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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur solaren Erzeugung von Trinkwasser aus einer Wasser-Feststoff-Lösung.
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Stand der Technik
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Wasser ist eine Grundvoraussetzung für das Leben: ohne Regen keine Trinkwasserversorgung, keine Landwirtschaft, keine Gewässer mit Fischen zum Verzehr, keine Flüsse zum Gütertransport, keine Industrie. Letztere benötigt für alle Produktionsvorgänge viel Wasser, was geklärt in den Kreislauf zurückgeführt wird. Wasser (H2O) ist eine chemische Verbindung aus den Elementen Sauerstoff (0) und Wasserstoff (H). Wasser ist die einzige chemische Verbindung auf der Erde, die in der Natur als Flüssigkeit, als Festkörper und als Gas vorkommt. Die Bezeichnung Wasser wird dabei für den flüssigen Aggregatzustand verwendet. Im festen Zustand spricht man von Eis, im gasförmigen Zustand von Wasserdampf.
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Die solare Erzeugung von trinkbarem Wasser (Trinkwasser) aus einer Wasser-Feststoff-Lösung, insbesondere Meerwasser oder Brackwasser, ist wohlbekannt, beispielsweise aus der
DE 36 12 188 A1 . Als solare Erzeugung eines Produktes wird in diesem Text eine Produktion unter Einsatz von direkter, solarer, thermaler oder Strahlungsenergie bezeichnet. Dabei wird zumindest ein Teil der solaren Energie von einem Absorber absorbiert und in andere Energieformen umgewandelt.
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Aus der
DE 31 46 326 A1 ist eine Anlage zur Meerwasserentsalzung und zur Gewinnung von Trinkwasser bekannt, die zahlreiche Einrichtungen und Bauteile aufweist, allerdings sind diese Einrichtungen und Bauteile, sofern erfindungsgemäß vorhanden, in zum Teil anderer Reihenfolge und in anderer Fluidverbindung der einzelnen Einrichtungen zueinander beschrieben.
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Als Süßwasser bezeichnet man Wasser mit weniger als 1000 ppm gelösten salzartigen Feststoffen. Üblicherweise ist Süßwasser trinkbar. Der Anteil von Süßwasser am natürlichen Wasservorkommen der Erde beträgt je nach Schätzung nur 2,6 bis 3,5 Prozent.
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Auf der Erde stellt das Meerwasser der Ozeane das häufigste Salzwasservorkommen und gleichzeitig auch die größte Wassermenge überhaupt dar. Der durchschnittliche Salzgehalt der Meere liegt bei 3,5 %. Das im Meerwasser gelöste Salz ist hauptsächlich Natriumchlorid. Speisesalz, Kochsalz oder Tafelsalz (umgangssprachlich einfach „Salz“) ist das in der Küche für die menschliche Ernährung verwendete Salz. Es besteht hauptsächlich aus Natriumchlorid.
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Bei der Gewinnung von handelsüblichem Speisesalz aus Meerwasser verbleiben sowohl im Steinsalz als auch im Meersalz 1 % bis 3 % andere Salze und bei unbehandeltem Meersalz noch eine Restfeuchte von bis zu 5 % Wasser. Im Handel ist vorwiegend gereinigtes, raffiniertes Salz zu finden. Zur Verbesserung von Eigenschaften (Hygroskopie, Rieselfähigkeit) können noch geringe Mengen anderer Stoffe hinzugefügt werden.
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Eine bekannte Technik zur Nutzung von Meerwasser oder anderem Wasser, in dem salzartige Feststoffe gelöst sind, und zur Erzeugung von trinkbarem Wasser, beinhaltet die Destillation. Bei der Destillation wird zunächst ein Ausgangsgemisch zum Sieden gebracht.
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Der entstehende Dampf, der sich aus den verschiedenen flüchtigen Komponenten der zu trennenden Lösung zusammensetzt, wird in einem Kondensator durch Abkühlen wieder verflüssigt. Ein Kondensator in der Verfahrenstechnik dient der physikalischen Kondensation. Darunter versteht man das Übergehen eines Stoffes vom gasförmigen in den flüssigen Aggregatzustand. Kondensatoren dienen in Wärmekraftmaschinen und in Kälteanlagen zur Verflüssigung des Abdampfes oder des dampfförmigen Kältemittels.
