DE102010014464A1

DE102010014464A1 - Verfahren zur Gewinnung von Wasser aus Meerwasser

Info

Publication number: DE102010014464A1
Application number: DE102010014464A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-04-09
Filing date: 2010-04-09
Publication date: 2011-10-13

Abstract

Die Erfindung beansprucht ein Verfahren zur Gewinnung von Süßwasser aus Meerwasser ohne den Einsatz fossiler Energieträger und ohne Freisetzung von CO2. Die Erfindung ermöglicht die Erzeugung von Süßwasser aus Meerwasser indem der Prozess der Umkehrosmose mit dem der Osmose intelligent miteinander verknüpft wird, wobei Osmose die Druckerzeugung für den bei der Umkehrosmose erforderlichen Druck übernimmt. Die Abbildung zeigt schematisch den Prozess der Süßwassergewinnung aus Meerwasser. Die Abbildung zeigt jedoch lediglich eine Ausführungsform der beanspruchten Erfindung, ist jedoch nicht auf diese beschränkt. Beschreibung zur Abbildung Salzangereichertes Meerwasser (konz. Sole) wird einer Saline entnommen und einer Reinigungsstufe zugeführtob und Feinfilter. Hier schematisch als Filterstufe F dargestellt. Die gereinigte Sole (3a) wird in einem Druckaustauscher auf Systemdruck der PRO Membranmodule gebracht und in diese auf die Druckseite der PRO Membranmodule eingeleitet. Ein Meerwasserstrom wird ebenfalls einer Reinigungsstufe F zugeführt und danach in zwei Ströme Meerwasserstrom 1 (MW1) und Meerwasserstrom 2 (MW2) aufgeteilt. Der MW1 wird auf die andere Seite der semipermeablen PRO Membranmodule geführt. Der unterschiedliche osmotische Druck des Meerwassers und des an Salz angereicherten Meerwassers bewirkt den Durchtritt von Wasser von der Meerwasserseite auf die Seite des an Salz angereicherten Meerwassers wodurch das Volumen des salzangereicherten Meerwasser vergrößert wird und sich Druck aufbaut. Ein Teilstrom (3) des so erzeugten Volumenstromes wird einem Druckaustauscher zugeführt um dort den an Salz angereicherten Strom, wie oben beschrieben, auf Systemdruck zu bringen. Der andere Teilstrom (2) dient dazu einen Teilstrom (2a) des Meerwasserstromes 2 (MW2) in einem zweiten Druckaustauscher auf den für die Wassergewinnung aus Meerwasser mittels Umkehrosmose notwendigen Druck zu bringen. Der andere Teilstrom (1a) des MW2 wird durch den an Salz angereicherten Strom der RO Membranmodule in einem weiteren Druckaustauscher auf den nötigen Druck gebracht. Salzangereichertes Wasser aus beiden Membranmodulen wird in das Meer zurückgeleitet. Der erfindungsgemäß erzeugte Strom an Süßwasser gelangt zum Verbraucher.

