Beiträge der Chemie zur Wasserversorgung der Zukunft

Die Weltbevölkerung leidet zunehmend unter Problemen bei der Versorgung mit Wasser. Damit steigt die Verantwortung der Industrie für die effiziente Nutzung dieser wertvollen Ressource. Hier setzt die chemische Industrie mit ihren Nachhaltigkeitszielen Standards: Sie hat in den vergangenen Jahrzehnten ihren spezifischen Wasserverbrauch deutlich gesenkt. Heute nutzt sie jeden Liter Wasser fast sechs Mal. Gleichzeitg macht die Chemie mit ihren Innovationen verbesserte Produkte und Systeme zur Wasserversorgung, - aufbereitung und -nutzung erst möglich. Das Dossier des VCI illustriert das.

Hintergrund: Wasser in der chemischen Industrie

Die Chemieindustrie in Deutschland hat bereits Ende des vorletzten Jahrhunderts systematische Konzepte und Maßnahmen zur Reinigung von Produktionsabwässern und zur Reinhaltung von natürlichen Gewässern entwickelt und realisiert. Denn für die Chemieproduktion ist Wasser genauso so wichtig und wertvoll wie die eingesetzten Rohstoffe oder die verbrauchte Energie.

Die Industrie generell und die Chemieindustrie im Besonderen haben in den vergangenen Jahrzehnten ihren spezifischen Wasserverbrauch in Deutschland deutlich gesenkt. So konnte der industrielle Wasserverbrauch zwischen 1991 und 2004 von über 12 auf unter 9 Milliarden Kubikmeter gesenkt werden.

Die Chemieindustrie wiederum konnte in den vergangenen 15 Jahren die eingesetzte Wassermenge pro Produkteinheit nochmals deutlich senken. Die Branche benötigte 2012 rund 2,9 Milliarden Kubikmeter Wasser, wovon 80 Prozent aus Flüssen entnommen und zum Kühlen der Anlagen eingesetzt werden, welches nach Gebrauch gereinigt den Flüssen zugeführt wird. Die Chemieindustrie konnte dabei ihren gesamten Wasserverbrauch trotz einer Produktionssteigerung um über 30 Prozent konstant halten. Damit wurde ein Niveau erreicht, das sich kaum mehr verbessern lässt. Etwa 20 Prozent des insgesamt benötigten Wassers werden in der Chemieindustrie als Lösemittel, Reaktionsmedium oder Reinigungsmittel, also für die Chemikalienherstellung im engeren Sinne, genutzt. Die anfallenden Abwässer werden so weit aufbereitet und gereinigt, dass sie wieder in den Wasserkreislauf zurückgeführt werden können, also weitestgehend wieder genutzt werden können.

Die Leistungen der Chemie im Überblick:

• Abwasserreinigung mit den technologischen Herausforderungen Fest-Flüssig-Phasentrennung, Klärschlammentwässerung über Flokkulantien, Koagulantien, Entschäumer und Ultrafiltrationsmembranen;
• Wassergewinnung und -aufbereitung mit den technologischen Herausforderungen an Prozesseffizienz, Wasserqualität (Schadstoffgehalt), technische System-Performance (Standzeiten, Instandhaltung, Energieverbrauch) über die oben genannten Stoffe und Systeme sowie über spezifische Reinigungsmittel und
• Gewässerschutz mit den technologischen Herausforderungen an die technische System-Performance (Systemstabilität, Standzeiten, Instandhaltung, Energieverbrauch) über zahlreiche Chemikalien und Membranen und Zuverlässigkeit der Betriebsmittel wie zum Beispiel Rohrleitung etc. über Spezialchemikalien.

Zusammenfassung des VCI-Hintergrundpapiers

„Wasser“ ist ein wichtiges Thema in politischen Diskussionen und Maßnahmen, heute und insbesondere mit Blick auf die Zukunft. Wasser ist eine unverzichtbare natürliche Ressource. Auch wenn sich mit technischen Maßnahmen und technologischem Fortschritt nicht alle mit der adäquaten Versorgung mit Wasser verbundenen Herausforderungen lösen lassen, so kommt ihnen doch eine große Rolle zu. Dabei werden die Beiträge der Chemie zur Wasserversorgung der Zukunft weiter an Bedeutung gewinnen, um die hier drängenden Probleme lösen zu können. Allerdings sind Innovationen aus der Chemie im Anwendungsfeld „Wasser“, das heißt in der Wasserversorgung, -aufbereitung und -nutzung, oft nicht direkt sichtbar, da die Materialinnovationen der Chemie in Systemlösungen integriert sind. Diese grundlegenden Fortschritte am Material sind aber unverzichtbar, da sie verbesserte Produkte und Systeme zur Wasser- und Abwasserbehandlung erst ermöglichen.

