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Bachelorarbeit : Integration einer Meerwasserentsalzungsanlage in ...

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<strong>Bachelorarbeit</strong><br />

<strong>Bachelorarbeit</strong><br />

:<br />

<strong>Integration</strong><br />

<strong>Integration</strong><br />

<strong>e<strong>in</strong>er</strong><br />

<strong>e<strong>in</strong>er</strong><br />

<strong>Meerwasserentsalzungsanlage</strong><br />

<strong>Meerwasserentsalzungsanlage</strong><br />

<strong>in</strong><br />

<strong>in</strong><br />

e<strong>in</strong><br />

e<strong>in</strong><br />

Solarkraftwerk<br />

Solarkraftwerk<br />

Firma: INVEN Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g GmbH<br />

Haager Straße 2<br />

D-85435 Erd<strong>in</strong>g<br />

Verfasser: Alicia DESPORTES<br />

Studiengang: PAB7, Produktion und Automatisierung<br />

International<br />

Abgabeterm<strong>in</strong>: 31.01.2010<br />

Firmenbetreuer : Dr. Jürgen Scharfe<br />

Hochschulbetreuer : Prof. Dr. Hans Christian Alt<br />

Hochschule München<br />

Fachbereich 06, Fe<strong>in</strong>werk- und Mikrotechnik / Physikalische Technik<br />

Lothstr. 34<br />

D-80335


Alicia DESPORTES <strong>Bachelorarbeit</strong><br />

Januar 2010<br />

Danksagung<br />

An dieser Stelle möchte ich Dr. Jürgen Scharfe für das <strong>in</strong>teressante und anspruchsvolle<br />

Thema, sowie für das Vertrauen und die freundliche und tatkräftige Unterstützung während<br />

m<strong>e<strong>in</strong>er</strong> <strong>Bachelorarbeit</strong>, danken.<br />

Bedanken möchte ich mich auch bei Marie-Luise Tomasek für die Zeit und Mühe, die sie sich<br />

zur Erstellung m<strong>e<strong>in</strong>er</strong> <strong>Bachelorarbeit</strong> genommen hat, und für die gute und angenehme<br />

Zusammenarbeit.<br />

Zuletzt möchte ich noch Prof. Dr. Hans Christian Alt für die Betreuung m<strong>e<strong>in</strong>er</strong> <strong>Bachelorarbeit</strong><br />

danken.<br />

1


Alicia DESPORTES <strong>Bachelorarbeit</strong><br />

Januar 2010<br />

E<strong>in</strong>leitung<br />

Die Mittelmeerländer werden mit <strong>e<strong>in</strong>er</strong> Entwicklung des Energiebedarfs konfrontiert, e<strong>in</strong>hergehend<br />

mit raschem Bevölkerungswachstum und erhöhter Urbanisierung. Als Folge wird der Energiebedarf <strong>in</strong><br />

den nächsten Jahrzehnten wahrsche<strong>in</strong>lich e<strong>in</strong>en bedeutsamen Anstieg verzeichnen. Während sich die<br />

Ausstattung mit konventionellen Energieträgern nach den Ländern unterscheidet, müssen sich alle mit<br />

den lokalen und globalen Umweltgegebenheiten arrangieren.<br />

Neben Energie und Umwelt wird auch Wasser e<strong>in</strong> Problem <strong>in</strong> den meisten Mittelmeerländern. Die<br />

Tr<strong>in</strong>kwasserquellen s<strong>in</strong>d nämlich <strong>in</strong> vielen Regionen übernutzt. Deshalb müssen neue und<br />

unkonventionelle Wasserquellen gefunden werden. Leider verbrauchen diese Lösungen oft e<strong>in</strong>e<br />

Menge Energie. Und e<strong>in</strong>e nachhaltige Wasserversorgung braucht nachhaltige Energiequellen, die<br />

möglichst kostengünstig, sicher und gesellschafts- und umweltgerecht s<strong>in</strong>d.<br />

In diesem Kontext und mit den hohen Solarressourcen <strong>in</strong> der Mittelmeerregion wurde das MED-CSD<br />

Projekt gestartet. Das Ziel dieses Projekts, von der Forschungsabteilung der EU-Kommission gestaltet,<br />

ist Machbarkeitsstudien von Kraftwerken mit geeigneter Komb<strong>in</strong>ation von Solarenergie und<br />

Meerwasserentsalzungstechnologie durchzuführen. In diesem Rahmen soll analysiert werden, welches<br />

Verfahren an unterschiedlichen Orten die optimale Lösung darstellt.<br />

Zwei Hauptverfahren werden hier verglichen: Mehrstufige Verdampfungsentsalzung, die sogenannte<br />

MED, und Umkehrosmose (RO). Um zu bestimmen, welche Technologie <strong>in</strong>teressanter ist, soll e<strong>in</strong><br />

Programm entwickelt werden, das beide berechnet und mite<strong>in</strong>ander vergleicht. In dieser<br />

<strong>Bachelorarbeit</strong> wird der MED-Teil dieses Programms entwickelt, der diesen Vergleich ermöglicht und<br />

konkrete Ergebnisse bereitstellt. Zuerst wird e<strong>in</strong> Basiskraftwerk als Referenz berechnet, dann<br />

unterschiedliche MED-Anlagen. Durch s<strong>in</strong>nvolle Zahlen und Schemata soll sich am Ende<br />

herausstellen, wie e<strong>in</strong>e MED-Anlage e<strong>in</strong> Dampfkraftwerk bee<strong>in</strong>flusst. Besonders von Interesse s<strong>in</strong>d<br />

der Wirkungsgrad der Anlage, der Stromverlust pro erzeugte Destillatmenge und der Wärmeverbrauch<br />

für e<strong>in</strong>e Tonne Destillat.<br />

2


Alicia DESPORTES <strong>Bachelorarbeit</strong><br />

Januar 2010<br />

Inhaltsverzeichnis<br />

Danksagung ................................................................................................................................ 1<br />

E<strong>in</strong>leitung ................................................................................................................................... 2<br />

Inhaltverzeichnis ........................................................................................................................ 3<br />

Nomenklatur ............................................................................................................................... 4<br />

1. Physikalische Grundlagen .................................................................................................. 5<br />

1.1. Grundpr<strong>in</strong>zip der Verdampfung .................................................................................. 5<br />

1.2. Das Mollier h,s-Diagramm .......................................................................................... 6<br />

1.3. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik ................................................................. 7<br />

2. Die Technologie ................................................................................................................. 9<br />

2.1. Die Meerwasserentsalzung .......................................................................................... 9<br />

2.1.1. Die Multi-Effekt-Destillation (MED) ................................................................ 10<br />

2.1.2. Die Umkehrosmose (engl. Reverse osmosis, RO) ............................................. 14<br />

2.1.3. Allgem<strong>e<strong>in</strong>er</strong> Vergleich von MED und RO ......................................................... 17<br />

2.2. Das Dampfkraftwerk ................................................................................................. 19<br />

3. Berechnungen ................................................................................................................... 21<br />

3.1. Das Basiskraftwerk .................................................................................................... 21<br />

3.1.1. Die Methodik ...................................................................................................... 22<br />

3.1.2. Das Mollier-Diagramm ...................................................................................... 22<br />

3.1.3. Basis Kraftwerk-Ergebnisse ............................................................................... 23<br />

3.2. Kraftwerk mit MED - Ergebnisse .............................................................................. 26<br />

3.2.1. Kraftwerk mit <strong>e<strong>in</strong>er</strong> 12 Stufen-MED ................................................................. 26<br />

3.2.2. Kraftwerk mit <strong>e<strong>in</strong>er</strong> MED-6 Stufen verknüpft ................................................... 29<br />

4. Zusammenfassung ............................................................................................................ 31<br />

Bildverzeichnis ......................................................................................................................... 32<br />

Literaturverzeichnis .................................................................................................................. 33<br />

Anhänge ................................................................................................................................... 34<br />

