Wie man Wasser mit Solardestillation reinigt

Siehe:

Howtopedia → How to Purify Water With Solar Distillation
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Kurzbeschreibung

• Idee: Sauberes Wasser durch Solardestillation
• Schwierigkeitsgrad: mittel

Einleitung

In vielen Entwicklungsländern besteht ein großer Bedarf an sauberem, reinem Trinkwasser. Häufig sind Wasserquellen brackig (d. h. sie enthalten gelöste Salze) und/oder mit schädlichen Bakterien belastet und daher nicht als Trinkwasser geeignet. Zudem gibt es viele Küstenregionen, in denen Meerwasser reichlich vorhanden ist, Trinkwasser jedoch fehlt. Reines Wasser wird außerdem für Batterien sowie in Krankenhäusern oder Schulen benötigt.

Die Destillation ist eines von mehreren Verfahren zur Wasseraufbereitung. Sie erfordert einen Energieeinsatz in Form von Wärme; Sonnenstrahlung kann dabei als Energiequelle dienen. Bei diesem Prozess wird Wasser verdampft, wodurch Wasserdampf von den gelösten Stoffen getrennt wird. Der Wasserdampf kondensiert anschließend wieder zu reinem Wasser.

Die solare Wasserdestillation ist eine Solartechnologie mit sehr langer Geschichte. Bereits vor über 2000 Jahren wurden entsprechende Anlagen gebaut – damals allerdings zur Salzgewinnung und nicht zur Trinkwassererzeugung. Die dokumentierte Nutzung von Solardestillen begann im 16. Jahrhundert. Eine frühe großtechnische Solardestille wurde 1872 errichtet, um eine Bergbaugemeinde in Chile mit Trinkwasser zu versorgen. Zur ersten Massenproduktion kam es während des Zweiten Weltkriegs, als 200.000 aufblasbare Kunststoff-Destillen für Rettungsboote der US Navy hergestellt wurden.

Es gibt eine Reihe anderer Ansätze zur Wasseraufbereitung und Entsalzung, wie etwa photovoltaisch betriebene Umkehrosmose, für die kleinmaßstäbliche kommerzielle Anlagen verfügbar sind. Diese werden hier nicht betrachtet.

Wenn statt Entsalzung die Behandlung verschmutzten Wassers erforderlich ist, stellt der langsame Sandfilter eine gute Alternative dar.

Ziel dieses technischen Überblicks ist es, grundlegende Informationen bereitzustellen und die Leserinnen und Leser auf weiterführende, detailliertere Quellen hinzuweisen.

Energiebedarf für die Wasserdestillation

Die Energie, die zur Verdampfung von Wasser benötigt wird, entspricht der Verdampfungsenthalpie von Wasser. Diese beträgt 2260 Kilojoule pro Kilogramm (kJ/kg). Das bedeutet, dass zur Erzeugung von 1 Liter (d. h. 1 kg, da die Dichte von Wasser 1 kg/Liter beträgt) reinem Wasser durch Destillation von Brackwasser eine Wärmezufuhr von 2260 kJ erforderlich ist. Dabei ist weder der Wirkungsgrad der Heizmethode berücksichtigt, der unter 100 % liegt, noch eine mögliche Rückgewinnung der Verdampfungswärme, die bei der Kondensation des Wasserdampfs frei wird.

Es ist zu beachten, dass zwar 2260 kJ/kg erforderlich sind, um Wasser zu verdampfen, jedoch nur etwa 0,2 kJ/kg, um 1 kg Wasser über eine Förderhöhe von 20 m zu pumpen. Destillation wird daher in der Regel nur dort in Betracht gezogen, wo es keine lokale Süßwasserquelle gibt, die sich einfach pumpen oder fördern lässt.

Funktionsweise einer einfachen Solardestille

Abbildung 1 zeigt eine Einbecken-Destille. Die grundlegenden Funktionsprinzipien sind bei allen Solardestillen gleich. Die einfallende Sonnenstrahlung wird durch die Glasabdeckung hindurchgelassen und von einer schwarzen Oberfläche, die mit dem zu destillierenden Wasser in Kontakt steht, als Wärme absorbiert. Dadurch erwärmt sich das Wasser und gibt Wasserdampf ab. Dieser kondensiert an der Glasabdeckung, die aufgrund des Kontakts mit der Umgebungsluft eine niedrigere Temperatur hat, und läuft in eine Sammelrinne, von wo aus er in einen Speichertank geleitet wird.

