01/06/2011 - Bayreuth, Germany

Bewertung der CO2-Emissionen in der Trinkwasseraufbereitung

Carix®-Verfahren, Nanofiltration und Umkehrosmose im Vergleich

Berlin, 1. Juni 2011 - Bei der Auswahl der richtigen Verfahrenstechnologien und der Planung von Wasseraufbereitungsanlagen spielt die Bewertung der damit verbundenen Kohlendioxid(CO2)-Emissionen bei vielen Investitionsentscheidungen weltweit eine zunehmende Rolle. In öffentlichen Projekten beispielsweise in Großbritannien gehört eine Einschätzung der zu erwartenden Klimagas-Emissionen zum Standard jeder Ausschreibung. Auch in der Industrie haben sich zahlreiche global agierende Unternehmen - zum Beispiel in der Nahrungsmittelproduktion - eigene Ziele zur schrittweisen Verminderung ihrer Emissionen gesetzt, über deren Erreichungsgrad kontinuierlich Bericht erstattet wird. Für andere Akteure steht neben dem nachhaltigen Umgang mit natürlichen Ressourcen schon aus monetären Gründen die Verbesserung der Energie-Effizienz im Vordergrund. Auch dies wirkt sich positiv in der CO2-Bilanz aus. Krüger WABAG wie auch andere Gesellschaften aus der Wassertechniksparte von Veolia haben deshalb bereits 2009 damit begonnen, ihre Verfahren in der Wasseraufbereitung und Abwasserbehandlung systematisch nach den anfallenden Emissionen klimaschädlicher Gase über den gesamten Lebenszyklus hinweg zu bewerten. Auf der Wasser Berlin gegenübergestellt wurden erstmals die CO2-Bilanzen verschiedener Verfahren zur zentralen Trinkwasserenthärtung: Das Carix®-Ionenaustausch-Verfahren, Nanofiltration und Umkehrosmose.

Neben CO2 gehören vor allem Methan (CH4) und Stickoxid (N2O) zu den wichtigsten Treibhausgas-Emissionen, die die Hauptursache der Klimaerwärmung darstellen. Fossile Energieträger als Hauptquelle anthropogener Treibhausgase stellen endliche Ressourcen dar, deren Preise entsprechend ihrer zunehmenden Knappheit kontinuierlich ansteigen. Deswegen wird eine zukunftsorientierte Strategie in jedem Unternehmen zur Verringerung der Energieabhängigkeit und damit zu Reduzierung der Umweltbeeinträchtigungen führen.

Der Carbon Footprint (Kohlenstoff-Fußabdruck) ist die Gesamtheit an Treibhausgas-Emissionen, die direkt oder indirekt durch eine Person, ein Unternehmen, ein Produkt oder ein Ereignis verursacht werden. Dank der Gesamtbilanz für Kohlenstoff ist Krüger WABAG in der Lage, verschiedene Lösungen zur Wasseraufbereitung zu ermitteln und mögliche Einsparmaßnahmen mit den damit verbundenen Kosten und Vorteilen aufzuzeigen, so auch bei Verfahren zur Teilentsalzung und Entfernung von Härtebildnern, Sulfat und Nitrat aus dem Trinkwasser. Untersucht wurden das CARIX®-Ionenaustausch-Verfahren, Nanofiltration und Umkehrosmose.

Die Berechnung

Die hier vorgenommene Untersuchung basiert auf den Werten einer in Betrieb befindlichen CARIX®-Anlage mit den tatsächlich anfallenden Betriebskosten und Verbräuchen. Verglichen wird diese Anlage mit einer entsprechend analog ausgelegten Nanofiltration bzw. Umkehrosmose. Zentrale Maßzahl sind die CO2-Äquivalente (g CO2-e /m3 Produktwasser), die während der gesamten Lebensdauer der CARIX®-, Nanofiltration- und Umkehrosmoseanlagen entstehen. Dabei wurde in allen drei Fällen eine durchschnittliche Lebensdauer von 25 Jahren zugrunde gelegt. Die Basisproduktionsmenge für jede Anlage beträgt 244 m3 Wasser pro Stunde.

