Meerwasser-Entsalzung in Green Desert

A. Die Technik des Solar-Meerwasserentsalzers SE-A1 bis SE-E2

Die wesentlichen Bauteile des Solar-Meerwasserentsalzers in zwei Basisversionen und zwölf darauf aufbauenden Endgeräten sind:

PV-Meerwasserpumpe,  Meerwassertank/Kühlröhre, Vorwärmeinheit, Verdampferwanne, Verdampfungskammer; Salzlaken-Transportwelle, kleine Brinekammer, Brinetank, Trinkwassertank.

Dazu kommt für den 24-Stunden-Betrieb ein Hitzespeicherblock.

   Als Energiequelle stehen - je nach Leistungsbedarf - Scheffler-Reflektoren (automatisch nachführbare Parabolspiegel) oder Solarthermie-Linearspiegel (Hochhitze-Brennlinsen-Technik) in  unterschiedlicher Größe zur Verfügung oder Parabolrinnen-Kollektoren.

Ein Basis-Kompaktgerät ist 100 cm lang, 50 cm breit, 140 cm hoch, kann jedoch erweitert werden, um die Leistungsfähigkeit beliebig zu erhöhen.

   Es stehen 12 Geräte-Versionen zur Verfügung, deren Entsalzungsleistung von 125 Liter bis 3800 Liter (3,8 m³) pro Tag reicht . Das hängt davon ab, ob ein Gerät nur für den Tagbetrieb ausgelegt ist, also nur bei  unmittelbarer Sonneneinstrahlung arbeiten kann oder mithilfe eines Hitzespeicherblocks 24 Stunden in Betrieb sein soll.

   Zwei der Geräte können neben der Entsalzung über eine Dampfturbine zusätzlich Elektrizität erzeugen; zwei weitere Geräte sind nur als Dampfturbinen-Stromgeneratoren ausgelegt und können deshalb in einem geschlossenen Heißwasser-Kreislauf mit Süßwasser betrieben werden.

   Wenn längere Zeit keine Sonne scheint, ist auch die Beheizung durch fossile Energiequellen möglich, bzw. durch konventionelle Motoren, Photovoltaik, Sterlingmotor usw.

   Um das Leistungsniveau für den Entsalzungsprozess zu erhöhen, wird das zugeführte Meerwasser durch drei verschiedene Möglichkeiten auf 80°C vorerwärmt oder sogar bis über den Siedepunkt erhitzt. Dadurch ist eine deutliche Reduzierung der Energie für den Entsalzungsvorgang möglich. Auf diese Weise wird solare Entsalzung auch bei fehlendem Sonnenschein möglich. Zudem kann überschüssige Energie in einem Zusatzgerät gespeichert und in Elektrizität umgewandelt werden.             

B. Energieerzeugung für die Meerwasser-Entsalzung 

1. Scheffler-Reflektor

Die grundlegende Idee, die zur Entwicklung der Scheffler-Spiegel führte, war es, das solare Kochen so bequem wie möglich zu gestalten. Gleichzeitig sollte das Gerät so gebaut sein, dass es in jeder ländlichen Schweißwerkstatt in südlichen Ländern nach einer gewissen Ausbildungsphase hergestellt werden kann. Es müssen vor Ort erhältliche Materialien genügen. 

   Der das Sonnenlicht konzentrierende Parabolspiegel ist exzentrisch, verbiegbar, und dreht sich um eine Achse, parallel zur Erdachse synchron mit der Sonne, sodass er ständig auf die Sonne ausgerichtet ist. Durch Verbiegen wird er auf mechanisch einfache Weise auf die Jahreszeiten eingestellt. Sein Brennpunkt ist dabei immer auf den zu erhitzenden Bereich fokussiert. Die tageszeitliche Nachführung wird durch ein automatisches Uhrwerk bewerkstelligt.

