Osmosekraftwerk

Ein Osmosekraftwerk (Salzgradientenkraftwerk) ist ein Kraftwerk, das den Unterschied im Salzgehalt zwischen Süßwasser und Meerwasser nutzt, um daraus Energie zu gewinnen und Strom zu erzeugen. Vorschläge für ein Kraftwerk, das die Osmoseenergie (Salzgradientenenergie) technisch ausnutzt, wurden zuerst in den 1970er Jahren publiziert. Konkrete Forschungs- und Entwicklungsprojekte gibt es seit der zweiten Hälfte der 1990er Jahre. Als weltweit erster Prototyp eines Osmosekraftwerks wurde am 24. November 2009 im norwegischen Tofte am Oslofjord ein Kleinstkraftwerk in Betrieb genommen.[1]

Inhaltsverzeichnis

Funktionsprinzip

Detaillierte Darstellung der Funktionsweise eines Osmosekraftwerks: Salzwasser wird zunächst gefiltert und unter Druck (Druckaustauscher) gesetzt, bevor es sich in den Membranmodulen mit Süßwasser vermischt. Durch die Turbine fließt genau soviel Wasser, wie in der gleichen Zeit durch die Membran diffundiert. Dazu muss in dieser Zeit ungefähr die doppelte Menge Salzwasser durch die Anlage geschleust werden, um den Konzentrationsunterschied aufrechtzuerhalten.

Die Energiegewinnung nutzt das physikalische Prinzip der Osmose: Stehen Süß- und Salzwasser über eine semipermeable Membran miteinander in Kontakt, strömt reines Wasser durch die Membran zur Salzwasserseite, auf der sich ein Druck aufbaut, mit dessen Hilfe eine Turbine zur Stromerzeugung angetrieben werden kann. Bei einem Salzgehalt von 3,5 % ergibt sich bei einer Temperatur von 10 °C ein osmotischer Druck von rund 28 Bar, der jedoch innerhalb der Anlage durch die eintretende Verdünnung abnimmt. Die Osmose erzielt maximale Leistung, wenn die statische Druckdifferenz die Hälfte des osmotischen Druckes beträgt und die andere Hälfte zur Überwindung des Membranwiderstandes zur Verfügung steht.

Die technische Realisierung erfordert spezielle Membranen, die Salze effizient zurückhalten, aber gleichzeitig gut durchlässig für Wasser sind. Wegen des Mangels an geeigneten Membranen konnte das Prinzip in den 1970er Jahren nicht realisiert werden. Seit Mitte der 1990er Jahre gibt es neue Ansätze, um geeignete Membranen aus Polymeren zu entwickeln.

Schematische Darstellung des zugrundeliegendes Funktionsprinzips

Der direkte Energielieferant für ein Osmosekraftwerk ist der Unterschied im Salzgehalt (der Salzgradient) zweier Lösungen, die dazu tendieren, ihre Konzentrationen anzunähern. Im Unterschied zu konventionellen Wasserkraftwerken ist die treibende Kraft bei der Energiegewinnung nicht die Lageenergie (wie bei Speicherkraftwerken) oder die Kombination aus kinetischer und Lageenergie großer Wassermassen (wie bei Laufwasserkraftwerken), sondern das höhere thermodynamische Potenzial des Süßwassers.

In einer indirekteren, übergeordneten Betrachtung wird die Energie für ein Osmosekraftwerk von der Sonne geliefert: Indem sie durch ihre Strahlung zur Verdunstung von Wasser aus dem Meer beiträgt, ermöglicht sie die Trennung von (im Meer verbleibendem) Salzwasser und (verdunstetem) Süßwasser. Das verdunstete Wasser fließt über Wolkenbildung, Niederschläge und Flüsse zurück ins Meer, wo bei der erneuten Durchmischung diejenige Energie in einem Osmosekraftwerk teilweise zurückgewonnen werden kann, die ursprünglich von der Sonne aufgebracht worden war. Die Osmoseenergie wird also von der Sonne „nachgefüllt“ und ist nach menschlichen Maßstäben unerschöpflich. Sie ist daher eine Form der Erneuerbaren Energien, was durch ihre Erwähnung im deutschen Erneuerbare-Energien-Gesetz (unter dem Namen Salzgradientenenergie, s. § 3) bereits vor ihrer technischen Realisierung offizielle Anerkennung gefunden hat.

