SATTLER, Christian (Rheinaustr. 204, Bonn, 53225, DE)
HENNECKE, Klaus (Steinackerstr. 18, Lohmar, 53797, DE)
POTTLER, Klaus (c/Florida 5, Aguadulce, E-04720, ES)
OLWIG, Ralf (Wilhelm-Ruppert-Str. 16, Köln, 51147, DE)
SATTLER, Christian (Rheinaustr. 204, Bonn, 53225, DE)
HENNECKE, Klaus (Steinackerstr. 18, Lohmar, 53797, DE)
POTTLER, Klaus (c/Florida 5, Aguadulce, E-04720, ES)
| Patentansprüche 1. Verfahren zum Entsalzen von salzhaltigem Wasser unter Ausnutzung konzentrierter Solarenergie mit folgenden Schritten: Einfangen von Solarenergie mit optischen Konzentratoren und Übertragen auf einen Wasser-Dampf-Kreislauf (25), der eine Wärmemaschine (28) enthält, Zuführen eines ersten Teilstroms (41) von salzhaltigem Wasser zu einer thermischen Destilliereinrichtung (43), die mit Restdampf der Wärmemaschine (28) beheizt wird, zum Destillieren des Wassers und Ableiten des Salzes in Form von Sole, Zuführen eines zweiten Teilstroms (42) von salzhaltigem Wasser zu einer Umkehrosmoseeinrichtung (44), die mit Strom des Generators (35) gespeist wird, zum Trennen des Salzhaltigen Wassers in Wasser mit niedriger Salzkonzentration und Sole. 2. Verfahren nach Anspruch 1 mit dem weiteren Schritt des Mischens des Wassers mit niedriger Salzkonzentration mit dem beim Destillieren gewonnenen salzfreien Destillat. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Destillieren als Multi-Effekt- Destillation in kaskadenartig verbundenen Behältern (46, 47, 48) erfolgt. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3, wobei das Einfangen von Solarenergie mit Parabolrinnenkollektoren (21) oder Fresnelkollektoren erfolgt. 5. Wasserentsalzungsanlage mit einer Solarenergie-Kollektoranlage (20), in der ein Wärmeträgermedium zirkuliert, einer Wärmetauschereinrichtung (24) zum Übertragen von Wärme von dem Wärmeträgermedium auf einen Wasser-Dampf-Kreislauf (25), der eine Wärmemaschine (28) zum Antreiben eines stromerzeugenden Generators (35) enthält, einer thermischen Destilliereinrichtung (43) zum Destillieren eines ersten Teilstroms (41) salzhaltigen Wassers, welcher der Restdampf der Wärmemaschine (28) zum Heizen zugeführt wird, und einer Umkehrosmoseeinrichtung (44), die mit Strom des Generators (35) gespeist wird, zum Teil-Entsalzen eines zweiten Teilstroms (42) salzhaltigen Wassers zum Erzeugen von schwach salzhaltigem Wasser. 6. Wasserentsalzungsanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mischvorrichtung (67) zum Mischen des entsalzten ersten Teilstroms und des teilentsalzten zweiten Teiistroms vorgesehen ist. 7. Wasserentsalzungsanlage nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarenergie-Kollektoranlage (20) mit einem Wärmespeicher (80) gekoppelt ist. 8. Wasserentsalzungsanlage nach einem der Ansprüche 5 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserdampfkreislauf mit einer Hilfswärmequelle (33) verbunden ist. 9. Wasserentsalzungsanlage nach einem der Ansprüche 5 - 8, wobei die Destilliereinrichtung (43) eine Multi-Effekt-Einrichtung ist, mit mehreren kaskadenartig verbundenen Behältern (46, 47, 48) denen jeweils salzhaltiges Wasser zugeführt wird. 10. Wasserentsalzungsanlage nach einem der Ansprüche 5 - 9, wobei die Solarenergie-Kollektoranlage (20) Parabolrinnenkollektoren (21) oder Fresnelkollektoren aufweist. 11. Wasserentsalzungsanlage nach einem der Ansprüche 5 - 10, wobei der Generator (35) außer der Umkehrosmoseeinrichtung (44) auch weitere Verbraucher (36) beliefert. 12. Wasserentsalzungsanlage nach einem der Ansprüche 1 - 11, mit einer Vorrichtung zur chemisch-mechanischen Vorbehandlung des salzhaltigen Wassers, wobei diese Vorrichtung vor der Aufteilung des salzhaltigen Wassers in einen ersten Teilstrom (41) und einen zweiten Teilstrom (42) angeordnet ist. |
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entsalzung von salzhaltigem Wasser unter Ausnutzung konzentrierter Solarenergie sowie ferner eine Meerwasser- Entsalzungsanlage.
