DE102012000016A1

DE102012000016A1 - Verfahren zur Erzeugung von Süßwasser und elektrischer Energie aus Meer oder Brackwasser mittels solarer Energie

Info

Publication number: DE102012000016A1
Application number: DE201210000016
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-01-02
Filing date: 2012-01-02
Publication date: 2013-07-04

Abstract

Das Verfahren der Membrandestillation zur Erzeugung von Süßwasser aus Brack oder Meerwasser wird mit osmotischen Verfahren zur Wasser und Energiegewinnung kombiniert indem die bei der Membrandestillation gebildete, mit Salz angereicherte Sole auf eine Seite der Membranen der Osmose Module und das salzärmere Brack oder Meerwasser auf die andere Seite geführt wird. Durch die osmotische Druckdifferenz wird Wasser aus der osmotisch dünneren Flüssigkeit durch die Membran in die osmotisch dichtere Flüssigkeit überführt, das Volumen dieser vergrößert und Druck aufgebaut. Diese Druckenergie kann über Druckaustauscher in Umkehrosmosemodulen zur Meerwasserentsalzung genutzt werden oder mittels Turbinen zur Erzeugung elektrischer Energie dienen. Die drucklose kalte verdünnte Salzlösung wird wieder zurück in den Prozess der Membrandestillation geführt. Hier dient sie zur Kondensation des Wasserdampfes und als Wasserquelle im Membrandestillationsprozess und wird dabei durch den Wasserverlust wieder aufkonzentriert. Ein Teil der aufkonzentrierten Salzlösung und der verdünnten Salzlösung wird in Speicherbecken gesammelt und damit solare Energie als saline Energie gespeichert, wodurch einen kontinuierliche Erzeugung von elektrischer Energie sowie eine Süßwassererzeugung durch Meerwasserentsalzung ermöglicht wird.

