Watercone

Hier eine Zusammenstellung aller Verfahren, die bisher zur solaren Destillation eingesetzt werden.

Physik der Verdunstung

Von Verdunsten spricht man, wenn die Temperatur der Lösung unter der Siedetemperatur liegt und der Dampfteildruck im umgebenden Trägergas (Luft) geringer als an der Flüssigkeit ist. Das Lösungsmittel verdunstet dann abhängig von der Temperatur und der Teildruckdifferenz. Der Gesamtdruck des an die Lösung angrenzenden Raumes ist dabei größer als der Teildruck des entstehenden Dampfes. Die Dampfdiffusion verteilt den Dampf im Trägergas. Bei Normaldruck bleibt z. B. die Temperatur von Wasser unter 100 °C. Die Entsalzung von Meerwasser durch Verdunsten und anschließender Kondensation ist ein auf der Erde natürlich vorkommendes Verfahrensprinzip. Verdunstung und Kondensation von Wasser in Luft kann unter Nutzung der Solarenergie bei unterschiedlichen Temperaturen und bei Umgebungsdruck stattfinden. Niedrige Prozesstemperaturen ermöglichen den Einsatz von nichtkonzentrierenden Solarkollektoren, wobei die Wärmeverluste in Grenzen gehalten werden können. Niedrigere Prozesstemperaturen ermöglichen den Einsatz von preiswerten Materialien mit geringen Anforderungen an die Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Dagegen ist der Flächenbedarf von Verdunstungsanlagen wesentlich größer, da die Verdunstungsleistung auch von der Oberfläche abhängt. Pro Flächeneinheit werden nur geringe Wärme- und Stoffstromdichten erreicht. Somit kann die gleiche Dampfleistung wie bei Verdampferanlagen nur über eine große Fläche gewährleistet werden.

Physik der Verdampfung

Verdampfen ist ein thermisches Trennverfahren, das eine Flüssigkeit oder ein Lösungsmittel der Lösung eines nichtflüchtigen Feststoffes in den Dampfzustand durch Änderung der Temperatur und des Druckes überführt. Dabei wird das Lösungsmittel (meist Wasser) durch Erhitzen der Lösung auf Siedetemperatur dem eingestellten Druck entsprechend teilweise abgetrennt. Der entstehende Brüdendampf besteht im Gegensatz zur Destillation nur aus Sattdampf des Lösungsmittels. Der Wärmeinhalt kann zum mehrstufigen Verdampfen oder zur Lösungsvorwärmung wieder verwendet werden. Verdampfung kann unter unterschiedlichen Bedingungen stattfinden und damit zu verschiedenen Erscheinungsformen führen:

stilles Verdampfen

Das Sieden findet nur an der Flüssigkeitsoberfläche infolge freier Konvektion, bei geringer Heizflächenbelastung, statt.

unterkühltes Verdampfen

Sieden findet vor Erreichen der druckabhängigen Siedetemperatur der Flüssigkeit bei hohen Heizflächenbelastungen statt. Dabei verdampfen und kondensieren örtlich an der Heizfläche entstehende Blasen gleichzeitig.

Blasenverdampfen

Dabei bilden sich Dampfblasen an der Heizfläche bei mittlerer Heizflächenbelastung. Die Dampfblasen entstehen an Poren und Unebenheiten der Wandfläche, die Gase oder Restdampf enthalten können. Diese stellen Keimstellen für die Dampfblasenbildung dar.

Einfache solare Verdunstungsanlagen

Gewächshausprinzip

In einem flachen, schwarzen (PE, PC) Becken mit einer Isolationsschicht als Wärmedämmung (z. B. Sand) und einer zeltförmigen, transparenten Abdeckung aus Fensterglas verdunstet durch die Absorption der Sonneneinstrahlung das Meer- oder Brackwasser. Der Wasserdampf schlägt sich an der Innenseite der windgekühlten Abdeckung nieder. Das Kondensat wird mittels Auffangrinnen zur weiteren Aufbereitung (Verschnitt mit Salzwasser) abgeleitet. Einfache Solardestillen nach diesem Prinzip wurden bereits seit Ende des 19. Jahrhunderts zur Meerwasserentsalzung eingesetzt.^[1] Bei Anlagen in Küstennähe wird das nach dem Verdunstungsprozess übrig gebliebene Meerwasser (Sole) wieder ins Meer zurückgepumpt. Die mittlere Produktionsleistung einer einfachen solaren Meerwasserentsalzungsanlage nach dem Gewächshausprinzip liegt im Sommer durchschnittlich bei bis zu 6 l/m²•d und ca. 1,2 l/m²•d Trinkwasser im Winter. Dies gilt für Jahreseinstrahlungsleistungen von 1500 bis 2000 kWh/m² (Mittelmeerraum) und einem Anlagenwirkungsgrad von 40 %. Daher sind sie sehr flächenintensiv, wenn große Wassermengen gewonnen werden sollen. Bei einer Lebensdauer von 20 Jahren und einem Zinssatz von 8 % ergibt sich ein Trinkwasserpreis von ca. 2,9 US$/m³.

Vorteile: Der Aufbau der Anlage ist einfach. Es kann somit auch von der lokalen Bevölkerung gebaut und gewartet werden. Für die Anlage werden keine Pumpen und damit auch kein Strom benötigt. Die Anlage ist damit dezentral und in Regionen ohne Infrastruktur einsetzbar. Nachteile: Da die Kondensation an der Glasfläche erfolgt, kann die Kondensationsenergie nicht zurückgewonnen und für eine Voraufheizung des Meerwassers genutzt werden. Daher ist die Leistung der Anlage pro m² vergleichsweise gering.

Kollektor und Solardestille

Die Produktion von Destillat steigt mit der Wassertemperatur progressiv an. Daher sollte die Destille mit einem solarthermischen Kollektor gekoppelt und die Kondensationswärme des im Kollektor kondensierenden Wassers zur Aufheizung der Sole in der Destille genutzt werden. Die mit einem Kollektor gekoppelte Destille erbrachte bei guter solarer Einstrahlung im Vergleich zur einfachen Solardestille eine Produktionssteigerung von 15 %, bezogen auf 1 m² Anlagenfläche (Destille + Kollektor). Dagegen steht der sehr viel höhere Bauaufwand und die höheren Kosten eines Flachkollektors gegenüber der einfachen Solardestille. Jedoch haben Versuche gezeigt, dass durch eine Wärmezufuhr in das Solebad (externe Wärmequelle mit genügend hohem Temperaturniveau, ggf. Abwärme) und die damit verbundenen höheren Sole-Temperaturen oberhalb 80 °C Produktionssteigerungen von über 50 % erzielt werden können.^[1]

Kaskadendestille

Laut Ergebnissen eines Projekts des Solar-Instituts Jülich^[1] ist die Kaskadendestille vergleichsweise aufwändig:

„In der Kaskadendestille ist das Salzwasserbecken treppenförmig angelegt, um den Abstand zwischen Wasseroberfläche und der geneigten Abdeckung möglichst gering zu halten. Die Kaskadendestille produziert im Vergleich zu einer einfachen Solardestille etwa 5 % mehr Destillat. Der höhere Bauaufwand und das aufwendigere Reinigen der Kaskaden können diesen geringen Mehrertrag jedoch nicht rechtfertigen. Ein Versuch, die zuzuführende Sole im Zwischenraum einer Doppelglasabdeckung durch Wärmerückgewinnung der Kondensationswärme an der Abdeckung vorzuwärmen, brachte nur ungenügende Ergebnisse. Die Wärmeverluste durch Reflexion und Absorption in der Abdeckung sind dabei höher als der zusätzliche Energieeintrag der Wärmerückgewinnung, so dass die Effektivität der Anlage insgesamt vermindert wird.“

