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Grüne Energie: Die Kraft der Osmose

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Osmosekraftwerk Grüner Strom aus süßem Wasser

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.

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.