Description

Stand der Technik
Das Verfahren entsprechend DE 10 2010 014 464 A1 ermöglicht die kontinuierliche Erzeugung von Süßwasser aus Meerwasser. Bei dem Verfahren wird der Prozess der Umkehrosmose mit dem der Osmose so miteinander verknüpft, dass der für die Umkehrosmose erforderliche Druck des Meerwassers durch Lösungen unterschiedlicher Salzkonzentration in sog. PRO Modulen erzeugt und mittels Druckaustauscher auf das Meerwasser übertragen wird.
Die Lösung mit hoher Salzkonzentration wird dabei z. B. einer Saline entnommen. Die bei dem Verfahren anfallende verdünnte Salzlösung wird in die Saline zurückgeführt. Dort erfolgt die Wideraufkonzentrierung der Sole durch solare Energie (Wind, Verdunstung).
Solche Osmose-Membranen wurden erstmalig im US Patent 3.133.132 (1964) von Loeb Sourijan bekannt.
Basierend auf einem weiteren US Patent 4.277,344 (1981) von J. E. Cadotte zur Herstellung solcher Membranen wurden am GKSS Forschungszentrum in Geesthacht durch sog. „interfacial polycandensation” große Fortschritte bei der Leistung der Membranen erzielt. So konnte der Wassertransport um den Faktor 20 erhöht werden.
Auch an anderen Stellen in Europa und in den USA wird an der Weiterentwicklung solcher Osmose Membranen gearbeitet.
Augrund der großen Fortschritte auf diesem Gebiet, hat der norwegische Konzern Statkraft in Norwegen deshalb entschlossen, eine Pilotanlage zur Nutzung saliner Energie zu errichten, indem der unterschiedliche osmotische Druck von Meerwasser und Flusswasser zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt werden soll.
Ein anderer bekannter Prozess zur Erzeugung von Süßwasser aus Meerwasser ist die sog. Membrandestillation. Das Verfahren ist ein thermisch betriebenes Verfahren bei welchem Wasser durch einen Phasenwechsel aus einer Lösung abgetrennt wird.
Die für den Prozess notwendige thermische Energie kann durch solare Energie bereitgestellt werden. Günstig bei diesem Prozess ist, dass lediglich relativ niedrige Prozesstemperaturen benötigt werden, sodass zur Aufnahme der Solarenergie Flachkollektoren eingesetzt werden können.
Ein kontinuierlicher Betrieb dieser Anlagen ist jedoch nur durch die Speicherung thermischer Energie in isolierten Gefäßen möglich.
Für kleinere lokale Anlagen ist das technisch und ökonomisch machbar. Die thermische Isolation eines größeren Reservoirs ist zwar prinzipiell technisch machbar, aber unter ökonomischen Gesichtspunkten nicht vertretbar.
Erfindung
Die Wideraufkonzentrierung der bei dem Verfahrens entsprechend DE 10 2010 014 464 A1 anfallenden Dünnsole in einer Saline hat den Nachteil, dass die Flächen zur Errichtung von Salinen auf verhältnismäßig wenig geeignete Gebiete an den Küsten beschränkt sind und deswegen die Gesamtkapazität der Wasserproduktion begrenzt ist.
Erfindungsgemäß wird durch eine Kombination des Verfahrens mit dem Verfahren der Membrandestillation hingegen den Bau und Betrieb von Anlagen zur Wasserproduktion auf Gebieten weiter im Landesinneren ermöglicht, indem die beim Verfahren nach DE 10 2010 014 464 A1 anfallende Dünnsole dem Verfahren der Membrandestillation zugeführt und dort aufkonzentriert wird.
Die aufkonzentrierte Sole wird danach in den Prozess des Verfahrens nach DE 10 2010 014 464 A1 rückgeführt.
Erfindungsgemäß werden die bei den Prozessen anfallenden verdünnten bzw. konzentrierten Volumina der Salzlösungen zum Teil in Speicherbecken entsprechender Kapazität gesammelt.
Durch den Wasserverlust und die Aufkonzentrierung der Sole bei dem Prozess der Membrandestillation, wird die solare Energie in saline Energie umgewandelt. Die so umgewandelte Energie wird in den Vorratsbecken in Form der konzentrierten bzw. verdünnten Volumina der Salzlösungen aus dem Prozess DE 10 2010 014 464 A1 zwischengespeichert.
Diese Speicherung der solaren Energie in Form saliner Energie erlaubt dadurch eine kontinuierliche Wasserproduktion.
Erfindungsgemäß wird durch diese Art der Speicherung der solaren Energie auch die kontinuierliche Erzeugung von elektrischer Energie durch sog. „Pressure Retarded Osmosis” möglich.
Vorteilhafterweise gelingt die Speicherung der solaren Energie in dieser Form ohne aufwendige thermische Isolation der Speicher.
Je nach Erfordernis kann die Kombination der Verfahren dabei auf maximale Wasserproduktion ohne Erzeugung elektrischer Energie abzielen, wie in dargestellt, oder auf maximale Erzeugung elektrischer Energie mit einer entsprechend verringerten Wasserproduktion ausgelegt werden, wie in dargestellt.
Zwischen diesen beiden grenzwertigen Auslegungen sind natürlich alle dazwischen liegenden Auslegungen der Kombination der Verfahren möglich.
Als Wasserquelle muss den Anlagen, wie für den Betrieb der Umkehrosmose, natürlich Meerwasser, Brackwasser oder andere salzhaltige Lösungen zugeführt und salzangereichertes Wasser abgeführt werden.
