DE4036658A1 - Solar-aufwind-anlage zur gewinnung von trinkwasser aus meerwasser - Google Patents

Solar-aufwind-anlage zur gewinnung von trinkwasser aus meerwasser

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DE4036658A1
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Description

Unter den zahlreichen Möglichkeiten, Sonnenenergie wirtschaftlich zu nutzen, kommt den Solar-Aufwindanlagen besondere Bedeutung zu, da sie einfach zu erstellen sind und nicht nur bei voller Sonneneinstrahlung, sondern sogar nachts mit reduzierter Leistung unter Nutzung der tagsüber gespeicherten Energie arbeiten.
Es wurden bereits Versuchsanlagen in Spanien und Kalifornien erstellt, welche voll die Brauchbarkeit des Verfahrens bestätigt haben. Allerdings kann man unter Berücksichtigung der ungünstigen Wirkungsgrade nur mit einer Umsetzung der Sonnenenergie in Elektroenergie in der Größenordnung von 3% rechnen.
Aufgabe der Erfindung ist es, den großen Aufwand für eine derartige Anlage dadurch wirtschaftlicher zu machen, daß weitere direkte Nutzungen kombiniert vorgesehen werden.
In bekannter Art besteht eine Solar-Aufwindanlage aus einem großflächigen Sonnenkollektor, der mit transparenten Folien oder Glasabdeckungen die Sonnenweärme in Art eines Glashauses aufnimmt.
Die in diesem "Glashaus" eingebrachte Wärme wird einem meist zentralen, hohen Kaminrohr zugeführt, und der dadurch entstehende Aufwind treibt in bekannter Weise ein oder mehrere Turbinenräder.
In vielen heißen Gegenden besteht aber nicht nur Bedarf an elektrischer Energie, sondern auch an Trinkwasser, wobei meist nur Salzwasser zur Verfügung steht.
Die Entsalzung von Meerwasser ist aber außerordentlich energieintensiv und dadurch kostspielig. Erfindungsgemäß werden daher Maßnahmen vorgeschlagen, welche in ihrer Kombination eine überdurchschnittliche wirtschaftliche Nutzung einer Solar-Aufwindanlage gestatten.
Die häufigst angewandte Methode zur Entsalzung von Meerwasser besteht darin, dieses unter Druck durch Membranen zu pressen, welche die Salzsole zurückhalten und nur das gereinigte Wasser durchlassen. Die für diese "Umkehrosmose" erforderlichen Drücke sind außerordentlich hoch und liegen in der Größenordnung von 20 bis 40 bar. Ein hoher Aufwand an elektrischer Energie ist erforderlich, um solche riesigen Pumpen anzutreiben. Das kann dazu führen, daß beispielsweise in Malta, wo keinerlei natürliche Trinkwasserquellen zur Verfügung stehen, 23% der Gesamtpoduktion an elektrischer Energie zur Meerwasserentsalzung aufgewendet werden.
Wollte man mit einem Aufwind-Kraftwerk eine Umkehrosmose-Anlage betreiben, müßte zunächst die Sonnenenergie im Kollektor in erwärmte Luft umgesetzt werden, die durch das Aufsteigen der erwärmten Luft im Kaminrohr in Bewegungsenergie umgesetzt wird.
Der Aufwind wird schließlich zum Antrieb von Windturbinen benutzt, die ihrerseits elektrische Generatoren antreiben. Die Generatoren erzeugen den erforderlichen Strom, um die großen Leistungspumpen für die Umkehrosmose anzutreiben, die ihrerseits nur einen Teil des salzhaltigen Wassers durchläßt und einen verhältnismäßig schlechten Wirkungsgrad besitzt.
Es ist offensichtlich, daß eine derartige Anlage durch die mehrfache Energieumsetzung nicht ergiebig arbeiten kann.
Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, dem Aufwind Feuchtigkeit in Form von verdunstetem Meerwasser oder versprühtem Meerwasser zuzuführen.
Dies kann zunächst dadurch geschehen, daß im Bereich des Sonnenkollektors Salzwasser großflächig vorhanden ist. Das erreicht man am einfachsten dadurch, daß man den Sonnenkollektor nicht über Land, sondern über einer Meeresfläche anordnet, was überdies den Vorteil hat, daß keine nutzbaren Bodenflächen verbaut werden.
Durch die eingestrahlte Sonnenwärme wird nicht nur die Luft unter dem Kollektordach erwärmt, sondern es wird auch Meerwasser verdunsten und der mit der Feuchtigkeit beladene Aufwind im Kamin hochsteigen.
