Wassergewinnung aus der Umgebungsluft – eine Alternative nicht nur für aride Gebiete

6|2025 FÜR ANWENDUNGSBEZOGENE WISSENSCHAFT UND KUNST Impressum Nachhaltige Wasserwirtschaft – HAW als Treiber für Innovationen Kohlenbach, Paul; Müller, Johannes Max: Wassergewinnung aus der Umgebungsluft – eine Alternative nicht nur für aride Gebiete In: Die Neue Hochschule, 2025-6, S. 12–15. Permalink: https://doi.org/10.5281/zenodo.17398085 Persistent Identifier bei der Deutschen Nationalbibliothek: https://nbn-resolving.org/ urn:nbn:de:101:1-2025021236 Herausgeber: hlb-Bundesvereinigung e. V. 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ISSN 0340-448 x 12 DNH 6 | 2025 NACHHALTIGE WASSERWIRTSCHAFT – HAW ALS TREIBER FÜR INNOVATIONEN Permalink: https://doi.org/10.5281/zenodo.17398085 Wassergewinnung aus der Umgebungsluft – eine Alternative nicht nur für aride Gebiete Je nach Klimazone kann man mit der vorgestellten Anlage täglich bis zu 32 Liter Wasser pro Tag im Süden Europas/Nordafrika gewinnen, während in Nordund Osteuropa realistisch etwa zehn Liter pro Tag erreichbar sind. Prof. Dr. Paul Kohlenbach und Johannes Max Müller PROF. DR. PAUL KOHLENBACH Professor für Maschinenbau/ Erneuerbare Energien [email protected] JOHANNES MAX MÜLLER Master of Science wissenschaftlicher Mitarbeiter Promovend Maschinenbau/ Erneuerbare Energien [email protected] beide: Berliner Hochschule für Technik BHT Fachbereich VIII Maschinenbau, Veranstaltungstechnik, Verfahrenstechnik Luxemburger Straße 10 13353 Berlin Foto: privatFoto: privat Im Jahr 2022 hatten weltweit knapp 3,6 Milliarden Menschen mindestens einen Monat lang keinen ausreichen - den Zugang zu Trinkwasser. Besonders betroffen sind aride Regionen wie der Süden Afrikas, Teile Nordamerikas, der Iran sowie der Mittelmeerraum (Ravinandrasana, Franzke 2025). Der Klimawandel verschärft bestehende Situationen: Dürreperioden werden länger, die Verdunstung nimmt aufgrund steigender Temperaturen zu und Niederschlagsmuster verändern sich. Dadurch gerät der globale Wasserkreislauf zunehmend aus dem Gleichgewicht, extreme Trockenheit und heftige Überschwemmungen treten oftmals zeitgleich auf. Dieser Trend stellt die Wasserversorgung vieler Regionen auf allen Kontinenten vor große Herausforderungen. Jede verfügbare Wasserressource sollte genutzt werden, um die Klimaresilienz auf der Welt zu steigern. Ziel ist es, eine möglichst nachhaltige Wasserwirtschaft zu implementieren. Der globale Süßwasserverbrauch liegt bei rund 4.000 km3 pro Jahr. Doch gerade Grundwasser, Flüsse und Seen, die klassischen Quellen für Trinkwasser, sind in ariden und semi-ariden Regionen häufig knapp. Bestehende Alternativen wie Meerwasser-Entsalzungsanlagen benötigen große Energiemengen, die immer noch vorwiegend durch die Verbrennung von Öl und Gas bereitgestellt werden. Zusätzlich produzieren diese Anlagen neben Trinkwasser hochkonzentrierte Salzlake, die die anliegenden marinen Ökosysteme belastet (World Economic Forum 2022). Eine alternative Wasserquelle könnte buchstäblich „von oben“ kommen: aus der Atmosphäre. Durch die steigenden Temperaturen wird Wasserdampf vermehrt in die Atmosphäre freigesetzt. Durch den Wasserkreislauf befinden