Anhang 1 : Vorstellung der Firma<br />

Anhang 2 : Mollier-Diagramm<br />

Anhang 3 : Das MED-CSD Projek<br />

3


Alicia DESPORTES <strong>Bachelorarbeit</strong><br />

Januar 2010<br />

Nomenklatur<br />

m [kg/s] [t/h] [t/d] Massenstrom<br />

T [°C] [K] Temperatur<br />

T_eq [°C] Gleichgewichtstemperatur<br />

p [bar] [Pa] Druck<br />

h [kJ/kg] Enthalpie<br />

s [kJ/kgK] Entropie<br />

x % Dampf Dampfgehalt (0 = nur Flüssigkeit,<br />

1 = nur Dampf)<br />

h_liq [kJ/kg] Enthalpie des flüssigen Teils<br />

h_vap [kJ/kg] Enthalpie des gasförmigen Teils<br />

C [ppm] Konzentration<br />

ρ [kg/m³] Dichte<br />

cp [J/mol K] Spezifische Wärmekapazität bei konstantem<br />

Druck<br />

cv [J/mol K] Spezifische Wärmekapazität bei konstantem<br />

Volumen<br />

Q [kW] [MW] Erzeugter (wenn positiv) oder verbrauchter<br />

(wenn negativ) Strom<br />

R [J/mol K] Allgeme<strong>in</strong>e Gaskonstante<br />

R = 8,314472 kJ/kmol K<br />

V [m³] Volumen<br />

P [kW] Elektrische Leistung<br />

η % Wirkungsgrad<br />

A [m²] Fläche<br />

n [mol] mol Anzahl<br />

MED eng. Multi Effect Distillation, Multi Effekt Destillation<br />

Mehrstufige Verdampfungsentsalzung<br />

RO eng. Reverse Osmosis, Umkehrosmose<br />

Membranprozess für Meerwasserentsalzung<br />

CSP eng. Concentrated Solar Power<br />

CSD eng. Concentrated Solar Desal<strong>in</strong>ation<br />

GOR eng. Ga<strong>in</strong>ed Output Ratio<br />

Verhältnis von dem erzeugten Destillat durch den Dampfverbrauch<br />

SW eng. seawater, Meerwasser<br />

HP eng. High Pressure, Hochdruck<br />

LP eng. Low Pressure, niedriger Druck<br />

Br<strong>in</strong>e eng. Br<strong>in</strong>e, Salzlösung konzentrierter als Meerwasser (z. B. nach Entsalzung)<br />

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Alicia DESPORTES <strong>Bachelorarbeit</strong><br />

Januar 2010<br />

1. Physikalische Grundlagen<br />

1.1. Grundpr<strong>in</strong>zip der Verdampfung<br />

Die Umwandlung gasförmig – flüssig ist isotherm und isobar. Die Enthalpiedifferenz Δh macht die<br />

Erwärmung vom Meerwasser und se<strong>in</strong>e Teilverdampfung möglich (siehe auch, die Beschreibung der<br />

ersten Stufe).<br />

Bild 1: P/h Diagramm<br />

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Alicia DESPORTES <strong>Bachelorarbeit</strong><br />

Januar 2010<br />

1.2. Das Mollier h,s-Diagramm<br />

Bild 2: Das Mollier h,s-Diagramm<br />

Die Berechnung von Dampfkraftprozessen kann, mit Hilfe des h,s-Diagramms 1 von Mollier, welches<br />

auch das Mollier-Diagramm genannt wird, ganz wesentlich vere<strong>in</strong>facht und veranschaulicht werden.<br />

Es wird für die Auswertung von adiabatischen Turb<strong>in</strong>en und Kompressoren häufig genutzt.<br />

Bei e<strong>in</strong>em Mollier-Diagramm wird die Entropie des Dampfes auf der x-Achse und die zugehörige<br />

Enthalpie auf der y-Achse aufgetragen. Dazu s<strong>in</strong>d auch isotherme und isobare L<strong>in</strong>ien dargestellt: die<br />

Isothermen ungefähr horizontal (rot auf dem Diagramm) und die Isobaren ungefähr vertikal (blau auf<br />

dem Diagramm). Die horizontale schwarze L<strong>in</strong>ie <strong>in</strong> der Mitte trennt den Dampfbereich (oben) von<br />

dem Nassdampfbereich (unten), wo Gas und Flüssigkeit gemischt werden. Der Prozentgehalt zeigt<br />

dann die Dampfmenge.<br />

1 Literaturquelle : Fran Bosnjakovic, Technische Thermodynamik Teil I<br />

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Alicia DESPORTES <strong>Bachelorarbeit</strong><br />

Januar 2010<br />

Bild 3: Darstellung des Mollier h,s-Diagramms<br />

E<strong>in</strong> wichtiges Merkmal des Mollier-Diagramms ist, dass e<strong>in</strong>e ideale adiabatische Turb<strong>in</strong>e mit <strong>e<strong>in</strong>er</strong><br />

vertikalen L<strong>in</strong>ie gezeichnet wird (1 zu 2s auf dem Bild 18). Der reale Punkt bef<strong>in</strong>det sich immer auf<br />

der Isobaren, jedoch mit <strong>e<strong>in</strong>er</strong> höheren Entropie (2a auf dem Bild 18).<br />

1.3. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik 2<br />

Die Thermodynamik stützt sich auf vier Hauptsätze. Der nullte Hauptsatz sagt aus, dass zwei Systeme<br />

oder zwei Teile desselben Systems sich bei gleicher Temperatur im thermischen Gleichgewicht<br />

bef<strong>in</strong>den.<br />

Der erste Hauptsatz, auch Energieerhaltungssatz genannt, gilt für alle Energienformen. Er besagt, dass<br />

die e<strong>in</strong>tretende Energiemenge gleich der austretenden Energiemenge ist: ∑Q = 0.<br />

Der zweite Hauptsatz formuliert die Erfahrung, dass alle <strong>in</strong> der Natur freiwillig ablaufenden Prozesse<br />

irreversibel s<strong>in</strong>d. Sie wurde <strong>in</strong> verschiedenen, jeweils auf bestimmte Vorgänge bezogenen<br />

Formulierungen, festgelegt, die <strong>in</strong> ihrer Gesamtheit als zweiter Hauptsatz der Thermodynamik<br />

bezeichnet werden. Wärme geht nie von alle<strong>in</strong> von e<strong>in</strong>em Körper mit niedriger Temperatur auf e<strong>in</strong>en<br />

Körper mit höherer Temperatur über. E<strong>in</strong>e Masch<strong>in</strong>e, die nur durch Abkühlung e<strong>in</strong>es Körpers Arbeit<br />

erzeugt, ohne dass im beteiligten System noch weitere Veränderungen auftreten, ist unmöglich.<br />

Irreversible Vorgänge s<strong>in</strong>d u.a. die Erzeugung von Reibungswärme, die Drosselung und Mischung<br />

von Gasen, sowie die Wärmeübertragung unter Temperaturgefälle. Nichtumkehrbare<br />

Ausgleichsvorgänge werden auch als Dissipationsprozesse bezeichnet.<br />

Zweiter Hauptsatz:<br />

Dieser Hauptsatz dient als Kriterium für die Optimierung unseres Systems.<br />

In Kreisprozessen erfährt e<strong>in</strong> Gas e<strong>in</strong>e <strong>in</strong> sich geschlossene Folge von Zustandsänderungen, wobei es<br />

wieder <strong>in</strong> den Ausgangszustand zurückkehrt. Jeder Kreisprozess umfasst deshalb außer<br />

arbeitsliefernden Expansionsvorgängen auch arbeitsverbrauchende Kompressionsvorgänge.<br />

2 Literaturquelle: Dubbel, Taschenbuch für den Masch<strong>in</strong>enbau<br />

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Alicia DESPORTES <strong>Bachelorarbeit</strong><br />

Januar 2010<br />

Bild 4: Theoretischer Kreisprozess idealer Gase nach Carnot<br />

Der Carnot-Prozess erreicht den höchstmöglichen thermischen Wirkungsgrad zwischen gegebenen<br />

Temperaturgrenzen (T1 und T3) und wird deshalb oft zur Beurteilung der Güte anderer Kreisprozesse<br />

benutzt, obwohl er <strong>in</strong> der Praxis nicht durchführbar ist.<br />

1-2: Isotherme Kompression bei der Temperatur T1 (=T2)<br />

2-3: Isentrope Kompression. Temperaturanstieg von T1 auf T3<br />

3-4: Isotherme Expansion bei der Temperatur T3 (=T4)<br />

3-4: Isentrope Expansion. Temperaturabfall von T3 auf T1<br />

Der Carnot-Wirkungsgrad berechnet sich aus dem Verhältnis der höchsten (T3) und der niedrigsten<br />

(T1) Temperaturen des Prozesses nach der Formel:<br />

η carnot =<br />

T3 − T1<br />

T3<br />

8<br />

T1<br />

= 1 −<br />

T3<br />

Der Carnot-Wirkungsgrad ist umso höher, je grösser das Temperaturgefälle zwischen T3 und T1 und<br />

je kl<strong>e<strong>in</strong>er</strong> die niedrigere Temperatur T1 ist. Dieser Wirkungsgrad wird <strong>in</strong> der Praxis jedoch nie erreicht<br />

und liegt, je nach dem Kreisprozess, bei e<strong>in</strong>em Drittel bis etwa zwei Drittel des Carnot-<br />

Wirkungsgrades.


