ÜBER DESOLINATION

Kontext

Wasser ist für die Menschheit von grundlegender Bedeutung. Nach Angaben des Weltwasserberichts/ Weltentwicklungsprogramms der Vereinten Nationen (UNESCO, Paris 2015) werden jedoch bis 2030 rund 40 % der Bevölkerung von Wasserknappheit betroffen sein.

Dies ist vor allem darauf zurückzuführen, dass nur 3 % der weltweiten Wasserreserven als Süßwasser zur Verfügung stehen, während der Rest auf Meerwasser entfällt.

Vor diesem Hintergrund ist klar, dass die Entsalzung angesichts der großen Mengen an Salzwasser auf der Erde eine Schlüsselrolle spielen muss.

Erneuerbare Energien sind der Schlüssel zur Verwirklichung einer kohlenstofffreien Wirtschaft und zum Stoppen des Klimawandels. Im Jahr 2019 betrug der Anteil der Solarenergie an der weltweiten Gesamterzeugung erneuerbarer Energien rund 11 %, und ihre Stromerzeugungskapazität ist seit 2020 trotz der COVID-19-Pandemie um 16 % gestiegen.

Diese Ergebnisse sind vielversprechend, aber wir müssen noch mehr tun.

Um das EU-Ziel zu erreichen, müssen die Solarstromerzeugung und andere erneuerbare Energietechnologien effizienter und kostengünstiger werden.

Unsere Ziele

Sehen Sie sich das Video an, in dem unser Projekt vorgestellt wird

Obwohl die Nutzung von Wärme für die Entsalzung seit Jahrhunderten erforscht wird, haben die jüngsten technologischen Entwicklungen das Hauptproblem verdeutlicht: die Wettbewerbsfähigkeit.

DESOLINATION wird dieses Problem angehen, indem es ein innovatives Verfahren entwickelt, das konzentrierte Solarenergie (oder CSP) und Vorwärtsosmose-Entsalzungstechnologien für eine gekoppelte Produktion von erneuerbarem Strom und Süßwasser verbindet.

Die innovativen Lösungen werden unter realen Bedingungen in Riad, Saudi-Arabien, zunächst in einer bereits bestehenden Anlage und anschließend an einem System der neusten Generation demonstriert.

Zu diesem Zweck wird unser Team die Vorwärtsosmose (osmotischer Druck) nutzen, um einen Durchfluss von Meerwasser in Richtung einer Ziehlösung zu erzeugen. Auf seinem Weg passiert das Wasser eine Membran, die nur Süßwasser durchlässt, aber Salz zurückhält. Mit Hilfe der Abwärme des konzentrierenden Solarkraftwerks wird die verdünnte Lösung erhitzt, bis Trinkwasser mittels einer zweiten Membran gewonnen werden kann.

Zu erwartende Vorteile

Optimierung der Kopplung zwischen dem CSP und dem Entsalzungsprozess

Das Projekt DESOLINATION wird sich auf die Optimierung der Abwärme Rückgewinnung des CSP konzentrieren, um die Methode zur Rückgewinnung der Ziehlösung voranzutreiben.

Mit Hilfe der Ergebnisse der Arbeitspakete WP2 (Optimierung des thermischen CSP-Kreislaufs für die Entsalzung) und WP3 (Optimierte Entsalzung mit CSP-Wärme) werden die Herausforderungen für die Integration der unabhängigen Solar- und Entsalzungssysteme in WP4 erörtert, indem die Simulation und Optimierung des integrierten Prozesses analysiert wird.

Das Integrationskonzept gewährleistet, dass zwei leistungsstarke Systeme effizient und unabhängig kombiniert werden können, um eine hohe Produktionsleistung von Wasser und Strom zu erreichen.

Entwicklung eines neuen superkritischen CO2-Stromkreislaufs für die Entsalzung

Im Rahmen des DESOLINATION-Projekts werden innovative CO2-Mischungen entwickelt, um die Effizienz des Energiekreislaufs zu optimieren und an die erforderlichen Temperatur- und Druckparameter der Anlagen im Energiekreislauf anzupassen.

