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Osmosekraftwerk: Grüner Strom aus süßem Wasser

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Die Technik ist bestechend: Ein Osmosekraftwerk nutzt den unterschiedlichen Salzgehalt von Süß- und Meerwasser - und produziert so Strom. In Norwegen steht die bislang einzige Anlage, nun suchen Forscher weltweit nach weiteren Standorten.

Grüne Energie: Die Kraft der Osmose Fotos
REUTERS

Jedes Kind kennt den Unterschied zwischen Süßwasser und Meerwasser. Forscher sehen in dem verschieden hohen Salzgehalt ein riesige Chance: Sie wollen ihn nutzen, um Strom zu erzeugen. An Flussmündungen möchten sie sogenannte Osmosekraftwerke errichten, die enorme Leistungen erreichen können.

Ein solches Kraftwerk würde beispielsweise an der Elbmündung 700 Megawatt erreichen, berichten Forscher der Universität Heidelberg auf einem Physik-Kongress in Berlin. Zum Vergleich: Die beiden größten deutschen AKW Isar und Brokdorf haben eine Leistung von je rund 1500 Megawatt. Theoretisch könnten Osmosekraftwerke 70 Prozent des weltweiten Strombedarfs erzeugen, sagt Experte Florian Dinger.

Die Kraftwerke nutzen das Prinzip der Osmose. Viele kennen es von Bockwürsten, die beim Erwärmen im heißen Wasser platzen. Ursache dafür ist der unterschiedliche Salzgehalt innerhalb der Würste und im Wasser, in dem sie schwimmen. Die Haut der Wurst hat sehr feine Öffnungen, durch die zwar Wassermoleküle, nicht jedoch die Salz-Ionen hindurchpassen. Um den Konzentrationsunterschied auszugleichen, wandern Wassermoleküle in die Wurst. Diese wird immer dicker, bis ihre Haut schließlich reißt.

Florian Dinger hat gemeinsam mit Kollegen von der Universität Heidelberg untersucht, welches Potential Osmosekraftwerke haben und wie diese effizient betrieben werden können. Weltweit gibt es bislang nur eine einzige Versuchsanlage. Sie wurde 2009 im norwegischen Tofte in Betrieb genommen, rund 60 Kilometer südlich von Oslo.

Das größte Entwicklungspotential steckt in den Membranen

Wettbewerbsfähig ist Strom aus einem Osmosekraftwerk derzeit nicht. Nach Schätzungen der Heidelberger Forscher ist künftig ein Kilowattstundenpreis von zwölf Cent erreichbar. Zum Vergleich: Windstrom kostet an günstigen Standorten unter fünf Cent pro Kilowattstunde. Berücksichtigt man Verbesserungen durch Massenproduktion und effizientere Membrantechnologie, könnten eines Tages aber auch bei Osmosekraftwerken fünf Cent pro Kilowattstunde möglich sein. "Damit liegen wir in der Größenordnung anderer erneuerbarer Energien", sagt Dinger.

In einem Osmosekraftwerk sind das Süßwasser und das salzige Meerwasser durch eine Membran getrennt. Wegen des Konzentrationsunterschieds wandern viele Wassermoleküle durch die Membran, in der Kammer mit dem salzigen Wasser steigt in der Folge der Druck. Das unter hohem Druck stehende Wasser kann dann einen Generator antreiben.

Damit die Salzkonzentration nicht sinkt, muss ständig auch etwas salziges Wasser in den Behälter nachgefüllt werden. Das kostet zwar Energie, denn das eingeleitete Salzwasser muss auf den Druck komprimiert werden, der in dem Behälter herrscht. Die Energiebilanz bleibt aber trotzdem positiv. Die Anlage im norwegischen Tofte produziert je Quadratmeter Membran etwa drei Watt Strom, künftig sollen fünf Watt und mehr möglich sein.

