DE102004050145A1

DE102004050145A1 - Wasserbehandlungsanlage

Info

Publication number: DE102004050145A1
Application number: DE102004050145A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Feigenspan
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-09-27
Filing date: 2004-10-11
Publication date: 2006-03-30

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wasserreinigungsanlage auf Destillationsbasis, mit einer Zuführeinrichtung von Altwasser, mit einer Dampfdruckeinrichtung zum Destillieren des Altwassers und mit einer Auslasseinrichtung zum Abgeben von destilliertem Frischwasser, die dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Solarrinnenkollektor die in der Dampfdruckeinrichtung benötigte Wärme bereitstellt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wasserbehandlungsanlage gemäß Oberbegriff von Anspruch 1.

Eine solche Wasserbehandlungsanlage wird häufig zur Meerwasserentsalzung eingesetzt. Typischerweise erfolgt die Erhitzung der darin verwendeten Druckdruckeinrichtung mittels Verbrennung fossiler Brennstoffe. Alternativ könnte auch Windenergie zur Erzeugung von Strom und Wärme eingesetzt werden. Beide Möglichkeiten sind aber zu teuer für den Einsatz in wirtschaftlich schwach entwickelten Ländern.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine eingangs genannte Wasserbehandlungseinrichtung zu schaffen, die einerseits preiswert hergestellt und betrieben werden kann und andererseits einen hohen Nutzungsgrad der verwendeten und erzeugten Energien aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher beschreiben. Es zeigen:
1 eine schematische Draufsicht einer Wasserbehandlungsanlage gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Seitenansicht der Wasserbehandlungsanlage aus 1 Das Konzept ist, mit einer Anlage gleichzeitig und permanent (24h/d × 365 d/a) elektrische Energie, Wärmeenergie, biologisches Meersalz, Biomasse, Kraftstoffe und Trinkwasser aus Meerwasser und Sonnenstrahlung zu erzeugen bzw. zu gewinnen.
Das Meerwasser (1) gelangt durch einen mehrschichtigen Kupferfilter (2) (Filter 1) in das trichterförmige Förderbecken (3). Der Filter 1 sorgt dafür, dass keine Meerestiere in das Förderbecken (3) gelangen. Der Filter 1 (2) wird ggf. durch Wellenbrechereinheiten (nicht dargestellt) geschützt. Das Kupfer der Filteranlage (2) verhindert die Ansiedlung von Pflan zen und Tieren am Filter (2). Die Trichterform sorgt dafür, dass die Strömung an der Außenseite von Filter 1 (2) sehr gering ist.
Im Förderbecken (3) befinden sich künstlich angelegte Muschelbänke (4). Die Muscheln filtern Schwebstoffe aus dem Wasser. Sie sind der Filter 2. Am hinteren Ende des trichterförmigen Förderbecken (3) befinden sich eine oder mehrere archimedische Schrauben (5), die das Meerwasser aus dem Förderbecken (3) in eines oder mehrere Entnahmebecken (6) befördert.
Sollten doch einmal Meerestiere in das Förderbecken (3) gelangt sein, dann garantiert die archimedische Schraube (5) eine schonende Behandlung. Am oberen Auslauf der Förderanlage (5) läuft das Meerwasser durch den Filter 3 (7) in das Entnahmebecken (6). Der Filter 3 (7) scheidet Meerestiere selbsttätig ab und spült sie ins Meer, außerhalb des Förderbeckens (3), zurück.
Der Antrieb der archimedischen Schraube (5) erfolgt mechanisch und selbsttätig durch Savoniusrotoren (8). Savoniusrotore sind sehr wartungsarm und liefern die benötigte Antriebsrotation schon bei geringen Windstärken. Bei Starkwinden brauchen sie nicht abgeschaltet werden, da sich ihre Rotationsgeschwindigkeit über die physikalischen Gegebenheiten selbst reguliert. Überschüssiges Meerwasser wird über die Rinne (9) von Filter 3 (7) ins Meer zurückgeleitet.
Die benötigte Windenergie wird durch die auf- und ablandigen Winde an den Küsten gewährleistet. Lediglich morgens und abends oder bei größeren Wetteränderungen setzt der Wind für eine kurze Zeit aus. So erhalten die archimedischen Schrauben (5) einen Elektromotor für den Fall eines längeren Aussetzens des Windes. Die Zuschaltung wird durch einen Schwimmschalter (nicht dargestellt) im Entnahmebecken aktiviert.
Die Förderung und Filterung des Meerwassers erfolgt, ohne nennenswerten Personal- und fremden Energieeinsatz. Die ggf. notwendig werdende elektrische Energie für den Motor der archimedischen Schraube (5) wird aus dem Anlagensystem genommen. Es haben überwiegend nur Kontrollgänge stattzufinden. Die Ernte der Muscheln (4) erfordert den einzigen nennenswerten Personaleinsatz.
Das Entnahmebecken (6) ist auf der Außenseite vorzugsweise schwarz. Es kann auch andere sehr dunkle Farben haben. Dies bewirkt, dass das Meerwasser vorgewärmt wird. Das Entnahmebecken (6) hat oben nur eine kleine Öffnung, durch die das frische Meerwasser (1) hineinfließt. Mögliche Verdunstungsverluste werden somit auf ein Minimum reduziert.
Vom Entnahmebecken (6) wird das Meerwasser (1) zu einem Kompressor (10) geleitet. Dabei wird es vom Rücklauf (11) (wird später noch erklärt) weiter erwärmt. Der Kompressor (10) baut einen etwas höheren Druck, als er im Dampfdruckkessel (12) besteht, auf. Dieser Überdruck drückt das frische Meerwasser (1) in den Dampfdruckkessel (12). Ausgelöst wird der Vorgang durch mechanische Sensoren (nicht dargestellt). Durch die vorherige Erwärmung des Meerwassers und den zusätzlichen Druckaufbau (10), kommt das Meerwasser schon mit einer relativ hohen Temperatur in den Dampfdruckkessel (12).