Daten zum 8 m² bzw. 10 m² Scheffler-Reflektor:

Maximal im Brennpunkt erreichbare Temperatur: 1.020°C,
Max. optischer Wirkungsgrad (bei Bestückung mit Klarglas-/Normalglasspiegeln): 84 % bzw. 75 %,
Durchschnittliche Hitzeleistung übers Jahr bei 700 W/m² Einstrahlung und Normalglasspiegel (8 m² Reflektor): 2,2 kW (1,7 kW im Sommer und 2,5 kW im Winter);
Materialkosten eines Reflektors mit 8 m² in Indien: ca. 550 Euro; 3 m²-Reflektor ca. 350 Euro; in Deutschland das Drei- bis Vierfache.

Das Sonnenlicht, das auf die 8 m² große Spiegelfläche fällt, wird unter der Kochstelle, die ins Haus integriert ist, gebündelt. Auf diese Weise wird eine Kochleistung von ca. 2,6 kW pro Reflektor erreicht (bei 900W/M2 Solarstrahlung). http://www.solare-bruecke.org:

2. Solarthermie-Linearspiegel

Die Linearspiegel der Firma Isomorph bündeln die Sonnenstrahlen und machen Wasser auch bei diffusem Licht und im Winter kochend heiß. Heizleistung 4 kWh. Statt auf Fläche setzt Isomorph auf Bündelung, um möglichst viel Sonnenenergie einzufangen. 24 Spiegel aus beschichtetem Aluminium reflektieren und konzentrieren die Sonnenstrahlen wie bei einem Brennglas auf einen 0,6 m² großen Absorber, dem sogenannten Ofen. Um die gleiche Leistung mit herkömmlichen Kollektoren zu erzielen, bräuchte man eine Fläche von 15 m². Außerdem liefern die Spiegel durch die Konzentration des Sonnenlichts auf einen Brennpunkt auch bei diffusem Licht und tiefen Außentemperaturen noch bis zu 100 Grad Celsius heißes Wasser.

   Eine weitere Innovation steckt in der Konstruktion, denn die 24 Spiegel werden von nur zwei kleinen Motoren so ausgerichtet, dass sie immer die optimale Stellung zur Sonne haben. Ein Motor führt die gesamte Matrix der über kleine Gestänge verbundenen Spiegel der Ost-West-Bewegung der Sonne nach. Der andere Motor passt automatisch den Winkel an den jeweiligen Sonnenstand an. Beim Kunden aufgebaut, steuert dann eine astronomische Uhr die Motoren.

   Ein Problem des Linearspiegels ist zurzeit jedoch noch mit seiner eigentlichen Stärke verbunden! Weil das System doppelt so effektiv arbeitet wie herkömmliche Solaranlagen, werden die Speicher schneller aufgeheizt und können irgendwann die Wärme gar nicht mehr aufnehmen. Dann fahren die Spiegel automatisch in eine Parkposition, selbst wenn die Sonne strahlt. 

   Diesen eigentlichen Vorteil gegenüber anderen Energieerzeugungssystemen kann man bei der Aufheizung von Meerwasser zur beschleunigten Entsalzung sehr gut nutzen. Außerdem kann man die überschüssige Hitze in mehrere Hitzespeicher leiten und/oder sie (direkt) in elektrische Energie umwandeln. – Bei dem Überangebot an gespeicherter Energie wäre auch eine Entsalzungs-Großanlage möglich. Foto: isomorph Deutschland GmbH http://www.isomorph-deutschland.com

Solarwand (Linearspiegel II) hat ähnliche Eigenschaften wie der Linearspiegel. Sie ist jedoch leistungsstärker als dieser. Deshalb können mit der Solarwand höhere Temperaturen erzeugt werden. Mit ihrer Hilfe wird in Zukunft auch die Solarpyrolyse (CO2-neutrale Umwandlung von Pflanzenmaterialien bzw. -abfällen in Kohle, Öl oder Gas mittels Sonnenenergie) verwirklicht.

   Zwei Stellmotoren für die Sonnennachführung: Die Spiegel werden schräg aufgehängt und mit einem Stangensystem miteinander verbunden. Ein kleines Rechnersystem steuert die Sonnennachführung.

   Zu den 24 Flachspiegeln mit etwa 7,4 m² Gesamtfläche kommt ein Flachwärmetauscher von 70 x 80 cm². Damit nutzt der Wärmetauscher ca. 4 Kilowatt oder 77% der vom Spiegel eingefangenen Sonnenstrahlung, das ist etwa das Doppelte herkömmlicher (Solarkollektor-)Anlagen.