Watercone

Der Watercone

Der Watercone besteht aus einer Absorberschüssel und einem bauchig geformten Kegel. Als Material wird Makrolon von Bayer verwendet. Das Meer- oder Brackwasser wird manuell in das Absorberbecken geschüttet. Durch die Sonneneinstrahlung verdunstet das Wasser und kondensiert am Kegel. Das kondensierte Wasser läuft am Kegel ab in eine Auffangrinne. Dort wird das Wasser gespeichert und kann am Ende des Prozesses durch Umdrehen des Kegels und Öffnen des Verschlusses an der Spitze des Kegels entnommen werden.^[2] Zudem kann mit dem Watercone Bodenfeuchte aufgefangen und für Trinkwasser verwendet werden. Bei dieser Anwendung steht der Kegel direkt auf dem Erdboden. Die Bodenfeuchte kondensiert an der Kegeloberfläche, wird in der Auffangrinne gesammelt und kann danach genutzt werden.^[2]

Vorteile: Die Einfachheit des Watercone ist einer seiner größten Vorteile. Die einheimische Bevölkerung mit einem meist niedrigen Bildungsniveau kann ihn ohne Probleme selbstständig benutzen. Das System ist durch Piktogramme einfach erklärbar. Es sind kein Strom und keine aufwändigen Wartungsarbeiten notwendig. Das verwendete Material Makrolon ist leicht, transparent und praktisch unzerbrechlich; mehrere Watercone-Geräte können für Transport und Lagerung ineinandergesteckt werden.^[2]

Nachteile: Im Vergleich zum Preis von 50–100 € bringt der Watercone eine zu geringe Leistung von nur maximal 1,5 l/d. Zu bemängeln ist zudem das schlechte Ablaufverhalten und die ungünstigen Festigkeitseigenschaften des Materials Makrolon. Außerdem ist die Lebensdauer mit 3–5 Jahren zu gering. Mit der Zeit wird das verwendete Material Makrolon matt.

Kollektorprinzip

Entsprechend dem vorliegenden Vorhaben ist das Kollektorprinzip recherchiert worden. Folgend werden drei charakteristische Ausführungsformen der Firmen RSD Solar, thethermo Bau AG und SEC 1000 – Solar GmbH dargestellt. Das RSD Rosendahl System basiert auf einem Flachkollektor, in dem Energiegewinnung, Verdunstung und Kondensation in einem System parallel ablaufen. Das mit einem Regelsystem nach der Sonneneinstrahlung dosierte Rohwasser (Meer-, Brack- oder verseuchtes Süßwasser) gelangt über eine Rohwasserrinne in den Kollektor und sickert über Dochte auf ein schwarzes Absorbervlies. Dieses ist langfristig UV-beständig und lebensmittelecht.

Das durchfeuchtete Absorbervlies erwärmt sich durch die Sonneneinstrahlung auf 80 °C-90 °C. Etwa die Hälfte des Rohwassers verdunstet und kondensiert auf kürzestem Weg an der windgekühlten Glasabdeckung. Das Kondensat rinnt in eine Kondensatrinne und wird aus dem Kollektor geführt. Das restliche Rohwasser wird unter der Kondensatrinne aufgefangen und abgeleitet. Es trägt Schmutz und Salze aus dem Kollektor. Die Wärmeisolierung verhindert Energieverluste durch den Kollektorboden. Je nach Klima lassen sich im Flachkollektor täglich etwa 6–8 Liter Trinkwasser pro m² Absorberfläche gewinnen. Alle Metallteile der Kollektoren, die mit Wasser in Berührung kommen, sind aus Edelstahl oder Messing gefertigt – die Voraussetzung für eine lange Lebensdauer. Alle äußeren Teile sind verzinkt. Die Glasabdeckung besteht aus normalem Fensterglas. Die Lebensdauer und die Sicherheit der Kollektoren beträgt nach Herstellerangaben ca. 20 Jahre.

Vorteile: Das System ist dezentral mit Sonnenenergie einsetzbar. Damit ist ein Transport des Trinkwassers zu den Verbrauchern nicht notwendig, da der Bedarf vor Ort erzeugt wird. Dabei bleibt die Wasserqualität gleich gut. Eine aufwändige Vorfiltration oder der Einsatz von Chemikalien ist nicht erforderlich. Der benötigte Strom kann durch eine PV-Anlage gedeckt werden. Die Module sind kombinierbar und lassen sich auch bei einem größeren Bedarf (bis 100 m³) wirtschaftlich sinnvoll anwenden. Wartungsarbeiten sind nur selten erforderlich und können (nach Angaben des Herstellers) von Laien ausgeführt werden. Die Produktion des Kollektors kann direkt vor Ort erfolgen. Damit werden die Produktionskosten niedrig gehalten und Arbeitsplätze geschaffen.

Nachteile: Im Vergleich zu großtechnischen Anlagen ist der Preis für das Destillat zu hoch. Ein einfaches Kollektorsystem (Angebot Kit F8-280) für 15 Liter am Tag kostet 1285,00 €. Bei einer Lebensdauer von 20 Jahren (= Abschreibungsdauer) entsteht ein Preis (incl. Wartungskosten) nach Angaben von Rosendahl von 11,81 € pro Kubikmeter Trinkwasser. Bezogen auf die produzierte Destillatmenge ist ein hoher Flächenbedarf erforderlich, der jedoch auf Hausdächern zur Verfügung steht. Da keine Wärmerückgewinnung existiert, wird die eingestrahlte Sonnenenergie nur einmal genutzt, was den Ertrag verringert. Eine aufwändige Steuerungs- und Regelungseinheit kann aufgrund der sensiblen elektronischen Elemente zu Ausfällen und zu zusätzlichen Kosten führen. Außerdem verbraucht diese zusätzlich zu den Pumpen Strom, welcher durch ein PV-Modul gedeckt werden muss. Salzwasser ist bei hohen Temperaturen sehr aggressiv und korrodiert Metalle. Daher muss eine Lebensdauer des Kollektors von 20 Jahren bezweifelt werden.

Wie beim Rosendahl-Kollektor basiert das System der Firma thethermo Bau AG auf einem Flachkollektor. Dort laufen die drei Prozesse Energiegewinnung, Verdunstung und Kondensation parallel ab.

Vorteile: Es ergeben sich die gleichen Vorteile wie beim Rosendahl-Kollektor. Das Produkt wärmt das zugeführte Rohwasser über einen eingebauten Wärmeübertrager vor. Gegenüber dem Rosendahlkollektor findet somit eine teilweise Wärmerückgewinnung statt.

Nachteile: Bezüglich Flächenbedarf, Stromverbrauch der Pumpen und Lebensdauer bestehen die gleichen Nachteile wie beim Rosendahl-Kollektor. Die Steuerungs- und Regelungseinheit ist wie beim Rosendahl-Kollektor unter den gegebenen Einsatzbedingungen kritisch zu sehen. Der Preis von 3900 € ist wesentlich höher als beim Rosendahl-System. Es werden keine Angaben zur Leistungsfähigkeit gemacht, wodurch der Kubikmeterpreis nicht errechnet werden kann.

