Der Nexus Wasser – Energie – Ernährung – Rohstoffe

Nachhaltigkeit durch integriertes Ressourcenmanagement

Immer mehr Menschen leben auf der Erde, die es mit Wasser, Nahrung, Energie und Konsumgütern zu versorgen gilt. Dabei haben heute schon 780 Millionen Menschen keinen Zugang zu sauberem Wasser und über eine Milliarde Menschen weltweit leiden Hunger. Übermäßiger Ressourcenverbrauch und Klimawandel führen dazu, dass Rohstoffe weiter zur Neige gehen, immer mehr Böden erodieren und Grundwasserreserven knapper werden. Damit verschärft sich die Konkurrenz um Ressourcen weiter.

Wasser ist nicht nur unser wichtigstes Lebensmittel, sondern auch elementar für die Landwirtschaft, die weltweit bis zu 70 Prozent des benötigten Wassers beansprucht. Auch der Energiesektor benötigt Wasser, etwa zum Kühlen, zum Erhitzen oder zur Nutzung der Wasserkraft selbst. Energie wiederum wird gebraucht, um Wasser aufzubereiten, zu transportieren und zu reinigen, um Dünger für die Landwirtschaft herzustellen und Nahrungsmittel zu produzieren.

Mit integrierten Konzepten berücksichtigt das Fraunhofer IGB den Nexus der Ressourcen Wasser – Energie – Ernährung – Rohstoffe. Der Begriff »Nexus« kommt aus dem Lateinischen und bedeutet soviel wie Verknüpfung, Verbindung, Zusammenhang. Er bringt zum Ausdruck, dass die Ressourcen nicht unabhängig voneinander betrachtet werden können, auch wenn sie in getrennten Branchen bewirtschaftet werden. Die Nutzung der einen Ressource hat vielmehr immer auch Auswirkungen auf die anderen.

© Rafael Krötz
Anaerobe Abwasserreinigung im Bioreaktor.

Neue Herausforderungen erfordern sektorenübergreifendes Handeln

Das zeigt sich treffend am Beispiel der Landwirtschaft: Der Agrarsektor produziert längst nicht mehr nur die lebensnotwendigen Nahrungsmittel, sondern zunehmend auch Energieträger in Form von Biokraftstoffen oder Biogas. So wird zwar verhindert, dass noch mehr Kohlenstoffdioxid aus fossilen Energieträgern freigesetzt wird. Die Konkurrenz um landwirtschaftlich nutzbare Flächen und der zusätzliche Verbrauch von Wasser und Nährstoffen können jedoch unter Umständen die Sicherstellung mit Nahrungsmitteln beeinträchtigen.

Nachhaltige Lösungen können nur dann gefunden werden, wenn das Denken in Sektoren aufgebrochen und ganzheitlich gehandelt wird. Das Fraunhofer IGB entwickelt innovative integrierte Lösungen für ein nachhaltiges Zusammenspiel der Bereiche Wasser, Energie, Ernährung und Rohstoffe für Kommunen, Landwirtschaft und Industrie – und zum Wohle der Umwelt.

Dabei setzen wir auch auf das Potenzial, das sich durch den Ausbau dezentraler, regenerativer Energien im Zuge der Energiewende ergibt, und entwickeln beispielsweise Technologien, welche die schwankende Stromerzeugung aus Wind und Sonne durch eine verlustfreie Speicherung des Stroms ausgleichen oder direkt mit der industriellen Wertschöpfung verknüpfen.

Kläranlagen: Abwasser reinigen und Energie gewinnen

© Fraunhofer IGB
Klärschlamm kann effektiv zu Biogas vergoren werden.

