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Der Begriff des „blauen Planeten“ wurde vom Kosmonauten Yuri Gagarin während seiner historischen Weltraummission im Jahr 1961 als erster Mensch im All geprägt. Meerwasser macht den Großteil des Wassers auf unserem Planten aus. Paradoxerweise sind nur 0,01 % des Süßwassers für den Menschen nutzbar. Wasser wird nicht nur zum Trinken und für das tägliche Leben verwendet, sondern leistet auch in der Nahrungsmittelproduktion und bei wirtschaftlichen Aktivitäten einen unerlässlichen Beitrag. Allerdings erschweren der Klimawandel und das globale Bevölkerungswachstum heute die Sicherung stabiler Wasserressourcen. Man sagt, dass bis zum Jahr 2050 zwei Drittel der Weltbevölkerung, die bis dahin auf neun Milliarden Menschen angewachsen sein soll, unter Wasserknappheit leiden wird. Da die Nachfrage nach Wasser aufgrund des höheren Bedarfs für die Nahrungsmittelproduktion und im Angesicht des weiter fortschreitenden Wirtschaftswachstums in den Entwicklungsländern voraussichtlich noch weiter steigen wird, kann sich der globale Wettbewerb um die „Ressource Wasser“ nur verschärfen.

Auch auf die Industrie hat das „Wasserrisiko“ einen erheblichen Einfluss, wobei sowohl der direkte Betrieb als auch die Finanzen betroffen sind. In der Folge kann es zu einer Behinderung des nachhaltigen Wirtschaftswachstums kommen. Damit wir eine Chance haben, eine stabile Wasserversorgung zu gewährleisten, muss die Weltgemeinschaft die Dringlichkeit dieses nahenden Problems anerkennen, umfassende Diskussionen über Mechanismen und Mittel zur Reduzierung des Wasserrisikos anregen und führen sowie schnell und entschlossen in Aktion treten.

Die ganz individuellen Probleme bei der Wasserversorgung

― Die Faktoren Wasserbedarf und Zugänglichkeit sind stark von der jeweiligen Region abhängig und eine genaue Beurteilung der lokalen und regionalen Bedingungen ist für die Erarbeitung von Lösungen von nicht zu unterschätzender Bedeutung

Die Wasserversorgung ist der Dreh- und Angelpunkt, um den sich wirtschaftliche und soziale Aktivitäten wie das tägliche Leben und die Industrie drehen. Der Ausbau der Infrastruktur für die Wasserversorgung und Abwasserwirtschaft ist entscheidend für die Verbesserung der öffentlichen Gesundheit und unserer Lebensumgebungen. Neben dem reinen Gebrauch als Trinkwasser können auch die Landwirtschaft, Industrie und Haushalte an sich ohne eine stabile Wasserversorgung nicht überleben. Jedes Land und jede Region hat seine eigenen Qualitätsstandards, seine eigene Verbrauchsrate und seine eigene Nachfrage.

Um eine stabile Versorgung mit sicherem Wasser zu gewährleisten, müssen viele Herausforderungen bewältig werden. Es gilt, Wasserquellen adäquat zu erschließen, effektive Systeme für die Wasserversorgung und Abwasserwirtschaft aufzubauen, das Wasser zu behandeln und die Qualität zu kontrollieren und alle verbundenen Systeme effizient zu betreiben. Und genau wie bei der Qualität und der Nachfrage sind die individuellen Herausforderungen, Umstände und Hindernisse in jeder Region einzigartig. Beispiele wären die Instandhaltung alternder Wasserleitungen in entwickelten Ländern, die Verbesserung der Qualität der Abwasserbehandlung und anderer Versorgungsdienste aufgrund der schnell fortschreitenden Urbanisierung in den Schwellenländern sowie die Entwicklung der Wasserversorgung und Abwasserbehandlung in den Entwicklungsländern.