Außerdem werden spezifische Wärmetauscher entwickelt, die den besonderen Material-, Temperatur- und Druckanforderungen des Zyklus entsprechen.

Auf der Grundlage der Erfahrungen mit sCO2 aus früheren H2020-Projekten werden die verschiedenen Komponenten zunächst unabhängig voneinander entwickelt und anschließend im Laborversuch getestet.

Die daraus resultierende Systematik wird Optimierungsstrategien liefern, um sowohl die höhere Effizienz des sCO2-Stromkreislaufs als auch die effiziente Kopplung des Stromkreislaufs mit dem Entsalzungssystem zu demonstrieren.

Entwicklung eines integrierten Steuerungssystems für die gekoppelte CSP+D-Anlage

Steuerungssysteme sind ein zentraler Aspekt von Energieerzeugungsanlagen und noch wichtiger für integrierte Systeme wie der DESOLINATION-Pilotanlage.

Der im Rahmen von DESOLINATION entwickelte digitale Zwilling der gekoppelten CSP+D-Anlage gewährleitet, dass das Integrationsmodell mit dem späteren dezentralen Steuerungssystem zusammenpasst.

Während die CSP- und Entsalzungssysteme zunächst unabhängig voneinander entwickelt werden, ist das Integrationsmodell ausschlaggebend in Hinblick auf eine optimale Zusammenführung der Anlagen.

Das dezentrale Steuerungssystem (DCS) wird einen Echtzeit-Steuerungsmechanismus für den effizienten Betrieb und die Überwachung der Gesamtanlage beinhalten.

Auf Grundlage einer mehrstufigen Steuerungsstrategie, die die individuelle Steuerung der einzelnen Komponenten und eine optimale Betriebsstrategie kombiniert, verwaltet das DCS-System von DESOLINATION das gesamte System und lässt sich an die bestehenden und zukünftigen Stromkreisläufe sowie an die Entsalzungsanlage anpassen.

Die an den Demonstrationsanlagen in KSU durchgeführten Tests werden die Zuverlässigkeit des Steuerungssystems bestätigen.

Entwicklung eines integrierten Steuerungssystems für die gekoppelte CSP+D-Anlage

Steuerungssysteme sind ein zentraler Aspekt von Energieerzeugungsanlagen und noch wichtiger für integrierte Systeme wie der DESOLINATION-Pilotanlage. Der im Rahmen von DESOLINATION entwickelte digitale Zwilling der gekoppelten CSP+D-Anlage gewährleitet, dass das Integrationsmodell mit dem späteren dezentralen Steuerungssystem zusammenpasst. Während die CSP- und Entsalzungssysteme zunächst unabhängig voneinander entwickelt werden, ist das Integrationsmodell ausschlaggebend in Hinblick auf eine optimale Zusammenführung der Anlagen. Das dezentrale Steuerungssystem (DCS) wird einen Echtzeit-Steuerungsmechanismus für den effizienten Betrieb und die Überwachung der Gesamtanlage beinhalten. Auf Grundlage einer mehrstufigen Steuerungsstrategie, die die individuelle Steuerung der einzelnen Komponenten und eine optimale Betriebsstrategie kombiniert, verwaltet das DCS-System von DESOLINATION das gesamte System und lässt sich an die bestehenden und zukünftigen Stromkreisläufe sowie an die Entsalzungsanlage anpassen.

Die an den Demonstrationsanlagen in KSU durchgeführten Tests werden die Zuverlässigkeit des Steuerungssystems bestätigen.

