Trinkwassergewinnung aus Meerwasser mittels Umkehrosmose Teil

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12.04.2010
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Schwerpunktthemen
Trinkwassergewinnung aus
Meerwasser mittels Umkehrosmose
Teil 2: Kostenrechnung unter Berücksichtigung
einer vorgeschalteten Ultrafitration
K. Nikolaus, S. Ripperger*
Die Umkehrosmose ist das am häufigsten eingesetzte Membranverfahren zur Trinkwassergewinnung aus Meer- und
Brackwasser. Dabei muss der über die Membran wirkende osmotische Druck überwunden werden. Zum Betrieb der
hierzu notwendigen Hochdruckpumpen muss Energie zugeführt werden. Da nur ein Teil des Rohwassers als Trinkwasser
gewonnen wird, wurden Systeme zur Rückgewinnung der im Konzentrat enthaltenden Druckenergie entwickelt.
Die Grundlagen der zugehörigen Anlagenberechnung wurden für den Fall einer einstufigen Betriebsweise ohne Konzentratrückführung im Teil 1 beschrieben /1/. Im Folgenden werden die dabei entstehenden Trinkwassergestehungskosten
abgeschätzt. Dabei wird als Vorreinigung eine Ultrafiltrationsstufe berücksichtigt. Die Berechnungen sollen einen Eindruck
vermitteln, mit welchen Gestehungskosten heute gerechnet werden kann. Da u. a. in Bezug auf die Membranstandzeiten
und -kosten, den Abschreibungszeitraum und die Energiekosten Annahmen getroffen werden mussten, wird auch das
Berechnungsschema vorgestellt, so dass Rechnungen auf Basis anderer Werte vergleichend durchgeführt werden können.
1. Einleitung
2. Kostenrechnung
Wie im ersten Teil gezeigt wurde, kann
durch die Anwendung einer Energierückgewinnung der notwendige Energiebedarf
bei der Umkehrosmose deutlich gesenkt
werden /1/. Die damit sich ergebende
Reduzierung der Wassergestehungskosten
zeigt eine Kostenrechnung. Darin werden
alle entstehenden Kosten berücksichtigt,
auch die, welche notwendig sind, um das
Rohwasser vorzubehandeln. Hierbei wird
der Aufwand für eine Rohwasservorbehandlung mittels einer Ultrafiltration
analysiert. Bei der Berechnung wird von
der einfachsten Anlagenausführung ausgegangen. Es handelt sich dabei sowohl bei
der Ultrafiltration als auch bei der Umkehrosmose um eine einstufige Anlagenausführung ohne Konzentratrückführung.
Die für diesen Fall berechneten Kosten
gelten nur in Verbindung mit den angenommenen Preisen, Standzeiten und
Annahmen bezüglich der Abschreibung
und Betriebsdauer (Auslastungsgrad). Die
im Folgenden zugrunde gelegten Werte
sind Orientierungswerte. Sie können in
Bezug auf praktisch angewandte Verfahren
und Produkten deutlich von den hier
angenommenen abweichen. Daher ist es
notwendig, das beschriebene Rechenschema auf den jeweils konkreten Fall
anzuwenden. Der Beitrag will dazu
anregen entsprechende Berechnungen
durchzuführen, um sich Klarheit über die
jeweils vorliegende Kostensituation zu
verschaffen.
Auf Basis von Kostenrechnungen kann
eine ganzheitliche Betrachtung alternativer Technologien durchgeführt und die
günstigste Alternative ermittelt werden.
Bei der folgenden Berechnung wird von
einer Membrananlage mit Membranmodulen ausgegangen, die dem Fließschema in Abb.1 im Teil 1 entspricht /1/.
