DE19620214A1 - Ein Verfahren zur Entsalzung von Meerwasser mit Hilfe von Solarenergie - Google Patents
Ein Verfahren zur Entsalzung von Meerwasser mit Hilfe von SolarenergieInfo
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Description
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.
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.
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.
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 (6)
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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19620214A DE19620214A1 (de) | 1996-05-20 | 1996-05-20 | Ein Verfahren zur Entsalzung von Meerwasser mit Hilfe von Solarenergie |
Applications Claiming Priority (1)
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DE19620214A DE19620214A1 (de) | 1996-05-20 | 1996-05-20 | Ein Verfahren zur Entsalzung von Meerwasser mit Hilfe von Solarenergie |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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Family
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Family Applications (1)
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