1,85 m² Linearspiegel = ca. 1 kWh Leistung in Dtl.; 1,8 kWh in Marokko (8 Std.), ca. 15 kWh/Tag

3,7 m² Linearspiegel   = ca. 2 kWh in Deutschland; ca. 3,5 kWh in Marokko

7,4 m²   Linearspiegel = ca. 4 kWh in Deutschland; ca. 7 kWh in Marokko; in 8 Std. ca.60 kWh/Tag

Die Leistung des Linearspiegels II (Solarwand) liegt bei 8-9,5 kWh; erzeugt Temperaturen bis 300°C.

Der Linearspiegel II liefert auch im Winter hohe Temperaturen und erzielt einen sehr guten Wirkungsgrad in nördlichen Klimazonen.

Mit dem Linearspiegel II ist auch die Kombination mit einer Dampfturbine möglich: bis zu 300°C.

   Außerdem drehen sich die Spiegel automatisch von der Sonneneinstrahlung weg, wenn keine Energie benötigt wird, und vermeiden so eine Überhitzung. Systemerwärmungszeit von weniger als fünf Minuten. Foto: isomorph Deutschland GmbH

3. Parabolrinnen-Kollektor

Parabolrinnen-Kollektoren sind lange, parabolisch geformte Spiegel, die das Sonnenlicht auf ein Rohr konzentrieren. In diesem Rohr fließt dann ein Wärmeträger, der die Hitze zu seinem Bestimmungsort transportiert. Der Vorteil dieser Technik ist, dass sie durch die Konzentration des Sonnenlichtes viel höhere Temperaturen erreicht, als mit flachen Kollektoren. Da die Kollektoren sehr viel Hitze sammeln können, kann man diese sogar zur Stromproduktion nutzen. Wie in einem Kohle- oder Gaskraftwerk erzeugt man Wasserdampf, der eine Turbine antreibt. Statt Kohle ist hier eben nur die Sonne die Hitzequelle. Das bekannte Desertec-Konzept setzt vor allem auf diese Technik. Diese Kraftwerke können theoretisch problemlos die Leistung von Atomkraftwerken erreichen. In Nordeuropa wird man solche Kollektoren eher selten sehen, da sie im Gegensatz zur konventionellen Solarthermie oder zur Photovoltaik auf eine hohe direkte Sonneneinstrahlung angewiesen sind. Bei diesigem und wolkigem Wetter, wie es hier oft herrscht funktioniert die Spiegeloptik nicht richtig.

Mit Photovoltaik-Nachführung. Bis zu 400°C (390°-1000°C) Erhitzung im Rohr. Überschüssige Energie kann als elektrische Energie genutzt werden.

   Bei Überhitzungsgefahr der Röhren muss der Kollektor aus der Sonne gedreht werden. Das System ist mit Sicherheitsventil (und Überdruckgefäß) ausstatten. Überhitzter Wasserdampf kann sich bis auf das 1700-fache ausdehnen! Als Absorberrohr können konventionelle Rohrleitungen eingesetzt werden.

  Der Parabolrinnen-Kollektor muss ebenfalls der Sonne nachgeführt werden. Eine Stromversorgung von außerhalb ist dazu nicht nötig. Die Kollektoren sind mit einer kleinen Solarzelle ausgestattet, die genügend Strom für den Motor zur Verfügung stellt.

   Eine Verschmutzung der Spiegelfläche verhindert eine Abdeckscheibe aus 2 mm starkem und einseitig gehärtetem Solarglas. Die Scheibe ist druckdicht auf dem Kollektor montiert.

Das Absorberrohr eines Parabolrinnen-Kollektors wird von einem hitzebeständigen, synthetischen Öl durchflossen und verläuft in einer langen Reihe, innerhalb des Brennpunkts eines Spiegels. Die Spiegel weisen einen parabelförmigen Querschnitt auf. Durch die Krümmung können innerhalb der Brennlinie etwa 40% mehr Strahlungsleistung erbracht werden. Die Strahlen der Sonne werden 80-fach auf den Absorberrohren konzentriert und reflektiert. Dabei wird das in den Absorberrohren befindliche Öl auf bis zu 400°C erhitzt.