Entwicklung eines neuen superkritischen CO2-Stromkreislaufs für die Entsalzung

Im Rahmen des DESOLINATION-Projekts werden innovative CO2-Mischungen entwickelt, um die Effizienz des Energiekreislaufs zu optimieren und an die erforderlichen Temperatur- und Druckparameter der Anlagen im Energiekreislauf anzupassen. Außerdem werden spezifische Wärmetauscher entwickelt, die den besonderen Material-, Temperatur- und Druckanforderungen des Zyklus entsprechen. Auf der Grundlage der Erfahrungen mit sCO2 aus früheren H2020-Projekten werden die verschiedenen Komponenten zunächst unabhängig voneinander entwickelt und anschließend im Laborversuch getestet. Die daraus resultierende Systematik wird Optimierungsstrategien liefern, um sowohl die höhere Effizienz des sCO2-Stromkreislaufs als auch die effiziente Kopplung des Stromkreislaufs mit dem Entsalzungssystem zu demonstrieren.

Optimierung der Kopplung zwischen dem CSP und dem Entsalzungsprozess

Das Projekt DESOLINATION wird sich auf die Optimierung der Abwärme Rückgewinnung des CSP konzentrieren, um die Methode zur Rückgewinnung der Ziehlösung voranzutreiben. Mit Hilfe der Ergebnisse der Arbeitspakete WP2 (Optimierung des thermischen CSP-Kreislaufs für die Entsalzung) und WP3 (Optimierte Entsalzung mit CSP-Wärme) werden die Herausforderungen für die Integration der unabhängigen Solar- und Entsalzungssysteme in WP4 erörtert, indem die Simulation und Optimierung des integrierten Prozesses analysiert wird.

Das Integrationskonzept gewährleistet, dass zwei leistungsstarke Systeme effizient und unabhängig kombiniert werden können, um eine hohe Produktionsleistung von Wasser und Strom zu erreichen.

Entwicklung innovativer Membranen für das hybride Verfahren der Vorwärtsosmose und Membrandestillation

Membranen stehen im Mittelpunkt aller Stufen des Entsalzungsprozesses, der Vorbehandlung durch Nanofiltration (NF), der Vorwärtsosmose (FO) und der Membrandestillation (MD). Im Rahmen von DESOLINATION werden Simulationen und Tests im kleinen Maßstab durchgeführt, die auf die Optimierung aller Schritte der Hybridmembran-Trennung abzielen.

Zunächst werden NF-Membranen eingesetzt, um Fouling und Scaling-Effekte bei FO zu reduzieren.

Anschließend wird die FO-Membran präzise abgestimmt, um einen hohen Wasserfluss bei gleichzeitig geringem Rückfluss von der Entnahme- zur Einsatzlösung zu gewährleisten. So wird die Effizienz und Nutzung des osmotischen Druckunterschieds zwischen dem Meerwasser und der Ziehlösung maximiert.

Schließlich muss die MD-Membran die Abtrennung von reinem Wasser aus der Ziehlösung optimieren. Daher muss sie an die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Ziehlösung für die thermische Wärmerückgewinnung sowie an die Temperatur- und Druckbedingungen angepasst werden, die für den MD-Rückgewinnungsprozess erforderlich sind.

Entwicklung einer verbesserten Ziehlösung zur Optimierung der Vorwärtsosmose und Rückgewinnung der Ziehlösung mittels Abwärme aus solarthermischen Kraftwerken.

Der notwendige Prozess der Rückgewinnung der Ziehlösung ist ein wesentlicher Aspekt des DESOLINATION-Projekts, da die Abwärme aus dem CSP-Kraftwerkskreislauf genutzt wird, um das Süßwasser von der Ziehlösung zu trennen.

Nach dem Schritt der Vorwärtsosmose muss die Ziehlösung aufbereitet und vom Wasser getrennt werden.

Die Aufbereitung von Ziehlösung ist ein kostspieliger und energieintensiver Prozess, der durch eine Feinabstimmung der aus dem CSP gewonnenen Abwärme gesteuert werden kann, um ihre optimale Nutzung als Energiequelle für diesen Prozess sicherzustellen.

Dies kann durch die Festlegung spezifischer Parameter für die Ziehlösung erreicht werden, um ihre Anpassungsfähigkeit an die CSP-Abwärme Energiequelle zu maximieren.