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Im Kontext der Erfindung liegt das Ausgangsgemisch für die Destillation als Wasser-Feststoff-Lösung, insbesondere als Meerwasser, vor. Die nötige Energie zur Destillation wird im Kontext der Erfindung unmittelbar von der Sonne geliefert und wird von der Lösung mittels einer oder mehrerer Erwärmungseinrichtungen absorbiert. Erwärmungseinrichtungen beinhalten grundsätzlich Wärmetauscher sowie, bei direkter Nutzung von Solarenergie, Absorbereinrichtungen, kurz auch als Absorber bezeichnet.
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Es sind bereits verschiedene Absorbertypen bekannt, von denen die wichtigsten nachfolgend kurz beschrieben werden.
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Flächen- oder Plattenabsorber
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Der Absorber hat die Form einer Platte (zum Beispiel im Flachkollektor), um bei möglichst kleinem Volumen, der Sonne eine möglichst große Oberfläche zuwenden zu können. Dabei wird das Trägermedium in gängigen Systemen durch Kupferrohre geführt, auf welche die Kollektorplatte zur optimalen Wärmeübertragung angelötet ist. Eine andere Bauform sind miteinander verlötete, profilierte Kupferplatten, deren Profilzwischenraum vom Trägermedium direkt durchströmt wird.
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Röhrenabsorber oder Vakuumröhrenkollektor
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Röhrenabsorber und Vakuumröhrenkollektoren erreichen gegenüber Flachkollektoren gleicher Größe wesentlich höhere Betriebstemperaturen und eignen sich dadurch auch zur Erzeugung industrieller Prozesswärme. Die Absorbertemperatur und somit auch die Flüssigkeitstemperatur können je nach Konstruktion und Anwendung bis zu 350°C erreichen.
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Die oben beschriebenen sowie weitere Absorber werden im Stand der Technik, insbesondere in Solarfarmkraftwerken, verwendet.
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Das Kollektorfeld eines Solarfarmkraftwerkes besteht aus vielen parallel geschalteten Parabolrinnen- oder Fresnel-Kollektoren, sogenannten Linienkonzentratoren. Die Zusammenschaltung von Paraboloidanlagen zu einem großen Kollektorfeld ist möglich, gegenüber Linienkonzentratoren jedoch sehr aufwändig. Parabolrinnenanlagen werden bereits kommerziell betrieben. Im Kollektorfeld wird ein Wärmeträgermedium erhitzt, entweder Thermoöl oder überhitzter Wasserdampf. Bei Thermoölanlagen sind Temperaturen von bis zu 390°C erreichbar, die in einem Wärmeüberträger zur Dampferzeugung genutzt werden. Die Direktdampferzeugung (DISS = Direct Solar Steam) kommt ohne solche Wärmeüberträger aus, da der überhitzte Wasserdampf direkt in den Absorberrohren erzeugt wird. Damit sind Temperaturen von über 500°C möglich. Wegen seiner hohen Verdampfungswärme kann Wasser in Form von Wasserdampf zum Antrieb von Dampfmaschinen und Dampfturbinen sowie zur Beheizung von chemischen Produktionsanlagen benutzt werden. Der Wasserdampf wird anschließend, wie in einem Dampfkraftwerk, einer zentral angeordneten Dampfturbine zugeführt, die an einen Generator gekoppelt ist.
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Wasserstoff gilt als Energieträger der Zukunft. Wasserstoff als Energieträger verursacht keine schädlichen Emissionen, insbesondere kein Kohlendioxid, wenn er aus erneuerbaren Energien wie Wind, Sonne oder Biomasse gewonnen wird. Derzeit erfolgt die Wasserstoffherstellung fast ausschließlich aus fossilen Primärenergien, vorrangig Erdgas.
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Aufgabe
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein integriertes System von Solarenergieabsorbern, thermodynamischen Maschinen und Energiewandlungsprozessen zu schaffen, um aus einer Wasser-Feststoff-Lösung, insbesondere Meerwasser, unter der Einwirkung von Solarenergie die Produkte Trinkwasser, Wasserstoffgas und Sauerstoffgas sowie Feststoff im festen Aggregatzustand, insbesondere Meersalz, zu erzeugen.
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Lösung
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Gegenstände sind in den Unteransprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.