Vorteilhaft ist bei der Kombination der Verfahren auch, dass die im Prozess der Membrandestillation aufkonzentrierte Sole ohne eine aufwendige Reinigungsstufe der Wassergewinnung entsprechend DE 10 2010 014 464 A1 oder zur Gewinnung elektrischer Energie in PRO-Modulen eingesetzt werden kann.
Die Speicherbecken müssen für diesen Fall allerdings abgedeckt werden um die Sole-Lösungen vor Kontaminationen zu schützen.
Daneben ist es mit der geschlossenen Kreisführung des Solestromes erfindungsgemäß möglich eine Anreicherung von Deuterium in der Sole zu erreichen.
Ein kleiner Teilstrom, aus diesem Kreislauf ausgeschleust, kann für Verfahren zu einer weiteren Aufkonzentrierung des Deuteriums genutzt werden.
Das ausgeschleuste Volumen aus dem Kreislauf muss wieder durch ein entsprechendes Volumen ersetzt werden.
Die Anreicherung des Deuteriums erfolgt, weil im Prozess der Membrandestillation durch den Phasenwechsel (flüssiger Zustand-dampfförmig) das gebildete Wasser weniger Deuterium enthält als in der Sole vorhanden war.
Mit dem, dem Kreislauf zugeführten aus dem Meerwasser stammenden Wasser, wird dem Solekreislauf immer wieder Deuterium haltiges Wasser zugeführt.
Beschreibung der Verfahrenskombination entsprechend Fig. 1
Das dem Verfahren als Wasserquelle dienende Meerwasser muss vor dem Einsatz einer entsprechenden Reinigungsstufe zugeführt werden.
Diese Reinigungsstufe ist hier stark vereinfacht als Filter F dargestellt.
Der gereinigte Meerwasserstrom wird danach aufgeteilt in einen Strom der den PRO Membranmodulen zugeführt wird und einen anderen Teilstrom der zur Umkehrosmose (RO Membranmodule) geleitet wird.
Letzterer Meerwasserstrom wird noch einmal in zwei Teilströme aufgeteilt.
Der eine Strom (1a) erhält seine Druckbeaufschlagung in einem Druckaustauscher durch Rückgewinnung der Druckenergie von dem salzangereicherten Meerwasser aus der Umkehrosmose, der andere Teilstrom (2a) wird in einem zweiten Druckaustauscher mittels in den PRO Modulen gewonnener Druckenergie auf den für die Umkehrosmose benötigten Druck gebracht.
Aus der Membrandestillation oder dem Starksole Speicher stammende salzreiche Sole (3a) wird in einem weiteren Druckaustauscher durch zurück gewonnene Druckenergie aus den PRO Membranmodulen auf Systemdruck gebracht und in die Druckseite der Membranmodule eingeleitet.
Der unterschiedliche osmotische Druck des Meerwassers auf der einen und der salzreichen Sole auf der anderen Seite der PRO Membranmodule bewirkt den Durchtritt von Wasser durch die Membranen aus dem Meerwasser in die salzreiche Sole.
Das Volumen der Sole vergrößert sich, die Sole wird verdünnt und es wird Druck aufgebaut.
Ein Teil der Druckenergie dieses Volumenstromes dient dazu die salzangereicherte Sole (3), wie oben beschrieben, auf Druck zu bringen.
Der andere Teilstrom (2) sorgt mit Hilfe eines Druckaustauschers für den Druckaufbau des Teilstromes (2a).
Die vereinigten drucklosen Volumenströme der Dünnsole (3) nach dem Druckaustauscher, sowie (3b) werden zum Teil direkt in die Membrandestillation eingespeist, zum anderen Teil einen Dünnsolespeicher zugeführt.
Bei Nacht, oder in Zeiten ungenügender Solareinstrahlung, wenn die Membrandestillation nicht oder nicht mit maximaler Kapazität arbeiten kann, wird die Dünnsole aus den PRO Modulen im Dünnsolespeicher aufgefangen.
In diesen Zeiten werden die PRO Module mit Starksole aus dem Starksolespeicher versorgt.
Erfindungsgemäß wird die Größe der Speicher so ausgelegt, dass die Zeiten keiner (Nacht) oder zu geringer Solarenergie überbrückt werden können.
Beschreibung der Verfahrenskombination entsprechend Fig. 2
Meerwasser wird über eine Reinigungsstufe, hier stark vereinfacht mit F gekennzeichnet, auf eine Seite der Membranen der PRO Module geführt.
Starksole aus der Membrandestillation (Strom 3a) wird nach der Druckerhöhung in einem Druckaustauscher auf die andere Seite der Membranen der PRO Module eingespeist.
Steht keine Starksole aus der Membrandestillation zur Verfügung (z. B. Nachtbetrieb) wird die Starksole einem Vorratsbecken für die Starksole entnommen.
Der unterschiedliche osmotische Druck des Meerwassers auf der einen und der salzreichen Sole auf der anderen Seite der PRO Membranmodule bewirkt den Durchtritt von Wasser durch die Membranen aus dem Meerwasser in die salzreiche Sole.
Das Volumen der Sole vergrößert sich, die Sole wird verdünnt und es wird Druck aufgebaut. Die Druckenergie der Sole wird zur Erzeugung elektrischer Energie in einer Turbine genutzt (Strom 3).
Der andere Teilstrom dient zur Erzeugung des Systemdruckes der Starksole in einem Druckaustauscher (Strom 3b).
Die drucklose Dünnsole wird direkt in das System der Membrandestillation eingespeist. Steht die Membrandestillation nicht zur Verfügung (z. B. Nachtbetrieb) wird die Dünnsole einem Vorratsbecken zugeführt.
Bei ausreichender Solarenergie wird der Membrandestillation zusätzliche Sole aus dem Dünnsolespeicher zugeführt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010014464 A1 [0001, 0011, 0012, 0013, 0015, 0022]
US 3133132 [0003]
US 4277344 [0004]

