PSA CIEMAT arbeitet an der Markteinführung solarer Entsalzungstechnologien
Globale Wasserressourcen sind unter Druck und Entsalzung ist bereits eine verbreitete Technologie, um frisches Wasser bereitzustellen. Entsalzung ist jedoch ein energieintensiver Prozess und der Einsatz von erneuerbaren Energien zur Wassergewinnung ist notwendig, um die Energiekrise nicht zu verschärfen. Solare Entsalzung wird generell als die beste Möglichkeit der Entsalzung angesehen, da der Wasserbedarf in Ländern mit hoher solarer Einstrahlung gewöhnlich höher ist. Solarenergie kann entweder in Form von Wärme für thermische Entsalzungssysteme oder in Form von Photovoltaik für elektrisch betriebene Entsalzung eingesetzt werden.
Die Plataforma Solar de Almería (PSA) ist eine Niederlassung der spanischen Forschungsgesellschaft CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas). Die Forschungseinrichtung bietet die größte Forschungsinfrastruktur für Solarthermieforschung in Europa. Die Gruppe “Solare Entsalzung” am PSA arbeitet derzeit an der Beseitigung der technologischen Barrieren zur Unterstützung der Markteinführung solarer Entsalzungstechnologien.
Herausforderungen für die solare Entsalzung
Eine große Herausforderung für solare Entsalzung ist die Notwendigkeit der Anpassung des Prozesses an eine variable Energiequelle. Diese Tatsche ist bei Betrachtung großtechnischer Prozesse für die Entsalzung von besonderer Bedeutung , da diese meist für kontinuierlichen Betrieb ausgelegt sind. Um eine kontinuierliche Energieversorgung zu gewährleisten, ist die Speicherung der Solarenergie notwendig. Die Speicherung von solarthermischer Wärme ist leichter umsetzbar, wirtschaftlicher und flexibler als die Speicherung photovoltaischer Energie, was einen großen Vorteil besonders in Bezug auf größere Leistungen darstellt.
Eine weitere Herausforderung sind die hohen Investitionskosten für das Energieversorgungssystem, d.h. für Solarkollektoren, thermische Speicher und wenn notwendig für ein fossiles Backup.
Kombination mit CSP (Concentrated Solar Power)
Die Schemata zeigen mögliche Varianten der Kombination von CSP (Concentrated Solar Power) mit Entsalzung
Eine große Chance für den Einsatz solarer Entsalzung für großtechnische Anwendungen ist die Anwendung in Kombination mit CSP (Concentrated Solar Power)-Anlagen. Diese nutzen Solarthermie zur Erzeugung von Strom und können eine konstante Stromversorgung durch Integration von thermischen Speichersystemen garantieren. Die meisten kommerziellen Anlagen nutzen Parabolrinnen, um Thermoöl auf etwa 395°C zu erhitzen und ein thermisches Speichersystem auf Basis von geschmolzenen Salzen kann den Betrieb über die Sonnenstunden hinaus ausdehnen. Die Verfügbarkeit von Solarstrom und Abwärme in CSP-Anlagen bietet die Möglichkeit sowohl Umkehr-Osmose als auch thermische Prozesse zur Entsalzung anzuwenden. Die Kombination mit Umkehr-Osmose kann direkt mit Strom durchgeführt werden (siehe Schema a). Im Prozess sind keine Änderungen notwendig, auch nicht beim Abwärmekreislauf. Die Abwärme wird an die Umgebung abgegeben.
In CSP-Anlagen werden drei verschiedene Kühlsysteme eingesetzt:
- Trockenkühlung, die eine niedrigere Effizienz im Rankine-Prozess zur Folge hat, je höher die Umgebungstemperatur ist,
- Durchflusskühlsysteme, die große Mengen gepumpten Wassers (generell Meerwasser) erforderlich machen und
- Verdunstungskühlung, die die niedrigste Temperatur erreicht, aber eine konstante Frischwasserzufuhr zum Kühlturm erfordert.
In jedem Fall wird Energie mit niedriger Temperatur an die Umgebung abgegeben, die für thermische Entsalzungsprozesse wie Mehrstufendestillation (Multi-Effect-Distillation - MED) verwendet werden kann. Das Kühlsystem des Stromprozesses kann durch eine Destillationsgruppe ersetzt werden, die die gesamte Abwärme der Turbine nutzt (siehe Schema b). Da die optimale Temperatur für den Betrieb der MED-Anlage bei 70°C liegt, wird der Dampf in diesem System nicht auf die Minimaltemperatur expandiert (abhängig von Kühlsystem- und Umgebungstemperatur), auf Kosten der Stromproduktion.
