TEIL C

Solare Meerwasser-Entsalzungsanlagen (Fortsetzung)

Im Laufe der Jahre 2010 und 2011 bringen mehrere Unternehmen weitere kompakte und transportable PV-Wasserentsalzungs- und -aufbereitungsgeräte auf den Markt, dessen Volumen gegenwärtig stark zunimmt.

Als Beispiel möchte ich die 2009 von Lex Henkels und Mike Shor gegründete US-Firma Providence Trade and Development LLC nennen, die außerdem solare Bewässerungspumpen u.ä. anbietet und schon 2010 mehr als 350 mobile, solarbetriebene Wasseraufbereitungssysteme auf Bestellung der dortigen Regierung in den Irak liefert. Die Systeme der Firma liegen im Leistungsbereich zwischen 1 m³ und 5 m³ pro Stunde. Später ist allerdings nichts mehr darüber zu finden.

Ein weiteres Beispiel sind die Firma Spectra Watermakers Inc. aus dem kalifornischen San Rafael - in den 1990ern durch die Einführung der speziell für die Meerwasserentsalzung auf kleinen Schiffen entwickelte energierückgewinnenden Clark-Pumpe bekannt geworden, und auch Hersteller des o.e. Water Cube - sowie die 2007 gegründete Trunz Water Systems AG aus dem schweizerischen Steinach, die gemeinsam einen Solar Container vorstellen, der in Katastrophengebieten von Sonnen- und Windenergie betrieben täglich bis zu 30.000 Liter Wasser von Bakterien, Viren, chemischen Verunreinigungen und/oder Salzen reinigen kann.

Zum Einsatz kommen mehrere Filter und acht RO-Membranen. Trunz bietet neben anderen Solarprodukten auch einen leichten und kompakten Wasserspender namens Aquifier 200 an, der in einem schockresistenten, korrosionsbeständigen Koffer eingebaut und sofort betriebsbereit ist. Er produziert 30 Liter Trinkwasser pro Stunde.

The Essential Element wiederum, eine Firma aus Hopewell, New Jersey, bietet als drittes Beispiel mit ihrer Multifunktionsanlage Hydra ein transportables Gerät für die Katastrophenhilfe an, das pro Tag bis zu 87.000 Liter Trinkwasser und gleichzeitig über ein Elektrolyse-System auch noch Wasserstoff produziert, mit dem ein Kochofen oder eine Brennstoffzelle betrieben werden kann. Außerdem gibt es Blei/Säure-Gel-Batterien an Bord, einen 0,37 m³ Flaschentank für den komprimierten Wasserstoff, sowie diverse Anschlüsse zum Aufladen oder Betreiben elektronischer und elektrischer Geräte.

Die Energie stammt von einem 3,65 x 2,74 m großen Solarpaneel mit Polykristallin-Siliziumzellen, das eine Ausgangsleistung von 2,88 kW erreicht. Das ist mehr als genug um mit 900 W die Umlaufpumpe zu betreiben, die 900 Ah Batterie aufzuladen und auch noch die Wasserspaltung zur H₂-Herstellung zu betreiben. Der gespeicherte Wasserstoff ist primär für den Nachtbetrieb gedacht. Das Ganze ist auf einem 4,9 m langen Trailer aufgebaut und soll knapp 100.000 $ kosten.

Das Thema der solaren Beheizung von Gewächshäusern wird in einem anderen Kapitelteil verfolgt, doch im April 2012 erscheinen Berichte über einen Ansatz, bei dem ein solarbetriebenes, 2.000 m² großes Gewächshaus im Outback von Südaustralien selbst Meerwasser für die Bewässerung seiner Pflanzen entsalzt, und das aus diesem Grund hier seinen Platz hat.

Eine entsprechende Recherche führt zurück ins Jahr 1991, als Charlie Paton im Rahmen seiner 1979 gegründeten Londoner Firma Lightworks Ltd. das Konzept des Seawater Greenhouse entwickelt und bereits ein Jahr später auf Teneriffa in Form einer 360 m² großen Pilotanlage umsetzt. Die Technologie erreicht Ende der 1990er Jahre die Marktreife, und Anfang 2000 erfolgt die die Umbenennung der Firma in Seawater Greenhouse Ltd., die umgehend eine Anlage in Abu Dhabi installiert.

Im Jahr 2006 folgt eine weitere Anlage in Oman, und das Konzept wird mit dem Institution of Engineering and Technology Award und dem Tech Museum Award ausgezeichnet. 2007 belegt es beim Prize for the Environment der Universität St. Andrews den zweiten Platz. Weitere Auszeichnungen, die der Ansatz erhält, sind 2018 der Shell Springboard Award und 2020 der Katerva Award.

Zudem entsteht 2008 in Zusammenarbeit mit einem Architekten-Team von Exploration Architecture und Max Fordham Consulting Engineers sowie der norwegischen Umwelt-NGO Bellona Foundation das Konzept Sahara Forest Project als möglicher Weg, in Wüsten großflächig derartige Gewächshäuser im Verbund mit Solaranlagen zur Lebensmittelproduktion zu nutzen.

2010 wird von der Seawater Greenhouse Australia Pty Ltd. die eingangs erwähnte Pilotanlage in Port Augusta unter dem Namen Sundrop Farms in Betrieb genommen. Diese Anlage war ursprünglich als Meerwasser-Gewächshaus konzipiert worden, doch wesentliche technologische Veränderungen führten zum Sundrop System und zur Auflösung des Joint Ventures mit der Seawater Greenhouse Ltd. Dem Team von Sundrop Farms gehören neben dem Gründer Philipp Saumweber noch Reiner Wolterbeek aus den Niederlanden und David Pratt aus Kanada an.

Die Anlage nutzt die Sonnenwärme, um Salz aus dem Meerwasser zu entfernen und um Kühlung, Heizung und Strom für die Gemüse- und Obstanbauer zu erzeugen. Schwarze, mit Thermoöl gefüllte Rohre, die in der Mitte 70 m langer Solarpaneele verlaufen, werden auf 160°C erhitzt. Anschließend wird das Öl zu einem Lagerschuppen gepumpt, wo ein Wasserspeichersystem die Wärme aufnimmt. Wie diese genutzt wird, bestimmt ein Steuermechanismus, der den größten Teil davon für die Entsalzung von Meerwasser, einen Teil für die Temperaturregelung des Gewächshauses und einen Teil für die Stromversorgung der Anlage verwendet.

Sobald die Wärme die Entsalzungsanlage erreicht und auf vergleichsweise kaltes Meerwasser trifft, findet aufgrund des Temperaturunterschieds eine Kondensation statt, wodurch Süßwasser für die Verwendung in den Kulturen entsteht, während das Meerwasser in Teiche geleitet wird, aus denen als Nebenprodukt Salz gewonnen werden kann. Ein wesentliches Element ist, daß das für die Bewässerung verwendete Wasser nicht verdunstet. Im Sommer kann das Gewächshaus vollständig mit Solarenergie betrieben werden, im Winter muß es jedoch zu 20 % durch einen Dieselgenerator unterstützt werden.

Im Dezember 2012 wird zudem in Katar die erste Pilotanlage des Sahara Forest Project eingeweiht, deren Ergebnisse besser als erwartet ausfallen. Im Juni 2014 folgt die Unterzeichnung einer Vereinbarung mit der norwegischen Botschaft in Amman über die Einrichtung einer Sahara Forest-Startstation in Jordanien, die ein erster Schritt zu einem Projektzentrum in Aqaba sein soll. Zu diesem Zweck wird die Anlage in Katar 2016 abgebaut, um nach ihrer Verschiffung 2017 für eine dreijährige Testphase in Jordanien in Betrieb genommen zu werden.

Um das Ziel einer großflächigen Einführung in den Jahren 2021 und 2022 zu erreichen, muß jedoch eine 4,5 km lange Salzwasserpipeline zu dem geplanten Standort des Sahara Forest Project in der Aqaba Special Economic Zone Authority (ASEZA) gelegt werden. Zwar wird im März 2020 während eines norwegischen Staatsbesuchs eine entsprechende Vereinbarung mit der Aqaba Development Cooperation (ADC) über die Finanzierung und den Bau dieser Salzwasserpipeline  unterzeichnet, doch weiter scheint das Projekt noch nicht gediehen zu sein.

Anders in Australien. Nachdem die Sundrop Farms Pty Ltd. im Jahr 2014 bedeutende Investitionen anziehen kann, darunter 100 Mio. AU$ von der Private-Equity-Firma Kohlberg Kravis Roberts & Co., wird 10 km südöstlich von Port Augusta mit dem Bau eines acht Hektar großen, kommerziellen Gewächshauses im Wert von 200 Mio. AU$ begonnen, das im Oktober 2016 in Betrieb geht.

Die Energieversorgung erfolgt durch ein 127 m hohes Solar-Turmkraftwerk mit knapp 24.000 Heliostaten, das in Spitzenzeiten bis zu 39 MW thermische Energie sowie ca. 1,5 MW elektrische Leistung erzeugt. Das Projekt ist im Kapitelteil Sonnenturm sowie hier ausführlich dokumentiert. In der Anlage werden jährlich 250 Mio. Liter Süßwasser erzeugt, mit denen rund 17.000 Tonnen Strauchtomaten produziert werden, was etwa 15 % des australischen Tomatenverbrauchs entspricht.

Im Jahr 2017 wird zudem in Berbera, Republik Somaliland, einer autonomen Region, die völkerrechtlich zu Somalia gehört, ein vereinfachtes, kostengünstigeres Design umgesetzt, das ein modulares Design mit Netzen statt eines traditionellen Gewächshauses verwendet.

Ebenfalls im Jahr 2012 wird als Reaktion auf die zunehmende Wasserknappheit aufgrund des Klimawandels von Sid Vollebregt und Reinoud Feenstra, zwei Ingenieuren der Technischen Universität Delft, die niederländische Firma Elemental Water Makers B.V. mit Sitz in Den Haag gegründet, um firmeneigenes Design & Engineering, Produktion, Transport und Inbetriebnahme von solaren Umkehrosmose-Entsalzungsanlagen anzubieten.

