Die Vorbehandlung von Rohwasser zur Umkehrosmose Teil 4: Eine Kostenbetrachtung K. Gebhard, K. Nikolaus, S. Ripperger*

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1 Die Vorbehandlung von Rohwasser zur Umkehrosmose Teil 4: Eine Kostenbetrachtung K. Gebhard, K. Nikolaus, S. Ripperger* Die Umkehrosmose ist heute das bevorzugte Verfahren zur Trinkwasser gewin nung aus Brack- und Meerwasser. In vielen Ländern der Erde werden solche Anlagen betrieben und ihre Zahl wird weiter steigen. Im ersten Teil dieser Serie /1/ wurden störende Substanzen in den Rohwässern zur Umkehrosmose und ihre negative Wirkung näher beschrieben. Es wurde dargestellt, dass eine Aufarbeitung der Zulaufs (ein Pretreatment) von entscheidender Bedeutung für den wirtschaftlichen Betrieb einer Umkehrosmoseanlage ist. Verschiedene Systeme zur Wasser ent nahme wurden im Teil 2 /2/ und Ver fahrensstufen zur Wasservor be hand lung wurden im Teil 3 /3/ vorgestellt. Im folgenden und letzten Beitrag der Serie werden die Kosten zur Wasservorbehandlung behandelt. Dabei wird besonders der Kostenvergleich zwischen dem konventionellen Pretreatment und der Vorbe hand lung durch eine Mikro- bzw. Ultrafiltration vorgenommen. Auch der Anteil der Vorbehandlungskosten an den gesamten Kosten zur Trinkwasserbereitung durch eine Umkehrosmose wird dargestellt. * Dipl.-Wirtsch.-Ing. Katrin Gebhard Dipl.-Ing. Kai Nikolaus Prof. Dr.-Ing. Siegfried Ripperger Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik TU Kaiserslautern Tel.: Einleitung Im Teil 1 der Beitragsserie /1/ wurden die störenden Wasserinhaltsstoffe im Zulauf einer Umkehrosmoseanlage behandelt. Es wurde dargestellt, dass sie ein Scaling oder Fouling verursachen können und den Betrieb und die Wirtschaftlichkeit einer Anlage entscheidend beeinflussen. Die daraus sich ergebenden typischen Anforderungen, die an die Aufarbeitung des Rohwassers gestellt werden, wurden im Teil 2 /2/ behandelt. Dabei wurde auch erwähnt, dass die Anforderungen vom Membranmaterial und der Modul kon - struktion beeinflusst werden. Trotz einer Filtration des Rohwassers in natürlichen Kompetenz in Fest-Flüssigtrennung Filterpressen Membranpressen Beschickungspumpen Schlammentwässerung Produktfiltration Filtertücher Hauptstraße Blasweiler Tel.: Fax: info@filox.de F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 26 (2012) Nr

2 /m 3 ermittelt. Dabei werden die im betrachteten Zeitraum anfallenden Kosten auf das im gleichen Zeitraum produzierte Permeat umgelegt. Maßgebliche Größen dabei sind der Permeat - volumenstrom sowie die Betriebsstunden der Anlage im betrachten Zeitraum bzw. ihr Aus lastungs grad. Die jährlichen Gesamtkosten K ges ergeben sich aus dem Kapitaldienst K KD als eine Folge der Investitionskosten K I und den Betriebskosten K B : Abb. 1: Kostenanteile einer üblichen Umkehrosmose Bodenschichten oder künstlichen Sand betten bei der Wasserentnahme, die ebenfalls in Teil 2 dargestellt wurde, ist eine weitere Aufarbeitung meist notwendig. Dabei müssen standortspezifische Ge ge ben heiten, die insbesondere die Rohwasser - inhaltsstoffe betreffen, berücksichtigt werden. Die darauf abgestimmten Verfahren der Rohwasser vorbe handlung, beeinflussen wiederum auch die Membranauswahl und die geplanten Maßnahmen zur Mem branreinigung. Ziel der Vorbehand lung bzw. des Pretreatments ist, das Rohwasser derart in die Stufe der Umkehrosmose zu leiten, dass die Anlage entsprechend der Planung wirtschaftlich betrieben werden kann. Um diese Ziele zu erreichen stehen unterschiedliche Verfahren zur Roh was ser reinigung und/oder Konditionierung zur Verfügung, die im Teil 3 /3/ behandelt wurden. Dabei wurde zwischen vorwiegend physikalisch und vorwiegend chemisch wirkenden Behandlungsmethoden unterschieden. Die eigentliche Vorbehand - lung ist ein komplexer Prozess, der meist mehrere Aufberei - tungsschritte umfasst. Dieser Prozess verursacht Kosten, die im Folgenden näher betrachtet werden. Dabei wird besonders der Kostenvergleich zwischen dem konventionellen Pretreatment und der Vorbehandlung durch eine Mikro- bzw. Ultrafiltration vorgenommen. Auch der Anteil der Vorbehandlungskosten an den ge - samten Kosten zur Trinkwasser bereitung durch eine Umkehros - mose wird dargestellt. Bei der Wirtschaftlich keits rechnung handelt es sich um Analysen zukünftig zu erwartender Aufwendungen (Kosten) und Erträge in einem bestimmten Zeitraum (meist ein Jahr). Im Folgenden werden nur die Aufwendungen und damit die Kosten zur Gewinnung von Wassers in Trinkwasserqualität näher betrachtet. 