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, jedoch bisher nicht technisch realisiert. In der zweiten Hälfte der 1990er Jahre wurden jedoch Forschungs- und Entwicklungsprojekte begonnen, die auf den zukünftigen Bau eines Osmosekraftwerks abzielen.

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Funktionsprinzip

  Die Energiegewinnung beruht auf dem physikalischen Prinzip der Osmose. Werden zwei Salzlösungen unterschiedlicher Konzentration über eine semipermeable Membran in Kontakt gebracht, die nur das Wasser (allg. Lösungsmittel), nicht jedoch die gelösten Salze hindurchtreten lässt, so kann ein Konzentrationsausgleich nur dadurch erreicht werden, dass Wasser von der niedriger in die höher konzentrierte Lösung übertritt. Dadurch kann sich auf dieser Seite ein Druck aufbauen, der genutzt werden kann, um eine Turbine anzutreiben und Strom zu erzeugen.

Die technische Realisierung erfordert spezielle Membranen, die Salze effizient und möglichst vollständig 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.

Das Funktionsprinzip des Osmosekraftwerks entspricht der Umkehrung des Prozesses, der in einem Typ von Meerwasserentsalzungsanlagen abläuft: Bei der Meerwasserentsalzung nach dem Prinzip der Umkehrosmose muss Energie aufgewendet werden, um Süßwasser und Salzwasser zu trennen, während im Osmosekraftwerk aus der Mischung von Süß- und Salzwasser Energie gewonnen wird.

Der direkte Energielieferant für ein Osmosekraftwerk wäre der unterschiedliche Salzgehalt (der Salzgradient) zweier Lösungen, die dazu tendieren, ihre Konzentrationen anzunähern. Im Unterschied zu konventionellen Wasserkraftwerken wäre die treibende Kraft bei der Energiegewinnung also nicht die potenzielle Energie (wie bei Speicherkraftwerken) oder die kinetische und potenzielle Energie (wie bei Laufwasserkraftwerken) großer Wassermassen, sondern vielmehr die Steigerung der Entropie nach dem Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik.

In einer indirekteren, übergeordneten Betrachtung wäre der Energielieferant für ein Osmosekraftwerk die Sonne: 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 könnten 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, so wäre nach einer Schätzung theoretisch eine maximale Energie-Leistung von 1400 Megawatt erzielbar. 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

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.

Die Grundlagen einer ausreichend stabilen Membran für die Großtechnische Nutzung wurden seit 2004 in einem von der EU geförderten Forschungsprogramm geschaffen. 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 GKSS-Forschungszentrum (Deutschland).

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

• Gezeitenkraftwerk
• Wellenkraftwerk
• Meeresströmungskraftwerk
• Meereswärmekraftwerk
• Meeresenergie
• Erneuerbare Energie
• Meerwasserentsalzung
• Umkehrosmose