DE102012103475A1

DE102012103475A1 - Verfahren zur Süßwassergewinnung

Info

Publication number: DE102012103475A1
Application number: DE201210103475
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-04-20
Filing date: 2012-04-20
Publication date: 2013-10-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Süßwassergewinnung mit einem Wärmetauscher (2, 102), wobei Umgebungsluft den Wärmetauscher (2, 102) durchströmt, Kühlwasser (50) durch den Wärmetauscher (2, 102) geführt wird und in der Umgebungsluft enthaltene Feuchtigkeit am Wärmetauscher (2, 102) kondensiert. Um eine nachhaltige Süßwassergewinnung bei geringem Energieaufwand zu ermöglichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass als Kühlwasser Meerwasser (50) verwendet wird, das aus einer Entnahmetiefe entnommen wird, in der die Temperatur wenigstens 5°C unter der Temperatur der Umgebungsluft liegt, und zum Wärmetauscher (2, 102) geführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Süßwassergewinnung sowie eine Vorrichtung zur Süßwassergewinnung.
In den ariden Gebieten der Welt steht heute viel zu wenig Wasser zur Verfügung, hauptsächlich wegen des großen Bevölkerungszuwachses der letzten Dekaden. Sogar das Trinkwasser ist knapp geworden, an eine nachhaltige Wasserversorgung zum Anbau von Nahrungsmitteln ist gar nicht zu denken.
Pro Jahr fallen im globalen Durchschnitt etwa 1000 mm Niederschlag, davon das meiste in den Tropen (80 % der Gesamtmenge). Daher liegt dort der jährliche Niederschlag in der Regel bei weit über 1000 mm. Umgerechnet pro Sekunde beträgt der tropische Niederschlag ca. 13.000.000 m³. So sind auch die Tropenflüsse Amazonas und Kongo die wasserreichsten Flüsse der Erde mit zusammen 240.000 m³/s Wassermenge an den Mündungen. Dagegen fällt in den ariden Gebieten der Subtropen nur 300–800 mm Regen, so dass Landwirtschaft nicht möglich ist – die dort in der Regel mindestens 1000 mm Niederschlag braucht.
Eine Scheinlösung in den ariden Gebieten ist das Ausbeuten, d.h. Absenken des vorhandenen Grundwassers, eine weitere die Nutzung fossiler Wassertableaus durch Tiefbrunnen. All dies ist Raubbau, der nur für wenige Ausnahmen gerechtfertigt sein sollte. Auch ist das Pumpen teuer – wenn ein Kubikmeter Wasser aus 1000 m Tiefe gefördert wird, so sind dazu 10 Mega-Joule (MJ) elektrischer Energie erforderlich, also etwa 3 Kilowattstunden (kWh) mit Kosten von 0,60 EU pro m, wenn man einen Preis von 0,20 EU pro kWh zugrunde legt – die Kosten des Bohrlochs sind dabei nicht eingerechnet. Dazu kommt, dass fossiles Wasser häufig erheblich mineralisiert ist. Dann kann es dem Trinkwasser nur beigemischt werden und bei Bewässerung führt solches Wasser langfristig zur Versalzung des Bodens.
In jüngerer Zeit wurde besonders im Nahen Osten die Meerwasserentsalzung in großem Stile eingeführt. Hier gibt es mittlerweile Anlagen, die 10 m³/sec erzeugen und die daneben 2 Gigawatt elektrische Energie für Verbraucher generieren, allerdings bei einem Energieaufwand von mindestens 4 kWh pro m³ Trinkwasser.
Weitere Methoden zur Wassergewinnung in ariden Ländern sind die Nutzung von Taubildung oder das Ernten von Nebeltröpfchen mittels Nebelnetzen und ähnlichen Geräten. Hierbei wird ausgenutzt, dass sich häufig Küstennebel entlang subtropischer Küsten bildet, z.B. entlang der afrikanischen Südwestküste oder entlang der Atacamawüste in Chile. Jedoch reicht die Menge des gewonnenem Wassers nur dazu aus, etwas Trinkwasser zu gewinnen, für Bewässerung sind die Mengen viel zu klein.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine nachhaltige Süßwassergewinnung bei geringem Energieaufwand zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung nach Anspruch 10.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Süßwassergewinnung wird ein Wärmetauscher verwendet. Hierbei durchströmt Umgebungsluft den Wärmetauscher. Der Begriff "durchströmen" ist hier weit auszulegen. So hat der Wärmetauscher typischerweise eine Art Gehäuse mit Ein- und Auslassöffnung für Luft, so dass die Luft innerhalb des Gehäuses zumindest in gewissem Maße geführt wird. Es sind aber auch offene Ausführungsformen denkbar; in diesem Fall "durchströmt" die Luft einen Bereich, in dem Wärme ausgetauscht wird. Die Umgebungsluft ist hier im engeren Sinne atmosphärische Luft, die – normalerweise – ohne vorherige Aufbereitung zum Wärmetauscher gelangt.
Des Weiteren wird Kühlwasser durch den Wärmetauscher geführt. Es wird also ein – zumindest dem Prinzip nach – bekannter Wärmetauscher verwendet, bei dem ein Medium (die Umgebungsluft) gasförmig und das andere Medium (das Kühlwasser) flüssig ist. Bevorzugte Ausgestaltungen des Wärmetauschers werden im Weiteren noch diskutiert. Der Begriff "geführt" bedeutet, dass zum einen Behälter wie Rohre o.Ä. vorhanden sind, mittels derer die Bewegung des Wassers wenigstens teilweise begrenzt werden kann. Zum anderen wird eine Bewegung des Wassers durch den Wärmetauscher – also hinein und wieder hinaus – erzeugt. Dies geschieht typischerweise durch Pumpen, allerdings kann die Bewegung des Wassers zumindest teilweise auch z.B. der Schwerkraft oder der Auftriebskraft folgen. Um einen optimalen Wärmeaustausch zu erreichen, wird das Wasser bevorzugt mit einer Geschwindigkeit geführt, die so hoch ist, dass eine turbulente Strömung auftritt. Die entsprechende kritische Geschwindigkeit kann vom Fachmann anhand der Reynolds-Zahl ermittelt werden. So ist bei einem Rohrdurchmesser von 5 cm bereits eine Geschwindigkeit von ca. 5 cm/s ausreichend für turbulente Strömung. Im Übrigen wird die Geschwindigkeit bevorzugt möglichst niedrig gewählt, um Reibungsverluste zu minimieren.
Durch den indirekten Kontakt mit dem Kühlwasser kühlt die Umgebungsluft am Wärmetauscher ab. Dabei kondensiert in der Umgebungsluft enthaltene Feuchtigkeit am Wärmetauscher. Hierdurch wird beim erfindungsgemäßen Verfahren Süßwasser gewonnen. Die Schwierigkeit hierbei ist, dass pro m³ Süßwasser ca. 2,5 GJ Kondenswärme weggekühlt werden muss, nämlich die latente Wärme des in der Luft befindlichen Wasserdampfes, der wieder in Wasser verwandelt wird.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass als Kühlwasser Meerwasser verwendet wird, das aus einer Entnahmetiefe entnommen wird, in der die Temperatur wenigstens 5°C unter der Temperatur der Umgebungsluft liegt, und zum Wärmetauscher geführt wird. Der Begriff "geführt" bedeutet hier, dass zum einen Behälter wie Rohre o.Ä. vorhanden sind, mittels derer die Bewegung des Wassers wenigstens teilweise begrenzt werden kann. Zum anderen wird eine Bewegung des Wassers aus der Entnahmetiefe zum Wärmetauscher erzeugt. Dies kann wenigstens teilweise durch Pumpen erfolgen, allerdings kann die Bewegung des Wassers zumindest teilweise auch der Schwerkraft und/oder der Auftriebskraft folgen. Eine Entnahmetiefe mit passender Temperatur kann hierbei vorab durch Messungen bestimmt werden bzw. ist für viele Meeresregionen bereits bekannt.