sich während eines Jahres ca. 500.000 km 3 Wasserdampf „über unseren Köpfen“. Das entspricht dem 125-Fachen des jährlichen globalen Wasserverbrauchs. Überall auf der Welt ist dieses Wasser für alle Menschen in Form von Luftfeuchte verfügbar (Wetter und Klima – Deutscher Wetterdienst 2022). Diese alternative Wasserquelle lässt sich durch atmosphärische Wassergewinnung erschließen. Atmosphärische Wassergewinnung kann über zwei Wege erfolgen: durch (i) direkte Kondensation oder (ii) Adsorption. Direkte Kondensation kühlt die Luft unmittelbar unter den Taupunkt, d. h. bis Kondensation eintritt, ab. In ariden Gebieten wie in Teilen Nordafri - kas, die sich durch geringe Luftfeuchte auszeichnen, muss die Luft dazu auf bis zu –15 °C abgekühlt werden. Diese Abkühlung benötigt viel Energie. Adsorptionbasierte Wassergewinnung aus der Umgebungsluft umgeht diesen Energiebedarf, in dem die Luftfeuchte in einem Sorptionsmaterial zwischengespeichert wird und erst durch Einsatz von Wärme wieder freigesetzt wird. Dafür können sowohl konventionelle als auch nachhaltige Energiequellen wie Solarenergie oder Abwärme von Rechenzentren eingesetzt werden. Nachfolgend wird die an der Berliner Hochschule für Technik (BHT) eingesetzte energiesparende und nachhaltige Methode vorgestellt (Müller, Kohlenbach 2025). Funktionsweise An der BHT werden in Kooperation mit Industriepartnern entwickelte Prototypen der Anlage getestet und weiterentwickelt. Der in diesem Artikel vorgestellte Prototyp der AWAU wird nebenbei schematisch dargestellt. Der Betrieb 13 DNH 6 | 2025 NACHHALTIGE WASSERWIRTSCHAFT – HAW ALS TREIBER FÜR INNOVATIONEN erfolgt in einem wiederkehrenden Zyklus mit zwei Phasen: Adsorption und Desorption. In der Adsorptionsphase (siehe Abbildung 1 (a)) wird Umgebungsluft in das System eingesaugt. Das Sorptionsmaterial (Silikagel – SiO₂) bindet aufgrund seiner stoffspezifischen Eigenschaften den in der Luft enthaltenen Wasserdampf, selbst bei sehr geringen relativen Luftfeuchten von bis zu nur fünf Prozent (Schweng et al. 2023). Der Wasserdampf wird im Sorptionsrohr zwischengespeichert, während die getrocknete Restluft wieder aus dem System entweicht. Um das adsorbierte Wasser nach der Adsorptionsphase wieder aus dem Material zu lösen, wird ein Energieeintrag benötigt, da sich das Sorptionsmaterial erwärmen muss. Dieser Energieeintrag erfolgt über Solarenergie, dargestellt als Desorptionsphase (siehe Abbildung 1 (b)). An der BHT wird dazu eine künstliche Sonne verwendet, die das reale Strahlungsspektrum der Sonne imitiert. Der so aus dem Material desorbierte Wasserdampf wird von der durchströmenden Luft im Sorptionsrohr aufgenommen, die sich ebenfalls durch die Wärmezufuhr stark erwärmt und so sehr viel Wasserdampf aufnehmen kann. Diese erwärmte, feuchte Luft (ca. 80 °C, 95 Prozent relative Luftfeucht) tritt in den Kondensator ein, welcher bei Umgebungstemperatur arbeitet. Die Luft wird darin abgekühlt und Kondensation findet statt. Das kondensierte Wasser tropft ab und wird anschließend in Trinkwasser aufbereitet (mineralisiert). Diese zwei Phasen finden im Nacht-(Adsorptions-)/Tag- (Desorptions-)Zyklus statt. Pro Tag erfolgt also genau je eine Adund eine