Entsalzungsanlagen dienen überwiegend dazu, Meerwasser, welches einen hohen Salzgehalt hat, zu entsalzen, um Trinkwasser zu erzeugen. Üblich sind thermisch betriebene Entsalzungsanlagen, die eine Destilliereinrichtung enthalten, mit der das salzhaltige Wasser verdampft wird. Solche Destillieranlagen haben einen hohen Energieverbrauch, sind aber für große Entsalzungskapazitäten zur Versorgung der Bevölkerung mit Wasser geeignet. Bekannt sind auch Umkehrosmosesysteme, die auch als RO-Systeme (Reverse Osmosis) bezeichnet werden. Solche Systeme enthalten eine semipermeable Membran, die zwei Kammern voneinander trennt. Das stark salzhaltige Wasser (z. B. Meerwasser) wird mit hohem Druck durch die semipermeable Membran gedrückt. Das Permeat ist nur noch leicht salzhaltig bis trinkbar. Das Retentat besteht aus konzentriertem Meerwasser.
Der Energieverbrauch hängt sehr stark vom Salzgehalt ab (hoher Salzgehalt = hoher zu überwindender osmotischer Druck).
Verschiedene Studien befassen sich mit Solarentsalzungssystemen, bei denen die Energie für die Wasserentsalzung als Solarenergie gewonnen wird. Derartige Systeme werden mit CSPD (Concentrating Solar Power & Desalination Plant) bezeichnet oder als CSD (Concentrating Solar Desalination Plant).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Entsalzung von salzhaltigem Wasser anzugeben, das mit hoher Effizienz durchführbar ist und ganz, oder jedenfalls zu einem hohen Anteil, mit kostenloser Solarenergie arbeitet. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer entsprechenden Meerwasser-Entsalzungsanlage.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch den Patentanspruch 1 definiert und eine Meerwasser-Entsalzungsanlage nach der Erfindung ist durch den Patentanspruch 5 definiert.
Erfindungsgemäß werden in einer solarbetriebenen Entsalzungsanlage ein thermisches Entsalzungssystem und ein Umkehrosmosesystem (RO-System) miteinander kombiniert. Die als thermische Energie gewonnene Solarenergie wird für den Betrieb einer Wärmemaschine, typischerweise einer Dampfturbine, benutzt. Die Dampfturbine liefert einerseits mechanische Energie für die Rotation eines Generators, welcher Strom erzeugt, und andererseits liefert sie Restdampf. Erfindungsgemäß wird mit der mechanischen bzw. elektrischen Energie, die von der Wärmemaschine geliefert wird, eine Umkehrosmoseeinrichtung betrieben und der Restdampf der Wärmemaschine wird für den Betrieb einer Destillationseinrichtung benutzt. Auf diese Weise entsteht ein Hybridsystem, bei dem die Wärmemaschine die Energie für zwei unterschiedliche Entsalzungsarten liefert und hierfür einerseits Strom bzw. Druck zur Verfügung stellt und andererseits Dampf oder Wärme. Der Wirkungsgrad der Wärmemaschine begrenzt nicht die Wasserproduktionskapazität, weil die der Wärmemaschine zugeführte Energie nahezu vollständig ausgenutzt wird. Daher kann eine Wärmemaschine benutzt werden, die billig und haltbar ist.
