DE10222316A1

DE10222316A1 - Vorrichtung und Verfahren zur solaren Meerwasserentsalzung und zur Stromerzeugung

Info

Publication number: DE10222316A1
Application number: DE10222316A
Authority: DE
Inventors: Georg Gallon
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-05-18
Filing date: 2002-05-18
Publication date: 2003-12-11
Anticipated expiration: 2022-05-19
Also published as: DE10222316B4

Abstract

Siedlungsvorhaben in ariden Gebieten ohne Infrastruktur sind bislang nur möglich mit getrennt betriebener eigener Wasser- und Stromversorgung. Das neue Verfahren soll Meerwasserentsalzung und Stromerzeugung in einem einzigen Prozess mit derselben, also nur einmal zu absorbierenden solarthermischen Energie und größtenteils demselben, d. h. nur eimal zu installierenden apparativen Aufwand ermöglichen. DOLLAR A Meerwasser wird mit über Parabolspiegel aufgefangener Sonnenwärme in einem Siededruckkessel zum Verdampfen gebracht. Der Dampf betreibt einen Stromgenerator über Turbine. Der danach drucklose Dampf verbleibt anschließend im geschlossenen System und kann zu Süßwasser kondensieren. Dabei kann auch die vorher zugeführte Verdampfungswärme sowie die gesamte Rest-Wärmeenergie des Kondensats im geschlossenen Energiekreislauf bleiben. Der Energiebedarf für beide Prozesse reduziert sich bei einmal angelaufenem Betrieb im Wesentlichen auf den Bedarf für die Aufrechterhaltung eines konstanten Dampfdrucks. DOLLAR A Der Gesamtaufwand an Primärenergie sowie der gesamte erforderliche apparative Aufwand zur Wasser- und Stromversorgung von Wüstensiedlungen (und kleineren Inseln) würden mindestens halbiert.

Description

Zur Erschließung bislang unbewohnbarer, arider Gebiete ist im Regelfall sowohl solare Meerwasserentsalzung als auch solare Stromerzeugung erforderlich. Das Verfahren ist in beiden Fällen insoweit ähnlich, als am Beginn jeweils die Absorption von Solarwärme und die Erzeugung von Wasserdampf stehen.

Trotzdem wird bislang beides technisch voneinander getrennt durchgeführt (vgl. Franz Trieb, Joachim Nitsch, Gerhard Knies, "Strom und Trinkwasser aus solaren Damptkraftwerken", hektographiertes Manuskript, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Stuttgart 2002. Und zum selben Thema: Franz Trieb, Joachim Nitsch, Stefan Kronshage, Christof Schillings, Lars-Arvid Brischke, Gerhard Knies, G. Czisch, "Combined Solar Power and Desalination Plants for the Mediterranean Region", ebd., Mai 2002 (Tagungsbericht von Euromed 2002, Sinai, Egypt, May 4-7, 2002.

Aus beiden Quellen (einschl. Literaturverzeichnissen) ergibt sich, dass kombinierte Stromerzeugung und Meerwasserentsalzung bislang nur in Richtung Kraft-Wärme-Kopplung angedacht wurde.

Als hektographierte Manuskripte (siehe Datum des zweiten) sind beide Quellen bislang nur abrufbar unter www. http:/ / www. dlr. de/steps). Solare Dampfkraftwerke werden lediglich zur Stromerzeugung eingesetzt, und Meerwasserentsalzung wird in eigens dafür konstruierten Anlagen betrieben. Beide Prozesse verbrauchen getrennt Primärenergie. Patentanspruch 1 liegt das Problem zugrunde, diesen Doppelverbrauch an Primärenergie durch Verfahrenskombination möglichst vollständig zu eliminieren; diese Energie soll zum größten Teil für beide Prozesse gemeinsam genutzt werden. Außerdem soll der apparative Doppelaufwand reduziert werden.

Die hier vorgeschlagene Erfindung soll das Problem dadurch lösen, dass durch Verfahrenskombination die einzusetzende Primärenergie zum größten Teil für beide Prozesse gemeinsam genutzt wird. Die Primärenergie Solarstrahlung ist zwar umsonst und im Überfluss vorhanden, aber es würde dann in der Summe eine wesentlich kleinere Absorberfläche gebraucht.

