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So wird Trinkwasser produziert : Die Welt hat Durst

  • -Aktualisiert am

Nur ein Rinnsal: Ein ehemals reißender Fluss nahe La Muedra in Spanien. Bild: dpa

Trinkwasser ist knapp, Meerwasser dagegen ist reichlich vorhanden: Um das genießbar zu machen, gibt es auf der Welt 19.000 Entsalzungsanlagen. Aber die benötigen enorme Mengen Energie. Was tun?

          6 Min.

          Wasser bedeckt mehr als zwei Drittel der Erdoberfläche. Dennoch ist sauberes Trinkwasser rar und damit ein überaus kostbares Gut. Mehr als eine Milliarde Menschen haben keinen Zugang zum „Lebensmittel Nummer eins“. Und die Situation verschärft sich weiter. Dafür gibt es gleich mehrere Ursachen. So hat der Wasserkonsum in einigen der an Süßwasser armen Länder rund um den Persischen Golf mittlerweile ein Niveau erreicht, das deutlich über dem der Wohlstandsregionen in Europa und Amerika liegt. Der Wasserverbrauch der Bewohner Dubais liegt bei 500 Liter je Tag und nimmt damit einen Spitzenplatz ein. Dagegen nimmt sich der Verbrauch in Deutschland mit etwa 130 Liter je Person und Tag vergleichsweise bescheiden aus.

          Der sorglose Umgang mit dem kostbaren Nass verschlimmert die Lage. Wasserleitungen sind oft porös, häufig wird aufwendig in Wasserwerken aufbereitetes Wasser beim Einsatz in industriellen Prozessen so stark verunreinigt, dass die natürlich gegebene Kreislauffunktion gestört wird, Quellen unbrauchbar werden und nur noch ungenießbares Brackwasser liefern. Ein weiterer wichtiger Grund für den sich verschärfenden Mangel ist der Klimawandel, der mit ausbleibenden Niederschlägen und sich ausbreitender Versteppung unübersehbare Zeichen setzt. Südafrika leidet momentan unter einer Dürreperiode. Die Trinkwasservorräte gehen zur Neige, in Kapstadt muss ein Teil der Bevölkerung schon mit Hilfe von Tanklastwagen versorgt werden.

          Salzwasser zu Süßwasser

          Der Wasserverbrauch in der Welt wird weiter steigen, das World Resources Institute in Washington sagt für die nächsten Jahrzehnte eine wachsende Knappheit voraus. Ein Gegenmittel wäre ein sparsamerer Umgang mit Wasser, vor allem auch beim größten Verbraucher, der Landwirtschaft. Ein weiteres wäre es, Meerwasser zu entsalzen. Davon stehen schier unerschöpfliche Mengen zur Verfügung, bestehen doch etwa 98 Prozent der verfügbaren Reserven aus salzhaltigem Meerwasser. Schon heute arbeiten auf der Welt rund 19.000 Entsalzungsanlagen, darunter zahlreiche kleine, aber auch etwa 500 große mit Produktionsmengen von mehr als 50.000 Kubikmeter am Tag. Deren Energiebedarf ist gewaltig.

          Die momentan größte Anlage steht in Dubai. Der Dschabal-Ali-Komplex produziert täglich 2,1 Millionen Kubikmeter Trinkwasser. Die benötigte Energie liefern ein Dutzend dicht zusammenstehender Gaskraftwerke mit einer Leistung von zusammen 7200 Megawatt. Insgesamt gewinnen die Golfstaaten täglich rund 20 Millionen Kubikmeter Trinkwasser aus dem Meer. Doch auch in anderen Ländern werden Entsalzungsanlagen immer wichtiger, so kommen etwa in Israel heute schon 75 Prozent des Leitungswassers aus dem Meer. In wenigen Jahren sollen es gar 100 Prozent sein.