Die Entwicklung von Lösungen und Methoden, die diesem vielfältigen Katalog an Anforderungen gerecht werden, erfordert tiefgehende Kenntnisse und ein Verständnis der lokalen Gegebenheiten sowie das Know-how, die Technologie und die Projektfähigkeit, um diese Lösungen und Methoden effektiv umzusetzen. Auch qualifiziertes Personal spielt eine entscheidende Rolle bei der effektiven und schnellen Umsetzung dieser Maßnahmen.

Leben und Trockenheit

„Wir können nicht kontrollieren, wie viel Regen fällt, aber wir können kontrollieren, wie unser Wasser genutzt wird, und unsere Welt im Angesicht des Klimawandels widerstandsfähiger machen.“
- Bericht der Weltbank: „High and Dry: Climate Change, Water, and the Economy,“ August 2016

Das globale Wasserproblem lindern

― An lokale Bedürfnisse angepasste technologische Lösungen bringen echte Hoffnung für wasserarme Regionen

In Regionen, in denen es traditionell wenig regnet oder die weit von Flüssen und anderen natürlichen Wasserquellen entfernt sind, stellt die Wasserknappheit ein besonders dringendes Problem dar. In den südlich gelegenen amerikanischen Bundesstaaten wie Kalifornien, Texas und Florida wirkt sich der Klimawandel besonders dramatisch aus und macht die Sicherung von stabilen Wasserquellen buchstäblich zu einer Frage von Leben und Tod.

Mehr und mehr Länder und Regionen setzen zur Bewältigung dieses Problems auf die Entsalzung. Obgleich Entsalzungsanlagen ihre eigenen Probleme und Herausforderungen mit sich bringen, ermöglichen sie die Produktion von gereinigtem, aufbereitetem Wasser aus unkonventionellen Quellen wie Meer- und Abwasser. Yokogawa bietet, aufbauend auf den Kernkompetenzen des Unternehmens in Sachen Messung, Regelung und Informationstechnik, Lösungen an, die den Bedürfnissen der Gemeinden und der Gesellschaft entsprechen und eine stabile Wassergewinnung fördern.

Auf der ganzen Welt, insbesondere im Nahen Osten, werden Entsalzungsanlagen gebaut, mit denen Süßwasser durch die Entfernung von Salz und Mineralien aus dem Meerwasser gewonnen wird. Dabei sind besonders Umkehrosmoseanlagen auf dem Vormarsch. Man sagt, dass die Umkehrosmose energieeffizienter sei als die Entsalzung von Meerwasser durch Verdampfung, was zu einer Reduzierung des Energieverbrauchs und der CO2-Emissionen beiträgt. Und dieser Markt wächst rapide.

Der im südlichen Teil der peruanischen Hauptstadt Lima gelegene Bezirk Santa Maria unterliegt einem Wüstenklima, in dem es das ganze Jahr über so gut wie nie regnet. Dieser Bezirk ist auch der Standort der ersten Meerwasserentsalzungsanlage des Landes, bei dem die Umkehrosmose zur Gewinnung von Trinkwasser zum Einsatz kommt. Yokogawas Überwachungs- und Regelungslösungen werden hier in einer zugehörigen Abwasseraufbereitungsanlage und Pipeline eingesetzt. Die Wasserverteilungs- und Kanalisationsleitungen sind 260 km lang. Die untermeerische Abflussleitung weist eine Länge von 780m auf. Yokogawas integriertes Produktionssteuerungssystem und das netzwerkbasierte Produktionssystem überwachen und regeln diese Einrichtungen, um einen optimalen Betrieb zu gewährleisten.

Das produzierte Frischwasser wird rund um die Uhr, sieben Tage die Woche, als gereinigtes, aufbereitetes Wasser an etwa 100.000 Einwohner geliefert. Ein Teil des gereinigten Abwassers wird für die lokale Begrünung wiederverwendet und trägt so zur Erhaltung der Umwelt in der Umgebung bei. Auf diese Weise verbessert die Anlage auf vielfältige Art und Weise die Lebensqualität in der Region.

