Forschung

Zunächst einmal ist die solare Meerwasserentsalzungsanlage zu nennen. In Jülich im Solar-Institut wurde eine neue Entsalzungsanlage entwickelt, die ein Vielfaches von bisherigen Solardestillen liefern soll. Damit wurde ein Grundstein für die Vermarktung einer solchen Anlage geschaffen. Das Salzwasser wird durch immense Wärmezufuhr erwärmt und verdunstet. Der entstehende Dampf verdunstet wiederum und das Kondensat wird dann in einer Rinne aufgefangen und von dort aus in einen Sammelbehälter weitergeleitet. Der Vorgang wird in mehreren Stufen wiederholt und dadurch, dass die Kondensationswärme immer wieder genutzt wird, ist die Entsalzungsrate dieser Anlage vergleichsweise sehr hoch. Die Anlage kann mit verschiedenen Wärmequellen betrieben werden. Da nur geringe Investitionen nötig sind, kann die Anwendung auch dezentral erfolgen.

Membrandestillation

Die Membrandestillation ist ein weiteres Verfahren, bei dem eine mikroporöse Membran benutzt wird, die Wasser zurückhält, den Wasserdampf aber durchlässt. Die eine Seite der Membran ist kühler, auf der anderen Seite befindet sich warmes Salzwasser. Die Anlage wird mit Gegenstrom betrieben und nur dadurch ist es möglich, dass auf der ganzen Membran dieser Temperaturunterschied besteht. Dadurch entsteht ein Unterschied des Wasserdampfpartialdruckes und dieser bewirkt, dass die Wassermoleküle auf die kühle Seite der Membran kommen.

Als weiteres Verfahren ist die Umkehrosmose zu benennen. Hierbei wird das Salzwasser mit sehr hohem Druck durch eine semipermeable Membran gepresst, die dann wie ein Filter wirkt, durch den nur ganz bestimmte Ionen und Moleküle kommen. Der Filter hält Salze, Bakterien, Viren, Kalk und Gifte zurück. Es wird unter Wissenschaftlern überlegt, ob man den Druck am Fuß von Fallwindkraftwerken dafür nutzen kann, um mittels Umkehrosmose Trinkwasser herzustellen. Der benötigte Druck würde bei einem Fallturm von 1200 m Höhe und 400 m Durchmesser erreicht. Es gibt durchaus Landstriche in der Golfregion oder Nordafrika, wo so etwas denkbar wäre.

Mehrstufige Entspannungsverdampfung

Als Letztes wäre dann noch die mehrstufige Entspannungsverdampfung zu nennen, bei der mit Thermik gearbeitet wird. Das Meerwasser wird hier mit der Abwärme aus einem Kraftwerk auf 115 Grad erwärmt. Das heiße Salzwasser verdampft dann in verschiedenen Entspannungsstufen im Vakuum. Der Dampf schlägt sich dann als Kondensat nieder und wird als salzfreies Wasser wieder gesammelt. Das sehr stark mit Salz angereicherte Wasser wird auch Salzlake genannt. Es wird als Kühlflüssigkeit genutzt. Das Destillat, das bei der Kondensation anfällt, ist für eine direkte Benutzung als Trinkwasser zu salzarm. Es wird Kalziumhydrogenkarbonat zugesetzt, und so der Gehalt an Karbonathärte im Wasser wieder erhöht. Es gibt Entsalzungsanlagen dieser Art, z. B. in Dubai, die bis zu 500.000 Kubikmeter Trinkwasser am Tag produzieren können.

Wo wird das Wasser gewonnen?

Ein Trinkwasserschutzgebiet, das als Zone I bezeichnet wird, ist ein Gebiet, in dem ein Brunnen befindlich ist und an diesem wird direkt dann das Wasserwerk errichtet, sofern das Trinkwasser aus Grundwasser gewonnen wird. In dieser Art Wasserwerk finden sich öfters auch Grundwasseranreicherungsanlagen, die zusätzliches Wasser aus nahegelegenen Flüssen oder Bächen mit in das Grundwasser bringen. Die Anlage nennt man Uferfiltration. Es gibt auch die Variante, Wasser aus Quellen oder aus Seen oder Fließwasser zu gewinnen, auch Oberflächenwasser genannt. Bei dieser Art der Wassergewinnung wird das Wasser mit Leitungen zum Wasserwerk geleitet. Bei dieser Variante der Wasserversorgung sind im Wasserwerk Aufbereitungsanlagen notwendig, die das Wasser aufbereiten. Hier werden dann die biologische und die chemische Wasserqualität hergestellt.