Die Gesamtemissionen sind in drei Hauptkategorien unterteilt:

  • Emissionen, die während des Betriebs der Anlage entstehen (Rohwasserbereitstellung, Stromverbrauch und Betriebsstoffe)
  • Emissionen, die während des Anlagenbaus entstehen
  • Emissionen, die dank des CO2-Verbrauchs vermieden werden

Zur Berechnung der Emissionen beim Bau der Anlagen werden die Systeme in ihre Bestandteile zerlegt betrachtet. Die verschiedenen Rohmaterialen wie zum Beispiel Stahl, Aluminium und verschiedene Kunststoffarten werden quantifiziert und mit CO2-Emissionskoeffizienten multipliziert. Die dabei von Krüger WABAG bzw. Veolia Water Solutions & Technologies verwendeten Koeffizienten stammen aus mehreren international anerkannten Datenbanken. Die wichtigsten Faktoren für den Betrieb sind die eingesetzten Rohwassertypen, Energieverbrauch und Betriebsmittel.

Untersuchungsergebnis

Mit 161 g CO2-e /m3 hat die CARIX®-Anlage den geringsten Carbon Footprint, was auf den vergleichsweise niedrigen Stromverbrauch und die Reduzierung von Emissionen durch das im Abwasser gebundene CO2 zurückzuführen ist. Der Carbon Footprint der Nanofiltration- und Umkehrosmoseanlagen ist im Vergleich zu CARIX® um 68% bzw. 88% höher und daher mit größeren Auswirkungen auf Klima und Umwelt sowie deutlich höheren Betriebskosten verbunden (siehe Abb. 1).

Die CARIX® (Carbon Dioxide Regenerated Ion Exchangers)-Anlage besteht aus Ionenaustauscherfiltern, in denen die eigentliche Teilentsalzung und Entfernung von Härtebildnern, Sulfat und Nitrat stattfindet. Als Reaktionsprodukt entsteht Kohlensäure, die in Wasser und CO2 zerfällt. Das entstandene CO2 wird im nachgeschalteten Reinwasserriesler durch Luftstrippung wieder aus dem Wasser entfernt. Zur Regeneration der Ionenaustauscherfilter wird anstelle von Chemikalien CO2 aus der Rückgewinnung sowie aus einem CO2-Tank verwendet. Dadurch lassen sich erhöhte Salzmengen im Abwasser vermeiden. Das im Prozess eingesetzte CO2 wird aus einem Abgas gewonnen, das als Abfallprodukt aus der Düngemittelherstellung (Ammoniak-Synthese) anfällt, und ansonsten in die Atmosphäre übergehen würde. Im Eluatentgaser wird CO2 zu etwa 95% aus dem Regenerierstrom zurückgewonnen. Der restliche Teil wird chemisch im Abwasser gebunden und gelangt in den Vorfluter (siehe Abb. 2).

Eine wichtige Erkenntnis aus der Untersuchung: Bei allen drei Anlagen stammt der größte Anteil an Emissionen aus dem Stromverbrauch während des Anlagenbetriebs. Die Kategorie Rohwasserbereitstellung im Betrieb erfasst Emissionen, die mit dem Energieverbrauch in Folge der Erzeugung des zusätzlichen Rohwassers verbunden ist. Die während des Anlagenbaus entstandenen Emissionen sowie Emissionen, die auf die Produktion der Betriebsstoffe zurückzuführen sind, stellen nur einen geringen Anteil an den Gesamtemissionen dar. Die „vermiedenen Emissionen" stellen den Teil der Klimagase dar, die gebunden und deren Abgang in die Atmosphäre verhindert wird.

Krüger WABAG - Funktionsprinzip CARIX-Verfahren zur Trinkwasserenthärtung
 

Bild 1

Vergleich CO2-Emissionen CARIX, Nanofiltration, Umkehrosmose
 

Bild 2

CO2-Gesamtbilanz
 

Bild 3:
Die Carbon-Footprint-Betrachtung bezieht sich auf den gesamten Lebenszyklus einer Anlage.

Berkefeld Carix®-Anlage

Bild 4:
Die Carix®-Anlage weist vor allem deshalb eine vorteilhafte CO2-Bilanz auf, weil hier im Rahmen des Verfahrens Kohlendioxid gebunden wird.

Berkefeld Umkehrosmose-Anlage

Bild 4:
Umkehrosmose, ein vielfach eingesetztes Verfahren zur Entsalzung.

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