Als Kombination beider Produktionsprozesse gibt es bislang lediglich den Ansatz, die Abwärme, die bei der solaren Stromerzeugung über Dampfkraftwerke entsteht, zur Effektivierung von Meerwasserentsalzungsprozessen nachzunutzen (Kraft-Wärme-Kopplung). Das bleibt von dem Vorschlag nach Patentanspruch 1 völlig unbenommen und kann auch bei solchen wie der hier vorgeschlagenen Anlagen zusätzlich betrieben werden. Der Nachteil des doppelten Primärenergie-Aufwandes bleibt bei bloßer Kraft-Wärme-Kopplung abgesehen von der Abwärmenutzung jedoch bestehen.

Ansatzpunkt zur Lösung ist die Tatsache, dass man bei der Stromerzeugung in einem solaren Dampfkraftwerk zur Wassererhitzung einen Siededruckkessel braucht, der sich mit wenigen technischen Ergänzungen auch für Salzwasser nutzen lässt. Es muss lediglich oberhalb der Wasserfläche bzw. unterhalb des Dampfaustrittsventils in dem Siededruckkessel eine Membran montiert werden, die Wasserdampf, aber keine Salzmoleküle durchlässt, so dass sämtliche weiteren Apparaturen niemals mit Salz in Berührung kommen.

Aus Patentanspruch 1 ergibt sich also der Lösungsweg, dass für beide Prozesse nur ein Siededruckkessel verwendet wird und in diesem direkt Meerwasser zum Sieden gebracht wird. Der entstehende Dampf kann danach zuerst zur Stromerzeugung genutzt und dann anschließend als Kondensat, d. h. als Süßwasser aufgefangen werden. Das Wasser ist Energieträger zur Stromerzeugung und wird dabei selbst als zweites Produkt des Gesamtprozesses entsalzt.

Die Einsparung an Primärenergie besteht darin, dass der für beide Prozesse nutzbare Teil, nämlich die Energie für die Wassererwärmung auf 100°C und die Verdampfungswärme nur einmal aufzubringen ist und lediglich der darüber hinaus zuzuführende Energieanteil, der sich in Dampfdruck umsetzt, allein für die Stromerzeugung absorbiert und eingesetzt werden muss. Die Primärenergie für die Erhitzung auf 100° und für die Verdampfung dient beiden Prozessen, kann aber für die Entsalzung erst nutzbar gemacht werden, nachdem die weitere Energiezufuhr zur Dampfdruckerzeugung und der Turbinenbetrieb dazwischengeschaltet wurden. Allein die Primärenergie zur Dampfdruckerzeugung wird effektiv verbraucht, d. h. in die Energieform Strom umgewandelt. Davon wird die Entsalzung gar nicht berührt. Die Stromerzeugung wird zu einem in den Entsalzungsprozess eingeschalteten Zwischenschritt. Der gesamte Primärenergiebedarf übersteigt damit nicht den Bedarf, der sonst durch die Stromerzeugung allein gegeben wäre. Außerdem werden bis auf Turbine und Generator alle Apparaturen doppelt genutzt.

Beim Verdampfen von Salzwasser in einem Siededruckkessel muss der Kesselinhalt wegen der steigenden Salzkonzentration regelmäßig gewechselt werden. Patentanspruch 2 zielt darauf ab, dass trotzdem der Betrieb kontinuierlich weiterlaufen kann. Dies geschieht in der Weise, dass beliebig viele Siededruckkessel der unter Patentanspruch 1 genannten Bauart installiert und zeitlich nacheinander eingeschaltet werden, d. h. dass bei zu hoher Salzkonzentration in dem laufenden Kessel immer ein Kessel mit neu nachgefülltem Meerwasser-Inhalt in Betrieb genommen wird. Die Kondensations- und Abwärme, die bei dem jeweils laufenden Kessel beim Abkühlen des Dampfes nach dem Turbinenbetrieb anfällt, wird nach Patentanspruch 2 gleichzeitig zum Vorwärmen des Meerwassers in dem als nächsten einzuschaltenden Kessel genutzt. Damit muss also auch bei diesem mit Meerwasserentsalzung kombinierten Stromerzeugungssystem im Prinzip nur noch die Energiedifferenz bis zur erneuten Erreichung von 100° und zur Verdampfung (d. h. zum Beispiel die überall auftretenden Leitungsverluste) sowie die Energie zur Erzeugung des Dampfdrucks zur Stromproduktion laufend neu gedeckt werden.