2015 installiert die Firma ihre erste kommerzielle Anlage auf den Jungferninseln. Die ausschließlich mit Sonnenenergie betrieben 12 kW Anlage produziert täglich ca. 12.500 Liter Frischwasser aus Meerwasser. Ein interessanter Aspekt ist, daß diese Installation mit Schwerkraftunterstützung funktioniert, indem in Zeiten mit ausreichend Energie aus erneuerbaren Quellen Salzwasser in einen erhöhten Wasserpuffer gepumpt und dort gespeichert wird, um im Falle von dicken Wolken oder während der Nacht zu dem erforderlichen Druck für die Wasseraufbereitung beizutragen.

Im Gegensatz zu Batterien hat ein derartiger Wasserspeicher eine lange Lebensdauer und ist nicht mit Energieumwandlungsverlusten verbunden. Der erforderliche Höhenunterschied zwischen der Wasseraufbereitungsanlage und dem Hochwasserpuffer wird durch den Salzgehalt des Wassers bestimmt. Für Meerwasser mit einem TDS-Wert (Total Dissolved Solids) von 35.000 ppm sind etwa 90 m Höhendifferenz erforderlich, für Brackwasser mit einem TDS-Wert von 5.000 ppm etwa 50 m.

Neben vielen anderen Auszeichnungen gewinnt das Unternehmen 2012 den Energy Efficiency Award sowie den Royal Dutch Water Award, 2017 den ersten Preis des Mohammed bin Rashid Al Maktoum Global Water Award in Dubai, und 2019 wird die Technologie der Elemental Water Makers von der Solar Impulse Foundation als ,Efficient Solution’ ausgezeichnet. 2020 folgt der Energy Globe Award.

Bis 2024 implementiert das Unternehmen seine Technologie in über 30 Ländern, darunter viele Inseln, und versorgt dadurch etwa 200.000 Menschen mit Frischwasser. Ein solarbetriebenes Entsalzungssystem in der abgelegenen Gemeinde Anja-Belitsaka in Madagaskar beispielsweise produziert 30.000 Liter hochwertiges Süßwasser pro Tag. Das aktuelle Angebot der Firma reicht von kleinen, mobilen Entsalzungsgeräten mit PV-Paneel und einer Kapazität von 30 bzw. 50 Litern pro Stunde, bis hin zu Großanlagen mit Tageskapazitäten von 4, 20 und 100 m³.

Im November 2013 berichtet ein Team unter der Leitung von Huanting Wang und George P. Simon von der Monash University in Australien, daß es ein Vorwärtsosmosegerät entwickelt hat, das mit Hilfe von Sonnenlicht Meerwasser über ein zweischichtiges Hydrogel entsalzt. Der Vorwärtsosmose zugewandt haben sich die Forscher, da diese theoretisch weniger Energie verbrauchen sollte als die gängige Umkehrosmose, bei der das Wasser mit erheblichem Energieaufwand gepumpt werden muß.

Wie bei der Umkehrosmose werden auch bei der Vorwärtsosmose gelöste Stoffe über eine halbdurchlässige Membran aus dem Wasser entfernt. Doch anstatt das Wasser durch die Membran zu pumpen, stützt sich die Vorwärtsosmose auf den osmotischen Druck, der das Wasser durch die Membran treibt. Um diesen zu erzeugen, plazieren die Forscher Ansaugmittel, wie Lösungen anderer Salze oder absorbierende Hydrogele, auf der anderen Seite der Membran. Sobald diese Materialien frisches Wasser durch die Membran ziehen, muß eine energieeffiziente Methode gefunden werden, ihnen das Wasser zu entziehen.

In dem neuen Gerät der Monash University wird das Süßwasser durch die semipermeable Membran in ein Hydrogel aus N-Isopropylacrylamid (NIPAM) und Natriumacrylat gezogen. Das Gel schwillt dabei auf das 10- bis 20-fache Volumen an. Anschließend absorbiert ein zweites Hydrogel, das nur aus NIPAM besteht und temperaturempfindlich ist, das Wasser aus dem ersten Gel. Wenn dann die zweite Schicht auf 32°C erhitzt wird, kollabiert das Gel und preßt das frische Wasser heraus. Um das Gel zu erhitzen nutzt das Team konzentriertes Sonnenlicht.

Getestet wird das zweischichtige Gerät mit einer Lösung von 2.000 ppm Natriumchlorid, einer Standardkonzentration für Brackwasser. Sobald das Hydrogel mit Wasser gefüllt ist, kann das Modul Frischwasser mit einer Rate von 20 l/m² pro Stunde produzieren. Der Entwässerungsfluß steigt von 10 auf 25  l/m² pro Stunde, wenn der Solarkonzentrator den Energieeintrag von 0,5 auf 2 kW/m² erhöht.

Da die Wasseraufnahme durch das Hydrogel jedoch um eine Größenordnung langsamer ist als bei anderen Saugmitteln, plant die Gruppe, viele Hydrogelmodule parallel zu betreiben. Außerdem hat das Gerät noch Probleme mit der Entsalzung von echtem Meerwasser, dessen Salzkonzentration etwa 17 Mal höher ist als die der Testlösung. Das Team arbeitet bereits mit dem in Shanghai ansässigen Stahlunternehmen Baosteel zusammen, um das System für den industriellen Einsatz zu optimieren.

Im Januar 2014 folgen Berichte über das von Aaron Mandell gegründete Unternehmen WaterFX aus Kalifornien, das große Parabolrinnen verwendet, um Solarthermie zu komprimieren, Dampf zu erzeugen und Wasser zu destillieren. Das Entsalzungssystem, das eine Rückgewinnungsrate von 93 % hat, wurde primär zur Aufbereitung von landwirtschaftlichem Drainagewasser entwickelt, das Salze, Düngemittel und andere Verunreinigungen enthält. Diese Salze werden aufgefangen und können ebenfalls wiederverwendet werden.

Die Parabolrinnen der Aqua4 (o. Concentrated Solar Still, CSS) genannten Anlage erhitzen eine Wärmeträgerflüssigkeit, die die Wärme an eine Wärmepumpe weiterleitet, was die Effizienz weiter erhöht. Diese Wärme wird dann in einem Destillationsprozeß genutzt, um sauberes Wasser zu erhalten. Damit der Prozeß rund um die Uhr funktioniert, wird ein thermisches Speichersystem verwendet, das tagsüber die überschüssige Wärme speichert.

WaterFX hatte gemeinsam mit dem Wasserversorgungsunternehmen Panoche Water District ab Juni 2013 ein 600 m² großes System getestet, das fast 1.900 Liter sauberes Wasser pro Stunde produziert (andere Quellen: 65.000 Liter pro Tag). Nach dem Erfolg des vom kalifornischen Ministerium für Wasserressourcen finanzierten Pilotprojekts stimmt der Wasserbezirk nun zu, das System auf 140.000 m² zu erweitern, die mit salztoleranten Pflanzen bewirtschaftet werden sollen. Der Bau der ersten kommerziellen Anlage sollte Mitte 2015 durch das Tochterunternehmen HydroRevolution beginnen, läßt sich aber nicht belegen.

Im Jahr 2021 wird aus der WaterFX die Wacomet Water Co., die im Juli 2022 eine Seed-Finanzierungsrunde durch Prime Movers Lab mit 3 Mio. $ abschließt, bislang aber keinerlei Geschäftstätigkeit zeigt.

Im Juli 2014 erscheinen gleich zwei Studien, die solare Entsalzungsanlagen betreffen. Sie sind beide im Netz einsehbar. Zum einen handelt es sich um den Bericht ,The Effect of Cover Geometry on the Productivity of a Modified Solar Still Desalination Unit’, der von einem Team stammt, an dem Wissenschaftler der Amerikanischen Universität Beirut und der Saudi-Arabischen King Abdullah University for Science and Technology beteiligt sind.

Hier geht es um eine neue Modifikation des konventionellen Solar-Destillierapparats, um seine Produktivität zu erhöhen. Die Modifikation besteht aus einer leichten, schwarz lackierten, sich langsam drehenden Hohltrommel, die die Bildung von dünnen Wasserfilmen ermöglicht, die kontinuierlich aus dem Destillierbecken gesammelt werden und aufgrund der hohen Temperatur der Trommel schnell verdampfen. Die Energie für die Rotation der Trommel wird durch ein Solarpaneel bereitgestellt.

Zudem werden drei verschiedene Deckelgeometrien des modifizierten Destillierapparats untersucht. Als Kontrolle wird parallel ein konventioneller Destillierapparat mit doppeltem Schrägdach ohne rotierende Trommel betrieben. Tests der Anlage mit der Trommel ergeben eine durchschnittliche Steigerung von 250 %.

Die zweite Studie trägt den Titel ,Experimental Investigation of an Integrated Solar Green House for Water Desalination, Plantation and Wastewater Treatment in Remote Arid Egyptian Communities’ und stammt von Forschern des National Research Centre in Kairo und betrifft den experimentellen Bau und Test eines integrierten Solar-Gewächshauses (Integrated Solar Green House, ISGH), welches das Prinzip der solaren Wasserentsalzung nutzt.

Ebenfalls im Juli 2014 wird die Desolenator UK Ltd. gegründet, als Teil einer größeren Unternehmensgruppe mit Niederlassungen in London, Dubai und den Niederlanden. Ihr Ziel ist die Vermarktung einer von den Firmengründern William Janssen und Alexei Levene entwickelten Maschine, die eine patentierte Technologie verwendet, um Salzwasser und andere nicht trinkbare Wasserquellen in reines, destilliertes Wasser für den menschlichen Gebrauch umzuwandeln. Das Basisunternehmen Desolenator war bereits im Vorjahr gegründet worden.

Die transportable, robuste Konstruktion besitzt in etwa die Größe eines Flachbildschirms und besitzt ein Solarpaneel, das mit Hilfe einer Stützkonstruktion in Richtung Sonne ausgerichtet werden kann. Dabei nutzt der gleichnamige Desolenator nicht nur die photovoltaische Energie der Sonne, um den Entsalzungsvorgang zu betreiben, vielmehr werden auch die Hitze der Solarthermie und ein Wärmetauscher genutzt, um den Prozeß der Entsalzung zu vereinfachen. Zuerst erhitzt sich das Wasser auf etwa 90°C, dann wird die elektrische Energie der Solarzellen genutzt, um das Wasser zu kochen. Anschließend läuft der Dampf durch einen Wärmetauschmechanismus, um die nächste Charge salzhaltiges/verschmutztes Wasser zu erhitzen.

