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1/2 | 2013

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Technik &Management

Technik &Management Wasser/Abwasser Bild:Raphaela C. Näger/Pixelio Solargetriebene Meerwasserentsalzung Viele Gebiete Nordafrikas leiden sehr stark unter Wassermangel. Hier stellt die Entsalzung von Meerwasser eine –oft energieintensive –Möglichkeit zur Trinkwassergewinnung dar. An der libyschen Derna University wurde vor diesem Hintergrund eine neue verbrauchsarme Anlage entwickelt, die nicht allein von konventionellen Energiequellen abhängig ist. Vielmehr ist der Einsatz von Erneuerbaren Energien, insbesondere von Solarstrom, nicht nur möglich, sondern auch vorteilhaft, da der benötigte Gleichstrom hier unmittelbar geliefert wird –ohne Entstehung von Kohlendioxid. Ein weiterer Vorteil der Anlage gegenüber konventionellen Ansätzen: Ein möglicher Wirkungsgrad in der quantitativen Herstellung von Trinkwasser von bis 80Prozent. Häufig liegt der Salzgehalt von Grundund Oberflächenwasser inden nordafrikanischen Ländernbei über 6000 parts permillion(ppm). Daher kann es weder als Trink-, noch als Brauchwasser inder Landwirtschaft genutzt werden. Im Auftrag des Landwirtschaftlichen Forschungszentrums in Libyen sollten in einerRegionohneInfrastruktur die Bewohner im klein- und mittelskaligen Produktionsbereich mit Trink- und Brauchwasser für die Landwirtschaft versorgt werden. Als Wasserquelle standen Meer- und Brauchwasser mit hohem Salzgehalt zur Verfügung. Geeignete Verfahrenstechnologie zur Wasserentsalzung mussten entwickeltund eingeführt werden. Das Verfahren Zunächst wurden Vergleichsversuche mit verschiedenen Entsalzungsmethoden durchgeführt. Es zeigte sich, dass eine Kombination der elektrochemischen Methode mit Erneuerbaren Energienwie Windund Solarenergiedie größten Entwicklungspotenziale bietet. Das Verfahren beruht auf der Anwendung von Membranzellen, die die Kernelemente der Entsalzungsanlage bilden (siehe Grafik). Die elektrochemische Dialyse-Einheit besteht aus einer Anordnung von Anoden und Kathoden mit einem dazwischen angelegten Membran-Stapel. Dieser ist aus n-Zell-Paaren aufgebaut, die aus n+1 Kationenaustausch-Membranen, n-Anionenaustausch-Membranen und 2n- Trennelementen bestehen. Eines dieser Zellen-Systeme wird als das Diluat-, das andere als das Konzentrat-System bezeichnet. Durch geeigneten Gleichstrom werden die gelösten Salze aus dem Diluat-System entfernt und im Konzentrat- System gesammelt. Im Verfahrensablauf werden Kathode und Anode ständig mit hierfür geeignetem Elektrolyten gespült, damit der angelegte Gleichstrom ungehindert fließen kann. Aus dem Vorratsbehälter des Salzwassers wird das zuentsalzende Medium filtriert und mit konstanter Fließgeschwindigkeit sowohl in das Diluat- als auch in das Konzentrat-System gepumpt. An den Polen werden entsprechend dem Salzgehalt des Wassers exakt ausgelegteelektrischeSpannung und Stromstärke angelegt. Pumpen und Leitungen sowie alle Montageeinheiten werden aus salzwasserbestän- 42 UmweltMagazin Januar 2013