Alicia DESPORTES <strong>Bachelorarbeit</strong><br />

Januar 2010<br />

2. Die Technologie<br />

In diesem Teil werden die Meerwasserentsalzungsprozesse, zur Tr<strong>in</strong>kwassererzeugung und das Pr<strong>in</strong>zip<br />

e<strong>in</strong>es Dampfkraftwerks, zur Stromerzeugung, erklärt.<br />

2.1. Die Meerwasserentsalzung 3<br />

Unter Meerwasserentsalzung versteht man die verschiedenen Prozesse zur Gew<strong>in</strong>nung von<br />

Tr<strong>in</strong>kwasser oder Betriebswasser aus Meerwasser. Es gibt zwei Hauptprozesse: Verdampfung und<br />

Trennung durch Membrane.<br />

Für beide Prozesse können elektrische oder thermische Energie als Antriebsenergie genutzt werden.<br />

Die thermische Entsalzung nutzt Abwärme <strong>in</strong> Form von Heißwasser oder Dampf als Energiequelle.<br />

Die Meerwasserentsalzung benötigt immer e<strong>in</strong>e Vor- und e<strong>in</strong>e Nachbehandlung, je nach Verfahren<br />

unterschiedlich.<br />

Bild 5: 3 Hauptetappe der Meerwasserentsalzung<br />

3 Die Informationen über die Meerwasserentsalzung stammen teilweise aus dem UE-Bericht von Marie-Luise<br />

Tomasek.<br />

9


Alicia DESPORTES <strong>Bachelorarbeit</strong><br />

Januar 2010<br />

Praktisch alle Entsalzungsanlagen enthalten folgende Verfahrensschritte:<br />

Vorbehandlung:<br />

- Chlorierung (Cl2 oder ClO2)<br />

- Rechen (>8-10 mm)<br />

- Vorfilterung (8 mm)<br />

- Fe<strong>in</strong>filterung (ca. 3 mm)<br />

- Dosierung von Härtestabilisator<br />

Nur MED:<br />

- Entschäumer<br />

Nur RO:<br />

- Dechlorierung (da freies Chlor Membrane zerstört)<br />

- Filterung<br />

Ultrafiltration,<br />

Nanofiltration<br />

- Biozide (Dosierung von Formaldehyd)<br />

- Entfernung von Elementen, z.B. Bor, Arsen...<br />

- Chlorierung für Tanks<br />

Nachbehandlung:<br />

- Dechlorierung<br />

- Nur MED: M<strong>in</strong>eralisierung für Tr<strong>in</strong>kwasser (Kalkste<strong>in</strong>),<br />

Dosierung von CO2 und Ca(Mg)CO3<br />

2.1.1. Die Multi-Effekt-Destillation (MED)<br />

E<strong>in</strong>e MED wird durch se<strong>in</strong>e Stufenzahl charakterisiert, die aus mehreren Verdampfern und e<strong>in</strong>em<br />

Kondensator besteht, jeweils <strong>in</strong> <strong>e<strong>in</strong>er</strong> Zelle. Die erste Zelle ist die erste Stufe, die zweite Zelle die<br />

zweite Stufe und so weiter. Die letzte Zelle ist der Kondensator. E<strong>in</strong>e 12-Stufen-MED hat also 13<br />

<strong>in</strong>terne Zellen. Die meisten MED-Anlagen besitzen 8, 10 oder 12 Stufen. Ab 14-15 Stufen wird die<br />

Anlage sehr teuer.<br />

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Alicia DESPORTES <strong>Bachelorarbeit</strong><br />

Januar 2010<br />

Bild 6: Aufbau e<strong>in</strong>es Verdampfers<br />

Bild 7: Schema <strong>e<strong>in</strong>er</strong> MED<br />

In die erste Stufe kommt heißer Dampf (70°C) h<strong>in</strong>e<strong>in</strong>, der aus der Energiequelle stammt. Dar<strong>in</strong> wird er<br />

verflüssigt, die re<strong>in</strong>e Flüssigkeit verlässt die Zelle mit 70°C. Dieser Kreislauf wird „tubeside“ genannt.<br />

Aus der letzten Stufe kommt Meerwasser (hellgrün im Schema Bild 7) mit maximal 65°C, das auf die<br />

Rohre der tubeside gesprüht wird. Das auf die warmen Rohre tropfende Wasser verursacht die<br />

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Alicia DESPORTES <strong>Bachelorarbeit</strong><br />

Januar 2010<br />

Teilverdampfung des Meerwassers und die Verflüssigung des Dampfes. Aus dem Meerwasser<br />

enstehen ab der ersten Zelle r<strong>e<strong>in</strong>er</strong> Dampf (hellblau im Schema Bild 7) und flüssiges Konzentrat<br />

(engl.Br<strong>in</strong>e) (dunkelgrün im Schema Bild 7), die <strong>in</strong> die folgende Zelle geleitet werden. Um die<br />

Effizienz der Reaktion zu vergrößern, wird die Temperaturdifferenz ΔT zwischen Dampf und<br />

Meerwasser so kle<strong>in</strong> wie möglich gehalten.<br />

Bild 8: Schema der ersten Zelle <strong>e<strong>in</strong>er</strong> MED<br />

Die Zahlen <strong>in</strong> dem Schema s<strong>in</strong>d e<strong>in</strong> Beispiel für e<strong>in</strong>en typischen Verdampfer. Die Randbed<strong>in</strong>gungen<br />

s<strong>in</strong>d:<br />

- Dampf aus der Turb<strong>in</strong>e < 73°C wegen Kalk auf den Rohren<br />

- Br<strong>in</strong>e < 50000 ppm wegen Gips <strong>in</strong> den Rohren<br />

In den nächsten Stufen wird der Dampf aus den vorherigen Zellen als Erwärmungsfluid benutzt. Die<br />

Br<strong>in</strong>emenge bis zur vorletzten Zelle wird immer grösser. Ab der zweiten Zelle wird das Destillat aus<br />

dem h<strong>in</strong>durchtretenden Dampf gewonnen. In jeder Zelle wird die Temperatur niedriger und deshalb<br />

die Reaktion immer weniger effizient.<br />

Bild 9: Schema der letzten Zelle <strong>e<strong>in</strong>er</strong> MED<br />

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Alicia DESPORTES <strong>Bachelorarbeit</strong><br />

Januar 2010<br />

In der letzten Stufe, dem Kondensator, wird der Dampf verflüssigt und dem Destillat zugefügt. Dafür<br />

wird das Meerwasser als Kühlwasser benutzt. Während der Wasserdampf kondensiert wird, wird das<br />

Meerwasser erwärmt. Nach dem Austritt wird es verteilt, e<strong>in</strong> Teil als Feed (Futter) <strong>in</strong> die Verdampfer<br />

geleitet, der Rest geht zurück <strong>in</strong>s Meer.<br />

Nach dem Kondensator wird das erwärmte Meerwasser <strong>in</strong> die e<strong>in</strong>zelnen Verdampfer bis zur ersten<br />

Zelle geleitet. Unterwegs kann es durch mehrere Vorwärmer erwärmt werden, um <strong>in</strong> der ersten Zelle<br />

e<strong>in</strong>e Temperatur nahe der Dampftemperatur zu erreichen und die Effizienz zu verbessern. Diese<br />

Vorwärmer s<strong>in</strong>d allerd<strong>in</strong>gs nicht obligatorisch, denn sie bedeuten Zusatzkosten.<br />

Das Br<strong>in</strong>e wird nach der vorletzten Stufe dem abgehenden Meerwasser zugefügt und ebenfalls zurück<br />

<strong>in</strong>s Meer geleitet. Das Destillat wird danach chemisch behandelt, um als Tr<strong>in</strong>kwasser verwendet<br />

werden zu können.<br />

E<strong>in</strong>e wichtige Kenngrösse für die Güte e<strong>in</strong>es thermischen Entsalzungsprozesses ist die Ga<strong>in</strong> Output<br />

Ration (GOR), das Verhältnis von erzeugtem Destillat zum Dampfverbrauch:<br />

Der GOR bewegt sich zwischen ca. 5 und 10 und stellt die Effizienz <strong>e<strong>in</strong>er</strong> Anlage dar. Je höher der<br />

GOR ist, desto besser ist die Anlage.<br />

Beispiel von MED-Anlage<br />

Die Layyah Power Station ist e<strong>in</strong>e <strong>Meerwasserentsalzungsanlage</strong> <strong>in</strong> den UAE. Sie hat e<strong>in</strong>e Kapazität<br />

von 2 x 36 368 m 3 /Tag und besitzt 5 Zellen.<br />

Bild 10: Modellierung der Layyah-Anlage<br />

13


Alicia DESPORTES <strong>Bachelorarbeit</strong><br />

Januar 2010<br />

Bild 11: Layyah Power Station (Quelle: Sidem)<br />

2.1.2. Die Umkehrosmose (engl. Reverse osmosis, RO)<br />

Osmose bezeichnet den Prozess des Konzentrationsausgleichs zweier, durch e<strong>in</strong>e semipermeable<br />

Membran getrennte, Flüssigkeiten mit unterschiedlicher Ionen-Konzentration.<br />