Ergänzt man das sich aus den Patentansprüchen 1 und 2 ergebende System durch einen Wärmespeicher mit hoch erhitzbarem, mineralischenm Öl als Wärmespeichermedium für den Nachtbetrieb, der ebenfalls tagsüber mit dem gleichen Solarabsorber aufgeheizt wird, so lässt sich der kontinuierliche 24-Stunden-Betrieb ermöglichen. Das wird weiter unten noch anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben.

Die Erfindung ist allgemein in Zeichnung (1) und das Ausführungsbeispiel mit seinen möglichen Durchlaufvarianten in den Zeichnungen (2) bis (10) in Anhang 3 dargestellt. Sowohl bei der Allgemeindarstellung als auch bei dem Ausführungsbeispiel wurde von einer Anlage mit zwei Siededruckkesseln ausgegangen (Das ist variierbar je nach Anschaffungs- und Betriebskosten).

Zeichnung (1) verdeutlicht von links nach rechts die sechs Arbeitsschritte:

Schritt 1

Eine Parabolrinne konzentriert Wärme in ihrem Brennpunkt, der von extrem erhitzbarem, mineralischem Öl durchlaufen wird.

Dass die Parabolrinne auch genügend Energie für einen Speicher für den Nachtbetrieb absorbieren muss, bleibt in der Zeichnung unberücksichtigt. Der Speicher ist dementsprechend auch nicht mit eingezeichnet. Es soll nur das Prinzip der Doppelnutzung verdeutlicht werden.

Schritt 2

Die Wärme wird in einen Siededruckkessel geleitet.

In der gezeichneten Betriebsvariante ist gerade der Kessel I in Betrieb; Kessel II wird mit der Kondensations- und Abwärme aus der Turbine vorgeheizt. Wegen dieses Vorheizens muss jeder Kessel (in der Zeichnung ebenfalls nicht berücksichtigt) zwei Wärmetausch- Rohrschleifen enthalten.

Schritt 3

In diesem Siededruckkessel siedet Meerwasser. Es tritt salzfreier Dampf mit entsprechend hohem Druck aus.

Schritt 4

Dieser betreibt eine Turbine mit Generator, wobei der Dampf anschließend noch im geschlossenen System bleibt.

Schritt 5

Die Kondensationswärme und die Abwärme des Kondenswassers werden zum Vorheizen des als nächstem einzuschaltenden Siededruckkessels genutzt. Weitere Nachnutzung der Restwärme außerhalb dieses Kessels kann in beliebiger Weise geschehen, in Zeichnung (1) symbolisiert durch ein Gewächshaus.

Schritt 6

Anschließend wird das Kondensat als Süßwasser aufgefangen.

Ausführungsbeispiel

Zeichnung (2) in Anhang 3 zeigt zu der beschriebenen Anlage im Rahmen des Beispiels mit zwei Siededruckkesseln ein Schaltschema. Die Wärmequellen (am Tag direkt die Sonnenwärme und in der Nacht indirekt die in einem Mineralöltank gespeicherte Sonnenwärme) wurden in Zeichnung (2) nur als Wärmetauscheinheiten angedeutet; im übrigen entspricht Zeichnung (2) der Ablauflogik von Zeichnung (1).
Alles weitere ergibt sich aus den folgenden, graphischen Veranschaulichungen der Betriebsvarianten:

(Die Pfeile bedeuten die Heizrichtung bzw. bei dem unter Druck stehenden Dampf die Leitungsrichtung; die Ziffern entsprechen den Systemkomponenten gem. Zeichnung 2.)

Die Betriebsvarianten im Einzelnen

Variante 1: Tagesbetrieb, Parabolrinne betreibt die Turbine über den ersten Siededruckkessel. Die Abwärme aus der Turbine geht zuerst zum Vorwärmen in den zweiten Kessel und danach (in der Form kondensierten, aber noch heißen Süßwassers) in die jeweilige Nachnutzung.
Variante 2: Im Prinzip wie Variante 1, nur der zweite Kessel ist schon genug vorgeheizt und die Abwärme aus der Turbine geht direkt in die Unter-Glas-Anlagen.
Variante 3: Immer noch Tagesbetrieb. Nach Erreichen der maximalen Salzkonzentration in Kessel 1 oder z. B. aus Wartungsgründen wird jetzt die Wärmezufuhr von der Parabolrinne in den zweiten Kessel umgeleitet; stattdessen wird der erste mit neuer Meerwasserfüllung wieder vorgeheizt.
Bei den Varianten 3 und 4 werden Parabolrinne ( ≙) und Kessel 2 ( ≙) von dem Wärmeträgermedium in umgekehrter Richtung durchströmt als bei den übrigen 6 Varianten. Das hat aber konstruktionstechnisch außer für die Ventile keine weiteren Konsequenzen. Alle anderen Richtungspfeile außer denen bei ≙ und ≙ behalten ihre Richtung bei.
Variante 4: Wie Variante 3; nur der erste Kessel ( ≙) ist jetzt genügend vorgeheizt.
Variante 5: Entspricht Variante 1 im Nachtbetrieb.
Variante 6: Entspricht Variante 2 im Nachtbetrieb.
Variante 7: Entspricht Variante 3 im Nachtbetrieb.
Variante 8: Entspricht Variante 4 im Nachtbetrieb
Die automatische Umschaltung erfolgt nach folgenden automatischen und kontinuierlichen Messungen:

