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Geht uns das Wasser aus? Tropfen für Tropfen aus der Krise

21. November 2018

Der globale Süßwasserbedarf steigt rasant. Wissenschaftler weltweit tüfteln an cleveren, nachhaltigen Lösungen.

Da die Weltbevölkerung in rasantem Tempo weiterwächst, ist auch der Süßwasserbedarf ungebrochen. Auch wenn man sich ändernde Wetterbedingungen nicht berücksichtigt, die wie kürzlich in Kalifornien und am Horn von Afrika zu regionalen Dürren beitragen, so schätzt man, dass der Süßwasserbedarf für die landwirtschaftliche, industrielle und kommunale Nutzung zwischen 2000 und 2030 weltweit um 50 % zunehmen wird.

Doch die Wasserversorgung hält mit der Nachfrage nicht Schritt. Bis 2030, so die Prognose der Wissenschaftler, klafft zwischen dem geschätzten Bedarf und der tatsächlich verfügbaren Wassermenge eine Lücke von 40 %.

Eine derartige Situation ist nicht nachhaltig. Um eine wachsende Weltbevölkerung mit immer größerer Nachfrage zu unterstützen, müssen wir die Krise des Wassermangels in Angriff nehmen – aber wo finden wir das Wasser, das wir brauchen?

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Die Reserven des Planeten erschließen

Eine Möglichkeit, mehr Süßwasser zu finden, besteht darin, zuallererst die Art und Weise, wie wir mit unserem Wasser umgehen, zu verbessern.

Süßwasser wird für so gut wie alles benötigt. Salzwasser ist für die meisten Pflanzen und Tiere giftig und führt zur Korrosion von Maschinen. Daher wird in Landwirtschaft, Industrie und Privathaushalten fast nur Süßwasser verwendet.

Leider sind nur 3 % des weltweit verfügbaren Wassers Süßwasser und das meiste davon ist in Gletschern und Eiskappen gefroren. Tatsächlich sind gerade einmal 0,5 % der globalen Wasservorräte praktisch nutzbar.

Doch die Wissenschaft hilft uns dabei, die restlichen 97 % zu erschließen – vorwiegend durch immer mehr Experimente mit der Entsalzung, sprich dem Entzug von Salz aus Meerwasser. Es gibt drei Haupttechnologien, um Wasser zu entsalzen: thermisch, elektrisch und pneumatisch. Bis vor Kurzem war es jedoch extrem unpraktisch und teuer, dies in großem Maßstab zu tun.

Das Entsalzen großer Wassermengen ist noch immer schwierig, doch jüngste Fortschritte haben die praktische Anwendung soweit verbessert, dass im Nahen Osten bereits eine Großindustrie entstanden ist. Im Jahr 2015 bezog Israel 40 % seines Süßwasserbedarfs aus der Entsalzung, und man rechnet damit, dass dieser Wert bis 2050 bei 70 % liegen wird.

Frischere Felder: Lösungen für die Landwirtschaft

Süßwasser spielt vor allem eine wichtige Rolle beim Anbau von Nutzpflanzen, die uns als Nahrungsmittel dienen. Etwa 69 % der gesamten Süßwasserentnahme weltweit fließen in die Landwirtschaft – eine Zahl, die in den meisten weniger weit entwickelten Ländern der Erde sogar auf mehr als 90 % ansteigt. Sollte der globale Wasserverbrauch in der Landwirtschaft bis 2050 Schätzungen zufolge um zirka  20 % steigen, müssen Landwirte das Wasser effizienter nutzen.

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Part of the problem, though, is the inherent difficulty of irrigation inefficiency – a challenge that has plagued farmers since the dawn of agriculture, some 12,000 years ago.

Typical irrigation works by spraying crops equally with water – or by applying inefficient flood irrigation techniques, where water is run through fields in channels. But a field isn’t just a uniform patch of land – there can be variability in soil quality, nutrient availability, topography, and crop type, often within the space of a few meters – all of which can determine how much water will be needed.

Until recently, farmers would have to judge this by experience and knowledge alone. The vast amounts of data that could have informed more efficient application of water to crops would have been too much to measure, let alone analyze. But with the spread of data and analytics technology, it’s allowing farmers an unprecedented level of insight into their land and their water needs.

But all that data and analytics is no use without cutting-edge irrigation technologies to get the water to where it’s needed. Drip irrigation, for instance, can provide water-use efficiency of more than 95%, “that translates to a water-use reduction of more than 60% over traditional flooding methods,” says Holger Weckwert, Global Segment Manager, Fruits & Vegetables and Insecticides at Bayer. The system works through pipelines running along the ground that can deliver precise quantities of water, nutrients and protective products exactly where they are needed.