In vergangenen Zeiten fiel ein Wasserwerk durch den Wasserturm auf, in dem das Trinkwasser gelagert wurde. Heutzutage wird das Wasser in Tiefbehältern gespeichert, aus denen es mit Pumpenanlagen an die Oberfläche befördert wird. Es gibt zwei verschiedene Arten von Wasserwerken, und zwar zum einen die Wasserwerke zur Trinkwasserbereitung und zum anderen die Wasserwerke zur Betriebswasserbereitung.

Historisches

Wasserwerke haben eine lang zurückliegende Geschichte. Schon ungefähr 200 Jahre v. Chr. wurden Wasserwerke von den Griechen gebaut und genutzt. Schon 800 v. Chr. wurden Aquädukte gebaut, die mit 56 Kilometer Länge schon beeindruckend waren. Bei den Assyrern wurde im 7. Jahrhundert v. Chr. ein Wassersystem gebaut, das insgesamt 80 Kilometer Leitungen umfasste und die Bevölkerung aus 18 Quellflüssen mit Wasser versorgte. Die hängenden Gärten von Babylon wurden über Pumpwerke bewässert und das war um 600 v. Chr. In diesem Pumpwerk wurde eine endlose Kette betrieben, die mit Wasser gefüllte Eimer an den oberen Rand der abwärts verlaufenden Gärten beförderte. In vielen historischen Aufzeichnungen finden sich Hinweise auf erste Wasserwerke und sie wurden mit viel Einfallsreichtum und Geschick erbaut.

Weiterentwicklung

Das erste wasserradgetriebene System, das mit Kolbenpumpen Spreewasser in einen Hochbehälter transportierte, wurde 1496 in Bautzen erbaut. Es befand sich auf dem höchstgelegenen Punkt der Stadt und versorgte von hier aus 86 Brunnen der Stadt. Im 16. Jahrhundert erfreuten sich große Mühlräder an fließenden Gewässern großer Popularität. Sie trieben Wasserpumpen an, die bis zum 250 Meter überwanden. Am Ende des 18. Jahrhunderts wurden hydraulische “Widder” eingesetzt, die für kleine Wassermengen absolut ausreichend waren. Bei dieser Technik wurde Stoßkraft genutzt, die entstand, wenn eine Leitung plötzlich verschlossen wird, durch die fließendes Wasser von oberhalb läuft. Ein Kessel, der teils mit Wasser, zum Teil auch mit Luft gefüllt war, wurde durch Ventile so angesteuert, dass hoher Druck entstand und das Wasser noch geschossen wurde. Rund um das Jahr 1600 gab es bereits in 33 deutsche Städte und in mehr als 100 Orten “Wasserkünste”, die Wasser in Brunnen und Häuser transportierten. 1848 entstand dann das erste Wasserwerk, wie wir es heute kennen, und zwar in Hamburg.

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Wo kommt Wasser vor?

Als weiteres Gebiet sollten die unterschiedlichen Formen des Oberflächenwassers genannt und behandelt werden. Da ist zum Ersten das Flusswasser zu nennen. Bei diesem ist die Verschmutzung am schlimmsten und dadurch ist es für die Gewinnung von Trinkwasser am wenigsten geeignet. Für die Herstellung von Betriebswasser ist Flusswasser ohne Weiteres zu benutzen, aber für die Trinkwassergewinnung ist es eher uninteressant. Seen, die arm an Nährstoffen sind und sehr tief und die ausreichenden Zulauf haben, kann man für die Seewassergewinnung nutzen. Bei der Seewassergewinnung hängt die Qualität des Wassers hauptsächlich davon ab, wie viele Verschmutzungen dem See durch die Zuflüsse zugeführt werden, wie die Uferbereiche beschaffen sind und wie der See genutzt wird. Durch die Sperrung von Tälern entstehen Talsperren. Die Talsperren erfüllen ganz viele verschiedene Zwecke. Zum einen eignen sie sich hervorragend als Trink- und Brauchwasserreserven. Zum anderen können Abflüsse von Flüssen ausgeglichen und reguliert werden. Die Talsperren können ebenso als Wasserspeicher für Wasserkraftanlagen genutzt werden. Die Qualität des Wassers richtet sich auch hier nach der Qualität der Zuflüsse. Als Letztes wäre dann noch das Meerwasser zu nennen. Der größte Teil der Niederschläge entsteht durch Wasser, das aus den Meeren verdunstet ist. Schon in der Antike haben die Menschen versucht, Meerwasser zu entsalzen. Die Entsalzungsanlagen, die bisher genutzt werden, sind aber noch nicht sehr effektiv einsetzbar und es ist fraglich, ob das in Zukunft effizient zu erreichen ist. Auf der Insel Malte gibt es allerdings eine Trinkwasserentsalzungsanlage. In den trockenen arabischen Emiraten sind solche Anlagen ebenfalls zu finden.