Wie beim Rosendahl-Kollektor basiert das System der Firma SEC 1000 – Solar GmbH auf einem Flachkollektor. Dort laufen die drei Prozesse Energiegewinnung, Verdunstung und Kondensation parallel ab. Dem System wird Salz-, Brack- oder Abwasser über eine per Photovoltaik versorgte Pumpe zugeführt. Die Sonne scheint durch das Solarglas auf den Absorber und verdunstet das Wasser. Der Wasserdampf kondensiert am Glas und wird unten in der Auffangrinne aufgefangen. Dieses wird als reines Trinkwasser zum Verbrauch abgeführt.

Vorteile: Es entsteht reines Trinkwasser in gleichbleibender Qualität. Ein Modul erzeugt etwa 20 l Trinkwasser pro Tag. Bei Bedarf kann das System beliebig durch ein weiteres Modul erweitert werden. Die Module arbeiten ohne mechanische und elektronische Bauteile. Sie kommen daher nahezu ohne Wartung aus. Die Anlage arbeitet absolut emissionsfrei. Es werden keine Chemikalien oder Zusätze benötigt. Das System kommt ohne komplizierte Steuerung aus. Der Kubikmeterpreis (nach Herstellerangaben) wurde gegenüber dem Rosendahl-System auf 2,5 € reduziert. Jedoch muss diese Angabe bezweifelt werden, da keine Kalkulationen offengelegt werden.

Nachteile: Siehe Rosendahl-Kollektor, jedoch konnten einige Nachteile des Rosendahl-Systems reduziert werden. Beispielsweise konnten die Kosten durch den Verzicht auf eine komplizierte Steuerungseinheit gesenkt werden.

Komplexe solare Verdunstungsanlagen

Das Ziel mehrstufiger Solardestillen ist es, die eingestrahlte Sonnenenergie mehrmals zu nutzen, um eine maximale Destillatausbeute zu erreichen. Solche Anlagen benötigen trotz einiger Erfolge noch großer Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen. Dabei werden verschiedene Konzepte verfolgt.

Feuchtluft-Gegenstromdestille

Dabei handelt es sich um einen geschlossenen Behälter. Es wird keine Vakuumtechnologie benötigt, der Behälter sollte nur luftdicht sein. Im größeren Bereich des Verdunstungsmoduls wird über große Tücher heißes Wasser verdunstet. Das einfließende Wasser hat eine Temperatur von 80 ºC. Auf der anderen Seite befinden sich Kondensatoren, die von kaltem Meerwasser durchströmt werden. Heiße und feuchte Luft hat eine geringere Dichte als kalte und trockene Luft. Deswegen steigt die heiße und feuchte Luft hoch. Auf der anderen Seite wird sie abgekühlt, weil kaltes Meerwasser diesen großen Wärmeübertrager durchfließt. Die feuchte Luft zirkuliert von selbst. Ein Ventilator wird nicht benötigt. Daher kommt der Name Feuchtluft-Gegenstromdestille. Die Anlage benötigt eine Kollektorfläche von 37,5 Quadratmetern. Dabei wird mittags Wärme zwischengespeichert und abends zur weiteren Meerwasserentsalzung verwendet. Ein 24-Stunden-Betrieb ist jedoch noch nicht möglich. Die Produktion beträgt zwischen 488 und 536 Liter/Tag. Die Anlage hat einen spezifischen Energiebedarf von 106–114 kWh/m³ Wasser.

Vorteile: Es ist ein sehr einfaches Prinzip, das die Möglichkeit bietet, wartungsarme Systeme aufzubauen. Daher ist es dezentral einsetzbar. Trotzdem wird die Kondensationsenergie zurückgewonnen und für eine Erwärmung des Meerwassers eingesetzt. Gegenüber der einfachen Solardestille kann der Ertrag wesentlich gesteigert und damit der Flächenbedarf gesenkt werden.

Nachteile: Gegenüber der einfachen Solardestille ist ein höherer apparativer Aufwand nötig. Daher sind höhere Investitionen zu erwarten, die jedoch durch den höheren Ertrag und die geringere notwendige Kollektorfläche reduziert werden können. Ein Wasserpreis von 10€/m³–25 €/m³ ist erreichbar. Der vorgesehene Energiespeicher gewährleistet zwar eine gleichmäßige Destillatgewinnung, jedoch stellt dies eine zusätzliche Anlagenkomponente und damit eine Wärmeverlustzone dar.

Kollektorsystem mit Wärmerückgewinnung DE 100 47 522 A1

Das Patent DE 100 47 522 A1 basiert auf einem schrägstehenden Flachkollektor. Anders als beim Rosendahl-Kollektor kondensiert das Destillat allerdings nicht an der Glasoberfläche, sondern an dafür vorgesehenen Kondensatoren auf der Rückseite des Absorbers. Diese Kondensatoren sind durch den Absorber verschattet und gegenüber dem Verdunstungsraum thermisch isoliert. Durch diese fließt Primärwasser, welches dadurch vorgeheizt wird. Anschließend fließt das erwärmte Primärwasser über das schwarze Absorbervlies, um dort durch die Sonneneinstrahlung teilweise zu verdunsten. Die Sole fließt in die Solewanne und wird über einen Überlauf abgeführt. Durch die Temperaturdifferenz zwischen Verdunstungsraum und Kondensationsraum bildet sich eine Luftmassenzirkulation aus.

Versuche mit nicht optimierten Prototypen der Anlage haben Destillatausbeuten von bis zu 20 l/m²d ergeben. Wegen des ähnlichen Funktionsprinzips sind die Vor- und Nachteile zusammen im folgenden Artikel dargestellt.

Destillationszyclon, Patent WO 02/087721 A2

Dabei handelt es sich um eine Anlage zur Erzeugung von Trinkwasser aus Meer-, Brack- oder Abwässern unter Nutzung der Solarenergie. Die Konstruktion kann in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden. In einer bevorzugten Ausführungsvariante stellt die Anlage ein säulenartiges transparentes System dar, das aus einer Glassäule und einer inneren Hohlsäule besteht. Durch den Einsatz von Solarspiegeln wird das Sonnenlicht auf die Säule fokussiert. Das Sonnenlicht passiert den transparenten Bereich und fällt auf die innere Hohlsäule. Diese ist außen mit einem schwarzen und hydrophilen Absorbervlies belegt und erwärmt sich durch die Einwirkung der Sonnenstrahlen stark. Über dieses Absorbervlies wird auf 95 bis 99 °C erhitztes Primärwasser geleitet, welches von der Absorberoberfläche verdunstet. Das Primärwasser dient zunächst als Kühlwasser. Die feuchte Luft steigt auf und kühlt sich im Inneren der Hohlsäule an den dafür vorgesehenen Kondensatoren ab. Dort fällt die überschüssige Feuchte aus und kondensiert als reines Wasser. Das Kondensat wird unten in einem Gefäß aufgefangen und abgeleitet. Als Kühlmedium dient im ersten Kühlkreislauf das Primärwasser, das dabei vorgeheizt wird und von dem ein Teil der Kondensationswärme zurückgewonnen wird. Zur weiteren Kühlung dient ein zweiter Kühlkreislauf, welcher aus einem externen Behälter gespeist wird. Die kalte feuchte Luft (55 °C) sinkt ab und tritt am Boden der Hohlsäule wieder in den von Sonnenstrahlen erhitzten Bereich. Dort erwärmt sich die Luft und kann wieder Wasserdampf aufnehmen, womit ein neuer Zyklus beginnt. Durch das Ungleichgewicht zwischen heißen Luftmassen im Evaporationsraum und kalten Luftmassen im Kondensationsraum baut sich im System eine eigenständige Luftmassenzirkulation auf. Die unterschiedlichen Bereiche der Anlage müssen deshalb thermisch gegeneinander hoch isoliert sein. Der Evaporationsprozess führt trotz Solareinstrahlung zu einer deutlichen Abkühlung des Primärwassers. Dieses sammelt sich in der Solewanne. Dort findet eine Schichtung der unterschiedlichen Konzentrationen statt. Die Solewanne verfügt über einen Überlauf, der mit Hilfe eines Dükers die höchsten Konzentrationen abführt. Auf dem Absorbervlies sollten sich keine Ablagerungen infolge von zu hohen Salzkonzentrationen mit einer einhergehenden Unterschreitung der Löslichkeitsgrenze bilden. Der Primärwasserfluss sollte dementsprechend hoch genug eingestellt werden. Die Zirkulation des Kühl- und Solewassers sowie die Zuführung von Primärwasser werden durch Pumpen sichergestellt. Diese können mit einem Photovoltaikmodul versorgt werden. Die Glassäule sollte einen Durchmesser von 1,4 m und eine Höhe von 7 m aufweisen. Diese Abmessungen begünstigen die thermodynamischen Prozesse im Innern der Säule.