Mit einer Kapazität von 15 Litern Wasser pro Tag, ohne andere Energiequellen als die Sonne und ohne bewegliche Teile oder Filter benötigt das Gerät keine Verbrauchsmaterialien und soll einen Haushalt bis zu 20 Jahre lang mit sauberem Wasser versorgen können. Kleine Räder sorgen dafür, daß die Anlage an unterschiedlichen Stellen plaziert werden kann.

Die besitzt einen funktionsfähigen Prototypen, der sich aber noch in der Entwicklungsphase befindet. Mit einer Crowdfunding-Kampagne auf Indiegogo, bei der das Gerät zu Preisen ab 460 $ angeboten wird, sollen nun die Mittel beschafft werden, um die Produktionsreife zu erreichen und die Herstellung zu starten. Tatsächlich wird das Finanzierungsziel von 150.000 $ sogar überschritten, als 864 Unterstützer 167.807 $ aufbringen. Ob es auch zu einer Auslieferung gekommen ist, ließ sich bislang nicht verifizieren.

Bei einer internationalen Abstimmung zum Publikumspreis des Index Award 2015 ist der Desolenator der Sieger unter allen Finalisten - und im Sundarbans-Delta in Westbengalen wird gemeinsam mit dmr WaterAid India and Sundarbans Social Development Centre (SSDC) ein Pilotprojekt initiiert, um 4.000 Menschen mit Trinkwasser zu versorgen. Zudem soll gemeinsam mit einem Team lokaler Mikrounternehmer ein nachhaltiges Vertriebsmodell entwickelt werden. Es lassen sich aber keine Bestätigungen für eine tatsächliche Umsetzung dieser Plänbe finden.

Im März 2022 wird ein Projekt in Dubai als Referenz genannt, bei dem die Firma mit der Dubai Electricity and Water Authority (DEWA) zusammenarbeitet, um die Netto-Null-Entsalzung in großem Maßstab voranzutreiben. Hierbei handelt es sich um eine öffentlich-private Partnerschaft (PPP), die im Rahmen des 2016 gestarteten Programms Dubai Future Accelerator (DFA) initiiert wurde. Die in Jebel Ali installiert Pilotanlage soll bis zu 20.000 Liter Trinkwasser pro Tag produzieren. Die entsprechende Vereinbarung wird im August unterzeichnet. Nach dem erfolgreichen Abschluß dieses Projekts beabsichtigen Desolenator und DEWA die Gründung eines Joint-Venture zur Vermarktung der Technologie.

Mit dem Lebensmittel-, Landwirtschafts- und Technologieunternehmen Silal in Abu Dhabi wird im September 2022 eine Partnerschaft geschlossen, um ein Pilotprojekt zu starten, bei dem solarbetriebene Entsalzungstechnologie eingesetzt wird, um Frischwasser für die Bewässerung zu erzeugen und eine nachhaltige Kühloption für Gewächshäuser zu bieten. Finanzielle Unterstützung soll das Projekt durch einen von der Abu Dhabi Developmental Holding Co. (ADQ) neu aufgelegten Forschungs- und Entwicklungsfonds erhalten.

Bei der Supernova Challenge 2022, dem größten Pitch-Wettbewerb für Start-Ups im Nahen Osten, Afrika und Südasien, sichert sich die Desolenator den Hauptpreis von 100.000 $. Weiter scheint das Unternehmen bislang aber nicht gekommen zu sein.

Ebenfalls im Juli 2014 stellen Wissenschaftler der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen (RWTH Aachen) um Prof. Matthias Wessling einen elektrochemischen Entsalzungsprozeß vor, der 80 % weniger Energie verbraucht als konventionelle Destillationsanlagen.

Ähnlich wie bei der o.e. Technologie von Siemens aus dem Jahr 2008 fließt das Meerwasser dabei durch ein elektrisches Feld, wobei es den Aachener Wissenschaftlern mittels Elektroden aus Kohlenstoff-Partikeln gelingt, das Meerwasser in einem einstufigen Prozeß in Trinkwasser zu verwandeln, während das Siemens-Verfahren dazu noch zwei Schritte brauchte. Die sogenannten Flow-Elektroden bestehen aus Suspensionen positiv und negativ geladener Kohlenstoff-Partikel.

Darüber hinaus beschreibt das Forschungsteam einen neuartigen kontinuierlichen Entsalzungsprozeß. Im ersten Modul der verwendeten Apparatur binden die Flow-Elektroden Salz aus dem Wasser. In einem zweiten Modul werden die Elektroden-Partikel fortwährend regeneriert. Sie gelangen anschließend wieder in das erste Modul, wo sie erneut Salz-Ionen aus dem Wasser aufnehmen.

Bei einer Ausgangskonzentration vom einem Gramm Salz pro Liter Wasser lassen sich so in 90 % des zufließenden Wassers 99 % des enthaltenen Salzes entfernen. Die restlichen 10 % des Wassers dienen der Regeneration der Elektroden-Partikel und nehmen die im Regenerationsprozeß freigesetzten Ionen auf, so daß hier das Salzkonzentrat entsteht.

Eine im September 2014 erscheinende Studie von Prof. Amos G. Winter und Natasha Wright am Massachusetts Institute of Technology (MIT) zeigt, daß eine mit Sonnenkollektoren und einem Batteriesystem zur Energiespeicherung betriebene Elektrodialyse-Entsalzungstechnologie (o. Elektrodialyse-Umkehrung, EDR) genug sauberes Trinkwasser für den Bedarf eines typischen Dorfes mit 2.000 bis 5.000 Einwohnern liefern könnte - und dies mit etwa der Hälfte an Energie, die ein Umkehrosmose-System benötigt.

Die Ausgangsposition war es, ein System zu finden, das für den Salzgehalt des brackigen Grundwassers in ländlichen Dörfern in Indien am besten geeignet ist. Die EDR erwies sich als besonders geeignet, weil sie bei dem für die Region typischen Salzgehalt von 500 - 2.000 ppm 25 - 70 % weniger Energie benötigt als die Umkehrelektrolyse.

Bei der Elektrodialyse wird ein Wasserstrom zwischen zwei Elektroden mit entgegengesetzten Ladungen geleitet. Da das im Wasser gelöste Salz aus positiven und negativen Ionen besteht, ziehen die Elektroden die Ionen aus dem Wasser und lassen frischeres Wasser in der Mitte des Stroms zurück. Eine Reihe von Membranen trennt den Süßwasserstrom von dem zunehmend salzigen Wasser.

Sowohl die Elektrodialyse als auch die Umkehrosmose erfordern den Einsatz von Membranen, aber die in einem Elektrodialysesystem sind niedrigeren Drücken ausgesetzt und können durch einfaches Umkehren der elektrischen Polarität von Salzablagerungen befreit werden. Das bedeutet, daß die teuren Membranen viel länger halten und weniger Wartung benötigen. Außerdem wird bei Elektrodialyse-Systemen mehr als 90 % des Speisewassers zurückgewonnen - verglichen mit etwa 40 - 60 % bei Umkehrosmose-Systemen.

Als nächsten Schritt planen Winter und Wright im Januar einen funktionierenden Prototyp für Feldversuche in Indien zusammenzustellen. Die Forschungsarbeiten wurden ab 2012 von dem indischen Unternehmen Jain Irrigation Systems und vom Tata Center for Technology and Design am MIT gesponsert.

Als im Juli 2016 die Gewinner des Desal Prize der USAID bekanntgegeben werden, geht der mit 140.000 $ dotierten erste Preis an die Gruppe des MIT und Jain Irrigation Systems. Bei dem Wettbewerb ging es darum, ein kostengünstiges, umweltverträgliches und energieeffizientes Entsalzungssystem vorzuweisen. Getestet wurde die Anlage in der Brackish Groundwater National Desalination Research Facility in New Mexico.

Über die praktische Anwendung der photovoltaischen Elektrodialyse, die erst im Jahr 2024 erfolgt, berichte ich im Kapitelteil Solare Wasserentsalzung.

Im Mai 2015 berichten die Blogs über die australische Firma F CUBED Pty Ltd. in Melbourne (später: Preston, Victoria), die sich mit der Entwicklung von solarthermischen Entsalzungsanlagen und solaren Wasseraufbereitungssystemen befaßt.

Das 2004 von Peter Johnstone gegründete Unternehmen habe damnach in den letzten fünf Jahren in die Forschung und Entwicklung einer besonderen Entsalzungstechnologie investiert, die vollständig von der Sonne gespeist wird und den Namen Carocell trägt. Sie benötigt keine Stromquelle, keine Chemikalien, keine kostspieligen Membranen, keine Filter, keine Elektronik und nur minimalen Wartungsaufwand. Der Wirkungsgrad soll 55 – 65 % betragen.

Eine Standardinstallation besteht aus einer Reihe von Carocell Solar-Destillationspaneelen, die als Carocell-Wasserfarm bezeichnet werden. Die Wasserfarmen sind modular aufgebaut und können auf jede beliebige Größe erweitert werden. Zudem erlauben sie die Nutzung von Regenwasser zur Ergänzung der Leistung der Paneele. Auch sollen sich die Kollektoren so anordnen lassen, daß sie während des Wasserreinigungsprozesses Mineralien wie Lithium oder Salz extrahieren, was das Unternehmen Zero Liquid Discharge (ZLD)-Technologie nennt.

Der erste Container mit Carocell-Systemen wird allerdings erst im März 2018 nach Kiribati geliefert, wo die Firma mit dem Partner Green Living zusammenarbeitet, und im Juni eröffnet die Firmentochter Fcubed SEA Sdn Bhd die erste Wasserfarm in Malaysia, deren zehn Paneele 150 - 200 Liter Trinkwasser pro Tag produzieren. Ähnliche Projekte folgen in diversen weiteren Ländern und auf Inseln, sie sind auf der Firmenhomepage dokumentiert.

Im einzelnen werden das Modell CAROCELL 1000 angeboten, ein tragbares Gerät mit einer Leistung von bis zu sieben Litern pro Tag, das 7 kg wiegt und eine Oberfläche von 1 m² hat; das Modell CAROCELL 2000 für zehn Liter täglich, mit einer Oberfläche von 2 m² und einem Gewicht von 15 kg; sowie das Modell CAROCELL 3000 für häusliche Anwendungen mit einer Leistung von bis zu 20 Litern pro Tag, das 17 kg wiegt und eine Oberfläche von 3 m² aufweist. Die Lebensdauer wird mit 10 - 20 Jahren angegeben.