Eine alternative Konfiguration, die es erlaubt die Abwärme auf die minimal mögliche Temperatur zu expandieren, ist die Integration der MED-Gruppe in den Stromerzeugungsprozess. Dampf mit höherer Enthalpie wird von der Turbine abgezogen und in einem thermischen Dampfkompressor eingesetzt, der die Abwärme der Turbine auf das für den MED-Prozess erforderliche Niveau anhebt (siehe Schema c). In diesem Fall wird die Effizienz der Stromproduktion durch den Entzug von Dampf verringert. Ein Teil des Kühlbedarfs wird durch die MED-Einheit abgedeckt.
Zuletzt kann auch eine TVC (Thermal Vapour Compression)-MED-Einheit mit höherer Leistung verwendet werden, die Dampf von der Turbine verwendet. Diese verursacht zwar eine Effizienzeinbuße in der Stromproduktion, verringert aber auch den Kühlbedarf der Turbine (siehe Schema d) rechts unten).
Die Wahl der passendsten Konfiguration für die Kombination von Stromerzeugung mittels CSP und Entsalzung kann aufgrund der technisch-wirtschaftlichen Effizienz getroffen werden, unter Berücksichtigung der Energieeffizienz der Entsalzungsanlage aber auch der Wahl des Kühlsystems und der Umgebungsbedingungen, die die Abnahme der Stromproduktion bestimmen. Auch der Strombedarf der Entsalzungsanlage, der im Fall von Umkehr-Osmose von den Eigenschaften des Meerwassers abhängig ist, ist für die Beurteilung wesentlich.
Die Analyse erfordert kombinierte Modelle von Stromprozess und Entsalzungsanlage. Die Forschungsinfrastruktur von PSA hat eine 14-Stufen-MED-Pilotanlage zur Verfügung - eine der effizientesten thermischen Entsalzungsanlagen, die derzeit betrieben werden und für die Evaluation der Modelle in den Analysen entwickelt wurde. Außerdem werden Simulationen mit vielfältigen Randbedingungen durchgeführt. Ein Beispiel der Ergebnisse der Simulationen zeigt die Abbildung, in der die Annuitäten für Wasser (levelized cost of water – LCOW) und Strom (levelized cost of electricity - LCOE) für eine kombinierte CSP und Entsalzungsanlage in Abu Dhabi berechnet wurden.
Entsalzungsanlagen in kleinem Maßstab
Im Fall von solaren Entsalzungsanlagen in kleinem Maßstab ist der Vorteil der Kombination geringer, da dezentrale Energieerzeugung am Markt nicht vollständig etabliert ist. Für Umkehr-Osmoseanlagen kommt der Strom von PV-Anlagen, was im Vergleich zur thermischen Energiespeicherung jedoch mit höheren Kosten für die Energiespeicherung verbunden ist. Die Modularität der Umkehr-Osmose erlaubt eine Verkleinerung der Anlagen, wodurch aber die spezifische Energieeffizienz sinkt.
Thermische Entsalzungstechnologien wie MED können in kleinem Maßstab nicht sinnvoll eingesetzt werden, da sie zu teuer sind. Alternativen sind Befeuchtung-Entfeuchtung bzw. Membrandestillation. Praktisch alle existierenden Membrantechnologien sind bei PSA verfügbar und neue Module verschiedener Entwickler werden evaluiert. Der Einsatz dieser Entsalzungstechnologien wird durch die relativ hohen Kosten des Solarkollektorfeldes begrenzt. Daher ist die Energieeffizienz ein Schlüsselfaktor zur Minimierung der Investitionskosten einer solaren Entsalzung.
Optimierung von thermischen Entsalzungstechnologien
Am PSA werden thermische Entsalzungsanlagen evaluiert. Vielfältige thermische Entsalzungstechnologien werden getestet, um ihre Effizienz unter stationären, aber auch unter realen Bedingungen zu untersuchen. PSA arbeitet an der Entwicklung, Anwendung und Analyse von Modellen, unter Nutzung von Wettervorhersagen, Steuerungs- und Optimierungstechniken. Modellbasierte Regelungssysteme unter Nutzung von Vorhersagen werden in Zukunft die wirtschaftliche Anlagenperformance maximieren, die notwendige Kollektorfeldgröße durch Steigerung des Solarertrags reduzieren und dadurch die Investitionskosten verringern. In hybriden Systemen kann dadurch die Nutzung von erneuerbaren Energiequellen gesteigert und der ökologische Fußabdruck reduziert werden. Die automatische Anpassung des Betriebs thermischer Entsalzungsanlagen an eine Vielzahl von Energiequellen sowie deren Optimierung wird somit die Markteinführung solarer thermischer Entsalzungstechnologien durch Kostenreduktion erleichtern.
Weitere Informationen
P. Palenzuela, D.C. Alarcón-Padilla and G. Zaragoza, “Concentrating Solar Power and Desalination Plants. Engineering and Economics of Coupling Multi-Effect Distillation and Solar Plants”. Springer International Publishing, 2015. ISBN: 978-3-319-20535-9.
http://www.eip-water.eu/RE_Desalination