Bild 12: Schema des Pr<strong>in</strong>zips der Umkehrosmose<br />

Ionen von der hochkonzentrierten Seite wollen auf die<br />

Seite der niedrigeren Konzentration gelangen. Da die<br />

Membran e<strong>in</strong>e Barriere darstellt, die die Ionen aufgrund<br />

ihrer molekularen Größe nicht ohne weiteres durchdr<strong>in</strong>gen<br />

können, strömen stattdessen die kl<strong>e<strong>in</strong>er</strong>en Wassermoleküle<br />

von der niedrig konzentrierten auf die höher konzentrierte<br />

Seite. Dabei fließen die Wassermoleküle so lange, bis<br />

entweder die Ionen-Konzentration der beiden Seiten<br />

ausgeglichen, oder e<strong>in</strong> Druck auf der hochkonzentrierten<br />

Seite aufgebaut worden ist – der sogenannte osmotische<br />

Druck.<br />

Bei der Umkehrosmosetechnik wird das Osmose-Pr<strong>in</strong>zip<br />

umgekehrt. Auf der Seite mit den hohen Ionen-<br />

Konzentrationen (Meerwasser) wird e<strong>in</strong> Druck angelegt,<br />

der das Wasser <strong>in</strong> die andere Richtung zw<strong>in</strong>gt, nämlich auf<br />

die Re<strong>in</strong>wasserseite mit der niedrigeren Konzentration. Die<br />

unerwünschten gelösten Stoffe (Salz und andere<br />

M<strong>in</strong>eralien) können aufgrund ihrer molekularen Größe<br />

nicht durch die ultrafe<strong>in</strong>e Membran gelangen. Für die<br />

Umkehrosmose funktioniert die Membran wie e<strong>in</strong> Filter<br />

und auf der Re<strong>in</strong>wasserseite ist somit fast ausschließlich<br />

Wasser.<br />

14


Alicia DESPORTES <strong>Bachelorarbeit</strong><br />

Januar 2010<br />

Bild 13: Pr<strong>in</strong>zip der Osmose und Umkehrosmose<br />

Erklärung des Schemas:<br />

Bei normalen Bed<strong>in</strong>gungen (A) strömt das re<strong>in</strong>e Wasser <strong>in</strong> die salzigere Lösung bis der hydrostatische<br />

Druck auf beiden Seiten gleich ist. Die Druckdifferenz zwischen re<strong>in</strong>em und salzigem Wasser ist,<br />

wenn der Wasserfluss <strong>in</strong> beiden Richtungen identisch ist, gleich dem osmotischen Druck der Lösung<br />

(B). Die Umkehrosmose wird ermöglicht, wenn e<strong>in</strong> externer Druck auf die salzige Lösung angesetzt<br />

wird (C). Dieser externe Druck ist höher als der osmotische Druck und verursacht den Wasserfluss aus<br />

der salzigen zu der re<strong>in</strong>en Lösung durch die Membran.<br />

Berechnung des osmotischen Drucks:<br />

Die salzigen Partikel s<strong>in</strong>d hier als Gaspartikel angesehen. Damit gilt das ideale Gasgesetz und kann<br />

benutzt werden, um den osmotischen Druck abzuschätzen:<br />

p∙V = n∙R∙T<br />

Die Temperatur T bleibt während der Reaktion konstant, auch die Molanzahl n ändert sich nicht. Der<br />

rechte Teil der Gleichung ist also konstant. Der osmotische Druck kann jetzt aus dem Volumen V<br />

berechnet werden. Da tatsächlich das Volumen kl<strong>e<strong>in</strong>er</strong> wird, erhöht sich der Druck p bis zum<br />

osmotischen Wert.<br />

Der osmotische Druck steigt proportional zum Salzgehalt und zur Temperatur.<br />

Zahlenbeispiel:<br />

Molmasse : mNaCl = 58,5 g/mol<br />

Salzkonzentration Meerwasser : 35 g/l = 35/58 mol/l = 0,60 mol/l<br />

Temperatur : T = 300 K<br />

Gaskonstante : R = 8,314472 kJ/molK<br />

Osmotischer Druck: p = 0,60 mol / 10 -3 m³ * 8,31 kJ/molK * 300 K<br />

p = 1,50.10 -7 Pa = 15,0 MPa<br />

Bei diesem Beispiel ist allerd<strong>in</strong>gs nicht berücksichtigt, dass NaCl nahezu vollständig dissoziert. Der<br />

reale osmotische Druck ist daher höher, ca. 30 MPa.<br />

Dissoziation bezeichnet die Reaktion: NaCl Na + + Cl - . Sie ist vollständig abgelaufen wenn<br />

alle Moleküle <strong>in</strong> Ionen dissoziert worden s<strong>in</strong>d.<br />

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Alicia DESPORTES <strong>Bachelorarbeit</strong><br />

Januar 2010<br />

Beispiel von RO-Anlage<br />

Bild 14: RO-Anlage <strong>in</strong> Grenod (Israel) – Photo privat<br />

Bild 15: Aufbau <strong>e<strong>in</strong>er</strong> Umkehrosmose-E<strong>in</strong>heit<br />

16


Alicia DESPORTES <strong>Bachelorarbeit</strong><br />

Januar 2010<br />

2.1.3. Allgem<strong>e<strong>in</strong>er</strong> Vergleich von MED und RO<br />

Bild 16: <strong>Integration</strong> <strong>e<strong>in</strong>er</strong> MED oder <strong>e<strong>in</strong>er</strong> RO <strong>in</strong> e<strong>in</strong> Basis Kraftwerk<br />

E<strong>in</strong>gänge :<br />

- Qfuel Wärmeversorgung (aus dem Dampfkessel)<br />

- Qsw Meerwasser als Kühlung<br />

Ausgänge :<br />

- P Erzeugter Strom aus dem Kraftwerk<br />

- Destillat Aus der MED oder RO<br />

- SW Br<strong>in</strong>e und Meerwasser von Abkühlung<br />

MED und RO funktionieren anders und haben unterschiedliche E<strong>in</strong>flüsse auf das Kraftwerk. Die MED<br />

benutzt die Wärme aus der Turb<strong>in</strong>e, die RO nur den Strom. Beide benötigen allerd<strong>in</strong>gs Strom für die<br />

Pumpen.<br />

Beispielweise erzeugt e<strong>in</strong> Basiskraftwerk Strom bis16MW. E<strong>in</strong>e MED verbraucht ca. 1MW. Jedoch<br />

wird die Temperatur der Turb<strong>in</strong>e und folglich auch ihr Druck erhöht und es wird weniger Strom<br />

erzeugt. E<strong>in</strong>e RO dagegen braucht ke<strong>in</strong>e Wärme, dafür mehr Strom, ca. 2-3MW.<br />

17


Alicia DESPORTES <strong>Bachelorarbeit</strong><br />

Januar 2010<br />

MED RO<br />

Qualität Meerwasser Nicht kritisch Vorbehandlung nötig<br />

Filterung < 3 mm < 50 μm<br />

Qualität Destillat 1-10 mg Salz/l<br />

18<br />

1. Stufe 300 mg/l<br />

2. Stufe 10-50 mg/l<br />

Wärmeverbrauch 60-100 kWh/t @ 70°C --<br />

Stromverbrauch < 0,5 kWh/t 3-6 kWh/t<br />

Tabelle 1: Vergleich der Merkmalen von MED und RO<br />

Wann wird e<strong>in</strong>e MED bzw. e<strong>in</strong>e RO benutzt?<br />

Die RO wird oft bei kle<strong>in</strong>em Bedarf oder für Brackwasser genutzt. Brackwasser (eng. brackish water)<br />

ist Wasser, dessen Salzgehalt ger<strong>in</strong>ger als der vom Meerwasser ist. Brackwasser ist häufig e<strong>in</strong>e<br />

Mischung von Meerwasser und Süßwasser, zum Beispiel an <strong>e<strong>in</strong>er</strong> Flussmündung oder <strong>in</strong> <strong>e<strong>in</strong>er</strong><br />

Lagune.<br />

H<strong>in</strong>gegen wird MED für große Mengen und Meerwasser benutzt, aber auch für e<strong>in</strong>en höheren<br />

Re<strong>in</strong>heitsgrad. Die MED macht tatsächlich e<strong>in</strong>e komplette Entsalzung, während bei RO, wegen dem<br />

hohen Druck, e<strong>in</strong>ige Salzpartikel durch die Membrane h<strong>in</strong>durchgehen können. Deshalb s<strong>in</strong>d die RO<br />

oft mit zwei Stufen gebaut. Für andere Entsalzungsanlagen wird die MED benutzt.<br />

Das neue Programm soll helfen, die Wahl zu begründen.


