Das Wasserzeitalter – eine glänzende Zukunft für die Menschheit

Technologen konzentrieren sich in der Regel auf die wertvollsten oder technisch nützlichsten natürlichen Ressourcen und Rohstoffe wie Gold, seltene Erden oder Lithium. Eine viel einfachere Ressource wird jedoch täglich in großen Mengen benötigt, um unsere Zivilisation aufrechtzuerhalten: Süßwasser.

Investors and technologists tend to focus on the most precious or technically useful natural resources and commodities, such as gold, rare earth, or lithium. However, a much simpler resource is needed in massive amounts daily to sustain our civilization: fresh water.

Investoren und Technologen konzentrieren sich in der Regel auf die wertvollsten oder technisch nützlichsten natürlichen Ressourcen und Rohstoffe wie Gold, seltene Erden oder Lithium. Eine viel einfachere Ressource wird jedoch täglich in großen Mengen benötigt, um unsere Zivilisation aufrechtzuerhalten: Süßwasser.

While it literally falls from the sky in most of the world, its availability is still under severe pressure in modern civilization, as we consume much of it for industry, agriculture, and human needs.

Während es in den meisten Teilen der Welt buchstäblich vom Himmel fällt, steht seine Verfügbarkeit in der modernen Zivilisation immer noch unter starkem Druck, da wir einen Großteil davon für die Industrie, die Landwirtschaft und den menschlichen Bedarf verbrauchen.

Only 3% of the world’s water is usable fresh water, with 97% being saline (saline groundwater and seawater). Of this freshwater, 69% is held in glacier and polar ice caps, 30% is groundwater, and only 1% is surface water.

Nur 3 % des weltweiten Wassers sind nutzbares Süßwasser, 97 % davon sind Salzwasser (salzhaltiges Grundwasser und Meerwasser). Von diesem Süßwasser befinden sich 69 % in Gletscher- und Polkappen, 30 % sind Grundwasser und nur 1 % ist Oberflächenwasser.

Source: USGS

Quelle: USGS

As a result, in many places, the only available water source is saline. Desalination is possible but requires a tremendous amount of energy. Until now, it has often been done with fossil fuels, as most desalination techniques are energy-intensive and require constant and stable energy inputs.

Daher ist die einzige verfügbare Wasserquelle vielerorts Salzlösung. Eine Entsalzung ist möglich, erfordert jedoch einen enormen Energieaufwand. Bisher erfolgt dies häufig mit fossilen Brennstoffen, da die meisten Entsalzungstechniken energieintensiv sind und eine konstante und stabile Energiezufuhr erfordern.

This could change, thanks to a new method developed by MIT engineers and published in Nature Water under the title “Direct-drive photovoltaic electrodialysis via flow-commanded current control.”

Dies könnte sich ändern, dank einer neuen Methode, die von MIT-Ingenieuren entwickelt und in Nature Water unter dem Titel „Direct-drive photovoltaic electrodialysis via flow-commanded current control“ veröffentlicht wurde.

Solar Desalination

Solare Entsalzung

At first glance, solar power seems to be the most logical energy source for powering desalination operations. Not only is it provided for free by the Sun, but it is also generally abundant in dry regions like deserts, which often need desalination the most.

Auf den ersten Blick scheint Solarenergie die sinnvollste Energiequelle für Entsalzungsanlagen zu sein. Es wird nicht nur kostenlos von der Sonne bereitgestellt, sondern ist auch in trockenen Regionen wie Wüsten, die oft am meisten einer Entsalzung bedürfen, im Allgemeinen reichlich vorhanden.

With solar power becoming cheaper by the day, it will likely continue to grow as an energy source, as we covered in our article “The Solar Age—A Bright Future To Mankind.”

Da Solarenergie von Tag zu Tag billiger wird, wird sie als Energiequelle wahrscheinlich weiter wachsen, wie wir in unserem Artikel „Das Solarzeitalter – Eine glänzende Zukunft für die Menschheit“ beschrieben haben.

There is still one problem – solar energy is only produced when the sun shines. This means that to operate efficiently, most solar-power-only desalination operations would need to be coupled to a battery system, increasing costs.

Es gibt noch ein Problem: Solarenergie wird nur produziert, wenn die Sonne scheint. Das bedeutet, dass für einen effizienten Betrieb die meisten Entsalzungsvorgänge, die ausschließlich auf Solarenergie basieren, an ein Batteriesystem gekoppelt werden müssten, was die Kosten erhöht.

This is especially problematic for current desalination techniques, like reverse osmosis, which needs stable conditions and a stable energy supply to be efficient. This is because it requires constant pressure on the osmosis membranes.

Dies ist besonders problematisch für aktuelle Entsalzungstechniken wie die Umkehrosmose, die stabile Bedingungen und eine stabile Energieversorgung benötigen, um effizient zu sein. Dies liegt daran, dass ein konstanter Druck auf die Osmosemembranen erforderlich ist.

This precludes any small-scale desalination and any low-cost methods, at least as long as energy storage is still expensive. This might change, as we discussed in “The Future Of Energy Storage—Utility-Scale Batteries Tech”; still, it could be better to also adapt to the natural fluctuation of solar power, including very short-term ones like clouds passing by.

Dies schließt eine Entsalzung im kleinen Maßstab und kostengünstige Methoden aus, zumindest solange die Energiespeicherung noch teuer ist. Dies könnte sich ändern, wie wir in „Die Zukunft der Energiespeicherung – Batterietechnologie im Versorgungsmaßstab“ besprochen haben; Dennoch könnte es besser sein, sich auch an die natürlichen Schwankungen der Sonnenenergie anzupassen, auch an sehr kurzfristige Schwankungen wie vorbeiziehende Wolken.