2. Die Gesamtkosten der Wasserauf bereitung durch Umkehrosmose Um Alternativen der Vorbehandlung des Rohwassers miteinander vergleichen zu können, reicht es nicht aus, lediglich die anfallenden Kosten der Vorbehandlung zu betrachten. Da die Vorbehandlung auch den nachfolgenden Prozess beeinflusst, soll zunächst aufgezeigt werden, wie sich die Kosten des gesamten Entsalzungs ver fahrens bei verschiedenen Pretreatment-Varianten zusammensetzen. Semiat /4/ schlüsselt die prozentualen Anteile der Wasser - gestehungskosten einer typischen Anlage (konventionelle Vor be - handlung, Energierückgewinnung) nach den Faktoren Investi - tionen, Energie, Per so nalaufwand, Chemikalien, Instand hal tung und Membranersatz auf. Die einzelnen Anteile können der Abb. 1 entnommen werden. Im Folgenden wird die Kostenvergleichsmethode angewendet, d. h. Ge samt kosten werden für einzelne Verfahrens- bzw. Anlagenvarianten und für einen bestimmten Zeitraum ermittelt (meist ein Jahr) und miteinander verglichen. Meist werden aus den Gesamtkosten auch die spezifischen Wassergestehungskosten k in (1) Zur Bestimmung des Kapitaldienstes K KD wird die Investitionssumme berechnet und der Abschreibungszeitraum der An lage festgelegt. Die Abschreibung berücksichtigt die Wertminderung der Anlage bzw. die schrittweise Rückführung des investierten Kapitals. Meist legt man eine lineare Abschreibung zugrunde, bei der über dem Abschreibungszeitraum von gleich - mäßigen Abschreibungsbeträgen aus gegangen wird. Ein Restwert (Schrot ter lös) der Anlage am Ende der Lebens dauer wird meist vernachlässigt. Aus dem Abschreibungszeitraum und dem berükksichtigten Zinssatz berechnet man den Annuitätsfaktor (Tilgungsfaktor) a, der in Verbindung mit der Investitions summe den Geldbetrag bestimmt, der zur Tilgung des Anlagekapitals K I und für dessen Verzinsung jährlich aufgebracht werden muss. Ist der jährliche Tilgungsbetrag konstant und der Zinssatz z während des Abschreibungszeitraums n fest, so ergibt sich die Annuität aufgrund der Investition zu:. (2) Die Summe der Annuitäten ergibt das über die Laufzeit einer Abschreibung oder eines Kredits (n Jahre) verzinste Kapital. Bei kommunalen Anlagen werden erfahrungsgemäß eine Laufzeit von ca. 20 bis 30 Jahren und ein Zinsfuß in der Spanne von 3 bis 8 % als angemessen empfunden. Im Folgenden werden die Investitions - kosten näher betrachtet. 2.1 Investitionskosten Investitionskosten K I, die in dem Zeitraum der Konzep tions - phase bis zur Inbetriebnahme anfallen, bestehen sowohl aus direkten K ID als auch aus indirekten Kosten K IID.. (3) Erste umfassen den Bauaufwand und damit die Errichtung des Meerwasserentnahme-Systems, der Vorbehandlungsanlagen, der Pumpen und Rohre, der RO-Mem branen und Druckbehälter, des Ener gierückgewinnungssystems, der Ein rich tungen zum Posttreat - ment und des Entsorgungssystems für das Konzentrat. Die direkten Kosten decken weiterhin Hilfsgeräte zur Montage sowie den Grund und Boden und die Gebäude ab. Im Folgenden werden diese Kosten in die Kostenblöcke Membrankosten K M, An lagenkosten K A, Gebäude und Neben kosten K GN und Montagekosten K Mo zusammengefasst.. (4) Unter die indirekten Kosten fallen Fracht, Versicherungen, indirekte Kon struktions kosten und ein Faktor für unerwartete Kostenaspekte. Sie werden häufig als Prozentsatz der direkten In - vesti tionskosten ausgedrückt. Da sich die Investitionen während der Durchführung des Projektes nicht verändern, werden sie als Fixkosten behandelt. Die Investitionskosten K I werden we sent lich von der Größe der Anlage, ausgedrückt mit dem Permeatvolumenstrom, und der Wahl des Standortes bestimmt. Daher sollen diese beiden Parameter näher betrachtet werden. 332 F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 26 (2012) Nr. 5

