Osmosekraftwerke

Osmosekraftwerke: Eine regenerative Energiequelle mit Potenzial?

Osmosekraftwerke nutzen einen natürlichen physikalischen Prozess zur Gewinnung von Energie und stellen damit eine potenziell grundlastfähige regenerative Energiequelle dar. Im Gegensatz zur Umkehrosmose, die in großem Maßstab zur Entsalzung von Meerwasser genutzt wird (ein sehr energieintensives Verfahren, bei dem Wasser unter Überdruck durch eine halbdurchlässige Membran gepresst wird, um das Salz zu entfernen), macht sich das Osmosekraftwerk den umgekehrten Vorgang zunutze, um Strom zu erzeugen.

Prinzipieller Aufbau eines Osmosekraftwerks

Der Kern eines Osmosekraftwerks ist die semipermeable oder halbdurchlässige Membran, die zwei Flüssigkeitsräume voneinander trennt. Auf der einen Seite befindet sich Süßwasser (aus Flüssen oder gereinigtem Abwasser), auf der anderen Seite Salzwasser (Meerwasser oder hochkonzentrierte Sole, beispielsweise aus Meerwasserentsalzungsanlagen). Diese Membran ist so beschaffen, dass sie zwar Wassermoleküle, aber keine gelösten Salz-Ionen passieren lässt.

Wie wird Strom aus diesem osmotischen Gefälle?

Die Stromgewinnung basiert auf dem natürlichen physikalischen Phänomen der Osmose. Salzlösungen streben stets danach, Konzentrationsunterschiede auszugleichen. Wenn Süßwasser und Salzwasser durch eine semipermeable Membran getrennt sind, diffundiert das Wasser aus der geringer konzentrierten Seite (Süßwasser) in die höher konzentrierte Salzlösung, um den Konzentrationsunterschied auszugleichen. Dieser kontinuierliche Zustrom von Süßwasser in den Salzwasser-Raum erzeugt einen erheblichen Druckunterschied. Rein physikalisch kann dieser osmotische Druck bis zu 28 bar betragen, was der Fallhöhe von 280 Metern in einem herkömmlichen Laufwasserkraftwerk entspricht.

Voraussetzung für den Betrieb ist die Verfügbarkeit von ausreichenden Mengen an Süßwasser und Salzwasser mit einem signifikanten Konzentrationsunterschied in unmittelbarer Nähe. Ideale Standorte sind daher Flussmündungen ins Meer. Das Eindiffundieren des Süßwassers in das Meerwasser erzeugt einen kontinuierlichen Wasserstrom unter hohem Druck, der zum Antrieb einer Turbine genutzt werden kann, welche wiederum einen Generator zur Stromerzeugung speist. Da dieser Prozess kontinuierlich ablaufen kann, sind Osmosekraftwerke grundlastfähig.

In den Niederlanden wird zudem ein Konzept im Pilotmaßstab getestet, bei dem durch den Wechsel von durchströmendem Süß- und Salzwasser eine Art Kondensator gewonnen wird, wobei hier die Sole einer Meerwasserentsalzungsanlage und die Abwässer einer Kläranlage genutzt werden, um einen besonders hohen Konzentrationsunterschied zu erzielen.

Welche Schwierigkeiten und Probleme gibt es bei der Realisierung?

Obwohl das weltweite theoretische Potenzial der Technologie beträchtlich ist (geschätzt auf mehrere Terawattstunden), gestaltet sich die kommerzielle und großtechnische Umsetzung als diffizil und bislang nicht günstig. Dies führte in der Vergangenheit auch dazu, dass die Forschung an Osmosekraftwerken lange Zeit ruhte. Das in Norwegen 2007 in Betrieb genommene Pilotkraftwerk am Oslofjord, eines der ersten praktischen Beispiele, erzeugte nur eine geringe Strommenge und wurde nach wenigen Jahren wieder stillgelegt. Es wird sich an dem im Februar 2021 in Betrieb genommenen Osmosekraftwerk in Fukuoka (Japan) zeigen müssen, wie weit sich die Technik inzwischen weiterentwickelt hat.

Die Hauptschwierigkeiten bei der Realisierung sind:

Leistungsfähige und günstige Membranen: Es fehlt vor allem an leistungsfähigen Membranen, die günstig und massenhaft hergestellt werden können. Die derzeit erzielbare Leistung ist mit 3 Watt pro Quadratmeter Membranfläche noch gering, obwohl theoretisch ein Vielfaches erreichbar wäre. Eine geplante größere Anlage in Norwegen, die eine Membranfläche von 5 Millionen Quadratmetern erfordert hätte, wurde gestoppt, da ein kommerzieller Betrieb bis 2015 nicht erwartet wurde. Die enorme Menge an teurem semipermeablen Membran-Material ist ein wesentlicher Kostenfaktor.
Verschmutzung (Fouling): Ein weiteres großes technisches Problem ist der Schutz der Membranen vor Verschmutzung (Fouling) durch im Wasser enthaltene Partikel, Mikroorganismen oder organische Substanzen. Dieses Problem muss für einen dauerhaften, wartungsarmen Betrieb noch gelöst werden, ohne dass der Aufwand für die Reinigung riesiger Wassermengen jegliche Rentabilität vernichtet.

Osmosekraftwerke sind ein Schritt in die richtige Richtung. Doch ähnlich wie bei der Entwicklung neuer Batterien haben vergleichsweise wenige Ideen Aussicht auf Realisierung, weil die technischen Voraussetzungen fehlen. Dennoch tragen diese Forschungs- und Entwicklungsbemühungen zum Gesamtverständnis bei.

Die Hersteller solcher Osmose-Kraftwerke müssen in der Weiterentwicklung ihrer Produkte die Herausforderungen insbesondere in Bezug auf den wartungsarmen, langfristigen Betrieb der Anlage meistern, bevor das Potenzial, wie in Norwegen, wo theoretisch 10% des Strombedarfs (weltweit unter 1%) durch Osmosekraftwerke gedeckt werden könnten, tatsächlich erschlossen werden kann. Bis dahin bleibt es ein interessantes Forschungsgebiet und punktuell auf wenige Anwendungen beschränktes Prinzip.

Anmerkung:

Ein Gedanke, der neben all dem technsichen auch seine Berechtigung hat, formuliert Sven-Eric Krüger: Nicht zu vergessen, der Eingriff in eine gerade an diesen Stellen oft empfindliche Ökologie. Nicht alles, was machbar ist, ist auch sinnvoll. Und nicht alles, was sinnvoll ist, ist auch den Schaden Wert, den es anrichtet (im Vergleich zu anderen Eingriffen mit gleichem ökonomischen Effekt aber geringerem Footprint).