2005-01: Nachhaltige Energieversorgung - Neue Wege in der Entwicklungszusammenarbeit
Solarenergie
Mit dem Aufbau der ersten Versuchsanlage einer kleinen kompakten, vollständig solar betriebenen Meerwasserentsalzungsanlage wurde am Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg ein Meilenstein im Rahmen der Aktivitäten zur solarthermischen Meerwasserentsalzung erreicht.
Vollständig solar betriebene Meerwasserentsalzungsanlage
Von Matthias Rommel, Joachim Koschikowski, Marcel Wieghaus und Sebastian Basel*
Die Anlage kann als autarkes System betrieben werden. Thermische Solarkollektoren liefern Energie für die Entsalzung nach dem Membrandestillationsverfahren. Die Pumpe und die Steuerungskomponenten werden über ein Photovoltaik-Modul versorgt.
Für die dezentrale Anwendung in infrastrukturschwachen Gebieten wurden Entsalzungseinheiten auf der Basis des Membrandestillations-Verfahrens entwickelt.
Dies ist ein thermisch getriebenes Verfahren, das sich besonders gut für die solarthermische Wasserentsalzung eignet. Es ermöglicht einen besonders einfachen Systemaufbau aus nur wenigen Komponenten und ohne großen Regelaufwand. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass kein hoher Aufwand der Wasservorbehandlung notwendig ist. Dies sind wichtige Voraussetzungen für solar betriebene Wasserentsalzungsanlagen für den dezentralen Einsatz in Gebieten mit schwach ausgebildeter Infrastruktur. Die Anlagen müssen netzfern betrieben werden können. Der Kapazitätsbereich, in dem diese Technik voraussichtlich sinnvoll eingesetzt werden kann, liegt zwischen Anlagen für 100 Liter pro Tag bis etwa 20 m³ pro Tag.
Das zu entsalzende Meerwasser befindet sich in Abbildung 1 auf der linken Seite der Membran. Auf der rechten Seite fließt im Gegenstrom das kalte Meerwasser. Durch den Temperaturgradienten besteht eine Differenz der Wasserdampfpartialdrücke. Diese bildet den Antrieb dafür, dass Wasserdampf durch die Membran diffundiert und an der kalten Seite kondensiert. Dabei wird die Kondensationsenergie an das kalte Speisewasser übertragen und wärmt dieses vor. Diese Wärmerückgewinnung reduziert den Energiebedarf wesentlich.
Abbildung 1: Prinzipskizze zur Membrandestillation
Membrandestillations-Wickelmodule
Für die Entwicklung von Membrandestillations-Wickelmodulen wurde eine Wickelmaschine konstruiert, die sehr flexibel einsetzbar ist und sich für die Fertigung von Prototypen oder auch Kleinserien von Modulen eignet. Mit Hilfe dieser Anlage wurde für die erste kompakte Versuchsanlage ein Entsalzungsmodul mit interner Wärmerückgewinnung erstellt. Dabei konnte ein spezifischer Energiebedarf von nur 100 kWth pro m³ entsalztem Wasser erreicht werden. Das bedeutet, dass durch die Wärmerückgewinnung des Entsalzungsmoduls nur etwa ein Siebtel der Energie aufgebracht werden muss, die für die Verdampfung des Wassers benötigt wird. Gleichzeitig kommt es bei dieser Entwicklung darauf an, dass der Druckverlust des Entsalzungsmoduls nicht zu groß wird, damit der Hilfsenergiebedarf für den Antrieb der Systempumpe durch die PV-Module möglichst gering ist. Um diese Aufgaben bearbeiten zu können, wurden verschiedene Teststände im Labor aufgebaut. Mit einem Leistungsteststand können die Membrandestillationsmodule oder auch andere thermisch angetriebene Entsalzungseinheiten charakterisiert werden. Mit dem Salzwasserteststand lassen sich sämtliche Systemkomponenten wie Pumpen, Ventile, Entgaser oder das Verrohrungsmaterial auf die Eignung für den Betrieb mit Meerwasser testen. Diese Einrichtungen können auch für andere Entwicklungsaufgaben von interessierten Industrie- und Forschungspartnern eingesetzt werden.
Versuchsanlage
Das Titelbild dieses Artikels zeigt die erste Versuchsanlage der vollständig durch Solarenergie betriebenen kompakten Meerwasserentsalzungsanlage. Die Anlage ist für eine Kapazität von 100 Litern Destillat pro Tag ausgelegt. Sie wurde im Dezember 2004 in Gran Canaria auf dem Testgelände des spanischen Projektpartners aufgebaut und in Betrieb genommen. Die thermische Energie für die Membrandestillation wird durch drei Solarkollektoren bereitgestellt. Die Pumpe und die Steuerungskomponenten werden über ein Photovoltaik-Modul versorgt. Mit einem weiteren Industriepartner wurden die hier verwendeten Kollektoren speziell für höhere Betriebstemperaturen bis 90 °C entwickelt. Sie sind zweifach verglast, wobei Glasscheiben mit Antireflex-Beschichtung eingesetzt werden. Diese Kollektoren sind auch für andere Prozesswärmeanwendungen bis 120 ºC geeignet.
Geplante Anlagen
Im Laufe des Jahres 2005 werden drei weitere Anlagen bei den Projektpartnern in Marokko, Ägypten und Jordanien installiert. Weiterhin ist geplant, dass jeweils eine größere Anlage mit Kollektorfeldern über 100 m² in Jordanien und in Gran Canaria errichtet wird. Die Projekte werden von der EU gefördert.
*)Matthias Rommel, Joachim Koschikowski, Marcel Wieghaus und Sebastian Basel sind Mitarbeiter am Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE inFreiburg, Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein! [^]