DE102018128872A1

DE102018128872A1 - Schwimmfähige, solarbetriebene Wasseraufbereitungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102018128872A1
Application number: DE102018128872.7A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Hornig
Original assignee: BPE EK
Current assignee: BPE EK
Priority date: 2018-11-16
Filing date: 2018-11-16
Publication date: 2020-05-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine schwimmfähige, solarbetriebene Wasseraufbereitungsvorrichtung, die eine Gewässerreinigung unmittelbar während des autarken, schwimmenden Betriebs im zu reinigenden Gewässer gewährleistet. Zudem dient sie der Wertstoffgewinnung aus Schmutzwässern. Die leicht transportable Wasseraufbereitungsvorrichtung besitzt einen metallischen Schwimmkörper (1) und mit diesem thermisch kontaktierte Fotovoltaikelemente (5) bzw. kombinierte Fotovoltaik-Peltierelemente, die elektrisch mit Elektroden (2, 3) zur Elektrolyse des aufzubereitenden Wassers verbunden sind. Die Wasseraufbereitungsvorrichtung eignet sich insbesondere zur Reinigung von Abwässern aus der Industrie und dem Bergbau sowie von Gewässern mit starker land- und tierwirtschaftlicher Nutzung in sonnenreichen, infrastrukturell wenig erschlossenen Gebieten.

Description

Die Erfindung betrifft eine solarbetriebene Vorrichtung zur Aufbereitung von Wasser, insbesondere von Abwässern aus der Industrie und dem Bergbau sowie von Gewässern mit starker land- und tierwirtschaftlicher Nutzung. Sie eignet sich vor allem für die autarke Nutzung in sonnenreichen Lagen.
Die Gewässerbelastung in Entwicklungs- und Schwellenländern nimmt aufgrund der fortschreitenden Industrialisierung ebenso wie durch intensivere Formen der Agrarwirtschaft, insbesondere der Fisch- und Krustentierzucht, stetig zu. Häufig fehlt jedoch eine funktionierende Wasseraufbereitung. Um aber Wasseraufbereitungsanlagen - gerade in wenig erschlossenen Gebieten - effizient betreiben zu können, ist es zweckdienlich, die für den Betrieb der Wasseraufbereitungsanlagen erforderliche Energie vor Ort, möglichst regenerativ, zu erzeugen. Hierfür eignet sich neben der Windenergie vor allem die Sonnenenergie, die in bekannter Weise mittels Fotovoltaikelementen in elektrische Energie gewandelt werden kann.
So ist aus WO 2005/108310 A1 bekannt, die Reinigung von Abwässern durch fotovoltaisch gewonnene elektrischer Energie zu unterstützen; die elektrische Energie wird zum Beispiel zur Erwärmung des zu reinigenden Wassers oder zum Betrieb von Pumpen genutzt. Auch aus WO 2005/108310 A1 ist die teilweise elektrolytische Reinigung von Abwässern bekannt. Nachteilig ist jedoch die hierin beschriebene komplexe, betreuungsaufwendige Anlagentechnik.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine autark arbeitende, schwimmfähige und leicht transportierbare Wasseraufbereitungsvorrichtung bereitzustellen, die eine Wasseraufbereitung unter Nutzung der Sonnenenergie im zu reinigenden Gewässer ermöglicht. Daneben soll die Wasseraufbereitungsvorrichtung eine Reinigung von mit umweltschädlichen Schwermetallionen belasteten Schmutzwässern ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Wasseraufbereitungsvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen nach Anspruch 1 bzw. 2 gelöst; zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 3 bis 9 beschrieben. Vorteilhafte Verwendungen ergeben sich aus Anspruch 10.
Die schwimmfähige, solarbetriebene Wasseraufbereitungsvorrichtung besitzt einen metallischen Schwimmkörper mit ein oder mehreren abgeschlossenen Hohlräumen im Inneren des Schwimmkörpers. Diese ermöglichen den Auftrieb der Wasseraufbereitungsvorrichtung.