Entwicklung von Lösungen für die Aufbereitung von Salzsole zur Verbesserung der globalen Umweltauswirkungen von Entsalzungsprozessen

Da das Ziel einer Entsalzungsanlage darin besteht, so viel reines Wasser wie möglich aus Meerwasser zu gewinnen, ist die Gewinnung einer hochkonzentrierten Sole ein wesentliches Element. Je effizienter der Entsalzungsprozess ist, desto konzentrierter ist die entstehende Sole und desto höher ist die Umweltbelastung.

Um diese Auswirkungen zu verringern, gehört die Aufbereitung der Sole zu den obersten Prioritäten des DESOLINATION-Projekts. Ziel ist es, den ökologischen Fußabdruck der Entsorgung der Sole erheblich zu reduzieren und eine Verwertungsstrategie für die gewonnenen Materialien zu entwickeln.

Die internationale Zusammenarbeit mit den am Projekt beteiligten GCC-Ländern wird den EU-Partnern aufschlussreiche Erkenntnisse über die Zusammensetzung des örtlichen Meerwassers liefern, um die erforderliche Aufbereitung zu realisieren.

Entwicklung innovativer Membranen für das hybride Verfahren der Vorwärtsosmose und Membrandestillation

Membranen stehen im Mittelpunkt aller Stufen des Entsalzungsprozesses, der Vorbehandlung durch Nanofiltration (NF), der Vorwärtsosmose (FO) und der Membrandestillation (MD). Im Rahmen von DESOLINATION werden Simulationen und Tests im kleinen Maßstab durchgeführt, die auf die Optimierung aller Schritte der Hybridmembran-Trennung abzielen. Zunächst werden NF-Membranen eingesetzt, um Fouling und Scaling-Effekte bei FO zu reduzieren. Anschließend wird die FO-Membran präzise abgestimmt, um einen hohen Wasserfluss bei gleichzeitig geringem Rückfluss von der Entnahme- zur Einsatzlösung zu gewährleisten. So wird die Effizienz und Nutzung des osmotischen Druckunterschieds zwischen dem Meerwasser und der Ziehlösung maximiert. Schließlich muss die MD-Membran die Abtrennung von reinem Wasser aus der Ziehlösung optimieren. Daher muss sie an die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Ziehlösung für die thermische Wärmerückgewinnung sowie an die Temperatur- und Druckbedingungen angepasst werden, die für den MD-Rückgewinnungsprozess erforderlich sind.

Entwicklung von Lösungen für die Aufbereitung von Salzsole zur Verbesserung der globalen Umweltauswirkungen von Entsalzungsprozessen

Da das Ziel einer Entsalzungsanlage darin besteht, so viel reines Wasser wie möglich aus Meerwasser zu gewinnen, ist die Gewinnung einer hochkonzentrierten Sole ein wesentliches Element. Je effizienter der Entsalzungsprozess ist, desto konzentrierter ist die entstehende Sole und desto höher ist die Umweltbelastung.

Um diese Auswirkungen zu verringern, gehört die Aufbereitung der Sole zu den obersten Prioritäten des DESOLINATION-Projekts. Ziel ist es, den ökologischen Fußabdruck der Entsorgung der Sole erheblich zu reduzieren und eine Verwertungsstrategie für die gewonnenen Materialien zu entwickeln. Die internationale Zusammenarbeit mit den am Projekt beteiligten GCC-Ländern wird den EU-Partnern aufschlussreiche Erkenntnisse über die Zusammensetzung des örtlichen Meerwassers liefern, um die erforderliche Aufbereitung zu realisieren.

Entwicklung einer verbesserten Ziehlösung zur Optimierung der Vorwärtsosmose und Rückgewinnung der Ziehlösung mittels Abwärme aus solarthermischen Kraftwerken.