Allerdings nimmt die Verfügbarkeit der Ressource Wasser trotz ihrer großen Bedeutung für die nachhaltige Entwicklung unseres Planeten für Haushalte, für die Landwirtschaft und die Industrie bereits heute schon in vielen Gebieten der Welt stetig ab, das zu erwartende Bevölkerungswachstum wird die Nachfrage nach sauberem Wasser weiter in die Höhe treiben. Bis 2050 wird ein Anstieg der landwirtschaftlichen Produktion um 70 Prozent im Vergleich zu heute erwartet, die ohne Bewässerung nicht möglich sein wird. Erschwerend hinzu kommen teilweise erhebliche Verschiebungen in der Niederschlagsverteilung aufgrund von Veränderungen im Klimageschehen. Die hieraus abzuleitenden Forderungen nach einer Begrenzung des Wassergebrauchs im industriellen Sektor hat die Chemieindustrie bereits aufgegriffen. Ihre Unternehmen setzen mit ihren Nachhaltigkeitszielen zur Wassernutzung Standards für den effizienten und nachhaltigen Umgang mit der Ressource Wasser. Denn Wasser ist für die chemische Produktion seit langem genauso so wichtig und wertvoll wie die eingesetzten Rohstoffe oder die verbrauchte Energie. Die Industrie generell und die Chemieindustrie im Besonderen haben in den vergangenen Jahrzehnten in Deutschland ihren spezifischen Wasserverbrauch deutlich gesenkt: Der gesamte Wasserverbrauch blieb trotz einer Produktionssteigerung um über 30 % konstant und damit auf einem Niveau, das sich kaum mehr verbessern lässt – heute wird durch Mehrfachnutzung jeder Liter Wasser fast sechs Mal genutzt.

Wasser hat neben seiner globalen Bedeutung eine bedeutende lokale Charakteristik mit nationalen Verordnungen und regionalen Vorgaben zu Wasser-Grenzwerten, die von den industriellen Nutzern einzuhalten sind. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit eines auf globale wie lokale Anforderungen angepassten Wassermanagements der Unternehmen. Die unterschiedlichen regionalen Bedürfnisse an die Wasserversorgung erfordern eine Kombination aus methodischem und fachlichem Know-how sowie eine maßgeschneiderte Prozesstechnik. Durch die enge Verzahnung von Produktion und Wassertechnik sind integrative Technologien und Managementsysteme notwendig. Die daraus resultierende integrierte Industrie-Wasserwirtschaft verringert die Abhängigkeit der Produktionsprozesse von externen Wasser-, Rohstoff- und Energieressourcen sowie von regulativen Rahmenbedingungen. So werden von der Chemieindustrie in Deutschland gemeinsam mit den Partnerindustrien in der „Wertschöpfungskette Wasser“ grundlegende Technologien für eine effiziente Wassernutzung in Industrieanlagen beispielsweise nach dem „Zero“- oder „Minimized liquid discharge“-Prinzip entwickelt, erprobt und eingesetzt, die sich als Blaupause für den Technologieexport an die jeweiligen lokalen Erfordernisse von Produktionsstandorten anpassen lassen. Die weltweite Tendenz zur Orientierung an europäischen Gesetzgebungs- und Umsetzungsstrategien zieht weltweit eine Nachrüstung an effizienten Wassernutzungs- und -aufbereitungstechnologien nach sich und birgt damit Chancen zum Spitzentechnologieexport. Die ProcessNet-Fachgruppe „Produktionsintegrierte Wasser- und Abwassertechnik“ hat Trends und Perspektiven in der industriellen Wassertechnik für 2030 aufgezeigt, Entwicklungsziele, Herausforderungen und Handlungsfelder definiert und den notwendigen Forschungs- und Entwicklungsbedarf beschrieben.