3 Der Permeatvolumenstrom beeinflusst direkt die Mem bran kosten K M. Diese steigen nahezu proportional mit der Mem - branfläche an. Sie beinhalten die Kosten für die auszutauschenden Membran ein - heiten. Teile der Membranmodule, die über die Nutzungs dauer der Anlage nicht ausgetauscht werden (z. B. Anschlüsse, Druckgehäuse) werden zweckmäßigerweise den Anlagen kosten K A zugerechnet. Die Anlagenkosten K A können aufgrund von Planungs unterlagen sowie vorliegenden Angeboten ermittelt werden. Die Kosten einer Anlage können auch auf der Kostenbasis von bereits errichteten An - lagen abgeschätzt werden. Hierbei ist darauf zu achten, dass der Verarbeitungs- und Ausrüstungs standard sowie die verwendeten Werk stoffe der zu vergleichenden Anlagen übereinstimmt. Zunächst müssen die Preisdaten aus früheren Jahren mit Hilfe von Preisindizes korrigiert werden. Da die Größe der Vergleichsanlage meist nicht mit dem Schätzobjekt übereinstimmt, ist auch hierzu eine Umrechnung notwendig. Im Fall von Membrananlagen bietet es sich an, die Membranfläche oder die Anzahl der Membranmodule zur Kenn zeichnung der Anlagengröße zu wählen. Entsprechend den Erfahrungen steigt der Preis unterproportional mit der Mem - bran fläche bzw. der Membran modul - anzahl an. Die Abhängigkeit der Anlagen - kosten von der Membranfläche kann für einen bestimmten Ausführungs standard wie folgt erfasst werden: (5) K B Kosten einer errichteten Anlage mit gleichem Ausrüstungs- und Verarbeitungsstandard (Bezugsanlage) A B Membranfläche der Bezugsanlage A A Membranfläche der zu errichtenden Anlage m Degressionsexponent K B ist vom verarbeiteten Werkstoff, den verwendeten Membranmodulen und vom Ausführungsstandard abhängig. Es muss geprüft werden, ob diese Ausführung auch für die neu zu errichtende Anlage zutrifft. Für den Degressionsexponenten m werden für verschiedene Apparatetypen in der Literatur Werte veröffentlicht. Für An la - gen mit einem hohen Anteil an Apparaten (z. B. Behälter, Kolonnen) liegt er zwischen 0,6 und 0,7. Für Anlagen mit einem hohen Anteil an Rohrleitungen werden oft Werte über 0,75 angegeben. Die Anlagen - kosten von Membrananlagen können häufig mit einem Wert von 0,8 abgeschätzt werden. RAUTENBACH /5/ konnte die Investitionskosten von Umkehrosmose - anlagen zur Trinkwassergewinnung mit Kapazitäten von 20 bis m 3 /d mit Exponenten im Bereich von 0,8 bis 0,85 recht gut beschreiben. Der Trend hin zu großen Anlagen hat entscheidend zur Reduzierung der Trink - wasser-gestehungskosten bei der Um - kehr osmose beigetragen. Ermöglicht wur - de die Entwicklung durch die Ver fügbarkeit serienmäßig produzierter großer Hochdruckpumpen, leistungsstarker Ener - gie rückgewinnungssysteme, großer Mem - bran einheiten und Zusatzausrüstungen. Die Gebäude- und Nebenkosten K GN sowie die Montagekosten K Mo müssen aufgrund der jeweils vorliegenden Ge geben - heiten abgeschätzt werden. Allge meine Aussagen können mit sehr großen Fehlern behaftet sein. Je nach Ausführung und Anwendung variieren die Investitionskosten in einem weiten Bereich. Sie werden neben der Anlagengröße auch von der Material - auswahl, der Instrumentierung und Auto - matisierung sowie der Wahl des Standortes Premium Metalldrahtgewebe aus der Schweiz Entwicklung Produktion Verarbeitung G. BOPP + CO. AG Bachmannweg 21. CH-8046 Zürich T info@bopp.ch Klassieren Sieben Trennen Siebdrucken Belüften Separieren Fördern Spalten Purifizieren Trocknen Schützen Abschirmen THE ART OF SWISS PRECISION F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 26 (2012) Nr

4 Abb. 2: Berechneter spezifischer Energiebedarf bei unterschiedlichen Ausbeuten (nach /8/) beeinflusst. Die notwendige Infrastruktur zum Bau der Umkehrosmoseanlage, zur Wasserentnahme, zur Entsorgung des Konzentrats und zur Belieferung der Nutzer muss berücksichtigt werden /6/. Ob die Errichtung der Anlage an einem speziellen Standort sinnvoll ist, hängt u. a. von folgenden Faktoren ab: - dem Grundstückspreis, - der geotechnischen Eignung (wie im Teil 2 /2/ behandelt), - den architektonischen Einschränkungen und den Umweltauflagen, - den benötigten Genehmigungen und den Anforderungen der öffentlichen Verwal - tung, - der Verfügbarkeit an Energie und - dem Zugang zum Meer oder einem anderen öffentlichen Gewässer. Der letzte Faktor bestimmt auch die Qualität des Feeds. Auch die Lohnkosten und der Energiepreis sind vom Standort abhängig, obwohl diese Faktoren primär die Betriebskosten beeinflussen. Schließlich