Bei der thermischen Entsalzung entsteht destilliertes Wasser und bei der Entsalzung durch Umkehrosmose entsteht schwach salzhaltiges Wasser. Durch Mischung der beiden Teilströme kann der Salzgehalt bzw. Mineralgehalt auf denjenigen von Trinkwasser gebracht werden. Da in dem thermischen System salzfreies Wasser erzeugt wird, kann in dem Umkehrosmosesystem Wasser mit einem höheren Salzgehalt erzeugt werden, beispielsweise von über 500 ppm. Daher kann das Umkehrosmosesystem mit High-Flux-Membranen ausgestattet sein und bei hohen Wassertemperaturen und mit geringem Energieverbrauch arbeiten.
Vorzugsweise erfolgt das Einfangen der Solarenergie mit Hilfe der konzentrierenden Solarenergietechnologie (CSP) mit Parabolrinnen. Dabei werden spiegelnde Parabolrinnen benutzt, in deren Fokallinie ein Absorberrohr angeordnet ist, das von einem Wärmeträgermedium durchflössen wird, typischerweise Öl oder Wasser. Das Wärmeträgermedium transportiert die Wärme zu einem Wasser-Dampf-Kreislauf, der eine Wärmemaschine antreibt. Es besteht auch die Möglichkeit, als Wärmeträgermedium Wasser zu verwenden, das bereits im Absorberrohr verdampft wird, und mit dem Dampf eine Wärmemaschine zu betreiben. Bei Wärmeträgermedium Wasser spricht man von Direktverdampfungstechnologie (DSG: Dϊrect Steam Generation). Es besteht die Möglichkeit, den Wasser-Dampf-Kreislauf der Wärmemaschine mit einer Hilfswärmequelle zu verbinden, die mit fossilem Brennstoff betrieben werden kann. Damit wird sichergestellt, dass auch bei unzureichender Solarstrahlung die erforderliche Energiekapazität zur Verfügung steht.
Für die Meerwasserentsalzung werden thermische Prozesse eingesetzt, die auf dem Prinzip der Verdampfung und der Kondensation beruhen. Dabei entsteht destilliertes Wasser, das von sämtlichen gelösten Inhaltsstoffen befreit ist und das in dieser Form nicht trinkbar ist. Durch Vermischen des destillierten Wassers mit dem teilweise entsalzenen Wasser, das die Umkehrosmoseeinrichtung verlässt, entsteht Trinkwasser mit einem Salzgehalt, der durch Regelung des Mischungsverhältnisses bestimmt und kontrolliert werden kann.
Die Erfindung wird bevorzugt angewandt für große
Trinkwasseraufbereitungsanlagen mit einer Trinkwasserkapazität von mehr als 1000 m 3 /Tag, insbesondere bei der Entsalzung von Meer- und Brackwasser. Die Erfindung ist jedoch auch für landwirtschaftliche Zwecke, bei der ein höherer Salzgehalt erlaubt ist oder für industrielle Zwecke anwendbar.
Das Destillieren des Wassers erfolgt vorzugsweise als Multi-Effekt-Destillation in kaskadenartig verbundenen Behältern, wobei der in einem Behälter beim Destillieren entstehende Dampf als Wärmequelle für die Destillation in dem nächstfolgenden Behälter benutzt wird. Dies ermöglicht eine gute Ausnutzung der verfügbaren Wärme und somit eine hohe Ausbeute bei der Destillation.