Am Schwimmkörper sind ein oder mehrere Fotovoltaikelemente thermisch kontaktierend angebracht. Zwischen Schwimmkörper und dem oder den Fotovoltaikelementen kann jeweils ein den Schwimmkörper einerseits und das Fotovoltaikelement andererseits thermisch kontaktierendes Peltierelement eingebracht sein. Am Schwimmkörper sind somit entweder ein oder mehrere Fotovoltaikelemente oder ein oder mehrere kombinierte Fotovoltaik-Peltierelemente angebracht. Derartige kombinierte Fotovoltaik-Peltierelemente sind zum Beispiel aus DE 10 2011 051 507 A1 bekannt.
Nach Maßgabe der Erfindung sind das oder die Fotovoltaikelemente bzw. die Fotovoltaik- und Peltierelemente elektrisch mit Elektroden verbunden, die die Elektrolyse des aufzubereitenden Wassers bewirken, d. h., mindestens eine der Elektroden fungiert als Anode und mindestens eine als Katode. Die Elektroden reichen bei bestimmungsgemäßem schwimmenden Betrieb in das Wasser, wobei der durch die Fotovoltaik- und/oder Peltierelemente erzeugte Strom unmittelbar zur elektrolytischen Zersetzung des Wassers und der darin gelösten Stoffe dient.
Durch den bestimmungsgemäßen Gebrauch entsteht bei elektrolytischer Zersetzung des Wassers atomarer Sauerstoff an der Anode und atomarer Wasserstoff an der Katode. Daneben werden weitere gelöste Anionen an der Anode oxidiert oder Kationen, zum Beispiel im Wasser gelöste Metallionen, an der Katode reduziert.
Einer der Vorteile der erfindungsgemäßen Wasseraufbereitungsvorrichtung besteht darin, dass diese auf dem zu reinigenden Gewässer platziert werden kann und ohne externe Energieversorgung in kontinuierlicher Arbeitsweise zur Gewässerreinigung beiträgt. Aufgrund des geringen Raumbedarfs ist die Wasseraufbereitungsvorrichtung leicht zu handhaben und problemlos transportabel. Es ist somit möglich, die Wasseraufbereitungsvorrichtung ohne nennenswerten anlagentechnischen Betreuungsaufwand zur Wasseraufbereitung zu nutzen.
Der metallische Schwimmkörper bewirkt infolge seiner guten Wärmeleitfähigkeit eine effektive Kühlung der Fotovoltaikelemente während des Schwimmbetriebes. Eine zu starke Erwärmung der Fotovoltaikelemente bei intensiver Sonneneinstrahlung, die sich negativ auf deren elektrische Leistung auswirkt, wird hierdurch verhindert.
Zudem fungiert der wassergekühlte Schwimmkörper als Wärmesenke für die optional eingebrachten Peltierelemente; die Temperaturdifferenz zwischen dem durch die Sonneneinstrahlung erhitzten Fotovoltaikelement an der Oberseite des Peltierelements und der gekühlten Unterseite stellt - bei entsprechender Erwärmung durch die Sonne - einen stetigen Wärmefluss zur Erzeugung von elektrischem Strom im Peltierelement sicher.
In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Schwimmkörper eine Dünnblechstruktur. Diese kann zum Beispiel als gekapselte Wellblechstruktur, als gekapselte metallische Honigwabenstruktur und/oder als geschlossenporiger Metallschaum ausgebildet sein. Die eingeschlossenen Hohlräume der Dünnblechstruktur stellen die Schwimmfähigkeit des Schwimmkörpers sicher; gleichzeitig gewährleistet die zusammenhängende metallische Struktur eine gute Wärmeleitfähigkeit.
Es kann vorgesehen sein, dass eine und/oder mehrere der Elektroden als Metallfasergewebe, Metallfaservlies, Metallfaserfilz, metallisches Gitter oder offenporiger Metallschaum ausgebildet sind. Diese Ausgestaltung der Elektroden bedingt eine große Elektrodenoberfläche und folglich eine große Kontakt- bzw. Reaktionsfläche im wässrigen Medium.