Der notwendige Prozess der Rückgewinnung der Ziehlösung ist ein wesentlicher Aspekt des DESOLINATION-Projekts, da die Abwärme aus dem CSP-Kraftwerkskreislauf genutzt wird, um das Süßwasser von der Ziehlösung zu trennen. Nach dem Schritt der Vorwärtsosmose muss die Ziehlösung aufbereitet und vom Wasser getrennt werden. Die Aufbereitung von Ziehlösung ist ein kostspieliger und energieintensiver Prozess, der durch eine Feinabstimmung der aus dem CSP gewonnenen Abwärme gesteuert werden kann, um ihre optimale Nutzung als Energiequelle für diesen Prozess sicherzustellen. Dies kann durch die Festlegung spezifischer Parameter für die Ziehlösung erreicht werden, um ihre Anpassungsfähigkeit an die CSP-Abwärme Energiequelle zu maximieren.

Entwicklung eines Fahrplans für höhere TRLs und Aufbau einer starken Strategie für die Markteinführung und -nutzung.

In Zusammenarbeit mit ACSP und anderen lokalen Partnern des Industrieverbands, die über ein starkes regionales Netzwerk und Fachwissen in den Bereichen CSP und Entsalzung verfügen, werden die DESOLINATION-Partner eine klare Entwicklungslinie vom derzeitigen TRL 6 zum TRL 9 definieren.

Um die Kohlenstoffemissionen von Entsalzungsanlagen mit dem neuen Konzept wirksam zu bekämpfen, müssen die endgültigen Demonstrationsmodelle reproduzierbar und marktakzeptabel sein.

Die Beteiligung starker Industriegruppen am Konsortium stellt sicher, dass die Entwicklungen in DESOLINATION die Kriterien und Anforderungen für die spätere Kommerzialisierung des Systems erfüllen werden

Validierung der Technologie durch energieeffiziente Demonstrationsanlagen unter realistischen Gegebenheiten in Saudi-Arabien

Die endgültigen Demonstrationsanlagen, die im Rahmen von DESOLINATION entwickelt wurden, werden gebaut und getestet.

Die Integration sowohl der bestehenden als auch der neuen Generation von CSP-Kraftwerken wird an der King Saudi Universität durchgeführt, um Tests in einer realen Umgebung zu ermöglichen.

Jeder Zyklus durchläuft zwei Testphasen (Übergangszustand und Langzeittest), in denen die modellierten Parameter und die erwartete Energieeffizienz der Demonstrationsanlagen validiert werden.

Ziel der Tests ist die Validierung der Integrationsstrategie des Wärmerückgewinnungssystems und der Rückgewinnungsmethode für die Ziehlösung sowie deren Anpassungsfähigkeit an die verschiedenen Stromkreisläufe.

Außerdem wird ein neuartiges Stromkreislaufkonzept getestet, das sowohl effizienten Strom aus erneuerbaren Quellen für das Netz erzeugt als auch ausreichend Wasser produziert, um mit anderen Entsalzungssystemen konkurrieren zu können.

Die LCOE und LCOW der endgültigen Systeme werden mit modernsten Anlagen verglichen.

Sicherstellung des Replikationspotenzials des DESOLINATION-Systems in den GCC-Ländern

Basierend auf dem Wissen der GCC-Partner, die dem Konsortium angehören, wird die DESOLINATION-Technologie unter den spezifischen Umweltbedingungen der Region getestet, wie z.B. dem sehr hohen Anteil von gelösten Feststoffen im Meerwasser von Bahrain, mit dessen Untersuchung die UOB Erfahrung hat.

Dadurch kann das System an die lokalen Bedingungen angepasst und die Übertragbarkeit auf andere Standorte in den Golfstaaten erhöht werden.

Außerdem zielen innovative Energiekreislaufkonzepte darauf, die CO2-Mischungen und angepasste, d. h. kleinere Turbomaschinen zu integrieren, sowie die Optimierung des Integrationskonzepts auf eine deutliche Reduzierung der Investitionskosten der Anlage ab.

Folglich wird das endgültige System sowohl energieeffizienter als auch wettbewerbsfähiger als andere solare Entsalzungsanlagen sein, was die Reproduzierbarkeit des Systems verbessern wird.