ist bei der Anlagenkon zep - tion auch der Gesichtspunkt der Anlagen - verfügbarkeit zu beachten. Bei den Kosten abschätzungen wird in der Regel angenommen, dass eine Anlage in der geplanten Betriebszeit störungsfrei arbeitet, was mit absoluter Sicherheit in der Praxis nicht gewährleistet werden kann. Solange die Verfügbarkeit kein kritisches Kriterium ist, ist dieses Ausfallrisiko in den pauschalen Wartungskosten enthalten. Ist jedoch ein Ausfall der Anlage mit hohen Folgekosten verbunden, z. B. verursacht durch eine Produktions unter bre - chung, so wird man die Verfügbarkeit durch eine gezielte Überdimensionierung (evtl. auch in Form von Standby Modul - blöcken) und eine Parallelschaltung von Anlagen sicherstellen, wodurch ebenfalls die Investitionskosten beeinflusst werden. 2.2 Betriebs- und Wartungskosten Sämtliche Ausgaben die nach der Inbetriebnahme der Anlage anfallen, sind Teil der Betriebs- und Wartungskosten. Als variable Kosten verändern sich die Aus - gaben für elektrische Energie und Chemikalien mit der Marktentwicklung und dem Bedarf /7/. Sie sind direkt abhängig von dem zu entsalzenden Wasser - volumen. Auch wenn sich die Höhe der Löhne für angestelltes Personal sich mit der Zeit ändert, sind diese Kosten nicht direkt abhängig von der Feedmenge. Daher handelt es sich hierbei um einen fixen Anteil. Wenn von einem Wechsel der Membran nach festen Zeitintervallen ausgegangen wird, werden auch diese Kosten als Fixkosten betrachtet. Es wird angenommen, dass die Degradierung mit der ersten Benetzung beginnt. Die Wartungs- und Instandhaltungs - kosten werden in der Regel als Prozentsatz der jährlichen Investitionen angegeben. Zur Berechnung der jährlichen Be - triebskosten K B werden somit (auch in Anlehnung an Abbildung 1) folgende Anteile berücksichtigt: t P k E K M n M K R K W. (6) jährliche Betriebsstunden Leistungsbedarf (kw) (z. B. für Pumpen) Preis für Elektroenergie (EUR/kWh) Membranersatzkosten Standzeit der Membran in Jahren Kosten für die Membranreinigung Kosten für die Wartung und Instandhaltung Energiekosten Wie in Gl. 6 aufgeführt, ergeben sich die jährlichen Energiekosten aus der benötigen Leistung zum Betrieb der Anlage, den jährlichen Betriebsstunden sowie dem Energiepreis. Der Energiepreis ist standortspezifisch und variiert über einen weiten Bereich. Die zum Betrieb der Anlage notwendige Leistung wird wesentlich von den Hochdruckpumpen, die vor der ersten Umkehrosmose-Stufe eingesetzt werden, bestimmt. Ihr Verbrauch hängt wesentlich von dem Salzgehalt des Feeds und der gewählten Wasserausbeute ab. Der Quo - tient aus dem Leistungsbedarf und dem Abb. 3: Anteile einzelner Prozessstufen am Gesamt-Energiebedarf einer Umkehrosmoseanlage ohne Energierückgewinnung Permatvolumenstrom ergibt den spezifischen Energiebedarf w. Nikolaus et al. /8/ haben für den Falle einer einstufigen Anlage zur Gewinnung von Trinkwasser aus Meerwasser den spezifischen Energie - bedarf auf Basis der Antriebsleistung P der Hochdruckpumpe in Abhängigkeit von der Wasserausbeute berechnet. Dabei wurde ein Wirkungsgrad η P der Pumpe von 0,8, ein Salzgehalt im Feed von c NaCl = 35 g/l und eine Rückhaltung der Membran von näherungsweise R 1 berücksichtigt. Bei einer steigenden Ausbeute sinkt zunächst der spezifische Energiebedarf w infolge der steigenden Bezugsgröße dem Permeatstrom ab, gleichzeitig steigt jedoch infolge der höheren Salzkonzen - tration der notwendige Betriebsdruck an, was ab einem bestimmten Wert einen Anstieg des spezifischen Energiebedarf zur Folge hat. Das Diagramm in Ab bil - dung 2 zeigt, dass die optimale Ausbeute hinsichtlich der Energieaus nutzung einer Umkehrosmoseanlage entsprechend bei etwa 50 % liegt. Des Weiteren muss beachtet werden, dass bei einer Erhöhung der Ausbeute, bei gleichbleibendem Permeat-Output, weniger Feed benötigt wird. Folglich kann das Wasserentnahmesystem und die Vorauf - bereitung für einen geringeren Durchsatz ausgelegt werden, was sich positiv auf die Investitionskosten und die Betriebskosten des Pretreatments auswirkt. Beachtet man die positiven Faktoren zusätzlich zum Energiebedarf, so verschiebt sich die optimale Ausbeute bei einer Anlage ohne Energierückgewinnung in Bezug auf die Gestehungskosten auf einen Wert zwischen 55 % und 60 %, je nach Salzgehalt des Feeds. Ein Großteil der aufgewendeten Ener - gie kann zurück gewonnen werden. So kann z. B. die im Konzentrat enthaltene Druckenergie über eine Turbine entspannt werden. Alternativ sind inzwischen auch Pumpe-Turbine-Kombinationen (Hydraulic turbo charger) verfügbar. Eine neue Generation von Energierückgewinnungs - an lagen überträgt den Druck aus dem 334 F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 26 (2012) Nr. 5