Desorptionsphase. Der verwendete Prototyp besteht aus vier parallelen Sorptionsrohren und Kondensatoren. Der Prototyp befindet sich während der Desorptionsphase unter der künst - lichen Sonne der BHT (siehe Abbildung 2). Ergebnisse Die Experimente wurden unter verschiedenen klimatischen Eintrittsbedingungen der Luft durchgeführt (siehe Abbildung 3). Absolute und relative Luftfeuchte sind in Kombination mit der Temperatur in einem psychrometrischen Diagramm dargestellt. Die unterschiedlichen klimatischen Bedingungen bei der Vermessung des Prototyps sind als Quadrate markiert. Es wurden bisher experimentelle Daten zwischen 20 und 80 Prozent relativer Luftfeuchte gesammelt. Die Temperatur der Umgebung, sprich der Luftzufuhr, lag dabei zwischen 21 und 29 °C, diese wurde als Trockenkugeltemperatur aufgenommen. Die gezeigten klimatischen Bedingungen stellen die Durchschnittswerte der Temperatur und Luftfeuchte während der Adsorptionsphase dar, die die adsorbierte Wassermasse maßgeblich beeinflussen. Während der Desorption ist die solare Einstrahlung entscheidend. „Jede verfügbare Wasserressource sollte genutzt werden, um die Klimaresilienz auf der Welt zu steigern.“ Abbildung 1: Schematische Darstellung der adsorptionsbasierten Wassergewinnung aus der Umgebungsluft Abbildung 2: Atmosphärischer Wassergewinner unter der künstlichen Sonne während der Desorptionsphase 14 DNH 6 | 2025 NACHHALTIGE WASSERWIRTSCHAFT – HAW ALS TREIBER FÜR INNOVATIONEN Hier wurde eine durchschnittliche Strahlungsleistung von 665 W/m2 für alle Messungen gewählt. Zur Einordnung in einen globalen Kontext und zur Ermöglichung globaler Vergleichswerte wurde die Köppen-Geiger-Klassifikation herangezogen. Als Vergleichsbasis dienen gemittelte Klimadaten von Europa mit einer räumlichen Auflösung von 1 km2 für den Monat Juli im Zeitraum von 1991 bis 2020 (Beck et al. 2023), siehe Abbildung 4. Weiterhin werden die zu erwartenden täglichen Trinkwassermengen an ausgewählten Orten in Europa und Nordafrika gezeigt. Diese Wassermengen pro Tag sind für ein System mit 100 Rohren (der BHT-Prototyp arbeitet aus Platzgründen nur mit vier Rohren) aus den experimentell aufgenommenen Wassermengen skaliert worden. Eine Anlage mit 100 Rohren benötigt eine Aufstellfläche von ca. 20 m 2 . Es ist erkennbar, dass sich die möglichen Trinkwassermengen in Europa und Nordafrika zwischen 10 und 32 Liter pro Tag bewegen. Beispielhafte Werte sind: –Ukraine (Klimaklasse Dfa, sommerheißes feuchtes Kontinentalklima): 10 Liter pro Tag –Iberische Halbinsel (Klimaklasse BSh, subtropisches Steppenklima): 19 Liter pro Tag –Berlin (Klimaklasse Cfb, gemäßigtes ozeanisches Klima): 21 Liter pro Tag –Apenninhalbinsel (Klimaklasse Csa, sommerheißes Mittelmeerklima): 27 Liter pro Tag. –Tunesien, Nordafrika (Klimaklasse BWh, tropischsubtropische heiße Wüsten): 32 Liter pro Tag Zusammenfassung und Ausblick In dieser Studie wird eine innovative Technologie für nachhaltige Wassergewinnung vorgestellt, welche die Atmosphäre als Wasserquelle benutzt: adsorptionsbasierte Wassergewinnung aus der Umgebungsluft. Der Prozess erfolgt in zwei Phasen, die alternierend durchlaufen und primär durch Solarenergie angetrieben werden. An der BHT