Sicherstellung des Replikationspotenzials des DESOLINATION-Systems in den GCC-Ländern

Basierend auf dem Wissen der GCC-Partner, die dem Konsortium angehören, wird die DESOLINATION-Technologie unter den spezifischen Umweltbedingungen der Region getestet, wie z.B. dem sehr hohen Anteil von gelösten Feststoffen im Meerwasser von Bahrain, mit dessen Untersuchung die UOB Erfahrung hat. Dadurch kann das System an die lokalen Bedingungen angepasst und die Übertragbarkeit auf andere Standorte in den Golfstaaten erhöht werden. Außerdem zielen innovative Energiekreislaufkonzepte darauf, die CO2-Mischungen und angepasste, d. h. kleinere Turbomaschinen zu integrieren, sowie die Optimierung des Integrationskonzepts auf eine deutliche Reduzierung der Investitionskosten der Anlage ab. Folglich wird das endgültige System sowohl energieeffizienter als auch wettbewerbsfähiger als andere solare Entsalzungsanlagen sein, was die Reproduzierbarkeit des Systems verbessern wird.

Validierung der Technologie durch energieeffiziente Demonstrationsanlagen unter realistischen Gegebenheiten in Saudi-Arabien

Die endgültigen Demonstrationsanlagen, die im Rahmen von DESOLINATION entwickelt wurden, werden gebaut und getestet. Die Integration sowohl der bestehenden als auch der neuen Generation von CSP-Kraftwerken wird an der King Saudi Universität durchgeführt, um Tests in einer realen Umgebung zu ermöglichen. Jeder Zyklus durchläuft zwei Testphasen (Übergangszustand und Langzeittest), in denen die modellierten Parameter und die erwartete Energieeffizienz der Demonstrationsanlagen validiert werden. Ziel der Tests ist die Validierung der Integrationsstrategie des Wärmerückgewinnungssystems und der Rückgewinnungsmethode für die Ziehlösung sowie deren Anpassungsfähigkeit an die verschiedenen Stromkreisläufe. Außerdem wird ein neuartiges Stromkreislaufkonzept getestet, das sowohl effizienten Strom aus erneuerbaren Quellen für das Netz erzeugt als auch ausreichend Wasser produziert, um mit anderen Entsalzungssystemen konkurrieren zu können. Die LCOE und LCOW der endgültigen Systeme werden mit modernsten Anlagen verglichen.

Entwicklung eines Fahrplans für höhere TRLs und Aufbau einer starken Strategie für die Markteinführung und -nutzung.

In Zusammenarbeit mit ACSP und anderen lokalen Partnern des Industrieverbands, die über ein starkes regionales Netzwerk und Fachwissen in den Bereichen CSP und Entsalzung verfügen, werden die DESOLINATION-Partner eine klare Entwicklungslinie vom derzeitigen TRL 6 zum TRL 9 definieren. Um die Kohlenstoffemissionen von Entsalzungsanlagen mit dem neuen Konzept wirksam zu bekämpfen, müssen die endgültigen Demonstrationsmodelle reproduzierbar und marktakzeptabel sein. Die Beteiligung starker Industriegruppen am Konsortium stellt sicher, dass die Entwicklungen in DESOLINATION die Kriterien und Anforderungen für die spätere Kommerzialisierung des Systems erfüllen werden

Horizon 2020

Was ist Horizon 2020?

Horizon 2020 ist das größte EU-Forschungs- und Innovationsprogramm aller Zeiten, für das über einen Zeitraum von sieben Jahren (2014 bis 2020) fast 80 Milliarden Euro zur Verfügung stehen.

Verfügbare Fördermittel

Milliarde €

Programm für Forschung und Innovation

Milliarde €

Nach Horizon 2020?

Die Kommission hat ihre Pläne für ein ehrgeiziges Programm für Forschung und Innovation vorgestellt, dass das Programm Horizon 2020 ablösen wird. Das Programm hat ein Budget von 100 Milliarden Euro.