Reversen Elektrodialyse

Reversen Elektrodialyse – eine weitere Energiegewinnungsmöglichkeit

Die Reverse Elektrodialyse ist im Grunde die Umkehrung des herkömmlichen Elektrodialyse-Prozesses (ED), der zur Entsalzung oder Konzentrierung von Ionen eingesetzt wird. Während bei der ED elektrische Energie zugeführt wird, um Ionen zu bewegen, erzeugt die RED elektrische Energie, indem sie die natürliche Bewegung von Ionen aus einer hochkonzentrierten in eine niedrigkonzentrierte Lösung nutzt.

Funktionsweise des Prozesses

Das Herzstück der RED-Technologie ist ein sogenannter Membranstapel, der abwechselnd aus Kationen-Austauschermembranen (CEM) und Anionen-Austauschermembranen (AEM) besteht. Diese Membranen sind ionenselektiv: CEMs lassen nur positiv geladene Ionen (Kationen, wie Na+) passieren, während AEMs nur negativ geladene Ionen (Anionen, wie CL-) durchlassen.

Der Stapel wird mit zwei Flüssigkeitsströmen gespeist: einer hochkonzentrierten Salzlösung (z. B. Meerwasser oder Sole, die Konzentrat-Kammern durchfließt) und einer niedrigkonzentrierten Salzlösung (z. B. Flusswasser, die Diluat-Kammern durchfließt). An den Übergängen zwischen den Konzentrat- und Diluat-Kammern, die durch die ionenselektiven Membranen getrennt sind, entsteht ein chemisches Potentialgefälle. Dieses Gefälle ist die treibende Kraft für die Ionenbewegung.

Die Kationen (Na+) wandern durch die CEMs von der Konzentrat- zur Diluat-Kammer, während die Anionen (CL-) durch die AEMs in die entgegengesetzte Richtung, ebenfalls von der Konzentrat- zur Diluat-Kammer, diffundieren. Durch dieses selektive und gerichtete Wandern der Ionen wird über den gesamten Stapel ein elektrisches Potentialgefälle aufgebaut. An den beiden Enden des Membranstapels befinden sich Elektroden, die das entstehende elektrische Potenzial in nutzbaren Gleichstrom umwandeln. Die Summe der Potentialunterschiede über alle Membranen ergibt die Gesamtspannung des Systems.

Potentielle Einsatzfelder

Die Reverse Elektrodialyse könnte bei der nachhaltigen Energiegewinnung eine nennenswerte Rolle spielen, da sie auf einem ständig verfügbaren, natürlichen Phänomen basiert: der Gewinnung von "Blauer Energie".

Das wichtigste Anwendungsgebiet ist die Erzeugung von Elektrizität aus natürlichen Salzgradienten, insbesondere an Flussmündungen. Dort, wo Süßwasser (niedrige Konzentration) auf Meerwasser (hohe Konzentration) trifft, ist das Potentialgefälle ausreichend groß und somit die potentielle Energieausbeute hoch. Ein weiteres Feld ist die Rückgewinnung von Energie aus industriellen Abwässern, die einen hohen Salzgehalt aufweisen (z. B. Sole aus Entsalzungsanlagen oder bestimmte Industrieabwässer). Anstatt diese z.T. hochbelasteten Abwässer ungenutzt in Gewässer einzuleiten, kann die RED eingesetzt werden, um die enthaltene chemische Energie noch zu nutzen und so die Energieeffizienz industrieller Prozesse zu steigern (ähnlich der Kraft-Wärme-Kopplung, bei der die Nutzung der entstehenden Abwärme die Effizienz z.T. signifikant steigert). Rein theoretisch wäre auf diese Weise ein recht hoher Anteil der in den Entsalzungsanlagen eingesetzten Energie zurück gewinnbar.

Speichersysteme (RED-Batterien)

Aktuelle Forschung beschäftigt sich auch mit der Entwicklung von RED-Batterien, bei denen Energie in Form von Konzentrationsgradienten gespeichert wird. Hierbei wird elektrische Energie zugeführt, um zwei Lösungen unterschiedlicher Konzentration zu erzeugen (ähnlich der herkömmlichen Elektrodialyse) und bei Bedarf die gespeicherte Energie durch Umkehrung des Prozesses (RED) wieder freizusetzen. Dies kann für stationäre Energiespeichersysteme interessant sein. Das Verfahren ähnelt in gewissem Maße dem Prinzip der Redox-Flow-Batterie.

Technischer Unterschied in der Kraftwerkstechnik (PRO vs. RED)

Die Unterscheidung zwischen einem RED-Kraftwerk und einem Osmose-Kraftwerk (PRO) geht über die physikalischen Grundlagen (Ionenfluss vs. Wasserfluss) hinaus und beeinflusst fundamental die gesamte Anlagenkonzeption und die Betriebsweise.