Es versteht sich, dass das Kühlwasser schon beim Erreichen des Wärmetauschers eine höhere Temperatur erreicht haben kann, als es in der Entnahmetiefe hatte. Erfolgt die Überführung zum Wärmetauscher schnell genug bzw. wird für eine hinreichende Wärmeisolierung gesorgt, ist das Meerwasser ohne Weiteres als Kühlwasser geeignet. Die Entnahme erfolgt in der Regel mittels einer Leitung, die wenigstens von der Meeresoberfläche bis in die Entnahmetiefe reicht, so dass eine kontrollierte Überführung zur Meeresoberfläche und von dort zum Wärmetauscher möglich ist.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Meerwasser ein Temperaturprofil zeigt, dass – zumindest in hinreichender Tiefe – eine hohe zeitliche Konstanz aufweist. So liegt am Äquator die Wassertemperatur in 400 m Tiefe bei ca. 10°C, in größeren Tiefen fällt sie weiter ab, allerdings nur langsam. In Richtung zu den Polen sinkt die Wassertemperatur in 400 m Tiefe ebenfalls ab. Insbesondere in warmen Gebieten wie den Tropen oder Subtropen stellt Tiefenwasser daher ein praktisch unerschöpfliches Kältereservoir dar. Insbesondere aus feuchtwarmer Luft können auf diese Weise große Mengen an Süßwasser gewonnen werden. Das Verfahren kann in kleinerem Maßstab durchgeführt werden (z.B. mit Mengen von ca. 1 l/s), aber bevorzugt auch in einem Maßstab, bei dem die gewonnenen Wassermengen (von z.B. 1 m³/s) ausreichen, um eine Großstadt zu versorgen oder für die landwirtschaftliche Bewässerung größerer Agrarflächen verwendet zu werden.
Während für die Entnahme des Meerwassers verschiedene Methoden denkbar sind, ist es im Hinblick auf die Energiekosten vorteilhaft, wenn kein großer Pumpaufwand anfällt. Sehr großer Pumpaufwand fällt z.B. an, wenn eine Pumpstation in der Entnahmetiefe positioniert wird, da hierbei durch die Pumpe die Schwerkraft für die Höhendifferenz bis zum Wärmetauscher überwunden werden muss. Bei 400 m Tiefe ist hierfür beispielsweise eine Energie von mehr als 1 kWh pro m³ Kühlwasser nötig, was bei einem Bedarf von beispielsweise 25 m³ Kühlwasser pro m³ Nutzwasser einen Pumpaufwand von mehr als 25 kWh pro m³ Nutzwasser (bzw. Kosten von 5 €/m³ bei 0,20 €/kWh) impliziert.
Ein geringerer Pumpaufwand fällt an, wenn in einem in der Tiefe unterbrochenem Ring gepumpt wird und dabei das Tiefenwasser in langen Leitungsrohren nach oben in den Wärmetauscher und dann zurück in die gleiche Tiefe geführt wird. Hier wird zwar das Schwerkraftproblem weitestgehend umgangen, aber es gibt bei den langen Leitungsrohren große Reibungsverluste, die durch Pumpleistung zu kompensieren sind. Auch hier ist daher der Pumpaufwand immer noch groß.
Der Pumpaufwand lässt sich in einer Ausgestaltung des Verfahrens drastisch reduzieren, bei der das Meerwasser unter Ausnutzung des hydrostatischen Paradoxons entnommen wird. Als hydrostatisches Paradoxon wird hierbei das Prinzip bezeichnet, wonach sich innerhalb kommunizierender Röhren (also Röhren bzw. Gefäße, die miteinander verbunden und oben offen sind) ein Flüssigkeitspegel gleicher Höhe einstellt. Dieses Prinzip, auch als Prinzip der kommunizierenden Röhren bzw. Gefäße bezeichnet, gilt exakt nur für eine Flüssigkeit homogener Dichte und Temperatur, sowie im statischen (also unbewegten) Zustand. Aufgrund von temperaturbedingten Dichteunterschieden sowie von Fließbewegungen gilt das hydrostatische Paradoxon im Rahmen des vorliegenden Verfahrens ggf. nur näherungsweise, wie im Weiteren noch diskutiert wird. Vereinfachend wird hier allerdings auch bei näherungsweiser Gültigkeit vom "hydrostatischen Paradoxon" gesprochen.
Es wird bei dieser Ausgestaltung ausgenutzt, dass aufgrund des hydrostatischen Druckes ein Ungleichgewicht immer wieder in Richtung des oben beschriebenen Gleichgewichtszustandes ausgeglichen wird. Hierdurch ist es möglich, eine Fließbewegung zu erzeugen, die durch die Wasserentnahme bewirkt wird. Diese Fließbewegung muss somit nicht durch Pumpen erzeugt werden, was zur deutlichen Energieersparnis führen kann. Hierbei kann z.B. eine Entnahmeleitung ein "Gefäß" im obigen Sinne bilden, während das umgebenden Meer ein weiteres "Gefäß" bildet.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist wenigstens eine Entnahmeleitung für Meerwasser vorhanden, mit einer ersten Endöffnung, die oberhalb der Meeresoberfläche angeordnet ist, und mit einer zweiten Endöffnung, die in der Entnahmetiefe angeordnet ist. Hierbei wird das Meerwasser entnommen, indem im Bereich der ersten Endöffnung Meerwasser aus der Entnahmeleitung entnommen und zum Wärmetauscher geführt wird, wobei durch die zweite Endöffnung Meerwasser aus der Entnahmetiefe in die Entnahmeleitung nachströmt.
Die beiden Endöffnungen sind gegenüber der Umgebung offen, so dass ein freier Druck- und Stoffaustausch möglich ist. Ansonsten ist die Entnahmeleitung vorzugsweise wasserdicht, um einen Austausch zwischen dem Wasser innerhalb und außerhalb zu unterbinden, wenngleich kleine Leckagen (d.h. klein im Gesamtquerschnitt verglichen mit den Endöffnungen) akzeptabel sind. Jede solche Leckage führt allerdings zu einer Vermischung von Kühlwasser innerhalb der Leitung mit i. Allg. wärmerem Wasser von außerhalb, was die Effizienz des Verfahrens herabsetzt. Die erste Endöffnung wird oberhalb der Meeresoberfläche angeordnet, d.h. ein Eindringen von Oberflächenwasser aus der Umgebung ist bevorzugt nicht möglich, außer evtl. bei stärkerem Seegang. Letzteres kann aber durch eine hinreichend hohe Anordnung der Öffnung weitgehend unterbunden werden und/oder z.B. durch Schutzwände oder ein Gehäuse (z.B. aus Beton) mit geeigneten Luftöffnungen, in dem die erste Endöffnung angeordnet ist. Die Entnahmeleitung kann im Wesentlichen starr sein, es ist aber auch eine zumindest abschnittsweise Flexibilität denkbar.
