Wasser und Energie: eine Schleife in beide Richtungen
Der Wasserversorger einer Stadt ist häufig ihr größter einzelner Stromverbraucher, und wenige würden das als Kategorie des Energieverbrauchs nennen. Die Verbindung läuft in beide Richtungen und wird enger, je knapper das Wasser wird und je mehr sich die Erzeugung verschiebt.
Warum Wasser zu bewegen so viel kostet
Ein Kubikmeter Wasser wiegt eine Tonne. Ihn einen Meter zu heben kostet eine feste, von der Schwerkraft gesetzte Energiemenge, und keine Technik unterbietet das - Pumpen können sich dem theoretischen Minimum nähern, aber nicht darunter gehen. Eine Stadt, die Wasser aus einem Tal bezieht und in einen Hangvorort liefert, zahlt diese Kosten für jeden Kubikmeter, jeden Tag, dauerhaft.
Das macht die Topografie zu einer dauerhaften Bestimmungsgröße des Energieverbrauchs eines Wassersystems. Städte, die im Freigefälle aus Höhenspeichern versorgt werden, brauchen für die Verteilung sehr wenig Energie; Städte, die aus einem Fluss oder Grundwasserleiter auf höheres Gelände pumpen, sehr viel. Der Unterschied ist geografisch und lässt sich nicht wegkonstruieren.
Die Fernüberleitung ist der Extremfall. Das kalifornische State Water Project, das Wasser hunderte Kilometer weit und über einen Gebirgszug bewegt, gehört zu den größten einzelnen Stromverbrauchern des Bundesstaats. Mehrere Vorschläge, regionale Wasserknappheit durch Überleitung zu lösen, sind vor allem durch die Energie begrenzt, die das Pumpen bräuchte.
Undichtigkeit verstärkt alles. Ein Verteilnetz, das einen erheblichen Teil seines Wassers verliert, hat die Pump- und Aufbereitungsenergie für jeden entweichenden Liter bereits aufgewendet. Wo die Verluste zwanzig bis dreißig Prozent erreichen, ist Leckagereduktion zugleich eine Wasser- und eine Effizienzmaßnahme, und sie wird oft allein mit dem Wasser begründet, liefert aber beides.
Aufbereitung an beiden Enden
Die Trinkwasseraufbereitung - Filtration, Desinfektion, mitunter Membranen - kommt zu den Pumpkosten hinzu, ist bei den meisten herkömmlichen Quellen aber der kleinere Teil. Die Energie steigt steil, wenn die Rohwasserqualität fällt, weshalb eine belastete Quelle nicht nur im Risiko, sondern auch energetisch teuer ist.
Die Abwasserbehandlung ist die größere und weniger sichtbare Hälfte. Die biologische Reinigungsstufe beruht darauf, das Wasser zu belüften, damit Bakterien organische Stoffe abbauen können, und Luft ins Wasser zu pressen ist energieintensiv. Allein die Belüftung macht typisch mehr als die Hälfte des Stroms einer Kläranlage aus.
Diese Anlage sitzt zugleich auf einer Brennstoffquelle. Die anaerobe Faulung des Klärschlamms erzeugt Biogas, und Anlagen, die es auffangen und verbrennen, können einen großen Teil ihres eigenen Stroms decken - in manchen Fällen den ganzen. Das ist eine der unkompliziertesten verfügbaren Biomasse-Anwendungen, verlangt keine neue Rohstoffkette und bleibt an vielen Standorten ungenutzt.
Die Entwicklungsrichtung erhöht den Druck. Strengere Vorgaben für Nährstoffe, Spurenstoffe und Arzneimittelrückstände verlangen zusätzliche Reinigungsstufen, und jede Stufe kostet Energie. Sauberes Wasser und niedriger Energieverbrauch ziehen hier gegeneinander, und das ist eine echte Abwägung und kein Planungsfehler.
Was Kraftwerke nehmen
Ein thermisches Kraftwerk - Kohle, Gas, Kern oder konzentrierende Solarthermie - wandelt Wärme in Strom und muss die verbleibende Wärme irgendwohin abgeben. Dieses Irgendwohin ist meist Wasser.
Die Durchlaufkühlung entnimmt gewaltige Mengen aus einem Fluss oder dem Meer, führt sie durch einen Kondensator und gibt sie einige Grad wärmer zurück. Die Entnahme ist sehr groß und der Verbrauch klein, weil fast alles zurückgeht. Kühltürme entnehmen weit weniger und verbrauchen mehr, weil sie einen Teil verdunsten, um Wärme abzuführen. Welche Bauart gewählt ist, entscheidet, ob eine Anlage durch die Wassermenge oder die Wassertemperatur beschränkt wird.
