DE102010004874A1

DE102010004874A1 - PV/T-Anlagen in Wasseraufbereitungssystemen

Info

Publication number: DE102010004874A1
Application number: DE102010004874A
Authority: DE
Inventors: Markus Dr. Spinnler; Alexander Kroiß
Original assignee: Technische Universitaet Muenchen
Current assignee: Technische Universitaet Muenchen
Priority date: 2009-07-06
Filing date: 2010-01-18
Publication date: 2011-01-13
Also published as: WO2011003874A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Wasserentsalzung, das eine Photovoltaik-Anlage umfasst, wobei das System derart konfiguriert ist, das zu entsalzende Wasser durch die Abwärme der Photovoltaik-Anlage zu erwärmen. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Wasserentsalzung, in dem das zu entsalzende Wasser mit der Abwärme einer Photovoltaik-Anlage erwärmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Wasserentsalzung umfassend eine Photovoltaik-Anlage, wobei das System das zu entsalzende Wasser durch die Abwärme der Photovoltaik-Anlage erwärmt. Insbesondere kann diese Erwärmung des Wassers in Wasseraufbereitungssystemen durch eine PV/T-Anlage (Anlage, mit der photovoltaische und thermische Energie gewonnen werden kann) realisiert werden. Derartige Systeme können z. B. zur Meerwasserentsalzung eingesetzt werden, v. a. auch zusammen mit Membran-Verfahren, in denen es vorteilhaft ist, dass das zu entsalzende Wasser eine bestimmte erhöhte Temperatur aufweist vor der eigentlichen Aufbereitung.
Die Erfindung betrifft den Einsatz von PV/T-Systemen zur Energieversorgung von Wasseraufbereitungsanlagen mit Membrantechnologie und zielt dabei vor allem auf kleine, energieautarke Anlagen im dezentralen Bereich ab. Als Wasseraufbereitungsanlagen werden im Folgenden Anlagen zur Entsalzung von Meer- und Brackwasser sowie zur Aufbereitung von kontaminiertem Oberflächen- und Brunnenwasser bezeichnet. Die Kombination aus PV/T-Systemen und Wasseraufbereitungsanlagen ist völlig neuartig und birgt ein großes technisches wie wirtschaftliches Potenzial:

• Enorme Steigerung der Trinkwasserproduktion
• Alternative zu Druckrückgewinnungssystemen
• Umsatzpotential von ca. 300 Mio. EUR pro Jahr

