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Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Energiespeicherung und Erzeugung von elektrischem Strom.
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Aus dem Stand der Technik sind viele unterschiedliche Technologien zur Speicherung von Energie und insbesondere von elektrischer Energie bekannt. Hierzu zählen elektrochemische Batterien, Pumpspeicherkraftwerke, Druckluftspeicherkraftwerke und dergleichen. Ferner gibt es Anlagen zur Erzeugung von elektrischer Energie basierend auf einem Salzkonzentrationsgradienten zwischen wässrigen Lösungen. Diese Anlagen basieren auf den bekannten Membranprozessen der Umkehrelektrodialyse bzw. druckverzögerten Osmose (englisch: pressure-retarded osmosis). Zum Beispiel wird in Osmosekraftwerken elektrischer Strom unter der Ausnutzung des Unterschieds in der Salinität von Flusswasser und Meerwasser an Flussmündungen erzeugt.
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Der Prozess der Umkehrelektrodialyse kann auch umgekehrt werden und als Elektrodialyse zur Wasserentsalzung in Entsalzungsanlagen und insbesondere Meerwasser-Entsalzungsanlagen genutzt werden. Für die Durchführung der Entsalzung wird dabei elektrische Energie benötigt. In gleicher Weise kann eine Wasserentsalzung über Umkehrosmose bewirkt werden, welche den umgekehrten Prozess der druckverzögerten Osmose darstellt, der wiederum elektrische Energie benötigt. Im Rahmen der Entsalzung entsteht neben Frischwasser mit geringer Salzkonzentration eine hochkonzentrierte Salzlauge, die jedoch ein Abfallprodukt darstellt, das bei Meerwasser-Entsalzungsanlagen dem Meer zurückgeführt wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anlage zur Energiespeicherung und Erzeugung von elektrischem Strom unter Verwendung von Membranprozessen zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Die erfindungsgemäße Anlage umfasst eine Einrichtung zur Salzlaugen-Erzeugung, um über die Zufuhr von Energie, insbesondere elektrischer und/oder thermischer Energie, aus Salzwasser, das aus einer Salzwasserquelle (vorzugsweise dem Meer) stammt und der Einrichtung zur Salzlaugen-Erzeugung zugeführt wird, eine Salzlauge mit einer Salzkonzentration zu erzeugen, welche höher als die Salzkonzentration des Salzwassers aus der Salzwasserquelle ist. Im Rahmen dieser Erzeugung der Salzlauge fällt ferner Frischwasser mit einer Salzkonzentration an, welche niedriger als die Salzkonzentration des Salzwassers ist. Hier und um Folgenden ist unter Salz NaCl zu verstehen.
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Die erfindungsgemäße Anlage umfasst ferner ein Salzlaugen-Reservoir zum Sammeln der Salzlauge, welche mit der Einrichtung zur Salzlaugen-Erzeugung erzeugt wird. Unter einem Salzlaugen-Reservoir ist vorzugsweise ein Reservoir mit einem Fassungsvermögen von 1.000 m3 oder mehr, insbesondere von 5.000 m3 oder mehr, vorzugsweise 10.000 m3 oder mehr und besonders bevorzugt von 100.000 m3 oder mehr zu verstehen. Mittels des Salzlaugen-Reservoirs wird zumindest ein Teil der zur Salzlaugen-Erzeugung benötigten Energie gespeichert. Zur Entnahme dieser Energie wird in der erfindungsgemäßen Anlage eine Einrichtung zur Stromerzeugung verwendet, die mittels der Salzlauge aus dem Salzlaugen-Reservoir sowie Wasser mit einer Salzkonzentration, welche geringer als die Salzkonzentration der Salzlauge ist, über eine Umkehrelektrodialyse und/oder eine druckverzögerte Osmose elektrischen Strom erzeugt. Die Energierückgewinnung erfolgt somit mittels eines an sich bekannten Membranprozesses unter Verwendung der im Salzlaugen-Reservoir gespeicherten Salzlauge. Erfindungsgemäß wird eine neue, einfach zu realisierende Art der Energiespeicherung und Energierückgewinnung geschaffen.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Einrichtung zur Salzlaugen-Erzeugung derart ausgestaltet, dass sie aus Salzwasser in der Form von Meerwasser die Salzlauge erzeugt. Die Einrichtung zur Salzlaugen-Erzeugung kann somit eine an sich bekannte Meerwasser-Entsalzungsanlage darstellen.