Or you can target the crops themselves. Not all plants are created equally thirsty – some have substantially lower demand for water than others. By focusing on less water-intensive crops, farmers can maintain yields whilst improving water usage. And the addition of certain microbes to the soil can actually help encourage root growth, enabling plants to thrive on far less water than they would usually require.

With the application of genetic science, this gets even more sophisticated. Rice comes in two varieties: lowland rice and upland rice. Lowland rice needs to be grown in extremely water-intensive paddy fields. Upland rice, on the other hand, can be grown in much drier soil.

By identifying, isolating and transferring the genes that confer this resilience in upland rice to lowland rice, agriculturists can tailor crops to available conditions, rather than bringing water to the crops. In the language of economics, they can develop a demand-side solution to water management.

Wassereinsparung in der Stadt

Auch städtische Gebiete verbrauchen riesige Mengen an Wasser und belasten dadurch die Ressourcen des Planeten erheblich. Einer der ersten Schritte in Richtung zuverlässige Süßwasserversorgung für die Zukunft ist daher, die vorhandene Wasserinfrastruktur zu sanieren.

In den USA wurde der Großteil der derzeitigen Wasserinfrastruktur (also Rohrleitungen und Dämme) vor fast 100 Jahren verlegt bzw. gebaut und nähert sich dem Ende seiner Betriebszeit. Eine Sanierung ist kein kleines Unterfangen. Die Vereinigung der amerikanischen Wasserwerke schätzt, dass dies in den kommenden 25 Jahren rund 1 Billion US-$ kosten könnte.

Eine andere häufige Reaktion auf Wassermangel war bisher – überwiegend in städtischen Gebieten – die Umverteilung des Wassers von der Bewässerungslandwirtschaft zu nicht landwirtschaftlicher Wassernutzung, doch dies kann sich verheerend auf die ländliche Bevölkerung auswirken. Eine nachhaltigere Lösung für Städte und Industrie ist, die Landwirte für die Modernisierung ihrer Bewässerungsinfrastruktur zu bezahlen, damit sie mit weniger Wasser den gleichen Ernteertrag erzielen und den Städten das überschüssige Wasser überlassen, das diese für ihr Wachstum brauchen.

Über 80 % des Abwassers weltweit gelangen unaufbereitet in die Umwelt – in manchen weniger weit entwickelten Ländern sind es sogar über 95 %. Eine Möglichkeit zur Wiederverwendung von aufbereitetem Abwasser wäre es, einen zuverlässigen Wasservorrat anzulegen. Mit diesem könnte man unabhängig von jahreszeitlich bedingten Dürreperioden und Witterungsschwankungen die Spitzenzeiten der Wassernachfrage überbrücken.

Die Wasseraufbereitung erfolgt traditionell mithilfe von Mikroben aufbereitet. Bakterien werden dem Abwasser zugegeben, um schädliche Produkte aufzuspalten, so dass es dem Wasserkreislauf bedenkenlos wieder zugeführt werden kann. Bei dieser Abwasserreinigung entsteht jedoch Klärschlamm als Abfallprodukt, der vor der Entsorgung aufbereitet werden muss. Hierzu sind erhebliche Mengen an Energie erforderlich, beispielsweise werden 35 % der städtischen Energieetats in den USA für die Wasseraufbereitung ausgegeben.

Bestimmte Mikroben produzieren beim Abbau von Abfallprodukten Elektronen oder Wärme, so dass sich der gesamte Ablauf in eine Energiequelle verwandelt. Wird der Prozess in einer Bio-Brennstoffzelle eingefangen, kann der Abbau von Abwasser die eigene Energie für den Prozess liefern – und wird so zu einem sich selbst tragenden System. Bio-Brennstoffzellen können den Energiebedarf effektiv auf null reduzieren, so dass Millionen Menschen Zugang zu günstigerem, sauberem Wasser haben.

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Durst nach neuen Ideen

Solche innovativen Ansätze sind unverzichtbar, wenn die Welt nach neuen Wegen sucht, um ihren Durst nach Wasser zu stillen. Eine Lösung, die in einem Fall funktioniert, ist möglicherweise nicht für einen anderen geeignet. Vielfach müssen wir die Lösungsansätze auch kombinieren, um diese wachsende Herausforderung zu meistern.

Doch es werden Fortschritte erzielt: Wissenschaftler in aller Welt erkunden aktiv neue Konzepte und Lösungen, um einen potenziellen globalen Wassermangel in einen Katalysator für eine effizientere, effektivere und nachhaltigere Gesellschaft zu verwandeln.

 

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