Transientes Modellieren und Leistungsbewertung eines solarbetriebenen HDH-Entsalzungssystems mit Phasenwechselmaterialspeicher

Sonnenlicht in Trinkwasser verwandeln

Für Millionen Menschen in heißen, trockenen Regionen ist Meerwasser oder salzhaltiges Grundwasser oft in Reichweite, aber sicheres Trinkwasser fehlt. Diese Studie untersucht ein kompaktes, solar betriebenes Gerät, das salziges Wasser ohne Anschluss ans Stromnetz in Trinkwasser verwandeln kann. Indem Tageswärme in speziellen „wachsähnlichen“ Materialien gespeichert wird, produziert das System auch nach Sonnenuntergang weiter Frischwasser und bietet so eine vielversprechende Option für abgelegene Gemeinden und netzferne Haushalte.

Wie das einfache Zwei-Kammer-System funktioniert

Die Entsalzungsanlage besteht aus zwei Hauptkammern: einem Befeuchter und einem Entfeuchter, die mit einem flachen solarbeheizten Wasserbehälter verbunden sind. Im Befeuchter bläst ein Ventilator Luft durch ein nasses Bett, sodass die Luft Wasserdampf aufnimmt, ähnlich wie warme Luft im Bad nach einer heißen Dusche. Diese nun feuchte, warme Luft strömt in den Entfeuchter, wo sie an Metallflächen abgekühlt wird und der Dampf als flüssige Tropfen Frischwasser kondensiert. Das salzige Wasser, das den Dampf geliefert hat, wird in einem dachförmigen Solarkollektor erhitzt und dann wieder in Umlauf gebracht, sodass ein geschlossener Kreislauf entsteht, der Sonnenwärme in sauberes Wasser umsetzt.

Tagsüber Wärme in wachsähnlichen Materialien speichern

Ein wichtiger Kniff dieses Entwurfs ist die Einbindung von Phasenwechselmaterialien (PCM) in den Solarkollektor. Diese Materialien verhalten sich wie spezielle Wachse, die bei gewählten Temperaturen schmelzen – hier etwa bei 45 °C und 60 °C. Beim Schmelzen während des Tages nehmen sie große Wärmemengen auf, ohne sich stark weiter zu erwärmen; beim Abkühlen und Erstarren geben sie diese Wärme langsam wieder ab. Die Forschenden platzieren mehrere dünne Schichten PCM unterhalb der Absorberplatte des Kollektors, sodass der Kollektor auch dann noch warmes Wasser an den Befeuchter liefern kann, wenn das Sonnenlicht zu schwinden beginnt.

Das System im Verlauf eines Tages begleiten

Mithilfe eines detaillierten Computermodells verfolgten die Autoren, wie sich Temperaturen und Wasserproduktion stundenweise ändern. Am Morgen, wenn das Sonnenlicht noch schwach ist, erzeugt das System etwa 2,1 Liter Frischwasser pro Stunde. Mit zunehmender Sonneneinstrahlung und Erwärmung des Wassers auf rund 45–55 °C steigt die Produktion auf fast 3,9 Liter pro Stunde. Ohne Wärmespeicher würde die Produktion am späten Nachmittag deutlich einbrechen, sobald der Kollektor abkühlt. Mit PCM fließt die gespeicherte Wärme zurück in den Wasser- und Luftkreislauf, glättet den Temperaturabfall und verzögert den Zeitpunkt, an dem das System keine nennenswerten Mengen Frischwasser mehr liefern kann.

Warum Abende wichtiger sind als Spitzenzeiten

Das Modell zeigt, dass PCM die Mittags-Spitze der Wasserproduktion nicht erhöht; diese Spitze wird bereits durch starke Sonneneinstrahlung bestimmt. Stattdessen wirken die PCM wie eine thermische Batterie, die die Betriebsstunden streckt. Nach etwa 15 Uhr verlieren Systeme ohne PCM schnell ihren temperaturbedingten Antrieb und stellen vor Sonnenuntergang den Betrieb ein. Systeme mit PCM produzieren hingegen kleinere, aber gleichmäßige Wassermengen bis in die frühe Nacht weiter. Über einen ganzen Tag hinweg erhöht diese Verlängerung die gesamte Frischwassererzeugung um etwa 10,5 Prozent. Zwei unterschiedliche PCM mit Schmelzpunkten bei 45 °C und 60 °C schneiden insgesamt ähnlich ab, wobei das Material mit niedrigerer Schmelztemperatur seine Wärme langsamer abgibt und so abends eine etwas stabilere Produktion ermöglicht.

Was das für dürstende, trockene Regionen bedeutet

Für Laien lässt sich die Schlussfolgerung einfach zusammenfassen: Durch das Hinzufügen eines kostengünstigen, wärmespeichernden „Wachses“ zu einem einfachen Solarstill, das auf feuchter Luft und Kondensation basiert, kann man noch Stunden nach Sonnenuntergang Frischwasser produzieren. Das sorgfältig validierte Modell der Studie legt nahe, dass ein solches kompaktes, niedrigtemperaturiges System kleine, netzferne Gemeinden versorgen könnte und Sonnenlicht sowie salziges Wasser in eine zuverlässigere tägliche Trinkwasserversorgung verwandelt. Weitere Experimente und Kostenanalysen sind notwendig, aber das Konzept weist auf eine praktische, technisch einfache Möglichkeit hin, jede Sonnenstunde für Wassersicherheit zu nutzen.

Zitation: Mohammad, S.I., Jawad, M., Vasudevan, A. et al. Transient modeling and performance evaluation of a solar-driven HDH desalination system with phase change material storage. Sci Rep 16, 5745 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37754-x

Schlüsselwörter: solare Entsalzung, Frischwasserknappheit, Phasenwechselmaterialien, thermische Energiespeicherung, Befeuchtung-Entfeuchtung