Ein Wissenschaftler-Team der Murdoch University um Martin Schmack zeigt im Juni 2015 in einer Studie ein Blasen-Gewächshaus, das prinzipiell wie ein normales Meerwasser-Treibhaus funktioniert, bei dem verdunstendes Salzwasser an den Scheiben kondensiert und dann als Süßwasser an den Wänden hinunter läuft und die Pflanzen bewässert. Im vorliegenden Fall wird dieses System mit einer neuartigen Verdunstungsmethode kombiniert, die aus zwei sogenannten Blasensäulen mit je sechs Kammern im Inneren des Gewächshauses besteht.

Die erste Säule besteht aus einem Verdunster, die zweite aus einem Kondensator. Ein Gebläse, das mit Solar- oder Windenergie betrieben wird, drückt Luft durch die Sinterscheiben der ersten Säule, die mit Salzwasser gefüllt ist und erwärmt wird. Dadurch bilden sich Tausende kleine Luftbläschen. Grund dafür ist eine ungewöhnliche Eigenschaft, die salziges Wasser aufweist: Es verhindert, daß sich Luftblasen zusammenschließen. Stattdessen bildet sich eine große Wasser-Luft-Oberfläche aus tausenden Blasen, die zwar ständig aneinanderstoßen, aber nicht verschmelzen. Während die Blasen oszillierend in der Salzlösung bleiben, bildet sich der Wasserdampf.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen, die nur bei Umgebungstemperatur arbeiten, sollen die neu entwickelten Verdampfer und Kondensatoren weitaus höheren Temperaturen standhalten und dadurch viel mehr Wasserdampf im Luftstrom gehalten werden. Außerdem verbraucht der Blasenprozeß nach Angaben der Wissenschaftler vergleichsweise wenig Energie. Sie gehen davon aus, daß mit Ihrer Methode ein 150 m² großes Gewächshaus pro Tag 8 m³ und bis zu 30 kg Ernte erzeugen kann.

Aus der Idee soll bald ein erster Prototyp entstehen, weshalb das Forscherteam bereits mit mehreren Industriepartnern in West-Australien verhandelt. Leider läßt sich auch in diesem Fall nichts über eine Fortsetzung des Projekts finden.

Im Mai 2016 beginnt das EU-Entwicklungs- und Innovationsprojekt RevivED water mit einer Laufzeit von vier Jahren, bei dem die deutsche Solarfirma Phaesun GmbH gemeinsam mit neun Partnern aus sechs europäischen Ländern an einer auf Elektrodialyse-Technologie basierenden und PV-betriebenen Entsalzungsanlage arbeitet. In der ersten Projektphase werden Prototypen entwickelt, und ab 2018 dann Pilotanlagen gebaut und unter realen Bedingungen getestet.

Die erste Pilotanlage wird im Mai 2018 in Somaliland installiert, im Jahr 2019 folgen für die Feldtests eine Anlage in Tansania, eine in Djibouti und zwei weitere in Indien. Die Pilotanlage in Tansania beispielsweise liefert den Bewohnern des Maasai-Dorfs Ndedo täglich 2.000 Liter Trinkwasser aus ihrem versalzenen Brunnen. Es ist die siebte Anlage im Rahmen des Projektes; die vorherigen versorgen Schulen, Tempel und Privathaushalten mit Trinkwasser.

Bei der Anlage in der tansanischen Steppe wird hingegen zum ersten Mal eine kommunale Trinkwasserstelle bedient, bei der die Bewohner für das Wasser wie bei einem Wasserkiosk bezahlen und so ein lokaler Wachmann für den Betrieb der Anlage bezahlt werden kann. Durch dieses Modell wird die Anlage vorbildlich gepflegt und der Betrieb nachhaltig gesichert.

Im August 2016 stellen die Blogs die Arbeit von Fayez al-Hindi vor, einem erfinderischen Bewohner des Gazastreifen, wo es so gut wie keine funktionierende Infrastruktur gibt. Der jahrzehntelange israelische Druck hat dort zu einer schweren Trinkwasserknappheit geführt, da etwa 90 % des Wassers für den menschlichen Gebrauch ungeeignet sind.

Um seine Familie mit Wasser zum Trinken und Kochen zu versorgen, baut er einen solarbetriebenen Destillationstank, der das Wasser von Salzen und Verunreinigungen säubert und pro Tag fast zehn Liter Trinkwasser produziert.

Nach einigen Bedenken über die Sauberkeit des so gewonnenen Wassers wurde dieses von einer lokalen Behörde mit dem Ergebnis getestet, daß es sauber ist. Das Entsalzungsgerät kann mit etwas Anleitung auch verhältnismäßig einfach nachgebaut werden und der Erfinder des Destillations-Tanks hilft nun anderen Bürgern dabei, ihre eigenen Anlagen zu bauen. Sonnenschein ist in der Region schließlich reichlich vorhanden.

Kontextbezogen soll an dieser Stelle erwähnt werden, daß die Europäische Union im August 2018 den bislang größten Solarpark im Gazastreifen fertigstellt, der mit seinen 0,5 MW Strom für eine Wasser-Entsalzungsanlage liefert. Diese soll bis 2020 eine Viertel Million Menschen mit sauberem Wasser versorgen; gegenwärtig sind es etwa 75.000. Um die Entsalzungsanlage auszubauen, sammelte die EU bereits im März 456 Mio. € von Spendern ein. Die noch fehlenden 77 Mio. € plant die EU selbst beizusteuern.

Ebenfalls im August erscheinen gleich zwei interessantes Designs im Zusammenhang mit der solaren Wasserentsalzung. Zum einen präsentiert der rumänische Architekt Alexandru Predonu aus Bukarest eine Röhre namens Ring Garden, die mit Hilfe von Solarenergie Salzwasser in Trinkwasser verwandeln kann. Der Entwurf ist einer der Finalisten des diesjährigen Wettbewerbs Land Art Generator Initiative 2016 (LAGI).

Die solarbetriebene Entsalzungsanlage, die vor der Küste des Bundesstaates schwimmt und jährlich 4,5 Milliarden Liter für das von Dürre geplagte Kalifornien gewinnen soll, besteht aus einer rotierenden aeroponischen Vertikal-Farm und einem Algen-Bioreaktor. Diese sollen pro Jahr über 18.000 kg aeroponische Nahrungspflanzen und 5.000 kg Spirulina-Biomasse für Viehfutter zu produzieren. Für die benötigte Energie sorgen Solarpaneele auf der Oberfläche der Trägerstruktur, die jährlich 440 MWh erzeugen.

Im Inneren wird das Meerwasser durch RO-Filter vom Salz befreit und das saubere Wasser dann aufgeteilt - 60 % werden für die Bewässerung der sich drehenden Pflanzen verwendet, 30 % in das öffentliche Netz eingespeist. Da das übrig bleibende extrem salzhaltiges Wasser förderlich für die Gesundheit ist, ist in der Röhre ein länglicher Pool integriert, in dem Besucher ein Thermalbad nehmen können.

Auch das zweite Design ist ein LAGI-Finalist. Der Entwurf The Pipe des kanadischen Büros Khalili Engineers ist eine riesige, in Küstennähe auf dem Meer schwimmende Röhre, die ihren selbsterzeugten Strom zur Entsalzung von Meerwasser nutzt, um die Menschen mit sauberem Trinkwasser zu versorgen.

Die silbrig glänzende Seeschlange mit hunderten Solarpaneelen, die vom Santa Monica Pier aus zu sehen ist, ist teils transparent und für Besucher begehbar. Ähnlich wie der vorangegangene Entwurf ist sie in der Lage, durch RO-Filter jährlich 4,5 Milliarden Liter Trinkwasser produzieren, wofür die Solarzellen jedes Jahr 10.000 MWh erzeugen, was beträchtlich mehr ist als bei dem Ring Garden. Und auch in diesem Fall soll das verbleibende Wasser mit 12 % Salzgehalt Thermalbäder versorgen.

Im Jahr 2016 beginnt auch die gemeinnützige Organisation GivePower mit der Entwicklung einer solarbetriebenen Entsalzungstechnologie, die in Entwicklungsregionen exportiert werden soll. Die Anlage paßt (abgesehen von den Solarpaneelen) in einen 20“-Schiffscontainer und soll pro Tag bis zu 280 m³ Meer- oder Brackwasser entsalzen können. Hersteller ist die Solar Water Solutions Oy Ltd. (SWS) aus Espoo in Finland.

Zum Hintergrund: GivePower wurde 2013 in von Hayes Barnard und Lyndon Rive als gemeinnütziger Zweig von SolarCity gegründet, das 2006 von Elon Musk ins Leben gerufen worden war. Nachdem SolarCity 2016 mit Tesla fusionierte, wurde GivePower kurz vor Abschluß der Fusion in eine unabhängige Organisation ausgegliedert. Im Jahr 2014 bestand der erste Schwerpunkt der Organisation darin, für jedes von SolarCity in diesem Jahr installierte Megawatt Solarsystem eine Schule mit solarbetriebener Beleuchtung auszustatten.

Die erste BLUdrop (o. basic life unit) genannte Entsalzungsanlage wird 2018 in Kiunga, Kenia, installiert, die mit 50 kW Solarpaneelen und sechs Tesla Powerwall-Batterien ausgestattet ist, um eine Speicherkapazität von 90 kW zu erreichen. Die 500.000 $ teure Anlage ist 370 m² groß und  kann 50.000 Liter (andere Quellen: 70.000 Liter) Trinkwasser pro Tag produzieren. Das nächste Projekt findet gemeinsam mit der christlichen Organisation World Hope International in Haiti statt, wird im Juli 2019 ausgeliefert und ist 2020 vollständig betriebsbereit und autark.

Darüber hinaus hat GivePower bis 2018 in Dörfern in siebzehn verschiedenen Ländern insgesamt 2.650 Solaranlagen für Einrichtungen wie Grundschulen und medizinische Kliniken installiert. Zudem wird 2019 in den USA ein 300 kW Solarpark im Standing Rock Indianerreservat der Sioux Nation errichtet.