          Die Idee, Trinkwasser aus Meerwasser zu gewinnen, treibt die Menschen seit vielen Jahrhunderten um. Schon der griechische Philosoph und Wissenschaftler Aristoteles erwähnt in seinem Werk „Meteorologie“ eine Lösung: Eine mit Harz beschmierte Membran, wohl eine Tierhaut, wird über die Öffnung eines Tongefäßes gespannt, das somit dicht verschlossene Gefäß tief im Meer versenkt. Der dort herrschende Druck treibt die Wassermoleküle hindurch, während das Salz zurückgehalten wird. Nach einigen Stunden befindet sich Süßwasser in der Keramik.

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          Neue Technologie mit geringerem Energieverbrauch

          Grundsätzlich hat dieses Prinzip bis heute nicht an Faszination eingebüßt. Die ersten, den Durst von Seefahrern stillende Tropfen Trinkwasser hat man dem Meer durch Verdampfen und anschließendes Kondensieren des Wasserdampfs gewonnen. Man kopiert damit jenen Prozess, der fortwährend in der Natur abläuft und den globalen Wasserkreislauf in Gang hält. Wurden anfangs klassische Destillationsanlagen eingesetzt, ließ sich mit der in den sechziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts entwickelten vielstufigen Entspannungsverdampfung (MSF, englisch multi-stage flash evaporating) die Ausbeute steigern und der Energiebedarf reduzieren:

          Man lässt den beim „Kochen“ entstehenden Süßwasserdampf an vom Meerwasser durchströmten Kühl-Rohrwendeln kondensieren und überführt anschließend das Salzwasser in die nächste Kammer. Druck und Temperatur nehmen von Kammer zu Kammer langsam ab, so dass stets ein Teil des Wassers verdampft. Häufig werden bis zu zwei Dutzend Verdampfungskammern hintereinandergeschaltet. Dieser Stufenprozess ist den Gesetzen der Thermodynamik geschuldet, nach denen es effizienter ist, die Druck- und Temperaturdifferenz nicht auf einmal, sondern in Kaskaden abzuarbeiten.

          Kostbar: Trinkwasser ist ein rares Gut.

          Beim thermischen Entsalzen werden große Mengen Energie verbraucht. Die heute weitgehend ausgereizten Anlagen benötigen rund vier Kilowattstunden Strom und 90 Kilowatt Wärmeenergie für das Herstellen eines Kubikmeters Süßwasser. Rund die Hälfte der Produktionskosten entfallen damit auf die Energiegewinnung, so dass ein ansatzweise wirtschaftlicher Betrieb nur möglich ist, wenn Abwärme eines stromerzeugenden Kraftwerks zur Verfügung steht.

          Dieses Manko hat das Gros der weltweit aufgestellten Anlagen nicht. Denn rund 80 Prozent aller Meerwasserentsalzungsanlagen arbeiten nach dem Prinzip der Umkehrosmose, wobei elektrisch betriebene Pumpen das salzhaltige Wasser durch hintereinandergeschaltete Kammern drücken, die jeweils durch eine semipermeable (halbdurchlässige) Membran in eine „salzige“ und eine „süße“ Seite getrennt sind. Dabei macht man sich den Größenunterschied zwischen den größeren Salz-Ionen und den kleineren Wassermolekülen zunutze, wobei nur Letztere durchrutschen. Das Ganze funktioniert bestens: Heutige Membranen, Polymer-Mattern oder -Hohlfasern, verkraften Drücke von bis zu 80 bar und halten bis zu 99,7 Prozent des im Meerwasser enthaltenen Salzes zurück, so dass ohne aufwendige Nachbehandlung Wasser in Trinkwasserqualität erzeugt wird. Um einen Kubikmeter Süßwasser zu erzeugen, werden vier Kilowattstunden Strom benötigt. Je nach Salzgehalt des Wassers kostet ein Kubikmeter Trinkwasser einschließlich aller Investitions- und Betriebskosten zwischen 0,60 und 0,90 Euro.