Bei bestimmten Anlagenkonfigurationen, z. B. bei Kombination von Umkehrosmose (RO) mit PV/T ist im Vergleich zu rein PV-betriebenen Anlagen eine Steigerung der Trinkwasserproduktion von ca. 35 bis 40% realistisch. Das heißt, dass ca. 25 bis 30% der PV-Modulfläche eingespart werden können, wenn man voraussetzt, dass die betrachteten PV/T-betriebenen und PV-betriebenen Anlagen gleiche Mengen an Trinkwasser produzieren. Die Investitionskosten für PV/T-Systeme liegen etwa 10% über denen der PV-Systeme. Das bedeutet, dass der Einsatz von PV/T-Systemen anstelle von PV-Systemen zur Energieversorgung von RO-Anlagen wirtschaftlich sinnvoll scheint.
Der Einsatz von PV/T-Systemen in der Wasseraufbereitung kann außerdem als ernstzunehmende Alternative zu bisherigen Druckrückgewinnungssystemen angesehen werden, deren Zweck die Reduktion des Energieverbrauchs einer Entsalzungsanlage ist. Rechnet man den Mehrertrag an Trinkwasser durch die Verwendung von PV/T-Systemen in eine vergleichbare Energieeinsparung um, lässt sich ein Mehrertrag von 35% als eine Energierückgewinnung von 25% interpretieren. PV/T-Systeme erreichen damit zwar nicht die Dimensionen von Druckrückgewinnungssystemen (mit Energieeinsparungen von 65 bis 75%), gerade diese sind aber für Kleinanlagen unrentabel, so dass der Einsatz von PV/T-Systemen gerade auf diesem Gebiet Sinn macht.
Die Trinkwasserproblematik wird immer mehr zu einem der akutesten Probleme in der Welt. Die Vereinten Nationen prognostizieren, dass bis 2025 zwei Drittel der Weltbevölkerung an Trinkwasserknappheit leiden. Obwohl die Erde zu fast zwei Dritteln mit Wasser bedeckt ist, sind laut UNESCO nur etwa 0,02% dem Menschen als Süßwasser zugänglich. Nicht zuletzt deswegen ist die Wasseraufbereitung und speziell die Meerwasserentsalzung eine sehr aussichtsreiche Technologie zur Lösung dieses Problems. Ein Großteil der unterversorgten Menschen lebt in Entwicklungsländern in ländlichen Gebieten, abgeschnitten von jeglicher Infrastruktur. Das bedeutet auch, dass ein verlässlicher Zugang zur elektrischen Energieversorgung über ein Stromnetz nicht vorhanden ist. Deshalb müssen energieautarke Entsalzungsanlagen entwickelt werden. Da in Ländern wie beispielsweise Afrika oder Indien, in denen Trinkwasser aufgrund von Dürreperioden besonders knapp ist, das solare Angebot sehr hoch ist, liegt es nahe, Wasseraufbereitungsanlagen mit Solarenergie zu versorgen.
Es ist bekannt, dass Wasseraufbereitungsanlagen, speziell Umkehrosmoseanlagen mit von Solarzellen erzeugtem Strom betrieben werden können, was z. B. aus ES000002299396A1 , CN000101337749A oder WO2006067240 hervorgeht. Der elektrische Strom treibt dabei alle für den Entsalzungsvorgang notwendigen Maschinen, z. B. Pumpen oder Systeme zur Wasservor- und Wassernachbehandlung, an. Das Problem, dass durch die Solarenergie keine konstante Energieversorgung der Anlage möglich ist, wird hierbei mit Hilfe von Speichersystemen für elektrische Energie, vor allem Batterien bzw. Akkumulatoren gelöst. Ein Nachteil der Stromversorgung mit Solarenergie sind die hohen Investitionskosten für die Photovoltaik. Diese Systeme nutzen die Solarenergie ausschließlich elektrisch.
Es ist ebenso bekannt, dass die Leistungsfähigkeit der Umkehrosmose-Membranen, die das Salz aus dem Meerwasser filtern, temperaturabhängig ist. Je höher die Salzwassertemperatur ist, desto mehr Permeat kann produziert werden. Die „Recovery Ratio”, d. h. das Verhältnis von Permeatfluss zu Rohwasserfluss (mit Rohwasser wird in diesem Fall das zu entsalzende Meerwasser bezeichnet), wird größer. Das heißt, dass aus einem bestimmten Rohwasserfluss mehr Permeat gewonnen werden kann. Die Trinkwasserproduktion kann demnach durch eine Anhebung der Rohwassertemperatur gesteigert werden. Die Temperaturerhöhung ist durch die Materialeigenschaften der Membranen auf Temperaturen von 40°C bis 45°C beschränkt. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, das Rohwasser auf diese Temperaturen vorzuwärmen.
In US020050236309A1 wird Meerwasser, das beispielsweise als Kühlwasser in einem Kraftwerk auf Temperaturen über 40°C erhitzt wurde, mit kühlerem Meerwasser gemischt, um die Temperaturgrenze von 40°C einzuhalten. Dieses Meerwasser wird anschließend in einer Umkehrosmoseanlage entsalzt. Aus CN000101318724A ist bekannt, dass thermische Solarkollektoren ebenfalls zum Vorwärmen des Salzwassers auf Temperaturen von 40°C bis 45°C geeignet sind. Die Sonnenenergie wird dabei ausschließlich thermisch genutzt.
Derartige Systeme haben den Nachteil, dass sie nicht energieautark eingesetzt werden können. Kraftwerke, die Meerwasser als Kühlwasser verwenden, und Strom aus dem herkömmlichen Stromnetz sind nicht in allen trinkwasserarmen Regionen vorhanden. Zudem sind fossile Energieträger zur Stromerzeugung nicht nur teuer, sondern auch nur noch begrenzt verfügbar.
Das Vorwärmen von Salzwasser macht prinzipiell auch bei der Meerwasserentsalzung auf Basis von Membrandestillation Sinn. Die Temperaturniveaus sind dann jedoch nicht wie bei der Umkehrosmose auf 40°C begrenzt, stattdessen sind Temperaturen von 80 bis 85°C erforderlich. Dies ist mit Einschränkungen für den elektrischen Wirkungsgrad der Photovoltaikmodule verbunden. Bestehende PV/T-Systeme können außerdem die benötigte thermische Leistung nicht vollständig zur Verfügung stellen. Dennoch ist eine Kombination von PV/T-Kollektoren mit Entsalzungsanlagen auf Basis von Membrandestillation durchaus denkbar. Veröffentlichungen zu diesem Thema sind derzeit nicht bekannt.
Ähnliche Ergebnisse wie für das Beispiel der Umkehrosmose sind für die Kombination von PV/T-Systemen mit Nanofiltrations-, Ultrafiltrations- oder Mikrofiltrationsanlagen für die Aufbereitung von kontaminiertem Oberflächen- oder Brunnenwasser zu erwarten. Die auf der Rohwasserseite benötigten Drücke sind weit niedriger als bei der Umkehrosmose, womit sich der Rohwasser-Massenstrom erhöhen und damit der thermische Nutzungsgrad der PV/T-Systeme etwas ungünstiger als bei der Umkehrosmose ausfallen wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Möglichkeit zu finden, Wasseraufbereitungsanlagen, insbesondere solche mit Membrantechnologie, energieautark mit Hilfe von Solarenergie bei vergleichsweise geringen Kosten zu betreiben. Eine weitere bzw. zusätzliche Aufgabe ist es, die bestehenden Verfahren und Systeme zu verbessern und die Nachteile des Stands der Technik abzuwenden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung stellt ein System zur Wasseraufbereitung mit einer Photovoltaik-Anlage bereit, wobei die Abwärme der Photovoltaik-Anlage im Betrieb das Rohwasser für spätere Aufbereitungen vorwärmt.