Mit Unterstützung der niederländischen Gruppe Climate Fund Managers (CFM) soll das BLUdrop-System nun in den ländlichen Gebieten Kenias in größerem Umfang eingesetzt werde, um bis 2023 mit 200 Entsalzungsanlagen mindestens 400.000 Menschen zu versorgen. Ist das Projekt in Kenia erfolgreich, soll es auf weitere Länder und Regionen ausgeweitet werden. Im Februar 2020 wird GivePower mit dem Mohammed bin Rashid Al Maktoum Global Water Award ausgezeichnet - und im Dezember 2021 gibt es den Energy Globe Award.

Im März 2018 werden nahe Nairobi und auf den Wasini Islands in Kenia zwei Wasserkioske installiert. Dabei handelt es sich um 15 m² große Betonhütten mit PV-Solarpaneelen auf dem Dach, welche die Energie für die Pumpen des Umkehrosmosesystems im Inneren liefern, die das salzige oder brackige Wasser aus dem Meer oder aus Brunnen entsalzen und zu Trinkwasserqualität filtern. Das verbleibende Salzwasser wird für Sanitäranlagen wie Duschen und Toiletten genutzt. Um die Wasserkioske herum sind 30 m² große Flächen, auf denen im Vertical Farming knapp 800 Pflanzen mehrstöckig übereinander angepflanzt werden.

Pro Stunde filtert ein WaterKiosk 2.000 Liter Wasser, mit einem Produktionspreis von 50 Cent. Verkauft wird das Wasser dann zu einem Viertel des Marktpreises, was die Idee allerdings zum Feind für lokale Geschäfte macht, die Trinkwasser zu einem viel höheren Preis verkaufen. Darüber hinaus liefert die PV-Anlage Energie, um öffentliche Einrichtungen wie eine Schule mit Strom zu versorgen - und um Geräte wie Leuchten, Radios oder Handys zu laden.

Zum Hintergrund: Hamed Beheshti und Ali Al-Hakim, Absolventen der TU Berlin und der FU Berlin, gründeten 2013 die Firma Boreal Light GmbH, die sich ab 2015 auf die Entwicklung von erschwinglichen solarbetriebenen Wasserentsalzungsanlagen für Gegenden abseits des Stromnetzes konzentrierte, wofür die Produktmarke Winture (o. Winture Cube; Winture Planet Cube) geschaffen wurde. Zuvor hatten die beiden eine Windturbine entwickelt, doch die Nachfrage war nicht groß genug.

Bereits 2016 erfolgt der Bau des ersten Prototypen der Entsalzungsanlage, im nächsten Jahr wird eine verbesserte Version entwickelt. Im November 2017 können sich die Gründer beim Finale der erstmals veranstalteten European FoodNexus Startup Challenge gegen 400 Firmen durchsetzen, was ihnen 50.000 € für die Weiterentwicklung ihres Projekts einbringt. Zudem wird Ende des Jahres eine erfolgreiche Crowdfunding-Kampagne für zwei Entsalzungsanlagen durchgeführt, so daß bald darauf mit der Produktion begonnen werden kann.

Im Jahr 2018 wird zudem die Firma WaterKiosk Africa gegründet, welche die solaren Wasserentsalzungsanlagen in netzfernen Gemeinden in Afrika installiert, betreibt und wartet.

Im Oktober 2019 wird die Boreal Light als Bundessieger und als Publikumssieger des Wettbewerbs KfW Awards Gründen ausgezeichnet. Das Unternehmen hat bis zu diesem Zeitpunkt bereits 15 Wasserkioske in drei Ländern installiert, zwölf in Kenia, zwei in Somalia und eines in Jemen. Dank Fernüberwachung kann jeder einzelne Standort mit einem Wasserkiosk von Berlin aus geprüft werden, außerdem werden regelmäßig Proben vor Ort genommen.

Zuletzt war in August ein WaterKiosk im kenianischen Burani in Betrieb eingeweiht worden, der neben der Aufbereitung von über 10.000 Litern sauberem Trinkwasser pro Tag auch Bewässerungs- und Fischzucht-Wasser für die vertikale Landwirtschaft und für eine kleine Aquaponik-Anlage produziert.

Innerhalb des nächsten Jahres sollen nun 40 weitere Wasserkioske in Ostafrika gebaut werden, häufig bei Krankenhäusern. Die von 150 - 4.000 Liter pro Stunde dimensionierten Anlagen haben 20 Jahre Garantie. Eine kleinere Anlage kostet 80.000 €, eine große bis zu 200.000 €. Dafür sind neben der Auflademöglichkeiten für Handys auch eine kleine Bücherei für Kinder, WLAN, ein Kühlschrank für Medikamente sowie ein Verkauf von Lebensmitteln integriert.

Die weitere Entwicklung des Unternehmens, das inzwischen auch größere Anlagen mit bis zu 18.000 Liter Kapazität anbietet, ist auf den Firmenhomepage gut dokumentiert. Anfang 2021 stehen jedenfalls schon 68 Anlagen im Jemen, in Somalia, Kenia, Tansania, Sambia, Südafrika, Indonesien und auf die Philippinen, und im Laufe des Jahres sollen es 100 mehr werden.

Hinweis: Seit 2011 existiert auch eine Schweizer WaterKiosk Foundation mit Sitz in Zürich, die Geräte zur thermischen Wasser-Desinfektion (SoWaDis) und zur Trinkwasseraufbereitung (SuMeWa) durch Uferfiltration und Restdesinfektion des Flußwassers anbietet und sich hauptsächlich in Tansania engagiert. Trotz Namensgleichheit und ähnlichem Ansatz hat die Stiftung aber nichts mit der Boreal Light zu tun.

Im Juni 2018 stellt das US-Energieministerium 21 Mio. $ für 14 Projekte zur Verfügung, die darauf abzielen, die Kosten der solarthermischen Entsalzung zu senken. Die Einzelförderungen, die zwischen 800.000 $ und 2 Mio. $ betragen, gehen u.a. an das Fraunhofer USA Center for Energy Innovation, um keramische Membrandestillationssysteme (MD) zu entwickeln und zu testen; an das Lawrence Berkeley National Laboratory, wo ein integriertes Vorwärts-Osmose-System auf der Grundlage ionischer Flüssigkeiten für Wässer mit hohem Salzgehalt entwickelt wird; und an die University of North Dakota, die an einem Projekt arbeitet, bei dem es um die Reinigung von salzhaltigem Wasser aus Öl- und Gasbohrungen geht.

Weitere Begünstigte sind die Columbia University, das Natural Energy Laboratory of Hawaii Authority, die Oregon State University, die University of California: Los Angeles, die University of California: Merced, die University of Illinois at Urbana-Champaign und die Rice University.

Neben diesen sind noch einige Firmen zu nennen, die Förderungen erhalten. Dazu gehört die Advanced Cooling Technologies Inc. aus Lancaster, Pennsylvania, die ein Kreislauf-Solarsammelsystem entwickelt, das Nanofluide mit höherem Solarabsorptionsvermögen und ein Zweiphasen-Thermosyphon nutzt, bei dem die Flüssigkeit nicht aktiv durch das System gepumpt werden muß.

Das kalifornische Start-Up Sunvapor Inc. in Pasadena entwickelt wiederum eine thermische Energiespeicherlösung auf der Grundlage von Phasenwechselmaterialien; die GreenBlu aus Hamilton, New Jersey, arbeitet an einem mehrstufigen Adsorptionswasserdestillator; und die in Lakewood, Colorado, beheimatete SkyFuel Inc. will die Kosten durch die Entwicklung eines neuen membranbasierten und leichten Parabolrinnenkollektors senken.

Die chilenische Umweltbehörde genehmigt im September 2018 die Entwicklung der größten Entsalzungsanlage Lateinamerikas, die die Nutzung von Photovoltaik und Umkehrosmose umfaßt und eine Anfangsinvestition zwischen 500 Mio. $ und 1,5 Mrd. $ erfordern wird. An den Planungen war bereits seit 2016 gearbeitet worden, u.a. durch das Potsdamer Unternehmen SYNLIFT (s.u.).

Das Projekt ENAPAC der chilenischen Firma Trends Industrial S.A. in Partnerschaft mit dem spanischen Unternehmen Almar Water Solutions beinhaltet die Entsalzung von Meerwasser aus der Wüsten- und Bergbauregion Copiapó-Diego de Almagro in der Region Atacama im Norden des Landes mit einer maximalen Kapazität von 227.000 m³ pro Tag. Zur Stromversorgung soll eine eigene 100 MW (andere Quellen: 150 MW) PV-Anlage gebaut werden, während das entsalzte Wasser über eine 72 km lange Pipeline und 700 Höhenmeter zu einem neuen 600.000 m³ Reservoir nahe Copiapó gepumpt werden soll.

Bislang scheint die Suche nach Investoren oder Fonds zur Finanzierung nicht erfolgreich gewesen zu sein, denn man hat nichts mehr über das Projekt gehört, das bei seiner Realisation eine der größten mit Solarenergie betriebenen Entsalzungsanlagen der Welt darstellen würde.

Im Dezember 2018 geht in der Gemeinde Hessequa, Grant Riddles, die erste PV-betriebene solare Entsalzungsanlage in Südafrika in Betrieb. Das vom französischen Finanzministerium und der Provinz Westkap kofinanzierte Projekt OSMOSUN wurde von den Firmen Turnkey Water Solutions (TWS) und Mascara Renewable Water zusammen mit lokalen Beratern und Bauunternehmern in weniger als 18 Monaten entwickelt und abgeschlossen. Die Anlage produziert durchschnittlich 150.000 Liter Trinkwasser pro Tag.

Im Zuge der Recherche zeigt sich, daß die erste Anlage des 2014 von Marc Vergnet und Maxime Haudebourg gegründeten Unternehmens OSMOSUN im Jahr 2016 in Abu Dhabi im Rahmen des MASDAR-Programms zur Entsalzung mit erneuerbaren Energien implementiert wurde. Im Vergleich zu Konkurrenten hatte die PV-SWRO-Entsalzungsanlage ohne Batterie mit 2,5 kWh/m³ den niedrigsten Energieverbrauch.

Ab 2017 werden die OSMOSUN-Einheiten für Versorgungsunternehmen auf Inseln und in Küstengemeinden in Polynesien eingesetzt - und bis 2020 sind schon mehr als 40 Einheiten in mehr als 20 Ländern im Einsatz, deren Frischwasserproduktionskapazität 1 m³ bis zu 2.500 m³ pro Tag reicht.

