Die solare Destillation bezeichnet Methoden zur Entsalzung von Meerwasser mit Hilfe von Sonnenenergie. Dieser Artikel beschreibt eine Zusammenstellung der Verfahren.
Physik der Verdunstung Von Verdunsten spricht man, wenn die Temperatur der Lösung unter der Siedetemperatur liegt und der Dampfteildruck im umgebenden Trägergas (Luft) geringer als an der Flüssigkeit ist. Das Lösungsmittel verdunstet dann abhängig von der Temperatur und der Teildruckdifferenz. Der Gesamtdruck des an die Lösung angrenzenden Raumes ist dabei größer als der Teildruck des entstehenden Dampfes. Die Dampfdiffusion verteilt den Dampf im Trägergas. Bei Normaldruck bleibt z. B. die Temperatur von Wasser unter 100 °C. Die Entsalzung von Meerwasser durch Verdunsten und anschließender Kondensation ist ein auf der Erde natürlich vorkommendes Verfahrensprinzip. Verdunstung und Kondensation von Wasser in Luft kann unter Nutzung der Solarenergie bei unterschiedlichen Temperaturen und bei Umgebungsdruck stattfinden. Niedrige Prozesstemperaturen ermöglichen den Einsatz von nichtkonzentrierenden Solarkollektoren, wobei die Wärmeverluste in Grenzen gehalten werden können. Niedrigere Prozesstemperaturen ermöglichen den Einsatz von preiswerten Materialien mit geringen Anforderungen an die Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Dagegen ist der Flächenbedarf von Verdunstungsanlagen wesentlich größer, da die Verdunstungsleistung auch von der Oberfläche abhängt. Pro Flächeneinheit werden nur geringe Wärme- und Stoffstromdichten erreicht. Somit kann die gleiche Dampfleistung wie bei Verdampferanlagen nur über eine große Fläche gewährleistet werden.
Physik der Verdampfung Verdampfen ist ein thermisches Trennverfahren, das eine Flüssigkeit oder ein Lösungsmittel der Lösung eines nichtflüchtigen Feststoffes in den Dampfzustand durch Änderung der Temperatur und des Druckes überführt. Dabei wird das Lösungsmittel (meist Wasser) durch Erhitzen der Lösung auf Siedetemperatur dem eingestellten Druck entsprechend teilweise abgetrennt. Der entstehende Brüdendampf besteht im Gegensatz zur Destillation nur aus Sattdampf des Lösungsmittels. Der Wärmeinhalt kann zum mehrstufigen Verdampfen oder zur Lösungsvorwärmung wieder verwendet werden. Verdampfung kann unter unterschiedlichen Bedingungen stattfinden und damit zu verschiedenen Erscheinungsformen führen: Stilles Verdampfen Das Sieden findet nur an der Flüssigkeitsoberfläche infolge freier Konvektion, bei geringer Heizflächenbelastung, statt. Unterkühltes Verdampfen Sieden findet vor Erreichen der druckabhängigen Siedetemperatur der Flüssigkeit bei hohen Heizflächenbelastungen statt. Dabei verdampfen und kondensieren örtlich an der Heizfläche entstehende Blasen gleichzeitig. Blasenverdampfen Dabei bilden sich Dampfblasen an der Heizfläche bei mittlerer Heizflächenbelastung. Die Dampfblasen entstehen an Poren und Unebenheiten der Wandfläche, die Gase oder Restdampf enthalten können. Diese stellen Keimstellen für die Dampfblasenbildung dar.
Einfache solare Verdunstungsanlagen Gewächshausprinzip In einem flachen, schwarzen (PE, PC) Becken mit einer Isolationsschicht als Wärmedämmung (z. B. Sand) und einer zeltförmigen, transparenten Abdeckung aus Fensterglas verdunstet durch die Absorption der Sonneneinstrahlung das Meer- oder Brackwasser. Der Wasserdampf schlägt sich an der Innenseite der windgekühlten Abdeckung nieder. Das Kondensat wird mittels Auffangrinnen zur weiteren Aufbereitung (Verschnitt mit Salzwasser) abgeleitet. Einfache Solardestillen nach diesem Prinzip wurden bereits seit Ende des 19. Jahrhunderts zur Meerwasserentsalzung eingesetzt. Bei Anlagen in Küstennähe wird das nach dem Verdunstungsprozess übrig gebliebene Meerwasser (Sole) wieder ins Meer zurückgepumpt. Die mittlere Produktionsleistung einer einfachen solaren Meerwasserentsalzungsanlage nach dem Gewächshausprinzip liegt im Sommer durchschnittlich bei bis zu 6 Litern pro Quadratmeter pro Tag und ca. 1,2 Litern pro Quadratmeter pro Tag Trinkwasser im Winter. Dies gilt für Jahreseinstrahlungsleistungen von 1500 bis 2000 kWh/m² (Mittelmeerraum) und einem Anlagenwirkungsgrad von 40 %. Daher sind sie sehr flächenintensiv, wenn große Wassermengen gewonnen werden sollen. Bei einer Lebensdauer von 20 Jahren und einem Zinssatz von 8 % ergibt sich ein Trinkwasserpreis von ca. 2,9 US$/m³.
