DE19620214A1

DE19620214A1 - Ein Verfahren zur Entsalzung von Meerwasser mit Hilfe von Solarenergie

Info

Publication number: DE19620214A1
Application number: DE19620214A
Authority: DE
Inventors: Efat Dr Chafik
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-05-20
Filing date: 1996-05-20
Publication date: 1996-10-24

Description

Einleitung

Die Entsalzung von Wasser, insbesondere von Meerwasser, erfolgt nahezu ausschließlich durch Verdampfung des salz haltigen Wassers und anschließendes Kondensieren des ent stehenden salzfreien Brüdens. Solche Entsalzungsanlagen sind am häufigsten als mehrstufige Verdampferanlage ausge führt. Die dazu notwendige Energie wird meistens durch Ver brennung von Öl oder Gas geliefert. Sonstige Meerwasser entsalzungsverfahren wie Umkehrosmose oder Elektrodialyse, bei denen elektrischer Strom in großem Umfang benutzt wird, konnten, u. a. auch wegen der zu hohen Energiekosten, nur beschränkt Anwendung finden.

Die Anwendung von Solarenergie bei der Gewinnung von Süß wasser aus Salzwasser wird seit mehreren Jahren angestrebt. Hierfür spricht sowohl das fehlen der Energiekosten, als auch die minimalen Umweltbelastungen.

Bisheriger Stand der Technik

Die Betriebskosten einer mit Solarenergie betriebenen Entsalzungsanlage sind naturgemäß niedrig im Vergleich zu anderen Verfahren. Die bisherigen ausgeführten solare Verdampfungsanlagen besitzen zahlreiche Spiegel die so angeordnet sind, daß die Sonnenenergie auf eine kleine Verdampferfläche Fläche gerichtet wird. Die spezifischen Investitionskosten bei solchen Anlagen sind relativ hoch in Bezug auf die erzeugte Süßwassermenge. Dies wird verur sacht u. a. durch die notwendige Fokussierung der Sonnen strahlen, um somit das salzhaltige Wasser zum Sieden zu bringen. Die Fokussierung der Sonnenstrahlen erfolgt mit Parabolspiegeln oder mit einer Spiegelanordnung bestehend aus zahlreichen Planspiegeln. Es ist dabei erforderlich, daß eine ständige Justierung der Spiegel erfolgt, um der Laufbahn der Sonne zu folgen. Damit erreicht man höhere Leistungsdichten pro Quadratmeter Fläche des benutzten Wasserverdampfers.

Diese Bauweise wurde aus zwei Gründen gewählt:

- Die geringe spezifische Heizleistung der Sonne pro Qua dratmeter, welche höchstens bei ca. 1 kW/m² liegt, kann durch das Fokussieren auf ein technisch übliches Niveau der Heizflächenbelastung erhöht werden und somit zu kleineren Heizflächen der benutzten Verdampfer führen.
- Mit den hohen Heizflächenbelastungen werden auch hohe Heizwandtemperaturen, die höher liegen als die Siedetem peratur des salzhaltigen Wassers, erreicht. Die dabei unvermeidlichen Wärmeverluste werden hingenommen.

Damit sind auch beide Hauptschwierigkeiten, die das Ver dampfen des Meerwassers mit Hilfe von Solarenergie mit sich zieht, angesprochen:

Erstens: Die erforderlich hohe Verdampfungswärme, welche das Auffangen von Solarenergie über große Landflächen er fordert, und dies bei gleichzeitiger Fokussierung und Ausrichtung der Aufnahmefläche auf die Sonne.

Zweitens: Die Prozeßtemperatur muß bei Normaldruck höher als 100°C liegen und macht somit die Verwendung von beson deren widerstandsfähigen Materialien gegenüber Salzwasser notwendig.

Diese Bedingungen sind als Haupthindernis für eine breite Anwendung von Solarenergie zur Meerwasserentsalzung zu sehen.