Alicia DESPORTES <strong>Bachelorarbeit</strong><br />

Januar 2010<br />

2.2. Das Dampfkraftwerk<br />

E<strong>in</strong> Dampfkraftwerk ist die vorherrschende Bauart e<strong>in</strong>es Kraftwerks zur konventionellen Erzeugung<br />

elektrischer Energie aus fossilen Brennstoffen. Die thermische Energie von Wasserdampf wird <strong>in</strong> <strong>e<strong>in</strong>er</strong><br />

Dampfturb<strong>in</strong>e genutzt.<br />

Bild 17: Schema des Kreislaufprozesses<br />

Wärme wird dem Verdampfer zugeführt. Der Dampf wird dann <strong>in</strong> die Turb<strong>in</strong>e geleitet, um elektrische<br />

Energie zu erzeugen. Mit niedrigem Druck erreicht er den Kondensator, wo der Dampf kondensiert<br />

und verflüssigt wird. Bei dieser Reaktion entsteht Wärme, die für Kühlwasser oder Luft benutzt wird.<br />

Der verflüssige Dampf geht <strong>in</strong> e<strong>in</strong>e Pumpe, die se<strong>in</strong>en Druck wieder erhöht. Danach erreicht die<br />

Flüssigkeit den Verdampfer, wo sie <strong>in</strong> Dampf umgewandelt wird und der Zyklus beg<strong>in</strong>nt von vorn.<br />

Der Wirkungsgrad ist allgeme<strong>in</strong> das Verhältnis von abgegebener Leistung (Pab = Nutzleistung) zu<br />

zugeführter Leistung (Pzu). Die dabei entstehende Differenz von zugeführter und abgegebener<br />

Leistung bezeichnet man als Verluste. In unserem Fall lautet der <strong>in</strong>nere Wirkungsgrad <strong>e<strong>in</strong>er</strong><br />

Dampfturb<strong>in</strong>e:<br />

η = h 0 − h real<br />

h 0 − h ideal<br />

Mit h0 die e<strong>in</strong>tretende Enthalpie, hideal die ideale Enthalpie und hreal die reale Enthalpie. E<strong>in</strong> normaler,<br />

realistischer Wert ist z. B. η = 0,8.<br />

19


Alicia DESPORTES <strong>Bachelorarbeit</strong><br />

Januar 2010<br />

Der thermische Wirkungsgrad des Kraftwerkes ist:<br />

P mech<br />

Q zu<br />

(siehe 1.3 Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik)<br />

< η carnot<br />

E<strong>in</strong> Solarfeld kann e<strong>in</strong>en Teil der Energieversorgung ersetzen.<br />

Die meisten Kraftwerke werden mit Gas oder Öl versorgt, manchmal mit Kohle, Holz oder Biomasse.<br />

Um den Prozess ökologischer zu machen, kann, wenn möglich, e<strong>in</strong> Solarfeld e<strong>in</strong>gesetzt werden, das<br />

im Durchschnitt 20% bis zu 25% der Energie bereitstellen kann. Wie für e<strong>in</strong>e MED-Anlage,<br />

funktioniert es effizienter im W<strong>in</strong>ter, wenn der Himmel besonders wolkenlos und klar ist. Obwohl<br />

Solarfelder ke<strong>in</strong>e Energiekosten haben, benötigen sie e<strong>in</strong> breites Gelände, haben hohe Baukosten und<br />

s<strong>in</strong>d von den Wetterbed<strong>in</strong>gungen abhängig.<br />

20


Alicia DESPORTES <strong>Bachelorarbeit</strong><br />

Januar 2010<br />

3. Berechnungen<br />

3.1. Das Basiskraftwerk<br />

E<strong>in</strong> Basiskraftwerk besitzt:<br />

- E<strong>in</strong>e Turb<strong>in</strong>e<br />

- E<strong>in</strong>en Kondensator<br />

- Die Peripherie (Pumpen, Vorwärmer, Entgaser)<br />

Wärmequelle<br />

Bild 18: Schema e<strong>in</strong>es Basiskraftwerks<br />

Da sich das Kraftwerk am Meer bef<strong>in</strong>det, kann Meerwasser zur Kühlung des Kondensators verwendet<br />

werden. Außerdem eignet es sich als Standort für e<strong>in</strong>e Entsalzungsanlage.<br />

Entgaser s<strong>in</strong>d <strong>in</strong> Kraftwerken und Heißwassersystemen e<strong>in</strong>e Anlagenkomponente, mit denen im<br />

Zusatz- und Kreislaufwasser oder <strong>in</strong> den Kondensaten gelöste Gase entfernt werden. Im Wasser<br />

gelöste Gase, wie Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid, verursachen besonders für Werkstoffe aus Eisen<br />

Korrosionen <strong>in</strong> den Anlagen. Daher ist neben der Entsalzung auch die Entgasung des Tr<strong>in</strong>kwassers<br />

und des Umlaufwassers wichtig.<br />

Die beiden Vorwärmer haben die Funktion, den Dampf <strong>in</strong> Richtung der Wärmequelle vorzuwärmen.<br />

Dieser Prozess ermöglicht, Energie und Arbeit an der Wärmequelle zu sparen, denn der Dampf muss<br />

weniger erwärmt werden, da bereits die Wärme aus den verschiedenen Stufen der Turb<strong>in</strong>e genutzt<br />

wird.<br />

Neben dem Basiskraftwerk gibt es auch e<strong>in</strong>e Wärmequelle, die aus e<strong>in</strong>em Dampfkessel, Solarenergie,<br />

Öl, manchmal Kohle, Holz oder Biomasse bestehen kann, welche die Turb<strong>in</strong>e mit heißem Dampf<br />

versorgt.<br />

21


Alicia DESPORTES <strong>Bachelorarbeit</strong><br />

Januar 2010<br />

3.1.1. Die Methodik<br />

Um ke<strong>in</strong> komplett neues Programm zu schreiben, wird e<strong>in</strong> bestehendes Programm weiterentwickelt.<br />

Das Programm arbeitet mit Excel und besitzt 14 Blätter. Oben auf allen Blättern steht e<strong>in</strong> Feld mit den<br />

wichtigen Parametern.<br />

Die E<strong>in</strong>gaben s<strong>in</strong>d:<br />

- Der Dampf <strong>in</strong> die Turb<strong>in</strong>e : 100 t/h und 45 bar<br />

- Der Wirkungsgrad der Pumpen: η = 0,8 oder 0,76 je nach Pumpe<br />

Die berechneten Parameter s<strong>in</strong>d:<br />

- m (kg/s), Massenstrom<br />

- T (°C), Temperatur<br />

- T_eq (°C), Gleichgewichtstemperatur<br />

- p (bar), Druck<br />

- h (kJ/kg), Enthalpie<br />

- s (kJ/kgK), Entropie<br />

- x, Dampfgehalt (0 = nur Flüssigkeit, 1 = nur Dampf)<br />

- h_liq, Enthalpie des flüssigen Teils<br />

- h_vap, Enthalpie des gasförmigen Teils<br />

- cp, spezifische Wärme<br />

- Q (kW), erzeugter (wenn positiv) oder verbrauchter (wenn negativ) Strom<br />

Die Simulationsrechnungen werden <strong>in</strong> Abhängigkeit von der Meerwassertemperatur durchgeführt.<br />

Diese verändert sich im Lauf des Jahres.<br />

Obwohl es mit Excel e<strong>in</strong> leistungsstarkes Programm zu erzeugen, können tausend mögliche Fehler<br />

geschehen, manche leicht erkennbar, andere versteckt, manche unlogisch, usw. Hierauf müssen die<br />

Ingenieure immer achten und die Werte mit Hilfe anderer Mittel nachprüfen.<br />

3.1.2. Das Mollier-Diagramm<br />

Als Beispiel ist auf Bild 19 (siehe Anhang 3 e<strong>in</strong>e Vergrößerung) e<strong>in</strong>e 4-stufige Turb<strong>in</strong>e dargestellt. Die<br />

Parameter stammen aus <strong>e<strong>in</strong>er</strong> Berechnung der <strong>Bachelorarbeit</strong> für e<strong>in</strong>e MED-Anlage:<br />

- Meerwassere<strong>in</strong>trittstemperatur, t = 27°C<br />

- Turb<strong>in</strong>endruck <strong>in</strong>, p = 45 bar<br />

- Turb<strong>in</strong>endampfmassenfluss, m = 23,69 kg/s<br />

- Effektivität jeder Stufe der Turb<strong>in</strong>e, η = 0,76<br />

22


Alicia DESPORTES <strong>Bachelorarbeit</strong><br />

Januar 2010<br />

Ideale Expansion<br />

Bild 19: Mollier-Diagramm mit den Parametern <strong>e<strong>in</strong>er</strong> Turb<strong>in</strong>e<br />

23<br />

Reale Expansion<br />

Der Turb<strong>in</strong>ene<strong>in</strong>tritt stimmt mit dem höchsten Punkt des Diagramms übere<strong>in</strong>. Idealerweise, das heißt<br />

ohne Entropieänderung, würde die Turb<strong>in</strong>e nach der ersten Stufe gerade nach unten, bis 20 bar gehen.<br />

Da sie aber nicht perfekt ist, wird die Entropie erhöht und der folgende Punkt f<strong>in</strong>det sich auf der 20<br />

bar-L<strong>in</strong>ie mit höherer Enthalpie und Temperatur als der ideale Punkt. Dies setzt sich fort bis zum<br />

