Ressource Süßwasser Mit Solarenergie gegen Trinkwasserknappheit

Trinkwasser ist die wichtigste und auch eine der seltensten Ressourcen der Welt. Und sie wird immer knapper. Forschende aus Australien haben nun eine nachhaltige und günstige Technik entwickelt, die auch armen und abgelegenen Gegenden den Zugriff auf sauberes Trinkwasser ermöglichen soll.

Ein Glas mit Wasser vor weissem Hintergrund
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Wir leben auf einem blauen Planeten, denn unsere Erde ist zu 71 Prozent mit Wasser bedeckt. Gut für uns, möchte man meinen, denn schließlich bedeutet Wasser Leben und ist essenziell für uns. Doch leider sind nur drei Prozent des weltweiten Wasservorkommens Trinkwasser.

Trinkbares Wasser ist also eine ziemlich knappe Ressource. Im Moment haben laut UN 844 Millionen Menschen keinen verlässlichen Zugang zu Trinkwasser. Vor allem die ärmsten Regionen der Welt sind davon betroffen. Und durch den Klimawandel, Umweltverschmutzungen und das rasante Bevölkerungswachstum wird die wertvolle Ressource Wasser in naher Zukunft noch knapper. Das salzige Meerwasser in Trinkwasser zu verwandeln ist eine Idee, um dieses Problem anzugehen.

Weltweiter Bedarf an Entsalzungsanlagen

Um das zu tun, gibt es verschiedene Ansätze. Die am weitesten verbreiteten sind die sogenannte Umkehrosmose und die Verdampfung. Bei der Umkehrosmose wird Meerwasser mit sehr hohem Druck durch eine Membran gedrückt. Diese filtert das Salz und andere größere Bestandteile heraus, das Wasser geht hindurch. Bei der Verdunstung wird Meerwasser erhitzt bis es verdampft. Der Dampf kondensiert an einer kühleren Oberfläche, wird wieder flüssig und kann dann als sauberes Wasser wieder aufgefangen werden. Rund 16.000 solcher Entsalzungsanlagen gibt es weltweit. So zum Beispiel an der Küste Spaniens oder im Nahen und Mittleren Osten – Regionen, die zwar vom Wasser umgeben sind, auf dem Festland aber über wenige Wasserressourcen verfügen.

Doch die Entsalzung der Meere bringt auch einige Herausforderungen mit sich. Zum einen müssen diese Anlagen flächenmäßig sehr groß sein, um ausreichend Trinkwasser zu produzieren. Zum anderen benötigen sie sehr viel Energie. Das heißt auch, dass sie im Aufbau und der Unterhaltung sehr teuer sind. Das alles sind Probleme, die in vielen Regionen der Welt darüber entscheiden, ob eine solche Anlage überhaupt möglich ist oder nicht. Das bedeutet, dass viele Menschen, die auf sauberes Trinkwasser angewiesen sind, nicht von solchen Entsalzungsanlagen profitieren können.

Wasserzugang für die entlegensten Orte

Genau dort hat die Forschung von Professor Haolan Xu und seinem Team vom UniSA Future Industries Institute aus Australien angesetzt. Die Forschenden haben eine Technik entwickelt, die die Gewinnung von Trinkwasser energieeffizient, nachhaltig und günstig ermöglicht. Sie setzen bei ihrer Verdunstungsmethode auf die Energie des Sonnenlichts und eine neuartige dreidimensionale Struktur. Das Besondere an dieser Anlage ist auch, dass sie auch auf kleinem Raum angewendet werden kann. So soll sie zum Beispiel bei einer vorhandenen Wasseroberfläche von einem Quadratmeter täglich genug Trinkwasser für eine vierköpfige Familie produzieren können.

Laut Xu haben die bisherigen fotothermalen Anlagen, also Anlagen, die auf die Verdunstung des Wassers durch Sonnenlicht setzen, ein großes Problem mit ihrer Energieeffizienz, weil sie 10 bis 20 Prozent der eingefangenen Sonnenenergie sofort wieder an das umliegende Wasser und die Umgebung verlieren. Dank ihrer besonderen Struktur ist die Anlage des UniSA Future Industries Institute in der Lage diese Ineffizienz gänzlich zu beseitigen.