Die vorliegende Erfindung löst sich von dem reinen Verdamp fungsvorgang als Grundgedanken bei der Meerwasserentsalz ung mit Hilfe von Solarenergie ab. Dagegen wird hier die Wasserverdunstung mittels der durch Sonnenenergie aufge heizten Luft als Grund-Trennverfahren zugrunde gelegt.

Grundlage der Erfindung

Die o.g. Schwierigkeiten bei der Übertragung von Solarwärme auf Meerwasser zum Zwecke des Verdampfens werden hier so umgangen, daß die Solarenergie zunächst auf strömende Luft übertragen wird, um anschließend den Wärmeinhalt dieser Luft zur Verdunstung von Wasser aus Salzwasser zu benutzen. Danach wird die in der Luft vorhandene Feuchtigkeit aus kondensiert.

Dies ist zunächst nichts Neues, wurde bisher jedoch nicht praktiziert, da die verdunstete Wassermenge nach einem Lufterwärmungsschritt (z. B. von 25 auf 80°C) und anschlie ßendem Befeuchten sehr gering ist. Dieser Sachverhalt ist in Abb. 1 im h-x-Diagram dargestellt.

Die Sättigungskonzentration von Luft, welche beispielsweise einen anfänglichen Feuchtigkeitsgehalt von 10 g Wasser pro kg trockener Luft bei 25°C hat (Punkt 1 in Abb. 1) und die anschließend auf 80°C beheizt wurde (Punkt 2), beträgt nach dem Befeuchten 30 g/kg bei ca. 30°C. Das Auskondensieren des gewonnenen Wassers ist in diesem Fall wirtschaftlich uninteressant.

Nun kann durch eine weitgehende Aufheizung von Luft auf sehr hohe Temperatur (z. B. auf 500°C) und anschließendes Befeuchten mit Meerwasser doch eine substantielle Feuchtig keit der Luft zugeführt werden. Dieser theoretische Fall ist in Abb. 2 gezeigt. Punkt 1 in Abb. 2 entspricht dem von Abb. 1. Die Punkte 2 und 3 zeigen den Luftzustand nach Aufheizen (Punkt 2) und Befeuchten (Punkt 3). Hier würde eine Feuchtigkeit von ca. 200 g Wasser pro kg trockener Luft, entsprechend dem 20-fachen Wert der Ursprungs feuchtigkeit, erreicht, die dann durch Kondensation gewonnen werden kann. Nachteilig hierbei ist das erfor derliche Aufheizen der Luft auf eine sehr hohe Temperatur. Daher ist die Durchführbarkeit dieses Prozesses mit Hilfe von Solarenergie auch nicht denkbar.

Beschreibung der Erfindung

Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Möglichkeit eröffnet, wie mit Hilfe von Solarenergie ein hoher Feuchtigkeitsgehalt, z. B. ca. 200 g Wasserdampf je kg trockener Luft, auf einfachem Weg und bei niedriger Temperatur erreicht werden kann, um anschließend diese Feuchtigkeit als salzfreies Wasser zu gewinnen. Die Lösung dieser Aufgabe soll durch schrittweise Beheizung der Luft und jeweils anschließender Befeuchtung erfolgen. Dies ist ein stufenweiser Aufbau der Feuchtigkeit in einem Luftstrom. Hierbei erfolgt das Aufheizen der Luft mit Sonnenenergie in einem einfachen Kollektor. Das Befeuchten der vorgewärmten Luft erfolgt durch Einspritzen von salzhaltigem Wasser (z. B. Meerwasser) in den Luftstrom. Der Verlauf dieses Prozesses läßt sich in h-x-Diagramm gemäß Abb. 3 beschreiben:

Ausgehend von anfänglicher Luft bei 25°C und einer Luft feuchtigkeit von z. B. 10 g Wasser pro kg trockene Luft er folgt der erste Heizschritt in einem Sonnenenergiekollektor bis 70°C. In der anschließenden Befeuchtungsstufe wird Meerwasser in der vorgeheizten Luft bis zur Luftsättigung eingedüst. Hierbei steigt der Feuchtigkeitsgehalt in der Luft auf 26 g Wasser pro kg trockener Luft. Die Luft kühlt sich dabei auf die Kühlgrenztemperatur von 30°C ab. Danach strömt die Luft zu dem zweiten Heizschritt und wird wieder auf 70 °C erwärmt, um anschließend bei der zweiten Be feuchtungsstufe auf insgesamt 40 g Wasser pro kg tr. Luft beladen zu werden. Hierbei erreicht ihre Temperatur 38°C. Im dritten Heizschritt erwärmt sich die Luft wieder auf 70°C usw. Nach der 27. Befeuchtungsstufe (in dem hier gezeigten Beispiel) beträgt die Luftfeuchtigkeit (gemäß Abb. 3) ca. 200 g Wasser pro kg trockener Luft bei 63°C.

Die Gewinnung dieses salzfreien Wassers kann durch Nieder schlagung der Luftfeuchtigkeit in einem Wäscher, welcher mit gekühltem Süßwasserkreislauf betrieben wird, erfolgen. Zur Kühlung des Kreislaufwassers wird frisches Meerwasser verwendet. In dem Wäscher kühlt sich die Luft auf 25°C ab und wird bis auf ca. 20 g Wasser pro kg trockener Luft ent feuchtet. Dadurch werden ca. 180 g salzfreies Wasser je kg trockener Luft gewonnen.

Das Schema der nach diesem Prinzip arbeitenden Entsalzungs anlage ist in Abb. 4 oder Abb. 5 gezeigt. Hierbei können beliebige Kollektortypen einfacherer Bauweise eingesetzt werden. In Abb. 4 ist z. B. ein Kollektor mit Glas- oder Kunststoffabdeckung gezeigt. In Abb. 5 dagegen ist ein rundes oder rechteckiges Rohr, durch dessen Wand die Solar wärme zur strömenden Luft geleitet wird, als Kollektor dargestellt.

Die Vorgehensweise des stufenartigen Aufbaus der Feuchtig keit in der Luft läßt sich durch Variieren einzelner Para meter optimieren. So könnte die Anzahl der Befeuchtungsstu fen durch Erhöhung der Aufheiztemperatur auf 80°C reduziert werden. Dadurch verschlechtert sich zwar der Wirkungsgrad der Sonnenkollektoren, dafür verringert sich die umgewälzte Luftmenge und folglich auch der Energiebedarf für den Ventilator.

Weiterhin ist ein Betrieb mit steigender Aufheiztemperatur der Kreislaufluft denkbar. Bei dem in Abb. 3 gezeigten Prozeßverlauf mit konstanter oberer Lufttemperatur nimmt die übertragene Wärmemenge im Laufe des Befeuchtungsvor ganges ab. Der Prozeß kann jedoch so betrieben werden, daß die Enthalpiezunahme der Luft pro Stufe konstant bleibt. In diesem Fall steigt die obere Lufttemperatur mit fortschreitende Befeuchtung z. B. von 50°C bis auf 80°C an.

Die saubere Trennung zwischen Aufheiz- und Befeuchtungsbe reichen stellt eins der Hauptmerkmale dieser Erfindung dar. Die Wartung der nur von Luft durchströmten Kollektoren ist dadurch minimal. Somit liegt die Wirtschaftlichkeit des hier gezeigten Verfahrens an der einfachen Bauweise und dem geringen Wartungsaufwand.

Eine Anlage mit unendlicher Anzahl von Befeuchtungsstufen, das ist der Fall wenn sich Wasser im gesamten Kollektoren bereich befindet, wird hier nicht in Betracht gezogen, weil die Anlage dadurch einen wesentlich komplizierteren Aufbau aufweisen würde.

