In den USA stehen Elektrizitätswerke für 41 Prozent des landesweiten Wasserverbrauchs. Den Angaben der Union of Concerned Scientists (UCS; übersetzt etwa Vereinigung besorgter Wissenschaftler) zufolge wird zur Kühlung der Kraftwerke mehr Wasser verwendet als für alle anderen Zwecke: An zweiter Stelle der Verbraucherliste rangiert mit 37 Prozent die Landwirtschaft, während Trinkwasser mit 13 Prozent den dritten Platz belegt. Aufgrund des steigenden Energieverbrauchs und der schwindenden Wasserreserven sehen sich viele Gemeinden bereits mit dem so genannten „Energie-Wasser-Konflikt“ konfrontiert. Ein integrierter Ansatz und neue energieeffiziente Technologien könnten zur Lösung der Probleme beitragen.
Die Korrelation von Energie und Wasser ist einfach: Zur Erzeugung von Energie braucht man Wasser, und zur Behandlung und Beförderung von Wasser braucht man Energie. Da es sich jedoch um enorme Mengen an Energie und Wasser handelt, wird die Situation immer komplizierter – und immer kostspieliger. So ist zum Beispiel die Wassermenge, die in den USA pro Minute zur Kühlung der Kraftwerke benötigt wird, dreimal so groß wie das Volumen, das in der gleichen Zeit die Niagarafälle herunterstürzt: drei Mal 168.000 Kubikmeter.
Europa steht vor ähnlichen Herausforderungen. Der Europäischen Umweltagentur zufolge nutzen europäische Stromerzeuger 37 Prozent des entnommenen Süßwassers für Kühlzwecke. Deutschland, Frankreich und Polen verbrauchen mehr als die Hälfte ihrer gesamten Süßwasserentnahme auf diese Weise. Der hohe prozentuale Anteil gibt Anlass zur Sorge, denn gemäß Schätzungen der Umweltagentur leben 19,5 Prozent der europäischen Bevölkerung in wasserarmen Ländern.
Ein hoher Energie- und Wasserverbrauch bei begrenzten Wasserreserven kann zu Problemen führen, die die UCS als „Energie-Wasser-Konflikt“ bezeichnet. So konnten kürzlich einige Kraftwerke in dürregeplagten Regionen der USA aufgrund von Wassermangel nur mit reduzierter Leistung betrieben werden.
Hoher Energieaufwand für Wasserbehandlung und -transport
Die Aufbereitung und Beförderung von Wasser erfordert ebenfalls enorme Energiemengen – etwa 20 Prozent des Gesamtenergieverbrauchs einer Stadt. Eine Studie der California Energy Commission aus dem Jahr 2005 ergab, dass 19 Prozent des kalifornischen Stromverbrauchs in irgendeiner Weise mit Wasser zu tun haben – mit dem Transport von Wasser, der Abwasserbehandlung, mit dem Bedarf von Landwirtschaft, privaten Haushalten, Gewerbe und Industrie.
Der Energiebedarf zur Behandlung und zum Transport von Wasser ist enorm, aber auch die mangelhafte Infrastruktur führt zu massiven Verlusten. So gehen in vielen amerikanischen Städten zwischen 30 und 50 Prozent des aufbereiteten Trinkwassers durch ineffiziente veraltete Infrastruktursysteme verloren.
Energiekosten der Abwasserbehandlung
Im Hinblick auf die Reduzierung des Energieverbrauchs bietet der Bereich Abwasserbehandlung ein erhebliches Potenzial. Als wichtigste energiepolitische Planungsstelle rechnet die California Energy Commission vor, dass Energie der größte kontrollierbare Kostenfaktor der öffentlichen Trinkwasserversorgung und Abwasseraufbereitung ist.
Im Energie-Wasser-Projekt der Kommission wird konstatiert: „Die meisten Anlagen wurden entworfen und gebaut, als Energiekosten noch unbedeutend waren. Wenn Sie die Anwendbarkeit moderner Technologien noch nicht vollständig ausgelotet haben, verschwenden Sie vermutlich unwissentlich sehr viel Geld.“
Gewaltige Mengen an Energie verschlingt beispielsweise die biologische Abwasserbehandlung, die zweite Reinigungsstufe, in der anstelle von Chemikalien häufig Belüftungssysteme eingesetzt werden. Die Belüftung des Abwassers kann bis zu 60 Prozent des Energieverbrauchs einer Kläranlage ausmachen.
