Eine photovoltaisch betriebene modifizierte Kaskadenspülung mit Membrantechnik zur Minimierung des Wasserverbrauchs

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1 6. ymposium Photovoltaische olarenergie März 00, taffelstein Eine photovoltaisch betriebene modifizierte Kaskadenspülung mit Membrantechnik r Minimierung des Wasserverbrauchs Dipl.-Phys. Dr.-Ing. Klaus Brinkmann FernUniversität in Hagen, Lehrgebiet Elektrische Energietechnik Feithstraße 40, Philipp-Reis-Gebäude, D Hagen, fax: +49//987 57, klaus.brinkmann@fernuni-hagen.de Adresse bei Rückfragen siehe * Einleitung:. Es zeichnet sich für die Zukunft weltweit ein gravierendes Problem bezüglich der Wasserversorgung ab, was auch von den Vereinten Nationen in etlichen tudien gesehen wird. Es ist schon in naher Zukunft mit einem starken Anstieg von einem Mangel an Trinkwasser in den verschiedensten Regionen der Erde rechnen []. Erschwert wird die ituation der Wasserknappheit dann noch sätzlich, wenn das kostbare Gut Wasser ebenfalls für unverzichtbare Reinigungsvorgänge benötigt wird. Die Versorgung mit Trinkwasser ist sätzlich eng mit den Energieversorgungsmöglichkeiten gekoppelt. omit müssen Problemstellungen r Wasserversorgung und Energietechnik immer mehr in einem Gesamtkontext gesehen und behandelt werden, wobei den erneuerbaren Energiequellen eine chlüsselfunktion beimessen ist. Im folgenden wird ein vom Autor m Patent angemeldetes Verfahren vorgestellt. Dies ist ein photovoltaisch betriebenes effizientes Reinigungssystem, mit dessen Hilfe Wassereinsparungen von über 50% vorstellbar sind. Kaskadenspülprozess: Es ist bekannt, dass pülvorgänge besonders wassersparend arbeiten, wenn man die sogenannte Kaskadentechnik einsetzt. Dabei durchläuft das pülgut verschiedene hintereinander angeordnete Becken. Der reinigende Gegenstand wird der Reihe nach in den Becken gespült, wobei das pülwasser von Becken Becken sauberer ist. V & Massenflussbilanz pülwasser Konzentrationsverteilung c V& Definition: Λ V& V& c V & Verschleppungsvolumen Die Bestimmung der normierten Konzentrationen mit Hilfe eines Gleichungs-ystems anhand der Bilanz erfolgen. c Verschleppung Abb. vereinfachtes Modell der Kaskadenspülung Abwasser - chmutzkonzentration: c n n Annahmen: m& m chmutz V& V& V& ab i) quasi kontinuierlicher Prozess ii) stationäres Fließgleichgewicht m& cn V& V& Verschleppungsvolumen: an pülgut haftendes Benetngsvolumen, näherungsweise konstant etze cn

