International Polar Foundation – geavanceerde waterzuivering en -filtratie

Innovatief watermanagement in het onderzoeksstation "Princess Elisabeth"

De International Polar Foundation (IPF) vertrouwt op oplossingen van ifm om het doel "zero emission" in het Antarctische gebied te realiseren.

Emissievrije gebouwen worden vanaf 2028 verplicht in Europa. Dat is door de EU besloten. Wat op onze breedtegraden dus nog min of meer toekomstmuziek is, is op Antarctica allang realiteit. Daar trotseert het eerste emissievrije onderzoeksstation , de Princess Elisabeth, de barre omstandigheden. Het iconische en avant-gardistische gebouw biedt plaats aan waarschijnlijk de meest zuidelijke applicatie met automatiseringstechniek van ifm.

Het is een continent van uitersten. Tot 5000 meter dik ijs, een gemiddelde jaartemperatuur van -55 graden Celsius en bijna 6 maanden geen zonlicht: Antarctica is waarschijnlijk de meest onherbergzame plek waar mensen zich permanent kunnen vestigen – en toch reizen onderzoekers regelmatig naar de Zuidpool om in verschillende onderzoeksgebieden te werken, zoals glaciologie, klimaatonderzoek, microbiologie en geologie, om zo de wereld beter te begrijpen.

Om het poolonderzoek te vergemakkelijken en tegelijkertijd het milieu te beschermen, heeft de International Polar Foundation (IPF) in samenwerking met de Belgische regering en talrijk particulaire partners het onderzoeksstation "Princess Elisabeth Antarctica” opgericht. Het station dat in 2009 werd geopend, is uniek: Het is de eerste en tot nu toe enige onderzoeksbasis op Antarctica dat emissievrij opereert. Vier maanden per jaar is het station bewoond, tijdens de overige acht wintermaanden werkt het station autonoom door, verzamelt onderzoeksgegevens en stuurt deze per satelliet naar België.

Emissievrije uitstoot, ook bij het waterverbruik

De elektricteit die nodig is voor het gebruik van de installatie is afkomstige uit wind- en zonne-energie. Sneeuw en ijs leveren het water dat de onderzoekers en technici nodig hebben. En juist op dat vlak, in de waterproductie en -zuivering, ligt een grote verantwoordelijkheid: "Om ook bij het watermanagement te kunnen voldoen aan de eis van de emissievrije uitstoot, is het van cruciaal belang de zuiverheid van het water dat uit de sneeuw wordt gewonnen te herstellen, nadat het is gebruikt en voordat het aan de natuur wordt teruggegeven. Dit is de enige manier waarop we de waterkringloop echt sluiten en onze impact op de Antarctische natuur tot een minimum kunnen beperken", aldus Aymar de Lichtervelde, de ingenieur die verantwoordelijk is voor het project.

Van 16 naar 50 personen

Om dat ook in de toekomst te garanderen, werd in de Antarctische zomer 2023/24 een nieuwe waterzuiveringsinstallatie in bedrijf genomen. "Toen het poolstation in 2009 werd opgericht, was het ontworpen voor 16 personen. Tegenwoordig werken hier in de zomermaanden tussen 40 en 50 personen. De waterzuiveringsinstallatie moest daarom dienovereenkomstig opnieuw gedimensioneerd worden om aan de vraag te kunnen blijven voldoen – en om de grotere volume proceswater te kunnen verwerken."

Hoger recyclingpercentage, lagere energiebehoefte

Wat dat in cijfers betekent, rekent Aymar de Lichtervelde voor: "We gaan uit van een dagelijkse waterbehoefte van ongeveer 50 liter per persoon. Dat is drie keer minder dan het gemiddelde huishoudelijke verbruik in Europa. Het is belangrijk om dit te vermelden omdat, net als bij energie, de eerste stap altijd het verminderen van het verbruik is. In de volgende stap gaat het om de waterwinning: We winnen 60 procent van ons water uit de natuur door sneeuw te smelten, het te verrijken met mineralen en er zo drinkwater van te maken. 40% wordt hergebruikt uit gezuiverd afvalwater." Dit hoge aandeel hergebruikt water is te danken aan de nieuwe zuiveringsinstallatie - voorheen kon slechts 20 procent van het water worden hergebruikt. Deze verhoging heeft een positief effect op de energiebehoefte van het station: Voor het recyclen is tien keer minder energie nodig dan voor het smelten van de sneeuw.

Van 55 liter bedrijfswater blijft 30 gram droog slib over

"We kunnen nu 100% van het grijze en zwarte water dat in de installatie ontstaat, behandelen om het terug te voeren in onze interne kringloop of om het als gezuiverd water terug te leiden naar de natuur. Aangezien Antarctica geen land is, zijn er geen vastgelegde normen voor de kwaliteit van het water dat we mogen lozen. In het Protocol van Madrid zijn een aantal best practices vastgelegd, die gevolgd moeten worden, maar die specificeert geen kwantitatieve normen. We richten ons daarom op de aanbevelingen van de Wereldgezondheidsorganisatie voor drinkwater. Deze basis is vanuit ecologische oogpunt enerzijds ambitieus maar anderzijds ook weer gunstig voor onze activiteiten, omdat we het water dan kunnen hergebruiken zonder comfort- of acceptatieproblemen voor de gebruikers." Ook de andere cijfers zijn indrukwekkend: Van 55 liter grijs en zwart water kan de zuiveringsinstallatie 54 liter omzetten in ultrapuur water. Per dag blijft er slechts 30 gram droog slib over, de rest verdampt. Het slib wordt verzameld en na een paar jaar geëxporteerd naar Zuid-Afrika om daar verbrand te worden.