Vorteile: Das System ist dezentral einsetzbar. Die Leistungswerte eines Funktionstypen liegen zwischen 17 und 19 l/m²d. Damit wird eine sehr gute Wärmerückgewinnung erreicht, denn die über die solare Einstrahlung verfügbare Energie wäre für ein Drittel bis maximal die Hälfte der erreichten Destillatmengen ausreichend gewesen. Der Ertrag liegt damit über bisher bekannten Anlagen. Damit lässt sich wesentliche Kollektorfläche einsparen oder der Ertrag bei gleicher Kollektorfläche steigern.

Nachteile: Mit der vorgeschlagenen Ausführungsform, einem Durchmesser von 1,4 m und einer Höhe von 7 m ist dieses System nicht mehr einfach zu transportieren und zu handhaben. Es ist eine aufwändige Steuerungs- und Regelungseinheit notwendig, die unter den Bedingungen von südlichen Entwicklungsländern anfällig sind. Gegenüber der einfachen Solardestille ist ein höherer apparativer Aufwand nötig. Daher sind höhere Investitionen zu erwarten, die jedoch durch den höheren Ertrag und die geringere notwendige Kollektorfläche reduziert werden können. Für die notwendigen Pumpen und Steuerungssysteme ist eine Stromversorgung notwendig. Es ist nachzuweisen, dass sich die gewünschte Zirkulationsströmung stark genug ausbildet. Damit ist es kritisch zu sehen, ob sich kein Kondensat am Glas bildet, obwohl der Weg der kürzeste, das Glas windgekühlt ist und damit eine hohe Temperaturdifferenz zum Glas hin existiert.

MEH-Verfahren – Thermische Entsalzung mit Niedertemperaturwärme z. B. aus Sonnenkollektoren

Ein weiteres thermisches Verfahren zur dezentralen Meerwasserentsalzung im klein- und mittelskaligen Produktionsbereich bis ca. 50.000 Liter am Tag stellt das Multi-Effect-Humidification/Dehumidification-Verfahren (MEH) dar. Systeme nach dem MEH-Verfahren basieren auf thermischer Energiezufuhr aus Niedertemperaturquellen (z. B. Sonnenkollektoren). Die Wärme wird einem abgeschlossenen Entsalzungsmodul zugeführt, in dem der natürliche Wasserkreislauf mit Verdunstung und Kondensation in effizienter Weise nachgebildet wird. Ausreichend große Verdunstungs- und Kondensationsflächen, bezogen auf den Energieumsatz, ermöglichen eine weitestgehende Rückgewinnung der Verdunstungswärme im Kondensator. Auf diese Weise können bei einer solar betriebenen Anlage Produktionsraten von über 25 l/m² pro Tag erzielt werden. Ebenso kann aber auch die Abwärme anderer Prozesse oder von Dieselgeneratoren dem Prozess zugeführt werden. Dieses Verfahren wurde am Bayerischen Zentrum für angewandte Energieforschung zur Anwendungsreife geführt.

Einen nach diesem Prinzip funktionierenden, besonders platzsparenden, transportierbaren Prototyp entwickelten Maschinenbauer der Ruhr-Universität Bochum (RUB). Durch die Verwendung von Luft als Wärmetransportmittel lässt sich die Anlage mit besonders niedrigen Temperaturen betreiben. In der Anlage rieselt erwärmtes Meerwasser durch einen Verdunstungsbefeuchter, der einströmende Luft erwärmt und zusätzlich mit Wasserdampf aus dem Meerwasser anreichert. Dabei ergibt sich eine Produktionsrate von circa 20 Liter pro m² Kollektorfläche pro Tag (bezogen auf zehn Sonnenstunden am Tag).^[3][4] Forschungen hierzu wurden im Rahmen des Projektes Soldes von der EU gefördert.^[5][6] In einer ebenfalls von der EU im Rahmen des Projektes Soldes geförderten mehrstufigen Anlage mit abwechselnd hintereinander geschalteten Luftkollektoren und Verdunstungsbefeuchtern wird ausschließlich die zirkulierende Luft, nicht aber die Sole, durch Solarkollektoren erhitzt.^[7] Dabei wird die Luft stufenweise erhitzt und befeuchtet.

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Das ZAE-Bayern plante und baute im Jahr 2000 eine Anlage zur solaren Meerwasserentsalzung in Oman. Die Anlage besteht aus einem Feld von 40 m² Vakuum-Flachkollektoren, einem isolierten Stahltank (3,2 m³) und einem thermisch betriebenen Entsalzungsturm. Die Tagesleistung beträgt ca. 800 Liter. Das Destillationsverfahren arbeitet bei Umgebungsdruck. Dabei wird erhitztes Meerwasser auf einen großflächigen Verdunster verteilt. Eine Konvektionswalze, die durch Dichte- und Feuchtedifferenzen angetrieben wird, transportiert feuchte Luft zu im Modul angeordneten Stegdoppelplatten aus Polypropylen. Diese dienen als Kondensationsflächen und werden von kaltem Meerwasser durchströmt. Durch die Kondensation der feuchten Luft an der Plattenoberfläche erwärmt sich das Meerwasser auf 75 °C.

Vorteile: Die geometrische Anordnung von Verdunstungs- und Kondensationsflächen ermöglichen einen Stoff- und Wärmefluss, der ansonsten nur durch ein aufwändiges Mehrkammernsytem realisiert werden kann. Damit wird eine Wärmerückgewinnung erreicht, die den thermischen Energiebedarf der Entsalzungsanlage auf etwa 100 kWh/m³ Destillat gegenüber der Verdampfungssenthalpie bei Wasser von 690 kWh/m³ senkt. Die Wärmerückgewinnung liegt damit nur wenig unter den wartungs- und technologieaufwändigen Vakuumverdampfungsanlagen. Daher bietet sich die Anlage für einen dezentralen Einsatz in strukturschwachen Gebieten an.