2 6. ymposium Photovoltaische olarenergie März 00, taffelstein Mit den vereinfachenden Annahmen, entsprechend den in Abb. gezeigten Verhältnissen, eines quasi-kontinuierlichen pülvorgangs mit dem damit verbundenen sich einstellenden stationären Fließgleichgewichtes, können die Konzentrations-Verhältnisse in den einzelnen Becken mit Hilfe eines Gleichungssystems näherungsweise berechnet werden: ( V ) c = V c V c & & & & () V& V& c = V& V& c V& c + V& c () V& V& c = V& V& c V& c + V& c () 4 ( V& V& ) ci = ( V& V& ) ci V& ci + V& ci ( V V) cn = ( V V) cn V cn + V cn & & & & & & (5) ( ) +Λ Λ 0 c 0 ( ) 0 c +Λ Λ 0 0 ( +Λ) Λ 0 c 0 = ( ) c +Λ n Λ (6) Kaskadenspülung mit Membrantechnik und Photovoltaik: Dieses Verfahren kann durch einen geschickten Einsatz von Crossflow-Filtrationstechniken, wie Mikrofiltration, Nanofiltration oder Umkehrosmose r Wasserrückgewinnung weiter verbessert werden []. Dadurch lässt sich bei Reinigungsprozessen der Wasserbedarf erheblich reduzieren. Leider kommt dem befürchtenden Wassermangel häufig noch der Umstand hin, dass sich in den betroffenen Regionen kein verfügbares tromnetz befindet, oder die tromversorgung in Mitleidenschaft gezogen wird. Dadurch ist sowohl die Aufbereitung von Wasser, als auch die erforderliche Energiefuhr für einen pülprozess, auf eine autarke tromversorgung angewiesen. Hier bietet sich eine tromerzeugung mit Hilfe regenerativer Energien wie m Beispiel mit Photovoltaik an. Je nach Größe und Einsatzbedingungen der planenden Anlage, kann es sicherlich sinnvoll sein, die Versorgungssicherheit durch den erzeugten elektrischen trom erhöhen, indem eine Windkraftanlage r Vergleichmäßigung der Energieerzeugung hingefügt wird.

3 6. ymposium Photovoltaische olarenergie März 00, taffelstein Die folgende Abb. zeigt ein prinzipiell vorstellbares Verfahrendschema des auf diese Art modifizierten Kaskadenspülprozesses. olarmodul(e) Laderegler Batterie (Windkraft: optional) Frischwasser Wechselrichter Kaskadensystem pülgutrichtung tromschiene pülwasserrichtung Abwasser Grobfilter Feinfilter Crossflow-Filtrations- ystem Abb. mögliche prinzipielle Verfahrensvariante der modifizierten Kaskadenspülung Die Wasserersparnis ergibt sich also hierbei m einen durch das Mehrfachnutngsprinzip der Kaskadenspülung und m anderen durch die pülwasserrückgewinnung mit Hilfe der Membrantechnik. Damit wird der pülprozess in seiner Effektivität optimiert. Die autarke Energieversorgung erlaubt dem einen flexiblen Einsatz unabhängig von einer Netzanbindung.

4 6. ymposium Photovoltaische olarenergie März 00, taffelstein Entnimmt man das recycelnde chmutzwasser der letzten Kaskade, so wird die Konzentrationsverteilung in den Kaskaden durch die Membranfiltration so gut wie nicht verändert, im Vergleich r pülung ohne Membrantechnik. Allerdings sind dort die Anforderungen an die Filtrationsmodule am größten. Dies hat wiederum Rückwirkungen auf den Energiebedarf. Denkbar sind auch Entnahmen in der i-ten Kaskade, wobei hier ein vertretbarer Kompromiss zwischen Reinigungsleistung und Energieverbrauch suchen ist. Die folgende Abb. verdeutlicht diese Möglichkeit. Frischwasser V & 0 V & pülwasser c V & Abwasserkonzentration: m& cn V& 0 V& ret V& Verschleppungsvolumen c c Membransystem etze cn m& chmutz Permeat V & V& feed = V& ret + V& perm perm Retentat V & ret c n V& V& V& V& ab 0 ret n Abb. Kaskadenspülung mit Membrantechnik Unter der Annahme eines quasi-kontinuierlichen Prozesses mit stationärem Fließgleichgewicht und einem Permeat mit hinreichender Frischwasserqualität kann auch hier vollkommen analog ein Gleichungssystem r näherungsweisen Bestimmung der auf c n normierten Kaskaden- Konzentrationen aufgestellt werden. Folgende Beziehungen sind dabei feststellen: & & 0 + &, perm V = yv perm feed V V V & & sowie V & = zv & (7) perm y mit x= V & feed = xv & z (8) V& = x( y) V&, sowie ( ) ret V& = z V& (9) 0 Als pezialfall ergibt sich für x max = : V& feed = V&, d.h. 00% Filtration. Rechnerisch ist dies äquivalent dem Verfahren ohne Membranfiltration (Abb. ) 4