Grundwasser

Für die Trinkwassergewinnung und auch für Hauswirtschaftszwecke ist Grundwasser aus Gebieten mit Sandschichten am allerbesten geeignet. Sande und Kiese wirken wie Filter und reinigen dementsprechend das Wasser. Wenn Grundwasser lang genug in porigen und sandigen Böden Fließwege zurücklegt, dann nimmt das Wasser die Bodentemperatur an und wird im Endeffekt keimfrei. Aus diesen Gründen ist das Grundwasser für die Trinkwassergewinnung am besten geeignet. Im Untergrund in der Erde findet sich in Hohlräumen in ganz unterschiedlichen Tiefen Grundwasser. Richtig tiefes Grundwasser steht an diesen Stellen oft mehrere Tausend Jahre. Das Grundwasser und das Quellwasser können oft sauberer sein als das Oberflächenwasser und aus diesem Grunde werden diese Vorkommen lieber genutzt. Es gibt sogar Landstriche, wo die Luftfeuchtigkeit zur Wassergewinnung eingesetzt wird. In Friesland ist dies zum Beispiel in Tauchteichen möglich. In anderen Gebieten wird mit aufgestellten Netzen Kondenswasser erzeugt und gesammelt. In Chungungo in Chile werden mit einer solchen Anlage ungefähr 12.000 Liter Trinkwasser hergestellt. Gelände, wo Wasser gewonnen wird, sind Trinkwasserschutzgebiete. In diesen Bereichen sollte das Gras z. B. nur mit Biodiesel gemäht werden. Um Wasser aus dem Untergrund zu nehmen, muss man eine Genehmigung haben. Viele Arten der Wassergewinnung werden weltweit genutzt und jede hat ihre Vor- und Nachteile.
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Verfahren zur Wasseraufbereitung

Es gibt ganz verschiedene Verfahren der Wasseraufbereitung, die alle recht unterschiedlich sind. Diese Verfahren werden in der Hauptsache in vier große Gruppen eingeteilt, nämlich physikalische Verfahren, zu denen auch noch die mechanischen Aufbereitungsverfahren zählen, die chemischen Verfahren, Membranverfahren und biologische Verfahren. Verschiedene Prozesse sind für verschiedene Zwecke einsetzbar. Beim Sieben werden größere Fest- und Schwimmstoffe entfernt, bei der Sedimentation werden kleinere Schwimmstoffe, Sand und geflockte Schwebstoffe aus dem Wasser entfernt. Das Filtern ist eine sehr alltägliche Art der Wasseraufbereitung. Ebenso gibt es die Absorption, die z. B. mithilfe eines Aktivkohlefilters durchgeführt wird, die Flotation arbeitet mit dem Einblasen von Luft, wodurch dann Schmutzpartikel entfernt werden. Im Flockungsbecken werden Kolloidstoffe und feine Schmutzpartikel durch die Zugabe von Flockungsmitteln entfernt und der pH-Wert kann eingestellt werden. In Fällungsbecken oder auch bei der Fällungsfiltration werden gelöste Stoffe in ungelöste Stoffe umgewandelt und dann durch Sedimentation oder Flockung entfernt. Bei der Oxidation werden gelöste Eisen- und Manganionen entfernt. Ist das Eisen und Mangan oxidiert, so lagert es sich am Kies an und wird durch einfaches Rückspülen der Filter wieder entfernt. Aggressive Kohlensäure wird durch Entsäuerung entfernt, während Ca² und Mg² durch Enthärtung entfernt wird. Sollen Abscheidungen von Caliumkarbonat auf den Oberflächen der Rohre reduziert werden, so wird eine Entcarbonisierung angewendet. In einer Entsalzungsanlage werden Salze entfernt, z. B. für die Herstellung Trinkwasser oder zur Bewässerung. Dann gibt es zusätzlich noch die Vollentsalzung. Dieses Verfahren wird für die Herstellung von Rein- oder Reinstwasser angewendet. Ionenaustauscheranlagen mit speziellen Harzen werden für den Selektivaustausch benötigt, wo z. B. Uran und andere Schwermetalle aus dem Abwasser für das Recycling von Schwermetallen selektiert werden. Im Strippbecken werden gelöste Wasserinhaltsstoffe durch das Einblasen von Luft/Gasen entfernt. Wird Wasser durch Chlor-, Chlordioxid- oder Ozonzugabe entkeimt, so spricht man von Desinfektion. Werden dem Wasser Chemikalien zugeführt, um die Wasserbeschaffenheit gezielt zu beeinflussen, so nennt sich dieses Verfahren Dosierung. Ansonsten kennen wir auch biochemische Verfahren, bei denen biochemische Vorgänge genutzt werden, um z. B. den Nitrat-Gehalt in Rohwasser zu vermindern und zuletzt gibt es auch noch spezielle Behandlungen von Abwässern, die mit Lebewesen oder unbekannten Stoffen verschmutzt sind.

