Sauberes Wasser dank digitaler Transformation

Die Entsalzung ist eine Lösung, die dazu beitragen kann, die Wasserlücke zu schließen. Obwohl die entsprechende Technologie durch umfangreiche Investitionen verbessert wurde, stellt sie nach wie vor eine der kostspieligsten Alternativen dar. Um Wasser genusstauglich oder für industrielle/gewerbliche Zwecke nutzbar zu machen, ist bei der Entsalzung eine gründliche mechanische, biologische und chemische Behandlung erforderlich. Trotz der hohen Kosten wird erwartet, dass der weltweite Entsalzungsmarkt bis 2025 eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate (CAGR) von 7,8 Prozent erreichen und 1 Prozent des nutzbaren Wassers liefern wird. Diese Wasserversorgung wird sich in erster Linie auf bewährte Verfahren wie Umkehrosmose (UO), Elektrodialyse und Multi-Effekt-Destillation (MED) stützen.

Zusätzlich zu umfangreichen Wassersparmaßnahmen, welche die kostengünstigste Option darstellen, zeichnen sich zwei innovative Alternativen am Horizont ab, mit denen das Problem gelöst werde könnte.

Temperature Swing Solvent Extraction (TSSE): 
Hierbei wird ein Lösungsmittel verwendet, um Süßwasser effizienter als mit anderen Methoden und zu einem Bruchteil der Kosten zu extrahieren.

Batterieelektroden-Deionisierung (BDI): 
Bei diesem Verfahren werden mithilfe von Elektroden Salzionen aus dem Wasser entfernt.

Beide Alternativen befinden sich erst im Forschungsstadium und müssen noch in den industriellen Maßstab übertragen werden. Es muss noch festgestellt werden, ob sie weiterhin wirtschaftliche und ökologische Vorteile bieten können, wenn sie in den für die Massenproduktion erforderlichen Maßstab überführt werden.

Daher stellen herkömmliche Entsalzungsverfahren nach wie vor die wirtschaftlich sinnvollste Alternative zur Bewältigung der weltweiten Herausforderungen im Bereich Wasser dar. Glücklicherweise können Fortschritte bei einer Vielzahl von Technologien, die auf andere Fertigungs- und Prozesssysteme angewendet werden, dazu beitragen, dass der Bedarf mit den derzeitigen Entsalzungstechnologien besser gedeckt werden kann. Emerson hat sich der Herausforderung gestellt und bietet eine Reihe innovativer Möglichkeiten zur Verbesserung der Leistung, Zuverlässigkeit, Überwachung und Umweltverträglichkeit von Entsalzungsanlagen an.

Prozesse automatisieren und Leistung optimieren

Der vielleicht wichtigste Fortschritt beruht auf der Einführung von Feldgeräten mit einer stärkeren Integration von Sensoren, welche die Erfassung von Daten und Parametern ermöglicht, die zuvor nicht gemessen wurden – auf der Grundlage des industriellen Internets der Dinge (Industrial Internet of Things, IIoT). Dies ermöglicht eine höhere Auflösung sowie eine bessere Überwachung von Anlagen.

Viele der heutigen älteren Anlagen sind zugegebenermaßen hauptsächlich für den manuellen und halbautomatischen Betrieb vorgesehen. Jedoch erfordern es mehrere Faktoren, darunter die Forderung nach höherer Leistung, Qualität und Effizienz, den Automatisierungsgrad und die IIoT-Konnektivität von Entsalzungsanlagen zu erhöhen. Durch die Einführung neuer IIoT-fähiger Geräte werden die Anlagenbetreiber zunehmend in der Lage sein, Echtzeitdaten von Sensoren zur Messung von Druck, Temperatur, Füllstand, Durchfluss und drahtloser Leistung sowie zur Durchführung von Analysen (zum Beispiel zum pH-Wert) zu erfassen.

Diese neuen Messungen ermöglichen den Anlagenbetreibern dann die Fernüberwachung von Anlagen, die Verbesserung der Anlagenleistung und die schnelle Erkennung von Möglichkeiten für die vorausschauende Instandhaltung. Diese Fähigkeiten bieten eine Reihe von Vorteilen, einschließlich besserer Wasserqualität, größerer Zuverlässigkeit, geringerer Ausfallzeiten und höherer Energieeffizienz.

Fernüberwachung der Wasserqualität

Mithilfe von in der gesamten Anlage verteilten Sensoren können die Betreiber wichtige Leistungsdaten wie Leitfähigkeit, Chlorgehalt, gelöster Sauerstoff, Trübung und Partikelzahl in Echtzeit überwachen. IIoT-fähige Systeme bieten zudem die Möglichkeit, wichtige Messwerte an die zuständigen Führungskräfte zu verteilen. Tatsächlich können Performance Dashboards für einzelne Aufgabenbereiche individuell angepasst werden.