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Um große Mengen an Energie zu speichern, wird in einer bevorzugten Ausgestaltung als Salzlaugen-Reservoir ein Salzwassersee und/oder eine Salzwasserkaverne verwendet. Nichtsdestotrotz kann das Salzlaugen-Reservoir auch als Tank ausgestaltet sein.
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In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anlage ist die Einrichtung zur Stromerzeugung in einem Modus betreibbar, bei dem der elektrische Strom mittels der Salzlauge aus dem Salzlaugen-Reservoir sowie des Salzwassers erzeugt wird, das aus der gleichen Salzwasserquelle wie das Salzwasser stammt, das der Einrichtung zur Salzlaugen-Erzeugung zugeführt wird. Diese Variante hat den Vorteil, dass das im Rahmen der Salzlaugen-Erzeugung anfallende Frischwasser nicht gespeichert werden muss bzw. anderweitig verwendet werden kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ferner ein Frischwasser-Reservoir zum Sammeln des im Rahmen der Salzlaugen-Erzeugung anfallenden Frischwassers vorgesehen. Das Reservoir kann dabei ähnlich wie das Salzlaugen-Reservoir als Frischwassersee oder auch als Kaverne realisiert sein. Ebenso kann das Reservoir ein Tank sein. Die Größe des Frischwasser-Reservoirs liegt vorzugsweise bei 1.000 m3 oder mehr, insbesondere bei 5.000 m3 oder mehr, besonders bevorzugt bei 10.000 m3 oder mehr bzw. bei 100.000 m3 oder mehr.
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In einer Anlage mit dem oben beschriebenen Frischwasser-Reservoir ist die Einrichtung zur Stromerzeugung vorzugsweise in einem Modus betreibbar, bei dem der elektrische Strom mittels der Salzlauge sowie des Frischwassers erzeugt wird, das aus dem Frischwasser-Reservoir stammt. Da der Salzkonzentrationsgradient zwischen Salzlauge und dem erzeugten Frischwasser sehr hoch ist, wird hierdurch die Effizienz der Energierückgewinnung über die Umkehrelektrodialyse bzw. druckverzögerte Osmose erhöht.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anlage bilden die Einrichtung zur Salzlaugen-Erzeugung und die Einrichtung zur Stromerzeugung eine Einheit, welche derart ausgestaltet ist, dass sie mit gleichen Komponenten (d.h. insbesondere mit der gleichen Membran oder den gleichen Membranen) in einem ersten Betriebsmodus über Elektrodialyse und/oder Umkehrosmose Salzlauge erzeugt und in einem zweiten Betriebsmodus über Umkehrelektrodialyse und/oder druckverzögerte Osmose elektrischen Strom erzeugt. Somit arbeitet die Einheit im ersten Betriebsmodus als Einrichtung zur Salzlaugen-Erzeugung und im zweiten Betriebsmodus als Einrichtung zur Stromerzeugung. Hierdurch kann auf einfache Weise mit den gleichen Komponenten eine Energiespeicherung und eine Stromerzeugung bewirkt werden. Diese Variante der Erfindung kann z.B. dadurch realisiert werden, dass in einer herkömmlichen Entsalzungsanlage in an sich bekannter Weise bei Bedarf anstatt der Elektrolyse bzw. Umkehrosmose der umgekehrte Prozess der Umkehrelektrodialyse bzw. druckverzögerten Osmose durchgeführt wird.
