Design and assessment of green desalination solutions for the Middle East

Janowitz, Daniel; Wintgens, Thomas Josef; Nacken, Heribert

doi:HT031357561

Design and assessment of green desalination solutions for the Middle East

Janowitz, Daniel^RWTH*

2025 & 2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Daniel Janowitz

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2026

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Wintgens, Thomas Josef (Thesis advisor)^RWTH* ; Nacken, Heribert (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-11-28

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-10649
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1023386/files/1023386.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft und Wassergütewirtschaft und Institut für Siedlungswasserwirtschaft (314110)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Bis zum Jahr 2050 könnten nahezu sechs Milliarden Menschen von Trinkwasserknappheit betroffen sein – verursacht durch steigende Nachfrage, übernutzte Ressourcen sowie den kombinierten Druck von Bevölkerungswachstum und wirtschaftlicher Entwicklung. Gleichzeitig erfordert die Bekämpfung des globalen Klimawandels einen raschen Übergang zu einer CO₂-neutralen Gesellschaft, die auf erneuerbaren Energien basiert. Diese Arbeit untersucht den Wasser-Energie-Nexus im Kontext nachhaltiger Entwicklung mit Fokus auf großtechnische Meerwasserentsalzung und deren Integration mit erneuerbaren Energien im Nahen Osten. Im Zentrum der Arbeit stehen die ökologischen, räumlichen und politischen Herausforderungen bei der großskalogen Realisierung von Meerwasserentsalzungsanlagen. Besonderes Augenmerk gilt den Wechselwirkungen zwischen Wasser, Energie, Landnutzung und empfindlichen salinen Ökosystemen im Nahen Osten. Vor dem Hintergrund des komplexen regionalen Kooperationsrahmens zwischen Israel, Jordanien und Palästina wurden innovative, standortspezifische Entsalzungskonzepte entwickelt, die auf technischen Simulationen und wirtschaftlichen Analysen basieren. Offshore-Entsalzungsanlagen auf künstlichen Inseln werden als realistische Alternative zu konventionellen Onshore-Anlagen bewertet. Diese Offshore Lösungen können Umweltbelastungen durch Wasserentnahme und Konzentrateinleitung verringern, bringen jedoch Zielkonflikte mit sich – etwa durch veränderte Sedimentdynamik, Küstenströmungen oder den erhöhten Bedarf an Baumaterialien. Die Ergebnisse zeigen, dass die Baukosten künstlicher Inseln im Vergleich zu den Energieaufwendungen relativ gering sind – insbesondere bei optimaler Offshore-Lage und sind somit geringer auf die resultierenden Wasserkosten auswirken. Für die Wasserversorgung im Landesinneren schlägt die Arbeit großtechnische Entsalzungsanlagen nördlich des Toten Meers vor, die Jordanien und Palästina versorgen und das Tote Meer als nachhaltige Konzentratsenke nutzen. Diese Anlagen sollen mit Nanofiltrationspermeat betrieben werden, das im Vergleich zur direkten Meerwasserentsalzung energieeffizienter und betrieblich vorteilhafter ist. Die Versorgung mit Nanofiltrationspermeat aus dem Mittelmeerraum über Israel bietet gegenüber Alternativen ausgehend vom Roten Meer ökonomische und ökologische Vorteile – unter anderem durch geringere Stromkosten, reduzierte Förderhöhen und kürzere Transportwege. Darüber hinaus umgeht die Mittelmeerroute ökologisch sensible Grundwasserleiter wie den Wadi-Araba Aquifer. Ein Wasser-Energie-Tausch wird vorgeschlagen, bei dem Israel Jordanien mit Nanofiltrationspermeat versorgt und im Gegenzug erneuerbaren Strom erhält. Dieses Modell stärkt die regionale Kooperation und ermöglicht es, Nanofiltrationspermeat und Konzentrat zur Stabilisierung des sinkenden Pegels im Toten Meer zu nutzen. Im Vergleich zu Meerwasser oder Meerwasserkonzentrate verringert Nanofiltrationspermeat deutlich das Umweltrisiko – sowohl für das Grundwasser als auch für das Ökosystem des Toten Meers, etwa durch minimiertes Gipsausfällungspotenzial oder die Vermeidung von Nährstoffeinträgen, die Algenblüten fördern könnten. Die Integration großflächiger Photovoltaiksysteme mit Meerwasser-Umkehrosmoseanlagen und Wasserinfrastruktur wurde ebenfalls untersucht. Netzgekoppelte Systeme mit zeitvariablen Pumpstrategien können den Anteil erneuerbarer Energie erhöhen und die Abhängigkeit von teuren Energiespeichersystemen verringern. Unter den verschiedenen Betriebsmodi zeigt sich der Betrieb mit konstantem Konzentratstrom als besonders kompatibel mit der schwankenden Solarstromerzeugung – mit Vorteilen für die Energierückgewinnung und die Betriebssicherheit der Membranen. Insgesamt präsentiert die Arbeit technisch und ökonomisch tragfähige Strategien für eine nachhaltige, großtechnische Entsalzung im Nahen Osten. Die Lösungen sind ökologisch verträglich, energieeffizient und förderlich für die regionale Kooperation in einer der weltweit am stärksten von Wasserknappheit betroffenen Regionen.