De meerwaarden van IO-Link snel herkend

"Dit alles lukt alleen in zo’n duurzame wijze als het systeem storingsvrij functioneert", aldus Aymar de Lichtervelde. "Daarom besloten we twee jaar geleden, toen we begonnen met de planning van de nieuwe waterzuiveringsinstallatie, om techniek te gebruiken die robuust, gemakkelijk te onderhouden en in geval van nood ook gemakkelijk te vervangen was. Toen we IO-Link nader onder de loep namen, beseften we al snel dat we deze technologie wilden gebruiken om de sensoren in de installatie te integreren, omdat het ons in veel opzichten een meerwaarde biedt." IO-Link is een digitaal point-to-point-communicatiesysteem waarbij sensoren hun gegevens doorsturen naar een master, die dat weer op zijn beurt doorstuurt naar het veldbusniveau. In plaats van kabels te leggen van elke sensor naar de schakelkast zoals bij klassieke analoge bekabeling, kunnen de sensorsignalen decentraal verzameld worden door veldgeschikte IO-Link-masters en gebundeld worden voor verzending naar het eerstvolgende hogere veldniveau.

Eenvoudig te parametreren, eenvoudige montage op locatie

"Door het gebruik van IO-Link-masters die geschikt is voor veldmontage van ifm nemen de bekabelingswerkzaamheden enorm af, aldus Aymar de Lichtervelde. Nog een voordeel van de technologie: de parameters van iedere afzonderlijke sensor is op elke willekeurige master op te slaan. Wordt een defecte sensor vervangen door een identiek exemplaar, worden de parameters automatisch naar het nieuwe apparaat overgezet. "Voor ons is dat enorm waardevol, omdat de vervanging ter plaatse dan snel en probleemloos is uit te voeren. In geval van nood zelfs door personen die geen techneut zijn."

De Princess Elisabeth is slechts vier maanden per jaar beschikbaar voor de wetenschappers. Kostbare tijd waarin alle systemen betrouwbaar moeten werken. "Daarom hebben we de nieuwe installatie vooraf in België volledig samengebouwd en intensief getest. Daarna werd alles weer gedemonteerd in kleinere onderdelen voor verzending. Ook op dat vlak kwam het IO-Link-principe ons goed van pas, aangezien de gestandaardiseerde M12-stekkers ervoor zorgden dat het opnieuw bekabelen op locatie snel en foutloos verliep."

Stromingssensor SM: gemaakt voor krappe ruimtes

Het nieuwe systeem, bestaande uit twee redundante systemen, is onder meer uitgerust met stromingssensoren van het type SM van de automatiseringsspecialist ifm. Die registreren naast het actuele debiet ook de totale flow en de temperatuur van het medium. Alle waarden worden duidelijk zichtbaar weergegeven op het display. Indien gewenst geeft een rood-groen-kleurwissel aan of de waarden binnen of buiten het gewenste bereik liggen. De geoptimaliseerde meetbuis zorgt voor een verminderd drukverlies, zodat het pompvermogen kan worden verlaagd. Bovendien zijn er geen aan- of afvoerroutes nodig. Juist in krappe ruimtes is dat een enorm voordeel. Andere sensoren, zoals klepsensoren en niveausensoren versturen andere belangrijke informatie over de actuele status van de waterzuivering.

Conditiebewaking van de installatie is ook toegankelijke op afstand

Informatie die niet alleen relevant is voor de besturing, maar ook voor de continue conditiebewaking: alle meetwaarden worden ook doorgestuurd naar het IT-niveau – samen met andere diagnosegegevens, die inzicht bieden in de actuele status van elke afzonderlijke IO-Link-sensor. "Dat vereenvoudigt niet alleen het onderhoud tijdens het verblijf in het station, maar biedt ons ook de mogelijkheid om de status van de installatie tijdens de Antarctische wintermaanden op afstand in de gaten te houden – en ze voor te bereiden op het gebruik in de volgende onderzoeksperiode."

Door toepassing van IO-Link-masters voor in het veld van ifm, reduceert men de bekabelingswerkzaamheden aanzienlijk. Voor ons is dat zeer waardevol, omdat de vervanging ter plaats dan snel en probleemloos is uit te voeren.

Aymar de Lichtervelde Projectverantwoordelijk ingenieur

Over IPF

De International Polar Foundation, opgericht in 2002 door een Belgische wetenschapper en een poolonderzoeker en gevestigd in Brussel, vormt een unieke verbinding tussen wetenschap en samenleving. Deze stichting streeft ernaar de rol van wetenschap en onderzoek in de poolgebieden te erkennen door deonderlinge verbindingen van de planeet, haar kwetsbaarheid, de impact van menselijk handelen op het milieu en de ontwikkeling van duizendjarige klimaatcycli te onderzoeken.