Die einachsig beweglichen Solarrinnenkollektoren (14) konzentrieren die Sonneneinstrahlung auf die Receiver (15). Der Receiver (15) ist ein schwarzes, hohles Rohr in einer Vakuum-Glas-Röhre, die sich im Brennpunkt des Solarrinnenkollektors (14) befindet. Die Vakuum-Glas-Röhre verhindert, wie eine Thermoskanne, das rasche Abkühlen des Receivers (15). Im Receiver (15) befindet sich Öl. Dieses Öl wird durch die konzentrierte Sonneneinstrahlung auf eine Temperatur von rund 400 °C erhitzt. Vom Receiver (15) wird das stark erhitzte Öl auf möglichst direktem Wege zum Dampfdruckkessel (12) geleitet.
Da das Wärme führende Öl nicht seine gesamte Wärme an das kochende Meerwasser (1) im Dampfdruckkessel (12) abgeben kann, wird die Restwärme des Rücklaufs (11) für die Erhitzung des Dampfdruckkesselzulaufs (16) und die Beheizung der Salzgewinnungsbecken (17) genutzt.
Die Anzahl der Solarrinnenkollektoren (14) ist so bemessen, dass zusätzlich zu den Dampfdruckkesseln (12) auch noch ein, möglichst unterirdischer, Wärmespeicher (18) gespeist wird. Dieser Wärmespeicher (18) gewährleistet die erforderliche Wärmelieferung, für die Dampfdruckkessel (12), auch in der Nacht und bei schlechtem Wetter. So wird ein ständiges, tägliches Hoch- und Runterfahren der Anlage verhindert. Auch einer möglichen Materialermüdung, durch ständiges erwärmen und abkühlen, wird so vorgebeugt.
Der Dampfdruckkessel (12) ist in der oberen Hälfe zylindrisch und in der unteren Hälfte kegelförmig. Die Schrägen des Kegels funktionieren als Wärmetauscher zwischen dem Wär meträgermedium Öl, aus dem Solarrinnenreceiver (15) und dem Meerwasser (1) im Dampfdruckkessel (12). Das Wasser (1) im Dampfdruckkessel (12) wird so, sehr stark, erhitzt (>100 °C) und verdampft (19).
Am unteren Ende des kegelförmigen Dampfdruckkesselteils spitzt sich der Kegel nochmals stark zu (20). Hier setzt sich die sehr stark konzentrierte Sole ab. Im gleichen Maße wie frisches Meerwasser (1) dem Dampfdruckkessel (12) zugeführt wird, wird auch die hoch konzentrierte Sole entnommen. Auch dies geschieht selbsttätig über mechanische Sensoren (nicht dargestellt). Die Sole wird von hier zu den Salzgewinnungsbecken (17) geleitet. Dort verdunstet das restliche Wasser der Sole.
Die Salzgewinnungsbecken (17) sind mit schräg liegenden Glasscheiben abgedeckt. An ihnen schlägt sich das verdunstete Wasser als Kondensat nieder. Die Schrägen Scheiben lassen das kondensierte Wasser in Rinnen ablaufen. Es wird dem übrigen Wasser der Anlage zugeführt. Im Salzgewinnungsbecken (17) bleibt das unbehandelte, reine, Meersalz zurück.
Durch die Verdampfung im Dampfdruckkessel (12) wird ein hoher Druck aufgebaut. Der unter Druck stehende heiße Dampf wird vom Dampfdruckkessel (12) zu einer Dampfdruckturbine (21) geleitet. Hier wird die Druckenergie des Dampfes in elektrische Energie umgewandelt. Nach der Dampfdruckturbine (21) hat sich der Dampf zwar schon fast vollständig entspannt, jedoch enthält er immer noch eine sehr hohe thermische Energie. Deshalb gelangt der Wasserdampf von der Dampfdruckturbine (21) direkt in einen zweimal doppelt wirkenden Stirlingmotor (23).
Im zweimal doppelt wirkenden Stirlingmotor (23) wird die thermische Energie des Wasserdampfes in Bewegungsenergie umgewandelt, die dann in einem Generator (25) elektrische Energie erzeugt. Dabei kondensiert der Wasserdampf zu Wasser. Die Doppelwirkung kühlt das Wasser bis auf ca. 4 °C ab.
Die Kombination aus Dampfdruckturbine (21) und zweimal doppelt wirkendem Stirlingmotor (23) gewährleistet einen sehr hohen Ausnutzungsgrad der Energie. Rechnerisch erreichen wir, durch die Kombination, Nutzungsgerade oberhalb von 60%.
Die vom zweimal doppelt wirkenden Stirlingmotor (23) abgegebene Wärmeenergie wird über eine Wärmepumpe (26) zu den Salzgewinnungsbecken (17) geleitet um diese zusätzlich zu erwärmen.
Das kühle Trinkwasser gelangt aus dem Stirlingmotor in das Verteilsystem (27) der Anlage. Die Verteilung erfolgt hier auf das örtliche Trinkwassernetz (28), die Trinkwasserflaschenabfüllung (29), zur weiteren Behandlung für medizinische, landwirtschaftliche oder industrielle Zwecke (30), sowie zur Mineralienanreicherung durch eine belebte Bodenschicht (Pflanzen) (31).
Die Pflanzen werden als Biomasse zu Kraftstoffen verarbeitet. Die Kraftstoffe können selbst genutzt oder verkauft werden. Der dabei entstehende Humus wird zur Düngung verwendet und/oder verkauft.
Da die Anlage nicht heruntergefahren wird, werden evt. entstehende Überschüsse wieder ins Anlagensystem eingespeist. Überschüssiges Trinkwasser kann zwischengelagert oder auf Biomasseplantagen (32) geleitet werden. Überschüssige Energie wird für eine zusätzliche Meerwasserverdampfung (12) genutzt.
Die Anlage wird an allen Wärme führenden Bereichen stark gedämmt, so dass möglichst keine Energie verloren geht.
Die Ausgangsstoffe Meerwasser und Sonne stehen kostenfrei zur Verfügung. Die Kosten für den Betrieb der Anlagen sind fast nur Personalkosten. Durch die verwendete Low-Tech sind die Anlagen weitgehend wartungsfrei. Die Anforderungen an die Quantität und Qualität des Wartungs- und Bedienungspersonal sind dadurch auch gering. Somit werden also auch die Personalkosten niedrig gehalten.
Alternativen:

1. statt Meerwasser können auch Flusswasser, Abwasser oder sonstiges verunreinigtes Wasser verwendet werden. Die Verdampfung und Destillation gewährleisten, dass Schadstoffe, auch medizinische, aus dem Verdampfungswasser zu 99 bis 99,9 % im Destillationswasser nicht mehr enthalten sind. Sie bleiben in den Rückständen des Dampfdruckkessels zurück. Die trockenen Rückstände können meist als Brennstoff verwendet werden, der dann auch wieder dem Anlagenbetrieb dienen kann. Der größte Vorteil ist die enorme Verringerung von Schadstoffen. Bei sehr hohen Schadstoffbelastungen kann es angebracht sein, mehrere Verdampfungen und Destillationen hinter einander auszuführen. Die Anlage kann dafür „in Reihe" geschaltet werden. Die sauberste und effektivste Nutzung ist die mit Meerwasser.
2. statt Solarrinnenkollektoren kann auch jede andere Energiequelle zur Verdampfung des Wassers im Dampfdruckkessel genutzt werden. Hier ist es ein großer Vorteil, dass ein sehr großer Anteil der zur Verdampfung benötigten Energie, bei der Destillation zurückgewonnen wird. So kann mit der zurückgewonnenen Energie wieder die Verdampfung betrieben werden. Hier wird nun nicht das Wasser mehrfach verdampft, sondern die zurückgewonnene Energie „parallel" geschaltet, was zu einer höheren Trinkwasserproduktion führt. Die Effektivität der eingesetzten Erstenergie wird dadurch ungefähr verdoppelt.
3. statt die erzeugte elektrische Energie in ein Leitungssystem einzuleiten, kann damit auch, im Elektrolyseverfahren, Wasserstoff, als Energieträger; erzeugt werden.
4. statt die Biomasse in Kraftstoff umzuwandeln, kann sie direkt als Heizmittel verkauft und/oder selbst genutzt werden.
5. Es lässt sich auch Biomasse gezielt als Nahrungsmittel anbauen, das man verkaufen und/oder selbst weiterverarbeiten kann.
6. statt die Anlage nur in einer Größenordnung zu bauen, kann sie in beliebigen Größen gebaut werden.
7. statt als stationäre Anlage kann die Anlage auch mobil, z. B. in einem Lkw oder in einen Container eingebaut werden. Die Anlagenteile 1 bis 9, 14, 15 und 17, sowie 27 bis 32 könnten außerhalb eines Containers/Lkw aufgebaut werden. Bei Containergrößen von 20 bis 40 Fuß (ft.) ließe sich eine solche Anlage, mit dafür hergestellten Normelementen, an einem Tag aufbauen.