Wassernutzende Verfahren spielen aber auch eine große Rolle in allen industriellen Anwendungsbereichen, so zum Beispiel bei der Verarbeitung mineralischer Ausgangsmaterialien zur Gewinnung von Metallen, für die weltweit große Mengen an Energie und Chemikalien benötigt werden. Zur Verbesserung der Umweltverträglichkeit dieser Verfahren werden zunehmend hydrometallurgische Gewinnungs- und Aufbereitungsverfahren anstelle von pyrometallurgischen genutzt. Diese Verfahren und die Möglichkeiten zum Recycling der mineralischen und metallischen Rohstoffe müssen aufgrund der hohen verwendeten Mengen weiter verbessert werden. Die Entwicklung neuer Recyclingtechnologien kann für die deutsche Wirtschaft zu einem wichtigen Exportfaktor werden. Darüber hinaus wird die Chemieindustrie in Anwendungsfeldern mit besonderen Anforderungen an die Wassertechnik, wie bspw. der Biotechnologie und der Phosphatrückgewinnung, sowie in der für die Trinkwassergewinnung wichtigen Energieeffizienz entscheidende Beiträge leisten.

Der VCI gibt in diesem Papier Empfehlungen

• zur Gestaltung der Programme der Forschungsförderung der Bundesministerien im Bereich Wassertechnologien,
• für die Förderung und den Ausbau von Kooperationen und Netzwerken,
• für technologie- und forschungspolitische Rahmenbedingungen wie zum Beispiel die Förderung internationaler Kooperationen zur Technologieentwicklung mit Ländern, die sich großen oder sehr großen Herausforderungen in der Wasserversorgung gegenüber sehen, wie zum Beispiel China oder Indien,
• zur Erleichterung der Rahmenbedingungen zur Durchführung von Demonstrationsprojekten und Testfeldern für die Umsetzung von Forschung und Innovationen in genehmigte Verfahren und Produkte.

Beispiele für Beiträge der Chemieforschung

Innovative Materialien aus der Chemie sorgen auch im Bereich der Wassertechnologien für technologischen Fortschritt. Über zwei Drittel der Innovationen in den verschiedensten Anwendungsfeldern sind Materialinnovationen, das heißt Innovationen der Chemie, direkt zuzuordnen. Denn diese nimmt eine zentrale Position an der Basis vieler industrieller Wertschöpfungsketten ein. Dies gilt insbesondere für eine innovationsstarke Chemieindustrie wie der deutschen.

Innovationen aus der Chemie sind im Anwendungsfeld „Wasser“, das heißt in der Wasserversorgung, Wasseraufbereitung und Wassernutzung, oft nicht direkt sichtbar, da diese in Systemlösungen integriert sind. Aber die Materialinnovationen sind unverzichtbar, da sie diese Systemlösungen erst ermöglichen. Die folgenden Beispiele sollen die Beiträge der Chemie im Bereich der Wassertechnologien ein wenig sichtbarer machen.

Weltweiter Wasserbedarf

Schon heute ist absehbar, dass weltweit bis 2050 der Wasserverbrauch in der industriellen Fertigung rund 3-mal so schnell ansteigen wird wie der Wasserverbrauch beispielsweise bei der thermischen Stromerzeugung oder in Haushalten. Es wird ein Anstieg des weltweiten Wasserbedarfs der industriellen Fertigung von 55 Prozent von 2000 bis 2050 prognostiziert, wobei die Anteile beim produzierenden Sektor leicht überdurchschnittlich sein werden.

Diese Entwicklung wird dazu führen, dass ein steigender Anteil der Weltbevölkerung unter Problemen bei der Trinkwasserversorgung leiden wird, ein Problem, das weltweit bereits heute große Not bereitet. Diese Entwicklung unterstreicht die globale und insbesondere die regionale Verantwortung der produzierenden Industrie für ihre Nutzung der wertvollen Ressource Wasser. Um adäquate Beiträge zur Verfügbarkeit von Trinkwasser in diesen Regionen leisten zu können, müssen gerade auch in den Ländern, in denen die Rohstoffe für die Chemieindustrie gewonnen werden, effiziente Methoden zur Gewinnung von Trinkwasser und zur Reinigung von Abwasser zur Verfügung gestellt werden. Die Verfahren und die Materialien der Chemie und der Chemieindustrie leisten, wie im Folgenden gezeigt wird, hierzu einen entscheidenden Beitrag.