5 6. ymposium Photovoltaische olarenergie März 00, taffelstein Die näherungsweise Berechnung der so normierten Konzentrationen kann dann mit dem folgenden Gleichungssystem vorgenommen werden. ( V V ) c = V c V c & & & & (0) V& V& c = V& V& c V& c + V& c () V& V& V& c = V& V& c V& c V& c + V& c () 0 ret i i feed i i i+ V& V& V& c = V& V& V& c V& c + V& c () 0 ret i+ 0 ret i i i+ V& V& V& c = V& V& V& c V& c + V& c (4) 0 ret n 0 ret n n n Für den Fall i=n ergibt sich hierbei keine Änderung gegenüber den Verhältnissen in Abb., jedoch dafür die maximale Anforderung an die Membranfiltration, denn dann hat das der Filtration geführte Wasser ( V & feed ) die höchste chutzkonzentration. Diese pülwasserrückgewinnung mit Hilfe der hier photovoltaisch betreibenden Membrantechnik, führt in der umme einer erheblichen Ersparnis an Frischwasser. Das Wassereinsparungspotential kann hier allein schon aufgrund der Membranfiltration bei über 50% liegen. Dabei ist die erzielbare Einsparung durch die Einführung des Prinzips der Mehrfachnutng des Wassers durch die Kaskaden selbst noch nicht mit eingerechnet. Die konkrete umme der Wasserersparnis ist abhängig von den pülanforderungen im Einzelfall. [] K. Brinkmann, B. Brinkmann, I. Brinkmann "Ein Koffergerät r Gewinnung von Trinkwasser mit Hilfe von Photovoltaik und Membrantechnik",. Internationales onnenforum 000, Juli 000, Freiburg [] K. Brinkmann, Kaskadenspülung mit Frischwasserrückgewinnung mittels Membrantechnik und Einsatz von regenerativ erzeugtem trom, GVC-Jahrestagung 000, eptember 000, Karlsruhe * Umwelt-Processtechnik Envi Iro Dr. Klaus Brinkmann Environmental Process Engineering Leckingser tr. 49 Tel. +49 (07) Klaus.Brinkmann@envipro.de D Iserlohn Fax. +49 (07)

6 6. ymposium Photovoltaische olarenergie März 00, taffelstein A Photovoltaic Driven Modified Cascade Rinsing Process with Cross-Flow-Filtration to Minimise the Water Demand Dipl.-Phys. Dr.-Ing. Klaus Brinkmann FernUniversität in Hagen, Chair of Electrical Power Engineering Feithstraße 40, Philipp-Reis-Gebäude, D Hagen, fax: +49//987 57, klaus.brinkmann@fernuni-hagen.de Address for correspondence see * Abstract: In the last years extreme climatic balance-processes occurred increasingly, which cause a serious worldwide problem for the water supply even in the nearer future, as has been already seen and declared by the United Nations. The existing lack of potable water in the different regions of the earth could increase dramatically. An additional amplification of this problem causes in the necessity of rinsing processes, which need also clear and drinkable Water. The water supply is in general directly coupled to the energy supply possibilities. Therefore, the problems to be solved concerning the water supply are to be seen and managed always in a strictly context to energy, whereby renewable energies have surely a key function. For this purpose, the author describes a process which he has applied for a patent. This process bases on the cascade rinsing technique and is modified with cross-flow-filtration. With respect to the possible application areas, the whole system has to be supplied with renewable energy converter, especially with photovoltaic. This modified cascade system can help to reduce the water demand for rinsing procedures for more than 50%. * Umwelt-Processtechnik Envi Iro Dr. Klaus Brinkmann Environmental Process Engineering Leckingser tr. 49 Tel. +49 (07) Klaus.Brinkmann@envipro.de D Iserlohn Fax. +49 (07)