Nach diesem Fließschema können
Anlagen zur Mikro- und Ultrafiltration zur
Vorbehandlung von Wasser sowie zur
Umkehrosmose zur Trinkwassergewinnung errichtet werden. In der Umkehrosmosestufe wird das salzhaltige Wasser
mittels einer Hochdruckpumpe auf einen
Druck oberhalb des osmotischen Drucks
komprimiert. Dieser wird wesentlich von
dem Salzgehalt im Zulauf und der
Konzentrierung des Salzes in der Anlage
bestimmt. Die Konzentrierung wird über
den Volumenstrom des Konzentratablaufs
geregelt.
Die Investitionskosten KI einer solchen
Membrananlage setzen sich wie folgt
zusammen:
* Dipl.-Ing. Kai Nikolaus
Prof. Dr.-Ing. Siegfried Ripperger
Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik
TU Kaiserslautern
Tel.: 0631-205-2121
www.uni-kl.de/mvt
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(1)
Membrankosten
Anlagenkosten
Gebäude- und Nebenkosten
Kosten für Anlage zur Energierückgewinnung
Die Membrankosten KM steigen proportional mit der Membranfläche an und
beinhalten die Kosten für die im Laufe der
Nutzungsdauer der Anlage mehrmals auszutauschenden Membraneinheiten (Membranplatten bzw. -rohre, Wickelelemente
oder auch komplette Membranmodule).
Die Kosten für die Teile der Membranmodule, die über die Nutzungsdauer der
KM:
KA:
KGN:
KER:
Anlage nicht ausgetauscht werden müssen
(z. B. Anschlüsse, Druckgehäuse, Pumpen,
Behälter, Rohre), sowie die Montagekosten werden zweckmäßigerweise den
Anlagenkosten KA zugerechnet. Die
Anlagenkosten KA können aufgrund der
Planungsunterlagen und vorliegenden
Angeboten für Pumpen, Bauteile und
Instrumenten ermittelt werden. Sie können
auch auf der Kostenbasis von bereits
errichteten Anlagen abgeschätzt werden.
Hierbei ist darauf zu achten, dass der
Verarbeitungs- und Ausrüstungsstandard
sowie die verwendeten Werkstoffe der zu
vergleichenden Anlagen übereinstimmt.
Dabei müssen Kosten früherer Jahren mit
Hilfe von Preisindizes korrigiert werden.
Da die Größe der Vergleichsanlage meist
nicht mit der aktuell zu planenden Anlage
übereinstimmt, ist auch hierzu eine
Umrechnung notwendig. Im Fall von
Membrananlagen bietet es sich an, die
Membranfläche oder die Anzahl der
Membranmodule zur Kennzeichnung der
Anlagengröße zu wählen. Entsprechend
den Erfahrungen steigt der Preis unterproportional mit der Membranfläche bzw.
der Membranmodulanzahl an. Die Abhängigkeit der Anlagenkosten von der
Membranfläche kann für einen bestimmten Ausführungsstandard wie folgt
erfasst werden:
(2)
KAB: Kosten einer errichteten Anlage mit
gleichem Standard (Bezugsanlage)
A:
Membranfläche
AB: Membranfläche der Bezugsanlage
m:
Degressionsexponent
KAB ist vom verarbeiteten Werkstoff,
den verwendeten Membranmodulen und
vom Ausführungsstandard abhängig. Es
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(3)
Den Kapitaldienst KKD ermittelt man
aus der Abschreibung der Anlage und der
sich daraus ergebenden Annuität. Eine
Abschreibung berücksichtigt die Wertminderung der Anlage bzw. die schrittweise Rückführung des investierten
Kapitals. Bei der Kostenrechnung wird im
Folgenden von einer linearen Abschreibung ausgegangen. Ein Restwert der
Anlage am Ende der Lebensdauer wird
nicht berücksichtigt. Die Annuität ist der
Geldbetrag, der zur Tilgung des Anlagekapitals KI und für dessen Verzinsung
jährlich aufgebracht werden muss. Ist der
jährliche Tilgungsbetrag konstant und der
Zinsfuß p (nicht in Prozent) während der
Jahre der Kreditlaufzeit n fest, so ergibt sich
die Annuität aufgrund der Investition zu:
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(4)
a ist der Annuitätsfaktor (Tilgungsfaktor).