   Das Wärmeträgermedium führt die Energie in das Kraftwerk und gibt dabei die gewonnene Energie an das Wasser ab. Dabei entsteht Wasserdampf, der für das Antreiben des Generators zuständig ist. Generell besteht auch die Möglichkeit, das Wasser direkt im Absorber verdampfen zu lassen.

Parabolrinnenkollektor von Persolar, auf der Intersolar Europe in München. (Foto: Jan Gesthuizen)

4. Warmwasser-Röhren in einer Vorwärmwand, Stillstandstemperatur

Schwarze Kollektor-Röhren nehmen die Strahlung annähernd gleichmäßig aus allen Richtungen auf, sie müssen nicht der Sonne nachgeführt werden und liefern auch bei Bewölkung noch eine gewisse Leistung. Erwärmung bis auf 110°C Kollektortemperatur. Ergibt bis zu 90°C Wassertemperatur. Bis diese Temperatur erreicht wird, zirkuliert das Meerwasser in der Vorwärmwand.  

   Stillstandstemperatur, die erreicht wird, ist auch abhängig vom Typ des Solarthermie Kollektors. Flachkollektoren erreichen 170 bis 230 Grad Celsius, während (Vakuum-)Röhrenkollektoren ohne weiteres die doppelte Stillstandstemperatur überschreiten können. Überhitztes Wasser kann sich bis auf das 1700-fache Volumen ausdehnen, deshalb müssen in jedem Fall Vorkehrungen getroffen werden, dass keine Leitungen und Gefäße bersten. Es eignet sich aber auch hervorragend als Energie-Druckspeicher, um während fehlender Sonneneinstrahlung Entsalzung durchzuführen oder Elektrizität zu erzeugen.

5. Hitzespeicherblock  

Ein Hitzespeicherblock soll 4,4 kW pro Stunde Energie bei 8m² Scheffler-Reflektor aufnehmen können, bzw. über insges. 34,2 kWh Speicherfähigkeit verfügen. =>  Damit stehen entweder 8 Stunden lang (Tag oder Nacht) 4,4 kWh oder 16 Stunden lang jeweils 2 kWh Entsalzungsleistung zur Verfügung. Der Speicher kann auf 400°C aufgeheizt werden.

   Damit ist bei einer Energiedifferenz von 80°C (20°-100°C) eine Entsalzungsleistung über Tag (8 Std.) oder Nacht (8-16 Std.) von insges. ca. 1,5 m³ möglich.

   Das Hitzespeichermaterial befindet sich in einem 90 ltr-Eisengefäß und einer doppelwandigen  Isolierwanne mit 100 ltr. Volumen. Der Hitzespeicherblock wird von unten her von einem Herd, durch den Scheffler-Reflektor oder durch Thermoölröhren, beheizt.

    Geeignete Systeme  können im nützlichen Bereich zwischen 180°C bis 350°C etwa 1 kWh speichern. Aufheizzeit bis 200°C; Nutzladezeit von 200°C bis 350°C.

Eisenspeicher: 400°C; für 8-10m²-Spiegel = 300kg-Block (Speicherung mehrere Tage), für 2m²-Spiegel = 50kg-Block (Speicherung über Nacht). Bei einem 300 kg-Scheibenspeicher-Eisenblock (Eisenhülle mit Zinnfüllung, isoliert) = Volumen ca. 100 Liter. Bei Thermoöl gibt auch bei 350°C oder 400°C es keine  Expansionsdruckerhöhung. Der Eisenspeicher kann mit flüssigem Metall bis 800°C gefüllt werden. Dagegen erreicht überhitztes Wasser eine Ausdehnung: bei 320°C von 1 bar auf 114 bar. Zinn 30kg Sn: Energiegehalt über 180°C: 0.98kWh;  Anteil der Energie über 200°C = 65%  

Eisenkernspeicher und Dampfspeicher

Der Dampf, der durch einen 8 m²-Scheffler-Reflektor produziert werden kann, dient hier auch als Speichermedium (2 Stunden volle Last ohne Sonne möglich).