Durch Meerwasserentsalzung Durststrecken überwinden

Weltweit wird die Entsalzung von Brack-, Industrie- und Meerwasser eingesetzt, um Brauch- und Trinkwasser zu gewinnen. Insbesondere Länder mit nur geringem Süßwasservorkommen – wie jene in der MENA-Region (Nordafrika und Naher Osten) – sind für eine gesicherte Trinkwasserversorgung sogar zwingend auf Meerwasserentsalzung angewiesen. Die hierfür am häufigsten eingesetzten Methoden sind thermische Verfahren und Umkehrosmose. Die dabei vorherrschenden aggressiven Medien, hohen Temperaturen und Drücke machen den Werkstoff Edelstahl Rostfrei für Pumpen, Rohre, Armaturen und Tanks unentbehrlich.

Der Zugang zu sauberem Wasser wurde 2010 von der Vollversammlung der Vereinten Nationen als Menschenrecht anerkannt. Nach Angabe der Weltgesundheitsorganisation (WHO) lebt jedoch fast die Hälfte der Weltbevölkerung in Regionen, die von Mangel an Trinkwasser bedroht sind – Tendenz stark steigend. Neben geografisch bedingtem Wassermangel verschärfen Umweltveränderungen wie zunehmende Ausbreitung von Wüsten, Klimawandel, Bevölkerungswachstum sowie der global steigende Wasserverbrauch den Trinkwassermangel dramatisch. Zur Abwendung einer weltweiten Wasserkrise leisten deshalb Meerwasserentsalzungsanlagen einen unverzichtbaren Beitrag. Die Deutsche MeerwasserEntsalzung Gesellschaft mit Sitz in Duisburg gilt international als einer der führenden Experten zum Thema Desalination (Entsalzung). Laut ihren Erhebungen produzieren derzeit bereits über 22.000 Meerwasseranlagen in 170 Ländern insgesamt täglich über 130 Millionen Kubikmeter Trinkwasser. Lange Zeit war dafür – vor allem in den Golfstaaten und im Nahen Osten – die sogenannte mehrstufige Entspannungsverdampfung (Multi Stage Flash, kurz MSF) das gebräuchlichste Verfahren. Zur Deckung des hohen Energiebedarfs für dieses thermische Verfahren wurden dort hauptsächlich die fossilen Energieträger Schweröl und Erdgas genutzt. Inzwischen setzen sonnenreiche Staaten vermehrt auch auf Concentrated Solar Power (CSP)-Kraftwerke. Sie wandeln konzentrierte Sonnenenergie in Wärme um und speichern diese, um die notwendige Energie für eine kontinuierliche Süßwasserproduktion auch nachts bereitzustellen. Für das MSF-Verfahren wird das aus dem Meer angesaugte Rohwasser mit Kraftwerk-Abwärme auf etwa 115 Grad Celsius erhitzt und unter Vakuum verdampft. Der Wasserdampf kondensiert an mit Kühlflüssigkeit gefüllten Rohrleitungen bei 40 Grad Celsius und das so wiederum verflüssigte, salzfreie Wasser wird gesammelt. Heute nutzen rund 80 Prozent aller Meerwasseranlagen allerdings das mechanische, deutlich effizientere und weniger energieintensive Verfahren der Umkehrosmose (Reverse Osmosis, RO). Bei diesem Membran-Trennverfahren wird das angesaugte Meerwasser unter hohem Druck durch eine semipermeable Membran gepresst. Die Membran hält wie ein Filter das Salz zurück, sodass als gewünschtes Filtrat – das sogenannte Permeat – Süßwasser entsteht. Zur Verhinderung von mineralischer, biologischer oder kolloidaler Belagsbildung werden die bei der Umkehrosmose eingesetzten Pumpen und Leitungen mit chemischen Mitteln behandelt und anschließend durchgespült. Das entsalzte Wasser ist erst nach weiteren Behandlungsschritten als Trinkwasser geeignet. Dazu zählen – abhängig von den spezifischen Wassereigenschaften – die Zugabe von Kalk, CO2 sowie von Chlor oder UV-Bestrahlung gegen Keime. Das Salzkonzentrat, Brine oder Lake genannt, wird in entsprechend verdünnter und aufbereiteter Form wieder ins Meer zurückgeleitet, damit es den maritimen Ökosystemen nicht schadet. Neben Anlagen zur Meerwasserentsalzung mittels Umkehrosmose im großindustriellen Maßstab sind auch Containeranlagen im Einsatz, die auf vorgefertigten Montagegestellen die nötigen Aggregate inklusive Vorfilter, Speicher und Steuerung beinhalten.