Um hohe Leistungen mit möglichst kleinen Anlagen zu erreichen, werden die Membranen gerollt. So passen in einen Kubikmeter Volumen rund tausend Quadratmeter, was einer Leistung von drei Kilowatt entspricht. Damit ließe sich beispielsweise ein Elektroherd betreiben.

Das größte Entwicklungspotential steckt in den Membranen. In der Versuchsanlage in Tofte kommt ein Kunststoff zum Einsatz, der am Helmholtz-Zentrum in Geesthacht bei Hamburg entwickelt wurde. Forscherteams weltweit tüfteln an neuen Membrantechnologien. Mancher hofft auch, Materialien aus Meerwasserentsalzungsanlagen so modifizieren zu können, dass sie die Osmose unterstützen.

Acht Prozent CO2-frei erzeugte Strommenge

Osmosekraftwerke haben den Vorteil, dass sie um Unterschied zu anderen erneuerbaren Energien kontinuierlich rund um die Uhr Strom liefern können. Sie nutzen im Grunde genommen die Solarenergie. Denn es ist die Sonne, die Salz- und Süßwasser voneinander trennt. Durch ihre Strahlen verdunsten große Mengen Wasser über den Ozeanen - das Salz bleibt im Meer zurück. Aus dem verdunsteten Wasser entstehen Wolken, diese regnen sich über Land ab. Das (Süß-)Wasser landet schließlich in den Flüssen und fließt zurück ins Meer.

In Deutschland könnte es schwierig sein, einen geeigneten Standort für ein Osmosekraftwerk zu finden. Theoretisch eignen sich die Mündungen von Elbe und Weser. Ein Problem beider Flüsse ist jedoch, dass Ebbe und Flut großflächig Süß- und Meerwasser miteinander vermischen. Die Osmose funktioniert aber am besten, wenn die Salzkonzentrationsunterschiede zwischen Meer- und Flusswasser besonders groß sind. Man müsste also zunächst einen großen Damm bauen, um Meer- und Flusswasser voneinander zu trennen. Allein schon wegen der Häfen von Hamburg und Bremen erscheint das unrealistisch.

Die besten Standorte für Osmosekraftwerke befinden sich nach Meinung der Heidelberger Forscher am besonders salzhaltigen Mittelmeer. Die Flüsse Rhone und Po wären gute Kandidaten, sagt Dinger. "Sehr gute Standorte sind auch Salzseen", erklärt der Heidelberger Physiker. Der See Kara-Bogas-Gol östlich des Kaspischen Meers hat beispielsweise einen Salzgehalt von 34 Prozent. Eine Anlage dort könnte eine Leistung von mehr als fünf Gigawatt erreichen.

Auch das Tote Meer wäre ein idealer Standort. Es gibt bereits Pläne, Wasser vom Roten Meer dorthin zu leiten, um ein weiteres Absinken des Pegels zu verhindern. Das Meerwasser hat einen Salzgehalt von knapp vier Prozent, im Toten Meer liegt die mittlere Konzentration bei 28 Prozent - mehr als genug für die Osmose. Nach den Berechnungen der Heidelberger Forscher würde ein Osmosekraftwerk in der Region 4,3 Gigawatt Leistung erreichen, wenn der Zufluss bei 500 Kubikmetern je Sekunde liegt.

Natürlich kann nicht jede Flussmündung zu einem Osmosekraftwerk umgebaut werden, allein schon wegen der Schifffahrt, räumt Dinger ein. Der Wert von 70 Prozent des Weltstrombedarfs, der mit dieser Technologie erzeugt werden könnte, ist daher nur theoretisch. Realistisch sind nach Meinung der Forscher eher acht Prozent. Aber auch das wäre eine riesige CO2-frei erzeugte Strommenge.