Vorteile: Der Aufbau der Anlage ist einfach und kann ohne tiefgehende Spezialkenntnisse dezentral gebaut und angewendet werden. Bei Anlagen auf Meereshöhe ist keine elektrische Versorgung notwendig, da keine Pumpen eingesetzt werden müssen. Dadurch ist ein Einsatz in Regionen ohne Infrastruktur möglich.
Nachteile: Die Leistung der Anlage je Fläche ist vergleichsweise gering, da die Kondensation an der Glasfläche erfolgt und die Kondensationsenergie nicht zurückgewonnen und für eine Voraufheizung des Meerwassers genutzt werden kann.
Kollektor und Solardestille Die Produktion von Destillat steigt mit der Wassertemperatur progressiv an. Daher sollte die Destille mit einem solarthermischen Kollektor gekoppelt und die Kondensationsenthalpie des im Kollektor kondensierenden Wassers zur Aufheizung der Sole in der Destille genutzt werden. Die mit einem Kollektor gekoppelte Destille erbrachte bei guter solarer Einstrahlung im Vergleich zur einfachen Solardestille eine Produktionssteigerung von 15 %, bezogen auf 1 m² Anlagenfläche (Destille + Kollektor). Dagegen steht der sehr viel höhere Bauaufwand und die höheren Kosten eines Flachkollektors gegenüber der einfachen Solardestille. Jedoch haben Versuche gezeigt, dass durch eine Wärmezufuhr in das Solebad (externe Wärmequelle mit genügend hohem Temperaturniveau, ggf. Abwärme) und die damit verbundenen höheren Sole-Temperaturen oberhalb 80 °C Produktionssteigerungen von über 50 % erzielt werden können.
Kaskadendestille Laut Ergebnissen eines Projekts des Solar-Instituts Jülich ist die Kaskadendestille vergleichsweise aufwändig:
Watercone mini|Watercone mini|Watercones können auch zur Gewinnung von Wasser aus Bodenfeuchte genutzt werden Der Watercone besteht aus einer Absorberschüssel und einem bauchig geformten Kegel. Als Material wird beschichtetes Polycarbonat verwendet. Das Meer- oder Brackwasser wird manuell in das Absorberbecken geschüttet. Durch die Sonneneinstrahlung verdunstet das Wasser und kondensiert am Kegel. Das kondensierte Wasser läuft am Kegel ab in eine Auffangrinne. Dort wird das Wasser gespeichert und kann am Ende des Prozesses durch Umdrehen des Kegels und Öffnen des Verschlusses an der Spitze des Kegels entnommen werden. Zudem kann mit dem Watercone Bodenfeuchte aufgefangen und für Trinkwasser verwendet werden. Bei dieser Anwendung steht der Kegel direkt auf dem Erdboden. Die Bodenfeuchte kondensiert an der Kegeloberfläche, wird in der Auffangrinne gesammelt und kann danach genutzt werden.
Vorteile: Die Einfachheit des Watercone ist einer seiner größten Vorteile. Auch Bevölkerung mit einem niedrigen Bildungsniveau kann ihn ohne Probleme selbstständig benutzen. Das System ist durch Piktogramme einfach erklärbar. Es entstehen keine Kosten durch Stromverbrauch oder Wartungsbedarf. Das verwendete Material Polycarbonat ist leicht, transparent und praktisch unzerbrechlich; mehrere Watercone-Geräte können für Transport und Lagerung ineinandergesteckt werden. Mit einem Preis von unter 50 € pro Stück bei einer Lebensdauer von mindestens 3 Jahren und einer täglichen Produktion von bis zu 1,5 Litern liegt der Wasserpreis bei unter 3 Eurocent pro Liter (30 €/m³) und damit deutlich unter dem Preis von in Flaschen abgefülltem Trinkwasser.