Arten von Rohwasser

In den meisten Anlagen zur Wasseraufbereitung sind aber mehrere der vorgenannten Verfahren anwendbar. Wie viele unterschiedliche Verfahren angewendet werden, hängt von der Qualität des Rohwassers ab oder von der Verwendung des Endproduktes. In Mitteleuropa unterscheiden wir zwei Arten von Rohwasser, nämlich einmal das Oberflächenwasser, das aus fließenden Gewässern, Seen oder Talsperren stammt und Grundwasser, das aus Brunnen und Tiefbrunnen stammt. Im Oberflächenwasser finden sich viele ungelöste Partikel sowie organische Verunreinigungen, die aber nur in geringer Höhe vorkommen. Bei Wasser aus Seen oder Talsperren ist der Gehalt deutlich niedriger. Grundwasser ist je nach Herkunft mehr oder weniger stark durch gelöste Eisen- und Manganverbindungen und freiem Kohlenstoffdioxid belastet. Brunnenwasser, das recht nah unter der Oberfläche war, und da wieder besonders in Bereichen, wo sumpfiges Gelände ist, kann auch höhere Verschmutzungen enthalten.
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Wasser sparen geht jeden an

Auch Urlauber die auf die Baleareninsel fliegen sollten sich Gedanken über die Wasserversorgung machen. Warum muss die Dusche laufen, wenn sich eingeseift wird? Ist es notwendig, beim Zähneputzen das Wasser laufen zu lassen? Dies alles sind Punkte, die sich lapidar anhören, aber von enormer Wichtigkeit sind. Würden alle Urlauber dies beherzigen, währe um einiges mehr Wasser vorhanden. Zwar liegt Mallorca mitten im Mittelmeer, doch ist das Salzwasser nicht als Trinkwasser zu gebrauchen. Das kostbare Grundwasser muss die gesamte Versorgung der Insel bewerkstelligen. Die Wasserversorgung ist vor allem im Sommer oft ein Problem, wenn es längere Zeit nicht geregnet hat. Dann trocknen im Landesinneren die Brunnen aus und auch die Einheimischen müssen von ihren Vorräten leben.

Tourismus ein Grund für Wassermangel

Die Wasserversorgung des Tourismus ist ein Grund für den akuten Wassermangel im Sommer. Es sind auch die vielen Liter Wasser, die zum Pflegen der Hotelanlagen notwendig sind. Die Anlagen sollen sich in üppigem Grün den Urlaubern präsentieren, diese erwarten auffällige Pflanzen, wenn sie in einem Hotel einchecken. Doch geht es bei einem Urlaub nicht um die Fauna um Hotel, sondern vielmehr um die schöne Natur der Insel selbst. Dieser Irrglaube der Touristen führt dann zu Problemen in der Wasserversorgung. Doch lebt Mallorca wie auch die anderen Urlaubsländer natürlich von genau diesem Tourismus. Ohne ihn, würde das Land nicht so wohlhabend erscheinen, wie es ist. Dies betrifft nicht nur die Baleareninsel, sondern auch einige weitere Länder.

Wassermangel im Urlaubsland

Auch in Ländern wie der Türkei oder Griechenland leiden die Menschen unter einer mangelnden Wasserversorgung im Sommer. Auch hier ist es wieder der Fall, der Tourismus merkt von diesem Mangel nur sehr wenig, denn die wenigsten Urlauber fahren in das Innere des Landes. Doch sind die Menschen hier besser daran gewöhnt und kommen mit dem Mangel in der Versorgung weitaus besser zurecht. Die Haushalte verfügen meistens über eigene Brunnen oder speichern das Wasser in der Regenzeit in den Zisternen. Wer allerdings eine Trinkwasserqualität erwartet, wie sie zum Beispiel in Deutschland Standard ist, der wird enttäuscht. Trinken sollte man als Tourist hier nur das abgefüllte Wasser aus dem Supermarkt. Dieses kommt dem deutschen Wasser nahe, das Wasser aus dem Wasserhahn sollte dann auch nicht zum Putzen der Zähne verwendet werden, außer es wurde abgekocht. Die hygienischen Bedingungen sind zum Teil mehr als mangelhaft und ein empfindlicher Magen-Darm Trakt reagiert nicht selten mit Übelkeit und Erbrechen auf das Wasser. Die Wasserversorgung geht alle Menschen etwas an, auch wenn man als Urlauber in ein fremdes Land reist. Den Bestimmungen und Vorgaben ist dann unbedingt auch Folge zu leisten.
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Wasserkraftwerke