Flexible Batch Electrodialysis

Flexible Batch-Elektrodialyse

The MIT researchers favored this approach. They studied electrodialysis, an alternative method to reverse osmosis for desalination. Electrodialysis uses an electric field to draw out salt ions as water is pumped through a stack of ion-exchange membranes.

Die MIT-Forscher favorisierten diesen Ansatz. Sie untersuchten die Elektrodialyse, eine alternative Methode zur Umkehrosmose zur Entsalzung. Bei der Elektrodialyse wird ein elektrisches Feld verwendet, um Salzionen herauszuziehen, während Wasser durch einen Stapel von Ionenaustauschmembranen gepumpt wird.

Source: Nature Water

Quelle: Naturwasser

For their new design, they created a model-based control system connected to sensors in all parts of the system. It predicted the optimal rate at which to pump water and the voltage that should be applied to maximize the amount of salt drawn out of the water.

Für ihr neues Design erstellten sie ein modellbasiertes Steuerungssystem, das mit Sensoren in allen Teilen des Systems verbunden ist. Es sagte die optimale Geschwindigkeit voraus, mit der Wasser gepumpt werden sollte, und die Spannung, die angelegt werden sollte, um die aus dem Wasser gezogene Salzmenge zu maximieren.

By doing so, the desalination operation could fluctuate according to the solar power produced in real-time.

Dadurch könnte der Entsalzungsvorgang entsprechend der in Echtzeit erzeugten Solarenergie schwanken.

Source: Nature Water

Quelle: Naturwasser

On average, the system directly used 77 percent of the available electrical energy produced by the solar panels, which the team estimated was 91 percent more than traditionally designed solar-powered electrodialysis systems.

Im Durchschnitt nutzte das System direkt 77 Prozent der verfügbaren elektrischen Energie, die von den Solarpaneelen erzeugt wurde, was nach Schätzungen des Teams 91 Prozent mehr war als herkömmlich konzipierte solarbetriebene Elektrodialysesysteme.

Further Improvement

Weitere Verbesserung

The almost doubled rate of solar power utilization compared to previous electrodialysis systems could still be improved with more regular optimization & automation:

Die im Vergleich zu früheren Elektrodialysesystemen nahezu verdoppelte Solarstromnutzungsrate könnte durch regelmäßigere Optimierung und Automatisierung noch verbessert werden:

We could only calculate every three minutes, and in that time, a cloud could literally come by and block the sun.

Wir konnten nur alle drei Minuten rechnen, und in dieser Zeit könnte buchstäblich eine Wolke vorbeiziehen und die Sonne blockieren.

The system could be saying, ‘I need to run at this high power.’ But some of that power has suddenly dropped because there’s now less sunlight. So, we had to make up that power with extra batteries.”

Das System könnte sagen: „Ich muss mit dieser hohen Leistung laufen.“ Aber ein Teil dieser Leistung ist plötzlich gesunken, weil es jetzt weniger Sonnenlicht gibt. Also mussten wir diese Energie durch zusätzliche Batterien ausgleichen.“

Amos Winter – Director of the K. Lisa Yang Global Engineering and Research (GEAR) Center at MIT

Amos Winter – Direktor des K. Lisa Yang Global Engineering and Research (GEAR) Center am MIT

This was a proof-of-concept work and will be turned into a commercial design soon, as the team will be launching a company based on their technology in the coming months.

Dabei handelte es sich um eine Proof-of-Concept-Arbeit, die bald in ein kommerzielles Design umgesetzt werden soll, da das Team in den kommenden Monaten ein auf seiner Technologie basierendes Unternehmen gründen wird.

This research project was also supported in-kind (provided material for free) by Veolia Water Technologies and Solutions (VIE.PA) and Xylem Goulds (XYL -1.17%).

Dieses Forschungsprojekt wurde auch durch Sachleistungen (Material kostenlos zur Verfügung gestellt) von Veolia Water Technologies and Solutions (VIE.PA) und Xylem Goulds (XYL -1,17 %) unterstützt.

Not Just Seawater

Nicht nur Meerwasser

The research team focused on the desalination of brackish groundwater found underground in New Mexico. As many dry area population centers are far from the sea, this can be an important water source currently unavailable due to its salt content.

Das Forschungsteam konzentrierte sich auf die Entsalzung von unterirdisch vorkommendem Brackgrundwasser in New Mexico. Da viele Bevölkerungszentren in Trockengebieten weit vom Meer entfernt liegen, kann dies eine wichtige Wasserquelle sein, die aufgrund des Salzgehalts derzeit nicht verfügbar ist.

“The majority of the population actually lives far enough from the coast, that seawater desalination could never reach them. They consequently rely heavily on groundwater, especially in remote, low-income regions. And unfortunately, this groundwater is becoming more and more saline due to climate change.”

„Der Großteil der Bevölkerung lebt tatsächlich so weit von der Küste entfernt, dass die Meerwasserentsalzung sie niemals erreichen könnte. Sie sind daher stark auf das Grundwasser angewiesen, insbesondere in abgelegenen Regionen mit niedrigem Einkommen. Und leider wird dieses Grundwasser durch den Klimawandel immer salzhaltiger.“

Jonathan Bessette – MIT PhD student in mechanical engineering

Jonathan Bessette – MIT-Doktorand im Maschinenbau

The research model was already able to provide enough fresh water

Das Forschungsmodell konnte bereits ausreichend Frischwasser bereitstellen