Zusammenfassung:
Meerwasser und Sonnenenergie sind die kostenfreien Grundstoffe für die primären Verkaufsprodukte:
n sauberes und gesundes Trinkwasser
n biologisches Meersalz
n elektrische Energie
Die primären werden durch sekundäre Verkaufsprodukte ergänzt:
n Kraftstoffe
n Biomasse
n Muscheln
n Humus
Durch eine einfache Erweiterung kann Wasserstoff hergestellt werden.
Der Ausnutzungsgrad der Anlage ist extrem hoch, bei minimalem Personaleinsatz und absolut sauberer Erzeugung. Dabei wird dies mit einfachsten Mitteln erreicht, was zu günstigen Kosten führt.

Claims

Wasserreinigungsanlage auf Destillationsbasis, mit einer Zuführeinrichtung von Altwasser, mit einer Dampfdruckeinrichtung zum Destillieren des Altwassers und mit einer Auslasseinrichtung zum Abgeben von destilliertem Frischwasser, dadurch gekennzeichnet, dass ein Solarrinnenkollektor (14) die in der Dampfdruckeinrichtung (10, 12, 16, 21) benötigte Wärme bereitstellt.
Wärmebehandlungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfdruckeinrichtung eine Dampfdruckturbine (21) umfasst, in der die Druckenergie des in der Dampfdruckeinrichtung erzeugten Dampfes in elektrische Energie umgewandelt wird.
Wasserbehandlungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfdruckeinrichtung einen Stirling-Motor (23) aufweist, der stromabwärts hinter der Dampfdruckturbine (21) angeordnet ist und Wärmeenergie in Bewegungsenergie umwandelt.
Wasserbehandlungsanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts hinter dem Stirling-Motor ein Generator (25) angeordnet ist, der die Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandelt.
Wasserbehandlungsanlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stirling-Motor ein zweimal doppelt wirkender Stirling-Motor ist.
Wasserbehandlungsanlage nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stirling-Motor Wärme erzeugt, die einer Gewinnungseinrichtung (17) von Destillat-Rückstand erwärmt.
Wasserbehandlungsanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewinnungseinrichtung (17) von Destillat-Rückstand eine Salzgewinnungseinrichtung ist.
Wasserbehandlungsanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführeinrichtung (2, 3, 5) einen mehrschichtigen Kupferfilter (2) aufweist.
Wasserbehandlungsanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mehrschichtige Kupferfilter in einen trichterförmigen Förderbecken (3) angeordnet ist.
Wasserbehandlungsanlage nach Anpruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Förderbecken Muschelbänke (4) angeordnet sind.
Wasserbehandlungsanlage nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass an einem hinteren Ende des Förderbeckens wenigstens eine archimedische Schraube (5) angeordnet ist, um das Wasser aus dem Förderbecken in wenigstens ein Entnahmebecken (6) zu befördern.
Wasserbehandlungsanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Entnahmebecken (6) weitestgehend geschlossen ist und dunkle Wände aufweist.