DE102005003754A1

DE102005003754A1 - Ein Verfahren zur solaren Meerwasserentsalzung unter Einbeziehung von Gewächshäusern

Info

Publication number: DE102005003754A1
Application number: DE102005003754A
Authority: DE
Inventors: Efat Chafik
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-01-27
Filing date: 2005-01-27
Publication date: 2006-08-10

Abstract

Ein Verfahren zur Meerwasserentsalzung mithilfe von Sonnenenergie wird angemeldet. In diesem Verfahren wird ein Luftstrom von der Sonne erhitzt und anschließend in Kontakt mit Meerwasser gebracht. Dadurch wird die Luft feuchter. Beide Schritte, das Erhitzen und das Befeuchten, werden mehrmals wiederholt, um somit die strömende Luft auf sehr hohe Feuchtigkeit zu bringen. DOLLAR A Das wesentliche Merkmal des neuen Verfahrens besteht darin, dass vorhandene oder neu zu erstellende Gewächshäuser als Solar-Kollektoren für die Aufheizung des Luftstromes dienen sollen. Damit entfällt ein beträchtlicher Investitionskostenanteil, welcher für die Beschaffung von großflächigen Kollektoren erforderlich wäre. DOLLAR A Ein Teil der Luftfeuchtigkeit wird sich in den Gewächshäusern als Tauwasser niederschlagen und somit die Pflanzen bewässern. Die Rest-Luftfeuchtigkeit wird in einem Kühler kondensiert und als Trinkwasser verwendet. DOLLAR A Zu der gegenwärtigen Erfindung gehört ein kleines Feld aus Solarkollektoren, um zusätzliche Sonnenenergie während der Wintermonate in die Anlage zu bringen und somit die für die Bewässerung notwendige Luftfeuchtigkeit zu generieren. Dieses Kollektorfeld setzt sich zusammen aus einigen Kollektoren neuerer Bauart. Diese Kollektor-Bauart wird auch im Rahmen der gegenwärtigen Erfindung angemeldet. DOLLAR A Die Benutzung von Solarzellen oder Windenergie zum Betreiben von Ventilatoren oder Pumpen in dem neuen Verfahren wird ebenfalls als Erfindung angemeldet.

Description

Einleitung
Die Sicherung der Nahrungsmittel-Produktion für die wachsende Weltbevölkerung ist eine ständige Herausforderung an Forschung und Technik. Dieses Ziel soll auf ökonomische Weise und möglichst umweltschonend erreicht werden.
Ein Weg zur Steigerung der Nahrungsmittelproduktion ist die Vermehrung der Anbaufläche z.B. durch Heranführen von Trinkwasser an bisher ungenutzte, dürre Gegenden. Eine weitere Möglichkeit, mehr pflanzliche Produkte zu erzeugen, ist die Errichtung von Gewächshäusern, um mehr zu ernten bei gleichbleibender Grundfläche. Hierbei ist das Vorhandensein von Irrigationswasser in ausreichender Menge eine Voraussetzung.
Beide obengenannten Maßnahmen sind also abhängig vom Vorhandensein von Trinkwasser. Gebiete, die weit entfernt von Trinkwasserversorgung liegen, sind daher für eine ökonomische Bebauung nicht verwendbar. Eine Bepflanzung von solchen Gegenden ist meistens ausgeschlossen. Dazu gehören Küstenzonen und Gebiete, die nur über salzhaltiges Grundwasser verfügen.
Die wirtschaftliche Nutzung solcher Regionen, z.B. in Nordafrika, im Nahen-Osten oder auch südlichen Europa, ist Gegenstand der jetzigen Erfindung. Hier wird ein neues Verfahren gezeigt, das es erlaubt, kostengünstige solare Entsalzung von Meerwasser und gleichzeitige Bewässerung von Gewächshäusern mit salzfreiem Wasser zu bewerkstelligen.

Der bisherige Stand der Technik

Für die Herstellung von Süßwasser aus Meerwasser mit Hilfe von Sonnenenergie wurde in den letzten 8 Jahren ein neues Verfahren entwickelt und erprobt. Dieses Verfahren zur solaren Meerwasserentsalzung arbeitet nach einem neuen Prinzip der „Befeuchtung/Entfeuchtung von Luft" und wurde 1996 patentiert .