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Im Folgenden werden einzelne Verfahrensschritte näher beschrieben. Die Schritte müssen nicht notwendigerweise in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, und das zu schildernde Verfahren kann auch weitere, nicht genannte Schritte aufweisen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur solaren Erzeugung von Trinkwasser aus einer Wasser-Feststoff-Lösung umfasst einen Speicherbehälter zum Bereitstellen der Lösung mit gelöstem Feststoff, eine mittels einer Kaltwasserleitung mit dem Speicherbehälter verbundene solare Vor-Erwärmungseinrichtung für aus dem Speicherbehälter zugeführte Lösung, einen mittels einer Warmwasserleitung mit der Vor-Erwärmungseinrichtung verbundenen Verdampfungsraum zur Gewinnung von Wasserdampf und wässrigem Lösungskonzentrat aus zugeführter Lösung mittels einer Hochtemperatur-Erwärmungseinrichtung, wobei der Verdampfungsraum über eine Dampfleitung mit einer von dem gewonnen Wasserdampf angetriebenen Wärmekraftmaschine verbunden ist, und eine mittels einer Dampfleitung mit der Wärmekraftmaschine verbundene Kondensatoreinrichtung für die Gewinnung von destilliertem, trinkbarem Wasser aus zugeführtem Dampf. Der Verdampfungsraum ist über eine Leitung für Lösungskonzentrat mit einer Elektrolysevorrichtung zur Gewinnung von Wasserstoffgas und Sauerstoffgas verbunden, die von einem von der Wärmekraftmaschine angetriebenen elektrischen Generator über elektrische Leitungen mit elektrischer Leistung versorgt wird. Erfindungsgemäß kann die Vor-Erwärmungsvorrichtung und die Hochtemperatur-Erwärmungsvorrichtung auch integriert ausgebildet sein.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist die gleichen Vorteile auf wie das erfindungsgemäße Verfahren.
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Eine Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Kondensatoreinrichtung im Speicherbehälter angeordnet ist und bezogen auf frische, kalte Lösung als Wärmetauscher fungiert, wodurch die im Wasserdampf stromab der Wärmekraftmaschine noch vorhandene Wärmeenergie zur Erwärmung von frischer, kalter Lösung eingesetzt werden kann.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Kondensatoreinrichtung als Spiralkondensator ausgebildet ist, wodurch der Wärmeaustausch zwischen dem Wasserdampf und der Lösung optimiert wird.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich zweckmäßigerweise dadurch aus, dass die Vor-Wärmeeinrichtung als Flachkollektor ausgebildet ist. Derartige Kollektoren sind relativ einfach für die Erreichung niedriger Temperaturen optimierbar.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Hochtemperaturerwärmungseinrichtung als Röhrenkollektor oder Vakuumröhrenkollektor, Flächen- und Plattenabsorber, Photovoltaikkollektor, Hybridabsorber oder Hohlspiegeleinrichtung ausgebildet ist, die relativ einfach jeweils für hohe Temperaturen oberhalb des Siedepunktes von Wasser optimierbar sind.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Wärmekraftmaschine als Dampfturbine, Dampfmaschine oder Sterlingmotor ausgebildet ist, die jeweils mit hohem Wirkungsgrad die Wandlung von thermischer Energie in mechanische Energie ermöglichen.
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Eine Dampfmaschine im engeren Sinne ist eine Kolben-Wärmekraftmaschine. Sie erzeugt in einem Dampferzeuger, der als Bestandteil der Maschine gilt, durch Verbrennung Dampf und wandelt die im Dampf enthaltene Wärmeenergie (auch Druckenergie) mittels Kolben in mechanische Arbeit um. Dampfmaschinen sind Wärmekraftmaschinen mit äußerer Verbrennung, was sie von Verbrennungsmotoren unterscheidet.
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Als Dampfmaschine im weiteren Sinne kann auch jede andere Maschine verstanden werden, die durch Dampf direkt oder indirekt angetrieben wird. Dies sind sowohl Kraftmaschinen wie die Dampfturbine als auch dampfgetriebene Arbeitsmaschinen. Manchmal werden auch dampfgetriebene Transport- und Verkehrsmittel, Landmaschinen und sogar einige Apparate als Dampfmaschine bezeichnet.