Nachteile: Gegenüber der einfachen Solardestille ist ein höherer apparativer Aufwand nötig. Daher sind höhere Investitionen zu erwarten, die jedoch durch den höheren Ertrag und die geringere notwendige Kollektorfläche reduziert werden können. Wobei die Kondensationswärme nur teilweise zurückgewonnen wird. Außerdem werden Pumpen zur Wasserzirkulation benötigt.

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Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme hat dieses Prinzip in dem Projekt „SODESA“ eingesetzt. Diese Versuchsanlage hat ein 56 m² großes Kollektorfeld. In dem Projekt wurden Kollektoren entwickelt, bei denen das heiße Meerwasser direkt durch den Absorber hindurchfließen konnte. Es durfte deswegen kein Kupferabsorber sein, da dieses Material sofort korrodiert. Es wurden Kollektoren entwickelt, bei denen der Absorber aus Glas besteht.

Multi-Effekt-Destille

Die Multi-Effekt-Destille arbeitet nach dem Mehrstufenprinzip, bei dem die Kondensationswärme als Energiequelle für die nächstfolgende Stufe genutzt wird. Die einfallende Sonnenstrahlung erwärmt das unter einer Glasscheibe liegende Absorberblech. Auf der Rückseite des Blechs ist ein Viskosetuch aufgebracht, welches mit Salzwasser beschickt wird. Ein Anteil des Salzwassers verdunstet, kondensiert auf dem darunterliegenden kühleren Blech und gibt die Kondesationswärme an die folgende Stufe ab. Die Auswertungen der Versuchsergebnisse für einen vierstufigen Prototyp ergaben hohe Wärmerückgewinnungsfaktoren in den einzelnen Stufen (ca. 70 %). Die maximal erzielten Destillaterträge liegen jedoch nur etwa 50 % über den Ergebnissen der einfachen Solardestille. Ursache sind die hohen Wärmeverluste in der ersten Absorberstufe, in der nur ca. 20 % der einfallenden Strahlung in Nutzenergie umgesetzt werden. Verbesserungen des Systems durch eine Doppelglasabdeckung oder eine transparente Wärmedämmung und/oder durch Einsatz eines selektiv beschichteten Absorbers lassen daher weitere Ertragssteigerungen erwarten. Gut bewährt hat sich die Befeuchtung des Systems mit Hilfe der Viskosetücher. Ein Abtropfen der Sole und eine Vermischung des Salzwassers mit dem Destillat wurde nicht beobachtet. Salzgehaltprüfungen ergaben eine sehr gute Destillatqualität. Berücksichtigt werden muss jedoch der hohe Aufwand für Betrieb und Wartung der Anlage.

Aquadestil®

Das Meer- oder Brackwasser (15–25 °C) durchströmt die Kondensatoren von unten nach oben und erwärmt sich dabei. Am oberen Ende fließt das Kühlwasser aus den Kondensatoren auf die Verdunstungsfläche (gelochten Noppenflächen). Über der Verdunstungsfläche befindet sich ein Heizkörper, der von solar erwärmtem Thermoöl durchströmt wird. Die dafür notwendigen Kollektoren befinden sich außerhalb der Anlage. Das Wasser strömt über die Oberfläche, erwärmt sich und verdunstet dabei. Die feuchte Luft steigt auf, und Destillat kondensiert an den Kondensatoren. Das Kondensat fließt ab, wird in einer Auffangrinne gesammelt und aus der Anlage geführt. Die überschüssige Sole fließt zurück ins Meer. Nach Herstellerangaben ergibt sich bei einem 1,5 kW Solarkollektor eine Destillatleistung von 12–18 l/h. Damit liegt der Destillatpreis bei 3,9–5,7 €/m³.

Vorteile: Die Anlage ist einfach und kompakt aufgebaut und eignet sich daher für den dezentralen Einsatz. Für diese Anlage ist keine Regelung erforderlich. Um große Mengen Trinkwasser zu erzeugen, können die Module gestapelt werden, um den Flächenbedarf zu verringern. Nachteile: Gegenüber der einfachen Solardestille ist ein höherer apparativer Aufwand nötig. Daher sind höhere Investitionskosten zu erwarten, die jedoch durch den höheren Ertrag und die geringere notwendige Kollektorfläche reduziert werden können. Wobei die Kondensationswärme nur teilweise zurückgewonnen wird. Außerdem werden Pumpen zur Wasserzirkulation benötigt.

Verfahren mit direkter Kondensatwärmerückgewinnung

In diesem Fall findet Verdunstung und Kondensation in mehreren Stufen statt. In den Kammern der einzelnen Stufen zirkuliert Luft aufgrund natürlicher Konvektion. Zwischen den einzelnen Stufen findet kein Luftaustausch statt. Das Verfahren eignet sich für Kleinstanlagen, denn es ist kein Ventilator notwendig. Auf eine Pumpe kann ebenfalls verzichtet werden, wenn das Rohwasser aus einem höhergelegenen Tank entnommen und ein Thermosyphonkollektor verwendet wird. Für eine Anlage mit 2 m² Kollektorfläche wurde eine theoretische Produktionsleistung von 25 l/m²d bei einer Jahreseinstrahlung von 1750 kWh/m² berechnet. Dies konnte bisher experimentell nicht bestätigt werden. (Anwendung bei FH Aachen, Abschnitt 1.3.9)

Verfahren mit indirekter Kondensatwärmerückgewinnung

Um einen großen Teil der Kondensationswärme in fühlbare Wärme des Wärmeträgermediums übertragen zu können, müssen relativ große Massenströme erzeugt werden, die entsprechende Pumpenleistungen erfordern. Trotz dieses Sachverhaltes und den im vorangegangenen Abschnitt behandelten energetischen Nachteilen gegenüber einer direkten Übertragung der … Da der Verdunstungsbefeuchter und der Kondensator keine Einheit mit direktem thermischen Kontakt darstellen, sind viele konstruktive Möglichkeiten zur Gestaltung der beiden Anlagenelemente möglich. Um im Befeuchter eine möglichst große Oberfläche zu erreichen, können die verschiedensten Materialien wie Holzlamellen (Nawayseh et al. 1997), Dornbüsche (Gräf 1998) oder Polypropylen-Matten (Fuerteventura) eingesetzt werden. Mit einer Kollektorfläche von 47,2 m² geben Müller-Holst und Engelhardt (1999) Tagesleistungen von 11,7 bis 18 l/(m² Tag) für diese Anlage an. Um diese Leistungen erreichen zu können, wurden speziell für das Verfahren entwickelte, von Sole durchflossene Flachkollektoren und ein thermischer Energiespeicher genutzt. Der Speicher ermöglicht einen Anlagenbetrieb über 24 Stunden. Die Produktionskosten werden auf etwa 11 €/m³ Destillat beziffert.