Für ein kosteneffektives Umkehrosmoseentsalzungssystem (RO-System) ist es wesentlich, dass die Wellenleistung der Wärmemaschine mit hohem Wirkungsgrad erzeugt wird. Es kann ein Hochtemperatur-Wärmespeicher verwendet werden, um den Teillastbetrieb des Energieumwandlers zu verringern und elektrische Energie während der Nacht zu erzeugen. Ein solches System könnte als eigenständiges Solarstrom- oder Wassererzeugungssystem oder aber als System zum gleichzeitigen Erzeugen von Elektrizität und Wasser arbeiten. Die Ausbildung mit doppelter Verwendungsmöglichkeit erlaubt eine erhebliche Senkung der allgemeinen Kosten für die Erzeugung von Elektrizität und Wasser. Andererseits hat die unmittelbare Produktion von Süßwasser mittels eines integrierten Solar-Wasser-Systems Vorteile. Zusätzlich zu den sich bietenden Möglichkeiten der Optimierung des integrierten Systems (als ein Komplex) kann Süßwasser viel leichter gespeichert werden als Elektrizität (oder Wärme). Das schwierige Problem der Energiespeicherung wird somit im Falle der solarbetriebenen Wasserproduktion auf einfache Weise gelöst. Die über den Tag und aufgrund von Wetteränderungen unstete Versorgung mit Sonnenstrahlung kann somit auf eine kosteneffektivere Weise gehandhabt werden. Ferner ist es möglich, ein Hybrid-Entsalzungssystem zu entwickeln, bei welchem das Umkehrosmosesystem die erzeugte mechanische Energie verwendet, während das thermische Destilliersystem die verbleibende Abwärme nutzt, so dass sie zusammen Wasser mit einem höheren Gesamtwirkungsgrad produzieren. Dies kann insbesondere bei Entsalzungssystemen mittlerer Größe (die in kleinen Gemeinwesen installiert werden sollen) vorteilhaft sein, für welche noch keine hocheffizienten Dampfturbinen zur Verfügung stehen. Zusammenfassend gesagt stellt die Produktion von Süßwasser mittels eines integrierten Solar-Wasser- Systems eine vielversprechende Technologie dar.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Entsalzungsanlage nach der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 eine schematische Abbildung einer Entsalzungsanlage mit zusätzlichem Wärmespeicher, Fig. 3 ein detaillierteres Schaubild einer Entsalzungsanlage und
Fig. 4 die Umkehrosmoseeinheit.
Figur 1 zeigt den Grundaufbau eines CSPD-Systems (Concentrating Solar Power & Desallination) zur Erzeugung von Trinkwasser. Die Solarenergie wird mit linear konzentrierenden Solarkollektoren 10 eingefangen, insbesondere mit Parabolrinnenkollektoren. Parallel hierzu sind Wärmespeicher 11 vorgesehen, in die Überschüssige Wärme, die tagsüber nicht benötigt wird, eingespeichert werden kann, um sie im Bedarfsfall, zum Beispiel im Nachtbetrieb, zu verarbeiten.
Mit der Wärme der Solarkollektoren 10 wird eine Wärmemaschine 12 betrieben. Hierbei handelt es sich um eine Turbine, insbesondere eine Dampfturbine, die einen Generator zur Erzeugung von Elektrizität treibt. Mit dem erzeugten Strom wird eine Umkehrosmoseanlage 13 betrieben. Die Restwärme der Wärmemaschine 12 wird zum Betrieb einer thermischen Entsalzungsanlage oder Destillieranlage 14 eingesetzt. Sowohl die Destillieranlage 14 als auch die Umkehrosmoseanlage 13 erzeugen salzfreies bzw. salzarmes Wasser. Die beiden Wasserströme können anschließend zusammengeführt oder nach Bedarf gemischt werden.
Das Ausführungsbeispiel von Figur 2 ist grundsätzlich gleich dem ersten Ausführungsbeispiel. Zusätzlich ist vorgesehen, dass Wärme aus dem Wärmespeicher 11 oder dem Ölkreislauf der Kollektoranlage unmittelbar der thermischen Entsalzungsanlage 14 zugeführt wird. Bei jedem der Ausführungsbeispiele der Figuren 1 und 2 kann ein Teil der von der Wärmemaschine 12 erzeugten Elektrizität abgezweigt und beispielsweise in ein Stromnetz eingespeist werden. Figur 3 zeigt ein detaillierteres Schaubild der Entsalzungsanlage von Figur 1. Als Energiequelle dient eine Solarenergie-Kollektoranlage 20, die reflektierende Parabolrinnenspiegel 21 aufweist, welche jeweils in einer Linie angeordnet sind. Die Kollektoren, die jeweils aus dem Parabolrinnenspiegel 21 und dem Absorberrohr 22 bestehen, können dem Sonnenstand nachgeführt werden. Die Parabolrinnenkollektoren 21 fokussieren das einfallende Sonnenlicht auf Absorberrohre 22, die entlang der Fokallinie verlaufen. Die Absorberrohre werden von einem Wärmeträgermedium durchflössen, wie Öl oder Wasser. Das Wärmeträgermedium wird in einem Kreislauf 23 geführt, der eine Gruppe von Wärmetauschern 24 enthält. Die Primarseiten der Wärmetauscher 24 sind in Reihe in dem Kreislauf enthalten. Dieser enthält ferner eine Pumpe 26 zum Umwälzen des Wärmeübertragungsmediums in dem Kreislauf, sowie einen Ausdehnungsbehälter 27. Die Sekundärseiten der Wärmetauscher 24 sind ebenfalls in Reihe geschaltet und in einem Wasser-Dampf-Kreislauf 25 enthalten. Dieser Kreislauf enthält ferner den Hochdruckteil 28a einer Wärmemaschine 28, bei der es sich um eine Dampfturbine handelt, sowie den Niederdruckteil 28b, einen Wärmetauscher 30 und eine Pumpe 31.