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In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anlage sind die Einrichtung zur Salzlaugen-Erzeugung und die Einrichtung zur Stromerzeugung separate bzw. separat betriebene Einrichtungen mit eigenen Komponenten. Dies hat den Vorteil, dass der Prozess der Energiespeicherung durch Erzeugen und Sammeln von Salzlauge parallel zu dem Prozess der Energierückgewinnung über Umkehrelektrodialyse bzw. druckverzögerte Osmose durchgeführt werden kann.
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In einer weiteren Variante der erfindungsgemäßen Anlage mit separaten Einrichtungen zur Salzlaugen-Erzeugung und Stromerzeugung ist die Einrichtung zur Salzlaugen-Erzeugung derart ausgestaltet, dass die Salzlauge über Elektrodialyse und/oder Umkehrosmose generiert wird. Die Einrichtung zur Salzlaugen-Erzeugung kann z.B. eine herkömmliche Meerwasser-Entsalzungsanlage darstellen. Nichtsdestotrotz kann die Einrichtung zur Salzlaugen-Erzeugung auch derart ausgestaltet sein, dass die Salzlauge über ein Verfahren zur thermischen Wasseraufbereitung erzeugt wird, welches thermische Energie zur Generierung der Salzlauge nutzt. Vorzugsweise stammt die thermische Energie aus Abwärme von einem Industrieprozess und/oder aus einer oder mehreren geothermalen Quellen. Als Verfahren zur thermischen Wasseraufbereitung können an sich bekannte Verfahren, wie z.B. Multi-Stage Flash Distillation bzw. Multiple-Effect Distillation, eingesetzt werden. Insbesondere beruht das Verfahren zur thermischen Wasseraufbereitung auf Verdampfung und Kondensation des Salzwassers, das der Einrichtung zur Salzlaugen-Erzeugung zugeführt wird.
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In einer besonders bevorzugten Variante wird als Verfahren zur thermischen Wasseraufbereitung ein beliebiges der Verfahren verwendet, die in den Patentanmeldungen
DE 10 2011 081 015 A1 ,
DE 10 2011 081 007 A1 bzw.
DE 10 2010 035 171 A1 beschrieben sind. Die Offenbarung dieser Patentanmeldungen wird durch Verweis zum Inhalt der vorliegenden Anmeldung gemacht.
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Neben der erfindungsgemäßen Anlage umfasst die Erfindung ferner ein Verfahren zur Energiespeicherung und Erzeugung von elektrischem Strom mit dieser Anlage bzw. einer oder mehrerer bevorzugter Varianten dieser Anlage. Mit anderen Worten können Merkmale von bevorzugten Varianten dieser Anlage auch durch entsprechende Verfahrensmerkmale realisiert werden.
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In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird aus Salzwasser, das aus einer Salzwasserquelle stammt und der Einrichtung zur Salzlaugen-Erzeugung der erfindungsgemäßen Anlage zugeführt wird, über die Zufuhr von Energie eine Salzlauge mit einer Salzkonzentration erzeugt, welche höher als die Salzkonzentration des Salzwassers ist, wobei im Rahmen der Erzeugung der Salzlauge ferner Frischwasser mit einer Salzkonzentration anfällt, welche niedriger als die Salzkonzentration des Salzwassers ist. Die Salzlauge, die mit der Einrichtung zur Salzlaugen-Erzeugung erzeugt wird, wird in dem Salzlaugen-Reservoir der erfindungsgemäßen Anlage gesammelt. Durch die Einrichtung zur Stromerzeugung der erfindungsgemäßen Anlage wird mittels der Salzlauge aus dem Salzlaugen-Reservoir sowie Wasser mit einer Salzwasserkonzentration, welche geringer als die Salzkonzentration der Salzlauge ist, über eine Umkehrelektrodialyse und/oder einer druckverzögerten Osmose elektrischer Strom erzeugt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Elektrodialyse bzw. Umkehrelektrodialyse, die in einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage verwendet werden;
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2 eine schematische Darstellung einer Umkehrosmose bzw. druckverzögerten Osmose, die in einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage verwendet werden;
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3 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage; und
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4 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage.
