Bachelorarbeit : Integration einer Meerwasserentsalzungsanlage in ...
Bachelorarbeit : Integration einer Meerwasserentsalzungsanlage in ...
Bachelorarbeit : Integration einer Meerwasserentsalzungsanlage in ...
Erfolgreiche ePaper selbst erstellen
Machen Sie aus Ihren PDF Publikationen ein blätterbares Flipbook mit unserer einzigartigen Google optimierten e-Paper Software.
<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 />
4
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 />
5
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 />
6
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 />
7
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 />
10
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 />
11
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 />
12
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 />
15
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>
Alicia DESPORTES <strong>Bachelorarbeit</strong><br />
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 />
32
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 />
33
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 />
34