Technoeconomic Framework for Evaluating Desalination and Brine Management Pathways across the United States

Wasser ist die wichtigste Ressource für das menschliche Leben, doch die Art und Weise, wie wir darauf zugreifen, verändert sich. Seit Jahrhunderten verlassen sich Gesellschaften auf Flüsse, Seen und unterirdische Aquifere, um ihren Bedarf zu decken. Doch während die Bevölkerung wächst und das Klima sich wandelt, geraten diese traditionellen Quellen unter Druck oder versiegen. Als Reaktion darauf haben sich Ingenieure den Ozeanen und den tieferen, salzigeren Schichten der Erde zugewandt, um Süßwasser zu gewinnen. Der Prozess der Entsalzung von Wasser ist ein wirkungsvolles Instrument, erzeugt jedoch ein Nebenprodukt: eine dicke, salzhaltige Flüssigkeit namens Sole. Die Entsorgung dieses Abfalls ist ebenso kritisch wie die Herstellung des Süßwassers selbst. Wenn sie unbehandelt bleibt, kann die Sole der Umwelt schaden, aber ihre Entsorgung kostet Geld und Energie. Die zentrale Frage, vor der Wasserplaner heute stehen, ist nicht nur, wie man Süßwasser herstellt, sondern wie man dies auf eine erschwingliche und sichere Weise tut, abhängig davon, wo eine Gemeinschaft liegt und welche Art von salzigem Wasser sie als Ausgangsbasis hat.

Ein Forschungsteam am Georgia Institute of Technology hat einen neuen Weg entwickelt, um diese Frage für die gesamten Vereinigten Staaten zu beantworten. Sie haben eine detaillierte Karte erstellt, die die tatsächlichen Kosten berechnet, um verschiedene Arten von salzigem Wasser in Süßwasser umzuwandeln, wobei auch die Kosten für die Entsorgung der verbleibenden Sole berücksichtigt werden. Ihre Arbeit untersucht drei Hauptquellen für salziges Wasser: Meerwasser von der Küste, brackiges Grundwasser im Binnenland und Produktionswasser, eine salzhaltige Flüssigkeit, die bei der Öl- und Gasförderung an die Oberfläche gelangt. Für jede dieser Quellen testeten sie drei verschiedene Wege zum Umgang mit dem Abfall: die Rückführung in den Ozean, die Injektion tief in den Untergrund oder die Nutzung eines komplexen Systems, um das gesamte Wasser zu verdampfen und das feste Salz zurückzugewinnen. Durch das Durchführen tausender Berechnungen landesweit fanden sie heraus, dass die beste Lösung vollständig von zwei Dingen abhängt: wie salzig das Wasser ist und wie weit der Standort vom Ozean entfernt ist.

Die Forscher entdeckten, dass für Küstenstädte der einfachste Ansatz oft der beste ist. Wenn eine Anlage in der Nähe des Meeres liegt, kann sie Meerwasser durch einen Filter pumpen, um Süßwasser herzustellen, und dann die salzige Sole in den Ozean zurückführen. Diese Methode ist günstig und kostet zwischen einem und anderthalb Dollar pro Kubikmeter produziertem Wasser. Diese Option wird jedoch unpraktikabel, je weiter eine Stadt im Landesinneren liegt. Der Transport von Süßwasser von der Küste zu einem Ort wie Denver beispielsweise erhöht die Gesamtkosten so stark, dass der Preis auf etwa drei und ein halb Dollar pro Kubikmeter springt. Die Studie zeigt, dass es für Gebiete im Binnenland sinnvoller ist, das lokale salzige Wasser zu behandeln, anstatt Wasser von der Küste heranzuschiffen.

Beim Blick auf die Quellen im Binnenland spielt die Art des Wassers eine große Rolle. Für Gebiete mit leicht salzigem Grundwasser ist der wirtschaftlichste Weg, den Abfall tief in geologische Formationen zu pumpen, eine Methode, die als Tiefbrunneninjektion bezeichnet wird. Dies vermeidet die hohen Kosten für den Transport der schweren, salzhaltigen Flüssigkeit zurück zum Ozean. Die Forscher fanden heraus, dass es für Gebiete mit wenig Salzgehalt weit weg von der Küste in der Regel ein finanziell unrentables Unterfangen ist, das Salz zurückzugewinnen. Die Ausrüstung, die benötigt wird, um das Wasser zu sieden und das Salz zu sammeln, ist teuer in der Anschaffung und im Betrieb, und die geringe Menge des gewonnenen Salzes kann den Prozess nicht finanzieren. In diesen Fällen bleiben die Kosten für die Wasserherstellung zwischen einem und drei Dollar pro Kubikmeter, aber das Salzrückgewinnungssystem fügt zu viele zusätzliche Kosten hinzu, um es lohnenswert zu machen.