Die Abb. 3 zeigt den Verlauf eines Verfahrens, bei dem das Befeuchten der vorgewärmten Luft bis zur Sättigungs konzentration, Φ=1, betrieben wird, bevor sie (die Luft) in die nächste Aufheizzone eintritt. Auf der Strecke zwischen Befeuchter und Kollektor könnte die Luft durch Berührung mit kühleren Flächen (z. B. unzureichend isolierten Kälte brücken oder schattigen Stellen) einen Teil ihres Wasserge haltes als Schwitzwasser verlieren. Um dies zu vermeiden, wird hier vorgeschlagen, daß nur ein Hauptteil des Luft stroms (z. B. 90%) dem Befeuchter zugeleitet wird. Die restlichen 10% sollen im Bypass zum Befeuchter unmittelbar hinter der Befeuchtungsstufe mit dem gesättigten Hauptstrom vermischt werden. Dadurch bleibt der Luftstrom leicht untersättigt und ein unerwünschtes Auskondensieren wird vermieden.

Der Hauptvorteil dieser Erfindung ist das Erreichen von hoher Wasserbeladung, die anschließend als salzfreies Was ser gewonnen werden kann, bei moderaten Temperaturen in einem mit Solarenergie beheizten Luftstrom. Hier findet eine Akkumulierung von Wärmeenergie solaren Ursprungs statt.

Mit der vorgeschlagenen stufenweise Befeuchtung werden hohe Feuchtigkeitsgehalte und somit hohe Wärmeinhalte in der Luft erreicht, die sonst nur durch Aufheizen der Luft auf über 500°C mit anschließender Befeuchtung zu erreichen wären. Ein Vorgang, der bisher nur durch Fokussieren von Sonnenstrahlen auf eine kleinere Kollektorfläche denkbar wäre. Durch den in dieser Erfindung gezeigten Weg wird ein fokussierungsähnlicher Energie-Konzentrierunggsvor gang bei relativ niedrigen Temperaturen erzielt und somit ein wirtschaftlicherer Aufbau der Wasserentsalzungsanlage ermöglicht, weil preiswerte Materialien (Kunststoffe, Steinzeug u.ä.) eingesetzt werden können. Auch das Nach folgen des Sonnenstands ist hier nicht erforderlich.

Desweiteren kann das hier gezeigte Verfahren auch energie autark arbeiten, wenn sämtliche erforderlichen Antriebe durch Solarenergie, Windenergie, Photovoltaik etc. betrieben werden. Dadurch entsteht eine ortsunabhängige Anlage, die an bisher unbewohnten Küstengebieten errichtet werden kann und dort Arbeit und Lebensgrundlage für viele Menschen schafft.

Claims

1. Verfahren gemäß Abb. 4 oder 5 zur Gewinnung von reinem Wasser durch Verdunstung von salzhaltigem Wasser in einem Luftstrom, welcher mit Solarener gie aufgeheizt wird, dadurch gekenn zeichnet, daß die Luft durch mehrere hinter einander geschaltete Stufen, die jeweils aus einem Solarkollektor mit angeschlossenem Befeuchter beste hen, strömt, um somit die Luft stufenweise mit hoher Wassermenge zu beladen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß sich die von der Luft aufgenommene Feuchtigkeit als salzfreies Wasser in einem mit gekühltem Wasser beaufschlagten Wäscher durch direkte Kondensation niederschlägt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die in der Luft enthal tene Feuchtigkeit in einem mit Kühlwasser oder Kühl luft gekühlten Wärmeaustauscher kondensiert.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Luft in den einzel nen Befeuchtungsstufen nur bis unterhalb der Sätti gungsgrenze befeuchtet wird.

5. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft nach einem Heizschritt in Haupt- und Nebenstrom aufgeteilt wird, wobei der Hauptstrom bis zur Sättigung beladen und der Nebenstrom mit dem gesättigten Hauptstrom ver mischt wird.

6. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie zur Luftförderung und für das Antreiben der Wasserpumpen aus Windenergieanlagen oder photoelektrischen Zellen stammt.