Description

Stand der Technik
Trennt man reines Wasser und eine wässrige salzhaltige Lösung wie z. B. Meerwasser oder auch organische gelöste Verbindungen durch eine semipermeable Membran voneinander ab, so baut sich ein osmotischer Druck auf die Salzlösung b. z. w. die Lösung mit den organischen Verbindungen auf. Weil sich durch die semipermeable Membran nur die Wassermoleküle, nicht jedoch die darin gelösten Moleküle bewegen können, diffundiert das reine Wasser solange auf die Seite der Lösung, bis die Druckverhältnisse ausgeglichen sind.
Dieser Vorgang wird als Osmose bezeichnet.
Der osmotische Druck berechnet sich zu: Posm = z·c·R·T
Wobei z = Anzahl der Teilchen in die die Verbindung in der Lösung zerfällt, c = Konzentration der Teilchen (mol/l), R allgemeine Gaskonstante (J/K·mol), T = abs. Temperatur
Im Fall von NaCl nach NaCl = Na+Cl– also: z = 2 und bei c = 1 mol/L sowie T = 298 K und R = 8,314 J/K·mol ergibt sich: P(Na+Cl–) = 2·1·8,314 J/K·mol 298,15 K = 49,58 bar
Übt man nun von außen auf eine Lösung einen Druck aus der größer ist als der osmotische Druck, kann der Vorgang umgekehrt werden. Man spricht dann von Umkehrosmose b. z. w. Reverse Osmosis.
Letztere Idee verfolgten in den späten 1950 Jahren der Chemiker Sidney Loeb Srinivase Sourirajan, zu der Zeit in Los Angeles an der „University of California” tätig, indem Sie den natürlichen Prozess des Eindringens von Wasser durch eine semipermeable Membran in eine Lösung umkehrten, wobei Sie die Lösung mittels Hochdruckpumpen auf einen höheren Druck als den zwischen den beiden Flüssigkeiten herschende osmotische Druckdifferenz brachten um so Trinkwasser aus Meerwasser zu gewinnen. Diese Art der Trinkwassergewinnung ist heute Stand der Technik.
Wegen der sehr energieintensiven Form ist diese Art der Trinkwassergewinnung in den Golfstaaten des Nahen Ostens, die über billige Energie (Gas, Öl) verfügen, weit verbreitet.
Auch in relativ isolierten Gebieten wie auf den Kanarischen Inseln und auf Helgoland wird diese Technik ebenfalls zur Trinkwassergewinnung eingesetzt.
Eine andere Idee Loebs etwa 15 Jahre später, Loeb war zu dieser Zeit an der „Ben-Gurion University of the Negev, in Beer Sheva”, in Israel tätig war es, den natürlichen Prozess der Osmose zur Gewinnung von elektrischer Energie zu nutzen.
Er stellte sich vor zwei Behälter durch einen semipermeable Membran zu trennen, mit Salzwasser in einem und Süßwasser im anderen Behälter. Die Osmose sollte dann das Wasser in den abgeschlossnen Behälter mit dem Salzwasser transportieren und dort den Druck ansteigen lassen. Dieses unter Druck stehende Salzwasser konnte dann über eine Turbine geleitet abfließen und Strom erzeugen. Den Prozess nannte Loeb PRO („pressure retarded osmosis”) und ließ ihn sich patentieren.
Während die Idee der Wassergewinnung aus Meerwasser durch Umkehrosmose zum Stand der Technik gehört und weltweit eingesetzt wird, konnte die Idee der Energiegewinnung mittels Osmose aus verschiedenen Gründen bisher noch nicht umgesetzt werden. Zum einen waren die Kosten für fossile Energieträger zur Energiegewinnung zu niedrig, zum anderen waren die semipermeablen Membranen entwicklungstechnisch noch nicht weit genug fortgeschritten.
Die Kosten der fossilen Energieträger sind inzwischen dramatisch angestiegen und auch auf der Membranseite ist die Entwicklung in letzter Zeit vorangeschritten.
Ein Nachteil des Verfahren liegt darin, dass die Permeation des Wassers aufgrund des sehr niedrigen Diffusionskoefizienten (D = 10 – 7 cm2/s) durch die Membran nur langsam verläuft. Durch Verwendung dünner Membranen und großer Membranflächen kann dieser Nachteil jedoch reduziert werden.
Während mit den ersten Membranen gerade einmal N = 0,002 Watt/m² Strom erzeugt werden konnten, gelang es mit der neuesten Version der Membranen die Leistung auf bis zu
N = 3,7 Watt/m² zu steigern.
Das ist schon sehr nahe an der für einen ökonomischen Betrieb erforderlichen Leistung von
N = 5 Watt/m².
In Norwegen hat man sich deshalb entschlossen, über die weitere Entwicklung der Membranen hinaus, einen ersten Prototyp einer solchen Anlage zur Gewinnung von elektrischer Energie am Oslofjord zu errichten.
Die Pilotanlage ist am 24.11.2009 in Tofte, am Standort einer ehemaligen Zellulosefabrik, erfolgreich in Betrieb genommen worden und läuft seitdem den Erwartungen entsprechend gut.
