Thermische Pufferung mit PCM mittlerer Temperatur für verbesserte Solarstill-Performance unter heißen ägyptischen Bedingungen

Sonnenlicht in sicheres Trinkwasser verwandeln

Der Welt geht sauberes Wasser aus, während viele sonnenreiche Regionen, von Nordafrika bis zum Nahen Osten, über ungenutzte Solarenergie verfügen. Diese Studie untersucht, wie sich dieses reichliche Sonnenlicht mithilfe einfacher, dachflächengroßer „Solarstills“ effizienter in sicheres Trinkwasser verwandeln lässt. Durch das Hinzufügen spezieller wärmespeichernder Materialien und in einer weiterentwickelten Variante durch einen Warmwasser-Kreislauf zeigen die Forscher, wie ein einfaches Gerät deutlich mehr Süßwasser aus salzigen oder brackigen Quellen erzeugen kann – bei geringeren Kosten und geringerem Klimaeinfluss.

Warum sauberes Wasser aus der Sonne wichtig ist

Milliarden Menschen haben keinen verlässlichen Zugang zu sicherem Trinkwasser, und konventionelle Entsalzungsanlagen sind teuer, energieintensiv und oft an fossile Brennstoffe gekoppelt. Solarstills bieten eine schonendere Alternative: Sie füllen ein flaches, dunkles Becken mit Salzwasser, bedecken es mit einer transparenten Abdeckung und nutzen die Sonne zur Verdampfung. Der Dampf kondensiert an der Unterseite der Abdeckung und tropft als Süßwasser in einen Sammelkanal. Diese Geräte sind einfach und robust, doch ein wesentlicher Nachteil hat ihre Verbreitung eingeschränkt: Unter realen Außenbedingungen produziert ein Standard-Solarstill meist nur wenige Liter Wasser pro Quadratmeter und Tag und stellt kurz nach Sonnenuntergang die Produktion ein.

Tageshitze speichern, damit nachts weiterarbeitet werden kann

Um die Betriebsdauer eines Solarstills zu verlängern, griff das Team zu Phasenwechselmaterialien, kurz PCM. Diese Stoffe nehmen beim Schmelzen große Wärmemengen auf und geben sie beim Erstarren langsam wieder ab – ähnlich einem Kühlakku, nur umgekehrt. Die Forscher wählten ein kommerziell erhältlichessalzbasierendes PCM, das bei etwa 48 °C schmilzt – eine Temperatur, die in Solarstills während heißer ägyptischer Sommer häufig erreicht wird. Sie platzierten metallummantelte PCM-Pakete unter dem Becken eines Stills, sodass sich das Material bei Sonnenschein unauffällig mit Wärme auflädt und diese nach Sonnenuntergang an das Wasser zurückgibt, wodurch die Verdampfung länger andauert.

Drei Wege zu mehr Frischwasser testen

Draußen in der 10th of Ramadan City, Ägypten, betrieben die Forscher drei nahezu identische Stills nebeneinander: ein Basismodell, eine Version mit PCM unter dem Becken und ein Hybridsystem, das PCM mit einem Warmwasser-Kreislauf und Wärmeübertragern kombinierte. Sie variierten systematisch die eingebrachte PCM-Menge und protokollierten genau Sonneneinstrahlung, Temperaturen und die Menge des destillierten Wassers. Beim reinen PCM-Still fanden sie einen optimalen Punkt bei 2,5 Kilogramm PCM. Bei dieser Beladung blieb das Becken für einen Großteil des Tages, besonders am späten Nachmittag und frühen Abend, um 6–10 °C wärmer als die konventionelle Einheit, und der Still produzierte etwa 2,48 Liter Frischwasser pro Quadratmeter und Tag – rund 74 Prozent mehr als das Basismodell.

Von Effizienzgewinnen zu Kosten- und Klima-Vorteilen

Das wärmere Becken und die verlängerte Verdampfungsperiode führten zu einer besseren Nutzung der eingestrahlten Sonnenenergie. Der optimierte PCM-unterstützte Still erreichte eine Energieeffizienz von nahezu 25 Prozent und eine Exergieeffizienz (oder „nützliche Arbeit“) von etwa 7 Prozent, beides deutlich höher als bei vielen früheren Designs. Da die zusätzliche Wärme aus gespeicherter Sonnenenergie statt aus zugeführtem Brennstoff oder Strom stammte, sank der Preis pro Liter Wasser trotz der zusätzlichen Materialien. Unter den Annahmen der Studie fiel der Literpreis vom Basismodell mit etwa 6,8 Cent auf etwa 3,1 Cent für die PCM-verbesserte Version. Über eine Lebensdauer von zehn Jahren könnte das verbesserte Design im Vergleich zu einer fossil betriebenen Alternative mit ähnlicher Leistung außerdem mehr als 40 Tonnen CO2-Emissionen vermeiden.

Mit einem hybriden Warmwasser-Kreislauf weiter voranschreiten

Das Hybridsystem ging einen Schritt weiter, indem zusätzlich warmes Brauchwasser durch Wärmeübertrager im Still oberhalb der PCM-Schicht zirkulierte. Diese zusätzliche Wärmequelle hielt das Becken besonders am späten Tag noch heißer und erlaubte den effektiven Einsatz einer etwas größeren PCM-Menge (etwa 3 Kilogramm). Im besten Fall stieg die Frischwasserproduktion damit um mehr als 50 Prozent gegenüber reinem PCM und verdoppelte sich gegenüber dem konventionellen Still. Allerdings brachte diese zusätzliche Komplexität höhere Anfangskosten mit sich, und die Wirtschaftlichkeit hängt stark davon ab, wie das warme Wasser in realen Anwendungsszenarien erzeugt wird.

Was das für durstige, sonnige Regionen bedeutet

Für Gemeinden in heißen, sonnigen Klimazonen mit begrenzter Infrastruktur zeigt die Studie, dass sorgfältig ausgewählte Wärmespeichermaterialien einen einfachen Solarstill zu einer deutlich leistungsfähigeren Süßwasserquelle machen können. Ein vergleichsweise simples, PCM-optimiertes Design mit einem bereits kommerziell verfügbaren Material mittlerer Temperatur kann täglich deutlich mehr Wasser liefern – zu geringeren Kosten und mit spürbaren Einsparungen bei Treibhausgasen. Obwohl die Experimente nur einen kurzen Sommerzeitraum abdeckten und Langzeittests in anderen Jahreszeiten und Regionen noch nötig sind, deuten die Ergebnisse auf praktikable, skalierbare, solarbetriebene Entsalzungsoptionen hin, die in Ägypten und ähnlichen Regionen zur Linderung von Wasserknappheit beitragen könnten.

Zitation: Elsayed, M., Mansour, M.S., Yahya, H. et al. Thermal buffering with medium-temperature PCM for enhanced solar still performance in hot Egyptian conditions. Sci Rep 16, 12733 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47006-7

Schlüsselwörter: Solardesalination, Solarstill, phasenumwandlungsstoff, thermische Energiespeicherung, sauberes Wasser