US-amerikanische Forscher haben im Labor eine Technik entwickelt, mit der grosse Mengen erneuerbarer Energie aus Flussmündungen, Klärwerken und Salzseen gewonnen werden könnte. Damit liessen sich gemäss ihrer Schätzung eines Tages zwei Fünftel des globalen Strombedarfs abdecken.

Wenn ein Fluss ins Meer mündet, vermischen sich bekanntlich grosse Massen von Süss- und Salzwasser mit ihren sehr unterschiedlichen Salzkonzentrationen. Weniger bekannt dürfte jedoch sein, dass dieser Vorgang auch viel Energie frei setzt – und zwar bis zu 2 Megajoule pro Kubikmeter Flusswasser, das ins Meer gelangt. Die Energiemenge ist vergleichbar mit jener, die in einem 135 Meter hohen Wasserfall steckt. Und sie könnte die perfekte Ergänzung sein zu Strom aus Sonne und Wind, welcher grösseren tages- und jahreszeitlichen Schwankungen unterliegt.

Das Potenzial der „Flussmündungsenergie“ könnte genügen, um ganze 40 Prozent des weltweiten Strombedarfs abzudecken.

Erneuerbar, sauber und mit riesigem Potenzial

Die Energie aus dem Gefälle in der Salzkonzentration zwischen Fluss- und Meerwasser versuchen Forscher und Ingenieure seit Jahrzehnten anzuzapfen – bisher aber ohne kommerziellen Erfolg. Nun berichten US-Wissenschaftler an der Penn State University über eine neue Technik, um diese erneuerbare, schadstoff- und treibhausgasarme Energieform nutzbar zu machen. Allerdings befindet sich ihre Erfindung erst im sehr frühen Entwicklungsstadium. Selbst wenn die Technik sich in industriellem Massstab bewähren sollte, könnte der Übergang vom Labor in die Praxis Jahre dauern.  Bisherige Versuche, Salzkonzentrationsgefälle als „Energiebrunnen“ abzuschöpfen, sind auf sehr grosse Hürden gestossen. Zuletzt gab der norwegische Energieversorger Statkraft Anfang 2014 eine im Jahr 2009 in Betrieb gesetzte Prototypanlage in einem Fjord auf, weil das Unternehmen keine Chancen auf eine rentable Nutzung sah. Doch das Potenzial der „Flussmündungsenergie“ ist riesig: Gemäss Schätzung der US-Forscher könnte sie genügen, um ganze 40 Prozent des weltweiten Strombedarfs abzudecken.

Gestoppter Versuch in Norwegen

Was die amerikanischen Wissenschaftler nun vorschlagen, ist eine Abkehr vom Statkraft-Konzept. Die norwegische Firma hatte nämlich auf eine Art von Osmosekraftwerk gesetzt, genauer auf den Prozess der druckverzögerten Osmose (Englisch: pressure-retarded osmosis, kurz PRO). Als Osmose wird ein natürlicher Vorgang bezeichnet, bei dem mehr oder weniger reines Wasser spontan durch eine trennende Membran hindurch in eine höher konzentrierte Lösung, etwa Salzwasser, fliesst. Dabei nimmt der Druck auf der Salzwasserseite zu. In der PRO-Anlage von Statkraft wurde dieser Druckanstieg dazu genutzt, eine Turbine in Gang zu setzen, die wiederum einen Stromgenerator antrieb. Doch Statkraft scheiterte am grossen Stolperstein bei PRO: die Membran. Diese macht 50 bis 80 Prozent der Anlagenkosten aus und muss deshalb hohen Anforderungen genügen. Wirtschaftlich wäre das Konzept nur dann gewesen, wenn die Anlage eine Leistung von mindestens 5 Watt pro Quadratmeter Membran bereitgestellt hätte. Statkraft blieb aber unter 4 W/m2.

Kombination aus Membran und Elektroden

Die US-Forscher haben es nun auf die Kombination zweier alternativer Methoden abgesehen, die auch nicht ganz neu sind, denen aber bisher ein kleineres Potenzial zugemessen wurde als der PRO-Technik. Es handelt sich um die Umkehrelektrodialyse (Englisch: reverse electrodialysis, kurz RED) und das Kapazitive Mischen (Englisch: capacitive mixing, kurz CapMix). Beide unterscheiden sich von PRO dadurch, dass hier nicht das Wasser selbst, sondern das in Wasser gelöste Salz durch eine trennende Membran fliesst. In diesem Fall muss die Membran selektiv sein, d.h. sie lässt nur entweder die negativ oder die positiv geladenen Atome von Salz durch. Infolge dieser Ladungstrennung entsteht an der Membran eine elektrische Spannung. Wenn mehrere Membranen hintereinander platziert werden, addieren sich diese Spannungen zusammen. RED hat gegenüber PRO den Vorteil, dass die Membran nicht verfault, weil kein Wasser durch sie fliesst. Jedoch erreicht RED im Vergleich zu PRO nur eine bescheidene Stromausbeute in Watt pro Quadratmeter Membran.

Diese Ausbeute kann jedoch erhöht werden, wenn RED mit einer weiteren Technik, nämlich CapMix, kombiniert wird. Bei CapMix werden zusätzlich Elektroden verwendet, an denen die elektrisch geladenen Atome des Salzes elektrochemisch reagieren können. Diese Reaktionen erzeugen eine zusätzliche elektrische Spannung, ähnlich wie in einer Batterie oder einem Kondensator. Beide Effekte, RED und CapMix, kommen so zusammen im neuen Konzept der US-amerikanischen Forscher auf stolze 12,6 Watt pro Quadratmeter. Das erklärt ihre Zuversicht in das Potenzial der neuen Technik. Doch sie weisen gleichzeitig darauf hin, dass weitere Forschung nötig sein wird, etwa um die Stabilität der Elektroden zu verbessern.

Auch Klärwerke und Salzseen anzapfen

Jedenfalls ist die Meldung aus der Penn State University ein weiterer Hoffnungsschimmer für eine Technologie, deren wissenschaftliche Grundlagen bereits Mitte des 20. Jahrhunderts erarbeitet wurden. Und die US-Forscher sind in ihrem Bestreben nicht allein. Auch in den Niederlanden haben Wissenschaftler bereits im Jahr 2006 eine kleine Forschungsanlage auf der Basis der RED-Technik in Betrieb genommen. 2014 eröffnete die niederländische Firma REDStack unter dem Namen Blue Energy eine weitere Testanlage an der Nordsee mit einer anfänglichen Leistung von 50 Megawatt, genug für 100 Haushalte. Die Niederländer haben es insbesondere auf die Mündung des Rheins in die Nordsee als Energiequelle abgesehen. In Japan verfolgt man hingegen bereits seit 2009 ein anderes Ziel: Dort soll das in Salzen angereicherte Abwasser aus Klärwerken die Stromproduktion antreiben. Weitere Untersuchungen zum Potenzial haben Salzseen wie der Great Salt Lake oder das Tote Meer als vielversprechende Standorte ins Visier genommen.

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