Zugriff auf nützliche Informationen

Die Vision für IIoT-fähige Systeme – der entscheidende Wert, den sie bieten – sind verwertbare Echtzeitdaten, die Anlagenbetreiber nutzen können, um schrittweise Verbesserungen an bestimmten Systemen vorzunehmen und langfristigere Entscheidungen zu treffen. Hierzu gehören beispielsweise Investitionen in neue Technologien oder die Einführung effektiverer Programme zur Verbesserung der Energieeffizienz, zur Beseitigung von Verschwendung oder zur Optimierung der vorausschauenden Instandhaltung.

Anbieter von Automatisierungslösungen wie Emerson haben daher „Edge-Computing-Gateways“ entwickelt, die wichtige, von mehreren Geräten stammende Leistungskennzahlen zusammenfassen, analysieren und melden. Diese Gateways erleichtern die Implementierung von IIoT-Lösungen, die Echtzeit-Gerätedaten nutzen. Diese Daten werden entweder an einem entfernten Standort oder auf Cloud Computing-Ressourcen erfasst und gespeichert.

Durch den von der vorhandenen Steuerungsarchitektur unabhängigen Betrieb können Edge-Computing-Gateways die Belastung der Maschinenressourcen verringern und gleichzeitig die Zugänglichkeit der Daten verbessern. Zudem können sie den Bedarf an leistungsstarken Cloud-Servern und Systemen für die Übertragung großer Datenmengen senken. Mithilfe von Edge-Gateways lassen sich die Maschinenleistungsdaten darüber hinaus besser verwerten, da diese Daten auf der Ebene des Anlagenbetriebs erfasst und analysiert werden.

Die Gateways können den Anwendern aussagekräftige Echtzeitinformationen zur Funktionsfähigkeit von Anlagen, zum Verschleißzustand von Antrieben, zu Ventilen und anderen Geräten sowie zur Energieeffizienz von Pneumatikanlagen liefern, ohne dass die vorhandene Maschinensteuerung eingebunden werden muss. Dank ihrer programmierbaren Analysefähigkeit kann im Voraus erkannt werden, wann die kritischen Grenzen einer Maschine oder eines Geräts erreicht sind, und die Anwender haben die Möglichkeit, frühzeitig einzugreifen – ohne dass Produktionszeit verloren geht. Anlagenbetreiber können ein Edge-Gateway möglicherweise nicht für die gesamte Anlage verwenden. Sie könnten jedoch durchaus mehrere Gateways einsetzen, um kritische Vorgänge an verschiedenen Orten in der Anlage zu überwachen.

Dadurch stehen den Anlagenbetreibern dann neue Informationsressourcen zur Verfügung, die ihnen dabei helfen, eine Reihe von Anlagenkosten zu kontrollieren – beispielsweise den Energieverbrauch. Die Verbesserung der Energieeffizienz von Entsalzungsanlagen ist ein entscheidender Faktor für die Steigerung ihres Nutzens. Bei dem gängigsten Entsalzungsverfahren, der sogenannten Salzwasser-Umkehrosmose (SWRO), beträgt der Energieverbrauch durchschnittlich 10 bis 13 Kilowattstunden (kWh) pro tausend Gallonen Wasser.  Jeder Ort in einer Anlage, an dem Energieverschwendung erkannt und beseitigt werden kann, trägt dazu bei, diese Kosten zu senken.

Daher kann der Einsatz der richtigen Sensoren und die Einbindung ihrer Ausgänge in Edge-Gateways wie das Emerson RXi2 dabei helfen, dieses Ziel zu erreichen. So überwachen die AVENTICS Sensoren der Serie AF2 beispielsweise den Luftverbrauch in Pneumatikanlagen und ermöglichen ein schnelles Eingreifen bei Leckagen. Dies trägt dazu bei, den Energieverbrauch zu optimieren, Maschinenausfälle zu vermeiden und die Kosten zu senken. Zudem werden Edge-Gateways wie dem Emerson RXi2 wichtige Daten zur Verfügung gestellt.

Komponentenausfälle vermeiden

Die Daten der Sensoren zu wichtigen Anlagenteilen können gesammelt und analysiert werden, was beim Erreichen wichtiger Werte Warnungen oder Alarme in Bezug auf die vorausschauende Instandhaltung ermöglicht. So könnte ein Anlagenbetreiber beispielsweise eine Warnung erhalten, dass ein Dreiwege-Magnetventil, das einen pneumatisch betätigten Kugelhahn mit Federrückstellung steuert, 75 Prozent der maximalen Lebensdauer erreicht hat. Die Warnung weist darauf hin, dass das Magnetventil vor dem Ende seiner Lebensdauer ausgetauscht werden muss. Die Übermittlung dieser Warnung wird durch den Einbau von Näherungssensoren am Pneumatikantrieb erreicht, die die Öffnungs- und Schließvorgänge des Ventils zählen.