Claims

Verfahren zur Erzeugung von Süßwasser aus Meer oder Brackwasser und elektrischer Energie mittels solarer Energie dadurch gekennzeichnet, dass das an sich bekannte Verfahren zur Herstellung von Wasser aus Meerwasser nach DE 10 2010 014 464 A1 mit dem Verfahren zur Erzeugung von Wasser aus Meerwasser mittels Membrandestillation und dem Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie durch „Pressure Retarded Osmosis” PRO über saline Energie-Speicherbecken so miteinander verknüpft werden, dass kontinuierliche Wasser und Stromproduktion erreicht wird.
Verfahren zur Erzeugung von Süßwasser und elektrischer Energie aus Meer oder Brackwasser mittels solarer Energie entsprechend Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der beim Verfahren nach DE 10 2010 014 464 A1 anfallende Dünnsole dem Prozess der Membrandestillation direkt zugeführt wird, ein anderer Teil in einem Vorratsbecken gespeichert wird.
Verfahren zur Erzeugung von Süßwasser und elektrischer Energie aus Meer oder Brackwasser mittels solarer Energie entsprechend Patentanspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der durch den Prozess der Membrandestillation aufkonzentrierte Starksole dem Verfahren nach DE 10 2010 014 464 A1 direkt zugeführt, ein anderer Teil in einem weiteren Vorratsbecken gespeichert wird.
Verfahren zur Erzeugung von Süßwasser und elektrischer Energie aus Meer oder Brackwasser mittels solarer Energie entsprechend Patentanspruch 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass mit der Auslegung der Speicher-Becken für Dünnsole und Starksole bei Ausfall der Solarenergie (Nacht, bewölkt) der kontinuierliche Betrieb der Anlagen zur Herstellung von Wasser aus Meerwasser nach DE 10 2010 014 464 A1 sowie die kontinuierliche Erzeugung von elektrischer Energie gewährleistet ist.
Verfahren zur Erzeugung von Süßwasser und elektrischer Energie aus Meer oder Brackwasser mittels solarer Energie entsprechend Patentanspruch 1, 2, 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherbecken der Dünn und Starksole mit einer Abdeckung ausgeführt werden um Kontamination der Sole zu vermeiden und damit die Sole ohne Reinigungsschritt in den jeweiligen Prozess einspeisen zu können.
Verfahren zur Erzeugung von Süßwasser und elektrischer Energie aus Meer oder Brackwasser mittels solarer Energie entsprechend Patentanspruch 1, 2, 3, 4 und 5 dadurch gekennzeichnet, dass in dem geschlossenen Sole-Kreislauf der Verfahrenskombination einer kleiner Teilstrom Deuterium angereicherte Sole entnommen wird, der in anderen Verfahren zur weiteren Aufkonzentrierung des Deuteriums dienen kann. Das ausgeschleusste Volumen wird durch Zufuhr von Sole in den Kreislauf wieder ersetzt.