Mehrstufige Meerwasserentsalzung (FH Aachen)

Am Solar-Institut Jülich wurde eine optimierte Entsalzungsanlage entwickelt, die bei gleicher Energiezufuhr ein Vielfaches herkömmlicher Solardestillen liefern soll. Mit der Entwicklung einer optimierten Prototypanlage und eines dynamischen Rechenmodells als Dimensionierungshilfe für thermische Meer- und Brackwasser- Entsalzungsanlagen wurde die Voraussetzung zur Vermarktung geschaffen. Durch externe Wärmezufuhr wird Salzwasser in der unteren Stufe auf ca. 95 °C erhitzt und anschließend verdunstet. Der Wasserdampf in der aufsteigenden feuchten Luft kondensiert an der Unterseite der darüberliegenden Verdunsterstufe. Das Kondensat läuft entlang der Schrägen in eine Sammelrinne und von dort in einen Sammelbehälter. Die durch Kondensation freiwerdende Verdampfungsenthalpie (d. h. = 2250 kJ/kg) wird an die jeweils darüberliegende Stufe abgegeben und erwärmt auf diese Weise das dort befindliche Salzwasser. Dieser Vorgang führt wiederum zur Verdunstung und Kondensation in der nächsthöheren Stufe. Da die Kondensationswärme in den nächsten Stufen mehrmals zur Verdunstung genutzt wird, ist die Entsalzungsrate dieses Anlagentyps im Vergleich zu einfachen Destillen um ein Vielfaches höher. So kann mit diesem Verfahren der Wärmerückgewinnung der Kondensationswärme in der nächsthöheren Stufe zum Beispiel bei einer vierstufigen Anlage ungefähr die dreifache Destillatmenge bei gleichem Energieeinsatz gewonnen werden. Bereits durchgeführte Optimierungen sagen bei einer fünfstufigen Destille einen Energiebedarf 180 kWh/m³ Destillat voraus. Das entspricht weniger als einem Viertel des Energiebedarfs einer einfachen Destille. Viele Faktoren beeinflussen die Verdunstung und Kondensation, da es sich um gekoppelten Diffusions- und Konvektionstransport handelt. Im besonderen Maße wirken sich Verdampfungs- und Kondensationstemperatur sowie geometrische Faktoren (Abstand der Flächen, Neigungswinkel der Kondensationsfläche) aus. Vorteile: Zum Antrieb der Anlage können verschiedene Wärmequellen genutzt werden, wie z. B. über Kollektoren eingekoppelte Solarenergie oder Abwärme von Dieselgeneratoren bzw. anderen mechanischen Maschinen. Aufgrund der vergleichsweise niedrigen Investitionskosten ist eine dezentrale Anwendung möglich. Gegenüber der einfachen Solardestille kann der Ertrag wesentlich gesteigert und damit der Flächenbedarf gesenkt werden. Bei einer entsprechenden Anordnung ist eine Umlaufpumpe nicht notwendig. Nachteile: Gegenüber der einfachen Solardestille ist ein höherer apparativer Aufwand nötig. Daher sind höhere Investitionskosten zu erwarten, die jedoch durch den höheren Ertrag und die geringere notwendige Kollektorfläche reduziert werden können.

Solare Verdampfungsanlagen

Mehrfacheffektverdampfung (MED)

El-Nashar et al. (1987) lieferten Ergebnisse aus der einjährigen Testphase einer mit evakuierten Röhrenkollektoren betriebenen MED-Anlage in Abu Dhabi in den Vereinigten Arabischen Emiraten. Die Produktionsrate betrug 100 m³/Tag bei einer Kollektorfläche von 1860 m². Damit lieferte diese Anlage durchschnittlich 5,4 Liter Destillat pro Tag und m² Kollektorfläche. Milow und Zarza (1997) berichten von den mehrjährigen Betriebserfahrungen mit einer 14-stufigen MED-Versuchsanlage in Almería, Spanien. Diese Anlage wird durch Parabolrinnenkollektoren in Kombination mit einer Absorptionswärmepumpe betrieben und erzeugt etwa 72 m³/Tag. Die Wassergestehungskosten werden mit 2,5 €/m³ für den Standort Südspanien angegeben, wenn 45 Prozent der benötigten Prozesswärme über konventionelle Energieträger bereitgestellt wird. Für mittelgroße solare Meerwasserentsalzungsanlagen wird eine Kombination aus thermischen Solarkollektoren mit einem thermischen Speicher als wirtschaftliche Lösung angesehen. Für solche Anlagen mit einer Tagesleistung von 270 m³ Destillat wird ein Wassererzeugungspreis von 2–2,5 €/m³ angegeben. Die Produktionsleistung ergibt 7,8 l/m² Destillat.

Mehrstufige Entspannungsverdampfung (MSF)

Es gab in Kuwait in den 80er Jahren Versuche mit einer von Parabolrinnenkollektoren betriebenen zwölfstufigen MSF-Anlage zur solaren Meerwasserentsalzung. Mit einer Kollektorfläche von 220 m² produzierte die Anlage bei maximaler Einstrahlung etwa 300 l/h. Ein 7 m³ großer Tank dient als thermischer Speicher und ermöglichte einen 24-Stunden-Betrieb. AQUASOL-Projekt: Das AQUASOL-Projekt wurde vom ZAE-Bayern in Zusammenarbeit mit der Firma Moik und der TU-München realisiert. Das Funktionsprinzip des AQUASOL-Verfahrens setzt auf eine nur einstufige Entspannungsverdampfung mit anschließender Luftbefeuchtung. Dabei wird Wasser in einem Druckkreislauf bis knapp unterhalb des jeweiligen Siedepunktes erwärmt und anschließend auf Umgebungsdruck entspannt. Als geeignete Betriebsparameter wurden die Erwärmung auf 120 °C bei einem Absolutdruck von 2 bar bestimmt. Bei einer solar betriebenen Anlage werden 6 m² Vakuumröhrenkollektoren von STIEBEL ELTRON SOL 200 A benötigt. Die Standard-Modulköpfe der Kollektoren wurden aus seewasserfestem Stahl 1.4539 nachgebaut und ersetzt. Die Solarmodule wurden mit einer einachsigen Nachführeinrichtung ausgestattet.

Vorteile: Die Anlage ist aufgrund ihrer Größe dezentral einsetzbar und kann solar betrieben werden. Nachteile: Da die Anlage nur einstufig betrieben wird, ist der Anlagenwirkungsgrad zu gering. Dabei ist der Energiebedarf durch die Verdampfung und die hohen Temperaturen sehr groß. Außerdem ist der technische Aufwand durch die benötigten Anlagenkomponenten, wie Entspannungskammer mit Druckkreislauf und Druckbehälter sowie eine seewasserfeste Zirkulationspumpe sehr groß. Daher wurde das Ziel, eine besonders wartungsfreundliche Anlage zu bauen, nicht erreicht. Die Anlage kann von der einheimischen Bevölkerung nicht selbstständig gewartet werden. Daher ist die Anlage sehr teuer. Aufgrund der vielen Nachteile hat das ZAE-Bayern entschieden, diese Technologie nicht weiterzuverfolgen und stattdessen auf eine Verdunsterkolonne mit Füllkörpern zur Vergrößerung der Verdunstungsoberfläche zu setzen.

Markopulos-Patent

Dabei handelt es sich um ein von der EU gefördertes Projekt auf der Grundlage des Markopulus-Patentes. Dieses hat zum Ziel, durch Verdampfung von Meerwasser mit Hilfe von thermischen Solarkollektoren und PV-Zellen Trinkwasser zu gewinnen: Es besteht aus einem Unterdruckverdampfungsgefäß und einem darin liegenden Kondensationsgefäß, welches unter Normaldruck steht und in die flüssige Phase des Verdampfungsgefäßes eingetaucht ist. Eine Vakuumpumpe fördert Dampf aus dem Verdampfungsgefäß in das Kondensationsgefäß. Dort kondensiert der Dampf am von Meerwasser durchströmten Wärmeübertrager und gibt die Energie damit an das zu verdampfende Meerwasser ab. Der Betrieb der Anlage bei Unterdruck (50 mbar) ermöglicht den Einsatz von Niedertemperaturwärme (33 °C), was Wärmeverluste an die Umgebung verringert. Die Energiebilanz dieser Anlage soll dem Patent entsprechend günstiger sein als bei bisherigen Anlagen.