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1. Der Salzgehalt der Werra ...
Michael.Kohlhaas 30.03.2012
Zitat von sysopStatkraftDie Technik ist bestechend: Ein Osmosekraftwerk nutzt den unterschiedlichen Salzgehalt von Süß- und Meerwasser - und produziert so Strom. In Norwegen steht die bislang einzige Anlage, nun suchen Forscher weltweit nach weiteren Standorten. http://www.spiegel.de/wissenschaft/technik/0,1518,823820,00.html
Die nordhessische Kaliindustrie leitet noch jahrelang unverdrossen Salzlauge aus der Produktion in die Werra ein und hat für die Zeit danach eine Pipeline ins Auge gefaßt, mit der die Lauge in die Weser geführt werden soll. Man könnte jetzt natürlich auf die Idee kommen, all diese Lauge NICHT mehr einfach in den Fluss zu leiten, sondern statt dessen einen künstlichen Salz-Stausee mit einem Osmosekraftwerk anzulegen ... aber das wäre ja "out of the box" gedacht.
2. spannende Technik, aber noch in sehr frühem Stadium
Lagenorhynchus 30.03.2012
Zitat von sysopStatkraftDie Technik ist bestechend: Ein Osmosekraftwerk nutzt den unterschiedlichen Salzgehalt von Süß- und Meerwasser - und produziert so Strom. In Norwegen steht die bislang einzige Anlage, nun suchen Forscher weltweit nach weiteren Standorten. http://www.spiegel.de/wissenschaft/technik/0,1518,823820,00.html
Ein wesentlicher Knackpunkt wird bei den Osmosekraftwerken die Frage sein, welche Lebensdauer und welche Reinigungszyklen die Membranen brauchen - jeder Partikel- oder Bakterienfilm auf der salzärmeren Seite bremst die Durchflussrate. Daher ist davon auszugehen, dass Osmosekraftwerke vor allem dort laufen, wo hochreines Süsswasser in sehr salziges Meerwasser läuft. Also polare Regionen mit viel Schmelzwasser oder das tote Meer mit Zufluss aus nährstoffarmen Meerwasser. Wobei Kaltwasser weniger osmosefreudig sein dürfte als Warmwasser, blöde Sache mit der Molekularbewegung. Geht schon, wird aber unter den o.g. Annahmen eine sehr kleine Nische werden. Ich lasse mich aber gerne vom Gegenteil überzeugen.
3. Das ist mal eine
felisconcolor 30.03.2012
Zitat von sysopStatkraftDie Technik ist bestechend: Ein Osmosekraftwerk nutzt den unterschiedlichen Salzgehalt von Süß- und Meerwasser - und produziert so Strom. In Norwegen steht die bislang einzige Anlage, nun suchen Forscher weltweit nach weiteren Standorten. http://www.spiegel.de/wissenschaft/technik/0,1518,823820,00.html
wirklich praktikable Idee. Was mich bissel stutzig gemacht hat... Windstrom 5ct per kWh, OsmoseKraftwerk 12 ct per kwh meine Stromrechnung 20,xx ct per kWh Ich stell mir doch noch n Quirl in den Garten.
4.
Promethium 30.03.2012
---Zitat--- Man müsste also zunächst einen großen Damm bauen, um Meer- und Flusswasser voneinander zu trennen. ---Zitatende--- Und was ist mit den Fischen? Wir haben doch jetzt schon das Problem mit Staustufen und Fischwanderung. Lachse z.B. wandern vom Meer in die Flüsse. Es kommt hinzu das diese Membranen nicht ewig halten. Aber im Grunde schon eine interessante Technologie.
5.
Zorpheus 30.03.2012
Osmosekraftwerke müssen nicht den Preis von Windkraftwerken schlagen, weil sie den Vorteil haben, konstant Strom zu liefern. Der Strom von Windkraftwerken muss dann verkauft werden wenn der Wind weht, egal ob er gebraucht wird oder nicht. Das Osmosokraftwerk könnte ihn entweder kontinuierlich produzierern, oder wenn man es mit einer Staumauer kombiniert zu den Spitzenlastzeiten.
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Grafiken: Wie Öko- und Atomstrom konkurrieren

Vor-/Nachteile der Energieträger
Die Energiewirtschaft befindet sich im Umbruch - SPIEGEL ONLINE zeigt die Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Energieträger.
Erdöl
Plus: Erdöl ist der Schmierstoff industrieller Volkswirtschaften. In Deutschland deckt Öl rund 35 Prozent des Energiebedarfs - so viel wie kein anderer Rohstoff. Im Verkehrssektor gibt es momentan kaum Alternativen zu Öl: Das bestehende Tankstellennetz ist auf Benzin und Diesel ausgerichtet, die heute gängigen Motoren fahren fast nur mit diesen beiden Treibstoffen.