Der Auslass des Hochdruckteils 28a ist über einen weiteren Wärmetauscher 24a, der in einer Bypassleitung 32 des Kreislaufs 23 enthalten ist, mit dem Einlass des Niederdruckteils 28b verbunden.
An den Wasser-Dampf-Kreislauf ist als mögliche weitere Energiequelle ein Kessel 33 für fossile Brennstoffe angeschlossen. Dieser kann zur Unterstützung der Dampferzeugung hinzugenommen werden. Er ist mit einer Brennstoffleitung 34 verbunden.
Die Wärmemaschine 28 treibt einen Generator 35 zur Stromerzeugung. Dieser liefert Strom an eine noch zu erläuternde Hochdruckpumpe 37 und an externe Verbraucher 36 (optional). Der Generator 35 versorgt nicht nur die Hochdruckpumpe 37 sondern auch alle anderen Pumpen und Einrichtungen der Wasserentsalzungsanlage mit Strom.
Das Salzwasser 40 wird in zwei Teilströme 41, 42 aufgeteilt. Ein erster Teilstrom 41 wird einer Destilliereinrichtung 43 zugeführt. Ein zweiter Teilstrom 42 wird einer Umkehrosmoseeinrichtung 44 zugeführt. Die Destilliereinrichtung 43 weist mehrere Behälter 46, 47, 48 auf, die jeweils im oberen Bereich eine Sprüheinrichtung 49 enthalten, durch welche das Salzwasser im Behälter versprüht wird. Das Salzwasser sammelt sich im unteren Behälterteil. Ferner enthält jeder Behälter eine Heizschlange 50 zum Einbringen von Wärme zum Zwecke der Verdampfung des herabrieselnden Wassers. Die Heizschlange 30 des ersten Behälters 46 wird mit dem Restdampf der Wärmemaschine 28 versorgt. Die Heizschlangen 50 der beiden folgenden Behälter werden jeweils mit dem Dampf versorgt, der in dem vorgeordneten Behälter entstanden ist. Eine solche kaskadenartige Destillation wird als Multi-Effect-Destillation (MED) bezeichnet. Eine MED-Anlage besteht aus mehreren (1 bis n) Stufen. Die Stufenzahl variiert je nach Auslegung der MED-Anlagen. Die Stufen werden im englischen auch als Effekt bezeichnet. Eine Standard-MED-Anlage hat meist acht (oder sogar mehr) Stufen.
Die Behälter 46, 47, 48 sind vakuumdicht. Sie sind an eine Vakuumpumpe 52 angeschlossen, so dass in ihnen ein Druck erzeugt wird, der niedriger ist als der Atmosphärendruck. Daher findet eine Verdampfung des herabrieselnden Wassers bereits bei niedrigeren Temperaturen als 100 0 C statt. So beträgt beispielsweise die Temperatur im Behälter 46 100 0 C, im Behälter 47 90 0 C und im Behälter 48 80 0 C. Vom letzten Behälter 48 wird der Dampf zu einem Wärmetauscher 55 geführt, wo er Wärme an den ersten Teilstrom 41 abgibt, um diesen vorzuwärmen. Das Kondensat besteht aus dem Kondenswasser, das in allen drei Behältern erzeugt worden ist. Es wird als destilliertes salzfreies Wasser einer Leitung 56 zugeführt. Dieses Wasser ist nicht trinkbar. Am unteren Ende eines jeden Behälters 46, 47, 48 befindet sich ein Auslass für die Sole, die sich auf dem Behälterboden sammelt. Diese Auslässe sind mit einer Soleleitung 57 zum Abführen der Sole verbunden.