Die Erwärmung des Verdampfungsgefäßes erfolgt durch einen Solarkollektor, welcher damit die Wärmeverluste der Anlage ausgleicht. Dies erfolgt durch einen gesonderten Solarkreislauf mit einem fluiden Wärmeträgermedium, das durch den Solarkollektor, die Heizeinrichtung im Innern des Verdampfers und durch die Umwälzpumpe strömt. Die elektrischen Komponenten der Anlage, wie Pumpen, Ventile und Steuerung, sollten von einem PV-Modul gespeist werden. Die gesamte Anlage befindet sich in einem Container und ist damit sehr leicht zu transportieren und am Anwendungsort aufstellbar. Nach dem Markopulus-Patent ermöglicht eine beispielhafte Ausführungsform des Verdampfungsgefäßes mit einer Grundfläche von 1,2 × 2 m eine Trinkwasserproduktionsleistung von 50 m³/h. Dabei soll ein Unterdruck von 50 mbar herrschen. Dies ermöglicht eine Verdampfungstemperatur von 33 °C. Im Kondensator wird eine Temperatur von 70 °C erreicht.

Vorteile: Die Anlage ist kompakt aufgebaut, leicht zu transportieren und damit dezentral einsetzbar. Eine nachhaltige und autarke Energieversorgung ist bei einem Einsatz von regenerativen Energien (Sonne, Wind) gewährleistet. Auch Abwärme kann genutzt werden.

Nachteile: Die angegebene Trinkwasserproduktion von 50 m³/h erscheint zweifelhaft. Dazu müssten pro Stunde 1,25 Millionen m³ Dampf mit einer Vakuumpumpe abgesaugt werden. Dies erscheint nicht realisierbar. Der Energieaufwand zur Erzeugung des Unterdruckes ist enorm und stellt den Hauptenergiebedarf der Anlage dar. Zur Verdampfung dieser Menge Wasser würden 30 MW Leistung benötigt, vergleichbar mit einem kleinen Kraftwerk. Dazu jedoch ist die Anlage zu klein mit einer zu geringen Wärmeübertragerfläche. Dagegen scheint eine Dampfproduktion von 50 m³/h mit einem derartigen Apparat realisierbar. Jedoch erscheint die Wärmeübertragerfläche auch hierfür zu gering, da ein Wärmeübergang nur an den äußeren Flächen des Kondensators und an den Durchbrüchen stattfinden kann. Die Erzeugung eines Unterdruckes von 50 mbar ist energieaufwändig und deshalb ebenfalls in Zweifel zu ziehen.

Scheffler Meerwasserentsalzungsanlage

Ziel der Entwicklung ist eine günstig herstellbare, einfach zu bedienende Anlage für den Wasserbedarf einer Familie bis zu dem eines kleinen Dorfes. Salzwasser soll ohne aufwändige Vorbehandlung direkt der Anlage zugeführt werden können. Mit der Zeit entstehende Ablagerungen und Verkrustungen sollen sich leicht wieder entfernen lassen. Die Anlage soll nur aus einfachen Komponenten bestehen (keine Druckgefäße etc.). Als Energiequelle sind die bewährten 2 m² großen (8 m² bei größeren Anlagen) Scheffler-Reflektoren vorgesehen, die das Salzwasser zum Kochen bringen. Zwischen August und November 2000 wurde bereits ein mehrstufiger Prototyp gebaut. In der Mitte kocht Salzwasser. Der entstehende reine Wasserdampf kondensiert an einem Zylinder. Die freiwerdende Kondensationswärme erhitzt wiederum Salzwasser, welches durch ein Gewebe auf der anderen Seite des Zylinders herabsickert. Erhitzt gibt es auch reinen Wasserdampf ab, der dann am nächsten Zylinder kondensiert. Die Verwendung von vier Kondensationsstufen steigert die Ausbeute an reinem Trinkwasser um den Faktor 3 gegenüber nur einer Stufe. Das Prinzip ist nicht neu, wurde aber hier durch die Verwendung eines Scheffler-Spiegels, der mit sehr guter Effizienz Wärme bei über 100 °C bereitstellen kann, sehr kompakt und materialsparend umgesetzt.

Vorteile: Eine dezentrale Anwendung ist möglich. Es werden die bewährten Scheffler-Reflektoren verwendet. Statt zum Kochen wird die konzentrierte Energie jedoch zur Meerwasserentsalzung verwendet. Nachteile: Beim Prototypen traten Probleme bei der Bedienbarkeit der Anlage auf. Außerdem waren einige Materialien ungeeignet. Es muss nach anderen Materialien gesucht werden. Die Anlage sollte noch in der Praxis getestet werden. Statt der zylindrischen Flächen sollte ein zeltartiger Aufbau aus beständigen Folien verwendet werden.

Sonstige Techniken

Hauptartikel: Meerwasserentsalzung

Membrandestillation/Umkehrosmose

Hauptartikel: Membrandestillation

Dabei handelt es sich um ein Verfahren, bei dem eine halbdurchlässige Membran eingesetzt wird, welche nur Wasserdampf durchlässt und flüssiges Wasser zurückhält. Bei diesem Verfahren ist auf der einen Seite der Membran heißes Salzwasser und auf der anderen Seite eine kalte Fläche. Durch den Betrieb der Anlage wird erreicht, dass über die Membran eine Temperaturdifferenz besteht. Dadurch stellt sich eine Druckdifferenz des Wasserdampfpartialdruckes zwischen den beiden Seiten der Membran ein. Diese bewirkt, dass die Wassermoleküle auf die andere Seite gelangen.

Die Membran ist hydrophob, also aus einem Material, das verhindert, dass sie direkt von dem flüssigen Wasser benetzt wird. Die Membran ist sehr dünn und besitzt Porengrößen von ca. 35 µm. Bei technischen Anwendungen ist sie auf einem Kunststoffsieb befestigt und wird damit gestützt. Dieses Kunststoffsieb hat etwas größere Poren und besteht aus einem hydrophoben Material. Das System arbeitet nach dem Wärmeübertragerprinzip. Das kalte Meerwasser strömt ein und erwärmt sich durch die Kondensationswärme von 25 auf 87 °C auf. Danach wird es solar auf 90 °C erwärmt, um eine ausreichend hohe Temperaturdifferenz zu erreichen. Ein Teil des Meerwassers diffundiert durch die Membran und kondensiert an der gegenüberliegenden Membranfläche. Das heiße Meerwasserkonzentrat kühlt sich auf 28 °C ab.