Minus: Der Ölpreis ist in den vergangenen Jahren rasant gestiegen - und mit ihm der Spritpreis. Autofahrer mussten zeitweise mehr als 1,50 Euro für Benzin zahlen. Die deutsche Volkswirtschaft verliert dadurch Milliardenbeträge, denn das Land ist fast völlig von Importen abhängig. Weltweit liegen die meisten Ölvorkommen in politisch heiklen Regionen wie dem Nahen Osten, Russland, Venezuela oder Nigeria. Versorgungskrisen kann man daher nicht ausschließen. Darüber hinaus ist Erdöl ein endlicher Rohstoff: Die bekannten Vorkommen gehen langsam zur Neige. Große neue Felder wurden in den vergangenen Jahren kaum entdeckt - und wenn, dann nur in schwierig zu erschließenden Gebieten wie der Arktis. Hinzu kommt die CO2-Problematik: Wenn Öl verbrannt wird, entsteht das Klimagas Kohlendioxid .
Erdgas
Plus: Erdgas ist der klimafreundlichste fossile Energieträger - bei der Verbrennung entsteht weniger CO2 als bei Kohle oder Öl. Außerdem halten die Vorräte noch eine Weile: Die Reichweite der Gasvorkommen wird auf rund 60 Jahre geschätzt, bei Öl sind es nur 40 Jahre. Verfeinerte Fördertechniken machen zudem den Zugriff auf große neue Gas-Reservoirs möglich. Ein weiterer Vorteil: Gas kann einen wichtigen Beitrag zur Stromerzeugung leisten. Denn Gaskraftwerke lassen sich schnell hoch- und runterfahren - diese Flexibilität hilft, die Schwankungen beim Windstrom auszugleichen.

Minus: Weltweit verfügen nur wenige Länder über Gasvorkommen. Entsprechend groß sind die Abhängigkeiten - Deutschland bezieht rund 40 Prozent seines Erdgases aus Russland. Problematisch ist außerdem die noch immer weit verbreitete Bindung an den Ölpreis: Je teurer Erdöl wird, desto teurer wird auch Gas. Stromkonzerne klagen bereits, dass sich Gaskraftwerke kaum mehr rentieren. Private Haushalte kennen dasselbe Problem beim Heizen - Gas ist kaum günstiger als Öl. Auch beim Autofahren stellt Erdgas keine Alternative dar: Der aktuelle Preisvorteil gegenüber Benzin und Diesel liegt nur an der steuerlichen Begünstigung.
Kohle
Plus: Kohle gibt es fast überall auf der Welt - einseitige Importabhängigkeiten wie beim Gas sind deshalb nicht zu befürchten. Auch Deutschland verfügt über nennenswerte Ressourcen: Braunkohle lässt sich ohne Subventionen fördern, für Steinkohle ist dies bei weiter steigenden Preisen zumindest denkbar. Außerdem reichen die Vorräte so lange wie bei keinem anderen fossilen Energieträger: Schätzungen gehen von rund 200 Jahren aus. Kohle eignet sich vor allem zur Stromerzeugung in der Grundlast - rund 50 Prozent des deutschen Stroms stammen aus Kohlekraftwerken .

