Im April 2022 wanderte ein Team von Ingenieuren in die Berge der kalifornischen Sierra Nevada, um nach Schnee zu suchen. Stattdessen fanden sie meist nackten, trockenen Schmutz und nur wenige der Schneeflecken, die dafür sorgen ein Drittel der kalifornischen Wasserversorgung.
In den kommenden Jahrzehnten werden sich Wasserknappheit und Unsicherheit in weiten Teilen der Vereinigten Staaten wahrscheinlich verschärfen. In Kalifornien wird erwartet, dass die Sierra Nevada im Laufe des nächsten Jahrhunderts erstaunliche 65 % ihrer Schneedecke verlieren wird, sagte Hariswaran (Hari) Sitaraman, ein Forscher am National Renewable Energy Laboratory. Dieser Verlust sowie politische, wirtschaftliche und andere Herausforderungen machen es für dürreanfällige Staaten wie Kalifornien unerlässlich, alternative Wasserquellen wie brackiges (oder salziges) Wasser und landwirtschaftliche Abflüsse anzuzapfen.
Und doch ist die gebräuchlichste Methode zur Aufbereitung und Wiederverwendung nicht traditioneller Wasservorräte ein Prozess namens Umkehrosmose, der sowohl teuer als auch energieintensiv sein kann.
Nun, Sitaraman und Ilenia Battiato, zwei Mitglieder der Nationale Allianz für Wasserinnovation (NAWI) Forschungskonsortium, haben Supercomputer verwendet, um Umkehrosmosesysteme als Ganzes zu untersuchen – eine Premiere sowohl für die Art als auch für den Umfang der Umkehrosmoseforschung. Mit ihrer neuen Technik entdeckte das Duo auch ein neues Systemdesign, das diese Technologien um etwa 40 % energieeffizienter – und damit kostengünstiger – machen könnte, während sie die gleiche Menge und Qualität an sauberem Trinkwasser produzieren.
„Bisher haben sich die Leute ein winziges Stück des gesamten Umkehrosmosemoduls angesehen und daraus Schlussfolgerungen gezogen“, sagte Sitaraman. „Aber wir haben uns das Ganze angeschaut.“
Die Ergebnisse werden in veröffentlicht ein neues Papier rein Trenn- und Reinigungstechnologie.
Zusammen mit Battiato, einem Assistenzprofessor für Energiewissenschaft und -technik an der Stanford University, hat Sitaraman einen Fluiddynamik-Löser entwickelt – ein numerisches Werkzeug, das analysieren kann, wie Flüssigkeiten wie Salzwasser in ein Umkehrosmosesystem fließen, durch mehrere Membranfilter fließen und kommen auf der anderen Seite sauber raus.
Mit ihrem Solver untersuchten Sitaraman und Battiato Umkehrosmosesysteme mit hoher Präzision, sodass sie alle Mängel oder Ineffizienzen aufdecken konnten. Um beispielsweise Brackwasser zu filtern, drücken Umkehrosmoseanlagen das Wasser mit hohem Druck durch mehrere Membranen, die wie ausgeklügelte Kaffeefilter Salze und andere Mineralien daran hindern, durchzutreten. Dieser Prozess reinigt das Wasser, erzeugt aber auch dünne Salzschichten auf den Membranen. Und diese Ablagerungen können sich auf den Wasserfluss auswirken und möglicherweise die Effizienz des Systems verringern.
„Diese dünne Schicht muss richtig gemessen werden, um zu verstehen, wie viel reines Wasser man aus Salzwasser gewinnt“, sagte Sitaraman. „Wenn Sie das nicht richtig erfassen, können Sie nicht verstehen, wie viel es kostet, eine Umkehrosmoseanlage zu betreiben.“
Eine effizientere Umkehrosmoseanlage ist auch kostengünstiger.
Die meisten Besitzer von Umkehrosmoseanlagen haben jedoch keinen Hochleistungscomputer, um die High-Fidelity-Simulationen von Sitaraman und Battiato zu replizieren – die so genau reale Umkehrosmosetechnologien nachahmen – um Probleme in ihren eigenen Systemen aufzudecken. Also führte Sitaraman die komplexe Arbeit durch, eine einfachere Modellgleichung zu erstellen, die den Stofftransport eines Systems vorhersagen kann, indem er abschätzte, wie viel reines Wasser aus Brackwasser herausgefiltert werden kann. Mit seinem Modell können Ingenieure nun herausfinden, wie sie die Effizienz (und Kosten) ihrer eigenen Systeme verbessern können.
