, Sonnenenergie oder Geothermie genutzt werden. Diese will Fraunhofer in Chile fördern.

In einem gemeinsamen Projekt mit Crystal Lagoons wird Abwärme von Klimaanlagen zur Entsalzung von Meerwasser mit einer Membrandestillationsanlage genutzt. In einem anderen Projekt namens Brine Mine wird die Membrandestillation für geothermische Flüssigkeiten mit einer Temperatur von 90 ° C verwendet, um Wasser und hochkonzentrierte Sole zu erzeugen, deren Komponenten in einer zusätzlichen Stufe extrahiert werden.

Die solaren Entsalzungsanlagen sind bereits in Chile angekommen. Die größte Entsalzungsanlage in Lateinamerika wird in Copiapó angesiedelt sein. Basierend auf der Umkehrosmose mit Photovoltaik wurde sie Ende 2018 vom Environmental Evaluation Service genehmigt. Die Anlage sieht eine durchschnittliche Produktion von 1000 Liter pro Sekunde entsalztem Wasser vor, um die große Bergbauindustrie zu versorgen. Zur Energieversorgung ist eine 100-MW-Photovoltaikanlage mit mehr als 200 Hektar geplant. Die Gesamtinvestition beträgt 490 Millionen US-Dollar. 2019 wird der Bau beginnen [6].

Darüber hinaus kann die Entsalzung mit Power Solar Concentration-Anlagen kombiniert werden, die über Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen Strom und entsalztes Wasser erzeugen. Hier ist eine thermische Entsalzungsanlage an die Turbinenleistung des Leistungszyklus der Solar Power Concentration-Anlage gekoppelt. Der spezifische Aufbau dieser Systeme hängt vom Standort ab.

Ein weiterer Trend, der in letzter Zeit beobachtet wurde, ist der Einsatz von Entsalzungstechnologien nicht nur aus Meerwasser, sondern auch für die Behandlung von Abfällen in industriellen Prozessen. Auf diese Weise kann sauberes Wasser gewonnen werden, wodurch der Abfall, wie im Konzept der Kreislaufwirtschaft vorgesehen, einen Mehrwert darstellt. Als Beispiel sei das von der Europäischen Union finanzierte und vom Fraunhofer ISE koordinierte Projekt ReWaCEM genannt, bei dem das MD zur Schließung von Kreisen in der metallurgischen Industrie verwendet wird und den Wasserfußabdruck um 30 – 90% reduziert [7].

Zusammenfassend ist festzustellen, dass der Bergbau vor einer großen Herausforderung steht, die Wasserknappheit ein absolut limitierender Faktor sein wird und die Entsalzung eine sehr wichtige Rolle spielen kann, ohne jedoch zu vergessen, dass zur Gewinnung dieses Wassers Energie benötigt wird. Damit die Entsalzung sich als Alternative erweisen kann, sind innovative, robuste und effiziente Prozesse, die Verbesserung der Energieeffizienz und die Einbeziehung erneuerbarer Energien unerlässlich.

Im Fall von Chile erlaubt die Intensität der Sonneneinstrahlung, voll auf den Zusammenhang zwischen Entsalzung und Solarenergie und die auf dem Markt verfügbaren Technologien wie Umkehrosmose-Photovoltaik zu setzen. So können die neuesten Innovationen wie die Membrandestillation eine grundlegende Rolle bei der Lösung dieser Herausforderungen darstellen.

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1. Abdenacer, P.K. and S. Nafila, Impact of temperature difference (water-solar collector) on solar-still global efficiency. Desalination, 2007. 209(1-3): p. 298-305.
2. Ali, M.T., H.E. Fath, and P.R. Armstrong, A comprehensive techno-economical review of indirect solar desalination. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2011. 15(8): p. 4187-4199.
3. Jones, E., et al., The state of desalination and brine production: A global outlook. Science of the Total Environment, 2018.
4. Arafat, H.A., Desalination sustainability : a technical, socioeconomic, and environmental approach. 2017.
5. Koschikowski, J., Entwicklung von energieautark arbeitenden Wasserentsalzungsanlagen auf Basis der Membrandestillation. 2011: Fraunhofer Verlag Freiburg, Germany.
6. Página web: http://www.revistaei.cl/2018/10/09/desaladora-mas-grande-latinoamerica-iniciaria-construccion-2019-copiapo/#.
7. Página web: www.rewacem.eu