Energie: Sonnenlicht liefert Strom und Trinkwasser

Anlagen zur Entsalzung von Meerwasser benötigen viel Strom, Solarkraftwerke große Flächen bei hohen Baukosten. Mit einer Kombination aus Solarzellen und Modulen zur Meerwasserentsalzung wollen nun Forscher in Saudi-Arabien die Auswirkungen dieser beiden Nachteile drastisch reduzieren. Wie sie in der Fachzeitschrift Nature Communications berichten, erreichte ihr Prototyp einer Solarstrom erzeugenden Entsalzungsanlage relativ hohe Wirkungsgrade. Die Entwicklung könnte die Grundlage für eine ausgeklügelte und wirtschaftliche Doppelnutzung von Solaranlagen in ariden Regionen liefern.

Das Spektrum des Sonnenlichts bietet gute Voraussetzungen, um die Erzeugung von Solarstrom mit thermischer Meerwasserentsalzung zu kombinieren. Denn Solarzellen nutzen vor allem den kurzwelligen Spektralanteil, die langwelligere Wärmestrahlung lässt hingegen Wasser verdunsten. Peng Wang und seine Kollegen von der King Abdullah University of Science and Technology in Thuwal griffen für ihren Prototyp zu handelsüblichen Solarzellen aus polykristallinem Silizium. Auf der Rückseite der Solarzelle montierten sie ein mehrschichtiges Entsalzungsmodul.

Um eine möglichst hohe Ausbeute an Trinkwasser zu erhalten, lagerten die Forscher drei Wasserkreisläufe übereinander. Floss salziges Meerwasser in einer Richtung hindurch, wurde es durch die solare Restwärme erhitzt und partiell verdampft. Der Wasserdampf wanderte jeweils durch eine dünne Membran, kondensierte an einer faserartigen Struktur aus Quarzglas und ließ sich an einem Auslass abzapfen. Dank des geschickten Aufbaus genügten Schwerkraft und Kapillarkräfte, um den Wasserstrom aufrecht zu erhalten.

Bis 2025 könnten 4000 Quadratkilometer weltweit für Solaranlagen gebraucht werden

In Testläufen im Labor unter genormter Sonneneinstrahlung erreichten die Solarzellen einen Wirkungsgrad von elf Prozent und damit nur knapp weniger als baugleiche Solarzellen ohne angeschlossenes Entsalzungsmodul. Dieses lieferte durch die Nutzung der Sonnenwärme parallel gut 1,6 Liter Trinkwasser pro Stunde und Quadratmeter. Dieser Wert ist für ein dreischichtiges Entsalzungsmodul ausgesprochen hoch. Zum Vergleich: Ein zehnschichtiger Prototyp entsalzte unter der gleichen Sonneneinstrahlung gerade mal die doppelte Menge an Meerwasser.

"Diese Kombination kann signifikant die Investitionskosten senken", sind Peng Wang und Kollegen überzeugt. Denn Solarzellen und Entsalzungsmodule teilen sich beim Kraftwerksbau die stählernen Gerüstbauten auf der gleichen Fläche. Global könnte nach aktuellen Schätzungen die Leistung von Solarkraftwerken bis zum Jahr 2025 auf 969 Gigawatt steigen. Große Flächen von etwa vier Milliarden Quadratmetern wären dafür nötig. Das entspricht 4000 Quadratkilometern, etwas weniger als die Fläche Oberbayerns. Ausgestattet mit Entsalzungsmodulen könnten diese Anlagen theoretisch jährlich vier Milliarden Kubikmeter Meerwasser entsalzen. "Das entspricht einem Zehntel des jährlichen Trinkwasserverbrauchs auf der ganzen Welt im Jahr 2017", berichten die Wissenschaftler.