Die in den Industrieländern typischen zentralen Kläranlagen gehören zu den größten kommunalen Energieverbrauchern. Seit über 20 Jahren arbeitet das Fraunhofer IGB daran, auch kleinere Kläranlagen durch eine Umstellung von der aeroben Schlammstabilisierung auf eine effizientere und flexible anaerobe Hochlastfaulung zugleich zu Energieerzeugern zu machen. »Wenn Klärschlamm, der vor allem aus organischen Kohlenstoffverbindungen besteht, unter Luftausschluss mit einem effizienten Hochlastverfahren in Faultürmen behandelt wird, wandeln ihn anaerobe Bakterien – über Säuren und Alkohole – zu beachtlichen Mengen Biogas um, einem Gemisch aus Kohlenstoffdioxid und Methan«, erläutert Dr. Marius Mohr, der am Fraunhofer IGB die Gruppe »Bioverfahrenstechnik in der Wasser- und Kreislaufwirtschaft« leitet. In Blockheizkraftwerken liefert Biogas Strom und Wärme, die den Nettoenergieverbrauch der Kläranlage deutlich reduzieren oder in manchen Fällen sogar mehr als kompensieren.

In Brasilien dagegen, wo wenig zusätzliche Wärme benötigt wird, bietet sich an, Biogas im Mobilitätssektor zu verwerten. Viele Fahrzeuge sind hier werkseitig mit einem Tetrafuel-Motor ausgestattet, der neben Benzin und Ethanol auch mit komprimiertem Erdgas (Methan) betrieben werden kann. Die Fahrzeuge müssen dazu nur mit einem zusätzlichen Tank ausgerüstet werden. Das auf der Kläranlage der Stadt Franca im Bundesstaat São Paulo erzeugte Biogas wird daher nach einem vom IGB entwickelten Konzept aufbereitet und kann als Biomethan getankt werden. In beiden Fällen profitieren nicht nur die Betreiber der Kläranlage, sondern auch das Klima, da fossile Energieträger eingespart werden.

Den Ansatz, durch die Vergärung organischer Substanz Energie in Form von Biogas zu gewinnen, hat das Fraunhofer IGB vor rund 10 Jahren auch auf die an organischer Fracht reichen kommunalen Abwässer übertragen. »Im Projekt DEUS 21 haben wir erfolgreich demonstrieren können, dass die organischen Inhaltsstoffe im Abwasser Biogas liefern, wenn sie semi-dezentral in anaeroben Bioreaktoren behandelt werden«, so Mohr. Je höher dabei die organischen Inhaltsstoffe konzentriert sind, desto effizienter kann das Biogas gebildet werden. Daher werden bestenfalls auch im Haushalt anfallende Bioabfälle mit dem Abwasser »entsorgt«.

Nachhaltige Städte: Bioabfall liefert Energie zum Kochen, Abwasser Nährstoffe für die Landwirtschaft

Genau diesen Ansatz hat das Fraunhofer IGB zusammen mit der Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit (GIZ) in dem Projekt »Der urbane Nexus« aufgegriffen. »Für zehn ausgewählte asiatische Städte, in denen die Entwicklung einer geeigneten Abwasserinfrastruktur mit dem Wachstum der Bevölkerung nicht mithalten konnte, haben wir Konzepte für ein integriertes Ressourcenmanagement erarbeitet«, erklärt Mohr. Ein Beispiel ist die Stadt Da Nang in Vietnam, an dessen Küstenstreifen etwa 200 000 Menschen leben, deren Abwasser momentan noch ungenutzt in Gruben versickert.

Nach Mohrs Konzept werden die Abwässer der Haushalte über ein Vakuumsystem abgeleitet. Nahe gelegene Hotels entsorgen ihre Küchenabfälle ebenfalls über diese Leitungen, um den Gehalt an organischen Kohlenstoffverbindungen zu erhöhen. Sie landen, zusammen mit den Abwässern, in einem Tank, der einen Bioreaktor speist. Abgeschlossen von Luft vergären die Bakterien die organische Fracht zu Biogas, das wiederum in den Hotels und Haushalten die Gasflammen in der Küche nährt. Das gereinigte Wasser wird (außer in der Regenzeit) zur Bewässerung der intensiv betriebenen städtischen Landwirtschaft genutzt. Damit werden Grundwasserreserven geschont und die Gefahr, dass das Grundwasser durch nachfließendes Meerwasser versalzt, gemindert. Da das im anaeroben Bioreaktor gereinigte Abwasser noch reichlich Nährstoffe wie Phosphor und Stickstoff enthält, werden die Pflanzen auf dem Feld gleichzeitig gedüngt. Die Landwirte können auf den Einsatz weiterer Dünger verzichten.

