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Osmosekraftwerk

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Definition: ein Kraftwerk, welches Energie aus Konzentrationsunterschieden von Salz (Salzgradienten) zwischen Fluss- und Meerwasser gewinnt.

Englisch: osmotic power station

Kategorien: elektrische Energie, erneuerbare Energie, Kraftmaschinen und Kraftwerke

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 06.07.2014; letzte Änderung: 05.02.2015

Ein Osmosekraftwerk ist ein Kraftwerk für erneuerbare Energie, welches starke Unterschiede der Salzkonzentration zwischen Fluss- und Meerwasser ausnutzt. Die Osmose wird dafür genutzt, einen hohen Wasserdruck aufzubauen, durch den schließlich wie in einem konventionellen Wasserkraftwerk eine Turbine angetrieben werden kann. Die Wasserturbine treibt wiederum einen Generator für die Erzeugung elektrischer Energie an.

Genauso wie bei konventioneller Wasserkraft stammt die in Osmosekraftwerken genutzte Energie letztendlich von der Sonne. Mit Hilfe von Sonnenenergie wird nämlich Meerwasser verdampft und gelangt über Niederschläge in Flüsse.

Bisher wurden nur recht kleine Demonstrationskraftwerke dieser Art realisiert, da die Technologie noch nicht vollständig entwickelt ist und Erzeugungskosten noch relativ hoch sind.

Funktionsweise von Osmosekraftwerken

Es gibt feinporige Membranen, welche für Wassermoleküle durchlässig sind, nicht aber für gelöste Salze. Dies ist dadurch möglich, dass z. B. gelöstes Kochsalz (Natriumchlorid, NaCl) nicht in Form von NaCl-Molekülen vorliegt, sondern in Form von Na+-Ionen und Cl-Ionen, welche aufgrund ihrer elektrischen Ladung Wassermoleküle an sich lagern (“hydratisiert sind”) und damit insgesamt deutlich größere Abmessungen aufweisen als einzelne Wassermoleküle. Deswegen können nicht so leicht feine Poren durchdringen.

Wenn nun auf der einen Seite einer solchen semipermeablen (teildurchlässigen) Membran konzentriertes Salzwasser steht, auf deren anderen Seite aber Süßwasser (also salzarmes Wasser), können Wassermoleküle in beiden Richtungen durch die Membran diffundieren. Da die Konzentration von Wasser auf der salzreichen Seite jedoch geringer ist, überwiegt normalerweise die Diffusion von der anderen Seite dorthin; dieser Vorgang wird als Osmose bezeichnet. Wenn allerdings ein starker Gegendruck (d. h. ein deutlich höherer Wasserdruck auf der salzreichen Seite) auftritt, kann dies die Osmose verhindern oder sogar eine Netto-Diffusion in die Gegenrichtung erzwingen, was als Umkehr-Osmose bezeichnet wird. (Dies wird auch zur Meerwasserentsalzung genutzt.)

Die Osmose an einer solchen Membran zwischen zwei oben offenen Wasserbehältern mit anfänglich gleichem Wasserstand führt nun dazu, dass reines Wasser dem salzreichen Teil zuströmt, so dass dort der Wasserpegel steigt und im anderen Behälter fällt. Dieser Prozess kommt erst zum Erliegen, wenn der Höhenunterschied eine gewisse Grenze erreicht, deren Höhe vor allem vom Unterschied der Salzkonzentrationen abhängt. Bei Meerwasser mit 3,5 % Salzgehalt und einer Temperatur von 10 °C ergibt sich ein osmotischer Druck von ca. 28 bar, welches für einen Höhenunterschied von ca. 280 Metern ausreicht. Allerdings führt die Osmose zu einer gewissen Verdünnung der Salzlösung, was den osmotischen Druck reduziert. Außerdem ist nicht der volle osmotische Druck ausnutzbar, da bei diesem Druck der Wasserstrom ja zum Erliegen käme. Die höchste Energieeffizienz (d. h. höchste Ausbeute pro Liter Wasser) würde für einen Druck nur leicht unterhalb des osmotischen Drucks erzielt. Jedoch erfordert eine hohe Leistung bei gegebener Membranfläche einen deutlich niedrigeren Druck. In der Praxis wählt man einen Kompromiss zwischen Leistung und Effizienz. (Bei kleinen Demonstrationsanlagen, die ohnehin nur einen geringen Teil der verfügbaren Wassermengen nutzen kann, steht die Leistung im Vordergrund.)

Das Kernstück eines Osmosekraftwerks ist ein Behälter mit zwei Kammern, die durch eine semipermeable Membran miteinander verbunden sind. Der eine Behälter wird mit Süßwasser versorgt, z. B. bei Normaldruck. Der andere Behälter steht unter einem Überdruck von etlichen Bar. Diesem muss mit Hilfe einer Pumpe Salzwasser zugeführt werden. Gleichzeitig wird das entstehende Mischwasser nach außen abgeführt, wobei es eine Turbine antreibt, welches den Druckunterschied ausnutzt. Da die entstehende Mischwassermenge größer ist als die zugeführte Salzwassermenge, kann in der Turbine mehr Energie gewonnen werden, als der Antrieb der Pumpe benötigt; die Differenz ergibt die nutzbare Produktion des Kraftwerks.

Die größte technische Herausforderung besteht darin, geeignete Membranen zu entwickeln. Die Anforderungen an diese sind hoch:

Die Anforderungen an Osmose-Membranen für Kraftwerke sind hoch; hier ist noch weitere Forschung und Entwicklung notwendig.

Die bisher mit optimierten Polymer-Membranen erreichten Leistungsdichten sind recht gering: nur wenige Watt pro Quadratmeter Membranfläche. Sie sind allerdings nicht weit entfernt von den Werten, die für den wirtschaftlichen Kraftwerksbetrieb nötig wären. In Norwegen ist geplant, demnächst ein Kraftwerk mit 25 MW elektrischer Leistung aufzubauen.

Weltweites Potenzial von Osmosekraftwerken

Osmosekraftwerke könnten an vielen Flussmündungen aufgebaut werden. Sie könnten freilich nicht die gesamte Wassermenge eines Flusses nutzen, da z. B. der Schiffsverkehr möglich bleiben muss und es auch ökologische Grenzen gibt. Es wird geschätzt, dass unter Berücksichtigung solcher Grenzen weltweit ein Potenzial von einigen Dutzend Gigawatt besteht. Das entspräche der Leistung von Dutzenden von großen Kernkraftwerken und wäre nur ein kleiner Bruchteil des Potenzials konventioneller Wasserkraftwerke. Die weltweit aussichtsreichsten Standorte wären für jeweils einige Gigawatt geeignet.

Außer Flussmündungen kämen auch Standorte in Frage, wo z. B. nicht nutzbares Salz aus Kalisalzbergwerken über Flüsse entsorgt wird.

Siehe auch: Wasserkraft, erneuerbare Energie
sowie andere Artikel in den Kategorien elektrische Energie, erneuerbare Energie, Kraftmaschinen und Kraftwerke

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