Rohstoffgewinnung und Rohstoffaufbereitung: Von der Pyrometallurgie zur Hydrometallurgie

Die Suche nach innovativen, ressourcenschonenden und damit kostengünstigen Methoden in der Metallgewinnung führt zu einer schrittweisen Abkehr von der Pyrometallurgie zur Hydrometallurgie, in welcher metallische Rohstoffe wie Kupfer, Nickel, Kobalt oder Zink nicht mehr durch Verbrennung oder Einschmelzung, sondern aus wässrigen Lösungen gewonnen werden. Dies zeigt, wie der Einsatz moderner Wassertechnologien dazu beiträgt, den Ressourcenverbrauch insgesamt zu verringern und zwar in den Bereichen der Schadstoff- und Treibhausgas-Emission, des Energie- und des Umweltverbrauchs sowie im Bereich der ökonomischen Ressourcen.

Die Chemieindustrie bietet maßgeschneiderte Lösungen über Polymer- oder Keramikmembranen und Ionenaustauscherharze, um Feststoffe, Metalle und Säuren abzutrennen und zu konzentrieren. Ferner lassen sich die beim Wertstoffrecyling anfallenden Abwasserströme mithilfe von Ionenaustauschern selbst von Spuren gesundheitsschädlicher und umweltgefährdender Giftstoffe wie Arsen, Cyanid, Nickel, Cadmium etc. reinigen und Wertmetalle wie beispielsweise Edelmetalle gewinnen.

Meerwasserentsalzung und Abreicherung von Bor aus Meerwasser zur Wasserversorgung in der Landwirtschaft

Aufgrund des weltweit steigenden Wasserbedarfs sowohl an Trinkwasser als auch für die Landwirtschaft und die Industrie bei gleichzeitig sinkender Verfügbarkeit geeigneter Wasserressourcen sind die Wasserversorger gezwungen, technologische Alternativen zu suchen. In den vergangenen Jahren ist die Meerwasserentsalzung respektive die Behandlung von salinem Oberflächenwasser nahezu Standard geworden. Allerdings gelangen über das saline Oberflächenwasser vermehrt Spurenstoffe in das Wasser.

Ein hierbei häufig vorkommender und problematischer Stoff ist Bor, dessen natürliche Konzentration von 4,5 mg/Liter im Meerwasser zur Entsalzung begrenzt werden muss. Die Anforderungen an die Reduzierung der Borkonzentration erwachsen hier aus dem mittelmeerischen Obstanbau, da beispielsweise Zitrusfrüchte zu den Pflanzen mit stärkerer Empfindlichkeit gegenüber Bor zählen. Aufgrund des starken Laubverlusts bei Borkonzentration über 0,3 mg/Liter begrenzen viele Meerwasserentsalzungs¬anlagen die Borkonzentration konsequenterweise auf 0,3 - 1 mg/Liter durch chemische Verfahren und Materialien für die Wasseraufbereitung. Deren Leistungsfähigkeit lässt sich durch die erfolgreiche Anwendung zweimaliger Membranfiltration beispielsweise im israelischen Ashkelon demonstrieren, so dass heute „sicheres“ Wasser zur Bewässerung der Landwirtschaft überall auf der Welt zur Verfügung gestellt werden kann.

Nutzung von Absorbern/Adsorbern: Wasserspeicherung in semiariden und ariden Gebieten, Arsenfiltration

Neben der Verwendung von Membranen zur Reduktion von Spurenstoffen stehen über die Absorption an unterschiedlichen Medien wie Aktivkohle, Zeolithe oder Ionenaustauschern weitere Technologien zur Verfügung. Ein wichtiges Beispiel hierfür ist die Reinigung vor allem von arsenbelasteten Trinkwässern aus natürlichen Vorkommen, seltener aus industriellen Prozessen. Zur Reinigung werden Ionenaustauscher eingesetzt, die eine besondere Matrix aus funktionalisiertem Polystyrol und Eisenoxid besitzen, die ionisches Arsen effizient abtrennen. Ein großer Vorteil dieser Methode ist die Möglichkeit, den Ionenaustauscher zu regenerieren und damit den Prozess umweltfreundlich und kosteneffizient durchzuführen.

