Exergy Studies on Process Components of a Low Temperature Thermal Desalination (LTTD) Plant using Field Experiments

In den weiten, sonnendurchfluteten Ozeanen regiert eine einfache, aber kraftvolle Wahrheit die Bewegung der Wärme: Warmes Wasser steigt auf, und kaltes Wasser sinkt ab. Diese natürliche Trennung schafft ein verborgenes Reservoir an Energie, einen thermischen Gradienten, der zwischen der sonnengebräunten Meeresoberfläche und den eisigen Tiefen weit darunter existiert. Seit Jahrzehnten betrachten Wissenschaftler diesen Temperaturunterschied nicht nur als eine Kuriosität der Natur, sondern als einen potenziellen Motor zur Lösung eines der dringendsten Bedürfnisse der Menschheit: Süßwasser. Die Technologie, die darauf ausgelegt ist, diese Energie zu nutzen, wird Niedertemperatur-Thermische Entsalzung genannt. Sie funktioniert, indem sie warmes Oberflächenmeerwasser nimmt und es in eine Kammer bringt, in der der Druck so stark gesenkt wird, dass das Wasser bei einer Temperatur weit unter seinem normalen Siedepunkt siedet. Dieser Prozess, bekannt als Flash-Verdampfung, verwandelt das warme Wasser in Dampf, ohne dass ein Ofen oder ein Feuer benötigt wird. Dieser Dampf wird dann durch tiefes, kaltes Meerwasser gekühlt, das aus hunderten Metern Tiefe heraufgepumpt wird, wodurch er sich wieder in flüssiges Süßwasser verwandelt. Es ist ein sauberer, eleganter Kreislauf, der die eigene Wärme des Ozeans nutzt, um sein eigenes Wasser zu reinigen, doch wie jede Maschine ist auch sie nicht perfekt. Ein Teil der Energie geht im Prozess immer verloren, verschwendet auf eine Weise, die reduziert, wie viel Süßwasser die Anlage produzieren kann.

Ein Forscher am National Institute of Ocean Technology in Indien setzte sich zum Ziel, genau zu messen, wo und wie viel dieser Energie verloren geht. Er verließ sich nicht allein auf Computersimulationen oder theoretische Modelle; stattdend ging er zu einer funktionierenden Entsalzungsanlage in Minicoy, um den Prozess im wirklichen Leben zu beobachten. Sein Ziel war es, eine „Exergie“-Analyse durchzuführen, eine Methode der Betrachtung von Energie, die nicht nur fragt, wie viel Wärme vorhanden ist, sondern wie viel nützliche Arbeit diese Wärme tatsächlich leisten kann. Vereinfacht ausgedrückt: Während Energie niemals zerstört wird, kann sie weniger nützlich werden, wenn sie sich ausbreitet oder mit ihrer Umgebung vermischt. Der Forscher wollte diese Verluste innerhalb der zwei Hauptschläge der Anlage kartieren: dem Flash-Verdampfer, in dem das Wasser zu Dampf wird, und dem Oberflächenkondensator, in dem dieser Dampf wieder zu Wasser wird. Durch die sorgfältige Verfolgung von Temperaturen, Drücken und Durchflussraten während des tatsächlichen Betriebs wollte er die spezifischen Stellen finden, an denen die Effizienz des Systems nachlässt.

