nt 04 | 2022 Innovationen in der Kreislaufwirtschaft
Solarenergie im industriellen Wasser und Abwassermanagement
80 Prozent des weltweiten Energiebedarfs werden über fossile Brennstoffe bereitgestellt. Neben der wichtigen Thematik der erneuerbaren Energieversorgung nimmt auch die Reinigung von Abwasser einen bedeutenden Stellenwert ein, sowohl global durch regionale Wasserknappheit, als auch in wasserreichen Industrienationen durch die Brisanz der Themen Mikroplastik und schwer abbaubare Spurenstoffe. Immerhin entfallen 20 Prozent der weltweiten Wassernutzung auf die Industrie. Der Wert der Ressource Wasser wird außerdem deutlich durch das Faktum, dass Wasser einen geschlossenen Kreislauf auf der Erde darstellt, während Energie mit einem tausendfachen des Weltenergiebedarfs über Solarstrahlung auf die Erde trifft. Vor diesem Hintergrund stellt die Nutzung von Solarenergie ein großes, aber bisher weitgehend ungenutztes Potenzial in der industriellen Abwasserbehandlung dar. Das effiziente Zusammenspiel, der Nexus zwischen Solarenergie und Wasser, eröffnet neue und innovative Lösungsansätze, die im Rahmen eines Projekts des Solar Heating and Cooling Programme der Internationalen Energieagentur „Solarenergie im industriellen Wasser- und Abwassermanagement“ (IEA SHC Task 62) bearbeitet werden.
Neue Technologien und Anwendungsgebiete: Nexus Energie & Wasser
Innerhalb des IEA SHC Task 62 greift ein Netzwerk aus Experten*innen ausgewählte Themen und Forschungsergebnisse auf, um die Möglichkeiten, Herausforderungen und Vorteile der Einbindung von Solarenergie (Solarthermie, Photonen) in der Aufbereitung von Abwasser im industriellen Kontext zu behandeln. Hauptziel ist es, den Einsatz von Solarenergie in der Industrie zu erhöhen, neue Kollektortechnologien zu entwickeln und die industrielle sowie kommunale Wasseraufbereitung als neues Anwendungsgebiet mit hohem Marktpotenzial für Solarenergie zu erschließen. Der Nexus zwischen Solarenergie, Wasseraufbereitung und Industrie ermöglicht die Entwicklung innovativer Technologiekombinationen für eine nachhaltigere, ressourcen- und energieeffizientere Industrie.
Potenziale der thermischen Wasseraufbereitung und Rückgewinnung von Wertstoffen
Ein Forschungsschwerpunkt des IEA SHC Task 62 liegt in der Kombination von solarthermischen Kollektoren mit Technologien zur Abwasseraufbereitung. Dabei wird das Ziel verfolgt, eine innovative und vor allem wirtschaftlich attraktive Gesamtlösung für die Industrie zu schaffen. Der Einsatz von thermisch betriebenen Trenntechnologien wie der Membrandestillation in Kombination mit solarer Prozesswärme stellt eine energetisch und wirtschaftlich vielversprechende Alternative zu herkömmlichen elektrisch betriebenen Trenntechnologien (z. B. Mikro-, Ultra-, Nanofiltration, Umkehrosmose) dar. Im Rahmen der Arbeiten des IEA SHC Task 62 wurde eine technische und wirtschaftliche Potenzialabschätzung für den Einsatz solar betriebener Wasseraufbereitung durchgeführt. Ziel war es, neue Umsetzungen zu initiieren und weitere Forschungs- und Entwicklungsfragen zu definieren. In diesem Zusammenhang beschäftige sich der IEA SHC Task 62 schwerpunktmäßig mit dem Anwendungsgebiet der Ammoniumrückgewinnung aus Abwasser mittels Membrandestillation (MD), ein Thema, an dem auch die Forschungsgruppe „Wasser- und Prozesstechnologien“ von AEE INTEC seit mehreren Jahren forscht. Dabei ist es gelungen, eine Pilotanlage im 24/7-Betrieb an einer kommunalen Kläranlage umzusetzen. Da auf der Verdampfungsseite der MD-Anlage Temperaturen von 35 bis 40 °C benötigt werden, eignet sich diese Anwendung auch für den Einsatz von Solarenergie.