Ferner kann die als Anode ausgebildete Elektrode aus einem Aluminium- oder Titanwerkstoff bestehen. Neben dem Beitrag zur Leichtbauweise ist - abhängig von der Zusammensetzung des Gewässers - der unedle Charakter dieser Werkstoffe zur Intensivierung der Anodenreaktion oder alternativ die Selbstpassivierung dieser Werkstoffe durch oberflächliche anodische Oxidation nutzbar.
Des Weiteren kann die als Anode ausgebildete Elektrode aus Platin, einer Platinlegierung oder einem platinierten Werkstoff bestehen. Dadurch ist ein Dauerbetrieb der Wasseraufbereitungsvorrichtung möglich, ohne dass die Anode verbraucht bzw. angegriffen wird. Als besonders vorteilhaft haben sich in diesem Zusammenhang platinierte Titanelektroden erwiesen.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Schwimmkörper eine der Elektroden ist. D. h., der aus metallischem Werkstoff bestehende Schwimmkörper ist direkt als Katode oder Anode im Wasser eingebracht. Die jeweils entgegengesetzt gepolte Elektrode bzw. gepolten Elektroden reichen in dieser Ausgestaltung isoliert vom Schwimmkörper ins Wasser. Vorteilhafterweise besitzt die wasserbenetzte Oberflächenzone des als Elektrode ausgebildeten Schwimmkörpers eine aufgeraute, mikrostrukturierte und/oder offenporige Struktur. Die dadurch gebildete große spezifische Oberfläche des Schwimmkörpers im Bereich der Oberflächenzone gewährleistet eine große Reaktionsfläche für die elektrolytische Reaktion. So ist es möglich, den Schwimmkörper aus einem geschlossenporigen Metallschaum mit einer, zum Beispiel durch mechanische Bearbeitung erzeugten, offenporigen Oberflächenflächenzone herzustellen. Das geschlossenporige Innere eines solchen Schwimmkörpers dient dem Auftrieb des Schwimmkörpers; die offenporige Oberflächenzone stellt eine hohe Kontakt- bzw. Reaktionsfläche im wässrigen Medium sicher.
In einer Ausgestaltung der Wasseraufbereitungsvorrichtung, deren Schwimmkörper eine der Elektroden ist, ist eine andere der Elektroden, die vom Schwimmkörperelektrisch isoliert ist, kielartig am Schwimmkörper angebracht. Diese Ausbildung als Kielelektrode wirkt sich stabilisierend bei starker Wasserbewegung aus.
Besonders vorteilhaft kann die erfindungsgemäße Wasseraufbereitungsvorrichtung zur Erhöhung des Sauerstoffgehaltes von Gewässern verwendet werden. Der durch die elektrolytische Wasserzersetzung an der Anode entstehende Sauerstoff reichert sich im Gewässer an. Insbesondere bei Gewässern mit starker agrarwirtschaftlicher Benutzung besteht die Gefahr des Umkippens des Gewässers mit erheblichen nachteiligen Folgen wie Fischsterben und vermehrtem Blaualgenwachstum. Die Verwendung der erfindungsgemäßen Wasseraufbereitungsvorrichtung wirkt diesen Effekten entgegen. Vor allem die Ausgestaltung der Wasseraufbereitungsvorrichtung mit einer Kielanode eignet sich aufgrund der tiefen Anodenposition zur Anreicherung des Gewässers mit Sauerstoff.
Ebenso kann die Wasseraufbereitungsvorrichtung zur Erzeugung von gasförmigen Wasserstoff verwendet werden. Der durch elektrolytische Zersetzung des Wassers entstehende Wasserstoff kann mittels Wasserstoffspeichern, die auf dem Schwimmkörper angebracht sind, aufgefangen und gesammelt werden. Als Speicher eignen sich beispielsweise Metallhydridspeicher. Der gesammelte Wasserstoff kann später aus den Speichereinheiten der schwimmenden Wasseraufbereitungsvorrichtung entnommen werden. Dies ermöglicht die autarke Gewinnung von Wasserstoff als Industriegas, als Brenngas oder als Energielieferant für Brennstoffzellen.
Unabhängig von der möglichen Gewinnung von Wasserstoffgas unterstützt der während der elektrolytischen Zersetzung des Wassers entstehende atomare Wasserstoff durch seine reduzierende Wirkung den Abbau von Keimen und Schmutzpartikeln im Rahmen der Wasseraufbereitung.