Wasser im täglichen Leben

„Mit der Zeit werden Städte und Dörfer Schritt für Schritt ihre häuslichen, industriellen und landwirtschaftlichen Abwässer recyceln. Dies stellt das größte erneuerbare Süßwasserreservoir dar, das der Menschheit in diesem Jahrhundert zur Verfügung stehen wird.“
- Loïc Fauchon, Präsident des Weltwasserrats, Eröffnungsansprache bei der Brazil Water Week 2020, 26. Oktober 2020

Der drohende Wassermangel ist auch ein ernsthaftes Problem in Nordamerika, wo sich der Rückgang der jährlichen Niederschläge und die Absenkung der Fluss- und Grundwasserspiegel durch die steigenden Temperaturen infolge des Klimawandels stetig verschärfen.

Große Wasserreservoirs können als Umweltpuffer dienen. Das sind Gewässer, die „dazu dienen, die Verbindung zwischen dem Wasser und seiner Geschichte zu unterbrechen“, wie es in einem Bericht aus dem Jahr 2011 heißt, da ihre Größe zu einer längeren Verweilzeit führt*1. Dies bietet Möglichkeiten zur Verbesserung der Wasserqualität durch Verdünnung des aufbereiteten Wassers und den Einsatz verschiedenster Verfahren zur Reduzierung der Kontaminanten.

In Gebieten, in denen häufig Dürreperioden auftreten, stehen in der Regel keine großen Reservoirs zur Verfügung, so dass es keinen solchen Umweltpuffer gibt. Dies wiederum bedeutet, dass die Vorschriften in Bezug auf Wassereinleitungen verschärft werden müssen, was zusätzliche Kosten für die Aufbereitung des Wassers zur Erfüllung dieser Standards vor der Einleitung zur Folge hat*2.

Im Bundesstaat Kalifornien wird erwartet, dass die dortigen Vorschriften für eine direkte Trinkwassernutzung, bei der gereinigtes und aufbereitetes Wasser ohne Umweltpuffer in den Zulauf des Trinkwasseraufbereitungssystems einer Gemeinde eingeleitet wird, voraussichtlich bis Ende 2023 ausgearbeitet sein werden. Diese Prognose lässt Investoren bereits heute aufhorchen.

Das „Pure Water Project“, bei dem aufbereitetes Wasser in ein Reservoir eingeleitet wird, eine sogenannte Oberflächenwassererweiterung, die auf einem Umweltpuffer mit begrenzter Verdünnungskapazität und minimaler Verweilzeit beruht, wird vom Las Virgenes Municipal Water District in Los Angeles County erprobt. Unterstützt wird das Projekt von Einrichtungen wie dem japanischen Ministerium für Wirtschaft, Handel und Industrie, dem USBR (U.S. Bureau of Reclamation) und dem National Water Research Institute, einer gemeinnützigen Organisation, die Expertengremien einberuft, um Beratungsdienste in Sachen Wasserpolitik und Implementierungstechnologien in Märkten wie den USA, Japan, Singapur und Israel anzubieten. Auch Unternehmen in privater Hand nehmen teil, darunter Carollo Engineers, Inc. und Yokogawa. Yokogawa leistet mit Betriebs- und Wartungslösungen, die auf KI und IIoT basieren, einen entscheidenden Beitrag. Die Aufbereitung und Wiederverwendung des Wassers führt zu einer geringeren Abhängigkeit von natürlichen Ressourcen wie Flüssen und Grundwasser. Und da Wasser in der Nähe zur Verfügung steht, sinkt auch der förderungsbedingte Energieaufwand. Projekte wie dieses tragen zu einem verbesserten Bewusstsein für dieses Problem in der Öffentlichkeit bei.

Sowohl die nötigen Mengen an Trinkwasser sowie die hohen Qualitätsstandards müssen beim Aufbau eines Wasserrecyclingsystems berücksichtigt werden. Dabei ist eine effiziente Abwasserreinigung und Stabilisierung der Wasserqualität nicht möglich, wenn nicht auch die richtigen Technologien gewählt und effektiv integriert werden. Eine umfassende Überwachung und Regelung der Abwasserbehandlung ist bei der Herstellung von aufbereitetem Wasser unerlässlich. Im Gegensatz zu konventionellen kulturabhängigen Testmethoden, die viel Zeit in Anspruch nehmen, weist die Technologie von Yokogawa Krankheitserreger auf Grundlage einer quasi-quantitativen, genbasierten Analyse nach, um so die akute Toxizität zu bewerten. Dadurch gelingt die Messung von pathogenen Mikroorganismen im Wasser erheblich schneller. Die Qualität des gereinigten und wiederaufbereiteten Wassers kann mit deutlich höherer Zuverlässigkeit garantiert werden.