Wir haben eine Technik entwickelt, die nicht nur keine Energie verliert, sondern sogar noch Solarenergie aus dem Wasser und der Umgebung zieht. Das bedeutet, dass das System mit einer 100-prozentigen Effizienz die Solarenergie nutzt und zusätzlich bis zu 170 Prozent Energie aus dem Wasser und der Umgebung zieht.

Haolan Xu, Future Industries Institute

170 Prozent Energie – wie soll das gehen?

Das Herz der Anlage ist eine fotothermale Struktur, die auf der Oberfläche des Wassers sitzt, Sonnenlicht in Hitze verwandelt, diese Energie präzise auf die Wasseroberfläche richtet und dort die oberste Flüssigkeitsschicht verdunsten lässt. Darüber hinaus besteht die Anlage aus einer Struktur, die wie ein Kühlelement funktioniert. Überschüssige Energie soll so von der Spitze des Verdunsters nach unten zu einer Lamellenoberfläche geleitet werden. Dadurch wird der obere Teil des Verdunsters gekühlt und sorgt laut den Forschenden dafür, dass während der Sonnenverdunstung keine Energie verloren geht. Diese Kühltechnik bewirkt, dass alle Oberflächen des Verdunsters eine niedrigere Temperatur haben als die sie umgebende Wasseroberfläche. Das bedeutet, dass zusätzliche Energie vom Verdunster angezogen wird, weil dieser eine geringere Energie hat als seine Umgebung. Doch nicht nur die Energieeffizienz der Anlage ist laut Xu bemerkenswert, sondern auch die Tatsache, dass sie aus ganz alltäglichen Materialien besteht.

Modell des dreidimensionalen fotothermalen Verdunsters des Future Industries Institute
Bildrechte: University of South Australia

Eines unsere Hauptziele war die praktische Anwendbarkeit. Alle Materialien stammen aus einem Baumarkt oder Supermarkt.

Haolan Xu

Die einzige Ausnahme sind die fotothermalen Materialen, aber auch hier werden laut dem Forscher einfache und kosteneffiziente Prozesse verwendet. Durch die geringen Kosten und die einfache Handhabung könnte das System von Prof. Xu und seinem Team dort eingesetzt werden, wo etwa andere Entsalzungs- und Filteranlagen finanziell und in ihrer Handhabung nicht anwendbar sind.

In fernen Gemeinschaften mit geringer Bevölkerungsdichte sind die Infrastrukturkosten für Systeme, die etwa auf Umkehrosmose beruhen, viel zu hoch, um den Bau überhaupt zu rechtfertigen. Unser System kann eine Alternative mit geringen Kosten sein. Es ist einfach aufzubauen und läuft praktisch kostenlos.

Haolan Xu

Darüber hinaus punktet das System, weil es sehr pflegeleicht ist. Laut Xu wird nahezu keine technische Expertise benötigt, um das System am Laufen zu halten.

Die Technologie hat das Potenzial dazu eine dauerhafte Trinkwasserlösung für Menschen und Gemeinschaften zu sein, die sich keine anderen Optionen leisten können. Das sind die Plätze an denen diese Lösungen vor allem gebraucht werden.

Haolan Xu

Auch in Deutschland wird an kleinen Einheiten zur Entsalzung des Meerwassers geforscht. So zum Beispiel an der Hochschule Mannheim. Dort setzt man aber nicht auf die Erhitzung des Meerwassers, sondern auf die Entsalzung durch Gefrieren. Denn das Abkühlen des Wassers auf minus zehn Grad Celsius soll laut Forscher Lars Erlbeck weniger Energie verbrauchen als das Verdampfen.

Wie das funktioniert erfahren Sie hier:

Link zur Studie

Die Studie Haolan Xu et.al "A Hollow and Compressible 3D Photothermal Evaporator for Highly Efficient Solar Steam Generation without Energy Loss" ist im Journal RRL Solar erschienen.

JeS

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