Im Juli 2019 stellen Forscher der King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) in Saudi-Arabien um Prof. Peng Wang ein Solarpaneel vor, das nicht nur Strom liefert, sondern gleichzeitig einen Teil der Wärmeenergie zur Destillation und Reinigung von Meerwasser nutzt. Das multifunktionale Gerät fängt die von den PV-Zellen abgegebene Wärme auf und setzt sie zur Erzeugung von Wasserdampf bzw. sauberem Trinkwasser ein.

Zur Umsetzung der Photovoltaik-Membran-Destillation (Photovoltaics-Membrane Distillation, PV-MD) wird eine dreistufige Membrandestillationseinheit entworfen, die Meerwasser bei relativ niedrigen Temperaturen verdampft. Die Vorrichtung besteht aus drei an der Rückseite des PV-Paneels angebrachten übereinander liegenden Schichten von Wasserdestillationskanälen, die durch poröse hydrophobe Membranen und Wärmeleitschichten getrennt sind.

Die Abwärme des Paneels verdampft das Meerwasser im obersten Kanal, und der Dampf durchquert die poröse Membran und kondensiert als Süßwasser in einem sauberen Wasserkanal direkt darunter. Während der Dampf kondensiert, wird seine Wärme durch eine Wärmeleitschicht in den nächsten Meerwasserkanal geleitet, wodurch die Energie wiederverwendet wird, um mehr Wasser zu reinigen.

Durch die Weiterleitung der Energie von Schicht zu Schicht produziert das Gerät jede Stunde bis zu 1,64 Liter Wasser pro Quadratmeter Solarpaneeloberfläche und gleichzeitig Strom mit einem Wirkungsgrad von über 11 %. Der Bericht mit dem Titel ,Simultaneous production of fresh water and electricity via multistage solar photovoltaic membrane distillation’ ist im Netz einsehbar. Wang geht davon aus, daß ein kommerzielles Gerät in fünf Jahren verfügbar sein könnte.

Im September 2019 kündigt das US-Energieministerium (DOE) den American-Made Challenges: Solar Desalination Prize an, einen vierstufigen Wettbewerb, der die Entwicklung kostengünstiger Entsalzungssysteme beschleunigen soll, die solarthermische Energie zur Gewinnung von sauberem Wasser aus Salzwasser nutzen.

Offiziell gestartet wird der Wettbewerb durch das Büro für Solarenergietechnologien (Solar Energy Technologies Office, SETO) des DOE im April 2020.

Zu diesem Zeitpunkt beginnt Runde 1, deren Viertelfinalisten im Oktober bekannt gegeben. Die Teams der Halbfinalisten werden im April 2021, die Finalisten im Februar 2023 bzw. August 2024. Runde 2 wird im April 2021 eröffnet und die Viertelfinalisten im September bekannt gegeben. Die Semifinalisten werden im April 2022 veröffentlicht, das Gewinnerteam im April 2024 gekürt. Die Teilnehmer erhalten Geldpreise im Gesamtumfang von 9 Mio. $, wenn sie die einzelnen Stufen durchlaufen. Den Höhepunkt bildet der Hauptpreis in Höhe von 1 Mio. $ für die erfolgreiche Demonstration eines vielversprechenden Prototyps eines solarthermischen Entsalzungssystems.

Insgesamt beteiligen sich 155 Teams sowie rund 1.100 Einzelerfinder an dem Wettbewerb. Die Details dazu finden sich auf der nicht sehr übersichtlichen Homepage des Solar Desalination Prize. Tatsächlich wird im Februar 2023 mit der Firma Katz Water Technologies (KWT) aus Houston der erste Finalist ausgewählt, um in die vierte und letzte Wettbewerbsphase zu gelangen. Die KWT baut ihr in sich geschlossenes, kompaktes Destillationssystem um, um solarthermische Energie anstelle von Erdgas zu nutzen.

Im August 2024 folgen zwei weitere Finalisten, die Firma GreenBlu aus Hamilton und das Team Solar Desalt, das aus Forschern des Oak Ridge National Laboratory und der Michigan Technological University besteht.

Die GreenBlu (später: Tidal Metals) plant den Bau einer Reihe von evakuierten Solarkollektoren und eines  solarthermischen Kristallisators (Temperature-Swing Vapor Pump, TSVP), der mit sehr hohem Wirkungsgrad arbeitet und wertvolle Salze wie Magnesium aus dem Meerwasser zurückgewinnt. Das Solar Desalt-Team arbeitet wiederum daran, die Abwassermenge von Weingütern in Kalifornien zu reduzieren, indem das Abwasser mit zwei der Sonne nachgeführten 10 kWh Solarkollektoren und einem thermischen Energiespeichermodul behandelt werden.

Jedes Team erhält einen Geldpreis in Höhe von 750.000 $ sowie einen Voucher über 100.000 $ und hat nun drei Jahre Zeit, einen Prototyp zu bauen, den Betrieb zu demonstrieren und sich um den Hauptpreis zu bewerben.

Im November 2019 wird in Douar Al Hamri im Landkreis Boughriba in der Provinz Berkane in Marokko eine dezentrale, mit erneuerbaren Energien einsetzbare Entsalzungsanlage installiert und in Betrieb genommen, die im Rahmen des im Mai 2017 gestarteten und von Prof. Spiros Alexopoulos koordinierten deutsch-marokkanischen Forschungsprojekts Qanat entwickelt wurde.

Das effiziente System, das sauberes Wasser mit hoher Trinkwasserqualität für die lokale Bevölkerung bereitstellt, bildet einen Grundstein für die Demonstration und Verbreitung der Technologie in Nordafrika. Es besteht aus einem photovoltaischen Pumpensystem für Brunnenwasser und dessen Speicherung in einem Salzwasserspeichertank, sowie aus vier Flachkollektoren, die das Wasser, das zwischen diesen Kollektoren und dem unteren Becken des Systems zirkuliert, mit Hilfe der Sonnenenergie erwärmen.

Anvisiertes Ziel ist es, die durch das Solar-Institut Jülich an der FH Aachen und das Ingenieurbüro für Energie- und Umwelttechnik Jülich (IBEU) ausgereifte und gründlich getestete Technologie, die sich durch einfache Bauweise, Handhabung, Wartung und Reinigungsmöglichkeit auszeichnet, vorrangig auf dem marokkanischen Markt günstig anzubieten.

Projektpartner ist die Universität Mohammed I. in Oujda in Marokko, gefördert wird das Vorhaben durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF).

Auch wenn es sich nicht um eine Form der solaren Entsalzung handelt, soll hier trotzdem auf eine Ende 2019 gestartete Industrieinitiative unter Leitung des Potsdamer Unternehmens SYNLIFT Industrial Products GmbH & Co. KG (SIP) hingewiesen werden, die schwimmende Offshore-Windkraftanlagen mit der Meerwasser-Entsalzung kombiniert.

Partner sind die Firmen aerodyn Energiesysteme, EMS Maritime Offshore (o. EMS Offshore Services), Norddeutsche Seekabelwerke/Prysmian Group, Thyssenkrupp Industrial Solutions, Crist Shipyard, Boll & Kirch Filterbau, AEROVIDE, Fugro sowie StoGda Ship Design & Engineering.

Das schwimmende Kraftwerk Floating WINDdesal (FWD) besteht im Kern aus einer Meerwasser-Entsalzungsanlage und einer Windturbine, die beide von einer schwimmenden Halbtaucher-Struktur getragen werden, wie sie ursprünglich für Tiefsee-Ölbohrungen entwickelt worden war. Dabei wird die Meerwasser-Entsalzung nahezu vollständig mit Windenergie betrieben. Je nach Modulgröße beträgt die tägliche Wasseraufbereitung 15.000, 30.000 bzw. 50.000 m³ pro Tag. Gefertigt werden sollen die schwimmenden Entsalzungsplattformen in der Crist-Werft im polnischen Gdynia.

Im September 2020 wird das Konzeptpapier für die Realisierung einer FWD-Demonstrationsanlage mit 10.000 bzw. 15.000 m³ pro Tag in Saudi-Arabien eingereicht, und im Oktober erhält die Firma den Auftrag für erste Entwicklungsarbeiten für eine windbetriebene Meerwasserentsalzungsanlage gleicher Kapazität in Peru, die allerdings auf dem Land stehen soll. Im Juni 2021 treten drei neue Partner der Initiative bei: die Liebherr-MCCtec Rostock GmbH, die REMAZEL Engineering S.p.A. und die Asturfeito S.A.

Der Rahmenvertrag zur Zusammenarbeit in Saudi-Arabien wird im November 2021 mit der dortigen Regierungsbehörde Saline Water Conversion Cooperation (SWCC) unterzeichnet, einen  Auftrag über technische Planungsarbeiten für WINDdesal-Meerwasserentsalzungsanlagen und windbetriebene Wasserstofferzeugungsanlagen (WINDhydrogen) gibt es aber erst im Februar 2023. Er wird im Dezember abgeschlossen. Weitere Entwicklungsschritte scheint es aber nicht gegeben zu haben.

Im Februar 2020 soll das von Malcolm Aw im Jahr 2016 gegründete Londoner Unternehmen Solar Water Plc (früher: Water L’eau) in der futuristischen NEOM City, einem 500 Mrd. $ schweren Projekt im Nordwesten Saudi-Arabiens, das ausschließlich mit erneuerbaren Energien betrieben werden soll, mit dem Bau einer gigantischen Anlage zur Meerwasserentsalzung beginnen. Herzstück ist eine Solarkuppel, deren Errichtung bis Ende des Jahres geplant ist. Das Pilotprojekt ist der erste Solar Dome der Firma, der aus einer 25 m hohen Kuppel aus Glas und Stahl besteht, die einen Kessel bedeckt, der weitere 25 m in den Boden reicht.

Die an der britischen Cranfield University entwickelte Technologie, wo ein Modell im Maßstab 1:100 gebaut und dann am spanischen CIEMAT-PSA in der andalusischen Wüste von Tabernas getestet worden war, stellt den ersten groß angelegten Einsatz der CSP (Concentrating Solar Power)-Technologie zur Meerwasserentsalzung dar.