Unter einem PV/T-System bzw. einer PV/T-Anlage ist zum Beispiel die Kombination einer Photovoltaikanlage (PV) mit einem thermischen Solarkollektor (T) in einer baulichen Einheit zu verstehen. Dies betrifft alle Systeme und/oder Anlagen, die gleichzeitig elektrische und thermische Energie aus Sonnenenergie erzeugen können. Eine Eigenschaft von herkömmlichen PV-Modulen ist es, dass mit zunehmender solarer Einstrahlung die Modultemperatur ansteigt und der elektrische Wirkungsgrad mit etwa 0,5% pro K fällt. Bei sogenannten hybriden PV/T-Systemen kann man diese Temperaturerhöhung zur Erwärmung eines Fluides (meist Wasser oder Luft) nutzen. Ein thermischer Wirkungsgrad von 45–65% ist möglich. Gleichzeitig wird das Photovoltaikmodul, z. B. durch das zu entsalzende Wasser, gekühlt, was sich positiv auf den elektrischen Wirkungsgrad des Photovoltaikmoduls auswirkt. Die Solarenergie wird damit durch die Photovoltaikmodule der Anlage nicht nur elektrisch, sondern auch thermisch genutzt, so dass eine PV/T-Anlage mit photovoltaischer und gleichzeitiger thermischer Anwendung vorliegt. Insgesamt ergibt sich somit außerdem ein höherer Gesamtwirkungsgrad des Systems zur Wasseraufbereitung. Der Einsatz von PV/T-Systemen im Bereich der Wasseraufbereitung ist neuartig und kann einen Betrag zur Lösung des globalen Trinkwasserproblems beitragen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Wasserentsalzung, wobei das System eine Photovoltaik-Anlage umfasst. Das System ist derart konfiguriert, das zu entsalzende Wasser durch die Abwärme der Photovoltaik-Anlage zu erwärmen.
Das System ist vorzugsweise neben dem Einsatz in der Entsalzung von Meerwasser auch generell für die Wasseraufbereitung im Allgemeinen von Vorteil.
Der Begriff „Wasserentsalzung” ist hier die Bezeichnung für die Gewinnung von Trinkwasser oder Brauchwasser aus Meerwasser durch die Verringerung des Salzgehaltes.
Eine „Entsalzung” kann sich auf mehrere Prozesse beziehen, die Salze und Minerale aus dem Wasser entfernen, insbesondere um Trinkwasser zu gewinnen.
Das System zur Wasserentsalzung oder Wasseraufbereitung umfasst eine Photovoltaik-Anlage und kann in einer Ausführungsform eine Pumpen-Anlage und/oder Zuführleitungen für das zu entsalzende oder aufzubereitende Wasser (i. e. das Rohwasser) umfassen. Die Zuführleitungen können hierbei insbesondere geeignet sein, Salzwasser zu führen und sind z. B. aus einem salzwasserresistenten Material wie einem Kunststoff hergestellt (beispielsweise Polypropylen, Polyethylen, Polytetrafuorethylen (PTFE), Kunstharz, uvm.; auch Kunststoffe mit Füllstoffen wie z. B. Metalle oder Keramiken zur Steigerung der Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffes sind denkbar). Die Pumpen-Anlage kann geeignet sein, das Rohwasser an die Photovoltaik-Anlage und/oder von der Photovoltaik-Anlage zu einer unten näher beschriebenen Membran-Einheit zu bringen. An der Photovoltaik-Anlage wird das Rohwasser von der Abwärme der Photovoltaik-Anlage erwärmt, wobei das Rohwasser andererseits die Photovoltaik-Anlage kühlen kann. Das so erwärmte Rohwasser kann dann in der Membran-Einheit aufbereitet werden.
Die Photovoltaik-Anlage kann z. B. eine oder mehrere Solarzellen (Photovoltaikzellen) umfassen. Sind mehrere Solarzellen vorgesehen, können diese über eine elektrische Verschaltung der Solarzellen in einem Modul (Solarzellenmodul, Photovoltaikmodul) angeordnet sein. Dieses Modul kann dann derart ausgestaltet sein, dass mehrere Solarzellen in Reihe geschaltet sind und auf diese Weise eine Solarzellenreihe innerhalb des Solarzellenmoduls bilden, so dass sich deren Ausgangsspannungen addieren. Auch können innerhalb des Solarzellenmoduls mehrere dieser Solarzellenreihen parallel geschaltet werden. Die Photovoltaik-Anlage kann z. B. ein Array aus Solarzellenmodulen umfassen, wobei in wohl definierter Weise bestimmte Solarzellenmodule hinzu- oder abgeschaltet werden können. In einer Ausführungsform umfasst das Array Solarzellenmodule unterschiedlicher Leistungsfähigkeit. Zum Beispiel können einige wenige Solarzellenmodule aus Solarzellen aufgebaut sein, die auch bei höheren Abwärme-Temperaturen als die Solarzellen anderer Solarzellenmodule den gleichen Wirkungsgrad erreichen, so dass das Rohwasser beim Hinzuschalten dieser Solarzellenmodule stärker erwärmt werden kann. Unter „Abwärme” wird hier insbesondere die durch die Solarzelle durch die Wärmeleitung und/oder Strahlung abgegebene Wärme verstanden. Je mehr Energie die Solarzelle durch die Sonneneinstrahlung aufgenommen hat, desto mehr Abwärme kann zur Verfügung stehen.
Dieses Konzept der Hinzu- bzw. Abschaltung bestimmter Solarzellenmodule mit höherer Abwärme kann z. B. für die später unten erläuterte Membran-Destillation, die höher vorgewärmtes Rohwasser verwenden kann, von Vorteil sein. Sollte statt Membran-Destillation das System zur Wasseraufbereitung nach dem Umkehrosmose-Verfahren durchgeführt werden, könnten die vorhandenen Solarzellenmodule, die eine stärkere Abwärme aufweisen, ausgeschaltet werden. Somit ist es möglich, das System auf einfache Weise dem jeweiligen Wasseraufbereitungsverfahren anzupassen. Auch kann mit einem derartigen System je nach benötigter elektrischer Energie (z. B. für die Pumpen-Anlage) die volle elektrische Leistung des Arrays oder eben nur ein bestimmter Teil davon abgerufen werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das System derart konfiguriert, das zu entsalzende Wasser durch die Abwärme der Photovoltaik-Anlage zu erwärmen. In diesem Fall generiert die Photovoltaik-Anlage nicht nur elektrische, sondern (z. B. inhärent) auch thermische Energie. Die Erwärmung des Wassers kann insbesondere dadurch geschehen, dass das System Mittel aufweist, das zu entsalzende (oder generell: das aufzubereitende) Wasser nahe an die Photovoltaik-Anlage zu bringen. Zum Beispiel kann dies durch Schläuche erfolgen, die an mindestens einer der Seitenflächen der Photovoltaik-Anlage oder des Solarzellenmoduls, insbesondere an deren Rückseite (die der Sonneneinstrahlung abgewandte Seite), angeordnet sind. In einer Ausführungsform können diese Schläuche in Schlingen/Schlaufen oder in einem beliebigen anderen Muster angeordnet sein, z. B. um eine wärmeabstrahlende Fläche der Photovoltaik-Anlage bzw. des Solarzellenmoduls möglichst effektiv zu nutzen. Auf diese Weise kann das durch die Schläuche geleitete Rohwasser auch die Photovoltaik-Anlage bzw. das Solarzellenmodul kühlen, z. B. um den Wirkungsgrad entsprechend zu kontrollieren. Die Schläuche können z. B. aus einem salzwasserresistenten Material hergestellt sein, z. B. aus einem Kunststoff.
In einer Ausführungsform können herkömmliche PV/T-Anlagen verwendet werden, um das aufzubereitende Wasser, vorzugsweise Salzwasser, zu erwärmen. In diesem Fall wird vorzugsweise eine Wärmetauscher vorgesehen, der das aufzubereitende Wasser durch eine anderes Fluid erwärmt, von dem das aufzubereitende Wasser im Wärmetauscher Energie aufnimmt. Auf diese Weise kann das aufzubereitende Wasser indirekt, also z. B. über ein weiteres Fluid, erwärmt werden.
Die hier beschriebenen PV/T-Systeme, die in Verbindung mit Wasseraufbereitungsanlagen mit Membrantechnologie zum Einsatz kommen, erzeugen also mit Hilfe von Solarzellen sowohl elektrische als auch thermische Energie (und erwärmen beispielsweise mit Hilfe dieser thermischen Einheit ein Fluid) und nutzen letztere zur Erwärmung des aufzubereitenden Wassers. Dabei ist es unerheblich, wie dieses hier als PV/T-System bezeichnete System aufgebaut ist. Es werden sämtliche Systeme erfasst, unabhängig von