Bei dieser Variante des Verfahrens wird wiederum das Prinzip der kommunizierenden Röhren bzw. das hydrostatische Paradoxon ausgenutzt, wonach das Wasser in der Leitung stets das Niveau des umgebenden Meerwassers einnimmt, solange keine Wasserentnahme erfolgt. Wird nun aus dem Bereich der ersten Endöffnung Wasser entnommen (z.B. über ein eintauchendes Rohr abgepumpt), bedeutet dies ein Druckunterschied zwischen dem Wasser innerhalb und außerhalb der Entnahmeleitung. Daher muss Wasser gemäß des hydrostatischen Paradoxons durch die zweite Endöffnung in die Entnahmeleitung nachströmen. Das Nachströmen des Wassers wird hierbei letztendlich durch die Schwerkraft angetrieben. Die Entnahmeleitung bildet hier gewissermaßen ein Reservoir, dass sich bei Entnahme im Bereich der ersten Endöffnung über die zweite Endöffnung selbstständig nachfüllt. Wird nun an der Meeresoberfläche fortschreitend, insbesondere kontinuierlich, Wasser entnommen, entwickelt sich eine fortgesetzte Aufwärtsbewegung des Wassers in der Leitung. Die Geschwindigkeit ist hierbei im Wesentlichen durch den Querschnitt, durch die Länge sowie den Reibungskoeffizienten der Leitung begrenzt und hängt ansonsten natürlich von der Wassermenge ab, die an der oberen Endöffnung entnommen wird. Der Querschnitt ist bevorzugt konstant; bei kreisförmigem Querschnitt ist ein Durchmesser zwischen 0,2 m und 20 m bevorzugt.
Sowohl durch das kältere Tiefenwasser mit seiner höheren Dichte als auch durch das Nachströmen des Wassers bildet sich an der Oberfläche innerhalb der Leitung ein niedrigerer Pegel als außerhalb. Diese Effekte können jedoch verhältnismäßig klein gehalten werden. So führt der Dichte-Effekt z.B. bei einer Entnahmetiefe von 400 m und einem Temperaturunterschied von 20 ºC zu einer Pegelabsenkung von nur ca. 80 cm. Auch der Nachström-Effekt infolge der Rohrreibung führt z.B. bei einer Rohrlänge von 400 m, einen Rohrdurchmesser von d = 5 m und einer Entnahme von 60 m³/s lediglich zu einer Pegelabsenkung von 1,5m. Die Nachströmgeschwindigkeit beträgt hier ca. 3 m/s. Für d = 10 m nimmt die Pegelabsenkung ab auf h = 5 cm, denn h ist proportional zu 1/d⁵. Die Fließgeschwindigkeit beträgt hier 0,75 m/s, sie ist proportional zu 1/d². Diese Betrachtungen zeigen, dass das hydrostatische Paradoxon in guter Näherung gilt, sofern die Nachströmgeschwindigkeit 1 m/s nicht wesentlich übersteigt.
Als Materialien für die Entnahmeleitung sind solche mit geringer Wärmeleitfähigkeit ideal, allerdings zeigen Berechnungen, dass z.B. bei 400 m Entnahmetiefe und einer Nachströmgeschwindigkeit von 0,75 m/s das Wasser aus der Entnahmetiefe bereits nach weniger als 9 min die Oberfläche erreicht, weshalb auch bei einer Leitungswandung aus Aluminium in dieser Zeit, zumindest bei großen Rohrdurchmessern von 10–20 m, keine wesentliche Erwärmung stattfindet.
Die geschilderte Variante des Verfahrens ist sehr effizient, da das Kühlwasser nur vom – leicht erniedrigten – Pegel innerhalb der Leitung bis zum Wärmetauscher befördert werden muss, weshalb die Hubleistung gering ist. Der Wärmetauscher kann ggf. nur wenige Meter über dem Meeresspiegel angeordnet sein. Er könnte sogar theoretisch – schwerpunktmäßig – unterhalb angeordnet sein, so dass hier keine Hubleistung anfiele. Allerdings müsste in diesem Fall das aus dem Tauscher herausgeführte, "verbrauchte" Kühlwasser entweder über Meeresniveau angehoben oder unter Wasser gegen einen Außendruck abgepumpt werden.
Um eine möglichst effektive Entfeuchtung der Luft im Wärmetauscher zu erreichen, ist ein großer Temperaturunterschied gegenüber dem Kühlwasser bevorzugt. Daher ist es vorteilhaft, wenn das Meerwasser aus einer Entnahmetiefe entnommen wird, in der die Temperatur wenigstens 10°C, bevorzugt wenigstens 15°C, weiter bevorzugt wenigstens 20°C unter der Temperatur der Umgebungsluft liegt. Hierzu korrespondierend ist die Verwendung feuchtwarmer Luft bevorzugt. Solche feuchtwarme Luft hat bevorzugt eine Lufttemperatur von wenigstens 20°C, weiter bevorzugt wenigstens 25°C, besonders bevorzugt wenigstens 30°C. Solche Temperaturen lassen sich insbesondere in tropischen oder subtropischen Gebieten realisieren. So sind dort z.B. Lufttemperaturen von 30°C anzutreffen, wogegen in geeigneter Tiefe Meerwassertemperaturen von 10°C herrschen. Die relative Luftfeuchte der feuchtwarmen Luft beträgt bevorzugt wenigstens 50%, weiter bevorzugt wenigstens 70%, besonders bevorzugt wenigstens 90%.
Um die o.g. Temperaturunterschiede zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn das Meerwasser aus einer Entnahmetiefe von wenigstens 50 m, bevorzugt wenigstens 100 m, weiter bevorzugt 200 m, weiter bevorzugt wenigstens 400 m, weiter bevorzugt wenigstens 600 m, besonders bevorzugt wenigstens 800 m entnommen wird. So beträgt beispielsweise die Temperatur eines tropischen oder subtropischen Ozeans in 400 m Tiefe ca. 10°C, wohingegen für die darüberliegende Meeresoberfläche in den Tropen 30°C, in den Subtropen 20–25 ºC typisch sind. Es ist zu beachten, dass im Falle einer beidseitig offenen Entnahmeleitung, aus deren oberer Öffnung das Wasser entnommen (in der Regel abgepumpt) wird, durch die zunehmende Länge der Leitung kein wesentlicher zusätzlicher Pumpaufwand entsteht; dieser ist lediglich durch die oben geschilderte, relativ geringe Pegelabsenkung in der Entnahmeleitung bedingt. Das Nachströmen des Wassers durch die Leitung wird aber durch den Druck des umgebenden Meerwassers angetrieben, sodass hierdurch kein Pumpaufwand entsteht. Bei Betrieb an Küstenstandorten, wo die Leitung nicht senkrecht nach unten geführt werden kann, kann die Rohrlänge schnell ein Mehrfaches der Entnahmetiefe betragen, was wieder zu Pegelabsenkungen durch größere Rohrreibung führt. Aus diesen Gründen und aufgrund des zunehmenden Materialaufwandes sowie ggf. auftretender Probleme mit der Stabilisierung der Leitung ist es vorteilhaft, wenn die Entnahmetiefe höchstens 1000 m beträgt.