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Bevor Varianten der erfindungsgemäßen Anlage im Detail beschrieben werden, erfolgt zunächst anhand von 1 und 2 eine Erläuterung von den Membranprozessen zur Energiespeicherung bzw. Energiegewinnung, die im Rahmen der Erfindung eingesetzt werden.
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1 verdeutlicht den Prozess der Elektrodialyse, um aus Salzwasser SW mittlerer Salzkonzentration eine hochkonzentrierte Salzlauge SL sowie Frischwasser FW mit niedriger Salzkonzentration zu erzeugen. Hierzu wird ein System aus einer Vielzahl von Kammern genutzt, wobei in 3 drei solcher Kammern K1 bis K3 dargestellt sind. Üblicherweise ist eine größere Anzahl dieser Kammern vorhanden. Die Kammern sind durch Ionentauschermembranen M1 bzw. M2 begrenzt, wobei die Ionentauschermembranen M1 nur durchlässig für Kationen des Salzes (d.h. NA+-Ionen) sind, wohingegen die Membranen M2 nur durchlässig für Anionen (d.h. Cl-Ionen) des Salzes sind. Allen drei Kammern K1 bis K3 wird Salzwasser SW zugeführt, welches im Rahmen der Erfindung vorzugsweise Meerwasser ist.
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Ferner wird an das Kammersystem über ein Elektrodenpaar aus Anode AN und Kathode KT eine Spannung angelegt. Aufgrund der angelegten Spannung wandern Anionen bzw. Kationen aus der mittleren Kammer K2 in die linke Kammer K1 bzw. die rechte Kammer K3. Auf diese Weise wird in den Kammern K1 und K3 und allgemein in Kammern mit ungerader Nummer Salz angereichert und somit die Salzlauge SL erzeugt. Demgegenüber wird das Salz aus der Kammer K2 und allgemein den Kammern mit gerader Nummer entfernt, wodurch Frischwasser FW entsteht. Der soeben beschriebene Prozess der Elektrodialyse kann auch umgekehrt werden und wird dann als Umkehrelektrodialyse bezeichnet. Dabei wird in umgekehrter Richtung Salzlauge SL zu den Kammern mit ungerader Nummer und Frischwasser FW zu den Kammern mit gerader Nummer geführt. Der Unterschied des chemischen Potentials zwischen Salzlauge und Frischwasser führt dann zu einem Spannungsunterschied zwischen jeder Membran, so dass über die Umkehrelektrodialyse elektrische Energie bzw. elektrischer Strom erzeugt wird.
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2 zeigt in schematischer Darstellung den Prozess der druckverzögerten Osmose zur Erzeugung von elektrischer Energie bzw. elektrischem Strom. Dabei befindet sich in einem Behälter hochkonzentrierte Salzlauge SL sowie Frischwasser FW mit einer niedrigen Salzkonzentration. Diese Flüssigkeiten sind über eine Membran M voneinander getrennt. Die Membran ist semipermeabel, d.h. sie ist für Wassermoleküle durchlässig, jedoch für die darin gelösten Salzmoleküle undurchlässig. Aufgrund des Unterschieds des chemischen Potentials zwischen Salzlauge SL und Frischwasser FW fließt Frischwasser FW entlang des Pfeils AR in die Salzwasserlauge SL und erzeugt hierdurch einen Druck P. Dieser wird im Rahmen der druckverzögerten Osmose mittels eines Generators in elektrischen Strom gewandelt.
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Der soeben beschriebene Prozess der druckverzögerten Osmose kann auch umgekehrt werden und somit zur Erzeugung einer Salzlauge SL genutzt werden, die im Rahmen der Erfindung in einem Reservoir gespeichert wird. Hierzu wird beiden Kammern des Behälters aus 2 Salzwasser SW mit mittlerer Konzentration zugeführt und dann auf die linke Kammer Druck ausgeübt, der mittels elektrischer Energie generiert wird. Dies führt zur Bewegung der Wassermoleküle von der linken in die rechte Kammer, wohingegen die Salzmoleküle durch die Membran zurückgehalten werden. Hierdurch wird eine Aufkonzentrierung des Salzes in der linken Kammer und damit die Generierung von Salzlauge erreicht.