Minus: Kein Energieträger ist so klimaschädlich wie Kohle. Bei der Verbrennung entsteht rund doppelt so viel CO2 wie bei Gas. Problematisch könnte dies vor allem dann werden, wenn man bestehende Atomkraftwerke durch neue Kohlekraftwerke ersetzt - oder wenn Elektroautos künftig in großem Stil Kohlestrom tanken. Bedenklich sind außerdem die Arbeitsbedingungen, unter denen Kohle gefördert wird : Zu den größten Produzenten zählen China, Russland und Südafrika - Länder, in denen immer wieder Bergleute ums Leben kommen.
Atomenergie
Plus: Kernkraftwerke produzieren - wenn sie einmal gebaut sind - günstigen Strom. Der Rohstoff Uran wird nur in geringen Mengen verbraucht, so dass die laufenden Betriebskosten gering sind. Atomstrom kann in der Grundlast eingesetzt werden, also unabhängig von kurzfristigen Wetterschwankungen. In Frankreich wird Atomstrom auch zum Heizen verwendet, langfristig könnten so auch Elektroautos betrieben werden. Bei der Kernenergie wird kaum CO2 freigesetzt. Sie ist damit klimafreundlicher als Kohle oder Gas.

Minus: Der größte Nachteil der Atomenergie ist das Risiko eines GAUs. Selbst wenn man dafür eine geringe Wahrscheinlichkeit unterstellt - der Schaden wäre enorm. Die Katastrophe in Tschernobyl war nur ein Vorgeschmack dessen, was im dicht besiedelten Mitteleuropa passieren würde: Tausende Opfer, auf ewig verseuchte Landstriche, Vermögensverluste in zigfacher Milliardenhöhe. Hinzu kommt die ungelöste Frage der Endlagerung : Obwohl die Kernenergie seit rund 50 Jahren genutzt wird, gibt es bis heute keine dauerhafte Deponie für die verstrahlten Abfälle. Ob es überhaupt ein sicheres Endlager geben kann, ist umstritten: Der Atommüll strahlt zum Teil mehr als 100.000 Jahre lang - was in dieser Zeit alles passiert, kann niemand vorhersagen. In jüngster Zeit wird ein weiteres Problem immer häufiger diskutiert: Was geschieht, wenn Terroristen einen Anschlag auf ein Kernkraftwerk verüben? Oder wenn sie in den Besitz von spaltbarem Material gelangen? Sicherheitsexperten haben auf diese Fragen keine abschließende Antwort.
Wasser
Plus: Die Wasserkraft ist sehr umweltfreundlich - mit geringem Eingriff in die Natur lässt sich günstig Energie gewinnen. Rund fünf Prozent des deutschen Stroms stammen aus Wasserkraftwerken. Außerdem lässt sich in Stauseen sehr gut Energie speichern: Bei einem Überangebot an Strom wird Wasser nach oben gepumpt. Bei Bedarf wird es dann abgelassen, um die Turbinen anzutreiben.

Minus: In Deutschland ist das Potential der Wasserkraft so gut wie ausgeschöpft. Fast jeder Fluss hat ein Kraftwerk, ebenso fast jeder See. Im Ausland wiederum ist die Wasserkraft zum Teil in Verruf geraten: Riesenprojekte wie der Jangtse-Staudamm in China zerstören die Natur in großem Stil.
Wind
Plus: Von allen erneuerbaren Energien ist die Windkraft in den vergangenen Jahren am stärksten gewachsen. Mittlerweile beziehen die Deutschen deutlich mehr Strom aus Windrädern als aus Wasserkraftwerken. Auch in Zukunft hat die Branche großes Wachstumspotential - vor allem offshore, also in Windparks auf dem Meer . Ein weiterer Vorteil: Die Windkraft ist verhältnismäßig günstig. Die Betreiber der Anlagen bekommen über das Erneuerbare-Energien-Gesetz nur wenig mehr Förderung als der Preis für konventionellen Strom an der Energiebörse hoch ist. Zum Vergleich: Solarstrom wird weit höher vergütet.