5 Konzentratstrom mittels Kolben direkt auf den Feedstrom /9/. Berücksichtigt man die auf diese Weise übertragene Energie des Konzentratstroms auf den Feedstrom unter Berücksichtigung eines Wirkungsgrades des Systems zur Energierückgewinnung η ER = 0,9, so erhält man den zweiten Kur - venverlauf in Abb. 2. Der Kurvenverlauf lässt erkennen, warum im Fall einer Energierückgewinnung es aus energetischer Sicht angebracht ist, dass eine Meerwasseranlagen bei Ausbeuten zwischen φ = 30 % und φ = 50 % betrieben wird. Dabei muss jedoch auch beachtet werden, dass die erreichbare Ener gie - einsparung auch mit Investitionskosten für eine Energierückgewinnungsanlage verbunden ist und, dass mit steigender Aus - beute der Konzentratstrom weniger Ener - gie zur Rückgewinnung enthält. Bei der üblich angestrebten Ausbeute von 0,5 kann mit einem System zur Energie - rückgewinnung der Energiebedarf zur Trinkwassergewinnung um ca. 30 % reduziert werden. Durch eine Kosten-Nutzen- Analyse muss im Einzelfall entschieden werden, ob sich die Investition lohnt. Abb. 2 gilt für einen Salzgehalt im Feed von c NaCl = 35 g/l. Bei einer Erhöhung bzw. Erniedrigung des Salzgehaltes verschieben sich die Kurvenverläufe etwas nach oben bzw. nach unten. Abb. 3 verdeutlicht, dass auch bei einer zweistufigen Umkehros mo - se ohne Energierück gewin nung, der Betrieb der Hochdruckpumpe den weitaus größten Teil des Energie bedarfs erfordert (nach /10/) Membranersatzkosten Die Membranersatzkosten KM können, je nach Konstruktion der Mem bran mo - dule, sehr verschieden sein. Zur Um - kehrosmose werden meist Wickelmodule eingesetzt, die in einem Druckgehäuse eingebaut sind, so dass nur die Mem bran - wickel mit den zugehörigen Dichtungen ausgetauscht werden. Der Austausch ist arbeitsaufwendig, dafür sind die spezifischen Membrankosten für die auszutauschenden Einheiten geringer als die Gesamtkosten eines Moduls. Zur Be - rechnung der jährlichen Membraner satz - kosten K M muss der Preis der Austausch - einheiten bekannt sein. Außerdem sind Annahmen über die zu erwartende Lebensdauer notwendig. Je nach Mem - bran typ und Anwendung werden Mem - bran standzeiten zwischen drei und fünf Jahren erreicht. Anhaltswerte hierzu liefern Erfahrungen mit bekannten Mem - bran anwendungen bei vergleichbaren Betriebsbedingungen. Bei sehr vorsichtigen Schätzungen wird in Ermangelung genauer Zahlen bei der Membran - nutzungs dauer häufig von dem Gewähr - leistungszeitraum des Membranlieferanten ausgegangen. Mit einer gewissen Sicher - heit können die Parameter Ent sal zungs - volumen, Umsatzrate und Trans mem - branfluss bestimmt werden. Der Nutzungs zeitraum ist dennoch schwierig abzuschätzen, da einige spezifische Faktoren des Standorts im Vorhinein nicht ermittelt werden können. Eine Beurteilung kann nur mit viel Betriebserfahrung erfolgen /11/. Die durchschnittliche Standzeit der Membranen stieg jedoch von weniger als drei auf über fünf Jahre an. Somit sind die Membranaustauschkosten heutzutage weniger bedeutend als noch vor wenigen Jahren /12/. Zusätzlich diesem Fortschritt sind die Preise für die spezifischen Membrankosten gesunken, bei gleichzeitig ansteigender Permeabilität und verbessertem Salzrückhalt. Nach /13/ vielen die inflationskorrigierten Membrankosten um den Faktor 4 zwischen 1975 und 1990 und um weitere 75 % zwischen 1990 und Die verbesserte Leistungsfähigkeit wirkt sich auch positiv auf die Energiekosten aus, da die Anlage mit einem etwas geringerem Druck betrieben werden kann. Nach /14/ konnten seit 1996 der benötigte Druck um 2,5 bis 4,5 bar auf der Hochdruckseite reduziert werden. Zudem kann bei gleichbleibendem Per - meat volumenstrom die Anzahl an Mem - branmodulen um 17 % bis 30 % verringert werden, was sich positiv auf die Inve sti - tionskosten auswirkt. Es wird