Die jährlichen Betriebskosten KB setzen
sich wie folgt zusammen:
(5)
Membrankosten
Standzeit der Membran in Jahren
jährliche Betriebsstunden
Leistungsbedarf (kW) (z. B. für
Pumpen)
kE
Preis für Elektroenergie (€/kWh)
KR
Kosten für die Membranreinigung
KW Kosten für die Wartung und
Instandhaltung
Gesamtkosten für das Pretreatment
KP
bei der Umkehrosmose
Zur Abschätzung der Membranersatzkosten KM/nM sind Annahmen über die
zu erwartende Lebensdauer notwendig.
Die Membranersatzkosten können, je nach
Konstruktion der Membranmodule, sehr
verschieden sein. Der Austausch ganzer
Membranmodule ist im Vergleich zum
Austausch von Membranplatten oder rohren nicht sehr arbeitsaufwendig, dafür
sind die spezifischen Membrankosten für
die auszutauschenden Einheiten meist
höher.
Die Energiekosten sind bei vielen
Membrananwendungen ein nicht zu
vernachlässigender Kostenfaktor. Bei
Anlagen mit einer Konzentratrückführung
und einer hohen Membranüberströmung
wird der Leistungsbedarf P wesentlich von
dem umgewälzten Volumen und dem
Druckabfall im zirkulierenden Volumenstrom und vom Druckniveau der Speisepumpe abhängig. Man erhält:
KM
nM
t
P
(6)
·
zirkulierender Volumenstrom
VZ
·
zugeführter Volumenstrom
VF
Δ ρF Druckerhöhung der Speisepumpe
Δ ρZ Druckabfall im Umwälzkreislauf
ηZ
Wirkungsgrad der Umwälzpumpe
ηF
Wirkungsgrad der Speisepumpe
Bei Anlagen ohne Konzentratrückführung (siehe Abb.1 aus Teil1 /1/) entfällt
der erste Term in Gleichung (6), wodurch
der Leistungsbedarf meist auch wesentlich
reduziert wird. Bezieht man die Leistung
auf den Permeatstrom, so erhält man die
spezifische Arbeit w, die pro Volumeneinheit Permeat aufgewendet werden
muss.
Entsprechend den großen Unterschieden in den Reinigungszyklen und -prozeduren müssen die Reinigungskosten KR
von Fall zu Fall abgeschätzt werden. Sie
beinhalten neben den Chemikalien- und
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muss geprüft werden, ob diese Ausführung
auch für die zu planende Anlage zutrifft.
Für den Degressionsexponenten m wurden
für Anlagen mit einem hohen Anteil von
Behältern und Kolonnen Werte zwischen
0,6 und 0,7 ermittelt. Für Anlagen mit
einem hohen Anteil an Rohrleitungen
werden oft Werte über 0,8 angegeben.
RAUTENBACH /2/ konnte die Investitionskosten von Umkehrosmoseanlagen
zur Trinkwassergewinnung mit Kapazitäten von 4000 bis 100.000 m3/d mit
Exponenten im Bereich von 0,8 bis 0,85
recht gut beschreiben. Dabei nutzte er zur
Kennzeichnung der Anlagengröße die
Kapazität C (in m3/d) der Anlage zur
Trinkwassererzeugung und beschreibt die
Gesamtinvestitionskosten KI (in US$) für
eine Meerwasserentsalzungsanlage mit
KI = 8880 · C 0,85. Bei den vorliegenden
Berechnungen werden darüber hinaus die
Investitionskosten in Modul- bzw. Membrankosten und Rest-Anlagenkosten
aufgeteilt.