Minus: Kritiker halten Windräder für eine Verschandelung der Landschaft. Außerdem weht der Wind sehr unzuverlässig: Bei einer starken Brise wird das deutsche Stromnetz überlastet, bei Flaute muss Strom aus dem Ausland hinzugekauft werden. Praktikable Speicher für Windenergie gibt es bisher nicht. Ein weiterer Nachteil: Starker Wind bläst vor allem in Norddeutschland, die großen Verbrauchszentren liegen aber im Süden und Westen. Um den Strom abzutransportieren, sind zahlreiche neue Leitungen nötig .
Sonne
Plus: Die Sonne ist nach menschlichen Maßstäben eine ewige Energiequelle , und sie scheint für jeden umsonst. Hätten alle Dächer Deutschlands eine Solaranlage, könnte so ein großer Teil des hiesigen Strombedarfs gedeckt werden - klimaschonend und unabhängig von Importen. Darüber hinaus lässt sich das Sonnenlicht auch zur Warmwasserbereitung nutzen: Mit Solarkollektoren kann man herkömmliche Heizungen ergänzen und so die Energiekosten drücken.

Minus: Die Sonne hat den gleichen Nachteil wie der Wind - ihre Energie lässt sich nicht zu jeder Uhrzeit nutzen. Das größte Problem ist jedoch der Preis: Solarstrom kostet viel mehr als konventioneller Strom. Und trotz milliardenschwerer Subventionen leistet Sonnenenergie bislang nur einen geringen Beitrag zur deutschen Stromversorgung: Schätzungen schwanken zwischen einem um zwei Prozent. Damit die Photovoltaik in Mitteleuropa wettbewerbsfähig wird, müsste es eine technische Revolution geben - oder die Preise für konventionelle Energie müssten dramatisch steigen.
Biomasse
Plus: Holz, Stroh, Mais - beim Verbrennen dieser Stoffe wird nur so viel CO2 freigesetzt, wie die Pflanzen vorher der Atmosphäre entzogen haben. Biomasse lässt sich in vielen Bereichen einsetzen: zum Heizen (beispielsweise mit Holzpellets), zum Autofahren (mit Biodiesel oder Bioethanol ) oder zur Stromerzeugung (mit Biogas). Der große Vorteil: Biomasse ist gespeicherte Energie. Man kann also frei entscheiden, wann man sie nutzen möchte - anders als bei Wind- oder Solarkraft. Ein weiterer Pluspunkt: Energiepflanzen, die in Deutschland wachsen, reduzieren die Abhängigkeit von Importen.

Minus: In jüngster Zeit gerät die Bioenergie massiv in die Kritik. Denn die Pflanzen benötigen enorme Anbauflächen - und treten damit in direkte Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion. Gerade bei Biotreibstoffen wird das zum Problem: Lässt es sich moralisch rechtfertigen, dass die Reichen Mais tanken - während die Armen hungern? Hinzu kommt ein gigantisches Mengenproblem: Wollte Deutschland seinen gesamten Benzin- und Dieselbedarf mit Biokraftstoffen decken, wäre dafür eine Fläche nötig, die größer ist als die gesamte Bundesrepublik. Das Gleiche gilt fürs Heizen: Sollten alle Bundesbürger auf Holzpellets umsteigen, würde der deutsche Wald dafür nicht reichen - erneut wären Energie-Importe nötig.
Erdwärme
Plus: Die Wärme im Erdinneren steht rund um die Uhr zur Verfügung. Sie lässt sich sowohl zum Heizen als auch zur Stromerzeugung nutzen. Gäbe es keine Probleme mit der Bohrtechnik, könnte die Geothermie den gesamten deutschen Energiebedarf decken.

Minus: In Deutschland muss man Hunderte oder gar Tausende Meter tief bohren, um ein ausreichendes Temperaturniveau zu erreichen. Die Kosten der Geothermie sind deshalb sehr hoch. Mancherorts gibt es außerdem Probleme mit dem Grundwasser. Andere Länder sind hier aus geologischen Gründen in einer besseren Position: Island zum Beispiel deckt seinen Energiebedarf zum Großteil mit der Wärme aus dem Erdinneren.

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