Das Wesentliche in diesem Verfahren ist die stufenweise Befeuchtung von solar erwärmtem Luftstrom. Auf diese Weise kann die Beladung des Luftstromes mit Wasser auf hohes Niveau gebracht werden. Jede einzelne Stufe besteht aus einem Kollektorfeld für die solare Aufheizung der Luft und einem angeschlossenem Befeuchtungsgerät. In diesem Befeuchtungsgerät findet ein Wärme- und Stoffaustausch zwischen Luft und Meerwasser statt, wodurch die Feuchtigkeit in die Luft steigt. Nach mehreren solchen Stufen ist die Luft sehr feucht und kann leicht, unter Gewinnung von salzfreiem Wasser, in einem Kondensator entfeuchtet werden. 1 zeigt diesen Prozessverlauf im H-X-Diagramm. Ein Luftstrom bei beispielsweise 20°C mit einem Feuchtigkeitsanteil × von 10 g Wasserdampf je kg trockene Luft wird in einem Solarkollektor auf 60°C aufgeheizt. In einem anschließenden Befeuchter kommt die Luft in Berührung mit Meerwasser und lädt sich mit Wasserdampf bis auf x = 32 g/kg. Gleichzeitig kühlt sich die Luft auf 33°C ab. In einer zweiten Stufe wird diese Luft wieder mit Hilfe von Sonnenenergie auf 60°C aufgeheizt und in einem zweiten Befeuchter auf 49 g Wasserdampf je kg trockene Luft beladen. Nach der dritten Stufe erreicht der Luftstrom 63 g/kg bei 44°C und nach einer vierten Stufe ist er bei 47°C und hat eine Feuchtigkeit von 75 g Wasserdampf je kg trockene Luft. Mach der fünften Stufe hat die Luft 85 g Dampf/kg tr. Luft. Damit beträgt der Wasserdampfanstieg 85 – 10 = 75 g/kg.

Das o.g. Verfahren ist inzwischen erprobt und hat sich in zahlreichen Untersuchungen als technisch durchführbar erwiesen , , und .

Hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit dieses Verfahrens besteht ein Handlungsbedarf . Ein Hauptnachteil des Verfahrens besteht in dem hohen Kapitalbedarf, welcher notwendig ist, um große Flächen mit Kollektorfeldern zu belegen. Ein weiterer Nachteil ist der hohe Druckverlust in den Kollektoren und die sich daraus ergebenden hohen Energiekosten .

Grundlage der gegenwärtigen Erfindung

Beide o.g. Nachteile werden in der vorliegenden Erfindung dadurch beseitigt, dass die Gewächshäuser selbst als Solar-Kollektoren dienen sollen. Ein Gewächshaus, das von einem Luftstrom durchflossen ist, ist ein überdimensionaler Solarkollektor zur Aufheizung von Luft mit Hilfe von Sonnenenergie. Auch wenn der thermische Wirkungsgrad des Gewächshauses als Kollektor aufgrund fehlender Isolierung niedrig ist, bleiben zwei positive Effekte, die die jetzige Erfindung nutzen:

1. Ein beträchtlicher Investitionskostenanteil, nämlich der des Kollektorfeldes, entfällt, und
2. Der Druckverlust reduziert sich erheblich.

Der niedrige Wirkungsgrad des als Solarkollektor dienenden Gewächshauses entsteht nicht durch „echte" Verluste. Durch Wärmeverlust findet eine Abkühlung der durch das Gewächshaus strömenden Luft unterhalb der Tautemperatur statt. Diese Abkühlung führt zur teilweisen Ausscheidung von Wasser als Tauwasser. Damit ist die Bewässerung der Pflanzen, ohne aufwendiges Kondensieren und ohne Wasser-Verteilungssysteme, bereits erledigt. Die restliche Feuchtigkeit in der Luft steht als Trinkwasser zur Verfügung. Dieses Verhalten ist beispielhaft in 2 qualitativ gezeigt.

Im Unterschied zu 1 beträgt die Luftfeuchtigkeit am Ende von Stufe 5 nur noch 67 g/kg. Der erreichte Wasserdampfanstieg beträgt hier also nur 67 – 20 = 47 g/kg gegenüber 75 g/kg im Beispiel von 1. Die Differenz in Höhe von 28 g/kg entspricht dem Niederschlag in den Gewächshäusern.

Beschreibung der Erfindung

In der jetzigen Erfindung wird ein Verfahren zur solaren Meerwasserentsalzung unter Anwendung von Gewächshäusern als Solarkollektoren angemeldet. Ein Schema des neuen Verfahrens ist in 3 gezeigt.

