Photovoltaik für die Trinkwasserversorgung: Mit Solarenergie Wasser pumpen und reinigen

08.05.2019 – Laut dem UN-Weltwasserbericht 2018 haben weltweit 2,1 Milliarden Menschen keinen Zugang zu sauberem Trinkwasser und 3,6 Milliarden Menschen (fast die Hälfte der Weltbevölkerung) leben in Gebieten, die mindestens einen Monat pro Jahr von Wassermangel bedroht sind. Bis 2050 werden es Prognosen zufolge aufgrund des Klimawandels sowie des Bevölkerungswachstums bis zu 5,7 Milliarden Menschen sein. Die UN rechnen damit, dass sich der weltweite Wasserbrauch aufgrund des Klimawandels und des Bevölkerungswachstums bis 2030 verdoppeln wird. Im „Global Risk Report“ des Word Economic Forums rangiert Wasser innerhalb der vergangenen acht Jahre innerhalb der 5 Top-Risiken. Experten erwarten auch für Länder wie UK innerhalb der kommenden 25 Jahre aufgrund der Klimaveränderung Wasserversorgungsprobleme.

Vier Prozent des weltweiten Stromverbrauchs für Wassergewinnung und -aufarbeitung

Mittelmeerländer wie Spanien haben jetzt schon in der Landwirtschaft und für Trinkwasser zunehmend Probleme mit einer gesicherten Wasserversorgung. Immer wichtiger werden auch effiziente und klimafreundliche Methoden, um aus Meerwasser Trinkwasser zu gewinnen. Ein Prozent der Menschen weltweit sind laut UN-Angaben jetzt schon auf entsalztes Wasser angewiesen, um ihre täglichen Bedürfnisse zu decken. Zudem ist eine Herausforderung auch die Energie- und CO₂-Einsparung bei der Wassergewinnung und -aufarbeitung. So gehen laut Angaben der Internationalen Energieagentur (IEA) vier Prozent des weltweiten Stromverbrauchs auf das Konto des Wassersektors.

Herausforderungen sind also weltweit eine nachhaltigere Wasserbewirtschaftung, ein effizienterer Umgang mit Wasser, eine gerechtere Verteilung sowie eine möglichst dekarbonisierte Wassergewinnung und Wasseraufarbeitung als Teil globaler Klimaschutzbemühungen. Die immer kostengünstigere Photovoltaik bietet hierfür vielfältige Möglichkeiten.

Solar betriebene Pumpsysteme ausgereifte Technik

Ein wichtiger Lösungsansatz sind solar betriebene Pumpsysteme zur Trinkwasserversorgung oder zur landwirtschaftlichen Bewässerung in sonnenreichen, wasserarmen ländlichen Regionen. Die Solarpumpen werden meist Off-Grid betrieben, teils auch mit dem allgemeinen Versorgungsnetz gekoppelt oder als Teil einer erneuerbar gestützten Mini-Grids. Große Märkte sind China und Indien. So startete beispielsweise der Energieversorger (Maharashtra State Electric Distribution Company Limited/MSEDCL) des indischen Bundesstaates Maharashtra im Dezember 2018 eine Ausschreibung für 50.000 Photovoltaik betriebene Wasserpumpen. Vorteil für den staatlichen Versorger ist, dass er weniger subventionierten Strom an Landwirte abgeben muss und sich die solare Erzeugungsleistung im Rahmen der verpflichtenden Vorgaben zur Erhöhung des grünen Stromportfolios (Renewable Purchase Obligation/RPO) anrechnen lassen kann. Hier sind die Off-Grid Pumpen in ein online-Monitoring System zur Erfassung des erzeugten Solarstroms und der Wassernutzung integriert, wie Mercom India berichtet.

Laut Joachim Went, Projektleiter beim Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE, gibt es bei Photovoltaik-Pumpsystemen mittlerweile „weltweit einen recht großen Markt mit etlichen qualitativ hochwertigen europäischen Herstellern wie Lorentz, Grundfos oder Fuji Electric“.  PV-Pumpsysteme seien „eine ausgereifte Technik“, vor allem für Systeme bis zu einer Größenordnung von 5 Kilowatt (kW). „Für größere Systeme (einige 100kW) gab es lange Zeit keine geeignete Leistungselektronik für die direkte PV-Kopplung, so dass dann erst ein 3-phasiges AC-Netz aufgebaut werden musste. Das hat sich inzwischen mit neuen Produkten geändert“, so Went. Wobei allerdings bei Anwendungen über 100kW „noch einiges optimiert werden“ könne, doch es „eher individuelle Lösungen geben wird und kein Produkt von der Stange“. Laut der Deutschen Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit (GIZ) gibt es auch bei den Pumpen und Motoren zahlreiche Verbesserungen wie Schraubenpumpen für hohe Förderhöhen oder neue Motorkonzepte mit besseren Starteigenschaften und variablen Eingangsspannungen.