Bei einer Höhe von etwa 900 bis 1000 m eine Kaminrohres, wie es beispielsweise für eine 50-Megawatt-Anlage erforderlich ist, tritt eine merkliche Abkühlung des Aufwindes ein, die Feuchtigkeit wird kondensieren und als Regen im Kaminrohr abfließen.
Dieser Kondensationsvorgang kann noch dadurch begünstigt werden, daß vor allem im oberen Bereich des Kaminrohres Wärmetauscher vorhanden sind, welche einerseits mit der umgebenden Außenluft, deren Temperatur bekanntlich mit der Höhe abnimmt, und andererseits mit dem feuchten Aufwind in Verbindung stehen.
Die Funktion eines Wärmetauschers kann man schon allein dadurch erreichen, daß die Wandung des Kaminrohres zumindest teilweise aus wärmeleitendem Material besteht, wobei zusätzliche Kühl- oder Leitflächen mit größerer Oberfläche sowohl die Kondensation als auch das Abfließen des Wassers begünstigen.
Da der Aufwind eine Luftgeschwindigkeit bis zu 100 km/h erreichen kann, wird empfohlen, die Strömungsgeschwindigkeit durch Querschnittsverengungen und/oder -erweiterungen den Erfordernissen optimal anzupassen.
Das abfließende Wasser wird zweckmäßigerweise in einem Auffangbehälter unterhalb des Kaminrohres aufgefangen.
Da durch den Aufwind auch Salzwassertröpfchen mitgerissen werden können, wird ferner empfohlen, das abfließende Wasser im oberen Bereich des Kaminrohres zu sammeln und in einer Druckleitung nach unten zu führen und einem Umkehrosmose-Membransystem zuzuführen. Durch die große Höhe des Kaminrohres ist es ohne weiteres möglich, die erforderlichen Drücke zu erzeugen, um das salzhaltige Wasser durch ein Umkehrosmose-Membransystem zu säubern und in einem Nutzwasserbehälter zu sammeln.
Da nur ein Teil des abfließenden Wassers durch die Membranen gepreßt wird, geht ein Großteil des nun mit Salz angereicherten aber noch unter hohem Druck stehenden Wassers in einen Ablauf wobei es entspannt werden kann. Den Druckabfall kann man dazu benützen um eine Turbine anzutreiben und unnötige Verluste zu vermeiden. Die von der Turbine zurückgewonnene Leistung kann nun erfindungsgemäß dazu benützt werden, um mit einer Hochdruckpumpe, welche entweder direkt oder elektrisch mit der Turbine gekoppelt ist Wasser mit geringerer Salzkonzentration in den Umkehr-Osmose Kreislauf einzuspeisen. Dadurch kann die entsalzte Wassermenge beträchtlich gesteigert werden.
Eine weitere erfindungsgemäße Maßnahme zur Verbesserung der Kondensation von aufsteigenden verdunsteten Meerwasser, besteht darin für eine intensive Abkühlung zu sorgen. Dazu wird geraten zumindest einen Teil des in den oberen Bereichen bereits kondensierten abfließenden Wassers in Druckleitungen aufzufangen und in tiefer liegenden Bereichen in Sprüheinrichtungen fein zu zerstäuben.
Die Verdunstung an der Meerwasseroberfläche und die Wiedergewinnung des Wassers durch Kondensation ist meist nicht ausreichend und eine Steigerung der entsalzten Wassermenge ist erfindungsgemäß einfach dadurch zu erreichen, daß man durch den starken Aufwind, welcher bis zu 100 km/h erreichen kann, Salzwasser ansaugen und im Kamin hochsaugen läßt. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß man im Aufwind Venturisysteme anordnet, welche Salzwasser und/oder Wasser aus dem Auffangbehälter ansaugen und dem Aufwind beimischen.
Das Wasser wird zunächst hochgerissen und im oberen Bereich durch Querschnittserweiterungen des Kaminrohres, welche zu einer Strömungsverlangsamung führen abgeregnet, wodurch sie in die Druckleitung zum Umkehrosmosesystem gelangen.
Da die zur Verfügung stehenden Sonnenenergien enorm sind, kann man auf diese Weise riesige Salzwassermengen im Aufwind "hochpumpen" und erspart damit die Antriebsenergie für die sonst erforderlichen Hochdruckpumpen für die Entsalzungsanlagen.
Bekanntlich strahlt die Sonne mit einer Energie von ca. 1 kW pro Quadratmeter auf die Erde. Das entspricht bei einer Kollektorfläche von 1 Quadratkilometer rund 1000 Megawatt!