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Die soeben erläuterten Prozesse der Elektrodialyse/Umkehrelektrodialyse bzw. druckverzögerter Osmose/Umkehrosmose werden in Ausführungsformen der Erfindung zur Energiespeicherung bzw. Stromerzeugung genutzt. Dabei wird über die Entsalzung von Meerwasser bzw. gegebenenfalls auch Salzwasser aus einer anderen Quelle eine Energiespeicherung durch das Sammeln der bei der Entsalzung entstehenden Salzlauge in einem entsprechenden Reservoir erreicht, wobei diese Energie über Umkehrelektrodialyse bzw. druckverzögerte Osmose wieder entnommen werden kann.
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3 zeigt eine erste Variante einer erfindungsgemäßen Anlage zur Energiespeicherung und Stromerzeugung. Die Anlage umfasst eine Einheit 100, welche sowohl eine Elektrodialyse ED als auch eine Umkehrelektrodialyse RED durchführen kann. Mit anderen Worten wird in einem ersten Betriebsmodus der Einheit 100 eine Elektrodialyse durchgeführt, wohingegen in einem zweiten Betriebsmodus eine Umkehrelektrodialyse durchgeführt wird. Die Einheit 100 kann dabei auf einer herkömmlichen Meerwasser-Entsalzungsanlage basieren, welche um die Funktionalität der Umkehrelektrodialyse RED erweitert wurde.
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Im ersten Betriebsmodus arbeitet die Einheit 100 als Einrichtung 1 zur Salzlaugen-Erzeugung. Hierzu wird der Einheit Salzwasser SW (vorzugsweise um Meerwasser) zugeführt. Mittels elektrischer Energie EL in der Form von elektrischem Strom wird dann basierend auf dem Prinzip der 1 eine Salzlauge SL mit erhöhter Salzkonzentration sowie Frischwasser FW mit verringerter Salzkonzentration generiert. Die Salzlauge SL wird in einem Reservoir 3 und das Frischwasser FW in einem Reservoir 4 gesammelt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Meerwasser-Entsalzungsanlagen wird die Salzlauge SL nicht mehr als Abfallprodukt betrachtet, das dem Meer zurückgeführt. Vielmehr erfolgt die Speicherung der Salzlauge in dem Reservoir 3. Mittels dieser Salzlauge kann dann im zweiten Betriebsmodus der Einheit über die Umkehrelektrodialyse RED elektrischer Strom generiert werden, so dass die Einheit als Einrichtung 2 zur Stromerzeugung arbeitet. Hierzu werden die Salzlauge SL aus dem Reservoir 3 und das Frischwasser FW aus dem Reservoir 4 der Einheit 100 zugeführt. Gemäß dem Prinzip der 1 wird dann elektrischer Strom erzeugt.
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In einer abgewandelten Ausführungsform wird zur Erzeugung des Stroms zwar wiederum die Salzlauge SL eingesetzt, jedoch wird anstatt des Frischwassers FW aus dem Reservoir 4 Meerwasser (d.h. Salzwasser SW) verwendet, wobei die Ausbeute an elektrischem Strom aufgrund des geringeren Konzentrationsunterschieds zwischen Salzlauge und Frischwasser geringer ist. Nichtsdestotrotz hat diese Variante den Vorteil, dass das Frischwasser anderweitig zum Verbrauch verwendet werden kann, so dass die Anlage auch ihre originäre Funktion als Meerwasser-Entsalzungsanlage zur Erzeugung von Frischwasser wahrnimmt.