Jeder Schritt zur Verbesserung der Wasserqualität in der Abwasserbehandlung unterliegt einem eigenen Standard. Es dauert seine Zeit, bis die nötigen Anlagen und Einrichtungen zur Ausführung der verschiedenen Prozesse wie Sedimentation, Oxidation, Nitrifikation und Desinfektion installiert und in Betrieb genommen sind. Diese Standards müssen dabei unbedingt eingehalten werden und der Status jedes dieser Prozesse muss akribisch kontrolliert werden. Ein enormer Energieverbrauch ist die Folge. Die Beseitigung der Energieverschwendung in diesen Prozessen ist folglich ebenso von entscheidender Bedeutung, da die erhöhten Verarbeitungskosten an die Abnehmer des wiedergewonnenen Wassers weitergegeben werden.

Beim „Pure Water Project“ werden voraussichtlich datengesteuerte Lösungen zum Einsatz kommen, die von Yokogawa entwickelt wurden und eine auf IoT-Signalen basierende Modellierung und Simulation nutzen. Es soll auf diese Weise ein Regelungssystem mit Unterstützung durch KI-Analysetechnologien implementiert werden, das in Bezug auf seine Fähigkeiten bei der Überwachung und Interpretation die Fähigkeiten des Menschen weit übersteigt. Dies trägt zur Optimierung des Betriebs bei und führt zu einem geringeren Energieverbrauch, niedrigeren Aufbereitungskosten, einer maximierten Menge an aufbereitetem Wasser sowie reduzierten Wartungs- und Verwaltungskosten.

Es wird erwartet, dass die Technologie nicht nur bei Abwasseraufbereitungsanlagen, sondern in Zukunft auch beim teilautonomen Betrieb in fortschrittlichen Wasseraufbereitungsanlagen, die auf Ultrafiltration, Umkehrosmose und UV-Oxidation beruhen, wertvolle Unterstützung leisten wird. KI-Analysen und teilautonome Betriebsvorgänge können dabei helfen, Bedienern die optimale Handhabung dieser komplexen Systeme zu erleichtern.

Wasser wird akut zu einer nicht erneuerbaren Ressource, da es angesichts des rasanten industriellen Fortschritts und der wachsenden Weltbevölkerung immer schwieriger wird, die „Ressource Wasser“ in dem Tempo wiederaufzufrischen, in dem sie verbraucht wird. Es gibt viele Regionen auf der Welt, in denen die Gesundheit der Bevölkerung durch den Mangel an einer sicheren und zuverlässigen Wasserversorgung gefährdet ist. Dies ist eine weitere Herausforderung, derer sich auch Yokogawa stellt und für die es Lösungen zu finden gilt.

Um unseren Planeten intakt an die kommenden Generationen weiterzugeben, arbeitet Yokogawa gemeinsam mit seinen Kunden, lokalen Regierungen, Vertretern der Wissenschaft und anderen Stakeholdern an neuen Initiativen. Mit dem Ziel, eine recyclingorientierte Gesellschaft Wirklichkeit werden zu lassen, wird das Unternehmen nach dem Prinzip der Co-Innovation die weitere Entwicklung von Systemen und Technologien fördern, um neue Werte zu schaffen.


Referenzen

*1 : „Water Quality Improvements through the Environmental Buffer in Indirect Potable Reuse – Perception and Reality“; Jörg E. Drewes, Technische Universität München, Deutschland, Januar 2011
*2 : „Role of Retention Time in the Environmental Buffer of Indirect Potable Reuse Projects: An Investigation on Managed Aquifer Recharge“; Jörg E. Drewes, Colorado School of Mines, April 2015

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