Die im Aufwind verfügbaren Energiemengen können überdies durch Anordnung von Windturbinen zusätzlich genutzt werden.
Eine weitere bedeutende wirtschaftliche Nutzung einer Aufwindanlage, welche notwendigerweise ein stabiles Kaminrohr großer statischer Festigkeit erfordert, besteht darin, zumindest in Teilbereichen, das Kaminrohr mit Wohn-, Geschäfts- oder anderen nutzbarn Räumen zu umbauen und dadurch die Rentabilität des Gesamtprojektes zu erhöhen.
Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Solar-Aufwind-Anlage, bestehend aus einem Kaminrohr (1), welches auf einem massiven Fundament (3), vorteilhafterweise auf felsigem Grund, steht. Rund um diese "Insel" befindet sich Meerwasser (2), welches von den Kollektorflächen (10) abgedeckt ist, wobei die Kollektorflächen (10) von Stützen (11) getragen werden.
Die unter den Kollektorflächen (10) erwärmte Luft kann durch Lufteintritts-Öffnungen (5) in das Innere des Kaminrohres (1) gelangen.
Das Kaminrohr (1) kann z. B. bis zur Fläche (13) mit Wohn- oder Büroräumen oder sonstigen Nutzflächen umbaut werden, wobei auch wie beispielsweise auf der Fläche (13) Antennen für Fernseh- oder Telekommunikationszwecke erfindungsgemäß zur besseren Nutzung vorgesehen werden können.
Die Umbauung mit Nutzräumen gibt dem Kaminrohr (1) zusätzliche Stabilität, stellt aber auch einen Schutz gegen Abstrahlungsverluste dar. Die Nutzung eines derartigen "Ringgebäudes" ist vielseitig. Hotels, Gesellschaftsräume aber auch Garagen mit guten Zu- und Abfahrtsmöglichkeiten sind leicht unterzubringen.
Im Untergeschoß (4) kann z. B. ein Shoppingcenter oder auf der Ebene (9) Ladengeschäfte mit Restaurants gut untergebracht werden. In den Stützen (12) können Aufzüge und Treppen Platz finden. Aber auch innerhalb des Kaminrohres (1) sind Nutzflächen (8) unterzubringen, wo Leitflächen (19) den Querschnitt des Kaminrohres (1) verengen um eine Beschleunigung des Umwindes zu erreichen, wie in Fig. 2 gezeigt.
Fig. 2 zeigt aber auch schematisch den Aufbau einer Solar-Aufwind-Anlage und deren Funktion. Sobald die einfallenden Sonnenstrahlen (14) die Kollektorflächen (10) und die darunterliegende Luft erwärmen, wird diese im Kaminrohr (1) hochsteigen und in Pfeilrichtung (16) ausströmen. Dadurch wird am Außenrand der Kollektorflächen (10) frische Luft in Pfeilrichtung (17) nachströmen, unterhalb der Kollektorflächen (10) aufgeheizt und die Oberfläche der Meerwasserfläche wird ebenfalls erwärmt und das dabei verdunstende Wasser im Kaminrohr (1) hochgeführt. Der entstehende Aufwind kann eine oder mehrere Windturbinen (20) antreiben.
Während der Aufwärtsbewegung der Luft im Kaminrohr (1) entspannt sich die Luft, wird abgekühlt, wodurch die Feuchtigkeit in Form von Tröpfchen (18) kondensiert und nach unten "regnet".
Im Auffangbehälter (21) wird dieser "Regen" aufgenommen und kann von dort als entsalztes Nutzwasser entnommen werden.
Um die Ergiebigkeit aber auch die Qualität des entsalzenen Wassers zu verbessern, zeigen die Fig. 3 und Fig. 4 weitere erfindungsgemäße Verbesserungen.
In Fig. 3 ist vor allem das obere Kaminrohr (26) konisch nach oben erweitert und vergrößert damit den Querschnitt des Rohres beträchtlich, wodurch die Geschwindigkeit des Aufwindes im umgekehrten Verhältnis abnimmt. Das hat unter anderem den Zweck zu vermeiden, daß die bereits kondensierten Wassertropfen vom heftigen Aufwind oben aus dem Kaminrohr gerissen werden.
