Forscher am Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums entwickeln fortschrittliche Automatisierungstechniken für Entsalzungs- und Wasseraufbereitungsanlagen, die es ihnen ermöglichen, Geld zu sparen und gleichzeitig kleinen, ausgedörrten Gemeinden ohne hochwertige Wasserversorgung erschwingliches Trinkwasser zur Verfügung zu stellen.
Der Klimawandel und die wachsende Bevölkerung belasten die Seen, Flüsse und Grundwasserleiter, die traditionell sauberes Wasser liefern. Heutzutage müssen immer mehr Städte in der Lage sein, Brack-, Salz- oder biologisch verunreinigtes Wasser auf Trinkwasserqualität aufzubereiten. Doch die Durchführung dieser komplexeren Behandlung erfordert oft teures technisches Fachwissen.
Im Rahmen des DOE-Forschungsprogramms National Alliance for Water Innovation (ORNL) arbeiten Universitäten und private Unternehmen zusammen, um vollautomatische, mehrstufige Aufbereitungssysteme zu entwickeln und zu demonstrieren, die nichttraditionelle Wasserquellen wirksam sauber und gesund zum Trinken oder zur Bewässerung machen.
NAWI wurde von ORNL und dem National Renewable Energy Laboratory mitbegründet und ist eine Forschungsinitiative, die ebenfalls darauf abzielt, diese Behandlung erschwinglich, dezentral und energieeffizient zu machen, selbst für Wasserquellen, deren Inhalt und Qualität täglich variieren.
„Die vollständige Aufbereitung und Wiederverwendung von Wasser schafft eine Kreislaufwasserwirtschaft“, sagte Kris Villez, leitender Forscher am ORNL. „Wir wollen eine nicht-traditionelle Wasserquelle wirtschaftlich konkurrenzfähig gegenüber einer traditionellen, meist reinen Wasserquelle machen, etwas, das wir ‚Pipe Parity‘ nennen.“ Diese nicht-traditionellen Quellen unterscheiden sich stark in Qualität und Verfügbarkeit. Das bedeutet, dass sie nur durch automatisierte Kontrollen Rohrparität erreichen können“, was eine kosteneffiziente Wasseraufbereitung selbst für historisch unterversorgte oder ländliche Gemeinden ohne große Steuerbasis ermöglicht.
Ein von Villez geleitetes Team entwickelt auf maschinellem Lernen basierende Software, die Entscheidungen über die besten Maßnahmen treffen kann, um eine hohe Behandlungsqualität auf effizienteste Weise aufrechtzuerhalten und dabei Energie, Geld und Wasser zu sparen. Entscheidungen können durch das tägliche Wetter, Dürrebedingungen, aktuelle Energie- und Wasserpreise, Pflanzenwartung und Veränderungen in der Zusammensetzung des unbehandelten Wassers beeinflusst werden.
Villez sagte, dass diese Art der Automatisierung der Wasseraufbereitung letztendlich nicht nur für kommunale Wassersysteme in durstigen Gebieten wie dem Colorado River Basin, sondern auch in wasserintensiven Industrieanlagen wie Lebensmittel- und Getränkeverarbeitungsbetrieben oder Versorgungsunternehmen mit wasserbasierten Kühlsystemen von entscheidender Bedeutung sein könnte.
„Das zentrale Konzept von NAWI bestand schon immer darin, die Wasserverfügbarkeit zu erhöhen“, sagte Yarom Polsky, ein NAWI-Themenbereichsleiter für Prozessinnovation und -intensivierung. „Fortschrittliche Automatisierung ist ein entscheidendes Element.“ Es ermöglicht die Optimierung der Leistung von Wasseraufbereitungssystemen mit Vorteilen wie Kostenreduzierung und effizienter Anpassung an Änderungen in der Zusammensetzung des Quellwassers.
„Für eine breite Akzeptanz ist es unerlässlich, fortschrittliche Automatisierung für kleine Wasserversorgungsunternehmen und kleine eigenständige Systeme zugänglich zu machen“, sagte Polsky, der auch Direktor der Abteilung für Fertigungswissenschaften des ORNL ist. „Kleine und mittlere Systemanbieter verfügen in der Regel über weniger Ressourcen, um technische Experten für die Implementierung erweiterter Steuerungen einzustellen.“
Das Team um Villez hat bereits ähnliche, aber kleinere automatisierte Steuerungen an einem Einzelaufbereitungssystem demonstriert, das von der Colorado School of Mines in Aurora, Colorado, errichtet wurde. Die Stadt Aurora, die Baylor University und mehrere Softwareanbieter sind ebenfalls Partner des Projekts, das Umkehrosmose nutzt, um Salz aus Wasser zu entfernen.
Derzeit verfolgen Forscher den nächsten Schritt und entwickeln Steuerungen zur anlagenweiten Optimierung. Dies wird erstmals an einer Aufbereitungslinie aus sechs Einheiten getestet, die flexibel zwischen verschiedenen Stufen und Arten der Wasseraufbereitung wechseln kann. Dies ermöglicht eine automatisierte Wahl zwischen der Nutzung aller Einheiten zur Produktion von kommunalem Trinkwasser oder der Nutzung nur einiger weniger zur Bewässerung, abhängig von Märkten, Kosten und anderen sich ändernden Bedingungen.
„Wir möchten bewusst Änderungen einführen, um zu sehen, ob unser Modell korrekt ist, damit wir auf widersprüchliche Ereignisse, unbeabsichtigte Fehler oder allmähliche Änderungen im Bakterienbehandlungsprozess reagieren können, die Sie möglicherweise nicht bemerken, wenn Sie nicht vergleichen“, sagt Villez sagte. „Wir bringen wirtschaftliche Leistung mit Resilienz in Einklang.“
In einem verwandten NAWI-Projekt bauen ORNL-Forscher außerdem einen digitalen Zwilling einer realen Entsalzungsanlage im Besitz von Orange County, Kalifornien. Dieser digitale Zwilling ist ein dynamisches Modell der Anlage, das es ermöglicht, verschiedene Designs und Steuerungen in einem virtuellen Labor zu testen, ohne dass dies Auswirkungen auf die Kunden hat. Letztendlich wird der digitale Zwilling eine Reaktion in Echtzeit auf Änderungen der Strompreise ermöglichen und so die Wasserproduktion zu Zeiten vermeiden, in denen Energie am teuersten ist.
Polsky weist darauf hin, dass die Wasseraufbereitung sowohl ein energieintensiver Prozess als auch eine Energienotwendigkeit ist. Sauberes Wasser heizt und kühlt heutige Kraftwerke und Industrieprozesse. „Während wir unsere Energiewende vorantreiben, wird die Wasseraufbereitung wahrscheinlich auch für zukünftige Energieanwendungen von entscheidender Bedeutung sein“, wie etwa die Produktion von grünem Wasserstoff für die Industrie, den Transport oder die langfristige Energiespeicherung, sagte er.
Weitere Forscher, die zu diesen Projekten zur Automatisierung der Wasseraufbereitung beigetragen haben, sind Alexander Melin und Sally Ghanem vom ORNL sowie der ehemalige ORNL-Postdoktorand Dhrubajit Chowdhury. Die Finanzierung erfolgte durch NAWI und das Advanced Materials and Manufacturing Technologies Office des DOE.
UT-Battelle verwaltet ORNL für das Office of Science des Energieministeriums, den größten Einzelförderer der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften in den Vereinigten Staaten. Das Office of Science arbeitet an der Bewältigung einiger der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit. Weitere Informationen finden Sie unter energy.gov/science.
Neu veröffentlicht von ORNL, US-Energieministerium.
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