-
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]