Austrittpunkt, der vierten Stufe der Turb<strong>in</strong>e.<br />

Das Mollier-Diagramm hilft, um Fehler <strong>in</strong> <strong>e<strong>in</strong>er</strong> Berechnung zu f<strong>in</strong>den. Bei falschen Ergebnissen<br />

können Punkte ke<strong>in</strong>en geeigneten Platz f<strong>in</strong>den: Enthalpie, Entropie, Temperatur, Druck und<br />

Dampfgehalt müssen alle stimmen.<br />

3.1.3. Basis Kraftwerk-Ergebnisse<br />

Als Referenz dient e<strong>in</strong> Excel-Programm, welches für die Berechnungen e<strong>in</strong>es Basis Kraftwerkes<br />

entwickelt wurde. Die Berechnungen wurden für acht verschiedenen Meerwassertemperaturen, von<br />

15°C bis zu 35°C, mit folgenden E<strong>in</strong>gaben durchgeführt:<br />

- Dampfmassenstrom <strong>in</strong> die Turb<strong>in</strong>e = 100 t/h<br />

- Druck beim E<strong>in</strong>tritt <strong>in</strong> die Turb<strong>in</strong>e = 45 bar<br />

Das erzeugte Diagramm zeigt die Kurve des gesamten Wirkungsgrads des Kraftwerks abhängig von<br />

der Meerwassere<strong>in</strong>trittstemperatur (T<strong>in</strong> SW).


Alicia DESPORTES <strong>Bachelorarbeit</strong><br />

Januar 2010<br />

Bild 20: Wirkungsgrad des Kraftwerks <strong>in</strong> Abhängigkeit von der Meerwassere<strong>in</strong>trittstemperatur<br />

Je kälter das Meerwasser ist, desto effizienter ist das Kraftwerk. Mit <strong>e<strong>in</strong>er</strong> E<strong>in</strong>trittstemperatur von<br />

15°C beträgt der Wirkungsgrad bis zu 30,76%, während mit 35°C nur bis zu 28,68% erreicht werden.<br />

E<strong>in</strong> Parameter muss jedoch berücksichtig werden und zwar die Meerwasseraustrittstemperatur. Das<br />

Meerwasser wird im Kondensator (letzte Zelle) benutzt, um das Destillat zu kondensieren und wird<br />

folglich erwärmt. Das Meerwasser geht also wärmer zurück <strong>in</strong>s Meer.<br />

Aus Umweltschutzgründen ist manchmal e<strong>in</strong>e Begrenzung der Meerwasseraustrittstemperatur<br />

erforderlich. Auf dem vorherigen Diagramm wurde ke<strong>in</strong>e Begrenzung angenommen. Das Ergebnis<br />

zeigt, dass die Effizienz l<strong>in</strong>ear ist.<br />

Das nächste Diagramm zeigt die Meerwasseraustrittstemperatur, sowie die Kondensationstemperatur<br />

abhängig von der Meerwassere<strong>in</strong>trittstemperatur. Der Meerwasserstrom, m_sw <strong>in</strong>, das heißt die<br />

Meerwassere<strong>in</strong>trittsmenge, bleibt <strong>in</strong> diesem Fall konstant: 1412 kg/s.<br />

T (°C)<br />

ηeff<br />

45,00<br />

40,00<br />

35,00<br />

30,00<br />

25,00<br />

20,00<br />

31.00%<br />

30.50%<br />

30.00%<br />

29.50%<br />

29.00%<br />

28.50%<br />

Wirkungsgrad des Kraftwerks<br />

15 20 25 30 35<br />

Bild 21: Meerwasseraustrittstemperatur, Kondensationstemperatur und Meerwassermenge <strong>in</strong> Abhängigkeit von der<br />

Meerwassere<strong>in</strong>trittstemperatur<br />

24<br />

T<strong>in</strong> SW (°C)<br />

Ohne Temperaturbegrenzung<br />

15 20 25 30 35<br />

T<strong>in</strong> SW (°C)<br />

1450<br />

1400<br />

1350<br />

1300<br />

1250<br />

1200<br />

1150<br />

1100<br />

1050<br />

1000<br />

m (kg/s)<br />

T_sw out<br />

T_cond<br />

m_sw <strong>in</strong>


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Januar 2010<br />

In der Wirklichkeit wäre das Meerwasser zum Beispiel mit 38°C begrenzt. Für diesen Fall ergeben<br />

sich folgende Diagramme:<br />

ηeff<br />

Bild 22: Wirkungsgrad des Kraftwerks <strong>in</strong> Abhängigkeit von der Meerwassere<strong>in</strong>trittstemperatur mit <strong>e<strong>in</strong>er</strong> 38°C-<br />

Begrenzung<br />

Ab <strong>e<strong>in</strong>er</strong> Meerwassere<strong>in</strong>trittstemperatur von 30°C kommt das Meerwasser aus dem Kondensator mit<br />

38°C heraus. Es darf also nicht wärmer werden und, um die Temperatur auszugleichen, wird die<br />

Meerwassere<strong>in</strong>trittsmenge erhöht. Deswegen wird jetzt e<strong>in</strong>e Biegung <strong>in</strong> 33°C dargestellt: die<br />

Meerwasseraustrittstemperatur und die Kondensationstemperatur bleiben konstant und im Gegensatz<br />

steigt der Massenstrom des Meerwassers stark, von 1412 kg/s bis zu 1993 kg/s bei 33°C und 3322 kg/s<br />

bei 35°C (siehe Bild 23).<br />

T (°C)<br />

31.00%<br />

30.50%<br />

30.00%<br />

29.50%<br />

29.00%<br />

28.50%<br />

28.00%<br />

45.00<br />

40.00<br />

35.00<br />

30.00<br />

25.00<br />

20.00<br />

Wirkungsgrad des Kraftwerks<br />

15 20 25 30 35<br />

Bild 23: Meerwasseraustrittstemperatur, Kondensationstemperatur und Meerwassermenge <strong>in</strong> Abhängigkeit von der<br />

Meerwassere<strong>in</strong>trittstemperatur mit <strong>e<strong>in</strong>er</strong> 38°C-Begrenzung<br />

25<br />

T<strong>in</strong> SW (°C)<br />

Mit Temperaturbegrenzung 38°C<br />

15 20 25 30 35<br />

T sw <strong>in</strong> (°C)<br />

3500 m (kg/s)<br />

3000<br />

2500<br />

2000<br />

1500<br />

1000<br />

T_sw out<br />

T_cond<br />

m_sw <strong>in</strong>


Alicia DESPORTES <strong>Bachelorarbeit</strong><br />

Januar 2010<br />

3.2. Kraftwerk mit MED - Ergebnisse<br />

Die MED-Anlage ersetzt den Kondensator im Basiskraftwerk. Mehrere zusätzliche Parameter werden<br />

jetzt berücksichtigt:<br />

- Die Grenzdrücke <strong>in</strong> der Turb<strong>in</strong>e: 0,37 bar, da ab 70°C die Rohren zu verkalken anfangen<br />

- Die Destillatmenge: 15000 t/d (Tonnen/Tag)<br />

- GOR: 10,20<br />

Bild 24: Parameter und Variablen von dem Kraftwerk und der MED<br />

Auf Bild 24 s<strong>in</strong>d die Parameter für das Kraftwerk, die Parameter für die MED und die Variablen<br />

zwischen diesen dargestellt. All diese Parameter müssen <strong>in</strong> den Berechnungen berücksichtigt werden.<br />

3.2.1. Kraftwerk mit <strong>e<strong>in</strong>er</strong> 12 Stufen-MED<br />

E<strong>in</strong> zweites Programm wurde für e<strong>in</strong> Kraftwerk mit <strong>e<strong>in</strong>er</strong> MED-Anlage statt dem Kondensator<br />

entwickelt. Mit denselben Meerwassertemperaturen wie oben, wurde der Wirkungsgrad der Anlage<br />

mit folgenden E<strong>in</strong>gaben berechnet:<br />

- Druck am E<strong>in</strong>tritt <strong>in</strong> die Turb<strong>in</strong>e = 45 bar<br />

- Stufenzahl der MED = 12<br />

Die Kurve des Wirkungsgrads, <strong>in</strong> Abhängigkeit von der Meerwassertemperatur, stellt sich wie folgt<br />

dar:<br />

26


Alicia DESPORTES <strong>Bachelorarbeit</strong><br />

Januar 2010<br />

ηeff<br />

20,90%<br />

20,70%<br />

20,50%<br />

20,30%<br />

20,10%<br />

19,90%<br />

19,70%<br />

19,50%<br />

T<strong>in</strong> SW (°C)<br />

Bild 25: Wirkungsgrad des 12 Stufen-MED-Kraftwerks <strong>in</strong> Abhängigkeit von der Meerwassere<strong>in</strong>trittstemperatur<br />

Wie für das Basiskraftwerk gilt: Je kälter das Meerwasser ist, desto effizienter ist das Kraftwerk. Der<br />