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Im Sterlingmotor wird ein hermetisch abgeschlossenes Arbeitsmedium (meistens ein Gas wie Helium) durch von außen zugeführte Energie in einem abgeschlossenen Raum (Zylinder) erhitzt und in einem anderen abgeschlossenen Raum (Zylinder) gekühlt. Das Gas pendelt zwischen diesen beiden Räumen und wechselt dabei ständig seine Temperatur. Es ist somit ein geschlossener Kreisprozess, der mit einer beliebigen externen Wärmequelle betrieben werden kann. Die Temperaturänderung bewirkt eine Expansion beziehungsweise Kompression des Arbeitsmediums, die in Bewegung umgewandelt wird.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der elektrische Generator zweckmäßigerweise als Gleichstromgenerator ausgebildet ist.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Elektrolysevorrichtung Auffang- und Kompressor-Einrichtungen für Wasserstoffgas und Sauerstoffgas umfasst, womit eine Speicherung der chemischen Energie für die spätere Verwendung an von der Elektrolysevorrichtung entfernt liegenden Gegenden erfolgen kann.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Photovoltaikkollektor, ein Hybridabsorber oder ein Windkraftgenerator vorgesehen ist, der mit der Elektrolysevorrichtung direkt verbunden ist und diese mit elektrischer Leistung versorgt, womit ein flexiblerer Einsatz in Abhängigkeit von Bedarfsspitzen an Wasserstoff- und Sauerstoffgas möglich ist.
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Unter Photovoltaik versteht man die direkte Umwandlung von Lichtenergie, meist aus Sonnenlicht, in elektrische Energie mittels Solarzellen. Seit 1958 wird sie in der Raumfahrt genutzt. Inzwischen wird sie überwiegend auf der Erde zur Stromerzeugung eingesetzt und findet unter anderem Anwendung auf Dachflächen, bei Parkscheinautomaten, in Taschenrechnern, an Schallschutzwänden und auf Freiflächen.
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PV/T- oder auch PVT-Systeme kombinieren Photovoltaik (PV) mit thermischer (T) Nutzung der Sonnenenergie. Die PV-Zellen - besonders die aus kristallinem Silizium - haben jedoch mit steigender Temperatur sinkende Wirkungsgrade. Daher sind besonders Niedertemperatursysteme für PVT geeignet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur solaren Erzeugung von Trinkwasser aus einer Wasser-Feststoff-Lösung umfasst folgende Schritte:
- - Bereitstellen der Wasser-Feststoff-Lösung,
- - Absorbieren von Solarenergie durch die Lösung,
- - aus der Lösung thermische Gewinnung von Wasserdampf und von einem wässrigen Lösungskonzentrat mit erhöhter Konzentration des Feststoffs,
- - Trennung von Wasserdampf und wässrigem Lösungskonzentrat,
- - Wandlung von thermischer Energie des Wasserdampfs in mechanische Energie und Wandlung der mechanischen Energie in elektrische Energie sowie Kondensieren des Wasserdampfs zur Gewinnung von destilliertem, trinkbarem Wasser,
- - Verwendung der elektrischen Energie zur elektrolytischen Zersetzung des wässrigen Lösungskonzentrats zur Gewinnung von Wasserstoffgas und Sauerstoffgas.
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Das erfindungsgemäße Verfahren beinhaltet vorteilhaft eine Mehrschritt-Erwärmung der Wasser-Feststoff-Lösung zur Gewinnung von Wasserdampf und Lösungskonzentrat sowie anschließend die Gewinnung von elektrischer Energie aus der thermischen Energie des Wasserdampfs. Vorteilhaft wird unmittelbar, mittels der elektrischen Energie aus dem Lösungskonzentrat, Wasserstoffgas und Sauerstoffgas erzeugt.
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Als Elektrolyse wird im Kontext der Erfindung Wasserelektrolyse verstanden, das heißt die Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mit Hilfe eines elektrischen Stromes. Die wichtigste Anwendung dieser Elektrolyse ist die Gewinnung von Wasserstoff, die allerdings bisher technisch nur genutzt wird, wenn günstige elektrische Energie zur Verfügung steht, da andernfalls andere Herstellungsmethoden günstiger sind, z. B. ausgehend von Erdöl oder Kohle. Wenn diese Rohstoffe und Energieträger knapp werden, könnte die Wasserelektrolyse im Rahmen der Wasserstoffwirtschaft, die Wasserstoff als Energieträger nutzt, bedeutsam werden.
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Wasserelektrolyse kann beispielsweise mittels eines Hofmannschen Wasserzersetzungsapparats erfolgen. Nach dem Anlegen einer Gleichspannung an den Platinelektroden oder Kohleelektroden findet eine Gasentwicklung an Kathode und Anode statt.