(a) einem Material der Solarzellen (Solarzellen aus monokristallinem, polykristallinem Silizium, Dünnschichtzellen, Farbstoff-(Gräzel)-Solarzellen, organische Solarzellen, usw.),
(b) einem Material des Absorbers und Wärmeübertragers der thermischen Einheit (Metalle wie z. B. Kupfer, Kunststoffe, Keramiken, usw.),
(c) einer Geometrie des PV/T-Systems (Flachkollektoren, konzentrierende Systeme, usw.),
(d) einer Geometrie der sich hinter den Solarzeilen befindenden thermischen Einheit (Kanal- oder röhrenförmiger Wärmeübertrager, usw.),
(e) einer Anzahl der eventuellen Abdeckungen, die über den Solarzellen angebracht sind (keine, eine, mehrere),
(f) einem Material der Abdeckungen (Glas, Teflon, Kunststoff, usw.),
(g) einem eventuellen Arbeitsfluid, das in dem PV/T-System strömt (Wasser, Luft, usw.),
(h) einer Art und einem Material der verwendeten Isolierungen,
(i) einem Einsatz von Spiegeln zur Konzentration von Sonnenstrahlen.

Vielmehr stellen die oben genannten Alternativen bevorzugte Ausführungsformen dar.
Als ein Nachteil von PV/T-Systemen außerhalb des technischen Gebiets der Wasseraufbereitung galt bisher, dass bei einem vergleichsweise guten elektrischen Wirkungsgrad das im PV/T-Kollektor strömende Fluid nur auf niedrige Temperaturniveaus aufgeheizt werden kann. Ein guter elektrischer Wirkungsgrad kann bei PV-Modultemperaturen von bis zu 40°C garantiert werden. Das wiederum bedeutet, dass ein hinter den Solarzellen zirkulierende Kühlungs-Fluid maximal Temperaturen von 30°C bis 40°C annehmen kann. Dieses Temperaturniveau kann allerdings für eine konventionelle PV/T-Anwendung im Bereich Brauchwasser, Prozesswärme oder Heizung ohne zusätzliche Heizunterstützung (z. B. mittels eines separaten Solarkollektors) zu niedrig sein.
Ein Anwendungsgebiet, das bisher noch nicht erschlossen ist, ist nun der erfindungsgemäß beschriebene Einsatz von PV/T-Systemen zur Energieversorgung von Wasseraufbereitungsanlagen. Der von den Solarzellen erzeugte Strom kann beispielsweise die Pumpen für den nötigen Rohwasserfluss antreiben, wie oben bereits beschrieben. Durch die gleichzeitige thermische Anwendung der Photovoltaik-Anlage wird das Rohwasser vorgewärmt, wodurch es auf Temperaturen bis maximal 40°C bis 45°C erwärmt werden kann. Dieses Temperaturniveau stellt, wie bereits oben erläutert wurde, gleichzeitig die obere Grenze für die Wassertemperaturen in Membran-Anlagen dar, da die Mehrzahl der Membranen bei höheren Temperaturen zerstört werden.
Somit stellt die vorliegende Erfindung ein einfacheres und damit kostengünstigeres, mit nur einer Photovoltaik-Anlage (PV/T-Anlage) betriebenes Wasseraufbereitungssystem zur Verfügung.
Um beispielhaft das technische Potential von erfindungsgemäßen Systemen mit PV/T-betriebenen Umkehrosmoseaniagen zur Brackwasser- und Meerwasserentsalzung abzuschätzen, wurde eine Simulation für 16 unterschiedliche Fälle implementiert und durchgeführt (siehe Spinnler, M., Kroiß, A., „Potenzialanalyse zur integrierten Solevorwärmung in solar betriebenen Wasseraufbereitungsanlagen", Interne Machbarkeitsstudie). Mit Wetterdaten aus Almeria und Puerto Rico wurden Standorte zweier unterschiedlicher Breitenlagen simuliert. Almeria steht dabei stellvertretend für eine mediterrane und Puerto Rico für eine tropische Klimazone. Die Analysen wurden jeweils für zwei verschiedene Salzwasserquellen gemacht: Wasser aus dem offenen Meer einerseits und Tiefbrunnenwasser andererseits. Um eine Aussage über den Mehrgewinn jeder dieser PV/T-betriebenen Anlagen zu machen, wurden die betrachteten Systeme mit einer entsprechenden PV-betriebenen Anlage ohne erfindungsgemäße thermische Nutzung verglichen.
Für ein erfindungsgemäßes PV/T RO System ergab sich Folgendes: Aufgrund des Vorwärmens des Rohwassers und der Kühlung der Solarzellen kann eine Steigerung der Permeat-Produktion von ca. 35 bis 40% erreicht werden. Damit ließen sich ungefähr 25 bis 30% an PV-Modulfläche einsparen, wenn man voraussetzt, dass die betrachteten Anlagen gleiche Mengen an Permeat produzieren sollen.
Die Investitionskosten für PV/T-Systeme mit photovoltaischer und thermischer Anwendung liegen etwa 10% über denen der reinen PV-Systeme, in denen lediglich elektrische Energie nutzbar gemacht werden soll. Das bedeutet, dass der erfindungsgemäße Einsatz von PV/T-Systemen anstelle von PV-Systemen zur Energieversorgung von Umkehrosmoseanlagen wirtschaftlich sinnvoll ist, schließlich können 25 bis 30% an PV-Modulfläche eingespart werden. Diese Erkenntnis lässt sich auch auf reine Filtrationsverfahren zur Aufbereitung von kontaminiertem Oberflächen oder Brunnenwasser übertragen. Die Potentiale sind hier ähnlich, wobei gegenüber RO-Systemen ein etwas schlechterer thermischer Nutzungsgrad der PV/T-Systeme erwartet werden könnte.
Der Einsatz einer Photovoltaik-Anlage unter Nutzung ihrer Abwärme ist somit auf dem hier vorliegenden technischen Gebiet der Wasseraufbereitung, insbesondere der Wasserentsalzung, von großem Vorteil.
Bekannte Photovoltaik-Anlagen wurden für den Einsatz in der Wasseraufbereitung lediglich dafür verwendet, den Strom für den Betrieb des Aufbereitungssystems zu liefern. Durch eine Erwärmung der Solarzellen durch Sonneneinstrahlung kann jedoch der Wirkungsgrad der Solarzellen erheblich erniedrigt werden, so dass eine Kühlung der Solarzellen, üblicherweise durch Luft oder Wasser, notwendig sein kann.
Dies macht sich die vorliegende Erfindung zu Nutze, indem das aufzubereitende (z. B. zu entsalzende) Wasser durch die Abwärme der Solarzellen erwärmt und damit besser an die Notwendigkeiten der folgenden Aufbereitungsschritte angepasst werden kann. Somit kann in vorteilhafter Weise ein optimaler Betrieb sowohl der Solarzellen als auch einer nachfolgenden Aufbereitungsanlage erreicht werden.
Bestehende Anlagen für Wasseraufbereitungssysteme nutzen die Photovoltaik-Anlage lediglich zur Gewinnung von Strom, ohne die entstehende thermische Energie zu nutzen.
Die bisherigen Lehren hinsichtlich der thermischen Energie-Entwicklung bei Sonneneinstrahlung auf eine Solarzelle gehen in eine völlig andere Richtung: Die Wärmeabstrahlung der Solarzelle wurde üblicherweise durch eine entsprechende Kühlung so weit wie möglich egalisiert, während die vorliegende Erfindung sich diese thermische Energie zu Nutzen macht.
In einer Ausführungsform ist die Photovoltaik-Anlage derart konfiguriert, zum Betrieb des Systems notwendige elektrische Energie zu liefern.
Auf diese Weise kann das System, vorzugsweise unabhängig von weiteren Energiequellen, die Wasseraufbereitung, insbesondere die Wasserentsalzung, durchführen. Somit ist das System gerade für den Einsatz in Entwicklungsländern und von Strom- oder anderen Energienetzen weit entfernten Orten besonders geeignet.
In einer Ausführungsform umfasst das System eine Membran-Einheit, die derart konfiguriert ist, den Salzgehalt des erwärmten Wassers zu verringern.
Eine Membran-Einheit ist hierbei jede Vorrichtung, die eine Membran umfasst und derart konfiguriert ist, Rohwasser aufzubereiten. Mögliche Verfahren unter Nutzung einer derartigen Membran-Einheit sind z. B. die Umkehrosmose, die Membrandestillation, die Nanofiltration, die Ultrafiltration und die Mikrofiltration. Je nach verwendetem Aufbereitungsverfahren, insbesondere Entsalzungsverfahren, ist die Membran der Membran-Einheit eine semipermeable Membran und weist eine Porengröße von 0.1 bis 5 nm (z. B. für Umkehrosmose) und/oder 0.05 bis 0.5 mm (Membran-Destillation) auf. In einer Ausführungsform kann die Membran hydrophob sein, z. B. in der Verwendung als Membran für die Membran-Destillation.
Zum Beispiel, Wasseraufbereitungsanlagen, insbesondere Wasserentsalzungssysteme, auf Basis von Membranverfahren, die mit PV/T-Systemen betrieben werden, benötigen semipermeable Membranen zur Filtration des Rohwassers. Verschiedenste Membranen sind nutzbar in einer Membran-Einheit des erfindungsgemäßen Systems. Alle vorstellbaren Membran-Einheiten, die geeignet sind, eine Wasseraufbereitung, insbesondere eine Wasserentsalzung, vorzunehmen, sind in dem System möglich. Die Membran-Einheit des Systems kann somit unabhängig sein von