Ungeplante Stillstandszeiten minimieren

Durch die Überwachung des normalen Verschleißes in Industrieanlagen können Anlagenbetreiber die IIoT-Funktionen für die vorbeugende Wartung nutzen, wie im vorstehenden Abschnitt zur Zuverlässigkeit beschrieben. Sie können die Wartung, Reparatur oder Modernisierung alternder Anlagen während der normalen Stillstandszeiten planen, bevor ein Problem auftritt, und dadurch kostspielige Ausfälle vermeiden. Darüber hinaus können sie Feldbus-Elektronik mit integrierten Displays einsetzen, die eine einfache Inbetriebnahme ohne externen Laptop ermöglichen. Sie haben zudem die Möglichkeit, den Status visuell zu überwachen sowie Probleme bei Ein- und Ausgängen direkt auf dem Display zu verfolgen.

Energieeffizienz verbessern

Luftleckagen können in mechanischen Systemen Energieverluste verursachen. Zudem kann es manchmal schwierig sein, die Ursache oder Quelle zu ermitteln. Durch die Überwachung des Drucks und Durchflusses dieser Systeme können Anlagenbetreiber ihren Energieverbrauch verfolgen und potenzielle Probleme erkennen, bevor sie auftreten. 

Eine weitere neue Technologie sind Magnetventile der nächsten Generation, die sich durch niedrigere Betriebskosten, bessere Leistung und höhere Zuverlässigkeit auszeichnen. Sie nutzen fortschrittliche Elektronik für das Energiemanagement und umfassen eine Power-Management-Schaltung, die eine geringere Leistungsaufnahme sowie bessere Druck- und Durchflusswerte bietet. Darüber hinaus kann sowohl die Magnetventilsteuerung als auch die elektronische Steuerung mit einem Überspannungsschutz versehen werden.

Bestimmungen und Vorschriften zur Wasserversorgung einhalten

Die Water Supply (Water Fittings) Regulations und die Water Supply (Water Fittings) (Scotland) Byelaws tragen durch die Festlegung gesetzlicher Anforderungen an Hauswasserinstallationen, Wasserarmaturen und wasserführende Geräte zum Schutz der Wasserversorgung und der öffentlichen Gesundheit im Großbritannien bei.  Die Vorschriften zu Wasserarmaturen verhindern die Verunreinigung von Trinkwasser in Hauswasserinstallationen und gelten für alle damit verbundenen Aspekte – von Rohren über Haushaltsgeräte bis hin zu Heizkesseln.

Zur Erfüllung dieser Vorschriften bieten führende Anbieter WRAS-zertifizierte Produktportfolios an. Das umfassende Programm an ASCO Produkten von Emerson wird beispielsweise seit mehr als 20 Jahren bei zahlreichen konformen Anwendungen eingesetzt. Einige Lösungen wie die Serie L182/L282 wurden vor Kurzem durch verbesserte Funktionen und Merkmale aktualisiert. Die Serien L182 und L282 bieten jetzt größere, WRAS-zertifizierte Magnetventile, und die Serie L133 funktioniert nun ab einem Druck von null bar.

Zum weiteren Schutz der Wasserversorgung haben Hersteller wie ASCO von Emerson zudem eine Reihe von bleifreien Magnetventilalternativen entwickelt, unter anderem aus bleifreiem Messing, Edelstahl und Verbundwerkstoffen. Diese Ventile sind für den einfachen Ersatz herkömmlicher Bleiventile vorgesehen.

Komponenten vor Korrosion schützen

Um das Meerwasser durch die Membranen zu pressen, die Sedimente und Verunreinigungen entfernen, sind leistungsstarke Pumpen erforderlich. Meer- oder Brackwasser wirkt jedoch im Verlauf des Entsalzungsprozesses extrem korrosiv auf Kanäle, Geräte und Instrumente.

Zur Lösung dieses Problems stehen jetzt mehrere Technologien zur Verfügung. So wurden beispielsweise neue Ventile aus Verbundwerkstoffen entwickelt, um der korrosiven Belastung durch das Meerwasser entgegenzuwirken. Zum Schutz von empfindlicher Elektronik und anderer Produktionsausrüstung bietet Emerson eine Reihe von gehärteten, integrierten Gehäusen an. Die Gehäuse können je nach benötigtem Schutzniveau aus verschiedenen Materialien gefertigt werden, darunter Edelstahl, eloxiertes Aluminium, Verbundwerkstoffe oder andere spezifizierte Materialien, die die internen Systeme vor der aggressiven Umgebung schützen.

Sauberes Wasser für die Gesundheit aller gewährleisten

Der Zugang zu Wasser ist entscheidend für die menschliche Gesundheit. Neben Wassersparmaßnahmen und Wasserressourcenmanagement können fortschrittliche Entsalzungstechnologien zur Beseitigung der weltweiten Wasserknappheit beitragen. Die digitale Transformation von Entsalzungsprozessen kann in Verbindung mit Technologien, die sich bei anderen Prozessanwendungen bewährt haben, die Qualität, Kapazität, Effizienz und Nachhaltigkeit verbessern und ermöglicht es, die Menschen mit sauberem Wasser zu versorgen, die es am dringendsten benötigen.