1. Der Betriebsdruck als entscheidender Faktor

Der wohl gravierendste Unterschied in der Kraftwerkstechnik liegt im Betriebsdruck. Das Osmose-Kraftwerk (PRO) muss mit hohem Betriebsdruck arbeiten, der typischerweise zwischen 10 und 20 Bar liegt. Dieser Druck ist notwendig, um das einströmende Süßwasser auf der Salzwasserseite der semipermeablen Membran zu halten und das entstehende, unter Druck stehende Wasser anschließend über eine Turbine zu entspannen, um mechanische Energie zu gewinnen. Dieser hohe Druck erfordert massive, teure Hochdruckpumpen und speziell konstruierte Druckbehälter sowie ein komplexes System zur Druckregelung. Diese mechanische Komplexität erhöht die Investitions- und Wartungskosten (CAPEX und OPEX) der gesamten Anlage erheblich.

Im Gegensatz dazu arbeitet das RED-Kraftwerk bei nahezu atmosphärischem Druck. Die Flüssigkeitsströme werden lediglich mit Niederdruckpumpen durch den Membranstapel bewegt, um den Strömungswiderstand zu überwinden. Da hier keine mechanische Energie durch Druck erzeugt wird, entfallen die teuren Hochdruckkomponenten. Dies vereinfacht die Anlagengestaltung und reduziert die Investitionskosten für die mechanische Ausrüstung deutlich.

2. Energieumwandlung und Systemdesign

Die Energieumwandlung ist der zweite zentrale Unterschied im Kraftwerksdesign: Beim PRO-Kraftwerk erfolgt die Stromerzeugung indirekt. Das Hochdruckwasser treibt eine Turbine an, die wiederum einen Generator speist. Diese mehrstufige Umwandlung (chemische Energie -> Druckenergie -> mechanische Energie -> elektrische Energie) führt zu systembedingten Umwandlungsverlusten. Das Ergebnis ist jedoch direkt Wechselstrom (AC), der ins Stromnetz eingespeist werden kann.

Das RED-Kraftwerk nutzt einen direkten Umwandlungsprozess. Die Ionenbewegung erzeugt über den Membranstapel hinweg direkt eine elektrische Spannung (Gleichstrom), die über Elektroden an den Enden des Stapels abgenommen wird. Dies ist theoretisch effizienter, erfordert jedoch einen Wechselrichter, um den produzierten Gleichstrom (DC) in den für das Stromnetz notwendigen Wechselstrom (AC) umzuwandeln.

3. Technische Herausforderungen

Beide Techniken kämpfen mit der Membran-Verblockung (Fouling, Absetzen von Wasserverschmmutzungen auf den Membranen), was die Hauptbetriebsherausforderung darstellt. Beim PRO-Kraftwerk ist Fouling unter Hochdruck schwer zu handhaben und kann die Effizienz durch die notwendige Rückspülung schnell senken. Die größte technische Herausforderung ist hier jedoch die Entwicklung robuster, hochpermeabler und selektiver semipermeabler Membranen, die gleichzeitig die teure Reverse Salzdiffusion (das Salzeintritt ins Süßwasser) minimieren können.

Beim RED-Kraftwerk liegt die primäre technische Herausforderung in der geringen Leistungsdichte (~1W/m²). Obwohl das System mechanisch einfacher ist, erfordert die Umwandlung großer Energiemengen entsprechend sehr große Membranflächen, um den vergleichsweise hohen internen elektrischen Widerstand der ionenselektiven Membranen zu kompensieren. Die Wirtschaftlichkeit steht und fällt daher mit der Entwicklung kostengünstigerer und dünnerer Ionen-Austauschermembranen und einem möglichst störungsfreien, unkomplizierten Betrieb.

Die PRO (Druckretardierte Osmose) und RED (Reverse Elektrodialyse) sind beides Ansätze, die theoretisch einen erheblichen Beitrag zur Stromversorgung der Welt beitragen könnten. Über den natürlichen Kreislauf des Wassers (Verdampfen, Abregnen über Land, Abfluß über Flüsse zurück ins Meer) wäre so eine weitere natürliche Energiequelle neben der direkten Solarlicht-Nutzung und der Luftmassenbewegung (Windkraft) erschließbar. Ausser Pilotanlagen gibt es jedoch bisher keine nennenswerten Anlagen, da die Energiegewinnung über andere Prozesswege zur Zeit noch erheblich günstiger und einfacher zu bewerkstelligen ist.

Anmerkung: International wird mit "Blauer Energie" die Energie aus Wasserquellen (Osmotische Energie) bezeichnet. In Deutschland nutzt man den Begriff auch für hocheffiziente Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK). Der Bundesverband B.KWK e.V. möchte damit die Effizienz der Technologie sichtbar machen (als Ergänzung zu "Grünem Strom")