Beide Beschränkungen greifen in der Praxis. Während europäischer Hitzewellen haben Kernkraftwerke in Frankreich wiederholt die Leistung gesenkt oder abgeschaltet, weil die Flüsse wenig führten und die Rückgabe warmen Wassers ökologische Temperaturgrenzen flussabwärts verletzt hätte. Dieselben Bedingungen, die die Stromnachfrage fürs Kühlen heben, senken die thermische Erzeugungskapazität, und die Korrelation läuft in die falsche Richtung.
Das ist ein struktureller Vorteil von Wind und Photovoltaik, der selten mitgezählt wird: sie brauchen im Betrieb praktisch kein Wasser. In wasserarmen Regionen kann das ebenso viel ausmachen wie die Brennstoffkosten, und es ist einer der wenigen Vergleiche, in denen die nicht-thermischen Quellen ohne Einschränkung gewinnen.
Entsalzung und das Haushaltsende
Süßwasser aus Meerwasser zu gewinnen verlangt, das Salz abzutrennen, und die Thermodynamik setzt ein hartes Minimum. Frühe Anlagen nutzten die thermische Destillation - Verdampfen und Kondensieren - die weit über diesem Minimum lag und die Entsalzung nur dort tragfähig machte, wo Brennstoff nahezu umsonst war.
Die Umkehrosmose hat das verändert, indem sie Wasser unter Druck durch eine Membran presst, was dem theoretischen Minimum weit näher kommt. Zusammen mit Energierückgewinnung, die dem abgehenden Konzentrat den Druck entzieht, brauchen heutige Anlagen einen Bruchteil dessen, was die thermische Destillation verlangte. Die Entsalzung bleibt gegenüber herkömmlicher Versorgung energieintensiv und ist nicht mehr prohibitiv, weshalb die Kapazität am Golf, in Israel, Spanien und Australien rasch gewachsen ist.
Das Konzentrat ist der ungelöste Teil. Zurückgeleitete konzentrierte Sole ist dichter als Meerwasser und sinkt ab, und wo die Verteilung schlecht ist, schädigt sie den Meeresboden. Nicht die Energie, sondern die Einleitung ist zunehmend die Beschränkung dafür, wo eine Anlage stehen kann.
Am Haushaltsende treffen sich die beiden Systeme am unmittelbarsten: Wasser zu erwärmen ist typisch der zweitgrößte Energieverbrauch einer Wohnung nach der Raumwärme. Jeder Liter Warmwasser trägt sowohl die Energie seiner Lieferung als auch die seiner Erwärmung, was eine kürzere Dusche gegenüber den meisten Haushaltshandlungen ungewöhnlich wirksam macht - einer der wenigen Fälle, in denen der naheliegende Rat und die gemessene Wirklichkeit übereinstimmen.
Häufige Fragen
Warum verbraucht die Wasserversorgung so viel Energie?
Weil Wasser dicht ist - ein Kubikmeter wiegt eine Tonne - und das Heben eine der Höhe proportionale Energie verlangt, ein von der Schwerkraft gesetzter Boden, den keine Technik unterbietet. Städte mit Freigefälle aus Höhenspeichern brauchen sehr wenig; Städte, die aus Fluss oder Grundwasser auf höheres Gelände pumpen, sehr viel.
Was verbraucht in einer Kläranlage am meisten Energie?
Die Belüftung in der biologischen Reinigungsstufe, typisch mehr als die Hälfte des Anlagenstroms. Bakterien bauen organische Stoffe ab und brauchen Sauerstoff, und Luft ins Wasser zu pressen ist energieintensiv. Viele Anlagen können davon einen großen Teil ausgleichen, indem sie Biogas aus der Schlammfaulung auffangen.
Wie viel Wasser brauchen Kraftwerke?
Thermische Kraftwerke entnehmen sehr große Kühlwassermengen. Die Durchlaufkühlung entnimmt riesige Mengen und gibt fast alles einige Grad wärmer zurück; Kühltürme entnehmen weniger und verbrauchen durch Verdunstung mehr. Wind und Photovoltaik brauchen im Betrieb praktisch kein Wasser, was in wasserarmen Regionen zählt.
Warum senken Hitzewellen die Kraftwerksleistung?
Weil niedrige Flusswasserstände und hohe Wassertemperaturen die Kühlung begrenzen. Französische Kernkraftwerke haben während Hitzewellen wiederholt gedrosselt, weil die Rückgabe warmen Wassers ökologische Temperaturgrenzen flussabwärts verletzt hätte. Dieselben Bedingungen, die die Kühlnachfrage heben, senken die thermische Erzeugungskapazität.
Ist die Entsalzung noch zu energieintensiv?
Weit weniger als früher. Die Umkehrosmose presst Wasser unter Druck durch eine Membran, weit näher am thermodynamischen Minimum als die thermische Destillation, und die Energierückgewinnung aus dem Konzentrat verbessert das weiter. Sie bleibt gegenüber herkömmlicher Versorgung intensiv, ist aber nicht mehr prohibitiv; die Soleeinleitung wird zunehmend zur bindenden Beschränkung.