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Dabei wird das Wasser in seine beiden Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt, wobei Knallgas entstehen kann. Knallgas ist eine detonationsfähige Mischung von gasförmigem Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) . Beim Kontakt mit offenem Feuer (Glut oder Funken) erfolgt die sogenannte Knallgasreaktion. Durch kontrollierte Verbrennung an einer Mischdüse kann eine kontinuierliche Knallgasflamme generiert werden. Zur besseren Stromleitung wird oft die Lösung mit einer Säure, einer Lauge oder speziellen Additiven versehen. Auch Kochsalz (NaCl) ist geeignet, welches wiederum im Meerwasser vorliegt.
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Vorteilhaft kann mittels der Elektrolyse Feststoff in festem Aggregatzustand erzeugt werden.
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Vorteilhaft erfolgt die Erzeugung des Wasserstoff- und Sauerstoffgases und des Feststoffes in einem einzigen Schritt, wobei der Feststoff zumindest nach Trocknung im festen Zustand vorliegt.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. Die Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Im Einzelnen zeigt beispielhaft:
- 1 Komponenten des Verfahrens und der Vorrichtung und ihre Stoff- und Energiekopplung.
- 2 Die allgemeine Kombination der Komponenten von 1.
- 3 Eine konkrete Ausführungsform zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Im Folgenden werden zunächst die allgemeinen Komponenten des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, wobei als Komponenten auch die Eingangsgrößen, Energie und Rohstoff, sowie die Produkte Trinkwasser, Energie und Feststoff in festem Aggregatzustand bezeichnet werden.
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In der 1 sind zur Übersicht die wichtigsten Komponenten der Erfindung mit einer Absorbereinrichtung 1 und einer thermodynamischen Maschine 2 zur Energieumwandlung dargestellt, wobei von der Sonne 3 zur Verfügung gestellte Solarenergie genutzt wird, um aus Salzwasser 4 mittels spezifischer Prozesse 5 als Produkte 6 Trinkwasser, Wasserstoffgas, Sauerstoffgas und Feststoff (Salz) zu gewinnen. In 1 sind Stoff- und Energietransport zwischen den Komponenten durch nicht mit Bezugszeichen versehene Pfeile angedeutet.
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Die Absorbereinrichtungen 1 können als Flächen- und Plattenabsorber, Röhrenkollektoren, Vakuumröhrenkollektoren, Photovoltaikkollektoren, Hybridabsorber, jeweils ggf. mit Spiegeln versehen, ausgebildet sein. Auch weitere Absorbertypen sind dem Fachmann bekannt.
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Die thermodynamischen Maschinen 2 zur Energiewandlung können als Dampfmaschinen, Dampfturbinen, Sterlingmotoren und Destillen ausgebildet sein. Auch andere thermodynamische Maschinen sind dem Fachmann bekannt.
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Erfindungsgemäß werden Prozesse 5 verwendet, die die Destillation, Kondensation und Elektrolyse umfassen.
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In 2 sind die in 1 allgemein angegebenen Komponenten in einer konkreten Zusammenstellung dargestellt, wobei Energie- und Stofftransporte nunmehr ebenfalls konkret angegeben sind. Hierbei bezeichnen 1a einen Transport von Wärmeenergie, 2a einen Transport von elektrischer Energie, 2b einen Transport von Wärmeenergie und Wasserdampf, 2c einen Salzlösungstransport und 3a einen Transport von thermischer und Strahlungsenergie. Ferner sind der Stofftransport 4a sowie die Kondensation 5a und die Elektrolyse 5b dargestellt.
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Ferner sind die produzierten Erzeugnisse 6a Salz, 6b Trinkwasser, 6c Wasserstoffgas, 6d Sauerstoffgas bezeichnet.
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In 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung für die Erzeugung von Trinkwasser aus Meerwasser näher beschrieben.
