DE10222316B4

DE10222316B4 - Vorrichtung und Verfahren zur solaren Meerwasserentsalzung und zur Stromerzeugung

Info

Publication number: DE10222316B4
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: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2022-05-19
Also published as: DE10222316A1

Abstract

Verfahren zur gleichzeitigen Meerwasserentsalzung und Stromerzeugung, indem Meerwasser in einem Siededruckkessel mittels Solarenergie zum Sieden gebracht, der dadurch entstandene Wasserdampf zunächst einer Turbine zugeleitet und sodann in einem Kondensator als Süßwasser aufgefangen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Mitreißen von mit Salz verunreinigtem Wasser aus dem Siededruckkessel durch eine Membran verhindert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gleichzeitigen Meerwasserentsalzung und Stromerzeugung, in dem Meerwasser in einem Siededruckkessel mittels Solarenergie zum Sieden gebracht, der dadurch entstandene Wasserdampf zunächst einer Turbine zugeleitet und sodann in einem Kondensator als Süßwasser aufgefangen wird. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur gleichzeitigen Meerwasserentsalzung und Stromerzeugung mit einem Siededruckkessel, in dem mittels Solarenergie Meerwasser zum Sieden gebracht wird, einer durch den so entstandenen Wasserdampf betriebenen Turbine und einem Kondensator für den Wasserdampf.
Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind aus der DE 44 06 365 A1 , der DE 691 21 916 T2 und der US 4,110,174 bekannt. Dabei wird das Meerwasser teilweise durch direkt im Brennpunkt eines Parabolspiegels angeordnete Siededruckkessel oder mit Hilfe der Sonnenenergie indirekt beheizte Siededruckkessel das salzhaltige Meerwasser verdampft. Der so gewonnene Dampf wird zwecks Energieerzeugung der Dampfturbine zugeführt. Der Wasserdampf gelangt sodann vom Auslass der Dampfturbine zu einem Auffangbehälter oder Kondensator, wo er zu Süßwasser kondensiert.
Nachteilig bei diesen Verfahren und diesen Vorrichtungen ist, daß aufgrund des Siedeprozesses salzhaltiges Wasser in die Zuleitung für die Dampfturbine und von dort in den Kondensator gelangen kann. Es besteht also die Gefahr, daß das Süßwasser mit Meerwasser kontaminiert wird. Darüber hinaus besteht die Gefahr, daß die Dampfturbine aufgrund des Meerwassers beschädigt wird.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung das Problem zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß kein Meerwasser aus dem Siededruckbehälter herausgelangen kann.
Zur Lösung dieses Problems ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß das Mitreißen von mit Salz verunreinigtem Wasser aus dem Siededruckkessel durch eine Membran verhindert wird. Die Vorrichtung ist zur Lösung dieses Problems dadurch gekennzeichnet, daß in dem Siededruckkessel eine Membran angeordnet ist, durch welche das Mitreißen von mit Salz verunreinigtem Wasser aus dem Siededruckkessel verhindert wird.
Die Membran bildet einen Filter für das Salz und hält dieses im Siededruckkessel zurück. Den Siededruckkessel kann nur reiner Wasserdampf verlassen.
Beim Verdampfen von Meerwasser in einem Siededruckkessel muß der Kesselinhalt wegen der steigenden Salzkonzentration regelmäßig gewechselt werden. Deshalb sollte der Siededruckkessel nach einer gewissen Zeit außer Betrieb gesetzt werden. Dennoch ist ein kontinuierlicher Betrieb der Anlage wünschenswert. Dies geschieht nach einer Weiterbildung der Erfindung dadurch, daß ein oder mehrere zusätzliche Siededruckkessel vorgesehen sind. Der erste Siededruckkessel und der wenigstens eine weitere Siededruckkessel werden zeitlich nebeneinander geschaltet. Dabei empfiehlt es sich, den wenigstens einen weiteren Siededruckkessel mit Restwärme aus dem die Dampfturbine verlassenen Wasserdampf vorzuwärmen. Hierdurch kann die Solarenergie bis zum Schluß zum Erwärmen des gerade im Betrieb befindlichen Druckkessels genutzt und zum letztmöglichen Zeitpunkt auf den anderen Siededruckkessel übergeleitet werden.
Alternativ oder zusätzlich ist es auch denkbar, die in dem die Dampfturbine verlassenden Wasserdampf enthaltene Restwärme zum Beheizen von Gebäuden, insbesondere einem Gewächshaus zu nutzen. Vorzugsweise wird die Restwärme aber zum Vorwärmen des Meerwassers in dem als nächstes einzuschaltenden Kes sel 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 mineralischen 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.
Zeichnung (1) verdeutlicht von links nach rechts die sechs Arbeitsschritte: Schritt 1: Eine Parabolrinne konzentriert Wärme in ihrem Brennpunkt, der von extrem erhitzbarem mineralischen 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 (➀) und Kessel 2 (➃) 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 ➀ und ➃ behalten ihre Richtung bei.
Variante 4: Wie Variante 3, nur der erste Kessel (➂) 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.

Claims

Verfahren zur gleichzeitigen Meerwasserentsalzung und Stromerzeugung, indem Meerwasser in einem Siededruckkessel mittels Solarenergie zum Sieden gebracht, der dadurch entstandene Wasserdampf zunächst einer Turbine zugeleitet und sodann in einem Kondensator als Süßwasser aufgefangen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Mitreißen von mit Salz verunreinigtem Wasser aus dem Siededruckkessel durch eine Membran verhindert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im Wasserdampf nach der Turbine enthaltene Restwärme einer weiteren Nutzung zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Nutzung in einem Heizen eines Gebäudes, beispielsweise eines Gewächshauses, besteht.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Nutzung in einem Vorheizen eines weiteren Siededruckkessels besteht.
Vorrichtung zur gleichzeitigen Meerwasserentsalzung und Stromerzeugung mit einem Siededruckkessel, in dem mittels Solarenergie Meerwasser zum Sieden gebracht wird, einer durch den so entstandenen Wasserdampf betriebenen Turbine und einem Kondensator für den Wasserdampf dadurch gekennzeichnet, daß in dem Siededruckkessel eine Membran angeordnet ist, durch welche das Mitreißen von mit Salz verunreinigtem Wasser aus dem Siededruckkessel verhindert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein weiterer Siededruckkessel vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Siededruckkessel mit Restwärme aus dem Wasserdampf nach Austritt aus der Turbine vorgeheizt ist.