Sommer, Sonne, Wasser: MIT-Forscher brechen Rekord für solare Wasserentsalzung

Eine vollständig passive, solarbetriebene Entsalzungsanlage des MIT kann mehr als 5,5 Liter frisches Wasser pro Stunde und Quadratmeter liefern. Solche Systeme könnten netzunabhängige, trockene Küstengebiete versorgen und eine effiziente, kostengünstige Quelle für Trinkwasser schaffen.

Für ihre Versuchsanlage haben die Forscher aus Massachusetts und China mehrere Ebenen Verdampfer und Kondensatoren übereinander geschichtet. Diese Anordnung erlaubt es, die Sonnenwärme mehrfach zu nutzen. Dadurch steigt der Gesamtwirkungsgrad rechnerisch auf über 100 Prozent. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forscher in der Zeitschrift Energy and Environmental Science.

Mehrfache Nutzung der Sonnenenergie lässt Wirkungsgrad steigen

Der Schlüssel zur Effizienz liegt in der Art und Weise, wie Anlage die solare Wärme zur Entsalzung des Wassers nutzt. Im Gegensatz zu konventionellen, einschichtigen Anlagen (mit circa 80 Prozent Wirkungsgrad) nutzt jede Stufe gleichzeitig die von der vorhergehenden Stufe freigesetzte Wärme. Auf diese Weise erreicht das mehrschichtige Demonstrationsgerät eine Gesamteffizienz von 385 Prozent bei der Umwandlung der Sonnenenergie in Verdampfungsenergie.

Das Gerät ist im Wesentlichen eine mehrschichtige Solardestille, wie sie zur Destillation von Alkohol verwendet werden. Mehrere verdampfende und kondensierende Komponenten helfen Wärme zu absorbieren und diese auf eine Wasserschicht zu übertragen. Wenn der Dampf an der nächsten Schicht kondensiert, läuft das Wasser ab, während die Wärme aus der Dampfkondensation in die nächste Schicht übergeht.

„Wenn Wasser kondensiert, gibt es Energie in Form von Wärme ab“, sagt Chenxi Wang, Co-Autor der Studie. „Hat man mehr als eine Stufe, kann man diese Wärme erneut nutzen.“

5,78 Liter reinstes Wasser – und Potenzial nach oben

Wann immer Dampf auf einer Oberfläche kondensiert, gibt er Wärme ab. In typischen Kondensatorsystemen geht diese Wärme einfach an die Umgebung verloren. In dem Mehrschichtverdampfer des MIT geht die freigesetzte Wärme zur nächsten Verdampfungsschicht über. Dadurch wird die Sonnenwärme wiederverwertet und der Gesamtwirkungsgrad steigt.

Das Hinzufügen weiterer Schichten erhöht den Umwandlungswirkungsgrad, aber auch die Kosten und das Gewicht des Systems. Aus diesem Grund entschied sich das Team für zehn Stufen in ihrem Versuchsgerät. Anschließend testeten sie es auf dem Dach eines MIT-Gebäudes.

Das System lieferte 5,78 Liter Wasser pro Stunde und pro Quadratmeter Solarfläche, wobei die Wasserqualität die städtischen Trinkwassernormen übertraf. Das ist mehr als die doppelte Menge, die jemals zuvor von einem passiven solarbetriebenen Entsalzungssystem produziert wurde, sagt Wang.

Theoretisch könnten solche Systeme mit mehr Entsalzungsstufen und weiterer Optimierung einen Gesamtwirkungsgrad von 700 bis 800 Prozent erreichen, sagt Zhang. Bereits jetzt schätzt das Team, dass ein System mit einem etwa 1 Quadratmeter großen Sonnenkollektor den täglichen Trinkwasserbedarf einer Person decken könnte.

Warum kompliziert, wenn es auch einfach geht

Die Versuchsanlage entstand größten Teils aus kostengünstigen, leicht erhältlichen Materialien. Neben einem handelsüblichen Solarabsorber verwendeten die Forscher Papiertücher, um das Wasser zum Absorber zu leiten. Konventionelle Anlagen nutzen dafür meist ein Spezialmaterial, das beide Funktionen vereint, dafür aber deutlich teurer ist.

Die Entkopplung von Absorber- und Transportmaterial zeigt einen weiteren Vorteil. Im Gegensatz zu anderen Entsalzungssystemen gibt es keine Anhäufung von Salz oder konzentrierter Sole. Diese fließt nachts einfach durch die Papiertücher zurück in den Salzwasserspeicher, so die Forscher.

Die teuerste Komponente des Prototyps ist eine Schicht aus transparentem Aerogel, die zur Isolation den Stapel abschließt. Andere, weniger teure Isolatoren als Alternative seien ebenfalls möglich, so die Forscher. Nach weiterer Optimierung der Materialien sollte eine fertige Entsalzungsanlage für eine Familie weniger als 100 Euro kosten.

(Mit Material des MIT)