In mehreren hintereinander geschalteten und mit Luft durchströmten Gewächshäusern wird die durchströmende Luft durch Sonnenenergie aufgeheizt und in einem, an jedem Gewächshaus angegliederten Befeuchtungsgerät, mit Wasserdampf beladen. Die durch Wärmeverluste in den Gewächshäusern ausgeschiedene Feuchtigkeit dient der direkten Bewässerung der Pflanzen. Die Restfeuchtigkeit der strömenden Luft wird in einem, an geeigneter Stelle installierten, Kondensator als Trinkwasser gewonnen. Dieser Kondensator hat zwei Funktionen:

1. Gewinnung von Trinkwasser, das nicht für die Bewässerung der Pflanzen benötigt wird und
2. Regulierung des Feuchtigkeitsniveaus im gesamten System

Damit ist die Kernaussage der jetzigen Erfindung genannt.

Eine zweite Komponente der vorliegenden Erfindung ist der Einbau von einer zusätzlichen Solarenergieversorgung innerhalb des Luftkreislaufes, um eine Anhebung der Temperatur im System während Perioden mit moderater Sonneneinstrahlung zu erreichen. Innerhalb des aus mehreren Gewächshäusern bestehenden Kreislaufes soll eine „konventionelle" Kollektorfläche mit etwas besserer Isolierung als die der Gewächshäuser eingeschaltet werden. Durch diesen Zusatz werden folgende Ziele erreicht:

1. In der kühlen Jahreszeit wird ein höheres Temperaturniveau im System erreicht. Dadurch lässt sich höhere mittlere Feuchtigkeit in der Anlage einstellen. Eine sichere Versorgung der Pflanzen mit Wasser kann somit gewährleistet werden.
2. In der warmen Jahreszeit ist es durch diese Zusatzenergie möglich, mehr Trinkwasser aus der Anlage zu gewinnen.
3. Es entsteht ein Spielraum zur Veränderung von Betriebsbedingungen des Kondensators und eine Anpassung des Luftdurchsatzes in der Anlage an die klimatischen Bedingungen. Dadurch kann mit Hlfe der Solar-Kollektoren eine optimale Regelung der Anlage zu jeder Jahreszeit erreicht werden.

Eine kostengünstige Ausführung dieses zusätzlichen Kollektorfeldes ist eine Notwendigkeit für die Wirtschaftlichkeit der gegenwärtigen Erfindung. Daher soll hier eine einfache Kollektor-Konstruktion vorgestellt werden, die zum Gewächshaus passt und gleichzeitig höheren Wirkungsgrad bei niedrigem Druckverlust aufweist.

Hiermit wird also eine zusätzliche Erfindung angemeldet. Es handelt sich um einen Sonnenkollektor, bestehend aus einem Kanal mit Boden und Seitenwänden aus Holz oder aus Gasbeton. Als Deckel des Kanals wird eine Glasscheibe montiert. In dem Kanal sind Metall-Lamellen oder Jalousien-Blätter aus geschwärztem Aluminium oder sonstigen Metall gemäss 4 angeordnet. Dieser Kollektor ist die dritte Komponente der gegenwärtigen Erfindung

Die Meerwasser-Entsalzungsanlagen unter Einbeziehung von Gewächshäusern sollen in dürren, einsamen und abgelegenen Zonen aufgebaut werden. Diese Anlagen werden somit in bisher wirtschaftlich ungenutzten Gebieten stehen. Deshalb soll der Betrieb solcher Anlagen autark erfolgen.

Um Pumpen und Luftventilator in dem neuen Verfahren zu betreiben, wird hier angemeldet, dass die Energieversorgung der anzumeldenden Entsalzungsanlage mit Hilfe von Solar-Photozellen oder Windenergie erfolgen soll. Dies ist eine vierte Komponente der gegenwärtigen Erfindung

Damit sind alle erforderlichen Bestandteile der Anlage definiert und, soweit erforderlich, angemeldet.