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          Mit deutlich weniger Energie, so hofft man, könnten Membranen aus dem Material Graphen helfen, Salzmoleküle aus dem Meerwasser zu filtern. Graphen, das ist eine extrem dünne Schicht, die aus einer einzigen Lage Kohlenstoffatomen besteht und so widerstandsfähig ist, dass sie den hohen Drücken in den Umkehrosmosezellen widerstehen und, ganz entscheidend, größere Fließgeschwindigkeiten zulässt. Erste Versuche am Oak Ridge National Laboratory in Tennessee haben die grundsätzliche Eignung des Materials gezeigt. Doch bis größere Graphenflächen mit Löchern der geforderten Porengröße hergestellt und kommerziell eingesetzt werden können, werden sicher noch Jahre vergehen.

          Geht Entsalzen auch anders?

          Doch bei allen Fortschritten, die großtechnische Entsalzungsverfahren vorweisen können, schlägt der Technik auch jede Menge Kritik entgegen. Vor allem der Energiebedarf und das damit einhergehende Freisetzen großer Kohlendioxidmengen werden genannt. Regenerativ betriebene Anlagen fristen noch eine untergeordnete Rolle. Mit dem Meerwasser saugen Entsalzungsanlagen auch Meerestiere an, die in den Reinigungsstufen der Anlagen verenden. Zudem werden mit dem in die Meere zurückfließenden Salzkonzentrat einschließlich der für die „Wasserklärung“ benötigten Chemikalien und durch Korrosion gelöste Metalle die ufernahen Ökosysteme gestört. Vor allem am Persischen Golf mit der geringen Austauschrate mit dem Indischen Ozean sind diese Schwierigkeiten nicht unerheblich. Meerwasser mit ansteigendem Salzgehalt macht die Verfahren weniger wirtschaftlich. Bei einem Salzgehalt von 6,7 Prozent kommt die Membrantechnik an ihre Leistungsgrenze.

          Bleibt die Frage: Geht Entsalzen auch anders? Mit geringerem Energieeinsatz und zudem ohne nennenswerte Auswirkungen auf die Umwelt? Claus Mertes von der Deutsche Meerwasser-Entsalzung (DME) GmbH aus Duisburg, einem Beratungsunternehmen, das sich international um Entsalzungstechnologien kümmert, antwortet mit einem klaren „Ja“ und verweist auf eine vergleichsweise neue Technik, die kapazitive Deionisation (CDI).

          Hier bahne sich ein Paradigmenwechsel in der Wasserentsalzung an. Das Verfahren gleiche einem Staubsauger, der ins zu entsalzende Meerwasser gehalten wird. Die Ionen werden auf die Oberfläche von elektrisch geladenen Elektroden adsorbiert, die meist aus hochporösen Kohlenstoffmaterialien oder plasmabehandelten Metallfolien bestehen und an denen eine elektrische Spannungsdifferenz angelegt wird. Nach dem Aufladen der Elektroden mit einer Spannungsdifferenz von etwas mehr als einem Volt wandern die Salzionen – Kationen zur Kathode und Anionen zur Anode – und bilden hier elektrische Doppelschichten entlang der Porenoberfläche. In einem nachfolgenden Entladungsschritt, bei dem entweder die angelegte Spannung kurzgeschlossen oder die Polarität umgekehrt wird, werden die Salzionen in einem Salzlösungsstrom freigesetzt.

          Von dieser Technik könnten viele Regionen auf der Welt profitieren. So herrscht etwa in Israel reges Interesse. Aber auch in Deutschland, weil hierzulande die Wasseraufbereitung eine immer größere Rolle spielen wird. Da die Landwirte die Felder immer stärker düngen, um die Erträge in der intensiven Landwirtschaft zu erhöhen, gelangt immer mehr Nitrat ins Grundwasser. Erste CDI-Demonstrationsanlagen existieren und haben den geringen Energiebedarf des Verfahrens bestätigt. Lediglich eine Kilowattstunde wird zum Entsalzen eines Kubikmeters Meerwassers benötigt, für Brackwasser entsprechend weniger. Wie mit einem Magnet, sagt Mertes, würden die Ionen aus dem Wasser gezogen. Mit diesem Verfahren biete sich zudem die Möglichkeit, im Salzwasser enthaltene Wertstoffe wie Magnesium, Kupfer oder Aluminium zu gewinnen. „Abfallprodukt“ ist dann entsalztes Wasser.

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