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Die Erfindung umfasst einen Speicherbehälter 10 zum Bereitstellen einer Lösung mit gelöstem Feststoff, vorzugsweise Meerwasser. Der Speicherbehälter ist langgestreckt, als rohr- oder fassähnliches Objekt dargestellt, wobei in seinem Innenraum 10a eine Kondensatoreinrichtung 15 angeordnet ist. Im vorliegenden Fall ist diese als Spiralkondensator ausgebildet. Durch die Wandung 10b des Speicherbehälters 10 sind ein Trinkwasserablauf 10c sowie ein Salzwasserablauf 10d geführt. Der Trinkwasserablauf 10c ist mit einer Dampfleitung 95 verbunden und kann Trinkwasser einem Trinkwassersystem 10e zuführen. Der Salzwasserablauf 10d ist mit dem mit Salzwasser gefüllten Inneren 10a des Behälters 10 verbunden und ferner über eine Kaltwasserleitung 20 mit dem Zulauf 30c einer Vorerwärmungseinrichtung 30. Zur Regulierung des Salzwasserzuflusses ist in der Leitung 20 eine Pumpe 20a angeordnet. Die Vorwärmeinrichtung 30 ist als Flächenabsorber ausgebildet, in dem eine mäanderförmige Leitung als Wärmetauscher 30a angeordnet ist. Ein Ablauf 30d der Vorerwärmungseinrichtung ist mit einer Warmwasserleitung 35 verbunden, die wiederum mit einem Verdampfungsraum 40 verbunden ist. In der Wasserleitung 35 ist ein optionales Ventil 35a angeordnet, mittels dem ggf. ein Rücklauf von Flüssigkeit vom Verdampfungsraum 40 zur Einrichtung 30 verhindert werden kann. Der Verdampfungsraum 40 ist als Behälter mit einer Wandung 40a ausgebildet, durch die ein Zulauf 40b sowie ein Ablauf geführt ist. Über den Zulauf 40b wird warmes Wasser von der Einrichtung 30 in den Verdampfungsraum 40 geführt. Der Zulauf 40c zum Röhrenkollektor ist mit einer Wärmeträgermediumleitung 40d verbunden, in der optional eine Pumpe 40e angeordnet ist. Die Leitung 40d ist mit dem Zulauf 50a einer Hochtemperaturerwärmungseinrichtung 50 verbunden, die die Vakuumröhrenkollektoren 50c umfasst. Ein Ablauf 50b der Einrichtung 50 ist mit einer Hochtemperaturleitung 55 verbunden, durch die das erhitzte Wärmeträgermedium (Temperatur >100°C) fließt. Das in der Hochtemperaturerwärmungseinrichtung 50 erhitzte Wärmeträgermedium wird in den Verdampfungsraum 40 transportiert. Im oberen Bereich des Verdampfungsraums 40 wird die Lösung, gegebenenfalls das Meerwasser, zum Kochen gebracht. Am Deckel des Verdampfungsraums 40 ist über einen Dampfablauf 40g ein Anschluss an eine Dampfleitung 60 angeordnet, die mit einer Wärmekraftmaschine 90 verbunden ist und ihr über eine Dampfzufuhr 90a Wasserdampf zuführt. Eine Dampfabfuhr 90b der Wärmekraftmaschine 90 ist mit der Dampfleitung 95 verbunden. Zur Erzeugung des Wasserdampfs können weitere, nicht in 3 dargestellte, Absorbereinrichtungen vorgesehen sein.
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Die Wärmekraftmaschine 90 ist mit einem in 3 nicht gesondert dargestellten elektrischen Generator, beispielsweise einem Gleichstromgenerator, gekoppelt und treibt diesen an. Der elektrische Generator ist mittels elektrischer Leitungen 90c mit einer Elektrolysevorrichtung 80 verbunden.
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Die Elektrolysevorrichtung 80 mit Elektroden 80e umfasst einen Behälter mit einer Wandung 80c, der wässriges Lösungskonzentrat aufnehmen kann. Eine Konzentratzufuhr 80a und eine Feststoffabfuhr 80b sind durch die Wandung 80c des Behälters 80 geführt. Der Verdampfungsbehälter 40 ist über eine Konzentratleitung 70, in der optional eine Pumpe 70a sowie ein Ventil 70b angeordnet sind, und die Konzentratzufuhr 80a mit der Elektrolysevorrichtung 80 verbunden. Die Konzentratabfuhr 80b ist mit einer Entnahmeeinrichtung 80d verbunden, wobei nach Trocknung Feststoff in festem Aggregatzustand gewonnen werden kann.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann wie folgt betrieben werden:
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Zunächst erfolgt ein Bereitstellen von Salzwasser im Behälter 10 und ein Absorbieren von Solarenergie durch das Salzwasser in den Einrichtungen 30 und 50. Im Verdampfungsraum 40 erfolgt eine thermische Gewinnung von Wasserdampf und wässrigem Lösungskonzentrat mit erhöhter Konzentration des Feststoffs sowie eine Trennung von Wasserdampf und wässrigem Lösungskonzentrat. Mittels der Wärmekraftmaschine 90 erfolgt eine Wandlung von thermischer Energie des Wasserdampfs in mechanische Energie und mittels des Generators eine Wandlung der mechanischen Energie in elektrische Energie. Weiter erfolgt ein Kondensieren des Wasserdampfs zur Gewinnung von destilliertem, trinkbarem Wasser im Kondensator 15.