Die Idee sieht vor, daß das Meerwasser über Aquädukte ins Landesinnere transportiert wird, die mit Glas bedeckt sind und das Wasser unter Sonneneinstrahlung erwärmen. Das Wasser wird dann in die hydrologische Solarkuppel gepumpt und anschließend mittels mehr als 100 Heliostaten, die um die Kuppel angeordnet sind, überhitzt, verdampft und schließlich als Frischwasser in Reservoirs geleitet.

Der Solarkuppel-Entsalzungsprozeß, der aufgrund der tagsüber gespeicherten Sonnenenergie auch nachts betrieben werden kann und pro Stunde 30.000 m³ Trinkwasser produziert, soll zudem die Gesamtmenge an Sole, die während des Wassergewinnungsprozesses entsteht und bisher meist mit schädlichen Auswirkungen wieder ins Meer zurückgeleitet wird, erheblich reduzieren, indem die Sole als Nebenprodukt in Tanks abgeleitet wird, um dann z.B. an Batteriehersteller weiterverkauft zu werden. Nach der 25 m hohen Entsalzungskugel sollen drei weitere mit einer Größe zwischen 50 und 80 m folgen.

Im Juli wird mit der tschechischen Firma LANIK s.r.o. eine Vereinbarung über die technische Entwicklung, das Design und die Installation der Stahl- und Verglasungsarbeiten der Solarkuppel unterzeichnet. Außerdem werden in NEOM die Fundamente für die Anlage gelegt, um den Bau bis zum Frühjahr 2021 abzuschließen.

Weiter scheint die Angelegenheit aber nicht gediehen zu sein - und im Mai 2024 ist zu erfahren, daß die Solar Water ihren 100 Mio. $ Vertrag mit NEOM gekündigt habe, nachdem Berichte zu dortigen Gewaltvorfällen und Menschenrechtsverletzungen veröffentlicht wurden. Demnach seien Bewohner der Region - hauptsächlich vom Stamm der Huwaitat - vertrieben und ihre Gebäude zerstört worden.

Darüber hinaus scheint das Unternehmen seit 2022 nur noch an einem einzigen Projekt namens REWAISE zu arbeiten, bei dem EU-gefördert ein Demonstrationsprojekt auf Teneriffa, Kanarische Inseln, errichtet werden soll. Der vorgeschlagene Prototyp ist eine 20 m hohe Solarkuppel, die die benötigte thermische Energie im Umfang von 4,6 MW von einem Feld Parabolrinnenkollektoren erhält. Die prognostizierte Tagesproduktion an Frischwasser beträgt 216 m³ (andere Quellen: 489 m³).

In Bezug auf NEOM wird im Juni 2022 berichtet, daß Wissenschaftler der King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) zwischenzeitlich verschiedene Systemkonfigurationen für die Entsalzung und nachhaltige Wasserversorgung untersucht und festgestellt haben, daß die niedrigsten Energiekosten durch die Kombination von Solar- und Speicherkraftwerken entstehen würden. Es wird erwartet, daß die Entsalzungsanlage etwa 20 % des gesamten Stromverbrauchs von NEOM ausmachen wird. Praktische Schritte sind bislang aber nicht auszumachen.

Im Juni 2020 geht in Ribeira Dom João auf der Insel Maio eine Umkehrosmose-Entsalzungsanlage in Betrieb, die Süßwasser für den täglichen und landwirtschaftlichen Gebrauch der etwa 200 Einwohner produziert. Es ist die erste ausschließlich mit Photovoltaik betriebene Entsalzungsanlage auf den Kapverden. Das Demonstrations- und Technologietransferprojekt wurde vom Canary Islands Institute of Technology (ITC) in Zusammenarbeit mit der Gemeindekammer von Maio und dem lokalen Unternehmen Aguas y Energía de Maio entwickelt.

Ermöglicht wurde die Realisation durch eine Kooperationsvereinbarung zwischen dem ITC, der nationalen Wasser- und Abwasserbehörde und der Universität von Kap Verde im Rahmen des europäischen Kooperationsprojekts DESAL+, das im Januar 2017 mit einem Budget von fast 2,6 Mio. € und einer Laufzeit bis zum Oktober 2022 gestartet war und das Ziel hat, in Makaronesien (Kanaren, Madeira, Kap Verde und Mauretanien) Schaffung eine gemeinsame Forschungs- und Entwicklungsplattform im Bereich der Wasserentsalzung und der ausschließlichen Nutzung erneuerbarer Energien zu schaffen.

Die neue, als Vorreiter gefeierte Anlage hat dank ihrer 33,6 kW Photovoltaikanlage die Kapazität, mehr als sieben Stunden am Tag autonom zu arbeiten, wobei sie eine Produktionskapazität von 120 m³ pro Tag erreicht (andere Quellen: ca. 400 m³ pro Monat).

Gemeinsam mit dem ITC veröffentlichen der spanische Wasseraufbereitungsspezialist Emalsa und die Universidad Europea de Canarias im März 2021 die Machbarkeitsstudie über eine schwimmenden PV-Anlage mit einer Leistung von 1,53 MW, die die bestehende Entsalzungsanlage Planta Desaladora de Ósmosis Inversa (Las Palmas III) auf der Insel Gran Canaria zukünftig mit Strom versorgen könnte. Die geplante PV-Anlage im Einzugsgebiet der Entsalzungsanlage würde eine Investition von rund 2 Mio. € erfordern - allerdings nur rund 3 % des gesamten Strombedarfs der Entsalzungsanlage decken.

Bei ihrer Studie stoßen die Forscher auf eine überraschende Erkenntnis. Wenn die Oberfläche des Wasserbeckens mit Solarpaneelen bedeckt ist, verringert dies die Temperaturschwankungen des Meerwassers. Dies führt zur Verbesserung der Effizienz des RO-Prozesses, indem die Temperatur des Meerwassers das ganze Jahr über stabilisiert wird.

Genau ein Jahr später, im März 2022, wird darüber berichtet, daß auch ein Team der Universität Malaga (UMA) um Prof. Francisco Guzmán daran arbeitet, die Wasserversorgung in Südspanien durch solarbetriebene Wasserentsalzung zu verbessern. Das in der spanischen Region Andalusien in Entwicklung befindliche Projekt Agua+S zielt darauf ab, eine Entsalzungsanlage, ein Netz von Pumpstationen und eine schwimmende PV-Anlage in einem einzigen Projektentwurf zu kombinieren.

Hierbei soll die auf dem Wasser eines weniger als 20 km vom Meer entfernten Stausees installierte Photovoltaikanlage den gesamten Strombedarf für den Entsalzungsprozeß liefern, der die Produktion von 20 Mio. m³ Trinkwasser pro Jahr ermöglichen soll. Den Entwicklern zufolge könnte das Projekt in weniger als einem Jahr zu Kosten von rund 60 Mio. € umgesetzt werden, die Amortisationszeit wird auf drei bis vier Jahre geschätzt.

Im Mai 2023 billigt das spanische Kabinett einen nationalen Investitionsplan in Höhe von 2,19 Mrd. €, um die Dürre zu bekämpfen und die Wasserressourcen zu verbessern. Zu den Maßnahmen gehören die Förderung der städtischen Wasserwiederverwendung, die Senkung der Gebühren für betroffene landwirtschaftliche Betriebe, die Entlastung der Grundwasserleiter - und der Bau von solarbetriebenen Entsalzungsanlagen. Die Regierung ermächtigt das staatliche Unternehmen Acuamed daraufhin, Ausschreibungen für neue Entsalzungsanlagen in Verbindung mit PV-Solarparks zu starten, für die ein Budget von 600 Mio. € bereitgestellt wird.

Zwischenbemerkung:

Laut dem Dürrebericht der UN, der im Mai 2022 auf der 15. Weltbodenkonferenz in Abidjan vorgestellt wird, ist die Zahl und Dauer von Dürreperioden seit dem Jahr 2000 weltweit um 29 % gestiegen.

Die Konsequenzen dieser Entwicklung sind verheerend: Mehr als 2,3 Mrd. Menschen weltweit sind unzureichend mit Wasser versorgt, und 3,6 Mrd. leben in Gebieten, in denen mindestens für einen Monat im Jahr Wassermangel herrscht - eine Zahl, die aus demografischen und klimatischen Gründen bis zum Jahr 2050 auf bis zu 5,7 Mrd. Menschen ansteigen könnte.

Angesichts dieser Prognose sollte klar sein, daß die breite Umsetzung der solaren Meer- und Brackwasserentsalzung als naheliegendste Lösung wesentlich mehr Investitionen verdient als bisher.

 

Im Juni 2022 nehmen die Firmen ACWA Power und Emirates Water and Electricity Co. (EWEC) die erste Phase der RO-Entsalzungsanlage Al Taweelah in den VAE in Betrieb, die sich in der Khalifa Industrial Zone Abu Dhabi (KIZAD) befindet, etwa auf halber Strecke zwischen den Städten Abu Dhabi und Dubai, und Teil eines großen Kraftwerks- und Entsalzungskomplexes ist Die 874 Mio. $ teure Umkehrosmoseanlage ist in der Lage, den Wasserbedarf von mehr als 350.000 Haushalten zu decken.

Mit Abschluß der Phase 2 im April 2023 wird die Gesamtkapazität der Anlage von knapp 910.000 m³ pro Tag erreicht, was sie zur größten RO-Anlage der Welt macht.

Ein Teil des Strombedarfs der Entsalzungsanlage wird durch einen 70 MW Solarpark gedeckt. Der ACWA zufolge wird erwartet, daß die Solarenergie mindestens 30 % des benötigten Stroms liefert, was später auf 55 % erhöht werden soll.

Der französische Energiekonzern Total (o. Total Energies) und der omanische Wasserversorger Veolia unterzeichnen im August 2022 einen Vertrag, um die RO-Meerwasserentsalzungsanlage Sharqiyah in Sur an der Ostküste des Oman, die durch ihr Energierückgewinnungssystem zu den effizientesten Anlagen dieser Art zählt, nun auch mit einer großen PV-Anlage auszustatten. Das Land versorgt sich zu mehr als 80 % mit entsalztem Meerwasser.

Neben dem Gelände der Entsalzungsanlage, die Trinkwasser für 600.000 Menschen liefert, sollen 32.000 PV-Paneele auf Trackersystemen errichtet werden, wobei die 17 MW PV-Anlage aufgrund der hohen Sonneneinstrahlung in der Region einen jährlichen Ertrag von über 30.000 MWh liefern wird, mit dem sich ein Drittel des Strombedarfs der Entsalzung decken lassen soll. Das 173 Mio. $ teure Sharqiyah Independent Water Project war 2007 als erste Entsalzungsanlage des Oman in Betrieb genommen worden und produziert seitdem 80.000 m³ Trinkwasser pro Tag, bislang allerdings gasbetrieben.