„Wenn sich die Wirtschaftlichkeit verbessert“, sagte Sitaraman, „dann werden Umkehrosmosesysteme natürlich weiter verbreitet sein. Und wenn sie energieeffizienter sind, tragen sie weniger zu Treibhausgasemissionen und zum Klimawandel bei.“
Hari Sitaraman und Ilenia Battiato haben zum ersten Mal eine komplette Umkehrosmoseanlage wie die hier gezeigte mit größter Präzision analysiert. Mit ihren Simulationen identifizierte das Duo ein neues strukturelles Design, das die Energieeffizienz dieser Systeme um satte 40 % verbessern könnte. Foto von Hari Sitaraman, NREL
Das ist ein großer Gewinn, aber die Werkzeuge von Sitaraman und Battiato können weitaus mehr profitieren als die Besitzer von Umkehrosmoseanlagen. Andere Forscher können auf ihrer Arbeit aufbauen, um die Effizienz und Kosten aller Arten von Umkehrosmose-Filtrationstechnologien zu untersuchen, die über diejenigen hinausgehen, die zur Behandlung unkonventioneller Wasserquellen verwendet werden. Die Lebensmittelindustrie verwendet diese Filter, um hochkonzentrierte Fruchtsäfte, aromatischeren Käse und vieles mehr herzustellen. Aquarien brauchen sie, um schädliche Chemikalien aus ihrem Wasser zu entfernen. Und Umkehrosmose-Anlagen können sogar wertvolle Mineralien und andere Stoffe extrahieren, die zur Herstellung von billigem Dünger oder Kraftstoff verwendet werden könnten.
Ein großer Vorteil von High-Fidelity-Simulationen, sagte Battiato, ist die Möglichkeit, eine große Auswahl an Umkehrosmose-Systemkonfigurationen zu untersuchen, ohne die Zeit und das Geld zu investieren, die für den Bau und das Experimentieren mit realen Systemen erforderlich sind.
„Wir wollen, dass das System die Physik korrekt erfasst“, sagte Battiato, „aber wir sind theoretisch nicht durch die Fertigung eingeschränkt.“
Mit Simulationen kann das Team schnell viel mehr potenzielle Designs erkunden und die besten auswählen. So identifizierten Battiato und Sitaraman ihre potenziell effektivere Anordnung von Abstandshaltern (das sind Bits innerhalb des Umkehrosmosesystems, die Turbulenzen erzeugen und Kanäle offen halten, um den Wasserfluss zu unterstützen). Ihre neue Anordnung der Abstandshalter verbessert nicht nur die Energieeffizienz des Systems um 40 %, sondern produziert auch die gleiche Menge an ebenso reinem Wasser.
Obwohl die Simulationen des Duos reale Systeme genau nachbilden, sind sie immer noch theoretisch. Sitaraman hofft, dass ein anderes Forschungsteam ihr Design erstellen und bewerten wird, wie genau das reale System ihren Modellen entspricht. In der Zwischenzeit könnten ihre höher aufgelösten (oder präziseren und umfassenderen) Simulationen den Forschern dabei helfen, ungenaue Annahmen über die Funktionsweise von Umkehrosmosesystemen zu vermeiden und so zu lernen, wie die Technologien verbessert werden können.
Heutzutage verwenden die meisten Ingenieure Versuch und Irrtum, um herauszufinden, wie sie ihre Umkehrosmosesysteme verbessern können. Aber dieser Prozess ist langsam, und die Wasserknappheit kommt schnell. Mit den Simulationen von Battiato und Sitaraman könnten Ingenieure die Entwicklung effizienterer und kostengünstigerer Technologien beschleunigen, sodass das Land auf unkonventionelle Wasserquellen zugreifen kann, wenn Gemeinden – wie von Dürre betroffene Städte im Westen – diese dringend benötigen.
„Wasser ist eine knappe Ressource“, sagte Battiato. „Ich glaube nicht, dass wir uns eine grobe Optimierung noch leisten können. Wir müssen jeden Tropfen Wasser sparen, den wir können.“
Erfahren Sie mehr über die Nationale Allianz für Wasserinnovation und ihre Bemühungen, eine erschwingliche, energieeffiziente und belastbare Wasserversorgung für die Vereinigten Staaten sicherzustellen.
Die National Alliance of Water Innovation ist eine öffentlich-private Partnerschaft, die ein erstklassiges Team aus Industrie und akademischen Partnern zusammenbringt, um die entscheidenden technischen Barrieren und Forschungsarbeiten zu untersuchen, die erforderlich sind, um die Kosten und den Energieverbrauch der Entsalzung radikal zu senken. Die Allianz wird vom Lawrence Berkeley National Laboratory des US-Energieministeriums in Zusammenarbeit mit dem National Energy Technology Laboratory, dem National Renewable Energy Laboratory und dem Oak Ridge National Laboratory geleitet und vom Büro für industrielle Effizienz und Dekarbonisierung des US-Energieministeriums finanziert.
Von Caitlin McDermott-Murphy
Artikel mit freundlicher Genehmigung der National Renewable Energy Laboratory (NREL) des US-Energieministeriums (DOE).
Ausgewähltes Bild: Staatsbeamte fanden bei der Schneedeckenuntersuchung am 1. April an der Phillips-Station in der Sierra Nevada nur Spuren von Schnee. Foto von Kenneth James/Kalifornisches Ministerium für Wasserressourcen.
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