Am Institut für organische Chemie im Forschungszentrum Geesthacht (D) und anderswo wird auch mit EU Förderung (Projekt: ”Salinity Power”) an der Weiterentwicklung der sog. TFC (thin film composite) der im Oslofjord verwendeten Membranen geforscht. Es ist zu erwarten, dass diese Entwicklung auch im Hinblick auf eine nachhaltige Versorgung mit Energie ohne Freisetzen von Treibhausgasen in absehbarer Zeit zum technischen Standard gehört.
Erfindung
Für die Süßwassergewinnung aus Meerwasser werden Osmose und Umkehrosmose derart miteinander verkoppelt, dass die Süßwassergewinnung ohne den Einsatz fossiler Energie erfolgt.
Die Erfindung beansprucht die Erzeugung von Süßwasser aus Meerwasser durch Umkehrosmose, wobei Osmose die Druckerzeugung für den bei der Umkehrosmose erforderlichen Druck übernimmt.
Generell ist es natürlich möglich mittels PRO (presssure retarded osmosis) erzeugte elektrische Energie für das Betreiben der Hochdruckpumpen des Umkehrosmoseprozesses zu verwenden und damit ebenfalls ohne fossile Energieträger auszukommen.
Eine andere Möglichkeit wäre eine mechanische Kopplung von Osmose und Umkehrosmoseprozess durch Kopplung von Turbine und Pumpen eventuell über ein Getriebe.
Wegen der Verluste in der Umwandlungskette Druck, Strömung (Kinetik), Turbine, Generator, Hochdruckpumpen kann man mit einer solchen Lösung allerdings nur eine Effektivität von höchstens 60–70% erreichen.
Erfindungsgemäß ist es deshalb vorteilhafter den durch Osmose erzeugten Druck mittels Druckaustauscher unmittelbar auf das Meerwasser zu übertragen. Durch die Erfindung kann die Effektivität des beanspruchten Verfahrens, gegenüber der Verwendung der mittels Turbinen aus dem PRO Prozess gewonnenen elektrischen Energie zum Betreiben der Hochdruckpumpen für die Umkehrosmose, auf bis zu 96–98% gesteigert werden.
Dies ist für die Ökonomie des Verfahrens zur Gewinnung von Süßwasser aus Meerwasser von großer Bedeutung.
Da man bei dem Verfahren zur Süßwassergewinnung mit Meerwasser arbeitet, ist es vorteilhaft als konzentrierte Lösung eingedunstetes Meerwasser einzusetzen.
Dieses an Salz konzentrierte Meerwasser kann einer Saline entnommen werden und die beim Osmoseprozess anfallende verdünnte Salzlösung wieder der Saline zugeführt werden.
In der Saline erfolgt dann durch natürliche Verdunstung (Sonneneinstrahlung, Wind) die Wiederaufkonzentrierung der Salzlösung.
Die Verdunstung des Wassers in der Saline kann durch Erwärmung der Sole mittels Solarenergie z. B. in Rinnensystemen gesteigert werden.
Auch eine Aufkonzentrierung der Sole in Rieselkühlern b. z. w. eine Kombination beider Prozesse ist möglich. Die Saline wirkt dabei als Speicher für die nur zeitweise verfügbare Sonnenenergie und ermöglicht so eine kontinuierliche Nutzung dieser nachhaltigen Energiequelle.
Besonders vorteilhaft ist auch die für Kühlung von Gebäuden und Wohnräumen erforderliche Energie in dem Prozess zur Wassergewinnung positiv zu nutzen, indem heiße trockene Luft in Rieselkühlern durch Verdunstung die Dünnsole abkühlt, wobei diese aufkonzentriert, sowie gleichzeitig gesunde kühle Luft erzeugt wird. Der Verbrauch an hochwertiger Elektroenergie zum Betreiben der Klimaanlagen kann dadurch vermieden werden.
Für diese Lösung ist es allerdings notwendig die Siedlungen, Städte durch ein entsprechendes Leitungssystem (ähnlich einem Wassernetz) mit der Dünnsole zu versorgen, sowie für die Rückführung der Sole zur Anlage der Süßwassererzeugung b. z. w. zur Saline zu sorgen.
Vorteilhaft ist auch eine segmentierte Ausführung der Salinen derart, dass in einem Teil der Saline in Zeiten einer überdurchschnittlichen Sonneneinstrahlung die Aufkonzentrierung bis zum Ausfällen des Salzes geführt wird und in Zeiten des Mangels an Strahlungsenergie dieses Salz sowie die konzentrierte Sole als Energievorrat für die zur Wassergewinnung nötige Druckenergie dient.
In einem anderen Segment der Saline kann die konzentrierte Sole mit der durch die beim Verfahren anfallenden Dünnsole überschichtet werden, wodurch zweierlei erreicht wird:
Einmal steht ein großes Volumen zur Verfügung in das man die Dünnsole (in Zeiten geringer Verdunstung) einleiten kann ohne die Konzentration der für das Verfahren benötigten Starksole zu senken.
Zum anderen erhält man durch die Überschichtung der konzentrierten Sole mit der Dünnsole den bekannten Effekt eines Kollektors und Speichers für Solarenergie, indem einfallende Solarstrahlung als Wärmeenergie in der Starksole gespeichert wird und dort zu einem Temperaturanstieg führt.