Der größte Bereich der Wasserkraftnutzung ist die Nutzung in Wasserkraftwerken, die weltweit zur Stromgewinnung eingesetzt werden. Die nutzbare Wasserkraft hängt von vielen Faktoren, wie z. B. den Niederschlagsmengen, den topografischen Verhältnissen und auch von den geografischen Gegebenheiten ab. In weniger bevölkerten Ländern, wie z. B. in Ländern der Dritten Welt, ist es leichter die Nutzung der Wasserkraft auszubauen, als im dicht besiedelten Europa.

Arten von Wasserkraftwerken

Wasserkraftwerke werden in ganz unterschiedliche Typen eingeteilt. Die Zuordnung ist nicht immer so ganz klar und kann nach ganz verschiedenen Kriterien erfolgen. Nicht nur die Kraftwerke werden in Typen eingeteilt, sondern auch die Turbinen. Hier wird je nach Beaufschlagung, der Form des Rades, der Bauart oder der Wirkungsweise unterschieden. Es wird zwischen Gleichdruckturbinen und Überdruckturbinen unterschieden. Will man die Wasserkraft nutzen, sind dafür entscheidend die kinetische und die potenzielle Energie. Wasser, das sich über dem Meeresspiegel befindet, zeichnet sich durch potenzielle Energie aus, und zwar durch die Beschleunigung. Die Beschleunigungsenergie wird in Turbinen in mechanische Energie verwandelt und Generatoren wandeln diese dann in Strom um. Energieformen werden energiewirtschaftlich in vier Stufen eingeteilt, nämlich die Primärenergie, die Sekundärenergie, die Endenergie und die Nutzenergie. Die Wasserenergie wird eindeutig der Primärenergie zugeordnet, weil sie direkt aus natürlichen Energiequellen gewonnen wird.

Hydrologie

Es gibt sogar eine Wissenschaft, die sich mit dem Wasser beschäftigt und diese wird Hydrologie genannt. Richtet man den Blick auf die Wasserkraft, so ist der Wasserkreislauf von großer Bedeutung. Der Wasserkreislauf beschreibt die Bewegung des Wassers. Aggregatzustände sind ein Begriff und diese durchläuft das Wasser durch die Strahlungsenergie der Sonne. Dieser Kreislauf wird schon in der Grundschule unterrichtet und ist gemeinhin bekannt. Das Wasser verdunstet, steigt als Wasserdampf auf und geht dann als Regen wieder nieder und füllt so Flüsse wieder auf. Der Inhalt eines Flusses schwankt durch ganz verschiedene Faktoren, wie z. B. Jahreszeiten, Klima- oder Wettereinflüsse. Bei der Bemessung von Wasserkraftanlagen ist der Abfluss ein sehr wichtiger Faktor. Dabei sind auch Situationen zu berücksichtigen, die nicht alltäglich sind. Es sollen ja keine Schäden durch Hochwasser entstehen. Der Abfluss wird aus diesem Grunde über Jahre gemessen und beobachtet und die Werte werden statistisch festgehalten und ausgearbeitet. Einer der Statistikwerte ist die Dauerlinie, die nach den Abflusswerten geordnet ist. Um Wasserkraftanlagen mit Speicher bemessen zu können, ist die Summenlinie wichtig. Die Summenlinie ist die Summe der Werte aus der Ganglinie. Dann gibt es auch noch die Fülllinie, die den Abfluss bei Hochwasser beschreibt. Sind die Daten des Abflusses bekannt und ausgewertet, so kann man bestimmen, welcher Typ Wasserkraftwerk gebaut wird, welche Turbinen eingebaut werden und auch andere Nutzungen des Wassers, wie z. B. die Schifffahrt oder der Ausbaudurchfluss des Kraftwerks kann bestimmt werden. Es kommt darauf an, wie groß das Kraftwerk ist, danach wird der Ausbaudurchfluss so bestimmt, dass er an ca. 100 Tagen im Jahr überschritten wird. In der Quintessenz kommt es immer darauf an, das der Kosten-Nutzen-Faktor eines Kraftwerkes optimiert ist.
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