Die Gebäude- und Nebenkosten KGN
sowie die Montagekosten KMo müssen
aufgrund der jeweils vorliegenden Gegebenheiten abgeschätzt werden. Bei der
Anwendung einer Energierückgewinnung
(ER) bei der Umkehrosmose sind durch
den apparativen Aufwand entsprechend
zusätzliche Investitionskosten KER zu
tragen. Es können Drucktauscher, Peltonturbinen oder einen Hydraulic turbo
charger eingesetzt werden /1/.
Im Folgenden wird die Kostenvergleichsmethode angewendet, d. h. die Aufwendungen für einzelne Verfahrensvarianten werden für einen bestimmten
Zeitraum ermittelt (meist ein Jahr) und
miteinander verglichen. Bei bekannter
Anlagenkapazität können auf dieser Basis
auch spezifische Trinkwassergestehungskosten ermittelt werden. Die jährlichen
Gesamtkosten KG ergeben sich aus dem
Kapitaldienst KKD (als eine Folge der
Investitionskosten KI) und den Betriebskosten KB.
Crossflow
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Flüssigkeiten konzentrieren
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Wertstoffe zurückgewinnen
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Schwerpunktthemen
Tabelle 1: Angenommene Parameter zur Kostenrechnung
Wasserkosten auch die Aufwendungen zur
Entsorgung der verbrauchten Reinigungslösungen.
Um Ausfälle zu vermeiden, müssen
Wartungs- und Instandhaltungskosten KW
aufgewendet werden. Sie sind von der
Größe der Anlage, ihrem Ausführungsstandard und den Betriebsbedingungen
abhängig. Es ist üblich, die Wartungskosten KW auf die Investitionskosten zu
beziehen. Sie werden pro Jahr oft mit 2 bis
3 % der Investitionskosten angesetzt.
Bei der Anlagenkonzeption ist auch der
Gesichtspunkt der Anlagenverfügbarkeit
zu beachten. Bei den Rechnungen wird
angenommen, dass die Filtrations- bzw.
Umkehrosmoseanlage über die geplante
Betriebszeit t nahezu 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 Produktionsunterbrechung, so
wird man die Verfügbarkeit durch eine
gezielte Überdimensionierung (evtl. auch
in Form von Stand-by-Modulblöcken) und
eine Parallelschaltung von Anlagen
sicherstellen.
Die spezifischen Wassergestehungskosten K errechnen sich aus den jährlichen
Gesamtkosten KG bezogen auf den
·
gesamten Permeatvolumenstrom VP der
Anlage.
(7)
In Gl. 5 werden die jährlichen Gesamtkosten KG der Ultrafiltration als zusätzliche Betriebskosten der Umkehrosmose
in Form von Pretreatmentkosten KP
berücksichtigt.
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Im Folgenden wird eine Kostenrechnung für eine Anlage mit einer
täglichen Kapazität von C=200 m3/d
durchgeführt. Berücksichtigt man, dass
zur Umkehrosmose mittlerweile Anlagen
mit einer Kapazität von 200.000 m3/d und
mehr errichtet wurden, so handelt es sich
um eine relativ kleine Anlage. Ihre
Kapazität reicht aus um den Trinkwasserbedarf von etwa 2000 bis 3000 Personen
zu decken.
3. Kostenrechnung zur
Vorfiltration von Meerwasser
mittels Ultrafiltration
Die Gesamtkosten einer Umkehrosmoseanlage werden nicht unwesentlich
von den Aufwendungen zum Pretreatment
beeinflusst. Durch das Pretreatment des
Zulaufs soll ein Fouling und Scaling der
Membranen weitgehend verhindert werden. Zunehmend wird die Mikro- oder
Ultrafiltration in Form einer kombinierten
Dead-End- und Crossflow-Filtration zur
Vorbehandlung eingesetzt /3/. Dabei wird
üblicherweise zeitweise der Konzentratablauf geschlossen (Dead-End-Filtration)
und in bestimmten Abständen kurzeitig
wieder geöffnet, so dass in dieser Zeitspanne eine Crossflow-Filtration meist mit
einer gleichzeitigen Rückspülung der
Membran vorliegt. Mit dieser Betriebsweise werden in Bezug auf die
Vorbehandlung hohe Ausbeuten erzielt (im
Bereich von 90 bis 96 %). Je nach Art des
Wassers kann die Vorbehandlung noch
durch den Einsatz von Flockungsmitteln
unterstützt werden. Die Planung der
Vorbehandlungsanlage setzt die Kenntnis
der im Wasser vorhandenen Störsubstanzen und ihre störende Wirkung voraus.