(a) einem bestimmten Membrantyp (Spiral-Wickelmembranen, Hohlfasermembranen, Platten-Membranen, usw.) und Membranmaterial,
(b) einem Wirkprinzip (Umkehrosmose, Membrandestillation, Nanofiltration, Ultrafiltration, Mikrofiltration usw.),
(c) einer Anzahl an Membranen,
(d) einer Anordnung der Membranen (parallel oder in Serie,)
(e) einer Zusammensetzung des Fluids, das durch die Membran strömt.

Vielmehr stellen die oben genannten Alternativen bevorzugte Ausführungsformen dar.
In einer Ausführungsform umfasst die Membran-Einheit eine Umkehrosmose-Anlage.
Eine Variante von Wasseraufbereitungsanlagen mit Membrantechnologie sind sogenannte Umkehrosmose-Anlagen. Bei einer Wasserentsalzung wird das Salz hierbei durch Membranfiltration unter hohem Druck vom Wasser getrennt. Das zurückbleibende, reine Wasser, das sogenannte Permeat, kann dann zu Trinkwasser aufbereitet werden.
Im Detail wird bei der Umkehrosmose (engl. RO („reverse osmosis”)) die aufzubereitende Lösung (z. B. das Meerwasser) unter hohem Druck, zwecks Überwindung des osmotischen Druckes, durch eine semipermeable Membran gepresst. Diese Membran wirkt wie ein Filter und lässt nur bestimmte Atome und/oder Moleküle und/oder Ionen durch. Somit erhält man eine Trennung der ursprünglichen Lösung. Durch den Membranfilter lassen sich z. B. Salz, Bakterien, Viren, Kalk und auch bestimmte Gifte, wie z. B. Schwermetalle, zurückhalten.
In einer Ausführungsform umfasst die Membran-Einheit eine Membran-Destillationsanlage.
Die Membran-Destillation basiert auf einem Verfahren, bei dem aufbereitetes Wasser durch Kondensation nach der Membran-Filterung erhalten wird. Zum Beispiel kann bei einem Entsalzungsverfahren eine mikroporöse und/oder hydrophobe Membran eingesetzt werden, die nur Wasserdampf durchlässt, flüssiges Wasser jedoch zurückhält. Auf der einen Seite der Membran befindet sich warmes Salzwasser (z. B. durch die Abwärme der Photovoltaik-Anlage erwärmt) und auf der anderen Seite eine kältere Fläche. Besteht auf der ganzen Länge der Membran eine Temperaturdifferenz, entsteht ein Wasserdampfpartialdruckgefälle, was bewirkt, dass Wassermoleküle von der warmen auf die kalte Seite der Membran gelangen und dort kondensieren.
Bei der Entsalzung auf Basis von Membran-Destillation kann durch den Einsatz von PV/T-Systemen die benötigte thermische Leistung zwar unter Umständen nicht vollständig zur Verfügung gestellt werden, aber das Vorwärmen durch solche Photovoltaik-Anlagen ist dennoch gewinnbringend und erhöht in vorteilhafter Weise den Wirkungsgrad des Gesamtsystems.
In einer Ausführungsform kann das System thermische Solarkollektoren umfassen.
Zum Beispiel kann das Rohwasser über die Abwärme der Photovoltaik-Anlage erwärmt (vorgewärmt) werden, um dann von den thermischen Solarkollektoren auf eine noch höhere Temperatur gebracht zu werden. Auf diese Weise sind besonders hohe Temperaturen für das Rohwasser zu erreichen, insbesondere Temperaturen, bei denen die Photovoltaik-Anlage einen zu geringen Wirkungsgrad aufweisen würde, um noch effektiv Strom zu erzeugen.
Insbesondere könnte ein derartiges System in der Wasseraufbereitung mit einem Membran-Destillations-Verfahren eingesetzt werden, bei dem höhere Rohwasser-Temperaturen von etwa 80°C von Vorteil waren.
In einer Ausführungsform umfasst das System kein zusätzliches Mittel zur Erwärmung des zu entsalzenden Wassers, insbesondere keine Solarkollektoren.
In einer Ausführungsform umfasst das System somit zur Erwärmung des Rohwassers (i. e. des zu entsalzenden und/oder aufzubereitenden Wassers) nur die Photovoltaik-Anlage. Zum Beispiel sind keine thermischen Solarkollektoren vorgesehen, um das Rohwasser (weiter) zu erwärmen, um höhere Temperaturen für das Rohwasser zu erreichen, bevor dieses in der Membran-Einheit aufbereitet wird (z. B. indem sein Salzgehalt verringert wird). „Kein zusätzliches Mittel zur Erwärmung des zu entsalzenden Wassers” meint hierbei insbesondere, dass kein thermische Energie generierendes Mittel vorgesehen ist, dass nicht-thermische Energie gezielt in thermische Energie umwandelt, um dann das zu entsalzende Wasser zu erwärmen.
Auf diese Weise kann ein besonders einfaches und damit kostengünstiges System bereitgestellt werden, in dem die zur Stromversorgung notwendige Photovoltaik-Anlage ebenfalls als thermische Komponente des Systems genutzt wird, um das Rohwasser zu erwärmen.
Insbesondere könnte ein derartiges System in der Wasseraufbereitung mit einem Umkehrosmose-Verfahren eingesetzt werden, bei dem Rohwasser-Temperaturen von 40°C bis 45°C von Vorteil wären und die bereits schon durch die Abwärme der Photovoltaik-Anlage erreicht werden können.
Wie beschrieben nutzt die vorliegende Erfindung die Abwärme von Solarzellen bzw. einer Photovoltaikanlage, um das aufzubereitende Wasser direkt oder indirekt zu erwärmen und somit einen optimierten Betrieb der Aufbereitungs- oder Entsalzungsanlage zu ermöglichen. Unter Beibehaltung dieses Vorteils ermöglicht die Erfindung weiterhin, die Photovoltaikanlage durch das zu entsalzende bzw. aufzubereitende Wasser zu kühlen und damit gleichzeitig den Betrieb der Photovoltaikanlage zu optimieren. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ermöglicht, dass das zu entsalzende bzw. das aufzubereitende bzw. das zu reinigende Wasser die Photovoltaik-Anlage kühlt.
Durch die Kühlung der Photovoltaik-Anlage mit dem kälteren Rohwasser kann deren Effektivität gewährleistet und ihr Wirkungsgrad konstant gehalten werden.