In kühleren Perioden kann diese Wärme über Wärmetauscher entnommen und mittels des oben angeführten Leitungssystems zur Klimatisierung von Gebäuden (Beheizung) genutzt werden.
Als Quelle für konzentrierte Lösungen können auch natürliche Solen von Seen oder Lagerstätten von Salzen dienen.
Da der praktisch benötigte Druck zur Gewinnung von Süßwasser aus Meerwasser mittels Umkehrosmose p = 60–80 bar beträgt, muss die in den Osmosemodulen eingesetzte konzentrierte Lösung gegenüber dem Meerwasser eine Konzentration aufweisen die 60–80 bar über dem osmotischen Druck des Meerwassers liegt.
Bei dem Verfahren können in den Druck erzeugenden Osmoseeinheiten eingesetzte Lösungen mit hohem osmotischem Druck prinzipiell anorganische oder auch organische Lösungen Verwendung finden.
Bei einem geschlossenem Kreislauf mit Wiederaufkonzentrierung der Lösung kann es aus korrosiven Gründen, oder wegen der besseren Effektivität der semipermeablen Membran gegenüber der Diffusion der Lösungsbestandteile auf die Seite mit dem geringeren osmotischen Druck, sinnvoll sein, hier andere Lösungen als konzentrierte Sole aus Meerwasser oder Kochsalzlösungen zu verwenden.
Auf der Seite mit dem geringeren osmotischen Druck (als Wasserquelle dienend) kommt praktisch aber nur das in unbegrenzter Menge verfügbare Meerwasser in Frage. zeigt schematisch den in der Patentanmeldung beanspruchten Prozess der Süßwassergewinnung aus Meerwasser.
Die zeigt jedoch lediglich eine Ausführungsform der beanspruchten Erfindung, ist aber nicht auf diese beschränkt.
Beschreibung
Salzangereichertes Meerwasser (konz. Sole) wird einer Saline entnommen und einer Reinigungsstufe zugeführt. Die Reinigung erfolgt in mehreren Stufen über Grob und Feinfilter. Hier schematisch als Filterstufe F dargestellt.
Die gereinigte Sole (3a) wird in einem Druckaustauscher auf Systemdruck der PRO Membranmodule gebracht und in diese auf die Druckseite der PRO Membranmodule eingeleitet.
Ein Meerwasserstrom wird ebenfalls einer Reinigungsstufe F zugeführt und danach in zwei Ströme Meerwasserstrom 1 (MW1) und Meerwasserstrom 2 (MW2) aufgeteilt. Der MW1 wird auf die andere Seite der semipermeablen PRO Membranmodule geführt.
Der unterschiedliche osmotische Druck des Meerwassers und des an Salz angereicherten Meerwassers bewirkt den Durchtritt von Wasser von der Meerwasserseite auf die Seite des an Salz angereicherten Meerwassers wodurch das Volumen des salzangereicherten Meerwasser vergrößert wird und sich Druck aufbaut.
Ein Teilstrom (3) des so erzeugten Volumenstromes wird einem Druckaustauscher zugeführt um dort den an Salz angereicherten Strom, wie oben beschrieben, auf Systemdruck zu bringen.
Der andere Teilstrom (2) dient dazu einen Teilstrom (2a) des Meerwasserstromes 2 (MW2) in einem zweiten Druckaustauscher auf den für die Wassergewinnung aus Meerwasser mittels Umkehrosmose notwendigen Druck zu bringen.
Der andere Teilstrom (1a) des MW2 wird durch den an Salz angereicherten Strom der RO Membranmodule in einem weiteren Druckaustauscher auf den nötigen Druck gebracht.
Salzangereichertes Wasser aus beiden Membranmodulen wird in das Meer zurückgeleitet.
Der erfindungsgemäß erzeugte Strom an Süßwasser gelangt zum Verbraucher.
zeigt schematisch wie das in den Umkehrosmosemodulen anfallende salzangereicherte Meerwasser benutzt wird um das Meerwasser in die Trocken, Halbwüsten oder Wüstengebiete zu befördern.
Das Meerwasser wird, wie beim Verfahren der Herstellung von Süßwasser, einem Filtersystem zugeleitet. Das gereinigte Meerwasser wird in zwei Ströme aufgeteilt, wovon der eine einem PRO Modulsystem, der andere einem Druckaustauscher zugeführt wird.
Das salzangereicherte Meerwasser (mit Sole in der bezeichnet), wird in einem weiteren Druckaustauscher mittels eines Teilstromes aus dem PRO Modulsystem auf Systemdruck gebracht und danach auf die Druckseite des PRO Membranmodulsystems geleitet.
Da das salzangereicherte Meerwasser einen höheren osmotischen Druck als das Meerwasser besitzt dringt Wasser von der Seewasserseite auf die salzangereicherte Seite über und erzeugt dort den Druck der über einen Druckaustauscher das Meerwasser auf den zur Beförderung desselben zur Wasserfabrikation in die Trockengebiete bringt.