Fig. 4 zeigt im Schnitt das sich nach oben erweiternde Kaminrohr (1) mit den Querschnittsvergrößerungen (28). Die schematisch angedeuteten Leitflächen (27) stellen nur eine Variante dar wie solche Flächen gestaltet werden können um den optimalen Strömungsverlauf zu erreichen. Die Kegelform der Leitflächen (27) leitet zunächst die Luftströmung entlang der Außenwand des oberen Kaminrohres (26), welches aus wärmeleitenden Material besteht und so einen Wärmetauscher (25) zwischen der außenliegenden Luft und dem Aufwind bildet. Infolge der Höhe des oberen Kaminrohres (26) ist die Außentemperatur der umgebenden Luft bereits wesentlich niedriger als am Meeresspiegel und fördert damit die Kondensation der Feuchtigkeit im Innern des oberen Kaminrohres (26).
Eine weitere Maßnahme zur Verbesserung der Kondensation der Feuchtigkeit in der Aufluft, besteht erfindungsgemäß darin, daß das bereits kondensierte Wasser in Auffangröhren (29) aufgenommen und nach unten geleitet wird.
Fig. 5 zeigt eine vergrößerte Darstellung des unteren Teils der Aufwindanlage. Die Auffangfläche (29), die als Druckröhre ausgebildet ist, führt das abgekühlte Wasser Sprüheinrichtungen (35) zu, welche dieses fein versprühen. Damit erreicht man eine Abkühlung des Aufwindes bereits im unteren Bereich durch einen innigen Kontakt der Luft mit dem versprühten kalten Wasser. Die feinen Tröpfchen bilden aber auch Kondensationskerne, die den Kondensationsvorgang begünstigen.
Fig. 5 zeigt aber auch eine wesentliche Maßnahme zur Verbesserung der Entsalzung, indem das in der Auffangröhre (29) abfließende Wasser einem Druckbehälter (30) zugeführt wird, der über ein Umkehrosmose-System (31) mit einem Nutzwasserbehälter (32) verbunden ist, aus dem Nutzwasser über die Leitung (42) verfügbar ist. Durch diese zusätzliche Reinigung bzw. Entsalzung wird das Nutzwasser auch von eventuell mitgerissenen Meerwassertropfen und deren Salzgehalt geschützt.
Die Einfügung eines Umkehrosmose-Systems (31) ermöglicht erfindungsgemäß vollkommen neue Wege zur Entsalzung des zugeführten Meerwassers. Durch diese Anordnung ist es möglich nicht nur das durch die zugeführte Wärme verdunstende Wasser durch nachfolgende Kondensation vom Salzgehalt zu befreien, sondern man kann der Aufluft direkt Meerwasser, d. h. salzhaltiges Wasser z. B. durch selbstansaugende Venturi-Systeme (36) in großer Menge zuführen. Das Salzwasser kann z. B. direkt über Ansaugleitungen (37) dem Meer entnommen werden. Aber auch die Zuführung von bereits im Auffangbehälter gesammelten Wassers über Ansaugleitungen (38) ist vorteilhaft, um dieses Wasser schließlich dem Umkehrosmose-System (31) zuzuführen. Statt Venturi-Systeme (36) können selbstverständlich auch beliebige andere, angetriebene rotierende Sprühsysteme verwendet werden.
Da dieses System der Entsalzung nicht mehr von Verdunstung und Kondensation abhängig ist, können bei der enormen Energiemenge dementsprechend große Mengen Wasser nach oben "gepumpt" werden um unter großen hydrostatischen Druck durch das Umkehrosmose-System zu laufen. Ohne Maschinen oder komplizierten Vorrichtungen. Drücke von 40 bis 60 bar sind problemlos darstellbar.
Im druckfesten Auffangrohr (29) und im Druckbehälter (30) tritt durch das Abfließen des entsalzten Wassers durch die Umkehrosmose-Systeme eine höhere Salzkonzentration auf. Es muß laufend Konzentrat abgeleitet werden. Dies geschieht erfindungsgemäß über eine Druckleitung (41) und eine Turbine (33) zu einem Abfluß (40) ins Meer. Da die Turbine (33) mit sehr hohem Druck beaufschlagt wird kann sie auch große Leistungen abgeben. Sie kann elektrische Generatoren antreiben, oder wie in Fig. 5 dargestellt direkt mit einer Hochdruckpumpe (34) gekoppelt sein. Die Hochdruckpumpe (34) kann dazu dienen entweder über eine Ansaugleitung (39) frisches Meerwasser in den Druckbehälter (30) einzuspeisen, oder Wasser mit geringer Salzkonzentration z. B. aus dem Auffangbehälter (21) in das Umkehrosmose-System zu bringen.
Legt man besonderen Wert auf die Gewinnung von elektrischer Energie, so kann man auch ganz oder teilweise auf das Einspeisen von salzhaltigem Wasser verzichten. Je nach Tageszeit und Bedarf sind beliebige Einstellungen möglich. Die Darstellung in den Beispielen sind nur als Erläuterung anzusehen. Sie sind nicht begrenzend und aus den Darstellungen gehen weitere Anwendungsmöglichkeiten hervor.