Nach langen und schließlich erfolgreichen Verhandlungen über eine finanzielle Unterstützung will die Stadt Da Nang das Vakuumsystem nun auf 110 Grundstücken erproben. Wenn die Ergebnisse positiv ausfallen, ist für Ende 2018 die Umsetzung des Gesamtkonzeptes geplant, das eindrucksvoll zeigt, wie nachhaltige Lösungen aussehen, wenn die Bereiche Wasser, Energie und Ernährungssicherheit zusammen gedacht werden.

Genau darum geht es auch im Projekt »Smart Water Future India«, in dem das Fraunhofer IGB ein Konzept für das nachhaltige Wasser- und Ressourcenmanagement in der südindischen Millionenstadt Coimbatore entwickelt. Die Herausforderungen bei der Stadtentwicklung sollen dabei nicht getrennt nach den herkömmlichen Sektoren betrachtet, sondern Lösungen für Wasserversorgung, Energieversorgung und Ernährungssicherheit übergreifend entwickelt und intelligent vernetzt werden. Für die Bedarfsanalyse lehnt sich das Projekt an die im Rahmen der Fraunhofer-Initiative Morgenstadt entwickelte Methodik des »Morgenstadt City Lab« an, die Mohr bereits in der georgischen Hauptstadt Tiflis erfolgreich angewandt hat.

© Fraunhofer IGB
»Urban Gardening« mitten in Da Nang, Vietnam.

Regionale Konkurrenz ums Wasser – Gemüsepflanzen mit Abwasser düngen und bewässern

Die Salatsetzlinge kommen dank des hydroponischen Verfahrens ohne Erde aus.
© ISOE Wikom
Die Salatsetzlinge kommen dank des hydroponischen Verfahrens ohne Erde aus.

Regionale Konkurrenzen um die Ressource Wasser gibt es vielerorts, auch in den mediterranen Gemüseanbauregionen Europas. Da die Landwirtschaft zu den größten Wasserverbrauchern zählt, sind auch hier neue Konzepte und Verfahren für eine Wasserwiederverwendung gefragt. Anaerob gereinigtes Abwasser enthält, wie oben bereits erwähnt, nach dem Abbau der organischen Verbindungen noch reichlich anorganische Phosphat- und Ammoniumsalze – Nährstoffe, die in der Landwirtschaft dringend benötigt werden. Warum also nicht Abwasser zur Bewässerung und als Nährstoffquelle zugleich nutzen?

»Im Forschungsprojekt HypoWave untersuchen wir, ob sich anaerob gereinigtes kommunales Abwasser aufgrund seines Nährstoffgehalts auch für die hydroponische Pflanzenproduktion wiederverwenden lässt«, sagt Marius Mohr. Bei dieser Kultivierung von Gemüsepflanzen im Gewächshaus kommen die Setzlinge ohne Erde in ihren Pflanzgefäßen aus. Dadurch versickert kein Wasser in den Boden und es verdunstet weniger. Erste Ergebnisse eines Pilotversuchs mit Salatpflanzen zeigen, dass nur eine geringe zusätzliche Nährstoffzufuhr für ein gutes Wachstum erforderlich ist – mit dem Abwasser also auch die darin enthaltenen Nährstoffe sinnvoll wieder genutzt werden.

Nährstoffrückgewinnung für die Landwirtschaft – Schonung natürlicher Rohstoffe und fossiler Energie

Die Wiederverwendung von nährstoffreichem Abwasser ist auf den direkten, regionalen Einsatz beschränkt. Wenn dies nicht möglich ist, auch aufgrund gesetzlicher Vorgaben, können die im Abwasser enthaltenen Nährstoffe Phosphor und Stickstoff in fester, transportierbarer Form als Düngemittel zurückgewonnen werden – und die Basis für eine kreislauforientierte Landwirtschaft schaffen.