Die Störsubstanzen können in membranschädigende und in membranblockierende
Substanzen eingeteilt werden. Membran-
schädigende Substanzen (z. B. freies Chor,
Sauerstoff, Lösungsmittel) zerstören oder
verändern das Membranmaterial /2/. Dies
kann eine erhöhte Salzpassage zur Folge
haben.
Zur Ultrafitration wird von einem
Membranmodul mit einer Kapillarmembran und einer Membranfläche von
95 m2 ausgegangen (Membranlänge: 1,8
m, Membraninnendurchmesser: 1,2 mm)
eingesetzt. Die mittlere transmembrane
Druckdifferenz wird mit 200 mbar angenommen. Der mittlere spezifische
Permeatfluss wird mit 80 l/m2h vorgegeben. Weitere die Kostenrechnung
beeinflussende Parameter zur Ultrafiltration sind in Tabelle 1 aufgeführt. Dabei
handelt es sich um Erfahrungswerte, die
jedoch nicht alle Fälle abdecken. Zu
beachten ist auch, dass im kommunalen
Bereich wesentlich längere Abschreibungszeiträume als im industriellen
Bereich üblich sind, da in der Regel eine
längere Nutzungsdauer der Anlagen
gewährleistet werden kann.
Der geforderte Filtratstrom entspricht
dem Zulauf der Umkehrosmoseanlage und
wird bei einer vorgegebenen Kapazität
wesentlich von deren Ausbeute beeinflusst. Diese Kopplung der beiden Verfahren wird bei der Berechnung berücksichtigt.
4. Kostenrechnung zur
Umkehrosmose von
Meerwasser zur
Trinkwassergewinnung
Wie bereits im ersten Teil beschrieben,
kann der spezifische Permeatfluss νP.
durch die Membran durch das treibende
Druckgefälle und die Membrankonstante
KW berechnet werden (Gleichung 12,
Teil 1). Die nachfolgende Berechnung
wird mit einer Membrankonstante von
1,5 l/(m2barh) und einer Druckerhöhung
gegenüber dem osmotischen Druck am
Ausgang der Anlage um den Faktor k = 1,1
durchgeführt /1/. Die Anzahl der Membranmodule in der Gesamtanlage wird
durch den spezifischen Permeatstrom im
Einzelmodul bestimmt. Die gesamte
Membranfläche A ergibt sich aus dem
Quotienten aus der vorgegebenen An·
lagenkapazität VP und dem spezifischen
Permeatfluss, νP.
(8)
Weitere Parameter zur Kostenrechnung
zur Umkehrosmose sind ebenfalls in
Tabelle 1 eingetragen.
5. Ergebnisse
In Abb. 1 sind die spezifischen Kosten
für die Ultrafiltration für verschiedene
Ausbeuten der Umkehrosmoseanlage
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aufgetragen. Wie bereits in Abschnitt 3
beschrieben, erhöhen sich die spezifischen
Pretreatmentkosten mit größer werdender
Ausbeute der Umkehrosmoseanlage, da
dadurch eine kleinere Anlage für die
Ultrafiltration notwendig wird. Es ergeben
sich spezifischen Pretreatmentkosten von
etwa 0,06 bis 0,07 € pro m3 Zulauf der
Umkehrosmoseanlage. Bei der Ultrafiltration werden die spezifischen Kosten
in der Regel auf das Filtrat bezogen.