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Die typische Salzkonzentration von Meerwasser beträgt 0,5 bis 1 Mol/l. Aufgrund der an sich bekannten negativen Effekte von membranbasierten Verfahren zur Konzentrationsanreicherung (insbesondere Scaling, Fouling und Konzentrationspolarisation) werden in der Praxis maximal 50% des Meerwassers zu Frischwasser aufbereitet. Bei der Erzeugung der Salzlauge kann daher mit der Anlage der 3 eine Salzkonzentration von ca. 1 bis 2 Mol/l in der Salzlauge erreicht werden. Die Speicherdichte für den Gesamtprozess beträgt bei einer Salzkonzentration von 2 Mol/l in der Salzlauge ca. 2kWh/m3, wobei der Wirkungsgrad stark von der Effizienz der Einzelprozesse abhängig ist. Typischerweise liegt der Wirkungsgrad der Einzelprozesse bei 10% bis 40%.
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Die Salzlauge SL bzw. das Frischwasser FW kann z.B. in Reservoirs in Form von Tanks gespeichert werden. Um jedoch die Speicherung von großen Energiemengen zu ermöglichen, werden in einer bevorzugten Ausführungsform größere Reservoirs verwendet, z.B. in Form von (künstlichen oder natürlichen) Salzseen oder Salzkavernen. Gegebenenfalls kann auch für die Speicherung von Frischwasser ein (künstlicher oder natürlicher) Frischwassersee eingesetzt werden. Die Verwendung eines Salzsees als Salzwasserreservoir hat den Vorteil, dass solche Seen auch im Flachland gebaut werden können und diese Seen somit eine Alternative zu herkömmlichen Pumpspeicherkraftwerken darstellen, für die Höhenunterschiede notwendig sind. Ein weiterer Vorteil von Salzseen besteht darin, dass sich durch Verdunstung der Salzgehalt der Salzlauge erhöht und damit der Wirkungsgrad der Energiegewinnung verbessert wird. Im Gegensatz zur Speicherung von Trinkwasser, welches üblicherweise mit behördlichen Auflagen verknüpft ist, ist die Speicherung von Salzlauge wesentlich weniger aufwändig. Die Entstehung von Bakterien bei einer längeren Speicherung der Salzlauge ist dabei unkritisch. Vielmehr erhöht eine längere Speicherung den Wirkungsgrad aufgrund von Verdunstung.
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Die anhand von 3 beschriebene Technologie kann sowohl zur langfristigen als auch zur kurzfristigen Speicherung von elektrischer Energie verwendet werden, wodurch Fluktuationen in einem Energiesystem oder auch nur in der Stromversorgung einer Entsalzungsanlage ausgeglichen werden können. Die über das Sammeln der Salzlauge gespeicherte elektrische Energie und deren Entnahme über Umkehrelektrodialyse ermöglichen somit den Betrieb einer Entsalzungsanlage über vor Ort installierte erneuerbare fluktuierende Energiequellen (Photovoltaik, Wind, Gezeitenkraftwerk), denn bei Engpässen der Energieerzeugung kann auf eine Stromerzeugung durch die Salzlauge mittels Umkehrelektrodialyse zurückgegriffen werden.
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Die Ausführungsform der 3 wurde anhand des Membranprozesses der Elektrodialyse bzw. Umkehrelektrodialyse erläutert. In gleicher Weise kann die Einheit 100 auch basierend auf den Membranprozessen der Umkehrosmose bzw. druckverzögerten Osmose realisiert werden, die anhand von 2 beschrieben wurden. In diesem Fall wird der Prozess der Elektrodialyse durch die Umkehrosmose ersetzt. Analog wird der Prozess der Umkehrelektrodialyse durch den Prozess der druckverzögerten Osmose ersetzt. Im Rahmen der druckverzögerten Osmose wird dabei eine elektrische Maschine verwendet, die im Generatorbetrieb betrieben wird und den durch die druckverzögerte Osmose erzeugten Druck, der zu einer Fließbewegung der Salzlauge führt, in elektrische Energie wandelt. Umgekehrt wird die elektrische Maschine im Rahmen der Umkehrosmose im Motorbetrieb mit elektrischem Strom angetrieben, um hierdurch einen Druck zu erzeugen, der die Umkehrosmose und damit die Aufkonzentrierung von Salz in der Salzlauge bewirkt. Als elektrische Maschine kann z.B. eine Kreiselpumpe eingesetzt werden.