In einer Ausführungsform umfasst das System einen Energiepuffer, der mit der Photovoltaik-Anlage gekoppelt und derart konfiguriert ist, Temperaturschwankungen der Abwärme auszugleichen.
Der Energiepuffer kann in Form eines Wärmespeichers vorliegen, wobei der Wärmespeicher gegebenenfalls überschüssige Wärmeenergie von der Photovoltaik-Anlage speichert. Überschüssige Wärmeenergie kann z. B. dann vorliegen, wenn nicht die gesamte Abwärme für die Erwärmung einer bestimmten Menge an aufzubereitendem (z. B. zu entsalzendem) Wasser benötigt wird. Wärmespeicher können z. B. Langzeit- und/oder Kurzzeitspeicher sein. Langzeitspeicher können z. B. Heißwasser-Wärmespeicher (gedämmter Behälter mit Wasser) sein. Auch thermochemische (z. B. auf der Basis von Silicagel und/oder Zeolith) und Latent-Wärmespeicher (Salze oder Paraffine schmelzen bei Wärmezufuhr und geben genau diese empfangene Wärmeenergie beim Erstarren wieder ab) können als Langzeitspeicher verwendet werden. Kurzzeitspeicher speichern die Wärme nur für wenige Stunden oder Tage. Hierfür können z. B. selbstständig stehende Wasser-Speicher-Behälter oder thermochemische Wärmespeicher wie oben beschrieben eingesetzt werden.
Somit kann der Wärmespeicher gegebenenfalls die Photovoltaik-Anlage bei der Erwärmung besonders kühlen Rohwassers unterstützen und Temperaturschwankungen auf einfache Weise ausgleichen.
In einer Ausführungsform umfasst das System einen Zwischenspeicher für das erwärmte Wasser. Zum Beispiel kann erwärmtes Wasser aus dem Zwischenspeicher an die Membran-Einheit geführt werden, insbesondere wenn zu entsalzendes Wasser bzw. aufzubereitendes Wasser nicht schnell genug und/oder in nicht ausreichender Menge von der Photovoltaik-Anlage erwärmt werden kann.
Auf diese Weise können Schwankungen in der Wasserversorgung der Membran-Einheit verringert werden.
In einer Ausführungsform umfasst das System eine Batterie (Akkumulator) zum Speichern bzw. Zwischenspeichern von elektrischer Energie. Zum Beispiel kann ein Teil der durch die Photovoltaik-Anlage erhaltenen/erzeugten elektrischen Energie in der Batterie gespeichert werden. Insbesondere bei nicht ausreichender Sonneneinstrahlung auf die Photovoltaik-Anlage kann zum Betrieb des Systems benötigte elektrische Energie der Batterie entnommen werden.
Auf diese Weise können insbesondere Schwankungen in der Stromversorgung des Systems verringert werden. In einer besonderen Ausführungsform kann somit auch ein im Wesentlichen konstanter Betriebsdruck erreicht werden.
In einer Ausführungsform umfasst das System einen Wärmetauscher. Zum Beispiel kann der Wärmetauscher geeignet sein, das Rohwasser vor dem Eintritt in die Photovoltaik-Anlage vorzuwärmen, und/oder erwärmtes Wasser, insbesondere vor und/oder nach der Aufbereitung/Entsalzung z. B. zur Kühlung der Photovoltaik-Anlage zu verwenden.
Auf diese Weise kann die Effizienz des Systems weiter gesteigert werden. Auch kann auf diese Weise eine Kühlung mit Süßwasser realisiert werden, wenn zur Kühlung Süß- oder bereits entsalztes Wasser an die Photovoltaik-Anlage geführt wird. Das zu entsalzende Wasser wird dann vorzugsweise in einem Wärmetauscher durch das erwärmte Kühlwasser erwärmt. Insbesondere kann Wasser, das durch die PV/T-Anlage erwärmt wurde, das Rohwasser, vorzugsweise über den Wärmetauscher, erwärmen.
In einer Ausführungsform sind Komponenten des Systems insbesondere aus einem salzwasserresistenten Material wie einem Kunststoff hergestellt (beispielsweise Polypropylen, Polyethylen, Polytetrafuorethylen (PTFE), Kunstharz, uvm.; auch Kunststoffe mit Füllstoffen wie z. B. Metalle oder Keramiken zur Steigerung der Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffes sind denkbar) und/oder mit diesem zumindest teilweise beschichtet und/oder entsprechend behandelt. Diese Komponenten können zum Beispiel Komponenten des Systems sein, die mit Salzwasser in Kontakt kommen, insbesondere Schläuche, Zuleitungen usw..
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Wasserentsalzung. Das Verfahren umfasst den folgenden Schritt: (a) Erwärmen des zu entsalzenden Wassers mit der Abwärme einer Photovoltaik-Anlage.
In besonderen Ausführungsformen des Verfahrens gelten die obigen Beschreibungen und Erläuterungen der Merkmale des erfindungsgemäßen Systems und das im obigen Zusammenhang erläuterte Konzept der Erfindung ebenso für das hier und im Folgenden beschriebene erfindungsgemäße Verfahren.
In einer Ausführungsform liefert die Photovoltaik-Anlage zur Wasserentsalzung notwendige elektrische Energie, also z. B. die zum Betrieb des Wasseraufbereitungssystems (z. B. des Systems zur Wasserentsalzung) notwendige elektrische Energie.
Die von der Photovoltaik-Anlage generierte elektrische Energie kann zum Beispiel dazu verwendet werden, das zu entsalzende Wasser z. B. über Leitungen mittels Pumpen an die Photovoltaik-Anlage zu bringen, wo das Wasser vorgewärmt wird. Weiter kann der von der Photovoltaik-Anlage generierte Strom dazu dienen, andere System-Komponenten, wie z. B. die Membran-Einheit, zu versorgen, um die eigentliche Wasseraufbereitung/-entsalzung des vorgewärmten Wassers durchzuführen.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den folgenden Schritt: (b) Verringern des Salzgehalts des erwärmten Wassers in einer Membran-Einheit.
In einer Ausführungsform wird in Schritt (b) das erwärmte Wasser unter einem hohen Druck durch eine semipermeable Membran gefiltert.
Zum Beispiel kann das erwärmte Wasser in einem Umkehrosmose-Verfahren aufbereitet bzw. entsalzt werden.