Wirkungsgrad bleibt jedoch viel niedriger, bei 15°C bestenfalls 20,70 %. Bei 35°C werden nur 19,90%<br />

erreicht.<br />

Um den E<strong>in</strong>fluss der MED-Anlage auf das Kraftwerk zu ermessen, s<strong>in</strong>d zwei anderen Auswertungen<br />

möglich:<br />

- Der Stromverlust pro Destillatmenge:<br />

Meerwassertemperatur<br />

15 20 25 30 35<br />

ΔPel<br />

m dest<br />

27<br />

= P el − 0P el0<br />

m dest<br />

Dieser Wert zeigt wie viel Strom durch die Turb<strong>in</strong>e weniger produziert wird.<br />

- Der Wärmeverbrauch bei <strong>e<strong>in</strong>er</strong> Tonne Destillat:<br />

ΔQ<br />

m dest<br />

= Q’ − Q 0<br />

m dest<br />

Diese Zahl ist noch <strong>in</strong>teressanter, da sie den Bedarf an Wärmemenge für e<strong>in</strong>e Tonne erzeugtes<br />

Destillat quantifiziert.<br />

Die folgende Kurve stellt den Stromverlust pro Destillatmenge dar:


Alicia DESPORTES <strong>Bachelorarbeit</strong><br />

Januar 2010<br />

ΔP/m<br />

(kWh/t)<br />

23,5<br />

21,5<br />

19,5<br />

17,5<br />

15,5<br />

13,5<br />

11,5<br />

9,5<br />

7,5<br />

15 20 25 30 35<br />

T<strong>in</strong> SW (°C)<br />

Bild 26: Stromverlust je Destillatmenge mit <strong>e<strong>in</strong>er</strong> 12 Stufen-MED<br />

Der Stromverlust ist relativ kle<strong>in</strong> bei niedrigen Temperaturen, 8,9 kWh/t bei 15°C, und steigt stetig bis<br />

22,3 kWh/t bei 35°C.<br />

Die Kurve des Wärmeverbrauchs für e<strong>in</strong>e Tonne Destillat <strong>in</strong> Abhängigkeit von der<br />

Meerwassertemperatur wird auch dargestellt:<br />

Spezifische<br />

Wärmeverbrauch<br />

ΔQ/mD (MWh/t)<br />

Stromverlust je Destillatmenge<br />

Wärmeverbrauch für e<strong>in</strong>e Tonne Destillat<br />

mit <strong>e<strong>in</strong>er</strong> 12 Stufen-MED<br />

65,00<br />

60,00<br />

55,00<br />

50,00<br />

45,00<br />

40,00<br />

15 20 25 30 35<br />

T<strong>in</strong> SW (°C)<br />

Bild 27: Wärmeverbrauchs für e<strong>in</strong>e Tonne Destillat <strong>in</strong> Abhängigkeit von der Meerwassertemperatur mit <strong>e<strong>in</strong>er</strong> 12 Stufen-<br />

MED<br />

Wie bei den anderen Diagrammen werden die besten Ergebnisse mit kalten Temperaturen erreicht. Mit<br />

15°C werden 43,0 kWh/tDestillatverbraucht. Je wärmer das Meerwasser wird, desto höher wird der<br />

Wärmeverbrauch, bis 62,0 kWh/t bei 35°C.<br />

28


Alicia DESPORTES <strong>Bachelorarbeit</strong><br />

Januar 2010<br />

3.2.2. Kraftwerk mit <strong>e<strong>in</strong>er</strong> MED-6 Stufen verknüpft<br />

Da es sich um e<strong>in</strong>e kl<strong>e<strong>in</strong>er</strong>e Anlage handelt, ist die Destillatproduktion nur 5000 t/d und der GOR<br />

4,95.<br />

ηeff<br />

22,00%<br />

20,00%<br />

18,00%<br />

16,00%<br />

14,00%<br />

12,00%<br />

10,00%<br />

15 20 25 30 35<br />

Bild 28: Wirkungsgrad des 6 Stufen-MED-Kraftwerks <strong>in</strong> Abhängigkeit von der Meerwassere<strong>in</strong>trittstemperatur<br />

Der Wirkungsgrad des Kraftwerks, abhängig von der Meerwassertemperatur, ändert sich fast nicht im<br />

Vergleich zu den Ergebnissen <strong>e<strong>in</strong>er</strong> 12 Stufen-MED-Anlage.<br />

ΔP/m<br />

23,5<br />

21,5<br />

19,5<br />

17,5<br />

15,5<br />

(kWh/t) 13,5<br />

11,5<br />

9,5<br />

7,5<br />

Meerwassertemperatur<br />

Bild 29: Stromverlust je Destillatmenge mit <strong>e<strong>in</strong>er</strong> 6-Stufen-MED-Anlage<br />

29<br />

T<strong>in</strong> SW (°C)<br />

Stromverlust je Destillatmenge<br />

15 20 25 30 35<br />

T<strong>in</strong> SW (°C)


Alicia DESPORTES <strong>Bachelorarbeit</strong><br />

Januar 2010<br />

Spezifische<br />

Wärmeverbrauch<br />

ΔQ/m D (MWh/t)<br />

Wärmeverbrauch für e<strong>in</strong>e Tonne Destillat mit <strong>e<strong>in</strong>er</strong><br />

6 Stufen-MED<br />

0,50<br />

0,45<br />

0,40<br />

0,35<br />

0,30<br />

0,25<br />

0,20<br />

0,15<br />

0,10<br />

0,05<br />

0,00<br />

15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35<br />

Meerwassertemperatur (°C)<br />

Bild 30: Wärmeverbrauchs für e<strong>in</strong>e Tonne Destillat <strong>in</strong> Abhängigkeit von der Meerwassertemperatur mit <strong>e<strong>in</strong>er</strong> 6 Stufen-<br />

MED<br />

Der Wärmeverbrauch <strong>e<strong>in</strong>er</strong> 6 Stufen-MED hat e<strong>in</strong>en ähnlichen Kurvenverlauf, ist aber viel größer als<br />

der <strong>e<strong>in</strong>er</strong> 12 Stufen-MED und steigt schnell mit der Meerwassertemperatur. Bei 15°C werden<br />

117,9kWh/tDestillat verbraucht, bei 35°C 488,8 kWh/tDestillat.<br />

Je mehr Stufen die MED besitzt, desto effizienter ist sie.<br />

Mehr Stufen und/oder mehr Vorwärmer erhöhen den Wirkungsgrad der Anlage, aber auch ihren<br />

Baupreis. In den berechneten Fällen ist die 12 Stufen-MED Anlage viel effizienter als die 6 Stufen-<br />

MED Anlage.<br />

Der globale Wirkungsgrad e<strong>in</strong>es Kraftwerks hängt von der Meerwassertemperatur ab.<br />

Mit oder ohne MED ist die Anlageneffizienz von der Meerwassertemperatur abhängig. Je kälter das<br />

Wasser ist, desto effizienter arbeitet das Kraftwerk. Deswegen braucht das Kraftwerk im W<strong>in</strong>ter<br />

weniger Energie.<br />

30


Alicia DESPORTES <strong>Bachelorarbeit</strong><br />

Januar 2010<br />

4. Zusammenfassung<br />

Ziel dieser <strong>Bachelorarbeit</strong> war es, e<strong>in</strong> Programm zu entwickeln, das zwei<br />

Meerwasserentsalzungstechnologien, MED und RO, vergleichen konnte. In diesem Programm sollte<br />

zunächst die MED Berechnungen ausgeführt und behandelt werden. Wenn der RO Teil fertig wird,<br />

können die Ergebnisse von RO und MED übere<strong>in</strong>andergelegt werden, um den Vergleich vollständig<br />

zu machen.<br />

Als Referenz für den Vergleich dient e<strong>in</strong>, mit dem Programm berechnetes, Basiskraftwerk mit dem der<br />

Effekt der Entsalzungsanlage bewertet werden kann. Wichtig für diese Berechnung waren der<br />

Wirkungsgrad der Anlage <strong>in</strong> Abhängigkeit von der Meerwassertemperatur, die verbrauchte Energie<br />

und der erzeugte Strom. Als MED wurden zwei Anlagen mit unterschiedlichen Parametern berechnet,<br />

deren bedeutendster Unterschied die Stufenzahl war. Interessante Vergleichselemente s<strong>in</strong>d nun der<br />

Wirkungsgrad der Anlage, der Stromverlust je Destillatmenge und der Wärmeverbrauch für e<strong>in</strong>e<br />

Tonne Destillat jeweils <strong>in</strong> Abhängigkeit von der Meerwassertemperatur.<br />

Mit oder ohne MED ist die Anlageneffizienz von der Meerwassertemperatur abhängig - je kälter das<br />

Wasser, desto effizienter arbeitet das Kraftwerk. Ebenso erhöhen mehr Stufen und/oder mehr<br />