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Erfindungsgemäß erfolgt in der Elektrolysevorrichtung 80 eine Verwendung der elektrischen Energie zur elektrolytischen Zersetzung des wässrigen Lösungskonzentrats zur Gewinnung von Wasserstoffgas und Sauerstoffgas. Zusätzlich kann mittels der Elektrolysevorrichtung 80 eine Gewinnung einer Menge des Feststoffs erfolgen. Im Beispiel der 3 dient das Lösungskonzentrat (konzentrierte NaCl-Lösung) als Elektrolysemedium. Der Lösungskonzentratabfluss 80b endet im Ablauf 80 d. Hier kann das Konzentrat in einer Auffangeinrichtung gesammelt werden. Nach einer Trocknungsphase liegt der Feststoff (NaCl)in festem Aggregatzustand vor.
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zitierte Literatur
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zitierte Patentliteratur
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Absorber
- 1a
- thermischer Energietransport
- 2
- thermodynamische Maschine (Dampfmaschine, Dampfturbine, Sterlingmotor)
- 2a
- Transport elektrischer Energie
- 2b
- Transport thermischer Energie und von Wasserdampf
- 2c
- Transport wässriger Konzentratlösung
- 3
- Solarenergiequelle (Sonne)
- 3a
- Energietransport
- 4
- Lösung mit Feststoff (Salzwasser)
- 4a
- Stofftransport
- 5
- Prozesse
- 5a
- Kondensation
- 5b
- Elektrolyse
- 6
- erzeugte Produkte
- 6a
- Feststoff in festem Aggregatzustand
- 6b
- Trinkwasser
- 6c
- Wasserstoffgas
- 6d
- Sauerstoffgas
- 10
- Speicherbehälter für Lösung mit Feststoff
- 10a
- Behälterinnenraum
- 10b
- Wandung des Speicherbehälters
- 10c
- Trinkwasserablauf
- 10d
- Salzwasserablauf
- 10e
- Trinkwasserspeichersystem
- 15
- Kondensatoreinrichtung (Spiralkondensator)
- 20
- Kaltwasserleitung
- 20a
- Pumpe
- 30
- Vor-Erwärmungseinrichtung
- 30a
- Wärmetauscher
- 30b
- Wandung
- 30c
- Zulauf
- 30d
- Ablauf
- 35
- Warmwasserleitung
- 35a
- Ventil
- 40
- Verdampfungsraum
- 40a
- Wandung
- 40b
- Zulauf Warmwasser
- 40c
- Zulauf zum Röhrenkollektor (Wärmeträgermedium)
- 40d
- Wärmeträgermediumleitung
- 40e
- Pumpe
- 40f
- Ablauf vom Röhrenkollektor (Wärmeträgermedium)
- 40g
- Dampfablauf
- 50
- Hochtemperatur-Erwärmungseinrichtung (Vakuumwärmekollektor)
- 50a
- Zulauf Wärmeträgermedium
- 50b
- Ablauf Wärmeträgermedium
- 50c
- Röhren
- 55
- Hochtemperaturleitung Wärmeträgermedium
- 60
- Dampfleitung
- 70
- Leitung für wässrige Konzentratlösung
- 70a
- Pumpe
- 70b
- Ventil
- 80
- Elektrolysevorrichtung
- 80a
- Konzentratzufuhr
- 80b
- Konzentratabfuhr
- 80c
- Wandung
- 80d
- Salzentnahme
- 80e
- Elektrolyseelektroden
- 90
- Wärmekraftmaschine (Dampfturbine)
- 90a
- Dampfzufuhr
- 90b
- Dampfabfuhr
- 90c
- elektrische Leitung
- 95
- Dampfleitung