In einer Ausführungsform wird in Schritt (b) Wasserdampf des erwärmten Wassers durch eine semipermeable hydrophobe Membran von salzhaltigem Wasser getrennt.
Zum Beispiel kann das erwärmte Wasser in einem Membran-Destillations-Verfahren aufbereitet bzw. entsalzt werden.
In einer Ausführungsform wird die Temperatur des erwärmten Wassers anhand eines Energie-Puffers an der Photovoltaik-Anlage kontrolliert und/oder eingestellt.
Zum Beispiel kann der Energiepuffer mit der Photovoltaik-Anlage gekoppelt sein. Ferner kann der Energiepuffer derart konfiguriert sein, Temperaturschwankungen der Abwärme auszugleichen, um damit die Temperatur des erwärmten Wassers zu kontrollieren und/oder (auf einen bestimmten Wert) einzustellen.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Computerprogrammprodukt, das mindestens ein computerlesbares Medium mit auf einem Computer ablaufbaren Instruktionen zur Ausführung der oben diskutierten Verfahrensschritte umfasst.
Zum Beispiel kann das Computerprogrammprodukt ein Computerprogramm umfassen, das geeignet ist, den Ablauf der Wasseraufbereitung zu steuern und/oder zu kontrollieren. In einer Ausführungsform kann das Computerprogramm die Funktionsweise des Systems mit Photovoltaik-Anlage und gegebenenfalls auch mit Membran-Einheit steuern und/oder kontrollieren. Zum Beispiel kam bei Ablauf des Computerprogramms die Photovoltaik-Anlage derart gesteuert werden, dass Solarzellenmodule zu bestimmten Zeitpunkten ein- oder ausgeschaltet werden, dass der generierte Strom für weitere Mittel in dem System (z. B. für eine Pumpen-Anlage) verwendet wird und dass das erwärmte Wasser die Membran-Einheit erreicht und dort entsprechend aufbereitet und gegebenenfalls im Anschluss weiter behandelt wird. In einer Ausführungsform kann das Computerprogrammprodukt geeignet sein, bestimmte, sich in dem System befindende Sensoren anzusteuern, um z. B. Daten über die Temperatur und/oder den Salzgehalt des erwärmten Wassers und/oder des Rohwassers zu erhalten und in Abhängigkeit von diesen einen bestimmten Ablauf des Verfahrens zur Wasseraufbereitung festzulegen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner den Einsatz von PV/T-Systemen sowohl zur elektrischen Energieversorgung der für eine Anlage zur Wasseraufbereitung auf Basis der Membrantechnologie nötigen Maschinen, zu deren Betrieb elektrischer Strom benötigt wird, als auch zur Vorheizung des Rohwassers, um eine optimale Betriebstemperatur und damit die größtmögliche Leistungsfähigkeit der Membranen zu garantieren.
1 zeigt schematisch ein Wasseraufbereitungssystem mit einer Photovoltaik-Anlage.
Zur Illustration, wie zum Beispiel eine PV/T-betriebene Umkehrosmoseanlage aufgebaut sein kann, soll dienen. zeigt eine mögliche Anlagenkonfiguration, hier beispielhaft dargestellt als eine Kombination von PV/T-Systemen (einer PV/T-Anlage) mit einer Umkehrosmoseanlage/-einheit zur solaren Meerwasserentsalzung in einem Wasseraufbereitungssystem, insbesondere in einem Wasserentsalzungssystem.
Für den Umkehrosmoseprozess sind die Membranen der Grundbaustein 8. Die Hochdruckpumpe 7 erhöht den Druck des Salzwassers 0 vor dem Membraneintritt je nach Salzgehalt auf ca. 60 bar. Die Pumpe 7 wird mit der elektrischen Energie versorgt, die in den PV/T-Systemen 3 erzeugt wird. Um zu hohe Schwankungen in der Energieversorgung abzufedern, wird ein Akkumulator 6 als Zwischenspeicher für den elektrischen Strom eingesetzt. Die Temperaturabhängigkeit der Leistungsfähigkeit der Membran soll durch das Vorwärmen des Rohwassers 0 in den PV/T-Kollektoren bzw. in der Photovoltaik-Anlage 3 ausgenutzt werden. Zwischen Hochdruckpumpe 7 und den Kollektoren 3 befindet sich ein Warmwasserbehälter 5. Dieser dient als Zwischenspeicher für das erwärmte Rohwasser. Auf diese Weise können große Schwankungen in der Wasserversorgung der einzelnen Umkehrosmoseeinheiten 8 vermieden werden. Die Temperatur, bei der die Membranen optimal arbeiten, beträgt ungefähr 40°C. Um auch das Temperaturniveau annähernd konstant zu halten, könnten neben den PV/T-Systemen optional reine Solarkollektoren 4 bzw. Mittel zur Erwärmung des aufzubereitenden/zu entsalzenden Wassers angebracht werden.
Eine Variante, Energie zurückzugewinnen, ist hier mit dem Wärmetauscher 1 angedeutet. Die Temperatur des Feed-Wassers (Rohwassers) 0 wird damit schon vor dem Eintritt in die einzelnen Kollektoren 3, 4 angehoben. Insgesamt kann so eine zusätzliche Steigerung der Trinkwasserproduktion erreicht werden. Ob die Wasservorbehandlung 2 vor oder nach dem Wärmetauscher 1 und den Kollektoren 3, 4 durchgeführt wird, ist bei der Auslegung der Anlage zu entscheiden. Das Permeat 9 kann beispielsweise durch Zugabe von Mineralien, pH-Wert Korrektur usw. 11 schließlich zu Trinkwasser 12 aufbereitet.
In Großanlagen wird häufig eine zweite Form der Energierückgewinnung genutzt: Die Druckrückgewinnung – sie ist aufgrund hoher Investitionskosten nur in Großanlagen wirtschaftlich rentabel. Mit derartigen Systemen sind Energieeinsparungen von 65 bis 75% möglich. Rechnet man den Mehrertrag an Permeatstrom durch die Verwendung von PV/T-Systemen in eine vergleichbare Energieeinsparung um, lässt sich ein Mehrertrag von 35% als eine Energierückgewinnung von 25% interpretieren. PV/T-Systeme erreichen damit zwar nicht die Dimensionen von Druckrückgewinnungssystemen, das Ergebnis ist aber dennoch sehr vielversprechend. Der Gedanke liegt nun nahe, dass PV/T-Systeme genau dort eingesetzt werden können, wo Druckrückgewinnungssysteme unrentabel werden – nämlich vor allem bei energieautarken Kleinanlagen.
Bezugszeichenliste
Bezeichnungsliste Fig. 1:

0: Meerwasser/aufzubereitendes Wasser/Brackwasser (bspw. aus einem Tiefbrunnen, einem Reservoir oder direkt aus dem offenen Meer)
1: Wärmetauscher
2: Wasservorbehandlung (Filtration, Säurezugabe, und/oder Anti-Scalants, usw.)
3: PV/T-Systeme
4: Thermische Solarkollektoren
5: Warmwasserbehälter
6: Batterie(n)/Akkumulator(en)
7: Pumpe (z. B. 60 bar)
8: Umkehrosmoseeinheiten (Membranen)
9: Permeat
10: Konzentrat
11: Wassernachbehandlung (Zugabe von Mineralien, PH-Wertkorrektur, usw.)
12: Trinkwasser

2 zeigt schematisch ein weiteres Beispiel für ein Wasseraufbereitungssystem mit einer Photovoltaik-Anlage.
Auch in 2 sind die Membran-Einheiten 26 der Grundbaustein für den Umkehrosmoseprozess. Die Hochdruckpumpe 25 kann den Druck des Salzwassers 20 vor dem Membraneintritt je nach Salzgehalt auf z. B. ca. 60 bar erhöhen. Die Pumpe 25 wird zum Beispiel mit elektrischer Energie versorgt, die in der Photovoltaik-Anlage 22, vorzugsweise einem PV/T-System, erzeugt wird. Ein Akkumulator 24 kann als Zwischenspeicher für elektrischen Strom eingesetzt werden, insbesondere um zu hohe Schwankungen in der Energieversorgung abzufedern. Ähnlich wie bei dem oben beschriebenen Beispiel wird auch hier die Temperaturabhängigkeit der Leistungsfähigkeit der Membran-Einheiten 26 vorzugsweise durch das Vorwärmen des Rohwassers 20 in der Photovoltaik-Anlage 22 ausgenutzt. Zwischen der Pumpe 25 und der Photovoltaik-Anlage 22 wird vorzugsweise ein Warmwasserbehälter 23 vorgesehen, um als Zwischenspeicher für das erwärmte Rohwasser zu dienen. Auf diese Weise können vorzugsweise große Schwankungen in der Wasserversorgung der einzelnen Umkehrosmoseeinheiten vermieden werden.
Wie in 1 bereits beschrieben, wird vorzugsweise eine Wasservorbehandlung 21 vorgesehen, z. B. um das aufzubereitende Wasser vorab entsprechend zu filtern, den Säuregehalt einzustellen oder Antiscalants zuzugeben. Nach dem Umkehrosmoseprozess kann dann das Permeat 27 beispielsweise durch Zugabe von Mineralien, und/oder durch eine pH-Wert Korrektur usw. 28 schließlich zu Trinkwasser 29 aufbereitet werden. Das in den Membran-Einheiten 26 vom Permeat 27 getrennte Konzentrat 30 kann zum Beispiel letztendlich wieder dem Meerwasser oder einem Rohwasser-Reservoir 20 zugeführt werden.
Bezugszeichenliste
Bezeichnungsliste Fig. 2:

20: Meerwasser/aufzubereitendes Wasser/Brackwasser (bspw. aus einem Tiefbrunnen, einem Reservoir oder direkt aus dem offenen Meer)
21: Wasservorbehandlung (Filtration, Säurezugabe, und/oder Anti-Scalants, usw.)
22: Photovoltaik-Anlage, vorzugsweise PV/T-System
23: Warmwasserbehälter
24: Batterie(n)/Akkumulator(en)
25: Pumpe (z. B. 60 bar)
26: Umkehrosmoseeinheiten (Membranen)
27: Permeat
28: Wassernachbehandlung (Zugabe von Mineralien, PH-Wertkorrektur, usw.)
29: Trinkwasser
30: Konzentrat

Die detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung und v. a. die Ausführungsformen dienen im Wesentlichen der Illustration und sind beispielhaft und nicht restriktiv zu verstehen. Merkmale, die in Zusammenhang mit einer bestimmten Ausführungsform oder einem Unteranspruch beschrieben sind, können auch dann von Vorteil sein, wenn sie als Merkmale für andere beschriebene Ausführungsformen oder auch nicht beschriebene Alternativen und/oder Äquivalente oder andere Unteransprüche dienen, auch wenn sie in deren Zusammenhang nicht explizit beschrieben wurden. Abänderungen und Modifikationen der beschriebenen Ausführungsformen und der beanspruchten Gegenstände werden von der Erfindung ebenso miterfasst, wie ein Fachmann auf diesem technischen Gebiet beim Lesen der Beschreibung und beim Studieren der Figuren und der Patentansprüche dies erkannt hätte. Das Verb ”umfassen” bedeutet in der Beschreibung und den Patentansprüchen, dass weitere Elemente und/oder Verfahrensschritte vorliegen können, und der unbestimmte Artikel „ein” schließt den Plural nicht aus.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- ES 000002299396 A1 [0006]
- CN 000101337749 A [0006]
- WO 2006067240 [0006]
- US 020050236309 A1 [0008]
- CN 000101318724 A [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Spinnler, M., Kroiß, A., „Potenzialanalyse zur integrierten Solevorwärmung in solar betriebenen Wasseraufbereitungsanlagen” [0030]

Claims

System zur Wasserentsalzung, umfassend eine Photovoltaik-Anlage (3), wobei das System derart konfiguriert ist, das zu entsalzende Wasser (0) durch die Abwärme der Photovoltaik-Anlage zu erwärmen.
System nach Anspruch 1, wobei die Photovoltaik-Anlage (3) derart konfiguriert ist, zum Betrieb des Systems notwendige elektrische Energie zu liefern
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei das System eine Membran-Einheit (8) umfasst, die derart konfiguriert ist, den Salzgehalt des erwärmten Wassers zu verringern.
System nach Anspruch 3, wobei die Membran-Einheit (8) eine Umkehrosmose-Anlage umfasst.
System nach einem der Anspruch 3, wobei die Membran-Einheit (8) eine Membran-Destillationsanlage umfasst.
System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das zu entsalzende Wasser (0) die Photovoltaik-Anlage (3) kühlt.
System nach einem der Ansprüche 2–6, wobei das System einen Energiepuffer umfasst, der mit der Photovoltaik-Anlage gekoppelt und derart konfiguriert ist, Temperaturschwankungen der Abwärme auszugleichen, und wobei die Photovoltaik-Anlage (3) eine PV/T-Anlage ist.
Verfahren zur Wasserentsalzung, umfassend den folgenden Schritt: (a) Erwärmen des zu entsalzenden Wassers (0) mit der Abwärme einer Photovoltaik-Anlage (3).
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Photovoltaik-Anlage (3) zur Wasserentsalzung notwendige elektrische Energie liefert.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, umfassend den folgenden Schritt: (b) Verringern des Salzgehalts des erwärmten Wassers in einer Membran Einheit (8).
Verfahren nach Anspruch 10, wobei in Schritt (b) das erwärmte Wasser unter einem hohen Druck durch eine semipermeable Membran gefiltert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei in Schritt (b) Wasserdampf des erwärmten Wassers durch eine semipermeable hydrophobe Membran von salzhaltigem Wasser getrennt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Temperatur des erwärmten Wassers anhand eines Energie-Puffers (5) an der Photovoltaik-Anlage (3) kontrolliert und/oder eingestellt wird.
Computerprogrammprodukt umfassend mindestens ein computerlesbares Medium. mit auf einem Computer ablaufbaren Instruktionen zur Ausführung der Verfahrensschritte nach einem der Ansprüche 8 bis 13.