So könnte man beispielsweise vollkommen auf die Entsalzung verzichten und einen reinen Kraftwerksbetrieb mit extrem gutem Wirkungsgrad dadurch erzielen, daß man durch den Aufwind fein versprühtes Wasser "hochpumpt" und nach "Abregnen" und Sammeln desselben ein hydraulisches Kraftwerk nachschaltet. Die Steuerung der Aufwindgeschwindigkeit über den jeweiligen Querschnitt ermöglicht dafür ideale Möglichkeiten.

Claims (14)

1. Verfahren und Einrichtung zur Gewinnung von Trinkwasser aus Meerwasser mittels einer Solar-Aufwind-Anlage, bestehend aus einem Kaminrohr (1) und einem großflächigen Sonnenkollektor (10) dadurch gekennzeichnet, daß dem Aufwind Feuchtigkeit in Form von verdunstetem Meerwasser und/oder versprühtem Meerwasser zugeführt wird.
2. Verfahren und Einrichtung zur Gewinnung von Trinkwasser aus Meerwasser nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des Sonnenkollektors (10) zumindest in Teilbereichen Salzwasser (2) großflächig vorhanden ist.
3. Verfahren und Einrichtung zur Gewinnung von Trinkwasser aus Meerwasser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest im oberen Bereich des Kaminrohres Wärmetauscher vorhanden sind, welche einerseits mit der umgebenden Außenluft und andererseits mit dem feuchten Aufwind in Verbindung stehen.
4. Verfahren und Einrichtung zur Gewinnung von Trinkwasser aus Meerwasser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung des oberen Kaminrohres (2) zumindest teilweise als Wärmetauscher (25) ausgebildet ist.
5. Verfahren und Einrichtung zur Gewinnung von Trinkwasser aus Meerwasser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Kühl- und/oder Leitflächen vorhanden sind, welche die Kondensation und das Abfließen des Wassers begünstigen.
6. Verfahren und Einrichtung zur Gewinnung von Trinkwasser aus Meerwasser nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Kaminrohr Querschnittsverengungen (19) und/oder -erweiterungen (28) vorhanden sind, welche die Abscheidung und den Abfluß des Wassers begünstigen.
7. Verfahren und Einrichtung zur Gewinnung von Trinkwasser aus Meerwasser nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Auffangbehälter (21) für das abfließende Wasser vorhanden ist.
8. Verfahren und Einrichtung zur Gewinnung von Trinkwasser aus Meerwasser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Auffangrohre (29) für das abfließende Wasser vorhanden sind, welche druckdicht mit einem Druckbehälter (30) verbunden sind.
9. Verfahren und Einrichtung zur Gewinnung von Trinkwasser aus Meerwasser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckbehälter (30) über Umkehrosmose-Membransysteme (31) mit einem Nutzwasserbehälter (32) in Verbindung steht.
10. Verfahren und Einrichtung zur Gewinnung von Trinkwasser aus Meerwasser nach den Ansprüchen 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das abfließende Konzentrat eine Turbine (33) treibt, die elektrische Energie liefert und/oder elektrisch oder direkt gekoppelt eine Hochdruckpumpe (34) antreibt, welche zusätzlich Meerwasser und/oder Wasser aus dem Auffangbehälter (21) in den Umkehrosmose- d. h. in den Druckbehälter (30) einspeist.
11. Verfahren und Einrichtung zur Gewinnung von Trinkwasser aus Meerwasser nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des durch die Wärmetauscher (25) abgekühlten, abfließenden Wassers in tiefer liegenden Bereichen unter Druck von Sprüheinrichtungen (35) fein zerstäubt wird.
12. Verfahren und Einrichtung zur Gewinnung von Trinkwasser aus Meerwasser nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Venturie-System (36) im Aufwind angeordnet sind, welche Meerwasser und/oder Wasser aus dem Auffangbehälter (21) ansaugen und im Aufwind versprühen.
13. Verfahren und Einrichtung zur Gewinnung von Trinkwasser aus Meerwasser nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Aufwindes zusätzlich eine oder mehrere Luftturbinen (20) zur Stromerzeugung vorhanden sind.
14. Verfahren und Einrichtung zur Gewinnung von Trinkwasser aus Meerwasser nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß um das Kaminrohr zumindest in Teilbereichen Wohn-, Geschäfts- oder andere nutzbare Räume (6) angeordnet sind.
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