Es wird hierbei als eigenständige Erfindung angesehen, ein Verfahren zur Süßwassergewinnung zur Verfügung zu stellen mit einem Wärmetauscher, wobei Umgebungsluft den Wärmetauscher durchströmt, Kühlwasser durch den Wärmetauscher geführt wird und in der Umgebungsluft enthaltene Feuchtigkeit am Wärmetauscher kondensiert, wobei als Kühlwasser Meerwasser verwendet wird, das aus einer Entnahmetiefe von wenigstens 50 m entnommen wird, und zum Wärmetauscher geführt wird. Bevorzugt entspricht die Entnahmetiefe den oben genannten Werten. Vorteilhaft wird hierbei die Entnahmetiefe so gewählt, dass dort die Temperatur wenigstens 5°C unter der Temperatur der Umgebungsluft liegt.
Um den Energieaufwand weiter zu senken, ist es bevorzugt, dass die Umgebungsluft aufgrund von Windbewegung den Wärmetauscher durchströmt. D.h. die Bewegung der Umgebungsluft durch den Wärmetauscher wird durch den Wind angetrieben. Hierbei kann bevorzugt auf Gebläse oder Ähnliches verzichtet werden. Eine optimale Durchführung des Verfahrens ist insbesondere im Bereich der Passatwinde möglich, wo Winde mit hoher Stetigkeit wehen und ganzjährig Geschwindigkeiten von ca. 10 m/s anzutreffen sind. Im Allgemeinen ist es bei dieser Ausgestaltung des Verfahrens bevorzugt, dass eine Einlassöffnung des Wärmetauschers für Luft in Luvstellung positioniert wird. Falls dies einmalig erfolgt, kann dies in Bezug auf die vorherrschende Windrichtung geschehen. Weiter ist es bevorzugt, dass die Umgebungsluft durch wenigstens eine trichterförmige Einlassöffnung in den Wärmetauscher geleitet wird. Eine solche Einlassöffnung kann sich insbesondere nach oben über den restlichen Wärmetauscher hinaus erstrecken, um die Querschnittsfläche zur Windaufnahme zu erhöhen und ggf. um in weiterem Abstand vom Boden herrschende höhere Windgeschwindigkeiten auszunutzen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine räumliche Anordnung des Wärmetauschers in Abhängigkeit von der Windrichtung angepasst wird. Hierbei ist es z.B. denkbar, dass der gesamte Wärmetauscher gedreht wird, um ein optimales Durchströmverhalten der Umgebungsluft zu erreichen. Ist der Wärmetauscher auf einem Schiff installiert, kann dies in einfacher Weise erreicht werden, indem das Schiff insgesamt gedreht wird. Daneben können bei einem modularen Aufbau des Wärmetauschers einzelne Module gedreht oder verfahren werden. Es ist auch denkbar, dass Strukturen, mittels derer die Luft zum bzw. durch den Wärmetauscher geleitet wird, wie z.B. Leitflächen oder Einlassöffnungen, verstellt werden.
Beim Durchlaufen des Wärmetauschers erwärmt sich das Kühlwasser im Allgemeinen nicht bis auf die Temperatur des Oberflächenwassers bzw. der Umgebungsluft. Somit kann es ggf. zur Nebelbildung kommen, wenn warme, feuchte Umgebungsluft auf das austretende Kühlwasser trifft. Dies kann als störend empfunden werden und – je nach Standort des Wärmetauschers – auch eine Behinderung bzw. Gefährdung für den Verkehr darstellen. Daher nutzt eine Weiterbildung des Verfahrens wenigstens eine Abgabeleitung mit einer ersten Endöffnung, die oberhalb der Meeresoberfläche angeordnet ist, und eine zweite Endöffnung, die unterhalb der Meeresoberfläche angeordnet ist. Hierbei wird Meerwasser, das den Wärmetauscher durchlaufen hat, im Bereich der ersten Endöffnung in die Abgabeleitung gegeben. Gleichzeitig strömt durch die zweite Endöffnung Meerwasser aus der Abgabeleitung unterhalb der Meeresoberfläche in eine Abgabetiefe aus. Auch hier wird wiederum das hydrostatische Paradoxon bzw. das Prinzip der kommunizierenden Röhren genutzt. Vorteilhaft ist die zweite Endöffnung in einer Abgabetiefe von wenigstens 20 m angeordnet. Die Abgabetiefe kann normalerweise geringer sein als die Entnahmetiefe, da es hier vorrangig darum geht, das verbrauchte Kühlwasser von der Oberfläche fernzuhalten. Vorteilhaft kann die Abgabetiefe so gewählt werden, dass dort die Wassertemperatur derjenigen des verbrauchten Kühlwassers entspricht, so dass das Temperaturprofil des Tiefenwassers möglichst wenig gestört wird. Soll eine Abgabe des Kühlwassers möglichst tief unter der Meeresoberfläche erfolgen, kann die Abgabetiefe wenigstens 50 m, bevorzugt wenigstens 100 m, besonders bevorzugt wenigstens 200 m betragen. Abgesehen von der Länge, die normalerweise geringer ist, kann die Abgabeleitung wie die Entnahmeleitung ausgestaltet sein.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Wärmetauscher an Land angeordnet sein. In diesem Fall kann insbesondere die Entnahmeleitung in der Regel nicht durchgehend senkrecht angeordnet sein, sondern muss, dem Profil des Meeresbodens folgend, wenigstens teilweise schräg oder waagerecht angeordnet sein. Somit kann ggf. eine Entnahmeleitung notwendig sein, deren Länge ein Mehrfaches der Entnahmetiefe beträgt. Gleiches gilt ggf. für eine Abgabeleitung.
In einer bevorzugten Variante des Verfahrens erfolgt die Wassergewinnung mittels eines Schiffs, auf dem der Wärmetauscher angeordnet ist. Dies bietet verschiedene Vorteile. So kann zum einen durch eine Drehung des Schiffs eine optimale Positionierung des Wärmetauschers zu Wind erfolgen. Es kann sogar, ggf. jahreszeitabhängig, der Standort des Schiffs verändert werden. Das Schiff kann im Betrieb des Wärmetauschers am Meeresboden verankert sein, um ohne Treibstoffaufwand eine optimale Position zu halten, oder es kann ggf. auch treiben.
Da allerdings die Mengen an gewonnenem Süßwasser ggf. innerhalb von Tagen die Ladekapazität des Schiffs übersteigen können, wird hierbei vorteilhaft das gewonnene Süßwasser mittels Tankschiffen abtransportiert. Auf diese Weise muss das wassergewinnende Schiff seine optimale Position nicht verlassen, um Überführungsfahrten zur Küste anzutreten.