Potenzial für die Energiegewinnung

Osmosekraftwerke können im Prinzip am besten an Flussmündungen gebaut werden. Daneben sind als Standorte alle Stellen denkbar, an denen sich zwei Wasserläufe unterschiedlichen Salzgehalts treffen – beispielsweise auch Mündungen von stark salzhaltigen Abwasserläufen in Flüsse. Der erzielbare Energiegewinn ist umso größer, je höher die Durchflussmenge und je größer der Unterschied im Salzgehalt ist. Der aussichtsreichste Standort auf deutschem Boden wäre wahrscheinlich die Mündung der Elbe in die Nordsee. Könnte diese sowie andere deutsche Flüsse, die in Nord- und Ostsee münden, vollständig für Osmosekraftwerke genutzt werden, könnten nur etwa 0,05 % des deutschen Strombedarfs gedeckt werden.[2] Die wesentlich höheren Durchflussmengen von Rhein und Donau sind dabei nicht mitgerechnet, da diese außerhalb Deutschlands münden.

Eine solche vollständige Nutzung eines gesamten Flusses wird aber in der Praxis voraussichtlich nicht realisierbar sein, aus technischen Gründen ebenso wie aus Rücksicht auf Schifffahrt und die Ökologie der Flüsse.

Höhere Leistungen könnten an Gewässern erzielt werden, die einen höheren Salzgehalt als Nord- und Ostsee aufweisen, insbesondere am Mittelmeer und vor allem am Toten Meer oder am Great Salt Lake in Utah, USA.

Umsetzung

Blick auf Statkrafts Prototyp eines Osmosekraftwerk bei Hurum in Norwegen

Die Grundlagen einer ausreichend stabilen Membran für die Großtechnische Nutzung wurden seit 2004 in einem von der EU geförderten Forschungsprogramm geschaffen[3]. Systempartner sind Statkraft SF (Norwegen), Instituto de Ciencia e Tecnologia de Polimeros (Portugal); Norwegian Institute of Technology SINTEF (Norwegen); Technische Universität Helsinki (Finnland) und das Helmholtz-Zentrum Geesthacht (Deutschland).[4] Aktuell ist eine elektrische Leistung von drei Watt pro Quadratmeter Membran erzielbar.[5]

Im Herbst 2007 verkündete der norwegische Staatskonzern Statkraft den weltweit ersten Bau eines solchen Kraftwerks bei Hurum, an einer Flussmündung im südlichen Ausläufer des Oslofjordes.[6] Am 24. November 2009 nahm der weltweit erste Prototyp den Betrieb auf.[7] Dabei wurden Membranen eingesetzt, die statt wie bisher 0,2 Watt elektrische Leistung pro Quadratmeter 3 Watt erbringen können.[8] Eine Projektgruppe am Helmholtz-Zentrum Geesthacht arbeitet im Rahmen eines von der EU geförderten Projekts an der Entwicklung von Membranen mit höherer Leistung. Deren Projektleiter Peinemann bezeichnet eine Leistung von fünf Watt pro Quadratmeter als Voraussetzung für den wirtschaftlichen Betrieb eines Osmosekraftwerks.[9]

Nächstes, für 2015 geplantes Ziel ist ein 25-Megawatt-Kraftwerk mit 5 Millionen Quadratmetern Membranfläche. Statkraft schätzt, dass Norwegen langfristig 10 % seiner elektrischen Energie aus Osmosekraftwerken decken kann.[5]

Literatur

  • Loeb, Sidney (1975): Osmotic Power Plants. Science 189, 654–655.
  • Loeb, Sidney (1998): Energy Production at the Dead Sea by Pressure-Retarded Osmosis: Challenge or Chimera? Desalination 120, 247–262.
  • Norman, Richard S. (1974): Water Salination: A Source of Energy. Science 186, 350–352.

Siehe auch

Weblinks

Einzelnachweise

  1. Das weltweit erste Osmosekraftwerk ist eröffnet, Statkraft: Pressemitteilung vom 24. Nov. 2009
  2. Dr. Thomas Isenburg: Osmosekraftwerke: Potentialanalyse für eine Zukunftstechnologie. Ruhr-Universität Bochum, 2. Mai 2010, abgerufen am 21. September 2011.
  3. Abschlussbericht des Forschungsprogramms: The salinity power project Oktober 2004
  4. Max-Planck-Institut für Plasmaphysik: Osmosekraftwerk – Die Mischung machts März 2005
  5. a b Sebastian Balzter: Zukunftsmusik aus der Doppelgarage. In: FAZ Nr. 272 vom 20. November 2008, S. 20
  6. ORF: Norweger bauen weltweit erstes Salzkraftwerk 13. Oktober 2007
  7. Energiegewinnung durch Osmose: Weltweit erster Prototyp nimmt Betrieb auf
  8. Deutschlandradio - Strom aus Salz: In Norwegen geht der weltweit erste Prototyp eines Osmosekraftwerks in Betrieb
  9. Sauberen Strom mit Osmose erzeugen - Spiegel-Online vom 2. April 2006

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