Der Forscher beobachtete die Anlage während ihres Betriebs, wobei warmes Oberflächenwasser mit etwa 28 Grad Celsius eintrat und kaltes Kühlwasser mit etwa 12 Grad Celsius ankam. Er sah zu, wie das warme Wasser in eine große Vakuumkammer eintrat, wo der Druckabfall dazu führte, dass es augenblicklich zu Dampf verdampfte. Dieser Dampf stieg auf, hinterließ das Salz und wanderte dann zu einem Kondensator, wo er auf die kalten Rohre traf, die das tiefe Meerwasser führten. Als der Dampf das kalte Metall berührte, kondensierte er zu frischem Trinkwasser. Der Forscher maß die eintretende und austretende Energie in diesen Komponenten und berechnete die Effizienz jedes Schritts. Er fand heraus, dass der Kondensationsprozess, bei dem der Dampf wieder zu Wasser wird, überraschend effizient war und etwa 67 Prozent der verfügbaren nutzbaren Energie zurückgewann. Der Flash-Verdampfungsprozess hingegen war weniger effizient und bewältigte nur etwa 34 Prozent. Beim Blick auf das gesamte System von Anfang bis Ende lag die durchschnittliche Gesamteffizienz der Anlage bei 22 Prozent. Das bedeutet, dass für jede Einheit des nutzbaren Energiepotenzials, das das warme Meerwasser mitbrachte, nur etwa ein Fünftel erfolgreich in die Arbeit der Süßwasserherstellung umgewandelt wurde, während der Rest durch die unvermeidliche Reibung und Vermischung der physischen Welt verloren ging.

Die Studie ergab, dass die Temperatur des Wassers eine entscheidende Rolle dabei spielte, wie viel Energie verschwendet wurde. Als der Forscher den Flash-Verdampfer untersuchte, bemerkte er, dass mit steigender Temperatur des einströmenden warmen Wassers auch die Menge der Energieverluste zunahm. Dies mag kontraintuitiv erscheinen, da heißeres Wasser normalerweise mehr Verdampfung bedeutet, aber die Studie zeigte, dass der größere Unterschied zwischen dem warmen Wasser und der Temperatur innerhalb der Vakuumkammer mehr Unordnung, oder Entropie, erzeugte, was die nutzbare Energie zerstörte. Ebenso verursachte ein zu schneller Abfall des Drucks im Verdampfer weitere Verluste. Im Kondensator war die Geschichte etwas anders. Der Forscher fand heraus, dass die Energieverluste geringer waren, wenn das Kühlwasser aus dem tiefen Ozean wärmer war. Dies liegt daran, dass ein geringerer Temperaturunterschied zwischen dem heißen Dampf und dem kalten Wasser einen sanfteren, weniger chaotischen Wärmetransfer bedeutete. Wenn sie jedoch zu viel Kühlwasser durch die Rohre drückten, erzeugte die Reibung des Wassers, das sich gegen das Metall bewegt, neue Verluste, was bewies, dass es ein empfindliches Gleichgewicht zu wahren gilt, wie schnell das Wasser fließt.

Vielleicht war die bedeutendste Erkenntnis, dass sich die Gesamteffizienz der Anlage nicht dramatisch änderte, nur weil man die Temperaturen leicht anpasste. Das System schien eine natürliche Grenze zu haben, die unabhängig von kleinen Anpassungen der Durchflussraten oder der spezifischen Temperaturen des Speisewassers um die 22-Prozent-Marke schwankte. Der Forscher kam zu dem Schluss, dass die größten Möglichkeiten zur Verbesserung darin liegen, die Temperaturunterschiede innerhalb der Komponenten selbst zu minimieren. Um das Beste aus dieser Technologie herauszuholen, muss die Anlage mit dem möglichst warmen Oberflächenwasser für die Verdampfung und dem möglichst kalten Tiefenwasser für die Kondensation betrieben werden, während die internen Temperaturschwankungen so sanft wie möglich gehalten werden sollten. Die Studie behauptete nicht, das Problem der Entsalzung gelöst zu haben, aber sie lieferte eine klare, gemessene Karte darüber, wohin die Energie fließt. Durch die genaue Bestimmung der Stellen, an denen die nutzbare Energie verschwindet, bietet die Arbeit einen praktischen Leitfaden für Ingenieure, die in Zukunft bessere, effizientere Anlagen bauen möchten, um die natürliche Wärme des Ozeans in eine zuverlässigere Quelle für Frischwasser für diejenigen zu verwandeln, die sie benötigen.