Nachteile: Die gesamten Kosten sind am Anfang eines Projektes zu leisten. Dafür müssen Microcredits oder andere Finanzierungen zur Verfügung stehen, um das Gerät auch für die Ärmsten verfügbar zu machen. Ferner ist die Lebensdauer mit 3–5 Jahren relativ gering. Mit der Zeit wird das verwendete Material Polycarbonat matt.
Methoden für den Notfall mini|Methoden für den Notfall Die Methoden der solaren Meerwasserentsalzung für den Notfall beruhen auf einem größeren Behälter, der das verunreinigte Wasser enthält, wie zum Beispiel einem Kochtopf oder einer Grube im feuchten Boden. Dieser Behälter wird mit einer transparenten Kunststofffolie abgedeckt, die an den Rändern des Behälters gut befestigt wird. In die Mitte dieser Kunststofffolie legt man danach irgendein nicht zu schweres Gewicht, damit die Kunststofffolie die Form eines Kegels mit stumpfem Winkel annimmt, der mit seiner Spitze nach unten zeigt. Unter diese tiefste Stelle der Kunststofffolie stellt man einen Becher zum Auffangen des hier abtropfenden Kondenswassers. Eventuell muss man diesen Becher am Anfang beschweren, damit er im Meerwasser nicht aufschwimmt, das natürlich auch nicht zu hoch in den größeren Behälter eingefüllt werden darf. Im Prinzip ist diese Methode ein umgekehrter Watercone. Außerdem kann die Oberseite dieser Kunststofffolie dann auch noch Regenwasser auffangen.
Komplexe solare Verdunstungsanlagen Das Ziel mehrstufiger Solardestillen ist es, die eingestrahlte Sonnenenergie mehrmals zu nutzen, um eine maximale Destillatausbeute zu erreichen. Solche Anlagen benötigen trotz einiger Erfolge noch großer Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen. Dabei werden verschiedene Konzepte verfolgt.Tapping A Market. In:
Feuchtluft-Gegenstromdestille Dabei handelt es sich um einen geschlossenen Behälter. Es wird keine Vakuumtechnologie benötigt, der Behälter sollte nur luftdicht sein. Im größeren Bereich des Verdunstungsmoduls wird über große Tücher heißes Wasser verdunstet. Das einfließende Wasser hat eine Temperatur von 80 °C. Auf der anderen Seite befinden sich Kondensatoren, die von kaltem Meerwasser durchströmt werden. Heiße und feuchte Luft hat eine geringere Dichte als kalte und trockene Luft. Deswegen steigt die heiße und feuchte Luft hoch. Auf der anderen Seite wird sie abgekühlt, weil kaltes Meerwasser diesen großen Wärmeübertrager durchfließt. Die feuchte Luft zirkuliert von selbst. Ein Ventilator wird nicht benötigt. Daher kommt der Name Feuchtluft-Gegenstromdestille. Die Anlage benötigt eine Kollektorfläche von 37,5 Quadratmetern. Dabei wird mittags Wärme zwischengespeichert und abends zur weiteren Meerwasserentsalzung verwendet. Ein 24-Stunden-Betrieb ist jedoch noch nicht möglich. Die Produktion beträgt zwischen 488 und 536 Liter/Tag. Die Anlage hat einen spezifischen Energiebedarf von 106–114 kWh/m³ Wasser.
Vorteile: Es ist ein sehr einfaches Prinzip, das die Möglichkeit bietet, wartungsarme Systeme aufzubauen. Daher ist es dezentral einsetzbar. Trotzdem wird die Kondensationsenergie zurückgewonnen und für eine Erwärmung des Meerwassers eingesetzt. Gegenüber der einfachen Solardestille kann der Ertrag wesentlich gesteigert und damit der Flächenbedarf gesenkt werden.
Nachteile: Gegenüber der einfachen Solardestille ist ein höherer apparativer Aufwand nötig. Daher sind höhere Investitionen zu erwarten, die jedoch durch den höheren Ertrag und die geringere notwendige Kollektorfläche reduziert werden können. Ein Wasserpreis von 10–25 €/m³ ist erreichbar. Der vorgesehene Energiespeicher gewährleistet zwar eine gleichmäßige Destillatgewinnung, jedoch stellt dies eine zusätzliche Anlagenkomponente und damit eine Wärmeverlustzone dar.
Kollektorsystem mit Wärmerückgewinnung