Vorwärmer <strong>in</strong> der MED den Wirkungsgrad der Anlage, aber auch ihren Baupreis.<br />

Nur e<strong>in</strong>en technischen Vergleich von <strong>Meerwasserentsalzungsanlage</strong>n vorzunehmen, wäre für e<strong>in</strong>en<br />

Kunde s<strong>in</strong>nlos. Interessant wäre im Gegensatz, die Kosten der Anlage nach deren Effizienz und<br />

Gew<strong>in</strong>n zu vergleichen.<br />

31


Alicia DESPORTES <strong>Bachelorarbeit</strong><br />

Januar 2010<br />

Bildverzeichnis<br />

Bild 1: P/h Diagramm ................................................................................................................ 5<br />

Bild 2: Das Mollier h,s-Diagramm ............................................................................................. 6<br />

Bild 3: Darstellung des Mollier h,s-Diagramms ........................................................................ 7<br />

Bild 4: Theoretischer Kreisprozess idealer Gase nach Carnot ................................................... 8<br />

Bild 5: 3 Hauptetappe der Meerwasserentsalzung ..................................................................... 9<br />

Bild 6: Aufbau e<strong>in</strong>es Verdampfers ........................................................................................... 11<br />

Bild 7: Schema <strong>e<strong>in</strong>er</strong> MED ...................................................................................................... 11<br />

Bild 8: Schema der ersten Zelle <strong>e<strong>in</strong>er</strong> MED ............................................................................ 12<br />

Bild 9: Schema der letzten Zelle <strong>e<strong>in</strong>er</strong> MED ........................................................................... 12<br />

Bild 10: Modellierung der Layyah-Anlage .............................................................................. 13<br />

Bild 11: Layyah Power Station (Quelle: Sidem) ...................................................................... 14<br />

Bild 12: Schema des Pr<strong>in</strong>zips der Umkehrosmose ................................................................... 14<br />

Bild 13: Pr<strong>in</strong>zip der Osmose und Umkehrosmose ................................................................... 15<br />

Bild 14: RO-Anlage <strong>in</strong> Grenod (Israel) – Photo privat ............................................................ 16<br />

Bild 15: Aufbau <strong>e<strong>in</strong>er</strong> Umkehrosmose-E<strong>in</strong>heit ........................................................................ 16<br />

Bild 16: <strong>Integration</strong> <strong>e<strong>in</strong>er</strong> MED oder <strong>e<strong>in</strong>er</strong> RO <strong>in</strong> e<strong>in</strong> Basis Kraftwerk ................................... 17<br />

Bild 17: Schema des Kreislaufprozesses .................................................................................. 19<br />

Bild 18: Schema e<strong>in</strong>es Basiskraftwerks ................................................................................... 21<br />

Bild 19: Mollier-Diagramm mit den Parametern <strong>e<strong>in</strong>er</strong> Turb<strong>in</strong>e............................................... 23<br />

Bild 20: Wirkungsgrad des Kraftwerks <strong>in</strong> Abhängigkeit von der<br />

Meerwassere<strong>in</strong>trittstemperatur ................................................................................... 24<br />

Bild 21: Meerwasseraustrittstemperatur, Kondensationstemperatur und Meerwassermenge <strong>in</strong><br />

Abhängigkeit von der Meerwassere<strong>in</strong>trittstemperatur ............................................... 24<br />

Bild 22: Wirkungsgrad des Kraftwerks <strong>in</strong> Abhängigkeit von der<br />

Meerwassere<strong>in</strong>trittstemperatur mit <strong>e<strong>in</strong>er</strong> 38°C-Begrenzung ...................................... 25<br />

Bild 23: Meerwasseraustrittstemperatur, Kondensationstemperatur und Meerwassermenge <strong>in</strong><br />

Abhängigkeit von der Meerwassere<strong>in</strong>trittstemperatur mit <strong>e<strong>in</strong>er</strong> 38°C-Begrenzung .. 25<br />

Bild 24: Parameter und Variablen von dem Kraftwerk und der MED ..................................... 26<br />

Bild 25: Wirkungsgrad des 12 Stufen-MED-Kraftwerks <strong>in</strong> Abhängigkeit von der<br />

Meerwassere<strong>in</strong>trittstemperatur ................................................................................... 27<br />

Bild 26: Stromverlust je Destillatmenge mit <strong>e<strong>in</strong>er</strong> 12 Stufen-MED ........................................ 28<br />

Bild 27: Wärmeverbrauchs für e<strong>in</strong>e Tonne Destillat <strong>in</strong> Abhängigkeit von der<br />

Meerwassertemperatur mit <strong>e<strong>in</strong>er</strong> 12 Stufen-MED ..................................................... 28<br />

Bild 28: Wirkungsgrad des 6 Stufen-MED-Kraftwerks <strong>in</strong> Abhängigkeit von der<br />

Meerwassere<strong>in</strong>trittstemperatur ................................................................................... 29<br />

Bild 29: Stromverlust je Destillatmenge mit <strong>e<strong>in</strong>er</strong> 6-Stufen-MED-Anlage ............................. 29<br />

Bild 30: Wärmeverbrauchs für e<strong>in</strong>e Tonne Destillat <strong>in</strong> Abhängigkeit von der<br />

Meerwassertemperatur mit <strong>e<strong>in</strong>er</strong> 6 Stufen-MED ....................................................... 30<br />

Tabelle 1: Vergleich der Merkmalen von MED und RO ......................................................... 18<br />

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Alicia DESPORTES <strong>Bachelorarbeit</strong><br />

Januar 2010<br />

Literaturverzeichnis<br />

Bücher:<br />

- Taschenbuch für Heizung + Klimatechnik, Recknagel/Sprenger/Hönmann<br />

- Technische Thermodynamik Teil 1, Bosnjakovic<br />

- Physik IV – Physik der Atome und Moleküle, Physik der Wärme,<br />

Kalvius/Luchner/Vonach<br />

- Physik, Gerthsen/Kneser/Vogel<br />

- Taschenbuch für den Masch<strong>in</strong>enbau, Dubbel<br />

- Thermische Trennverfahren, K. Sattler<br />

- Energie – E<strong>in</strong> Lehrbuch der physikalischen Grundlagen, Fricke/Borst<br />

- Desal<strong>in</strong>ation, T. Pankratz/ J. Tonner<br />

- E<strong>in</strong>führung <strong>in</strong> die Thermodynamik, Cerbel/Hoffmann<br />

- Technische Thermodynamik, Cerbel/Wilhelms<br />

- Fundamentals of Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g Thermodynamics, Moran/Shapiro<br />

- Thermodynamik, Lucas<br />

- Grundzüge der Thermodynamik, Müller<br />

- Fundamentals of Thermal-Fluid Sciences, Cengel/Turner/Cimbala<br />

- Thermodynamik, neunte Auflage, H. D. Baer<br />

- DIN-Normen <strong>in</strong> der Verfahrenstechnik, Graßmuck/Houben/Zoll<strong>in</strong>ger<br />

- Thermodynamics, Cengel/Boles<br />

- Technische Thermodynamik, E. Becker<br />

- Membranverfahren, R. Rautenbach<br />

- Membrantrennverfahren, Ultrafiltration und Umkehrosmose, R. Rautenbach/ R.<br />

Albrecht<br />

- Wasserversorgung, R. Karger/ K. Cord-Landwehr/ F. Hoffmann<br />

- Technik der Wasserversorgung, G. Merkl<br />

Websites:<br />

- www.med-csd-ec.eu/eng<br />

- www.entropie.com<br />

- www.iea.org<br />

- www.techno-science.net<br />

Technische Dokumente:<br />

- MED-CSD, Desal<strong>in</strong>ation Technology Review, Marie-Luise Tomasek, Dr. Jürgen<br />

Scharfe, Inbal david, Dr. P<strong>in</strong>has Glueckstern, Menahem Priel<br />

- Berechnung und Planung <strong>e<strong>in</strong>er</strong> Absorptionswärmepumpe mit <strong>in</strong>verser Rektifikation,<br />

Diplomarbeit, Marie-Luise Tomasek<br />

- Techno-economic Evaluation of the Cogeneration of Solar Electricity and Desal<strong>in</strong>ated<br />

Water, Kai-Dieter Schmitz, Klaus-Jürgen Riffelmann, Thomas Thaufelder Absorption<br />

Refrigeration and Heat Pumps, INVEN Absorption<br />

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Alicia DESPORTES <strong>Bachelorarbeit</strong><br />

Januar 2010<br />

Anhänge<br />

Anhang 1 : Vorstellung der Firma<br />

Anhang 2 : Mollier-Diagramm<br />

mit Werten <strong>e<strong>in</strong>er</strong> Turb<strong>in</strong>e, deren E<strong>in</strong>trittsdruck p = 45 bar und<br />

E<strong>in</strong>trittstemperatur t = 410°C<br />

Referenz: Mollier-Diagramm p 17<br />

Anhang 3 : Das MED-CSD Projekt<br />

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