erwartet, dass eine weitere Reduktion der Betriebs - kosten durch neue Membranen erreicht werden kann. Man erhofft sich von ihnen, dass sie weniger anfällig für ein Bio - fouling sind. Dadurch werden weniger Reinigungen benötigt und die Stillstand - zeit der Anlage wird verkürzt. Auch Fortschritte im beim Pretreatment sowie eine umfassende Betriebserfahrung tragen zu längeren Standzeiten und selteneren Reinigungen bei /10/ Kosten für Chemikalien Dass zur Aufbereitung des Rohwassers je nach Verfahren Oxidations-, Koagula - tions-, Flockungs-, Antibelagmittel und/ oder Säure eingesetzt werden, wurde im Teil 3 /3/ ausgeführt. Darüber hinaus kommen weitere Chemikalien für das Posttreatment zum Einsatz. Das entsalzte Wasser der Umkehrosmose genügt im Normalfall nicht den Anforderungen, die an ein Trinkwasser gestellt werden. Aus diesem Grund wird z. B. Natriumhydroxid zudosiert, um den ph-wert zu erhöhen die RICHTIGE Wahl TORAY Integrierte Membranverfahren Membranen bester Qualität mit fachlicher Beratung durch unsere Experten Höchste Qualität TORAY produziert Membranen unter Verwendung neuester Technologien und Materialen nach ISO9001 und Komplette Produktpallete TORAY entwickelt und produziert Membranprodukte für sämtliche Anwendungen ngen der Wasser und Abwasserbehandlung dere für RO, NF, UF und insbeson- MBR. Weltweite Lieferung mit lokaler fachlicher Beratung TORAY verkauft Membranprodukte weltweit und offeriert dabei regionale fachliche Beratung durch Experten. Headquarters Switzerland Toray Membrane Europe AG Tel info@toraywater.com Weitere Informationen finden Sie unter RO NF UF MBR F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 26 (2012) Nr

6 Tabelle 1: Vergleich der Kosten des konventionellen und des Membran- Preteatments (nach /15/); Annahmen: konventionelles Pretreatment beinhaltet Flotation und Filtration oder Flockung, Sedimentation und Filtration; Standzeit der UF- Membran: 8 Jahre und/oder Kalk, um die Wasserhärte anzupassen. Darüber hinaus werden Chemika lien zur Reinigung der Membranen verwendet. Zur Entfernung von mine rali schem Scaling werden saure Lösungen; gegen Biofouling eher basische Lösungen eingesetzt. Auch Detergentien werden gelegentlich genutzt /11/. Vouchtov et al. /10/ schlüsseln die Betriebs- und Instandhaltungskosten einer Anlage in Spanien für das Jahr 2004 auf und unterscheiden dabei Chemikalien und chemische Reinigungen. Auf den erstgenannten Faktor entfallen 4 bis 7,5 %, auf den letztgenannten 0,2 bis 0,3 % der Gesamtkosten. Um die Kosten berechnen zu können, müssen die konkreten Chemikalien zusammen mit den eingesetzten Mengen und dem jeweiligen Preis bekannt sein. Sie sind von den gewählten Vorreinigungsverfahren und der Qualität des Feeds abhängig Wartung und Instandhaltung Üblicherweise wird mit einer sehr hohen Verfügbarkeit der Anlage gerechnet. Der Auslastungsgrad beträgt in der Regel 90 bis 95 %. Stillstandzeiten fallen einerseits zur Membranreinigung und andererseits zur Wartung und Instandhaltung an. Das Vorhandensein von Ersatzteilen oder Duplikaten der wichtigsten Elemente reduziert zwar die Dauer der Ausfälle, erhöht allerdings gleichzeitig die benötigten Investitionen. Werden die Kosten vor dem eigentlichen Betrieb abgeschätzt, so werden jährlich für Ersatzteile 1 bis 2 % der Fixkosten (ohne Berücksichtigung der Ausgaben für den Membranersatz, die bei großen Anlagen etwa 15 bis 20 % der Investitionskosten ausmachen) veranschlagt /6/ Kosten für Arbeitskräfte Ein zuverlässiger Betrieb einer Um kehrosmoseanlage ist auch von der Erfahrung, den Fähigkeiten und der Ausbildung des Personals abhängig /6/. Die Zahl der benötigten Arbeitskräfte wird durch die Größe und Komplexität der Anlage bestimmt. Der Eigentümer entscheidet, ob während des Betriebes An gestellte anwesend sein müssen, oder ob die Anlage auch unbeaufsichtigt betrieben werden kann. Außerdem werden die Kosten von der Höhe der lokalen Stunden löhne bestimmt. Aufgrund des weitgehend automatischen Betriebs der Anlagen macht der Kostenfaktor nur einen geringen Anteil an den Wassergestehungskosten aus. 3. Kosten des Pretreatments Der Großteil der Autoren schlüsselt die Kosten auch des Pretreatments nach den verschiedenen Kostenarten und nicht nach den einzelnen Prozessschritten auf. Gene rell ist es schwierig die Kosten der Wasser vorbehandlung vom eigentlichen Prozess der Entsalzung zu trennen, da sie sich gegenseitig beeinflussen. Außerdem werden z. B. Investitions-, Energie- und In stand - haltungskosten oft nur für den Gesamtprozess erfasst. Knops und Phay /15/ haben sich gezielt mit der Roh - wasseraufbereitung befasst und die Kosten einer konventionellen Vorbehandlung mit der einer Ultrafiltra tion verglichen. Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung (im Jahre 2008) herrschte die Meinung, dass die zum Pretreatment verwendeten Mem - branverfahren die Kosten des Gesamtprozesses erhöhen. Knops und Phay kamen jedoch im Rahmen ihrer Analyse zu dem Ergebnis, dass die Ultrafiltration auch ökonomisch eine attraktive Alternative zur konventionellen Aufbereitung dargestellt. Sie ermittelten für ein Pretreatment mittels Ultrafiltration spezifische Kosten von 0,12 bis 0,16 $/m 3 ; für die konventionelle Vorbehandlung (Flockung; Entspannungs flotation oder Sedimen - tation; Filtration) hingegen 0,14 bis 0,16 $/m 3. Einzelne Teilergebnisse ihrer Analyse sind in Tabelle 1 dargestellt. Allgemein verstärkte sich nach ca die Auffassung, dass die Gesamtkosten durch den Einsatz der Ultra- oder Mikro filtra - tion gesenkt werden können. Wichtig dabei ist, dass man nicht nur das Pretreatment betrachtet, sondern auch die Auswirkungen des Pretreatments auf den Gesamtprozess berücksichtigt. Côté, et al. /16/ verglichen zwei Anlagen mit einer Kapazität von m 3 /d, von denen eine mit einer konventionellen Rohwasser auf bereitung und eine mit einer Ultrafiltration ausgerüstet waren. Für erste Anlage ergaben sich spezifische Pretreatment-Kosten von 0,122 $/m 3, für letzte leicht höhere Kosten von 0,132 $/m 3. In ihrer Ab - handlung erläutern sie jedoch, dass die Voraufbereitung mittels Ultrafiltration das Potential hat, die spezifischen Gesamt kosten zu senken. Sie begründen diese Aussage durch einen höheren Trans - membranfluss, eine gesteigerte Ausbeute und eine verlängerte Standzeit der RO-Membranen. Die Einsparungen, die sich in der RO-Stufe dadurch ergeben, können die höheren Investitionskosten der Ultrafiltra tion ausgleichen. Tabelle 2 zeigt die verschiedenen Kostenfaktoren sowohl des Pretreatments als auch der Umkehrosmose auf und verdeutlicht die Veränderungen durch eine Membran vorbehandlung. Wie sich die einzelnen Verfahren auf die Höhe einzelner Kasten arten auswirken, ist in Tabelle 3 anhand einer Analyse von Drioli et al. /17/ dargestellt. Darin wird auch der Einfluss der Reinigungshäufigkeit der RO-Membranen auf die Gesamtkosten dargestellt, welche durch eine vorgeschaltete UF- Membran verringert werden kann. Die spezifischen Wasseraufbereitungs kosten beim Pretreatment sind nach vielen, teils unveröffentlichten Berichten, in den vergangenen 10 Jahren weiter gefallen. So können nach Schätzungen zufolge sowohl beim konventionellen Preatreat ment als auch bei einem Preatreatment mittels Ultrafiltration spezifische Wasser auf - bereitungskosten von 0,10 $/m 3 unterschritten werden. Nikolaus et al /25/ be rechnet z. B. für ein Preatretment mittels Ultrafiltration spezifische Wasserauf berei tungs kosten im Bereich von 0,06 bis 0,07 /m 3, je nach Ausbeute der Um kehros moseanlage. Folgende Entwick lungen haben zu dieser Reduktion der Kosten in den letzten Jahren beigetragen: - Verbesserungen in der Ausgestaltung der Verfahren und der zugehörigen Anlagen, - Weiterentwicklung der Membranen und der zugehörigen Herstellungsverfahren, die zu geringen Kosten pro m 2 Membranfläche und zu längeren Standzeiten führten, - Skaleneffekte durch größere Membraneinheiten und Anlagen, - Entwicklung von spezifisch wirkenden Chemikalien, - Gesteigerter Wettbewerb. Es ist jedoch auf dem Gebiet in den nächsten Jahren mit keinem weiteren bedeutenden technologischen Durchbruch zu rechnen, der die Kosten weiter dramatisch reduzieren könnte. 336 F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 26 (2012) Nr. 5