Die Destilliereinrichtung 43 bildet den einen Teil der Hybrid-Entsalzungsanlage. Der andere Teil wird von der Umkehrosmoseeinrichtung 44 gebildet, welcher der zweite Teilstrom 42 zugeführt wird. Die Umkehrosmoseeinrichtung 44 enthält eine Förderpumpe 60, eine Hochdruckpumpe 37 und ein Osmosemodul 61.
Das Osmosemodul enthält gemäß Figur 4 zwei Kammern 61a und 61b. Beide Kammern sind durch eine semipermeable Membran 62 voneinander getrennt. Die Hochdruckpumpe 37 fördert salzhaltiges Wasser in die erste Kammer 61a. Wenn in der ersten Kammer 61a die Salzkonzentration höher ist als in der zweiten Kammer 61b, entsteht ein osmotischer Druck 63, der bestrebt ist, das Wasser durch die Membran 62 in die erste Kammer zu treiben. Dem wirkt ein hydrostatischer Druck 64 entgegen, welcher durch die Hochdruckpumpe 37 erzeugt wird. Dieser Druck bewirkt, dass Wasser in die zweite Kammer 61b fließt. Gleichzeitig erhöht sich die Salzkonzentration in der ersten Kammer 61a. Der Auslass 65 der ersten Kammer 61a ist mit der Soleleitung 57 verbunden. Der Auslass 66 der zweiten Kammer 61b ist mit einer Mischeinrichtung 67 verbunden, die das Wasser mit geringer Salzkonzentration mit dem von Leitung 56 kommenden salzfreien Wasser mischt. Die Mischung erfolgt in einem kontrollierten Mengenverhältnis, so dass am Ausgang der Mischvorrichtung 67 trinkbares Süßwasser entsteht.
Die Umkehrosmoseeinrichtung enthält außerdem einen mit dem Auslass 66 verbundenen Permeatspeicher 68, der über eine Pumpe 69 mit einem Einlass 70 der zweiten Kammer 61b verbunden ist. Der Permeatspeicher dient der zyklischen Rückspülung der Membran zur Reinigung und gegen Belagbildung. Dies ist notwendig zum Schutz der Membran gegen Belagbildung. Der MED- Anlage vorgeordnet ist eine chemisch-mechanische Vorbehandlung. Eine gemeinsame Vorbehandlung kann vor der Aufteilung in die beiden Teilströme 41 und 42 erfolgen. Dies bewirkt einen weiteren Synergieeffekt.
Die Solarenergie-Kollektoranlage 20 enthält ferner einen Wärmespeicher 80 mit einem warmen Tank 81 und einem kalten Tank 82. Beide Tanks enthalten ein Wärmespeichermedium, z. B. flüssiges Salz. Der warme Tank hat eine Temperatur > 350° und der kalte Tank eine Temperatur < 300°. Die Tanks sind durch einen Wärmetauscher 83 an den Kreislauf 23 angeschlossen und sie enthalten Pumpen 84, 85 für die Wahl der Fließrichtung des Salzes, wobei entsprechende Ventile vorgesehen sind. Entsprechend dem Wärmebedarf der an den Kreislauf 23 angeschlossen Verbraucher und dem Wärmeangebot an Solarstrahlung kann überschüssige Wärme in den Wärmespeicher 81 eingegeben werden oder fehlende Wärme aus dem Wärmespeicher entnommen werden.
Die Entsalzungsanlage erzeugt mit der Wärmemaschine 28 und dem Generator 35 Strom und sie produziert in den beiden Teilströmen 41 und 42 Wasser. Das Verhältnis zwischen der Stromerzeugungskapazität und der Wasserproduktionskapazität kann entsprechend dem jeweiligen standortabhängigen Wasserbedarf oder entsprechend dem jeweiligen Strombedarf verändert werden.
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