„In den letzten fünf Jahren ist die Leistung der meisten Kläranlagen gleich geblieben, während sich die Stromkosten verdoppelt haben“, sagt Johan Grön, Technischer Leiter bei Xylem. „Sehr wahrscheinlich werden die Energiekosten in den nächsten zehn Jahren weiter steigen. Ein neuer Ansatz, der die Korrelation von Wasser und Energie berücksichtigt, dürfte aus finanzieller Sicht äußerst vorteilhaft sein.“
Investitionen in neue Lösungen
Obwohl sich viele Städte der Notwendigkeit besserer Infrastrukturen und reduzierter Energiekosten bewusst sind, werden neue Technologien und Lösungen oft nur zögerlich getestet.
„Zwar würden die meisten zugeben, dass solche Investitionen finanziell sinnvoll wären. Dennoch sind viele der Ansicht, dass noch nicht genug zuverlässige Daten zur Verfügung stehen, die belegen, dass sich Investitionen in Energiesparmaßnahmen auf lange Sicht bezahlt machen“, so Grön. „Außerdem sind sie oft unsicher, wenn es um neue Technologien geht, weshalb wir bei der Einführung zukünftig anders vorgehen müssen. Scale-ups und umfassende Tests neuer Verfahren werden noch wichtiger, um eine absolute Zuverlässigkeit garantieren zu können.“
Erst kürzlich war Xylem an der Umgestaltung eines Verfahrens in der Kläranlage Sternö im südschwedischen Karlshamn beteiligt. Das Belüftungssystem stand für 44 Prozent des Gesamtenergieverbrauchs der Anlage. Durch die Installation eines überwachenden Steuersystems sowie den Ersatz von Belüftungsrohren durch Scheibendiffusoren und Drehkolbengebläsen durch effiziente Schraubengebläse konnte die Anlage ihren Energieverbrauch um stolze 13 Prozent senken. Die Investition wird sich voraussichtlich innerhalb von vier Jahren bezahlt machen.
„Die Zeiten ändern sich“, sagt Grön. „Die Stadtverwaltungen fangen langsam an, über die Kosten der Wasserversorgung und die verfügbaren Verbesserungsmöglichkeiten nachzudenken.“
Smarte Wasser- und Energielösungen für die Zukunft
Einem Bericht der „Energy and Water in a Warming World Initiative“ zufolge werden effizientere Technologien bei der Lösung des Energie-Wasser-Konflikts eine wichtige Rolle spielen. Der Bericht mit dem Titel „Freshwater Use by U.S. Power Plants“ aus dem Jahr 2011 gibt an, dass „Entwickler und Versorgungsbetriebe Energie-Wasser-Konflikte vermeiden, indem sie in Energieeffizienz investieren und zudem Technologien wie Windkraft und Photovoltaik wählen, die praktisch kein Wasser benötigen.“
Die Anlage Ivanpah Solar Electric Generating System beispielsweise, ein im Bau befindliches 370-Megawatt-Kraftwerk in der kalifornischen Mojave-Wüste, verwendet trockene Kühlverfahren, die pro Stromeinheit 90 Prozent weniger Wasser verbrauchen als Wasserkühlanlagen desselben Typs. In einem anderen Kraftwerk im texanischen Amarillo konnte der chronische Wassermangel dadurch behoben werden, dass man zur Kühlung der Anlage nunmehr aufbereitetes Abwasser verwendet.
„Beim Bau eines neuen Kraftwerks fallen Entscheidungen, die uns über mehrere Jahrzehnte begleiten“, sagt Peter Frumhoff, Leiter des wissenschaftlichen Beirats für den Bericht. „Indem sie in effiziente, emissionsarme Kraftwerke mit niedrigem Wasserverbrauch investieren, können Versorgungsbetriebe und Anlagenbesitzer zum Schutz der Wasserreserven beitragen, die für unsere Kinder und Enkel lebenswichtig sind.“