wurde ein Prototyp in Zusammenhang mit Industriepartnern entwickelt und bei verschieden klimatischen Bedingungen vermessen. Abhängig von Temperatur und Luftfeuchte können die gemessenen Wassererträge in die Köppen-Geiger-Klassen kategorisiert werden. Auf europäischer Ebene sind die Wassererträge für einen auf kommerzielle Größe skalierten Prototypen in verschiedenen Klimazonen der Köppen-Geiger-Klassen ermittelt worden. Die Ergebnisse zeigen Wassererträge zwischen 10 und 32 Liter am Tag, abhängig vom Standort. Diese Technologie stellt eine potenzielle Alternative für nachhaltige, energiesparsame Wasserwirtschaft dar. Perspektivisch sollen weitere Sorptionsmaterialien erforscht und Datenpunkte für Klimazonen gesammelt werden, die noch nicht im Spektrum der aufgenommenen experimentellen Daten enthalten sind. Auch eine Promotion zur Modellierung der Wassererträge in globalem Maßstab mittels eines digitalen Twins der Anlage läuft dazu derzeit an der BHT. Abbildung 3: Psychrometrisches Diagramm der experimentellen Eintrittsbedingungen der Luft in den Prototypen. Jeder experimentelle Datenpunkt ist mit der zugehörigen Nummer als Quadrat markiert. Linien konstanter relativer Luftfeuchte (engl. relative humidity, RH) sind farblich gekennzeichnet. 15 DNH 6 | 2025 NACHHALTIGE WASSERWIRTSCHAFT – HAW ALS TREIBER FÜR INNOVATIONEN Beck, Hylke; McVicar, Tim; Vergopolan, Noemi; Berg, Alexis; Lutsko, Nicholas; Dufour, Ambroise; Zeng, Zhenthong; Jiang, Xin; van Dijk, Albert; Miralles, Diego (2023): High-resolution (1 km) Köppen-Geiger maps for 1901–2099 based on constrained CMIP6 projections. Scientifi c Data, 10(1), 724. https://doi.org/10.1038/s41597-023-02549-6 Padmanathan, Paddy: Can desalination be a sustainable solution to the water crisis? (2022, June 29). World Economic Forum. https://www.weforum.org/stories/2022/06/technology-and-entrepreneurship-can-quench-our-parched-world/ – Abruf am 05.10.2025. Müller, Johannes Max; Kohlenbach, Paul (2025): Heat-Driven Atmospheric Water Harvesting Device – Theoretical Model and Experimental Results in Sohel Murshed (Ed.) 11th Heat Powered Cycles Conference, Lisbon, Portugal. https://www.researchgate.net/publication/386251458_11th_Heat_Powered_Cycles_Conference_Lisbon_Portugal, S. 54-67. Ravinandrasana, Vecchia; Franzke, Christian (2025): The fi rst emergence of unprecedented global water scarcity in the Anthropocene. Nature Communications, 16 (1), 8281. https://doi.org/10.1038/s41467-025-63784-6 Schweng, Paul; Li, Changxia; Guggenberger, Patrick; Kleitz, Freddy; Woodward, Robert (2023): A sulfonated covalent organic framework for atmospheric water harvesting. https://doi.org/10.26434/chemrxiv-2023-mlmlv Deutscher Wetterdienst: Thema des Tages. Wasser – Wichtig und spannend zugleich. Teil 5. (n. d.). Abruf am 02.10.2025, https:// www.dwd.de/DE/wetter/thema_des_tages/2022/11/16.html Abbildung 4: Wasserausbeute je Tag und Standort aus adsorptionsbasierter atmosphärischer Wassergewinnung eingeordnet in die Köppen-Geiger-Klassifi zierung. Die gezeigten Wassermengen pro Tag beruhen auf den experimentellen Ergebnissen des BHT-Prototyps, wurden jedoch auf ein größeres System mit 100 Rohren statt 4 (Faktor 25) skaliert.