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Durch den Betrieb der Einheit 100 sowohl zur Durchführung der Elektrodialyse als auch der Umkehrelektrodialyse bzw. analog zur Durchführung der Umkehrosmose und der druckverzögerten Osmose ergeben sich weitere positive Effekte. Insbesondere wird regelmäßig eine Rückspülung durch Umkehrung des Flusses durch die Membranen aufgrund des Wechsels zwischen den Betriebsmodi erreicht. Hierdurch wird ein Hauptproblem der membranbasierten Prozesse in der Form von Scaling bzw. Fouling automatisch vermieden, so dass eine üblicherweise vorgesehene periodische Rückspülung seltener durchgeführt werden muss bzw. auf diese Rückspülung ganz verzichtet werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Anlage derart ausgestaltet, dass sie neben einer Meerwasser-Entsalzungsanlage basierend auf Elektrodialyse bzw. Umkehrosmose eine weitere Einrichtung zur Durchführung einer Umkehrelektrodialyse bzw. einer druckverzögerten Osmose umfasst. Mit anderen Worten sind die Einrichtungen 1 und 2 aus 3 als separate Einheiten realisiert, wobei die Einrichtung 1 eine herkömmliche Meerwasser-Entsalzungsanlage darstellt. Zum Beispiel kann die erfindungsgemäße Anlage durch mehrere parallel betriebene Module realisiert sein, wobei ein Modul derart betrieben wird, dass es die Einrichtung zur Stromerzeugung darstellt und die anderen Module derart betrieben werden, das sie insgesamt die Meerwasser-Entsalzungsanlage bilden. Die durch das eine Modul rückgewonnene elektrische Energie wird dabei direkt zum Betrieb der übrigen Module zur Meerwasserentsalzung genutzt. Das Modul zur Energierückgewinnung läuft bei einem entsprechend höheren Fluss, abhängig vom Verhältnis von vorwärts und rückwärts betriebenen Modulen und von der Ausbeute der übrigen Entsalzungs-Module.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anlage. Dabei stellen die Einrichtung
1 zur Erzeugung der Salzlauge und die Einrichtung
2 zur Stromerzeugung separate bzw. separat betriebene Einheiten dar. Im Unterschied zu
3 basiert die Einrichtung
1 zur Salzlaugen-Erzeugung nicht auf Elektrodialyse bzw. Umkehrosmose. Stattdessen wird in der Einrichtung
1 ein an sich bekannter Prozess zur thermischen Wasseraufbereitung genutzt. Dabei wird zur Erzeugung von Salzlauge SL aus zugeführtem Salzwasser SW neben elektrischer Energie EL auch thermische Energie genutzt, bei der es sich in der Ausführungsform der
4 um Abwärme AW handelt, die z.B. aus einem industriellen Prozess oder aus geothermalen Quellen stammt. Als thermischer Wasseraufbereitungs-Prozess können beliebige, aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren, wie z.B. Multi-Stage Flash Distillation bzw. Multiple-Effect Distillation, eingesetzt werden. Ebenso kann als Verfahren zur thermischen Wasseraufbereitung ein Verfahren aus den eingangs erwähnten Patentanmeldungen
DE A110 2011 081 015 A1 ,
DE 10 2011 081 007 A1 und
DE 10 2010 035 171 A1 verwendet werden. Die Verfahren dieser Patentanmeldungen beruhen auf Verdampfung und Kondensation und werden im Folgenden auch als EvaCon-Verfahren bezeichnet.