Schließlich kann die Wasseraufbereitungsvorrichtung zur elektrolytischen Metallgewinnung verwendet werden. Bei Betrieb in Abwässern, insbesondere in solchen mit hoher Metallionenkonzentration, ist es möglich, die im Wasser gelösten Metallionen an der Katode der Wasseraufbereitungsvorrichtung abzuscheiden. Somit werden bei schwimmenden Betrieb kontinuierlich Metalle - je nach Art und Menge der gelösten Metallionen als sortenreines Metall oder als Legierung - an der Katode gesammelt. Die Katoden können in geeigneten Zeitabständen getauscht und die u. U. wertvollen Metalle einer weiteren Nutzung zugeführt werden. Gleichzeitig verringert sich durch diese Verwendung der Gehalt an Metallionen im Wasser. Die Wasseraufbereitungsvorrichtung ist somit auch zur Reinigung von mit umweltschädlichen Schwermetallionen belasteten Gewässern anwendbar.
Die dargestellten Verwendungen der erfindungsgemäßen Wasseraufbereitungsvorrichtung ermöglichen einen Beitrag zur Gewässerreinigung und -reinhaltung und folglich zur Verringerungen von Umweltproblemen, insbesondere beim dezentralen Einsatz in Entwicklungs- oder Schwellenländern.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und mit Bezug auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert. Dazu zeigen:

1: die Wasseraufbereitungsvorrichtung mit einem Fotovoltaikelement im Längsschnitt, und
2: die Wasseraufbereitungsvorrichtung mit einem kombinierten Fotovoltaik-Peltierelement im Längsschnitt.

Die Wasseraufbereitungsvorrichtung gemäß der 1 besitzt den metallischen Schwimmkörper 1, der vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung hergestellt ist. Der Schwimmkörper 1 ist in die wannenförmige Elektrode 2 eingebettet. Mit dem an der Oberseite des Schwimmkörpers 1 thermisch kontaktierten Fotovoltaikelement 5 ist die Elektrode 2 mittels eines der elektrischen Leiter 7 verbunden, wobei die Elektrode 2 negativ - als Katode 2 wirkend - gepolt ist.
Die andere am Fotovoltaikelement 5 angeschlossene, positiv gepolte Elektrode 3 wirkt als Anode 3. Sie ist über die Isolatoren 4 kielartig unter dem Schwimmkörper 1 angebracht.
Bestimmungsgemäß schwimmt die Wasseraufbereitungsvorrichtung im zu reinigenden Gewässer, wobei sich der Teil der Wasseraufbereitungsvorrichtung mit den Elektroden 2, 3 im Wesentlichen unterhalb der Wasseroberfläche 9 befindet und der Bereich mit dem Fotovoltaikelement 5 oberhalb der Wasseroberfläche 9. Die auftreffende Sonnenstrahlung 8 wird im Fotovoltaikelement 5 in elektrische Energie umgewandelt. Diese elektrische Energie wird unmittelbar den Elektroden 2, 3 zugeführt und dient zur elektrolytischen Zersetzung des Wassers. An der Anode 3 findet die Oxidation der Sauerstoffionen O^2- zu atomaren Sauerstoff statt; daran anschließend bilden sich die Sauerstoffmoleküle O₂, die im Wasser gelöst werden oder in gasförmigen Zustand ausperlen. Die Reaktionen an der Katode 2 beinhalten analog die Reduktion der Wasserstoffionen H⁺ zu atomaren Wasserstoff, gefolgt von der Bildung der Wasserstoffmoleküle H₂.