Das Verfahren kann vorteilhaft dadurch optimiert werden, dass abgekühlte Luft aus dem Wärmetauscher durch einen zweiten Wärmetauscher geführt wird und Umgebungsluft den zweiten Wärmetauscher durchströmt, wobei in der Umgebungsluft enthaltene Feuchtigkeit am zweiten Wärmetauscher kondensiert. Es wird hier also in einer zweiten Stufe mittels eines Luft-Luft-Wärmetauschers die abgekühlte Luft des ersten Wärmetauschers genutzt, um aus zusätzlicher Umgebungsluft weiteres Nutzwasser zu gewinnen. Ggf. muss die abgekühlte Luft mittels eines Gebläses o.Ä. durch den zweiten Wärmetauscher geführt werden. Auch hier kann die Umgebungsluft durch wenigstens eine trichterförmige Einlassöffnung in den zweiten Wärmetauscher geleitet werden.
Des Weiteren wird durch die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Süßwassergewinnung bereitgestellt. Diese umfasst einen Wärmetauscher, der zum Wärmeaustausch zwischen Umgebungsluft und Kühlwasser ausgebildet ist, Mittel zum Entnehmen von Meerwasser aus einer Entnahmetiefe, in der die Temperatur wenigstens 5°C unter der Temperatur der Umgebungsluft liegt, Mittel zum Führen des entnommenen Meerwassers zum Wärmetauscher sowie Mittel zum Führen des entnommenen Meerwassers durch den Wärmetauscher. Die Mittel zum Entnehmen ebenso wie die Mittel zum Führen können hierbei zum einen geeignete Behälter wie z.B. Leitungen oder Rohre, zum anderen Pumpen o.Ä. umfassen. Die genannten Mittel müssen hierbei nicht notwendigerweise physisch getrennt sein. So kann z.B. ein Rohr dazu dienen, Wasser zum Tauscher zu führen und sich unmittelbar im Wärmetauscher fortsetzen, wo es dann ggf. in ein Bündel von kleineren Rohren mündet.
Wie bereits oben diskutiert, kann für Leitungen, mittels derer Wasser zum Wärmetauscher geführt wird, eine besondere Wärmeisolierung vorgesehen werden.
Es versteht sich, dass die Vorrichtung geeignete Mittel zum Auffangen und Weiterleiten von kondensierter Feuchtigkeit umfassen kann, wie z.B. Becken, Leitungen, Tanks etc.
Um Pumparbeit zu sparen, ist der Wasserschwerpunkt des Wärmetauschers bevorzugt höchstens 10 m, weiter bevorzugt höchstens 5 m, besonders bevorzugt höchstens 2 m über dem Meeresspiegel angeordnet. Hierbei bezeichnet Wasserschwerpunkt den – gedachten – Schwerpunkt des im Wärmetauscher geführten Wassers, wenn dieser vollständig gefüllt ist. Der Wärmetauscher kann auch wenigstens teilweise unterhalb des Meeresspiegels angeordnet sein, z.B. an Land in einer Senke oder in einem Schiff unterhalb der Wasserlinie. Es ist hierbei typischerweise so, dass Leitungen innerhalb des Wärmetauschers verzweigen, wobei ein Teil aufwärts und ein Teil abwärts führt. Energetisch betrachtet ist dies insoweit vorteilhaft, als es bezüglich des Pumpaufwands nur auf den Wasserschwerpunkt ankommt.
Der Wärmetauscher kann als Gegenstrom-, Gleichstrom- oder auch Kreuzstrom-Wärmetauscher ausgebildet sein. Auch Mischformen sind denkbar. Das Wasser wird typischerweise mittels Rohren bzw. Leitungen geführt. Für einen besseren Wärmeaustausch können die Rohre Kühlrippen aufweisen. Bevorzugt werden mehrere Rohre für Meerwasser parallel geführt, wobei die Umgebungsluft durch die Zwischenräume strömen kann. Bevorzugt beträgt die Länge der Rohre höchstens 30 m, weiter bevorzugt höchstens 50 m, besonders bevorzugt höchstens 100 m. Als Material für die Rohre kann insbesondere Aluminium verwendet werden. Für eine großtechnische Nutzung umfasst der Wärmetauscher bevorzugt wenigstens 1.000, weiter bevorzugt wenigstens 10.000, besonders bevorzugt wenigstens 100.000 Rohre, die parallel geführt sind. Der Tauscher kann hierbei modular aufgebaut sein, wobei das Auffangen und Abführen des gewonnenen Süßwassers bevorzugt innerhalb der einzelnen Module erfolgt. Wenngleich die Umgebungsluft die Rohre frei umströmen kann, ist es bevorzugt, dass der Wärmetauscher (bzw. die einzelnen Module) ein Gehäuse aufweist, mit einer Einlassöffnung und einer Austrittsöffnung für Luft.
Innerhalb des Gehäuses können Ablenkvorrichtungen (z.B. Leitflächen) angeordnet sein, mittels derer der Luftstrom umgelenkt werden kann, woraus ggf. eine verlängerte Wegstrecke innerhalb des Wärmetauschers resultiert.
Bevorzugt umfasst die Vorrichtung wenigstens eine Entnahmeleitung für Meerwasser, mit einer ersten Endöffnung, die oberhalb der Meeresoberfläche angeordnet ist, und mit einer zweiten Endöffnung, die in der Entnahmetiefe angeordnet ist. Hierbei umfasst die Vorrichtung des Weiteren Mittel zur Entnahme von Meerwasser aus der Entnahmeleitung im Bereich der ersten Endöffnung. Diese können insbesondere ein Rohr, das ins Wasser eintauchen kann, sowie eine hiermit verbundene Pumpe umfassen. Wie bereits oben diskutiert, sind die beiden Endöffnungen gegenüber der Umgebung offen, so dass ein freier Druck- und Stoffaustausch möglich ist. Ansonsten ist die Entnahmeleitung vorzugsweise wasserdicht. Es können auch mehrere Entnahmeleitungen vorhanden sein, die z.B. in der Entnahmetiefe in verschiedenen Bereichen angeordnet sein können, während sie im Bereich der Meeresoberfläche gebündelt werden können. Es können auch verschiedene Entnahmeleitungen verschiedenen Entnahmetiefen zugeordnet sein. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, das je nach Bedarf Meerwasser nur aus einzelnen Entnahmeleitungen entnommen wird, um einem wechselnden Kühlwasserbedarf Rechnung zu tragen. Es können aber auch einzelne Entnahmeleitungen einzelnen Abschnitten des Wärmetauschers zugeordnet sein bzw. einzelnen Wärmetauschern, wenn die Vorrichtung mehrere Wärmetauscher umfasst.
Der Querschnitt der Entnahmeleitung ist bevorzugt konstant; bei kreisförmigem Querschnitt ist ein Durchmesser zwischen 0,2 m und 20 m bevorzugt. Die Länge der Leitung richtet sich nach der Entnahmetiefe. Als Materialien für die Entnahmeleitung sind solche mit geringer Wärmeleitfähigkeit ideal, allerdings kann, wie bereits erwähnt, insbesondere bei sehr großen Durchmessern der Entnahmeleitung (10–20 m), auch ein Metall wie Aluminium verwendet werden. Auch kann die Entnahmeleitung eine Doppelwand aufweisen. Wie bereits erwähnt, kann die Leitung starr oder wenigstens abschnittsweise flexibel ausgebildet sein.