7 Tabelle 2: Vergleich der Kosten von Pretreatment-Varianten nach Einflussfaktoren sowohl auf der Pretreatment- als auch auf der Umkehrosmose-Stufe PIERALISI MEHR ALS NUR ZENTRIFUGEN 4. Ausblick Generell kann mit einer zunehmenden Anwendung der Meerwasserentsalzung mit Membranen gerechnet werden. Das Verfahren ist gegenüber den konkurrierenden Verfahren wettbewerbsfähig und greift insbesondere in Küstenregionen auf eine verlässliche und dürresichere Ressource zu. Es wurde mittlerweile ein Kosten - niveau erreicht, bei dem erwartet werden kann, dass es nicht mehr wesentlich reduziert werden kann. Verbesserungen, wie die Entwicklung noch größerer Membraneinheiten und die Gruppierung einzelner Anlagenteile mit Ven ti len, Pumpen usw. zu vorgefertigten Module, können zu Senkungen einzelner Kostenblöcke beitragen, die jedoch ggf. durch steigenden Rohstoff- und Energie - kosten wieder ausgeglichen werden könnten. Auch wenn grundsätzlich Szenarien für eine weitere Kostensenkung denkbar sind, ist es unwahrscheinlich und auf kurze Sicht schwer vorstellbar, dass sie umgesetzt werden. Einige Autoren beobachten, dass sich mittlerweile ein Gegen - trend entwickelt hat: Neuere Veröffent - lichungen zeigen, dass die Kosten infolge von Zunahmen in den Rohstoff- und Energiepreisen sowie Zinssätzen ansteigen /26/. Da die Ausgaben für elektrische Energie die Gesamtkosten entscheidend Wir bieten spezifische Lösungen für die unterschiedlichsten Anwendungen. PIERALISI Dekanter, Separatoren und Siebschneckenzentrifugen sind weltweit im Einsatz. Sprechen Sie uns an, wir entwickeln das passende Konzept für Ihre individuellen Bedürfnisse. F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 26 (2012) Nr. 5 PIERALISI Deutschland GmbH Ochsenfurter Str. 2 ~ Eibelstadt Tel.: ~ Fax: ~ pieralisi@pieralisi.de

8 Tabelle 3: Kostenvergleich der beiden Pretreatment-Optionen einer konkreten Anlage (nach /17/). Zugrunde gelegte Daten: Preis für elektrische Energie: 0,10 $/kwh; Energiebedarf 4,1 kwh/m 3 (ohne Energierückgewinnung); Zinssatz 8 %, Abschreibungszeitraum: 20 Jahren beeinflussen, wirkt sich eine Energiepreis - erhöhung direkt aus. Sie kann die Ein - sparungen durch andere technologische Fortschritte mehr als ausgleichen. An Standorten, wo elektrische Energie mit alternativen Methoden kostengünstig erzeugt werden kann, wird die Kom bi - nation von Umkehrosmoseanlagen mit alternativen Energietechniken zunehmen. Über entsprechende Großanlagen, bei denen die elektrische Energie mittels Windräder erzeugt wird, wurde bereits berichtet /27/. Abschließend sei noch einmal erwähnt, dass auch Verbesserungen des Pretreatments zu Kosteneinsparungen führen können. Die Ultrafiltration generiert, wie bereits beschrieben, eine bessere Wasserqualität und damit eine höhere Ausbeute und einen gesteigerten Fluss, was sich zukünftig positiv auf die Gesamtkosten auswirken kann. Das Committee on Advancing Desalination Technology sieht eine zusätzliche Chance in der Weiter ent - wicklung der RO-Membranen, die bei immer kleiner werdenden Druckdifferen - zen effektiv arbeiten /13/. Auch für diese Entwicklung ist es notwendig, dass eine hohe Wasserqualität bereits beim Pretreat - ment erreicht wird. Literatur: /1/ Gebhard, K., Nikolaus, K., Ripperger, S. 2011: Die Vorbehandlung von Rohwasser zur Umkehrosmose. Teil 1: Die Notwendigkeit der Rohwasservorbehandlung. Filtrieren und Separieren, 25, Nr. 6, S /2/ Gebhard, K., Nikolaus, K., Ripperger, S. 2012: Die Vorbehandlung von Rohwasser zur Umkehrosmose. Teil 2: Systeme zur Wasserentnahme. Filtrieren und Separieren, 26, Nr. 1, S /3/ Gebhard, K., Nikolaus, K., Ripperger, S. 2012: Die Vorbehandlung von Rohwasser zur Umkehrosmose. Teil 3: Verfahren zur chemischen und physikalischen Vorbehandlung. Filtrieren und Separieren, 26, Nr. 3, S /4/ Semiat, R. und Hasson, D Seawater and Brackish-Water Desalination with Membrane Operations. In: Peinemann, K.-V. und Nunes, S.P. Membranes for Water Treatment. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim. /5/ Melin, T. und Rautenbach, R Membranverfahren - Grundlagen der Modul- und Anlagenauslegung. Springer- Verlag, Berlin, Heidelberg. /6/ Poullikkas, A Optimization Procedures for the Selection of Reverse Osmosis Desalination Plants. In: Delgado, D.J. und Moreno, P. Desalination Research Progress. Nova Science Publishers, Inc., New York. /7/ Coquina Coast - Seawater Desalination Alternative Water Supply Project Land-Based Treatment - Technical Memorandum. 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