1. Der Leistung der Parabolrinne bzw. der Sonneneinstrahlung und der Temperatur im Wärmespeicher; damit wird Tag- oder Nachtbetrieb eingeschaltet (Varianten 1-4 oder 5-8).
2. Der Salzkonzentration in den Kesseln; danach wird geschaltet, welcher Kessel laufen soll.
3. Der Temperatur in dem gerade nicht laufenden Kessel; danach wird geschaltet, ob die Abwärme aus der Turbine durch diesen laufen soll oder direkt in die Gewächshausanlagen geht.

Mit den sich daraus ergebenden Messwerten lässt sich zu jedem Zeitpunkt die jeweils zur optimalen Energieausnutzung führende Betriebsvariante über die Stellung der Mehrwegventile automatisch einschalten. Damit ist ein reibungsloser 24-Stunden-Betrieb ermöglicht.

Wirtschaftliche Vor- und Nachteile (allgemein)

Sowohl Strom- als auch Kondenswassergewinnung sind hier als Einzelprozesse natürlich nicht optimiert, d. h. wenn eines von den Produkten Strom oder Trinkwasser wesentlich wichtiger ist als das andere, dann sind getrennte Anlagen sinnvoller. Ist aber in einem Gebiet ohne Infrastruktur beides von gleicher Bedeutung, dann kommt bei Anwendung dieser Erfindung die Halbierung des Gesamt-Primärenergieverbrauchs bis (einschl.) zur Verdampfung voll zur Geltung. Außerdem ergeben sich noch wesentliche weitere, wirtschaftliche Vorteile durch die Doppelnutzung der Anlageteile Parabolrinne und Druckkessel. Es ist wohl zu vermuten, dass diese Vorteile die Nachteile der getrennten - wenn auch einzeln optimierten - Produktion mehr als aufwiegen. Der Vorteil der Erfindung besteht dann also in einer erheblichen Kosteneinsparung gegenüber getrennten Produktionsanlagen.
Die verschiedenen Schattierungen bei den folgenden Zeichnungen (3) bis (10) haben folgende Bedeutung:

Claims

1. Vorrichtung und Verfahren zur solaren Meerwasserentsalzung und zur Stromerzeugung, dadurch gekennzeichnet, dass für beide Produktionsprozesse nur ein einziger, unterhalb des Damppfaustrittventils mit einer Salz zurückhaltenden Membran ausgestatteter Siededruckkessel, in dem Meerwasser zum Sieden gebracht wird, und auch nur ein thermischer Solarabsorber eingesetzt wird und somit beide Produktionsziele in einem einzigen, simultanen Prozess verwirklicht werden, indem der unter Druck stehende Wasserdampf zunächst eine Turbine betreibt und anschließend das Kondensat dieses Dampfes als Süßwasser aufgefangen wird.

2. Vorrichtung und Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nach Turbinenbetrieb in dem Wasserdampf noch gebundene Wärmeenergie im geschlossenen Energiekreislauf der kombinierten Strom- und Süßwasserproduktionsanlage gem. Patentanspruch 1 bleibt. Dies geschieht nach Patentanspruch 2 in der Weise, dass beliebig viele bzw. beliebig große Siededruckkessel installiert und zeitlich nacheinander eingeschaltet werden und die Kondensations- und Abwärme, die beim Betrieb eines Kessels anfällt, zum Vorheizen des jeweils nächsten einzuschaltenden Kessels genutzt und dadurch der durch den salzkonzentrationsbedingten Kesseltausch zwangsläufig auftretende Energieverlust minimiert sowie ein trotz Kesselwechsel nahezu kontinuierlicher Betrieb der Anlage ermöglicht wird.