Um Tiefenwasser mit einer Temperatur zu entnehmen, die wenigstens 5°C, bevorzugt wenigstens 10°C, weiter bevorzugt wenigstens 15°C, besonders bevorzugt wenigstens 20°C unter der Temperatur der Umgebungsluft liegt, ist es vorteilhaft, wenn die Mittel zur Entnahme von Meerwasser sowie die Mittel zum Überführen von Meerwasser zum Wärmetauscher dazu ausgebildet sind, das Meerwasser aus einer Entnahmetiefe von wenigstens 50 m, bevorzugt wenigstens 100 m, weiter bevorzugt wenigstens 200 m, weiter bevorzugt wenigstens 400 m, weiter bevorzugt wenigstens 600 m und tiefer, besonders bevorzugt wenigstens 800 m zu entnehmen. Dies bedeutet, dass eine entsprechende Entnahmeleitung mindestens die genannte Länge haben muss, bzw. bei nicht-senkrechter Führung entsprechend länger sein muss.
Es wird hierbei als eigenständige Erfindung angesehen, eine Vorrichtung zur Süßwassergewinnung zur Verfügung zu stellen, die einen Wärmetauscher, der zum Wärmeaustausch zwischen Umgebungsluft und Kühlwasser ausgebildet ist, Mittel zum Entnehmen von Meerwasser aus einer Entnahmetiefe von wenigstens 50 m, Mittel zum Führen des entnommenen Meerwassers zum Wärmetauscher sowie Mittel zum Führen des entnommenen Meerwassers durch den Wärmetauscher umfasst. Die Entnahmetiefe hat hierbei bevorzugt die oben genannten Werte. Vorteilhaft wird hierbei die Entnahmetiefe so gewählt, dass dort die Temperatur wenigstens 5°C unter der Temperatur der Umgebungsluft liegt.
Die Vorrichtung kann über Gebläse o.Ä. verfügen, mittels derer ein Luftstrom durch den Wärmetauscher aufrechterhalten wird. Zusätzlich oder alternativ ist die Vorrichtung bevorzugt dazu ausgebildet, dass Umgebungsluft aufgrund von Windbewegung den Wärmetauscher durchströmt. Im Allgemeinen ist es hierbei bevorzugt, dass eine Einlassöffnung des Wärmetauschers für Luft in Luvstellung positioniert bzw. positionierbar ist. Weiter ist es bevorzugt, dass die Vorrichtung wenigstens eine trichterförmige Einlassöffnung aufweist, die dazu ausgebildet ist, Umgebungsluft in den Wärmetauscher zu leiten. Eine solche Einlassöffnung kann sich insbesondere nach oben über den restlichen Wärmetauscher hinaus erstrecken, um zum einen die Querschnittsfläche zur Windaufnahme zu erhöhen und ggf. um in weiterem Abstand vom Boden herrschende höhere Windgeschwindigkeiten auszunutzen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung ist eine räumliche Anordnung des Wärmetauschers in Abhängigkeit von der Windrichtung anpassbar. Hierbei kann der gesamte Wärmetauscher drehbar und/oder verfahrbar sein. Daneben können bei einem modularen Aufbau des Wärmetauschers einzelne Module dreh- und/oder verfahrbar sind. Es ist auch denkbar, dass Strukturen, mittels derer die Luft zum bzw. durch den Wärmetauscher geleitet wird, wie z.B. Leitflächen oder Einlassöffnungen, verstellbar sind.
Bevorzugt umfasst die Vorrichtung wenigstens eine Abgabeleitung mit einer ersten Endöffnung, die oberhalb der Meeresoberfläche angeordnet ist, und einer zweiten Endöffnung, die unterhalb der Meeresoberfläche, bevorzugt in einer Abgabetiefe von wenigstens 20 m, angeordnet ist. Hierbei umfasst die Vorrichtung des Weiteren Mittel zur Abgabe von Meerwasser, das den Wärmetauscher durchlaufen hat, in die Abgabeleitung im Bereich der ersten Endöffnung. Diese Mittel können Rohre, Pumpen o.Ä. umfassen.
Gemäß einer Ausgestaltung der Vorrichtung ist der Wärmetauscher an Land angeordnet. Dies schließt die Möglichkeit einer Montage in flachem, küstennahen Wasser ein. Hierbei können Entnahmeleitung und Abgabeleitung wenigstens punkt- oder abschnittsweise mit dem Meeresuntergrund verbunden sein. Gemäß einer anderen Ausgestaltung ist der Wärmetauscher auf einem Schiff angeordnet. Das Schiff kann hierbei ggf. ohne eigenen Antrieb z.B. als schwimmende Plattform ausgebildet sein. Alternativ kann das Schiff auch vorteilhaft über eine Antrieb verfügen, um selber eine optimale Position ansteuern zu können oder durch eine Drehung den Wärmetauscher geeignet zum Wind zu positionieren. Selbstverständlich sollte das Schiff über Tanks zur vorübergehende Speicherung von Süßwasser verfügen.
Zur weiteren Verbesserung kann die Vorrichtung einen zweiten Wärmetauscher umfassen sowie Mittel zum Führen von abgekühlter Luft aus dem Wärmetauscher durch den zweiten Wärmetauscher, wobei die Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass Umgebungsluft den zweiten Wärmetauscher durchströmt. Ggf. umfasst die Vorrichtung ein Gebläse o.Ä. dass dazu ausgebildet ist, die abgekühlte Luft durch den zweiten Wärmetauscher zu führen. Auch hier kann die die Vorrichtung wenigstens eine trichterförmige Einlassöffnung aufweist, die dazu ausgebildet ist, Umgebungsluft in den zweiten Wärmetauscher zu leiten.
Details der Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Figuren erläutert. Hierbei zeigt
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Süßwassergewinnung;
2 eine schematische Schnittdarstellung eines Teils der Vorrichtung aus 1; sowie
3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Süßwassergewinnung.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer landgestützten Version einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Süßwassergewinnung. Hierbei ist ein Wärmetauscherkomplex 30 an einer Küste 60 angeordnet. Der Wärmetauscherkomplex 30 umfasst hierbei einen Luft-Wasser-Wärmetauscher 2 und einen Luft-Luft-Wärmetauscher 18. Eine Entnahmeleitung 3 erstreckt sich von einer ersten Endöffnung 4 unterhalb des Wärmetauscherkomplexes 30 bis in eine Entnahmetiefe von 400 m, wo sie in einer zweiten Endöffnung 5 endet. Sie folgt hierbei im wesentlichen dem Verlauf des Meeresbodens der Küste 60. Des Weiteren erstreckt sich eine Abgabeleitung 6 von einem ersten Endöffnung 7 unterhalb des Wärmetauscherkomplexes 30 bis in eine Abgabetiefe von 50 m. Dort befindet sich eine zweite Endöffnung 8 der Abgabeleitung 6. Das Meerwasser 50 zeigt ein im wesentlichen jahreszeitunabhängiges Temperaturprofil, wobei an der Oberfläche ca. 30 ºC und in der Entnahmetiefe ca. 10 °C herrschen, während in der Abgabetiefe ca. 20 °C herrschen. Die Küste 60 ist Teil einer tropischen Region, in der tagsüber Lufttemperaturen von ca. 30 °C bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von ca. 90% oder darüber herrschen. Der Wärmetauscherkomplex 30 ist durch eine Verbindungsleitung 24 mit einem Tankkomplex 25 für gewonnenes Süßwasser verbunden.