Die Situation ändert sich, wenn das Wasser sehr salzig ist, wie etwa das Produktionswasser aus Öl- und Gasoperationen. In diesen Fällen mit hohem Salzgehalt kehrt sich die Wirtschaftlichkeit um. Da so viel Salz im Wasser enthalten ist, kann ein System, das das Salz zurückgewinnt, tatsächlich Geld verdienen, indem es das Salz verkauft. Diese Einnahmen helfen, die hohen Kosten der Ausrüstung zur Konzentrierung und Kristallisierung der Sole auszugleichen. Die Studie legt nahe, dass für diese spezifischen, sehr salzigen Quellen im Binnenland ein Zero-Liquid-Discharge-System – bei dem kein Wasser als Abfall das Werk verlässt – eine praktikable und manchmal bevorzugte Option ist. Die Forscher merkten an, dass bei diesen hochsalzhaltigen Zuflüssen die Salzrückgewinnung das kostspielige Abfallproblem in eine Einnahmequelle verwandeln kann, was den gesamten Prozess erschwinglicher macht.

Um diese Ergebnisse zu visualisieren, erstellte das Team einen Leitfaden, der als Entscheidungsinstrument für Wasserplaner dient. Er zeigt, dass es für eine Gemeinschaft, die sich etwa 500 bis 700 Kilometer von der Küste entfernt befindet, der günstigste Weg ist, Meerwasser zu pumpen und die Sole in den Ozean zu leiten. Wenn die Gemeinschaft weiter im Binnenland liegt, aber über Wasser mit geringem Salzgehalt verfügt, ist die Injektion des Abfalls in den Untergrund die beste Wahl. Wenn das Wasser im Binnenland sehr salzig ist, wird die Rückgewinnung des Salzes zur sinnvollsten wirtschaftlichen Strategie. Dieser Rahmen hilft dabei, über einen „Einheitsansatz“ hinauszugehen und erkennt an, dass eine Lösung, die für eine Küstenstadt in Kalifornien funktioniert, nicht für eine Stadt in der Mitte des Landes geeignet sein wird.

Die Studie verglich diese Entsalzungsmethoden auch mit einer anderen aufkommenden Technologie: der Gewinnung von Wasser direkt aus der Luft. Während das Einfangen von Feuchtigkeit aus der Atmosphäre wie eine perfekte Lösung für trockene Gebiete erscheinen mag, fanden die Forscher heraus, dass dies deutlich teurer als die Entsalzung ist und etwa elf bis dreizehn Dollar pro Kubikmeter kostet. Dieser hohe Preis bedeutet, dass das Gewinnen von Wasser aus der Luft nur eine realistische Option für sehr kleine, abgelegene Gemeinschaften ist, in denen kein salziges Wasser verfügbar ist und der Transport von Wasser von anderswo unmöglich ist. Für den Großteil der Bevölkerung liegt der Weg nach vorn in der Verwaltung der bereits im Boden und im Meer vorhandenen salzhaltigen Wasserquellen.

Letztendlich bietet diese Forschung eine klare, datengestützte Roadmap für die Zukunft des Wassers in den Vereinigten Staaten. Sie bestätigt, dass die Entsalzung zwar ein notwendiges Instrument zur Bekämpfung der Wasserknappheit ist, ihr Erfolg jedoch davon abhängt, die richtige Technologie mit dem richtigen Standort abzustimmen. Indem man die spezifischen Kosten des Transports, den Salzgehalt des lokalen Wassers und den Wert der Abfallprodukte versteht, können Gemeinden einen Weg wählen, der nicht nur technisch möglich, sondern auch wirtschaftlich nachhaltig ist. Die Arbeit legt nahe, dass die Vereinigten Staaten mit sorgfältiger Planung ihre Süßwasserversorgung erweitern können, um den Bedürfnissen ihrer wachsenden Bevölkerung gerecht zu werden, ohne dabei das Budget zu sprengen oder die Umwelt zu schädigen.