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Abbildung 1: Einbecken-Destille

Konstruktionsziele für eine effiziente Solardestille

Für eine hohe Effizienz sollte die Solardestille folgende Bedingungen erfüllen:

• eine hohe Temperatur des Zulaufwassers (nicht destilliertes Wasser)

• einen großen Temperaturunterschied zwischen Zulaufwasser und Kondensationsfläche

• geringe Dampfverluste.

Eine hohe Temperatur des Zulaufwassers kann erreicht werden, wenn:

• ein hoher Anteil der einfallenden Strahlung vom Zulaufwasser als Wärme absorbiert wird. Dafür sind eine Abdeckung mit geringer Absorption sowie eine gut wärmeabsorbierende Oberfläche erforderlich

• Wärmeverluste über Boden und Wände gering gehalten werden

• das Wasser nur eine geringe Tiefe hat und somit weniger Masse aufgeheizt werden muss.

Ein großer Temperaturunterschied kann erreicht werden, wenn:

• die Kondensationsfläche wenig oder keine einfallende Strahlung absorbiert

• das bei der Kondensation entstehende Wasser Wärme abgibt, die rasch von der Kondensationsfläche abgeführt wird, z. B. durch einen zweiten Wasser- oder Luftstrom oder durch Kondensation während der Nacht.

Konstruktionstypen und ihre Leistungsfähigkeit

Einbecken-Destillen sind intensiv untersucht worden und ihr Verhalten ist gut bekannt. Typische Wirkungsgrade liegen bei etwa 25 %. Der tägliche Ertrag in Abhängigkeit von der Sonneneinstrahlung ist am frühen Abend am höchsten, wenn das Zulaufwasser noch warm ist, die Außentemperaturen jedoch bereits sinken.

Die Materialwahl ist von großer Bedeutung. Die Abdeckung kann aus Glas oder Kunststoff bestehen. Glas gilt für die meisten langfristigen Anwendungen als am besten geeignet, während Kunststoffe (z. B. Polyethylen) eher für den kurzfristigen Einsatz verwendet werden.

Sandbeton oder wasserdicht ausgeführter Beton gelten als die besten Materialien für das Becken einer langlebigen Destille, wenn diese vor Ort hergestellt wird. Für industriell gefertigte Destillen ist vorgefertigter Ferrobeton ein geeignetes Material.

Mehrstufige Becken-Destillen besitzen zwei oder mehr Kammern. Die Kondensationsfläche der unteren Kammer bildet den Boden der darüberliegenden Kammer. Die bei der Kondensation frei werdende Wärme dient dazu, das darüberliegende Zulaufwasser zu verdampfen. Dadurch ist der Wirkungsgrad höher als bei einer Einbecken-Destille und liegt typischerweise bei 35 % oder mehr, allerdings steigen Kosten und Komplexität entsprechend.

Docht-Destillen – Bei einer Docht-Destille fließt das Zulaufwasser langsam durch ein poröses, strahlungsabsorbierendes Material (den Docht). Gegenüber Becken-Destillen werden zwei Vorteile geltend gemacht: Erstens kann der Docht geneigt werden, sodass das Zulaufwasser in einem günstigeren Winkel zur Sonne steht (geringere Reflexion und größere effektive Fläche). Zweitens befindet sich zu jedem Zeitpunkt weniger Wasser in der Destille, wodurch es schneller und auf höhere Temperaturen erhitzt wird.

Einfache Docht-Destillen sind effizienter als Becken-Destillen, und für einige Ausführungen wird behauptet, dass sie bei gleicher Leistung kostengünstiger sind.

Notfall-Destille – Zur Bereitstellung von Trinkwasser in Notsituationen an Land kann eine sehr einfache Destille gebaut werden. Sie nutzt die Feuchtigkeit im Boden. Benötigt werden lediglich eine Kunststofffolie, eine Schüssel oder ein Eimer sowie ein kleiner Stein.

Hybridkonstruktionen – Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Solardestillen sinnvoll mit anderen Technologien zu kombinieren. Drei Beispiele sind:

• Regenwassersammlung: Durch Hinzufügen einer externen Regenrinne kann die Abdeckung der Destille zur Sammlung von Regenwasser genutzt werden, um den Ertrag der Solardestille zu ergänzen.