Eine ausführliche Beschreibung der gesamten Meerwasser-Entsalzungsanlagen unter Einbeziehung von Gewächshäusern lässt sich nun, beispielhaft, anhand des Verfahrensschemas 3 erläutern.
In einem geschlossenen Luftkreislauf wird der Luftstrom mit einer Feuchtigkeit von 20 g Wasserdampf/kg trockene Luft in einem Vorwärmer, bestehend aus Solar-Kollektorfeld, aufgeheizt, z.B. auf 60°C (siehe dazu 2). Dieses Kollektorfeld setzt sich aus mehreren Sonnen-Kollektoren entsprechend 4 zusammen. Anschließend wird die vorgeheizte Luft in Berührung mit Meerwasser gebracht und befeuchtet. Dies erfolgt in Befeuchter 1, wo die Feuchtigkeit auf 37 g/kg steigt und die Lufttemperatur auf ca. 35°C sinkt. Danach strömt die feuchte Luft durch Gewächs haus 1, verliert dort einen Teil ihrer Feuchtigkeit und erwärmt sich zum Beispiel auf 55°C. In dem anschließenden Befeuchter 2 nimmt die Feuchtigkeit der Luft, unter gleichzeitig sinkender Temperatur, zu. Im Gewächshaus 2 gibt die Luft einen Teil ihrer Feuchtigkeit ab und nimmt Sonnenenergie auf, wodurch ihre Temperatur steigt. Danach wird die Luft in Befeuchter 3 wieder mit Wasserdampf weiter beladen und kühlt sich dabei ab.
An diese Stelle ist ein Propeller-Gebläse eingebaut, um die Luft in Zirkulation zu bringen. Dieses Gebläse soll mit Strom aus Photozellen oder mit Windenergie betrieben werden. Der Aufstellungsort des Gebläses ist hier willkürlich gewählt. Eine beliebige andere Stelle im Luftkreislauf ist durchaus denkbar.
Hinter dem Ventilator strömt die Luft durch Gewächshaus 3, Befeuchter 4, Gewächshaus 4 und Befeuchter 5. Hinter Befeuchter 5 kann die Feuchtigkeit der Luft ca. 67 g Wasserdampf/kg trockene Luft betragen bei einer Temperatur von ca. 45°C. In dem folgenden Entfeuchter wird die Luft auf ca. 25°C abgekühlt und verliert den größten Teil ihrer Feuchtigkeit. Nach Entfeuchtung hat die Luft nur noch ca. 20 g Dampf je kg trockene Luft. Danach beginnt das Spiel von neuem.
Das im Entfeuchter ausgeschiedene entsalzte Wasser wird abgezogen und weiter als Trinkwasser aufgearbeitet. Das in den Gewächshäusern 1 bis 4 auskondensierte salzfreie Wasser dient der Bewässerung der Pflanzen in dem jeweiligen Gewächshaus.
Die Versorgung der Befeuchter 1 bis 5 mit Meerwasser erfolgt über eine Pumpe, die das Wasser aus einem Meerwassertank fördert. Der Entfeuchter wird mit frischem Meerwasser gekühlt.
5 zeigt skizzenhaft eine Gesamtansicht der Anlage, welche durch Verfahrensschema 3, angemeldet ist.

Claims

Ein Verfahren gemäß Verfahrensschema 3 zur solaren Meerwasser-Entsalzung unter Einbeziehung von Gewächshäusern, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewächshäuser als Solarkollektoren zur Übertragung von Sonnenenergie auf strömende Luft eingesetzt werden.
Ein Verfahren gemäß Verfahrensschema 3 zur solaren Meerwasser-Entsalzung unter Einbeziehung von Gewächshäusern, dadurch gekennzeichnet, dass ein Luftstrom durch eine Anlage, bestehend aus zwei oder mehrere hintereinander geschaltete Gewächshäuser, strömt.
Ein Verfahren gemäß Verfahrensschema 3 zur solaren Meerwasser-Entsalzung unter Einbeziehung von Gewächshäusern, dadurch gekennzeichnet, dass ein Befeuchtungsgerät an jedem Gewächshaus angegliedert wird.
Ein Verfahren gemäß Verfahrensschema 3 zur solaren Meerwasser-Entsalzung unter Einbeziehung von Gewächshäusern, dadurch gekennzeichnet, dass die Feuchtigkeit der durch die Anlage strömenden Luft stufenweise gesteigert wird.
Ein Verfahren gemäß Verfahrensschema 3 zur solaren Meerwasser-Entsalzung unter Einbeziehung von Gewächshäusern, dadurch gekennzeichnet, dass die feuchte Luft am Ende der Heizungs/Befeuchtungsstufen in einem geeigneten Gerät entfeuchtet wird.
Ein Verfahren zur solaren Meerwasser-Entsalzung unter Einbeziehung von Gewächshäusern gemäß Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzliches Feld aus Solarkollektoren in den Luftkreislauf eingebaut wird.
Ein Sonnenkollektor gemäß 4 zur solaren Aufheizung von Luft, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor aus einem Kanal mit Boden und Seitenwänden aus Holz oder aus Gasbeton besteht und dass eine Glasscheibe oder eine Polycarbonatplatte als Deckel des Kanals dient.
Ein Sonnenkollektor gemäß 4 zur solaren Aufheizung von Luft, dadurch gekennzeichnet, dass Metall-Lamellen oder Jalousien-Blätter aus geschwärztem Aluminium oder sonstigem Metall in den Kollektor als Absorber eingebaut sind.
Ein Verfahren zur solaren Meerwasser-Entsalzung unter Einbeziehung von Gewächshäusern gemäß Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass, zur Luftzirkulation, ein Fördergerät, das mittels Photovoltaik oder Windenergie angetrieben wird, genutzt wird.