digen Materialien gefertigt. Dieses Wasserentsalzungs-Verfahren weist eine hohe Betriebszuverlässigkeit und Standzeiten auf. Insbesondere aber zeichnet essich durch eine einfache Montage, geringen Platzbedarf und schnelle Anpassung an veränderte Salzgehalte des zu behandelnden Salzwassers aus. Selektives Coating Der maximale Energiebedarf dieser Entsalzungstechnologie sowie dieerforderliche Stromspannung und -stärkehängenvon der aktiven Größe der Membranflächen der Dialyse-Einheit, dem Salzgehalt des zu behandelnden Wassers sowie der gewünschten Quantität und Qualität an entsalztem Wasser pro Zeiteinheit ab. Eine vorteilhafte Entwicklung stellt die Anwendung von Membranzellen mit selektivem Coating (Beschichtung) dar. Damit lässt sich Natriumchlorid fast quantitativ aus dem Diluat trennen, währenddie Konzentrationder anderen Salze im Diluat kaum verändertwird. Die im Diluat verbliebenen Mineralien sind wichtige Nährstoffe für die Pflanzen und dienen der Verbesserung der Bodeneigenschaften.Keine der bekannten Entsalzungsmethoden zeigt vergleichbare Ergebnisse. Versuche mit diesem Diluat in einem landwirtschaftlichen Betriebhaben gezeigt, dass die getesteten Pflanzen besseres Wachstum und höhere Ernte aufwiesen. Auch der Energieverbrauch der Wasserentsalzung kann durch selektives Coating verringert werden. Erneuerbare Energiequellen Die hier beschriebene Entsalzungsmethode zeichnet sich insbesondere durch den niedrigen Energieverbrauch bei der Behandlung von Brackwasser imGegensatz zu den anderen bekannten Entsalzungsverfahren aus. Die Versorgung der Entsalzungsanlage mit der benötigten elektrischen Energie kann aufgrund des relativ niedrigen Verbrauchs kostengünstig aus alternativen Energiequellen erfolgen. Ein besonders umweltfreundliches Verfahren der Schema des Aufbaus der solaren Energieversorgung der Entsalzungsanlage. Gezeigt sind 20-Photovoltaikmodule mit je 167 Watt Peak (Wp) Leistung, der Solarladeregler, der das Elektrodialyse-System (EDS) mit dem nötigen DC-Strom versorgt, die Solarbatterien sowie der Wechselrichter, der die Wasserpumpen mit dem AC-Strom beliefert. Energieversorgung ist dieKopplung der Entsalzungsanlage mit Solartechnik. Hierzu eignensich Photovoltaikanlagen als Insellösung. Photovoltaik kann als ausgereifte, ökonomisch und ökologisch sinnvolle Technik, die sich auch unter extremen Bedingungen bewährt hat, angesehen werden. BeieinerJahreseinstrahlungsleistung in der Versuchsregion von 1500 bis 2000 Kilowattstunden pro Quadratmeter (kWh/m 2 ) sind optimale Anlagenwirkungsgrade zu erwarten. Inbestimmten urbanen Gebieten können die Vorteile der energetischen Effizienz genutzt werden, da nicht nur benötigter Strom generiert wird, sondern simultan Entsalzungsabläufe zur Gewinnung von Trinkwasser beziehungsweise Brauchwasserfür dieLandwirtschaftmöglich sind. Die Nutzung der Solarenergie in dem hier beschriebenen Entsalzungsverfahren ist deshalb besondersgut geeignet und effektiv,da hierfürGleichstrombenötigtwird, der solartechnisch direkt geliefert wird. Die für dieses Vorhaben eingesetzte Photovoltaik- Inselanlage bestand aus den folgenden Komponenten: 7 PV-Module zur Konversion des Sonnenlichtes in elektrischen Strom, 7 Solarbatterien zur Speicherung des erzeugten Stroms, 7 Regel- und Steuereinheiten zur Kontrolle der Lade- und Entladevorgänge der Solarbatterien sowie 7 Wechselrichter für die Versorgung mit AC-Strom Grafik: Bouchertall Spezifische Anlagenkonstruktion Entsprechend der Anforderungen des Forschungsvorhabens wurden zwei unterschiedliche Entsalzungsanlagen konzipiert und in Betrieb genommen. Die Anlagen unterscheiden sich im Aufbau und im energetischen Bedarf.Beide Systeme könnenprinzipiell sowohl mit Solarstrom als auch über das öffentliche Stromnetz betrieben werden. Eines der beiden kann Brackwasser mit unterschiedlichem Salzgehalt behandeln. So wurde bei einer Leistung von 5000 Liter pro TagTrinkwasser mit einem Salzgehalt von 290 ppm aus Brackwasser mit einem Salzgehalt von 6230 ppm produziert.Für dieLandwirtschaftwurdemehr als 7500 Liter pro Tag mit einem Salzgehalt von 500 ppm produziert. Das zweiteSystem ist zur Entsalzung von Meerwasser ausgelegt und besteht aus zwei Membranzellen mit unterschiedlichem Aufbau. In der ersten Stufe wurde aus dem Meerwasser (34,6 gSalz pro Liter) knapp 75Prozent des Salzes getrennt. In der zweiten wurde der Salzgehalt auf 320 ppm reduziert. Die Leistung der gesamten Anlage lag bei 160 Liter pro Stunde. Durch technische Veränderungen an den beiden Stufen konnte die Leistung bisauf 250 Literpro Stunde gesteigert werden. Prof.Dr. FatahallahBouchertall, FacultyofMedical Technology,Derna/Libyen, drfatabo@yahoo.de UmweltMagazin Januar 2013 43

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