Aufbau und Funktionsweise des Wärmetauscherkomplexes 30 werden nachfolgend mit Bezug auf 2 erläutert, die eine schematisierte Schnittdarstellung eines Teils der Vorrichtung 1 zeigt. Die Flussrichtung von Luft und Wasser ist hierbei durch Pfeile mit gefüllter Spitze angezeigt. Der Luft-Wasser-Wärmetauscher 2 ist über eine Zufuhrleitung 13 mit der ersten Endöffnung 4 der Entnahmeleitung 3 verbunden. Hierbei taucht ein Ende der Zufuhrleitung 13 in das Wasser 50 innerhalb der ersten Endöffnung 4 ein. Mittels einer Pumpe 14 wird es von dort über die Zufuhrleitung 13 zu einem System von sich parallel und waagerecht erstreckenden Rohren 15 gefördert. Auf einer der Zufuhrleitung 13 gegenüberliegenden Seite ist das System von Rohren 15 mit einer Abfuhrleitung 16 verbunden, durch die das Wasser aus dem Luft-Wasser-Wärmetauscher 2 abfließt. Die Abfuhrleitung 16 endet oberhalb der ersten Endöffnung 7 der Abgabeleitung 6. Wird durch den kontinuierlichen Betrieb der Pumpe 14 Meerwasser 50 aus der Entnahmeleitung 3 abgepumpt, während gleichzeitig Meerwasser 50 in die Abgabeleitung 6 gegeben wird, so führt dies dazu, dass über die zweite Endöffnung 5 der Entnahmeleitung 3 kaltes Tiefenwasser aus der Entnahmetiefe in die Entnahmeleitung 3 nachströmt, während über die zweite Endöffnung 8 der Abgabeleitung 6 Wasser herausströmt. Dies beruht jeweils auf dem Prinzip der kommunizierenden Röhren. Da die Fließgeschwindigkeit des Wassers sowohl in der Entnahmeleitung 3 als auch in der Abgabeleitung 6 begrenzt ist, ist der Wasserpegel innerhalb der ersten Endöffnung 4 der Entnahmeleitung 3 allerdings etwas niedriger als im umgebenden Meerwasser 50, während der Pegel innerhalb der ersten Endöffnung 7 der Abgabeleitung 6 etwas höher ist.
Im vorliegenden Beispiel wird mit der Pumpe 14 eine Kühlwassermenge von 60 m³/s entnommen und der Rohrdurchmesser der Entnahmeleitung 3 beträgt 10 m. Hierbei strömt das Wasser in der Entnahmeleitung mit einer mittleren Geschwindigkeit von 0,75 m/s nach oben; Somit erreicht Meerwasser 50 aus der Entnahmetiefe nach ca. 9 min die Oberfläche. Hierbei erwärmt sich das Wasser 50 nur unwesentlich. 9 min nach erstmaliger Inbetriebnahme der Pumpe 14 steht somit an der Wasseroberfläche kaltes Wasser aus der Entnahmetiefe zur Verfügung, was auch weiterhin der Fall ist, solange die Pumpe 14 nicht abgeschaltet wird. Durch die temperaturbedingt höhere Dichte des Wassers in der Entnahmeleitung 3 kommt es zu einer weiteren Absenkung des Pegels innerhalb der ersten Endöffnung 4, die allerdings geringfügig ist (weniger als 1 m). In der Abgabeleitung 6 sinkt kontinuierlich erwärmtes Wasser, das aus dem Luft-Wasser-Wärmetauscher 2 stammt, ab. Dieses hat sich durch den Wärmeaustausch von etwas über 10°C auf 20°C erwärmt, ist damit immer noch ca. 10°C kühler als das Oberflächenwasser. Da ein unmittelbares Einleiten in das Meer zu starker Nebelbildung führen könnte, wird dieses Wasser mittels der Abgabeleitung 6 in die vorgesehene Tiefe von 50 m verbracht.
Der Luft-Wasser-Wärmetauscher 2 weist ein Gehäuse 9 auf, von dem das System von Rohren 15 umschlossen ist. An einer Seite, die der vorherrschenden Windrichtung entspricht, weist das Gehäuse 9 eine trichterförmige Einlassöffnung 10 auf. Durch diese Einlassöffnung 10 strömt Luft in das Gehäuse 9 ein und wird dort durch ein System von Ablenkblechen 12 in einer Art Zickzackbewegung wiederholt über das System von Rohren 15 geleitet. Der Luft-Wasser-Wärmetauscher 2 arbeitet hier vorwiegend als Kreuzstrom-Wärmetauscher. Da die einströmenden Luft um ca. 20 °C wärmer ist als das durch die Zufuhrleitung 13 aufgenommene Meerwasser, kühlt sie sich beim Kontakt mit den Rohren 15 ab, wobei enthaltene Feuchtigkeit als Süßwasser 40 auskondensiert, am Boden des Gehäuses 9 gesammelt und über eine erste Süßwasserleitung 17 abtransportiert wird. Die erste Süßwasserleitung 17 steht mit der Verbindungsleitung 24 in Verbindung.
Nach dem Durchlauf des Luft-Wasser-Wärmetauschers 2 ist die Umgebungsluft auf unter 20 °C abgekühlt und kann somit ihrerseits im Luft-Luft-Wärmetauschers 18 als Kühlmittel verwendet werden. Sie wird hierbei mittels eines Gebläses 20 in den Luft-Luft-Wärmetauschers 18 eingeblasen, während über eine zweite trichterförmige Einlassöffnung 19 des Luft-Luft-Wärmetauschers 18 warme Umgebungsluft aufgrund des Winddrucks einströmt. Während die kühlere Luft aus dem Luft-Wasser-Wärmetauscher 2 in einem ersten Luftkanal 22 und die Umgebungsluft in einem zweiten Luftkanal 23 entlang einer zickzackförmig verlängerten Wegstrecke im Gegenstrom aneinander vorbei geführt werden, kühlt sich die Umgebungsluft ab, wodurch ein Teil der enthaltenen Luftfeuchtigkeit als Süßwasser 40 auskondensiert, gesammelt und über eine zweite Süßwasserleitung 21 abgeführt wird. Letztere steht ebenfalls mit der Verbindungsleitung 24 in Verbindung. Mittels einer in hier nicht dargestellten Pumpe wird das Süßwasser 40 über die Verbindungsleitung 24 dem Tankkomplex 25 zugeführt.
Von dort kann das Süßwasser direkt einem Bewässerungs- oder Trinkwassersystem zugeführt werden. Alternativ ist z.B. auch eine Entnahme und Weitertransport mit Tankwagen denkbar.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurden nur vier parallel verlaufende Rohre 15 im Luft-Wasser-Wärmetauscher 2 dargestellt. Für eine großtechnische Wasserproduktion können z.B. innerhalb eines Moduls von ca. 1 m² Lufteintrittsfläche 50–100 Rohre parallel geführt sein und der Wärmetauscher kann mehrere Tausend Module umfassen. Jedes der Module kann ähnlich aufgebaut sein wie der in 2 dargestellte Luft-Wasser-Wärmetauscher 2.