Die Wasseraufbereitungsvorrichtung gemäß der 2 besitzt einen identischen Aufbau hinsichtlich des Schwimmkörpers 1 und der Elektroden 2, 3. Statt des direkt an der Oberseite des Schwimmkörpers 1 kontaktierten Fotovoltaikelements 5 ist ein kombiniertes Fotovoltaik-Peltierelement angebracht. Hierbei ist das Fotovoltaikelement 5 thermisch an der Oberseite des Peltierelements 6 kontaktiert und das Peltierelement 6 wiederum an der Oberseite des Schwimmkörpers 1. Dies ermöglicht einen durchgängigen Wärmefluss von dem durch die Sonnenstrahlung 8 erhitzten Fotovoltaikelement 5 über das Peltierelement 6 und den Schwimmkörper 1 ins kühlende Wasser. Die im Fotovoltaikelement 5 und Peltierelement 6 generierte elektrische Energie wird über die mit den elektrischen Leitern 7 verbundene Steuerungs- und Regelungseinheit 10 gebündelt und von dieser den beiden Elektroden 2, 3 zugeführt.
Bezugszeichenliste

1: Schwimmkörper
2: Elektrode, Katode
3: Elektrode, Anode
4: Isolator
5: Fotovoltaikelement
6: Peltierelement
7: elektrischer Leiter
8: Sonnenstrahlung
9: Wasseroberfläche
10: Steuerungs- und Regelungseinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2005/108310 A1 [0003]
DE 102011051507 A1 [0007]

Claims

Schwimmfähige, solarbetriebene Wasseraufbereitungsvorrichtung, umfassend - einen metallischen Schwimmkörper (1) mit ein oder mehreren abgeschlossenen Hohlräumen im Inneren des Schwimmkörpers (1) sowie - ein oder mehrere am Schwimmkörper (1) thermisch kontaktierend angebrachte Fotovoltaikelemente (5), dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Fotovoltaikelemente (5) elektrisch mit Elektroden (2, 3) zur Elektrolyse des aufzubereitenden Wassers verbunden sind.
Schwimmfähige, solarbetriebene Wasseraufbereitungsvorrichtung, umfassend - einen metallischen Schwimmkörper (1) mit ein oder mehreren abgeschlossenen Hohlräumen im Inneren des Schwimmkörpers (1) sowie - ein oder mehrere am Schwimmkörper (1) angebrachte Fotovoltaikelemente (5), wobei zwischen jedem der Fotovoltaikelemente (5) und dem Schwimmkörper (1) jeweils ein beide thermisch kontaktierendes Peltierelement (6) eingebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Fotovoltaik- (5) und Peltierelemente (6) elektrisch mit Elektroden (2, 3) zur Elektrolyse des aufzubereitenden Wassers verbunden sind.
Schwimmfähige, solarbetriebene Wasseraufbereitungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwimmkörper (1) eine Dünnblechstruktur umfasst, die als gekapselte Wellblechstruktur, als gekapselte metallische Honigwabenstruktur und/oder als geschlossenporiger Metallschaum ausgebildet ist.
Schwimmfähige, solarbetriebene Wasseraufbereitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine und/oder mehrere der Elektroden (2, 3) als Metallfasergewebe, Metallfaservlies, Metallfaserfilz, metallisches Gitter oder offenporiger Metallschaum ausgebildet sind.
Schwimmfähige, solarbetriebene Wasseraufbereitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die als Anode (3) ausgebildete Elektrode (3) aus Aluminium- oder Titanwerkstoff besteht.
Schwimmfähige, solarbetriebene Wasseraufbereitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die als Anode (3) ausgebildete Elektrode (3) aus Platin, einer Platinlegierung oder einem platinierten Werkstoff besteht.
Schwimmfähige, solarbetriebene Wasseraufbereitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwimmkörper (1) eine der Elektroden (2, 3) ist.
Schwimmfähige, solarbetriebene Wasseraufbereitungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die wasserbenetzte Oberflächenzone des als Elektrode (2, 3) ausgebildeten Schwimmkörpers (1) eine aufgeraute, mikrostrukturierte und/oder offenporige Struktur besitzt.
Schwimmfähige, solarbetriebene Wasseraufbereitungsvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwimmkörper (1) eine der Elektroden (2, 3) ist, wobei eine andere der Elektroden (2, 3), die vom Schwimmkörper (1) elektrisch isoliert ist, kielartig am Schwimmkörper (1) angebracht ist.
Verwendung der schwimmfähigen, solarbetriebenen Wasseraufbereitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Anreicherung des Wassers mit Sauerstoff, zur Wasserstofferzeugung und/oder zur elektrolytischen Metallgewinnung.