In vielen Teilen der Welt ist sauberes Trinkwasser eine Mangelware. Der Klimawandel verschärft die Situation durch intensivere Dürreperioden und vermehrt auftretende starke Unwetter zusätzlich. Zahlreiche Menschen sind von der Trinkwassererzeugung aus Wasserentsalzungsanlagen abhängig. Der hohe Energieverbrauch dieser Anlagen wird derzeit überwiegend aus fossilen Brennstoffen gedeckt. Im Projekt NEWSUN (Nexus of Electricity and Water Supply for Urban Needs) entwickelt Projektleiter Armin Buchroithner vom Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverabeitung (EMT) gemeinsam mit seinem Team ein mit Sonnenenergie betriebenes Wasserentsalzungssystem. Beteiligt an dem durch die Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) bis 2021 geförderten Projekt sind auch die Projektpartner IMK Solarmirrortec, das Institut für Wärmetechnik sowie das Institut für Maschinenelemente und Entwicklungsmethodik der TU Graz.
Sauberes Trinkwasser nachhaltig erzeugt
Im Rahmen von NEWSUN verfolgen die Forscher das Ziel, ein Wasserentsalzungssystem mit 100 Prozent Sonnenenergie zu betreiben – und das mit einem sehr hohen Wirkungsgrad von 70 Prozent. Neben seiner hohen Effizienz funktioniert das System auch vollkommen autark und eignet sich daher besonders gut für Insellösungen. Um die für die Entsalzungsanlage notwendige Energie bereitzustellen, kombiniert das Forschungsteam zwei Technologien, die das Sonnenlicht einerseits in Wärme und andererseits in Strom umwandeln. Beides nutzt die Anlage, um das Salzwasser in einer Multi-Effekt-Destillation zum Kochen zu bringen, sodass Dampf entsteht. Dieser kondensiert innerhalb der Anlage als reines Wasser, wird gesammelt und kann als Trinkwasser genutzt werden.
Schematischer Aufbau der Meerwasserentsalzungsanlage. © IMK Solarmirrortec
Optimierungsbedarf für lange Lebensdauer
Armin Buchroithner sieht eine der Herausforderungen bei NEWSUN in der Kühlung der stromerzeugenden Concentrator-Photovoltaic-Zellen. „Systeme, in denen die Erzeugung von Wärme und Strom aus Sonnenergie kombiniert sind, sogenannte Hybridabsorber, unterliegen einem Zielkonflikt, da Wärme meist bei hohen Temperaturen gebraucht wird, die PV-Module aber dadurch geschädigt werden können. Im NEWSUN Hybridabsorber muss ein optimaler Kompromiss zwischen thermischem und elektrischem Ertrag erlangt werden“, erklärt er die Problematik. „Wir legen besonderes Augenmerk auf die Dimensionierung der Kühlung und die Festsetzung der prozessoptimalen Betriebstemperatur, um eine hohe Lebensdauer der eingesetzten Bauteile zu gewährleisten.“ Zu diesem Zweck erstellen die Forschenden im Rahmen des Projektes eine Computersimulation des Gesamtsystems und bauen einen skalierten Prototypen in einer Laborumgebung auf. Anhand nummerischer Modelle, welche durch rückfließende Messdaten validiert werden, können so die Systemkomponenten optimiert werden.
Neben dem großen Potential, das die NEWSUN Technologie für die globale Trinkwassererzeugung in sich trägt, ist eine Anwendung zur Gewinnung von Reinstwasser denkbar, das etwa bei der Herstellung von Medikamenten, in der chemischen Analytik oder in der Mikroelektronik zum Einsatz kommt.
Dieses Forschungsprojekt ist im FoE „Sustainable Systems“ verankert, einem der fünf Stärkefelder der TU Graz.
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