Solare Wasserdekontamination- und Desinfektion
Zusätzlich zu den thermischen Technologien werden im IEA SHC Task 62 auch Technologien berücksichtigt, die direkte UV-Strahlung in solaren Wasserdekontaminations- und -desinfektionssystemen nutzen. Neue industrielle Anwendungsbereiche werden identifiziert und das Aufzeigen technischer, wirtschaftlicher und politischer Barrieren für neue Dekontaminations- und Desinfektionssysteme in der industriellen Wasser- und Abwasserwirtschaft kann zudem deren Integration erleichtern und die Anzahl der Implementierungen erhöhen. Ein Beispiel zur Anwendung solarer Wasserdekontamination wird im nationalen Projekt „Solarreaktor“ erarbeitet, welches durch den Klima- und Energiefonds im Rahmen der 7. Ausschreibung zur Energieforschung in Österreich gefördert wird. Der Solarreaktor zielt darauf ab, Wasser in einem effizienten, photo-elektrochemischen Prozess in Wasserstoff (H2) umzuwandeln und gleichzeitig Abwasser durch direkte Nutzung der Sonneneinstrahlung aufzubereiten. Durch einen multidisziplinären Ansatz bündelt die Entwicklung des Reaktors Kompetenzen aus der Solarkollektorentwicklung, effizienten Reaktorsystemen, photo-elektrochemischer Materialforschung, Abwasserchemie und der innovativen Produktion alternativer Brennstoffe wie beispielsweise H2.
Konzept des Solarreaktors zur Wasserstofferzeugung aus Abwasser. Quelle: AEE INTEC
Systemintegration und Decision-Support für die Bedürfnisse der Endnutzer
Die entwickelten Konzepte für die Integration von Solarenergie in die Abwasseraufbereitung werden allen Stakeholdern (Industrieunternehmen, Anlagenplaner*innen, Technologieanbieter*innen usw.) in einem Decision-Making-Tool zur Verfügung gestellt, um die Entscheidungsfindung und die detaillierte Planung von Gesamtsystemen (weitere Kombination mit Abwärme, Kombination mit anderen erneuerbaren Energien wie Wärmepumpen usw.) zu unterstützen. Dadurch können Umsetzungshindernisse aufgrund mangelnden Anwender-Know-hows überwunden und die Marktdurchdringung solarer Trenntechnologien erleichtert werden. Die erarbeiteten Integrationskonzepte beschreiben die Integration solarthermischer Energie in Kombination mit thermischen Trenntechnologien wie der Membrandestillation (MD), um den Wärmeenergiebedarf für die Abwasseraufbereitung auf erneuerbare Weise zu decken. Die Integrationskonzepte sind modular aufgebaut, jedes Konzept hat mindestens ein Basismodul für die erneuerbare Prozesswärmeversorgung, wie Solarthermie (siehe beispielhaft in folgender Abbildung) oder Wärmepumpe. Auch die Möglichkeit der Abwärmeintegration ist gegeben. Neben den Basismodulen gibt es eine große Anzahl von Zusatzmodulen (für Ladung, Speicherung, Entladung, Integration mit Wärmetauschern). Zusatzmodule ermöglichen die Integration von erneuerbaren Prozesswärme-Modulen zur Wärmeversorgung auf Prozessoder Systemebene und erlauben die Anpassung des Konzepts an die jeweiligen Anforderungen.
Autor*innen
Dipl.-Ing.in Sarah Meitz ist wissenschaftliche Mitarbeiterin der Forschungsgruppe „Wasser- und Prozesstechnologien“ bei AEE INTEC. Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!
Dipl.-Ing. Christoph Brunner ist Geschäftsführer von AEE INTEC. Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!
Dipl.-Ing.in Dr.in Bettina Muster-Slawitsch ist Gruppenleiterin der Forschungsgruppe „Wasser- und Prozesstechnologien“ bei AEE INTEC. Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!
Weiterführende Informationen
Informationen und Ergebnisse zum IEA SHC Task 62:
https://task62.iea-shc.org/
Informationen zu Ammoniumrückgewinnung mittels Membrandestillation:
https://task62.iea-shc.org/article?NewsID=391
Informationen zum Projekt „Solarreaktor“:
https://www.aee-intec.at/pec-solarreaktor-solarreaktor-zur-photo-elektrochemischen-gewinnung-von-wasserstoff-aus-abwasser-p306