Claims

Verfahren zur Gewinnung von Trinkwasser aus Meerwasser dadurch gekennzeichnet, dass der Prozess ohne fossile Energieträger auskommt indem die Umkehrosmose (RO „reverse osmosis”) durch Osmose derart angetrieben wird, dass der für die Umkehrosmose erforderliche hohe Druck des Meerwassers durch einen Osmoseprozess bereitgestellt wird, indem Salzlösungen mit entsprechend unterschiedlicher Konzentrationen durch eine Membran voneinander getrennt in der konzentrierteren Lösung den benötigten Druck erzeugen, welcher dann vermittels Druckaustauscher auf einen Meerwasserstrom übertragen, – worauf dieser Meerwasserstrom dann der Umkehrosmose zur eigentlichen Wassergewinnung zugeführt wird.
Verfahren zur Gewinnung von Trinkwasser aus Meerwasser entsprechend Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das konzentrierte Salzwasser einer Saline entnommen und die bei der Druckerzeugung in der Osmoseanlage anfallende verdünnte Salzlösung wieder in diese zurückgeführt wird, wobei die Wasser und Energiebilanzbilanz des Systems in der Saline durch Sonneneinstrahlung und Verdunstung wieder ausgeglichen wird.
Verfahren zur Gewinnung von Trinkwasser aus Meerwasser entsprechend Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass Meerwasser in Trocken, Halbwüsten oder Wüstengebiete verbracht und dort in zum Boden hin versiegelten künstlichen Salinen durch Wasserverdunstung aufkonzentriert wird, wobei diese salzangereicherte Lösung dann dem Prozess der Wassergewinnung entsprechend dem Anspruch 1 genutzt wird, wodurch die für eine Gewinnung von Wasser notwendige Fläche zur Nutzung nachhaltiger solarer Energie sich nicht auf den unmittelbaren Küstenbereich beschränkt und somit eine wesentlich größere nachhaltige Energiemenge für die Wasserproduktion zur Verfügung steht.
Verfahren zur Gewinnung von Trinkwasser aus Meerwasser entsprechend Anspruch 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass der zur Beförderung des Meerwassers in die oben angeführten Trocken, Halbwüsten oder Wüstengebiete benötigte Druck durch aus den der dort betriebenen Anlagen zur Süßwassergewinnung aus Meerwasser anfallendes salzangereichertes Meerwasser erzeugt wird indem der höhere osmotische Druck zwischen diesen beiden Salzlösungen in einem Osmoseprozess genutzt wird.
Verfahren zur Gewinnung von Trinkwasser aus Meerwasser entsprechend Anspruch 1, 2, und 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Aufkonzentrieren der beim Osmoseprozess anfallenden verdünnten Salzlösung zum Teil in Verdunstungskühlern erfolgt, wobei die Verdunstungsenergie genutzt wird heiße trockene Luft abzukühlen und diese dann, anstelle Elektroenergie verbrauchender Klimaanlagen, als gesunde Frischluft zur Kühlung von Gebäuden und Wohneinrichtungen einzusetzen.
Verfahren zur Gewinnung von Trinkwasser aus Meerwasser entsprechend Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die zur Druckerzeugung benötigte Salzlösung mit hohem osmotischen Druck einem natürlichen Sole Reservoir entnommen und die anfallende salzärmere Lösung dem Meer zugeführt wird wobei sie dort entsprechend Anspruch 4 zum Transport des Meerwassers zum natürlichen Vorkommen der Salzsole b. z. w. der Anlage zur Süßwassergewinnung dient.