Woher kommt unser Wasser?

Aktuell wird an technologischen Lösungen zur Bekämpfung einer drohenden globalen Wasserknappheit geforscht. Elias Eder beschäftigt sich im Rahmen seiner Dissertation am Forschungszentrum Energie mit Wasseraufbereitung in ländlichen Regionen.

Obwohl weltweit noch ausreichend trinkbares Wasser zur Verfügung steht, kommt es aufgrund von Ungleichheiten in der Verteilung immer häufiger zu lokalen Engpässen. So sind heute bereits mehr als zwei Milliarden Menschen von Wasserknappheit betroffen. Bisher sind wir in Österreich noch weitgehend davon verschont geblieben. Der heurige Rekordsommer hat uns allerdings gezeigt, dass die Klimaproblematik sehr stark mit einer Wasserproblematik einhergeht. Extremereignisse wie die Dürre, die in Europa diesen Sommer herrschte, zeigen uns, dass wir dringend technologische Lösungen zur Bekämpfung einer drohenden globalen Wasserknappheit brauchen. Denn obwohl in Regionen, die von Wasserknappheit betroffen sind, häufig noch ausreichend Wasser vorhanden ist, besitzt dieses meist keine Trinkwasserqualität. Unterschiedliche Prozesse zur Aufbereitung von verunreinigtem oder stark salzhaltigem Wasser werden deswegen beforscht und auch industriell eingesetzt.

Bereits seit einigen Jahrzehnten werden in Küstenregionen spezifische Prozesse zur Entsalzung von Meerwasser eingesetzt. Dabei wird zwischen thermischen und membranbasierten Prozessen unterschieden. Thermische Prozesse, die überwiegend auf der arabischen Halbinsel eingesetzt werden, kommen meist großindustriell zum Einsatz, mit einer Produktionsmenge von bis zu zwei Millionen m³ pro Tag. Sie sind mit Dampfkraftwerken auf Basis fossiler Energien gekoppelt. In westlichen Küstenregionen wird Meerwasser hingegen fast ausschließlich mithilfe von Membranen durch Umkehrosmose entsalzt. Der spezifische Energieaufwand ist wesentlich geringer, der Prozess ist aber auch technologisch anspruchsvoller. Beide Prozesse eignen sich nur in einem geringen Ausmaß zur Aufbereitung von Wasser in ländlichen Regionen. Sehr häufig sind jedoch gerade diese Regionen besonders stark von Wasserknappheit betroffen.

HDH-Prozess in Dissertation untersucht
In meiner Dissertation habe ich mich mit einem alternativen Ansatz zur Wasseraufbereitung in ländlichen Regionen beschäftigt: Der sogenannte Befeuchtungs-Entfeuchtungs-Prozess (HDH-Prozess) basiert auf dem natürlichen Wasserkreislauf. Das Trägermedium Luft wird in einer Befeuchtereinheit im Direktkontakt durch Verdunstung mit Wasserdampf gesättigt und erwärmt, bevor die warme, feuchte Luft in einem Entfeuchter wieder abkühlt und der Wasserdampf kondensiert. Dieser Prozess ist einfach anzuwenden. Er kann im kleinen Maßstab mit einer Produktionsmenge von ca. 15 bis 30 m³ pro Tag und darüber hinaus mit erneuerbaren Energiequellen betrieben werden.

Zur Erhöhung der Effizienz dieses Prozesses habe ich mich eingehend mit der Befeuchtung der Luft in einem Blasensäulenreaktor beschäftigt. Blasensäulenbefeuchter funktionieren im Vergleich zu konventionellen Befeuchtern sehr viel besser, da diese durch die Dispergierung in Form von kleinen Luftblasen eine sehr hohe Kontaktfläche für die Befeuchtung gewährleisten.

Optische Analysen des Blasenregimes
Ich habe sowohl die Entsalzung von Meerwasser als auch die Aufreinigung von ölhaltigem industriellem Abwasser in einem experimentellen Versuchsaufbau parametrisch charakterisiert. Durch optische Analysen des Blasenregimes war es mir möglich, die mittlere Blasengröße und zusammenhängend die Kontaktfläche zwischen Luftblasen und Flüssigkeit zu bestimmen. Dieser Prozess war spannend, durchzuführen und sieht auch noch cool aus. Zusätzlich habe ich den Blasensäulenbefeuchter aber auch thermodynamisch modelliert, um den kombinierten Wärme- und Stoffübergangsprozess besser zu verstehen.

Zielgerichtete Anwendung der Aggregate
Die Kombination aus Messungen und Modellierung hat schließlich gezeigt, dass die Befeuchtung in einem Blasensäulenbefeuchter tatsächlich sehr viel effizienter funktioniert, als das bisher angenommen wurde: Die meisten dieser Aggregate waren schlichtweg um ein Vielfaches zu groß dimensioniert. Ausgehend von meiner Forschung können Aggregate zukünftig zielgerichtet für die spezifische Anwendung ausgelegt werden. Ich bin froh, dass ich an der FHV ein so notwendiges wie auch grundlagennahes Thema mit einer hohen forscherischen Flexibilität bearbeiten durfte.

Dissertation: Characteristics of air–liquid heat and mass transfer in a bubble column humidifier

Oktober 2022