Machbarkeitsstudie Luftbrunnen

• Forschungsstelle: BAFU
• Projektnummer: UTF 336.16.10

Schlüsselwörter (Deutsch)

Trinkwasser, Luftfeuchtigkeit, Trockengebiete, Kondensation, Luftbrunnen

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Für Trockengebiete, in denen kein Salz- oder Brackwasser zur Aufbereitung zur Verfügung steht, kann die Gewinnung von Trinkwasser durch Anreicherung der Feuchtigkeit aus der Umgebungsluft eine interessante Alternative sein. Bisher existierende Systeme sind jedoch sehr komplex, unterhaltsintensiv und haben einen grossen Energiebedarf, der mit Strom aus dem Netz oder Dieselaggregaten gedeckt werden muss. Im vorliegenden Projekt soll ein billiges, wartungsarmes System mit modularem Aufbau entwickelt werden, das mit Wärme­energie aus Sonnenkollektoren und Strom von Solarpanels vollständig autonom betrieben werden kann.

Das geplante System für die Gewinnung von Trinkwasser aus Luftfeuchtigkeit, der sogenannte Luftbrunnen, besteht aus einem oberirdischen und einem unterirdischen Teil. Im oberirdischen Teil wird die Feuchtigkeit nachts in einem Sorbens angereichert und tagsüber durch einen heissen Luftstrom aus diesem desorbiert. Die so mit Feuchtigkeit angereicherte heisse Luft wird unter die Erde geführt und kondensiert dort. Die grosse Anforderung besteht in der Suche nach einem geeigneten Sorbens und der Ausgestaltung der Fläche, die das Sorbens enthält, der Geometrie und Oberflächenbeschaffenheit der Kollektorfläche, der Strukturen zur Wärmeübertragung sowie der Kondensatorfläche.

Ergebnisse gemäss Vertrag (Deutsch)

• Resultate zur Langzeitstabilität von verschiedenen Sorbentien
• Thermische Bilanz von verschiedenen Böden mit unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit mit Schwerpunkt auf der Temperaturregeneration über Nacht

Projektziele (Deutsch)

In einem ersten Schritt sollen im Rahmen einer Machbarkeitstudie geeignete Sorbentien gefunden werden, und es soll aufgezeigt werden, dass der durch die akkumulierte Wärme aufgeheizte Boden über Nacht vollständig regeneriert.

Beschreibung der Resultate (Deutsch)

Für Trockengebiete, in denen kein Salz- oder Brackwasser zur Aufbereitung zur Verfügung steht, kann die Gewinnung von Trinkwasser mit sogenannten Luftbrunnen, d.h. durch Anreicherung der Feuchtigkeit aus der Umgebungsluft mittels eines Sorbens eine interessante Alternative sein.

 

In einem ersten Schritt konnte messtechnisch die Langzeitstabilität des favorisierten Sorbens nachgewiesen werden.

 

Im zweiten Schritt wurden mit messtechnischen Methoden Aussagen zum Verhalten von 2 Sorbentien bei unterschiedlichen geometrischen Anordnungen, Luft-Feuchtigkeiten und Temperaturen erarbeitet.

 

Drittens wurde das thermische Verhalten von verschiedenen möglichen Wärmetauschern untersucht. Dies geschah einerseits über die messtechnische Erarbeitung der thermischen Bilanz eines Wärmetauschers mit Schwerpunkt auf der Temperaturregeneration über Nacht. Andererseits erfolgte die mathematische Modellierung verschiedener Wärmetauscher. Es zeigt sich eindeutig, dass preiswerte Wärmetauscher aufgebaut werden können, welche den Anforderungen genügen.

 

Im vierten Schritt erfolgten die mathematische Modellierung des Absorptions-, Desorptions-Kreislaufes und die Bestimmung einer möglichen Auslegung des Luftbrunnens. Das Resultat zeigt, dass das System in zwei Zuständen tags und nachts so betrieben werden kann, dass eine effiziente Gewinnung von Wasser möglich ist.

 

In einem  fünften Schritt werden Anfang 2011 die Konstruktion und der Aufbau eines Funktionsmusters des Luftbrunnens zur Generierung von ca. 3 Liter Wasser pro Tag unter Sahara-Bedingungen stattfinden. Zum Abschluss werden mit diesem Funktionsmuster erste Messungen erfolgen.

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Es zeigt sich, dass der projektierte autonom betreibbare Luftbrunnen nicht nur machbar ist, sondern dass eine möglichst einfache und billige Ausführung desselben ausgezeichnete Ergebnisse bezüglich der gewonnenen Wassermenge pro Tag zeitigt.

 

Das billigste, in Sachen Gesundheitsschädlichkeit und Umweltschäden völlig unproblematische Sorbens, genügt den Anforderungen bei weitem.

 

Die notwendigen Luft-Massenströme sind klein, was bedeutet, dass nur relativ kleine Ventilatoren und damit kleine preiswerte Solarpanels zur Gewinnung von elektrischem Strom benötigt werden.

 

Die zur Desorption und Aufheizung der Luft notwendige Kollektorfläche ist gering. Mit einer einfach herstellbaren Kollektorfläche von weniger als 10 m² lassen sich bis zu 30 Liter Wasser pro Tag generieren. Da Platz in Trockengebieten das kleinste Problem ist, ist dies ein erfreuliches Resultat.

 

Die benötigte Tragstruktur kann mit einfachsten, meist lokal verfügbaren Mitteln, wie mit Holz, Steinen oder Lehm realisiert werden.

 

Zusätzlich wurde gezeigt, dass der Wärmetauscher keine hohe Effizienz haben darf und deshalb mit einfachsten Mittel herstellbar ist.

Weiteres Vorgehen (Deutsch)

In einem nächsten Schritt soll ein leicht transportierbares Funktionsmuster zur Generierung von 3 Litern Wasser pro Tag aufgebaut werden, mit dem unter realen Bedingungen, beispielsweise im südlichen Europa, die Funktionsfähigkeit des Luftbrunnenprinzips nachgewiesen werden kann.

 

Danach soll die Konstruktion einer grösseren, modularen und damit leicht transportierbaren Einheit erfolgen, mit welcher dann beispielsweise in der Sahelzone 30 Liter Wasser pro Tag generiert werden sollen.

 

Dies soll der Startschuss für einen breiteren Einsatz des Luftbrunnens sein.