Die Effizienz der Vorrichtung lässt sich noch steigern, wenn die einzelnen Module oder zumindest die Einlassöffnungen 10, 19 schwenkbar ausgebildet sind, so dass eine Anpassung an eine aktuelle Windrichtung möglich ist.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer schiffsgestützten Version einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 101 zur Süßwassergewinnung. Hierbei ist die Vorrichtung 101 auf einem Schiff 100 angeordnet. Das Schiff 100 ist mittels einer Ankervorrichtung 131 in einer Meeresregion im Bereich der Passatwinde verankert. Die Vorrichtung 101 umfasst hierbei einen Luft-Wasser-Wärmetauscher 102 und einen Luft-Luft-Wärmetauscher 118. Ersterer ist hierbei unter Deck angeordnet, während sich letzterer oberhalb des Decks befindet. Die Wärmetauscher sind prinzipiell entsprechend konstruiert wie bei der in 1 und 2 gezeigten Vorrichtung 1. Sie verfügen ebenfalls über trichterförmige Einlassöffnungen 110, 119, über die Luft aus einer aktuellen Windrichtung aufgenommen wird. Hierzu ist das Schiff 100 entsprechend derart zum Wind orientiert, dass ein optimales Einströmen der Luft gewährleistet ist.
Eine Entnahmeleitung 103 erstreckt sich von einer ersten Endöffnung 104, die neben dem Schiff 100 angeordnet ist, bis in eine Entnahmetiefe von 400 m, wo sie in einer zweiten Endöffnung 105 endet. Der Verlauf ist hierbei, einer vorherrschenden Meeresströmung folgend, nicht völlig senkrecht. Des Weiteren erstreckt sich eine Abgabeleitung 106 von einer ersten Endöffnung 107 neben dem Schiff bis in einer Abgabetiefe von 50 m. Dort befindet sich eine zweite Endöffnung 108 der Abgabeleitung 106. Das Meerwasser 50 der Meeresregion, in der sich das Schiff 100 befindet, zeigt auch hier ein im wesentlichen jahreszeitunabhängiges Temperaturprofil, wobei in der Entnahmetiefe ca. 10 °C herrschen, während in der Abgabetiefe ca. 20 °C herrschen. Die Lufttemperaturen an der Meeresoberfläche betragen tagsüber ca. 30 °C bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von ca. 90% oder darüber. Auch nachts fällt die Temperatur nur um wenige °C. Das Schiff verfügt weiterhin über einen Tankkomplex 125 für gewonnenes Süßwasser. In diesem wird das Süßwasser gespeichert, bis es von Tankschiffen (nicht dargestellt) abtransportiert wird.
Die Funktion der Vorrichtung 101 unterscheidet sich nicht grundsätzlich von der in 2 dargestellten Vorrichtung 1 und wird daher nicht im Detail diskutiert.
Bei dem gezeigten Beispiel sind die Leitungen 103, 106 mit dem Schiff 100 verbunden und neben diesem angeordnet. Es ist aber alternativ auch denkbar, dass die Leitungen 103, 106 von unten in den Schiffsrumpf geführt sind. In diesem Fall müssen sich die ersten Endöffnungen 104, 107 allerdings ebenfalls über der Wasserlinie, d.h. oberhalb der Meeresoberfläche, befinden, um ein Einströmen von Meerwasser 50 in den Schiffsrumpf zu vermeiden. Ebenfalls muss dafür gesorgt sein, dass die ersten Endöffnungen 104, 107 im Druckaustausch mit der Umgebungsluft stehen.
Im gezeigten Beispiel ist dass Schiff 100 verankert. Es ist aber alternativ auch denkbar, dass es zumindest zeitweise treibt.

Claims

Verfahren zur Süßwassergewinnung mit einem Wärmetauscher (2, 102), wobei – Umgebungsluft den Wärmetauscher (2, 102) durchströmt, – Kühlwasser (50) durch den Wärmetauscher geführt wird und – in der Umgebungsluft enthaltene Feuchtigkeit (40) am Wärmetauscher kondensiert, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlwasser Meerwasser (50) verwendet wird, das aus einer Entnahmetiefe entnommen wird, in der die Temperatur wenigstens 5°C unter der Temperatur der Umgebungsluft liegt, und zum Wärmetauscher (2, 102) geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Meerwasser (50) unter Ausnutzung des hydrostatischen Paradoxons entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 mit wenigstens einer Entnahmeleitung (3, 103) für Meerwasser (50), mit – einer ersten, oberhalb der Meeresoberfläche angeordneten Endöffnung (4, 104) und – einer zweiten, in der Entnahmetiefe angeordneten Endöffnung (5, 105), wobei – das Meerwasser (50) entnommen wird, indem im Bereich der ersten Endöffnung (3, 103) Meerwasser (50) aus der Entnahmeleitung (3, 103) entnommen und zum Wärmetauscher (2, 102) geführt wird, und – durch die zweite Endöffnung (5, 105) Meerwasser (50) aus der Entnahmetiefe in die Entnahmeleitung (3, 103) einströmt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Meerwasser (50) aus einer Entnahmetiefe entnommen wird, in der die Temperatur wenigstens 10°C, bevorzugt wenigstens 15°C, weiter bevorzugt wenigstens 20°C unter der Temperatur der Umgebungsluft liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Meerwasser (50) aus einer Entnahmetiefe von wenigstens 50 m, bevorzugt wenigstens 100 m, weiter bevorzugt wenigstens 200 m, weiter bevorzugt wenigstens 400 m, weiter bevorzugt wenigstens 600 m, besonders bevorzugt wenigstens 800 m entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umgebungsluft aufgrund von Windbewegung den Wärmetauscher (2, 102) durchströmt, wobei die Umgebungsluft bevorzugt durch wenigstens eine trichterförmige Einlassöffnung (10, 110) in den Wärmetauscher (2, 102) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine räumliche Anordnung des Wärmetauschers (2, 102) in Abhängigkeit von der Windrichtung angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, mit wenigstens einer Abgabeleitung (6, 106) mit – einer ersten, oberhalb der Meeresoberfläche angeordneten Endöffnung (7, 107) und – einer zweiten, unterhalb der Meeresoberfläche angeordneten Endöffnung (8), wobei – Meerwasser (50), das den Wärmetauscher (2, 102) durchlaufen hat, im Bereich der ersten Endöffnung (7, 107) in die Abgabeleitung (6, 106) gegeben wird, und – durch die zweite Endöffnung (7, 107) Meerwasser (50) aus der Abgabeleitung (6, 106) in die Abgabetiefe ausströmt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wassergewinnung mittels eines Schiffs (100) erfolgt, auf dem der Wärmetauscher (102) angeordnet ist, und dass gewonnenes Süßwasser mittels Tankschiffen abtransportiert wird.
Vorrichtung (1, 101) zur Süßwassergewinnung mit – einem Wärmetauscher (2, 102), der zum Wärmeaustausch zwischen Umgebungsluft und Kühlwasser (50) ausgebildet ist, – Mitteln (3, 13, 14, 103) zum Entnehmen von Meerwasser (50) aus einer Entnahmetiefe, in der die Temperatur wenigstens 5°C unter der Temperatur der Umgebungsluft liegt, – Mitteln (13, 14) zum Führen des entnommenen Meerwassers (50) zum Wärmetauscher (2, 102), sowie – Mitteln (15) zum Führen des entnommenen Meerwassers (50) durch den Wärmetauscher (2, 102).