Denn mit der Ernte der Pflanzen werden dem Boden Nährstoffe entzogen, die in der heutigen modernen Landwirtschaft in erster Linie über synthetische Düngemittel ausgeglichen werden. Doch Lagerstätten von Rohphosphaten sind zunehmend mit Schwermetallen verunreinigt. Und die industrielle Herstellung von Stickstoffdünger mit dem Haber-Bosch-Verfahren verschlingt enorme Mengen an Energie: Etwa zwei Prozent der Welt-Primärenergieerzeugung und fünf Prozent des weltweiten Verbrauchs an Erdgas gehen allein auf das Konto der Stickstoffdünger-Herstellung.

Dabei gehen die in der Pflanze gespeicherten Nährstoffe nicht wirklich verloren, sondern landen über die Nahrungskette in Bioabfällen, Gülle und Gärresten sowie im Abwasser. »Gelingt es, den Nährstoffkreislauf durch Rückgewinnung der Nährstoffe aus diesen Abfallströmen und das Recycling zu Düngemitteln zu schließen, können natürliche Rohstoffreserven und fossile Energieträger geschont werden«, legt Dr. Iosif Mariakakis dar, der die Gruppe Nährstoffmanagement am Fraunhofer IGB leitet.

4,3 Millionen Tonnen Phosphor pro Jahr gehen Schätzungen zufolge weltweit allein über das Abwassersystem verloren. »Mit unserem ePhos®-Verfahren haben wir einen elektrochemischen Prozess entwickelt, mit dem Stickstoff und Phosphor – ohne jegliche Zugabe von Salzen oder Laugen – als Magnesiumammoniumphosphat (Struvit) aus kommunalem Abwasser ausgefällt werden können«, so der IGB-Experte. Der Energiebedarf ist gering und kann vollständig aus erneuerbaren Quellen gespeist werden. Struvit ist ein hochwertiger Langzeitdünger für die Landwirtschaft und kann direkt von den Pflanzen aufgenommen werden.

Auch für Gülle konnte das IGB im Rahmen verschiedener Projekte ein Konzept entwickeln, um Phosphor als Düngersalz zurückzugewinnen. In einer mobilen, vollautomatisierten Pilotanlage mit einem Durchsatz von einem Kubikmeter Rohgülle pro Stunde können mehr als 90 Prozent des Phosphors aus Gülle abgetrennt, gefällt und kristallisiert werden. Durch die Kombination des Fällungsschritts mit einer energiearmen Fest-Flüssig-Trennung wird zudem eine nährstoffarme Organikfraktion hergestellt, die als Bodenverbesserer eingesetzt werden kann, um insbesondere die Feuchtekapazität im Boden zu erhöhen. Das Verfahren lässt sich ebenso für die Rückgewinnung von Phosphor aus Gärresten einsetzen, die in landwirtschaftlichen Biogasanlagen anfallen.

© Fraunhofer IGB
Die Elektrolysezelle ePhos® gewinnt Stickstoff und Phosphor rein elektrochemisch. Es müssen keine Chemikalien eingelagert werden. Das gesamte Verfahren ist sehr einfach zu handhaben.

Erschließung neuer Wasserquellen – kostenoptimiert und dezentral

© Fraunhofer IGB

In ariden und semi-ariden Gebieten kann die Trinkwasserversorgung oft nur noch durch die Entsalzung von Meerwasser oder Grundwasser sichergestellt werden. Technologien wie Umkehrosmose oder konventionelle thermische Verfahren sind allerdings energieintensiv und verbrauchen momentan noch große Mengen fossiler Energieträger. Das IGB arbeitet an energieeffizienten und zugleich robusten, im Hinblick auf die verwendeten Materialien kostenoptimierten Alternativen, die auch für ärmere Länder erschwinglich sind.

Bei der mehrstufigen Vakuumverdampfung kann beispielsweise solare Wärmeenergie für die Entsalzung von Salzwasser genutzt werden. In den letzten Jahren wurden auch vermehrt elektrophoretische Verfahren für die Entsalzung weiterentwickelt. »Die kapazitive Deionisierung (CDI) etwa benötigt deutlich weniger Energie im Vergleich zu einer Umkehrosmose-Anlage«, weiß Siegfried Egner, Leiter der Abteilung Physikalische Prozesstechnik am IGB. In einer Variante der Vakuumverdampfung wird das zugrundeliegende Prinzip eingesetzt, um Luftfeuchte als Wasserreservoir zu erschließen.