Vorteile: Gegenüber anderen Verfahren verbraucht die Membrandestillation weniger Energie. Durch die externe Aufheizung ist eine Nutzung von regenerativen Energien, vor allem der Solarenergie, möglich. Die Konstruktion ist einfach und basiert auf vorgefertigten Modulen. Gegenüber konventionellen Verfahren sind die Herstellungskosten wesentlich geringer. Außerdem besteht aufgrund der innovativen Technologie ein wesentliches Kostensenkungspotenzial. Herstellungskosten von unter 0,50 € pro m³ Trinkwasser scheinen erreichbar. Es kann Trinkwasser aus Meer- und Brackwasser in großem Umfang gewonnen werden. Abwasser kann aufbereitet werden. Die Abwärmenutzung von (solaren) Kraftwerken ist möglich. Nachteile: Es handelt sich um eine neue Technologie, deren Potenziale noch nicht vollständig ausgeschöpft sind. So sollte der gegenwärtige Energiebedarf von 115–130 kWh pro m³ Destillat weiter gesenkt werden. Außerdem ist die Destillatausbeute mit 2,33 Litern pro 100 Litern Meerwasser noch zu gering. Ausblick: Das Ziel ist die Entwicklung einer wartungsarmen, dezentral einsetzbaren Anlage mit wenigen Bauteilen. Da die Membran aus hydrophoben Material besteht, ist es ungefährlich, wenn die Anlage trockenläuft. Erste EU-geförderte Pilotanlagen sollen in Jordanien, Ägypten und Marokko aufgebaut werden. In diesen Ländern sollen kleine, kompakte Anlagen getestet werden. Eine große Anlage mit einer Kapazität von 20 m³/d soll in Spanien errichtet werden. An der Entwicklung der Membrandestillation arbeiten zurzeit unter anderem das Fraunhofer-Institut für solare Energiesysteme und ein Konsortium aus führenden europäischen Industrieunternehmen (EMF-Ecological Management Foundation, TNO-Apeldoorn, Twente Universität, Hamers International, Water-Technology- Holland, Seghers-Keppel-Technology-Group, E.on-Benelux, Heineken, Gemeentewaterleidingen Amsterdam, Waterbedrijf Europoort).

Evaporationsschläuche aus Kunststoff

Das französische Forschungszentrum CEA/GRETh hat im Rahmen eines europäischen CRAFT-Projektes eine innovative Meerwasserentsalzungsanlage entwickelt, in der die Metallbauteile weitgehend durch Polymere ersetzt wurden. Dies hat den Vorteil, dass Kunststoffe wesentlich weniger korrodieren und damit beständiger als Metalle sind. Durch den Einsatz von Kunststoff kann der Prozess unter Normalbedingungen bei 100 °C und 1 bar ablaufen. Die Anlage kann daher wesentlich einfacher und robuster konzipiert werden. Der Apparat erreicht eine Trinkwasserproduktionsleistung von 100 l/h. Da das Wasser auf 100 °C erhitzt wird, ist es steril und enthält nur noch geringe Mengen an Salz. Der Herstellungspreis von einem Kubikmeter Wasser aus einer solchen Anlage beläuft sich auf 4 €.

Dieses Verfahren kann aufgrund der geringen Datenmenge nicht beurteilt werden. Deshalb ist es auch nicht möglich, das Verfahren in eine Kategorie einzuordnen.

Gefrierverfahren

Durch Abkühlen von Meerwasser bilden sich Eiskristalle, die frei von Salzen sind. Rein energetisch betrachtet wäre das Auskristallisieren von Wasser deutlich günstiger als das Verdampfen und Rekondensieren von Wasser. Die technischen Schwierigkeiten bestehen jedoch im Wesentlichen in der Abtrennung der Eiskristalle von der Mutterlauge. Die Eiskristalle müssen von der Mutterlauge gewaschen werden. Dabei besteht wiederum ein erheblicher Bedarf an Süßwasser, der dieses Verfahren in der Praxis hat scheitern lassen.

Elektrodialyse

Die Elektrodialyse ist nur bei sehr niedrigen Salzgehalten wirtschaftlich. Die Energiekosten stehen in einem linearen Verhältnis zum Salzgehalt. Das Verfahren lohnt sich daher oft nur für Brackwasser.

Anwendungen

In vielen Gebieten, in denen aus Meerwasser Trinkwasser gewonnen wird bzw. der Meerwasserentsalzung ein großes Potenzial zugeschrieben wird (Entwicklungsländer), bietet sich eine Kombination von Entsalzungsanlagen mit erneuerbaren Energien wie Wind- und Solarenergie an. So läuft auf Teneriffa seit 1997 eine Meerwasserentsalzungsanlage der Firma Enercon, die mit Windenergie betrieben wird.

Es gibt Überlegungen, den Druck am Fuß von Fallwindkraftwerken zu nutzen, um mit Hilfe der Umkehrosmose Trinkwasser herzustellen. Der dafür notwendige Druck von ca. 70 bar würde bei wirtschaftlichen (und technisch realisierbaren) Dimensionen des Fallturms von 1200 m Höhe und 400 m Durchmesser erreicht. Besonders die küstennahen Gebiete Nordafrikas und der Golfregion würden sich für solche Projekte eignen. ^[8]

Solare und frei skalierbare Trinkwasseraufbereitung mit dezentralen Systemen, die aus fast jedem Rohwasser Trinkwasser gewinnen können, sind ideal einsetzbar nicht nur in Entwicklungsländern, sondern in fast jedem Land, wo ausreichend Sonne und ausreichend „Rohwasser“ vorhanden ist. Solche Anlagen laufen nach dem „RSD Rosendahl System“ seit vielen Jahren wartungsfrei u. a. in Puerto Rico und in vielen anderen Ländern.

Ein Pionier auf dem Gebiet der Meerwasserentsalzung war der britische Arzt James Lind, der 1758 entdeckte, dass sich aus dem Dampf von erhitztem Meerwasser trinkbares Wasser gewinnen ließ, das wie Regenwasser schmeckte.

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b c} Vorhaben 252 001 91; Teilprojekt: Solarthermische Anwendungen (Solarthermische Meerwasserentsalzung / Wasseraufbereitung). Solar-Institut Jülich. Abgerufen am 19. Juli 2008. (PDF)
2. ↑ ^{a b c} Watercone (Produktbeschreibung durch den Hersteller). Abgerufen am 19. Juli 2008. (Englisch)
3. ↑ Mit Sonnenlicht zum Trinkwasser. Bochumer Meerwasserentsalzung nutzt Solarenergie. RUB-Maschinenbauer entwickeln neues Verfahren und Prototyp. 5. November 2003. Abgerufen am 19. Juli 2008.
4. ↑ RUB-Maschinenbauer entwickeln neues Verfahren zur Meerwasserentsalzung. 6. November 2003. Abgerufen am 19. Juli 2008.
5. ↑ Development and optimization of a new process for desalination of sea water by means of solar energy. Abgerufen am 19. Juli 2008. (Englisch)
6. ↑ Solare Trinkwasser-Entsalzung. In: Archiv, finetech.net – Infoportal und Museum fuer erneuerbare Energie. Abgerufen am 19. Juli 2008.
7. ↑ Thomas Brendel, Dissertation.S. 28
8. ↑ http://physicaplus.org.il/zope/home/en/1124811264/1137833043_en/#a004

Weblinks

• Solare Entsalzung mit dem MEH Verfahren, Diss. Technische Universität München
• Dissertation „Solare Meerwasserentsalzungsanlagen mit mehrstufiger Verdunstung“ von Thomas Brendel, Fakultät für Maschinenbau der Ruhr-Universität Bochum, 2003
• http://www.DME-eV.de
• Energy Profi: Einfache Wasseraufbereitungssysteme (Weiterführendes zum RSD- sowie MEH–Verfahren, Watercone und anderen.)