Im Oktober 2022 folgen gleich zwei نhnliche Meldungen aus der Region. Zum einen über das Technologie-Start-Up Manhat mit Sitz in Abu Dhabi, das ein schwimmendes System erfunden hat, welches ohne Strom Frischwasser aus dem Meer gewinnen kann. Es ähnelt einem schwimmenden Gewächshaus, das die Solarenergie nutzt, um Wasser zu verdunsten, zu kondensieren und dann in Form von Süßwasser zu sammeln.

Obwohl dieses solarbetriebene Entsalzungsverfahren bereits an vielen Orten auf der Welt eingesetzt wird, plant das Unternehmen seine eigene, patentierte Lösung nun in größerem Maßstab in Form von schwimmenden Farmen umzusetzen, die frisches Wasser für die Bewässerung von Nutzpflanzen bereitstellen. Einzelheiten zu den Kosten oder den technischen Möglichkeiten des Systems werden nicht genannt.

Bei der Recherche zeigt sich, daß die 2019 von Saeed Alhassan gegründete Firma schon im August 2020 und im März 2021 kurze und sehr bescheidene Videos über das Entsalzungssystem veröffentlicht hat. Ein drittes Videos der Khaleej Times vom März 2022 zeigt zumindest ein kleines, selbstgebasteltes Modell. Doch obwohl die Firma durch den Mohammed Bin Rashid Innovation Fund (MBRIF) unterstützt wird, ist bislang nichts von irgendwelchen Umsetzungen zu sehen. Trotzdem gibt es im November 2024 den Best Practices Award Expo 2025, obwohl diese noch gar nicht stattgefunden hat. Ein Wunder des Orients!

Die zweite Meldung betrifft Saudi-Arabien, wo die Firma Alfanar von der Saudi Arabia Saline Water Conversion Corp. (SWCC) einen Auftrag zum Bau eines 110 MW PV-Projekts erhalten hat, das die eingangs erwähnte Wasserentsalzungsanlage Al Jubail 2 an der Ostküste des Landes mit Strom versorgen soll. Diese hat inzwischen eine Produktionskapazität von 1 Mio. m³ Wasser pro Tag.

Der grِكte Teil der Anlage wird als Freiflنchenanlage installiert, ein nicht nنher bezifferter Teil ist als schwimmende Solaranlagen vorgesehen. Zu dem Projekt, das eine Investition von rund 320 Mio. $ erfordert und den Verbrauch von 410.000 Barrel Rohِl pro Jahr reduzieren soll, gehِren auch ein 380 kV Umspannwerk und 173 km Freileitungen. Die Bauarbeiten sollen voraussichtlich im Jahr 2026 beginnen, die Inbetriebnahme ist für 2027 geplant.

Auch eine neue Entsalzungstechnologie, die auf der photovoltaischen Elektrodialyse (PV-ED) basiert und erstmals im Mai 2024 präsentiert wird, geht auf ein Team unter der Leitung des Massachusetts Institute of Technology (MIT) zurück, zu dem Forscher des King’s College London und des Helmholtz-Instituts Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien (HI ERN) in Bayern gehören. Die Methode wird auch als Elektrodialyse-Umkehrtechnologie (Electrodialysis Reversal, EDR) bezeichnet.

Im Gegensatz zur Umkehrosmose, bei der Wasser unter hohem Druck durch eine Membran gepumpt wird, um die Salze zu entfernen, werden bei der Elektrodialyse die Salzionen durch ein elektrisches Feld aus dem Wasser gezogen, während dieses durch einen Stapel von Ionenaustauschmembranen fließt. Damit werden höhere Wassergewinnungsraten erzielt, und die Technologie zeigt einen einfacheren Betrieb, eine längere Lebensdauer der Membranen und eine bessere Funktion bei hohen Temperaturen.

Da der Betrieb allerdings eine konstante Leistung erfordert, benötigen PV-EDR-Anlagen aufgrund der unsteten Natur der Solarenergie aber die Unterstützung von Batterien oder überdimensionierten Solarsystemen. Um dieses Problem zu überwinden entwickelt das Team um Prof. Amos G. Winter eine Technologie, die eine zeitvariable Spannungs- und Durchflußanpassung beinhaltet, welche es dem Brackwasserentsalzungssystem ermöglicht, seinen Stromverbrauch in jedem Zeitschritt dynamisch an die verfügbare Solarenergie anzupassen und damit die Wasserproduktion unter wechselnden Sonnenbedingungen zu optimieren.

Für praktische Analysen wird ein Prototyp mit den typischen Konstruktionsparametern und Betriebsbedingungen eines PV-EDR-System im kommunalen Maßstab gebaut, das 6.000 Liter Süßwasser pro Tag produziert. Das Pilotsystem, das ohne zusätzliche Batterien auskommt, wird von einem Solarpaneel mit einer Fläche von 37 m² gespeist. Durch den Verzicht auf Batterien werden nicht nur die Anschaffungskosten gesenkt, sondern auch die laufenden Wartungskosten minimiert. Außerdem haben Batterien eine begrenzte Lebensdauer und müssen regelmäßig ersetzt werden.

Beim Vergleich mit einem herkömmlichen EDR-System mit konstantem Betrieb zeigt sich, daß das flexible System in der Lage ist, durchschnittlich 77 % der verfügbaren Solarenergie zu nutzen, verglichen mit nur etwa 40 % im konventionellen System. Zudem erreicht das flexible System sein Produktionsvolumen um bis zu 54 % schneller.

Im Oktober folgt ein weiterer, ebenfalls im Netz einsehbarer MIT-Artikel namens ,Direct-drive photovoltaic electrodialysis via flow-commanded current control’, nachdem der Prototyp sechs Monate lang in New Mexico an mehreren Grundwasserbrunnen mit Brackwasser betrieben wurde und dabei rund 93,74 % der erzeugten PV-Energie nutzen konnte, auch bei stark schwankenden Wetterbedingungen, um täglich bis zu 5.000 Liter sauberes Trinkwasser zu erzeugen.

Der nächste Schritt ist die Erforschung der langfristigen Leistungsfähigkeit und die Erweiterung des Anwendungsbereichs der PV-EDR-Technologie über die Brackwasserentsalzung hinaus. Auch soll das System skaliert erden, um es für größere Gemeinden oder sogar städtische Anwendungen nutzbar zu machen.

Die Arbeit wird zum Teil von der National Science Foundation (NSF), der Julia Burke Foundation und der MIT Morningside Academy of Design unterstützt, hinzu kommen Sachleistungen von den Firmen Veolia Water Technologies and Solutions und Xylem Goulds. Außerdem will das Team in den kommenden Monaten ein Unternehmen gründen, um die Technologie in kommerziellem Maßstab einzusetzen.

Das Thema der eingangs angesprochenen Gefrierentsalzung taucht im Dezember 2024 ein weiteres Mal auf, als Forscher der Hamad Bin Khalifa University (HBKU) in Katar ein mit Photovoltaik betriebenes, autonomes Mehrzwecksystem für die Landwirtschaft in Wüstengebieten vorschlagen, das gleichzeitig Stromerzeugung, Wasserentsalzung, Erzeugung von Wasserstoff und Klimatisierung bietet. Der einsehbare Bericht trägt den Titel ,Integrated solar-powered freeze desalination and water electrolysis system with energy recovery and storage for sustainable agriculture in desert environments’ und wird im Februar 2025 veröffentlicht.

Das bislang nur simulierte System besteht aus 10.785 m² bifazialen PV-Paneelen, die 1,5 MW Strom erzeugen, von denen 100 kW für die Energieversorgung der Landwirte bestimmt sind. Mit dem Rest wird das autonome System betrieben, das zunächst Grundwasser pumpt und vorkühlt. Für die anschließende Gefrierentsalzung, bei der sich aus Eiskristalle reinem Wasser bilden und Salze und Verunreinigungen ausgeschlossen werden, wird das Salzwasser mit einem Kältemittel- Dampfkompressionskreislauf unterkühlt.

Wie man der Abbildung entnehmen kann, ist auch bei diesem Vorschlag eine rotierende Trommel vorgesehen, auf deren gekühlter Oberfläche sich die Eiskristalle bilden, die dann als Eisflocken mit einem Abstreifer separiert werden. Damit entspricht die Technologie exakt dem Entwurf von Dr. phil. Ernst Günther Minhorst, der bis Mitte der 1970er zurückreicht. Auf den von seinem Sohn verfaßten Artikel Schlamm in Wasser verwandeln, der im Archiv unter ,Freie Patente’ abrufbar ist, hatte ich bereits hingewiesen.

Die Autoren der HBKU betonen, daß die Gefrierentsalzung viele Vorteile gegenüber anderen Destillationsverfahren bietet, wie z.B. einen geringen Energiebedarf, vernachlässigbare Verschmutzung, Ablagerung oder Korrosion und keine Notwendigkeit einer Vorbehandlung zur Reinigung.

Das Eis wird gespeichert, und seine Kälteenergie wird beim Schmelzen für die Klimatisierung zurückgewonnen. Ein Teil des produzierten Wassers soll in der Landwirtschaft verwendet werden, während ein anderer Teil in einem Elektrodeionisationsmodul so weit weiter gereinigt wird, daß es für die Wasserstoffproduktion genutzt werden kann. Damit soll in Zeiten, in denen die Solarenergie nicht zur Verfügung steht, eine Brennstoffzelle elektrischen Strom erzeugen.

Das simulierte System pumpt pro Tag 311,3 m³ Grundwasser, erzeugt 52,8 m³ Eis, liefert eine Kühlleistung von 6,3 MWh, und produziert 1.581 Liter entmineralisiertes Wasser sowie 177 kg Wasserstoff. Nun ist abzuwarten, ob es jemals zu einer Umsetzung kommt.

 

Hier beschäftigen wir uns als nächstes mit weiteren Formen der hochthermischen Solarenergienutzung, wobei ich mit dem Stirling-Motor beginnen werde.

 

Weiter mit der hochthermischen Solarenergienutzung...