By 2050, nearly six billion people may face potable water shortages due to growing demand, overexploited resources, and the combined pressures of population and economic growth. Simultaneously, addressing global climate change requires a rapid transition toward carbon neutrality, powered by renewable energy. This thesis explores the water-energy nexus within the context of sustainable development, focusing on large-scale seawater desalination and its integration with renewable energy in the Middle East. In particular, the thesis investigates the environmental, spatial, and political complexities of deploying desalination technologies at scale, with a particular emphasis on the interlinked challenges of water, energy, land use, and fragile saline ecosystems in the Middle East. Considering the complex regional cooperation framework between Israel, Jordan, and Palestine, the research proposes innovative, site-specific desalination concepts informed by technical simulations and economic analyses. Offshore desalination plants built on artificial islands are assessed as a viable alternative to conventional onshore systems. These offshore configurations can reduce environmental impacts from intake and brine discharge systems, though trade-offs arise in terms of altered sediment dynamics, coastal circulation, and construction material needs. The results show that construction costs for artificial islands are relatively minor compared to energy costs, especially when located optimally offshore. For inland water supply, the thesis proposes large-scale desalination plants north of the Dead Sea to serve Jordan and Palestine, using the Dead Sea as a sustainable brine sink. These plants would utilise nanofiltration permeate, which is less energy intensive and operationally favourable compared to direct seawater treatment, as feedwater. Supplying the nanofiltration permeate from the Mediterranean Sea from Israel offers cost and environmental advantages over Red Sea alternatives, including lower electricity costs, reduced pumping heights, and shorter transport distances. Moreover, the Mediterranean route avoids ecologically sensitive aquifers such as Wadi Araba. A water-energy exchange model is introduced, enabling Israel to provide nanofiltration permeate to Jordan in return for renewable electricity. This arrangement enhances regional cooperation and allows the resulting permeate and brine to contribute to stabilising the declining Dead Sea water level. Compared to seawater or brine, nanofiltration permeate significantly reduces environmental risks, including groundwater contamination and adverse impacts on the Dead Sea ecosystem, such as gypsum precipitation or algal blooms. The integration of large-scale photovoltaic systems with seawater reverse osmosis desalination and water conveyance infrastructure is also evaluated. Grid-connected systems that use time-variable pumping strategies can increase the share of renewable electricity while reducing dependency on costly energy storage solutions. Among operational modes, the constant concentrate flow operating mode is shown to be most compatible with fluctuating solar power generation, optimising energy recovery and maintaining membrane safety. Ultimately, the thesis presents technically and economically viable strategies for sustainable, large-scale desalination in the Middle East. The solutions are environmentally friendly, energy-efficient, and supportive of regional cooperation in one of the world’s most water-stressed regions.

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