• Gewächshaus-Solardestille: Das Dach eines Gewächshauses kann als Abdeckung einer Destille dienen.

• Zusätzliche Beheizung: Abwärme aus einem Motor oder dem Kondensator eines Kühlschranks kann als zusätzliche Energiequelle genutzt werden.

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Abbildung 2: einfache Typen von Solardestillen.

Ertrag einer Solardestille

Eine Näherungsmethode zur Abschätzung des Ertrags einer Solardestille ist:

wobei:

Q = täglicher Ertrag an destilliertem Wasser (Liter/Tag)
E = Gesamtwirkungsgrad
G = tägliche globale Sonneneinstrahlung (MJ/m²)
A = Aperturfläche der Destille, d. h. die Grundfläche bei einer einfachen Becken-Destille (m²)

In einem typischen Land beträgt die durchschnittliche tägliche globale Sonneneinstrahlung etwa 18,0 MJ/m² (5 kWh/m²). Eine einfache Becken-Destille arbeitet mit einem Gesamtwirkungsgrad von etwa 30 %. Daraus ergibt sich ein Ertrag pro Quadratmeter Fläche von:

Der jährliche Ertrag einer Solardestille wird daher häufig mit ungefähr einem Kubikmeter pro Quadratmeter angegeben.

Erfahrungen

Trotz der Vielzahl neuartiger Konstruktionen bleibt die Einbecken-Destille die einzige Bauart, die sich im praktischen Einsatz bewährt hat. Zwischen 1957 und 1980 wurden mindestens 40 Einbecken-Destillen mit Flächen von mehr als 100 m² (bis zu 9000 m²) errichtet. 27 davon hatten Glasabdeckungen, 9 Kunststoffabdeckungen. 24 der glasabgedeckten Destillen sind noch in ihrer ursprünglichen Form in Betrieb, während nur eine der kunststoffabgedeckten Anlagen noch funktioniert. Hunderte kleinerer Destillen sind in Betrieb, insbesondere in Afrika.

Die Kosten für die Erzeugung von reinem Wasser hängen ab von:

• den Herstellungskosten der Destille
• den Kosten für das Grundstück
• der Lebensdauer der Destille
• den Betriebskosten
• den Kosten des Zulaufwassers
• dem zugrunde gelegten Abzinsungssatz
• der produzierten Wassermenge.

Die Kosten einer Solardestille liegen normalerweise bei 50–70 GBP/m². Der Preis für das Grundstück macht in ländlichen Gebieten in der Regel nur einen kleinen Anteil davon aus, kann jedoch in Städten und Ballungsräumen prohibitiv hoch sein.

Die Lebensdauer einer Glasdestille wird üblicherweise mit 20 bis 30 Jahren angesetzt, die Betriebskosten können jedoch hoch sein, insbesondere durch den Ersatz von zerbrochenem Glas.

Die Leistungsfähigkeit variiert zwischen tropischen Standorten, jedoch nicht wesentlich. Ein durchschnittlicher Ertrag von 2,5–3,0 l/m²/Tag ist typisch, was etwa 1 m³/m²/Jahr entspricht.

Würde eine Solardestille Ihren Bedarf decken?

Menschen benötigen 1 bis 2 Liter Wasser pro Tag zum Überleben. Der Mindestbedarf für ein normales Leben in Entwicklungsländern (einschließlich Kochen, Reinigen und Wäschewaschen) liegt bei etwa 20 Litern pro Tag (in Industrieländern sind 200 bis 400 Liter pro Tag üblich). Einige Tätigkeiten können jedoch mit salzhaltigem Wasser durchgeführt werden, und der typische Bedarf an destilliertem Wasser beträgt etwa 5 Liter pro Person und Tag. Daher werden etwa 2 m² Destillenfläche pro versorgter Person benötigt.

Solardestillen sollten in der Regel nur zur Entfernung gelöster Salze aus Wasser in Betracht gezogen werden. Besteht die Wahl zwischen brackigem Grundwasser und verschmutztem Oberflächenwasser, ist es in der Regel kostengünstiger, einen langsamen Sandfilter oder eine andere Aufbereitungstechnik zu verwenden. Gibt es kein Süßwasser, sind die wichtigsten Alternativen Entsalzung, Transport und Regenwassersammlung.

