Verdampfungssysteme zur Wasserentsalzung

Entsalzungstechnologien

Vor dem Aufkommen und der Industrialisierung von Umkehrosmosemembranen Mitte der 1960er Jahre wurde Wasser ausschließlich durch Verdampfungsanlagen entsalzt, die einen erheblichen Energieverbrauch hatten, um es trinkbar zu machen.

Derzeit gibt es kleine Entsalzungsanlagen, die Meerwasser oder brackiges Brunnenwasser verdampfen. Diese Anlagen verbrauchen geringe Mengen elektrischer Energie, die durch Windkraftanlagen, Solarpanels oder andere erneuerbare elektrische Energiequellen gewonnen werden kann.

Die heute in der Wasserentsalzung eingesetzten Technologien können nach folgenden Hauptkriterien klassifiziert werden:

1. Phasenwechsel (im zu behandelnden Wasser).
2. Art der eingesetzten Energie.
3. Verwendeter Prozess.

Nach diesen Kriterien lassen sich die wichtigsten zugehörigen Technologien wie folgt unterteilen:

Dieser Artikel konzentriert sich auf aktuelle Technologien, die auf Verdampfungsprozessen basieren und für die Wasserentsalzung geeignet sind.

Thermische Dampfrekompression (TCV)

Dies ist eine der beiden verwendeten Technologien. Sie besteht darin, destilliertes Wasser durch denselben Prozess wie bei der Mehrfacheffekt-Destillation zu gewinnen, jedoch unter Verwendung einer anderen Wärmequelle.

Dabei handelt es sich um thermische Kompressoren (oder Thermokompressoren), die Mitteldruckdampf aus Stromerzeugungsanlagen verbrauchen (bei einer Doppelanlage ist es Prozessdampf, der eigens zu diesem Zweck gewonnen wird).

Sie entnehmen einen Teil des in der letzten Stufe bei sehr niedrigem Druck erzeugten Dampfes, komprimieren ihn und erhalten einen Zwischendampfdruck, der mit den vorherigen vergleichbar ist und geeignet ist, zur 1. Stufe beizutragen, die die einzige energieverbrauchende Stufe im Prozess ist.

Der Wirkungsgrad dieser Anlagen ist ähnlich wie bei Mehrfacheffekt-Destillationsanlagen (MED); ihre Entsalzungskapazität kann jedoch deutlich größer sein, da sie eine höhere Anpassungsfähigkeit an die Einspeisung aus Dampferzeugungsanlagen ermöglichen.

Oft werden sie als derselbe Prozess betrachtet, hier werden sie jedoch einzeln behandelt, da die Energie der Anlage von unterschiedlicher Ausrüstung verbraucht wird.

Mehrfacheffekt-Destillation (MED)

Bei MED-Prozessen durchläuft das zu behandelnde Wasser eine Reihe von Verdampfern in Serie.

Der Dampf einer Zelle wird verwendet, um das Wasser in der nächsten zu verdampfen, während die primäre Energiezufuhr in die erste Stufe erfolgt.

Dies sind Anlagen mittlerer Größe und besonders geeignet, wenn sie mit Abwärme aus Turbinen- oder Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen kombiniert werden können, zum Beispiel.

Mehrstufige Blasendestillation (MSF)

Das zu entsalzende Wasser wird bei niedrigem Druck erhitzt, was eine plötzliche, irreversible Verdampfung verursacht. Dieser Prozess wird in aufeinanderfolgenden Stufen wiederholt, wobei der Druck je nach Bedingungen abnimmt.

Er eignet sich für Wasser mit hoher Salzkonzentration oder höherer Temperatur und stärkerer Verschmutzung. Der größte Nachteil von MSF-Anlagen ist der hohe Energieverbrauch.

Derzeit gibt es Anlagen, bei denen die Stromerzeugung aus Solarparks mit der Trinkwasserproduktion aus Blasendestillationsanlagen kombiniert wird.

Mechanische Dampfkompression (MVC)

Vakuumverdampfer mit mechanischer Dampfkompression (MVC) verdampfen die Flüssigkeit, in diesem Fall Salzwasser, auf einer Seite der Austauschfläche, und dieser Dampf wird ausreichend komprimiert, um auf der anderen Seite zu kondensieren und so den Wasserdestillationszyklus aufrechtzuerhalten; Verluste im Prozess und die Erhöhung der Siedetemperatur des Salzwassers gegenüber reinem Wasser werden dadurch eingespart.

Diese kleinen Geräte sind viel zuverlässiger und einfacher zu bedienen als Umkehrosmoseanlagen und nahezu wartungsfrei, was sie ideal macht, um kleine Bevölkerungszentren, abgelegene Gebiete oder Inseln mit Frischwasser zu versorgen.

Der spezifische Verbrauch dieser Anlagen ist niedriger als bei anderen Destillationsprozessen, der äquivalente Stromverbrauch liegt normalerweise bei etwa 10 kWh/m3.

Die größte Einschränkung dieser Technologie ist die maximale Größe der verwendeten Volumenkompressoren. Ihre maximale Kapazität erlaubt keine hohe Produktion von entsalztem Wasser.

Weitere Alternativen

Eine weitere Möglichkeit, Trinkwasser aus Meer- oder Brackwasserquellen zu gewinnen, sind Vakuumwasserverdampfer, die die Abwärmequellen aus Kühlkreisläufen von Kraft-Wärme-Kopplungsmotoren nutzen.

Dies erhöht den Prozentsatz der Energierückgewinnung und erreicht die Mindestziele, um Energieprämien, die ins Netz verkauft werden, berechnen zu können.

Verdampfung vs. Filtration (Osmose) Technologien

Derzeit gibt es kleine Verdampfungsanlagen zur Entsalzung von Sole oder brackigen Wasserquellen, die geringe Mengen elektrischer Energie benötigen, die aus Windkraftanlagen, Photovoltaikmodulen oder anderen Formen erneuerbarer Energie gewonnen werden kann.

Bei Verdampfungsprozessen zur Gewinnung von Trinkwasser aus Salzwasser hängt der Energieverbrauch nicht von der Salzkonzentration des behandelten Wassers ab; je salzhaltiger das Eingangs­wasser ist, desto vorteilhafter sind sie aus dieser Sicht im Vergleich zu Umkehrosmoseverfahren.

Die Membrantechnik, die mit Umkehrosmose verbunden ist und energetisch mit der Verdampfung vergleichbar ist, ist die erzwungene Osmose.

Dieser Prozess erzeugt entsalztes Wasser unter Verwendung einer semipermeablen Membran und einer Lösung einer leicht trennbaren Verbindung; dies erhöht den osmotischen Druck erheblich, was den Durchfluss durch die Membran erzwingt.

Er wird bei sehr niedrigem Druck und Raumtemperatur durchgeführt, was zu sehr geringem Energieverbrauch führt.

Abschließend sind Verdampfungstechnologien hinsichtlich des niedrigen Energieverbrauchs sehr effektiv bei der Bereitstellung von Trinkwasser aus Salzwasser, unabhängig von der Salzkonzentration des Eingangs­wassers, und vergleichbar nur mit der erzwungenen Osmose (einer Filtrationstechnologie), deren Energieverbrauch ebenfalls sehr gering ist.