Extreme Herausforderungen

Die kritischen Umgebungsbedingungen der Meerwasserentsalzung setzen Armaturen, Dichtungen, Druckbehälter, Fittings, Pumpen und Rohre sowie Sensoren, Tanks, Ventile und Wellen extremen Herausforderungen aus:  Hoher Salzgehalt in Wasser und Luft, erhebliche Temperaturschwankungen, intensive Sonneneinstrahlung, aggressive Reinigungsmittel und starke Vibrationen erfordern eine sorgfältig darauf abgestimmte Werkstoffauswahl und -verarbeitung. Ausgelegt auf die jeweilige Wasserbeschaffenheit und Prozessumgebung reicht die Bandbereite der eingesetzten nichtrostenden Stähle von Superausteniten wie 1.4565 oder 1.4547 über Duplex-Edelstähle wie 1.4362, 1.4462 bis hin zu Superduplex wie 1.4410, 1.4501 oder 1.4507. Anwendungsspezifisch legierte nichtrostende Stähle weisen die erforderliche Widerstandskraft gegen die korrosiven, stark chloridhaltigen Umgebungsbedingungen und somit die notwendige Beständigkeit gegen Loch-, Spalt- und Spannungsrisskorrosion auf.  Nachhaltig robust und abrasionsbeständig, ermöglichen sie langlebige, wartungsfreie Designs in der dauerfeuchten korrosiven Umgebung – ohne Abplatzen oder Unterwanderung von Oberflächenbeschichtungen. Für Duplex-Edelstähle sprechen der Einsatz erheblich reduzierter Materialdicken, somit weniger Platzbedarf sowie geringere Kosten. Korrosions- und druckbeständige Superduplex-Edelstähle finden in Meerwasserentsalzungsanlagen auf der ganzen Welt Einsatz für Rohrleitungen, Rohrzubehör wie Fittings und technische Armaturen.

Praxisbewährte Pumpen

In der Praxis bewährt sind beispielsweise Kreiselpumpen mit einer Wellenabdichtung aus Edelstahl der Güte 1.4435 oder Hochdruckkreiselpumpen mit einer Welle aus austenitisch-ferritischem Duplex-Edelstahl der Güte 1.4462. Höchste Wirkungsgrade erzielen Hochdruckpumpen wie vertikale Rohrgehäusepumpen, die beim Ansaugen des Rohwassers für Entsalzungsanlagen eingesetzt werden. Je nach Einsatzgebiet sind sie als Radial-, Axial- oder Mischpumpe in angepasster Werkstoffwahl – rostfreie CrNi-Stähle, Duplex- und Superduplex-Edelstähle – für bis zu 80 Meter (einstufig) oder 120 Meter (zweistufig) und bis zu 70.000 Kubikmeter Förderstrom pro Stunde ausgelegt. Beispielhaft für die geforderten Leistungen steht die größte Meerwasserentsalzungsanlage Südostasiens, die Keppel Marina East Desalination Plant (KMEDP) in Singapur, die als jahresbeste Anlage ihrer Art im Jahr 2021 mit den Global Water Awards ausgezeichnet wurde. Sie produziert pro Tag 136.000 Kubikmeter Trinkwasser durch Umkehrosmose. Möglich machen dies Tauchpumpen mit 90 Millimeter Wellendurchmesser sowie Hochdruck- und Rückschlagventile an den Pumpstationen vor den Osmose-Modulen aus Superduplex 1.4469 A890 Grade 5A.  

Die Wonthaggi Desalination Plant in der Nähe von Melbourne, Australien, sichert mit einer Tagesproduktion von 440.000 Kubikmetern die Wasserversorgung für den gesamten Bundesstaat Victoria. 1.830 durch manuelle Schneckengetriebe betätigte und elektrisch oder pneumatisch angetriebene Absperrklappen widerstehen mit Inlays aus Edelstahl der Güte 1.4401 den vorherrschenden aggressiven Prozessbedingungen.