Nachhaltige Wasserversorgung: „Water Sustainability Goals“

Die Chemie hilft nicht nur anderen Branchen, in der Landwirtschaft und in der Bevölkerung bei der Versorgung mit und der effektiven Nutzung von Wasser, sondern sie hat sich in „Water Sustainability Goals“ eigene ambitionierte Ziele zur nachhaltigen Wassernutzung gesetzt. Diese Ziele ergeben sich auch aus den Leitlinien von Chemie³, der Nachhaltigkeitsinitiative der deutschen Chemie (so zum Beispiel Leitlinie 9: Ressourceneffizienz und Klimaschutz fördern; Leitlinie 4: Mit Innovationen Beiträge zur nachhaltigen Entwicklung leisten).

So will beispielsweise ein Unternehmen mit seinen „sustainability goals 2025“ bis zum Jahr 2025 20 Prozent Wasser einsparen, das heißt die Wasserintensität, also die relative Nutzung als „verbrauchtes Wasser pro Produktionseinheit“, um 20 % reduzieren. Um diese Ziele zu erreichen, helfen beispielsweise Wasserbehandlungsanlagen für demineralisiertes Wasser, Kühlwasser und ultrareines Wasser, in denen in Kombination von Membranen und Ionenaustauschern demineralisiertes Wasser bereitgestellt und in der Kaskade im Anschluss als Kühlwasser eingesetzt wird.

So wurde auch erstmalig städtisches Abwasser für die industrielle Nutzung aufbereitet. Diese Kaskadennutzung spart an einem Unternehmensstandort beispielsweise täglich 10.000 m³ Wasser und reduziert im Vergleich zur alternativen Wasserentsalzung den Energieeinsatz zur Wasseraufbereitung um 95 Prozent und den Einsatz von Chemikalien um 50 Prozent. Diese Multi-Wiederverwendung industriell genutzten Wassers minimiert den Wasserrückfluss in die Flüsse und schont somit die Umwelt.

An den Produktionsstandorten eines anderen Unternehmens fielen im Jahr 2014 insgesamt rund 194 Mio. m³ Abwasser an. Im Vergleich zu 2002 konnten die Stickstoffemissionen (N-Gesamt) in das Wasser um 85 Prozent, die in das Abwasser emittierten organischen Stoffe um 80 Prozent sowie die Schwermetallemission um 65 Prozent reduziert und die selbstgesetzten Ziele zur Reduktion von Emissionen in das Wasser erreicht werden.

Inhalt des VCI-Hintergrundpapiers

1. Einführung
   • Motivation
   • Wasser als knappe Ressource auf der Erde und Bedeutung der Chemie
   • Regionale Verschiebungen im Wassergebrauch als Folge des Klimawandels
   • Nachhaltige Wasserversorgung: „Water Sustainability Goals“
2. Trends und Impulse
   • 2.1. Steigende Anforderungen an die Wasserqualität
   • 2.2. Entwicklung des Wasserbedarfs
3. Die Bedeutung der Chemie für die Ressource Wasser
   • 3.1. Wertschöpfungsbeitrag der Chemie im Bereich Wasser
   • 3.2. Der Wasserkreislauf in der Industrie und der Wasser-Fußabdruck
   • 3.3. Mengenströme: Wo geht das Wasser in der Chemie hin? Wie viel Wasser verbraucht die Chemie?
   • 3.4. Beiträge zur Wassereinsparung in anderen Branchen
   • 3.5. Wasserversorgung und -behandlung
   • 3.6. Die analytische Chemie: Herausforderungen und neue Technologien
   • 3.7. Technologische Herausforderungen
4. Empfehlungen
   • 4.1. Empfehlungen für die Forschungsförderung
   • 4.2. Empfehlungen für technologie- und forschungspolitische Rahmenbedingungen
   • 4.3. Empfehlungen für die Förderung von Kooperationen und Netzwerken

Das vollständige VCI-Dossier mit einem Umfang von 37 Seiten finden Sie im Download-Bereich im Kopf dieser Seite (sogenannte „Langfassung")

Mehr zum Thema

• „Trends und Perspektiven in der industriellen Wassertechnik" - Positionspapier der ProcessNetFachgruppe Produktionsintegrierte Wasser und Abwassertechnik, Frankfurt, März 2014 (PDF-Datei, 44 Seiten)pdf