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Die Verwendung von thermischen Wasseraufbereitungsverfahren zur Erzeugung von Salzlauge haben den Vorteil, dass durch den Eintrag von Abwärme der elektrische Energiebedarf der Einrichtung 1 sehr gering ist, was den Strom-Wirkungsgrad des Systems signifikant erhöht. Zudem lassen sich in einem thermischen Verfahren deutlich höhere Salzkonzentrationen erreichen. Die maximalen Konzentrationen bei Membranverfahren sind wie oben erwähnt aufgrund von Scaling, Fouling und Konzentrationspolarisation auf ca. 2 Mol/l limitiert. Mit dem EvaCon-Verfahren können jedoch Salinitäten bis an die Ausfallgrenze (ca. 7 Mol/l) erreicht werden. Bezüglich des spezifischen elektrischen Energiebedarfs des EvaCon-Verfahrens zur Erzeugung einer Sole mit 7 Mol/l und Frischwasser aus einer Mischung mit 3,5 Mol/l können je nach Verfügbarkeit und Art der Wärmequelle Werte von ca. 4 kWh/m3 erreicht werden. Für einen konservativ angenommenen Wirkungsgrad bei der Rückverstromung von ca. 20% lässt sich eine spezifische rückgewonnene Energiemenge von ca. 1,4 kWh/m3 realisieren. Daraus resultiert ein Strom-zu-Strom-Wirkungsgrad von ca. 35%. Dieser Wirkungsgrad beinhaltet nicht den thermischen Energiebedarf in Form von Abwärme, der zum Betrieb des EvaCon-Verfahrens erforderlich ist und um etwa den Faktor 5 höher liegt als der elektrische Energiebedarf.
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Gemäß 4 wird die Salzlauge SL, die mit der Einrichtung 1 zur thermischen Wasseraufbereitung erzeugt wird, wiederum in einem Reservoir 3 aufgefangen. Ebenso wird das durch die thermische Wasseraufbereitung entstandene Frischwasser FW in einem Reservoir 4 gesammelt. Zur Entnahme der elektrischen Energie wird die separate Einrichtung 2 verwendet, der die Salzlauge SL und das Frischwasser FW aus dem Reservoir 3 bzw. 4 zugeführt wird und welche eine Umkehrelektrodialyse RED zur Erzeugung von elektrischer Energie EL in der Form von elektrischem Strom durchführt. Anstatt einer Umkehrelektrodialyse kann die Einrichtung 2 auch eine druckverzögerte Osmose durchführen. Neben der elektrischen Energie EL fällt bei der Umkehrosmose ferner Salzwasser SW an, dessen Konzentration zwischen den Salzkonzentrationen der Salzlauge SL und des Frischwassers FW liegt. In einer abgewandelten Ausführungsform kann gegebenenfalls auf das Frischwasser-Reservoir 4 verzichtet werden. In diesem Fall wird der Einrichtung 2 anstatt von Frischwasser FW direkt Meerwasser bzw. Salzwasser SW zugeführt.
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Die im Vorangegangenen beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung weisen eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere wird eine Speicherung von Energie durch das Sammeln von Salzlauge ermöglicht, die über Umkehrosmose oder Elektrodialyse bzw. einen Prozess zur thermischen Wasseraufbereitung generiert wird. Indem die gesammelte Salzlauge dem Prozess der Umkehrelektrodialyse bzw. druckverzögerten Osmose zugeführt wird, kann die gespeicherte Energie wieder entnommen werden.
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Die erfindungsgemäße Anlage kann in Kombination mit einer herkömmlichen Meerwasser-Entsalzungsanlage verwendet werden, wobei die anfallende Salzlauge nunmehr jedoch nicht in das Meer zurückgeleitet wird, sondern in einem entsprechenden Reservoir gespeichert wird. Der Salzgradient der Salzlauge zu Meerwasser bzw. zu eventuell gesammeltem Frischwasser kann dann wieder zur Energierückgewinnung durch Umkehrelektrodialyse bzw. druckverzögerter Osmose genutzt werden. Hierdurch kann der Energiebedarf von Meerwasser-Entsalzungsanlagen vermindert werden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, dass in der erfindungsgemäßen Anlage für die Erzeugung der Salzlauge ein thermischer Wasseraufbereitungs-Prozess anstatt von Umkehrosmose bzw. Elektrodialyse verwendet wird, wodurch der elektrische Speicherwirkungsgrad der Anlage erhöht wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011081015 A1 [0016, 0040]
- DE 102011081007 A1 [0016, 0040]
- DE 102010035171 A1 [0016, 0040]