Kostenvorteile gegenüber Dieselpumpen

In punkto Wirtschaftlichkeit haben PV betriebene Wasserpumpen „an entsprechenden Standorten deutliche Kostenvorteile gegenüber Diesel“, sagt Went. So ist beispielsweise das per PV-Pumpen geförderte Bewässerungswasser abgelegener landwirtschaftlicher Betriebe in der ägyptischen Wüstenregion Bahariya mit circa 1 Eurocent/Kubikmeter nur halb so teuer wie das mit Dieselpumpen geförderte Wasser (ca. 2 Eurocent/Kubikmeter). Laut GIZ sind die Investitionskosten von solar betriebenen Wasserpumpen durchweg noch höher als von Dieselpumpen, doch sie haben weit geringere Betriebskosten und sind auch wartungsärmer und zuverlässiger. Entscheidend für die Wirtschaftlichkeit von PV-Pumpen für Bewässerungsprojekte sei allerdings, dass eine möglichst hohe, sprich ganzjährige und effiziente Auslastung des geförderten Wassers möglich ist, beispielsweise für Dauerkulturen oder via Fruchtfolgen. So amortisiert sich ein solar betriebenes Tröpfchenbewässerungssystem (mit einer 90,75kW PV-Anlage) für eine Obstplantage in Kneževi Vinogradi im Nordosten von Kroatien laut Angaben vom Lieferanten Luxor Solar innerhalb von fünf bis sechs Jahren.

Mit Photovoltaik Brack- und Meerwasser entsalzen

Interessante Möglichkeiten bieten PV-gestützte Systeme auch bei der Entsalzung von Brack- und Meerwasser. Ein weit verbreitetes Verfahren ist die Umkehrosmose. So wurde beispielsweise jüngst im südafrikanischen Küstenort Witsand (südöstlich von Kapstadt) eine Umkehrosmose-Anlage in Betrieb genommen, die im Inselbetrieb rein solar oder gekoppelt mit dem örtlichen Versorgungsnetz betrieben werden kann. Über eine 66 kW PV-Anlage gespeist, erzeugt die Meerwasserentsalzungsanlage täglich circa 100 Kubikmeter sauberes Wasser. Im Kombipack mit dem Netzbetrieb können bis zu 300 Kubikmeter Wasser täglich aufgearbeitet werden und so die Verbrauchsspitzen der 3.000 Einwohner zählenden Kleinstadt gedeckt werden.

Laut Angaben des Herstellers Mascara Renewable Water sind entsprechende, mit PV betriebene Systeme gegenüber konventionell betriebenen Meerwasser-Entsalzungsanlagen, die Techniken zur Energierückgewinnung nutzen, ab einem Strompreis von 13 Eurocent/kW (das entspricht einem Spritpreis von 30 Eurocent/l) wirtschaftlich. Im Wettbewerb mit konventionellen Wasserentsalzungsanlagen, die nicht mit Energiespartechnik ausgerüstet sind, seien entsprechend PV betriebene Umkehrosmose-Anlagen schon ab einem Strompreis von 5 Eurocent/kWh (sowie entsprechend niedrigeren Spritpreisen) wirtschaftlich.

In den Vereinigten Arabischen Emiraten ist derzeit in Ras Al Khaimah vom Versorgungsunternehmen Utico eine große Wasserentsalzungsanlage (mit reverser Osmosetechnik) geplant, die über ein 16 MW Hybridkraftwerk PV plus Deponiegas gespeist werden soll.

In einem EU-Projekt „RevivED water“ (gefördert durch das EU Horizon2020-Programm) wird derzeit auch das Elektrodialyseverfahren zur Entsalzung von Meer- und Brackwasser getestet, um daraus markttaugliche Systeme zu entwickeln. Zehn Unternehmen und Forschungseinrichtungen aus sechs europäischen Ländern arbeiten hierbei zusammen. Getestet und entwickelt werden auch kleinere solarbetriebene off-Grid Entsalzungssysteme.

UV-Desinfektion solar betrieben

Via Photovoltaik betrieben werden können auch Systeme zur Wasserreinigung/Wasserdesinfektion. Auf dem Markt sind vor allem netzunabhängige Anlagen, die Wasser mit einer Kombination aus UV-Desinfektion und Solarenergie aufarbeiten. Eine Anlage ist beispielsweise im Südwesten Amazoniens im Dorf Moarada Nova in Betrieb. 250 Ureinwohner werden so mit bis zu 400 Liter Trinkwasser pro Stunde versorgt. Herz der Anlage ist einem in einem Metallrohr befindliche, mit Solarstrom betriebene Ultraviolettlampe.

Laut Went gibt es für eine solar gestützte Wasserdesinfektion eine Vielzahl von Technologien wie Flockung, Fällung, Adsorption, Sandfilter, Mikrofiltration, Membranfiltration, Chlorung, Ozonierung, UV oder online elektrolytische Oxidation. Deren Einsatztauglichkeit hänge auch stark von dem zu behandelnden Rohwasser ab. Eine zentrale Herausforderung sei jedoch auch hier eine weitere Kostenreduktion und die Entwicklung funktionierender Geschäftsmodelle.

Ein sehr kostengünstiges Verfahren zur Wasserentkeimung für kleinere Mengen Wasser auf Haushaltsebene in sonnenreichen Ländern ist SODIS (Solar Water Disinfection), was auf einfache Weise die keimtötende Wirkung der UV-A-Strahlung im Sonnenlicht nutzt. Die WHO empfiehlt SODIS als effektive Methode zur Wasserbehandlung auf Haushaltsebene. Bei genügend langer Bestrahlung – mindestens sechs Stunden bei sonnigem Wetter - werden verbreitete Krankheitserreger wie Cholera oder Durchfallerkrankungen weitgehend abgetötet. PET Getränkeflaschen eignen sich am besten für die Anwendung von SODIS in Entwicklungsländern. Hans-Christoph Neidlein