Entsprechend werden in Abb. 2 die
Pretreatmentkosten der Umkehrosmoseanlage auf das Permeat der Umkehrosmoseanlage bezogen. Zur Berechnung
der spezifischen Pretreatmentkosten für
die Umkehrosmose ist die Abhängigkeit
zur deren Ausbeute φ zu berücksichtigen.
Abb. 2 zeigt die einzelnen spezifischen
Kosten für eine Anlagenkapazität von
200 m3/d über der Ausbeute aufgetragen.
Beim Zulaufstrom wird von einem
Salzgehalt von 3,5 % ausgegangen, was
einem osmotischen Druck von 29,2 bar
entspricht. Der Betriebsdruck am Ausgang
der Anlage wurde bei der Berechnung
10 % höher als der zu überwindende
osmotische Druck angenommen (siehe
Teil 1) /1/. Durch die Kopplung des
notwendigen Betriebsdruckes mit dem
osmotischen Druck, ergeben sich durch
die Variation der Ausbeuten auch entsprechend unterschiedliche Betriebsdrücke (vgl. Teil 1). Mit steigender
Ausbeute steigt der osmotische Druck
beim Prozess an, so dass die Betriebsdrücke bei dieser Auslegungsweise von 45
bar bei einer Ausbeute von 30 % bis 110
bar bei einer Ausbeute von 70 % variiert
werden. Der Wirkungsgrad der Pumpe
wurde mit 80 %, der Wirkungsgrad der
Energierückgewinnung mit 90 %
angenommen.
Das Ergebnis zeigt, dass der größte
Anteil der Gesamtkosten durch die Kosten
für den Energiebedarf verursacht wird.
Auch die Abschreibungen, die besonders
bei geringen Ausbeuten ansteigen, bilden
einen sehr großen Anteil der Gesamtkosten. Dadurch verschiebt sich die
optimale Ausbeute bei der Berücksichtigung aller Kosten zu größeren Werten als
in Teil 1 bei der Analyse des reinen
Energiebedarfes /1/. Bei einer Ausbeute
von etwa 68 % liegen die niedrigsten
Gesamtkosten bei etwa 0,70 €/m3. Durch
die Energierückgewinnung kann ein
gewisser Anteil der Kosten eingespart
werden. Die resultierende Einsparung ist
F & S Filtrieren und Separieren
Abb. 1: Pretreatmentkosten für die Ultrafiltrafion
Abb. 2: Wassergestehungskosten für Meerwasser
mit etwa 0,06 €/m3 jedoch relativ gering.
Es ist zu beachten, dass zur Energierückgewinnung zusätzliche Investitionskosten für eine entsprechende Apparatur
berücksichtigt wurden. Es muss im
Einzelfall entschieden werden, ob die
Investition für ein Energierückgewinnungssytem sinnvoll ist. Bei der Betrachtung
aller entstehenden Kosten wird ebenfalls
deutlich, dass die Kosten für das Pretreatment einen nicht zu vernachlässigenden
Anteil bilden. Die Ergebnisse wurden mit
einem Rechenprogramm berechnet das
auch für eine Parameterstudie zur
Verfügung steht.
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Literatur:
/1/ K. Nikolaus, S. Ripperger: Trinkwassergewinnung aus
Meerwasser mittels Umkehrosmose, Teil 1: Grundlagen
und energetische Betrachtung, Filtrieren und Separieren
24 (2010), Nr. 1, S.6 ff
/2/ R. Rautenbach, T. Melin, Membranverfahren, Springer
Verlag, 3. Auflage, 2007
/3/ S. Ripperger: Anwendung der Mikro- und Ultrafiltration
zur Wasseraufbereitung. Filtrieren und Separieren 23
(2009), Nr. 5, S. 246-252
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