Im Gegensatz zu anderen Entsalzungstechniken sind Solardestillen umso attraktiver, je geringer der benötigte Wasserausstoß ist. Die anfänglichen Investitionskosten sind bei Destillen ungefähr proportional zur Kapazität, während andere Verfahren deutliche Skaleneffekte aufweisen. Für einzelne Haushalte ist die Solardestille daher meist die wirtschaftlichste Lösung.

Bei einem Bedarf von 1 m³/Tag oder mehr sollten Umkehrosmose oder Elektrodialyse als Alternativen zu Solardestillen in Betracht gezogen werden. Viel hängt dabei von der Verfügbarkeit und dem Preis elektrischer Energie ab.

Bei einem Bedarf von 200 m³/Tag oder mehr sind Dampfkompression oder Blitzverdampfung in der Regel die kostengünstigsten Verfahren. Letztere Technologie kann einen Teil ihres Energiebedarfs durch Solarwassererhitzer decken.

In vielen Teilen der Welt wird Süßwasser aus anderen Regionen per Schiff, Bahn, Lkw oder Pipeline transportiert. Die Kosten für per Fahrzeug transportiertes Wasser liegen typischerweise in derselben Größenordnung wie die Kosten für durch Solardestillen erzeugtes Wasser. Eine Pipeline kann für sehr große Mengen kostengünstiger sein.

Die Regenwassersammlung ist in Gebieten mit ausreichenden Niederschlägen eine noch einfachere Technik als die Solardestillation, erfordert jedoch größere Flächen und meist größere Speichertanks. Sind bereits geeignete Sammelflächen vorhanden (z. B. Hausdächer), können diese eine günstigere Quelle für sauberes Wasser darstellen.

Welche Solardestille?

Die Einbecken-Destille ist die einzige Konstruktion, die sich im praktischen Einsatz bewährt hat. Mehrstufige Destillen haben zwar das Potenzial, wirtschaftlicher zu sein, es empfiehlt sich jedoch, zunächst Erfahrungen mit einer Einbecken-Destille zu sammeln.

Referenzen und weiterführende Literatur

Dieser Howtopedia-Eintrag basiert auf dem Technical Brief „Solar Distillation“ von Practical Action.
Zum Originaldokument führt folgender Link: http://www.practicalaction.org/?id=technical_briefs_water

• Malik A S et al – Solar Distillation – Pergamon Press – 1982. Umfassendes technisches Fachbuch.

• Waterlines Journal, Band 7, Nr. 2. Developing Appropriate Technologies in Peru, 1988.

Nützliche Adressen

Practical Action The Schumacher Centre for Technology & Development, Bourton on Dunsmore, RUGBY, CV23 9QZ, Vereinigtes Königreich.
Tel.: +44 (0) 1926 634400, Fax: +44 (0) 1926 634401 E-Mail:practicalaction@practicalaction.org.uk Web:www.practicalaction.org

ISES – International Solar Energy Society
Burkhard Holder, Director, Ryan van Staden, Christopher Findlay
Villa Tannheim, Wiesentalstrasse 50, D-79115 Freiburg, Deutschland, Tel.: +49 761 459 060, Fax: +49 761 459 0699, Website: http://www.ises.org

Indian Desalination Association (InDA)
Dr. B.M. Misra
Mumbai 400 085, Indien, Tel.: +91 22 5513992 / 5563060 Durchwahl 4705 / 4706, Fax: +91 22 5560750, http://www.buc.emet.in
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Online-Verzeichnis zur Entsalzung

International Desalination Association (IDA)
POB 387, 37 Main St., Topsfield, MA 01983, USA, Tel.: +1 508 887 0410, Fax: +1 508 887 0411, http://www.ida.bm
Ziel der Vereinigung ist die Entwicklung und Förderung der angemessenen Nutzung der Entsalzung (Entfernung von Salzen und anderen Verunreinigungen aus Wasser) sowie der Entsalzungstechnologien weltweit.

Pakistan Desalination Association (PaKDA)
42, Bhayani Centre, Block-M, North Nazimabad, Karachi, Pakistan, Tel.: +92 21 6677341-2, Fax: +92 21 6641121,
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