Blaue Energie – Versorgung für die Zukunft?

Der Klimawandel, globale Abhängigkeiten und die weltweiten Konflikte erfordern schon lange ein Umdenken in der Energiegewinnung. Eine Möglichkeit ist die Erzeugung durch Wasser. Alle kennen wir die kleinen und größeren Wasserkraftwerke, die es z.B. an Flüssen gibt, ebenso die großen Stauseen, wo Energie mit Mithilfe von Wasser erzeugt wird. Seit den 1950er Jahren wird an einem weniger bekannten Projekt geforscht, der sogenannten Osmose-Energie.

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. Konkrete Forschungs- und Entwicklungsprojekte gibt es seit der zweiten Hälfte der 1990er Jahre. Als weltweit erster Prototyp eines Osmosekraftwerks wurde am 24. November 2009 im norwegischen Tofte am Oslofjord ein Kleinstkraftwerk in Betrieb genommen. Dieses erwies sich leider als nicht rentabel und wurde wieder geschlossen. (Quelle: Wikipedia)

Nun haben Forscher der Rutgers University in Piscataway, New Jersey/USA mit einer “BNNT-Membran” experimentiert und arbeiten an deren Optimierung. Das Grundprinzip besteht darin, dass Batterieelektroden die Energie der Salzgradienten in einem vierstufigen Prozess in Strom verwandeln. (1) Austausch von Süßwasser, (2) Aufladen im Süßwasser, (3) Austausch von Meerwasser und (4) Entladen im Meerwasser.

Science.org schreibt dazu: “Die Befürworter grüner Energie könnten bald blau werden. Eine neue Membran könnte das Potenzial der “blauen Energie” erschließen, die chemische Unterschiede zwischen Süß- und Salzwasser zur Stromerzeugung nutzt. Wenn es den Forschern gelingt, die briefmarkengroße Membran auf erschwingliche Weise zu vergrößern, könnte sie Millionen von Menschen in Küstenländern, in denen Süßwasserflüsse auf das Meer treffen, mit kohlenstofffreier Energie versorgen.

“Das ist beeindruckend”, sagt Hyung Gyu Park, ein Maschinenbauingenieur an der Pohang University of Science and Technology in Südkorea, der nicht an der Arbeit beteiligt war. “Unser Fachgebiet hat seit vielen Jahren auf diesen Erfolg gewartet.

Die Verheißung der blauen Energie ergibt sich aus ihrem Umfang: Flüsse leiten jedes Jahr etwa 37.000 Kubikkilometer Süßwasser in die Ozeane ein. Dieser Schnittpunkt zwischen Süß- und Salzwasser bietet das Potenzial, eine Menge Strom zu erzeugen – nach einer aktuellen Schätzung 2,6 Terawatt, was in etwa der Menge entspricht, die von 2000 Kernkraftwerken erzeugt werden kann.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, aus dieser Mischung Strom zu erzeugen. Und einige Kraftwerke mit blauer Energie wurden bereits gebaut. Ihre hohen Kosten haben jedoch eine breite Anwendung verhindert. Alle Ansätze der blauen Energie beruhen auf der Tatsache, dass Salze aus Ionen bestehen, also aus Chemikalien, die eine positive oder negative Ladung tragen. In Feststoffen ziehen sich die positiven und negativen Ladungen gegenseitig an und binden die Ionen aneinander. (Kochsalz zum Beispiel ist eine Verbindung aus positiv geladenen Natriumionen und negativ geladenen Chloridionen). Im Wasser lösen sich diese Ionen und können sich unabhängig voneinander bewegen.

Indem sie die positiven Ionen – wie Natrium oder Kalium – auf die andere Seite einer halbdurchlässigen Membran pumpen, können die Forscher zwei Wasserbecken erzeugen: eines mit einer positiven und eines mit einer negativen Ladung. Wenn sie dann Elektroden in die Becken tauchen und sie mit einem Draht verbinden, fließen Elektronen von der negativ geladenen zur positiv geladenen Seite und erzeugen Strom.Im Jahr 2013 stellten französische Forscher eine solche Membran her. Sie verwendeten eine keramische Schicht aus Siliziumnitrid – das in der Industrie üblicherweise für Elektronik, Schneidwerkzeuge und andere Zwecke verwendet wird -, die mit einer einzigen Pore versehen war, die mit Bornitrid-Nanoröhrchen (BNNT) ausgekleidet war, einem Material, das unter anderem für die Verwendung in hochfesten Verbundwerkstoffen untersucht wird. Da BNNTs stark negativ geladen sind, vermutete das französische Team, dass sie negativ geladene Ionen im Wasser daran hindern würden, die Membran zu passieren (weil sich ähnliche elektrische Ladungen gegenseitig abstoßen). Ihre Vermutung war richtig. Sie fanden heraus, dass, wenn eine Membran mit einem einzelnen BNNT zwischen Süß- und Salzwasser platziert wurde, die positiven Ionen von der salzigen Seite auf die frische Seite übergingen, aber die negativ geladenen Ionen wurden größtenteils blockiert.

Das Ladungsungleichgewicht zwischen den beiden Seiten war so stark, dass die Forscher schätzten, dass ein einziger Quadratmeter der Membran – vollgepackt mit Millionen von Poren pro Quadratzentimeter – etwa 30 Megawattstunden pro Jahr erzeugen könnte. Das ist genug, um drei Haushalte mit Strom zu versorgen.

Aber selbst die Herstellung briefmarkengroßer Folien hat sich als kaum durchführbar erwiesen, weil niemand herausgefunden hat, wie man alle langen, dünnen BNNTs senkrecht zur Membran anordnen kann. Bis jetzt.

Auf einer halbjährlichen Tagung der Materials Research Society berichtete Semih Cetindag, Doktorand im Labor des Maschinenbauingenieurs Jerry Wei-Jen Shan an der Rutgers University in Piscataway, New Jersey, dass sein Team den Code nun geknackt hat. … “

Für Interessierte: Der vollständige Artikel kann der nachfolgenden Quelle komplett entnommen werden.

Quelle und Übersetzung: Science.org, ACS Publications, Frankfurter Rundschau
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