Druckverzögerte Osmose

Neue Membranen für Osmosekraftwerke

In Osmosekraftwerken, die nach dem Prinzip der druckverzögerten Osmose (engl. pressure-retarded osmosis, kurz PRO) funktionieren, werden zwei Wasserströme mit unterschiedlichen Salzgehalten durch eine semipermeable Membran getrennt. Die Membran ist für Wasser durchlässig, während Salz zurückgehalten wird. Das hat zur Wirkung, dass Wasser kontinuierlich auf die Seite mit hohem Salzgehalt übergeht, was zu einer Druckerhöhung führt. Mithilfe einer Turbine kann der Druck in der Lösung dann abgelassen werden, wodurch elektrische Energie erzeugt wird.

Dieses Prinzip ist bereits seit den frühen 1970er Jahren bekannt, aufgrund eines Mangels an geeigneten Membranen wurde es aber bis jetzt nicht kommerziell angewendet. Die bisher getesteten Membranen waren zu teuer, ihre Wasserübertragung zu niedrig und die Salzleckage zu hoch. Vor dem Hintergrund steigender Energiepreise und Klimawandel ist die CO2-emissionsfreie Energieerzeugung mit osmotischen Kraftwerken jedoch zu einem sehr aktuellen Thema geworden.

Membranentwicklung

Kommerziell erhältliche Membranen für die Umkehrosmose (zur Entsalzung von Meerwasser) sind wegen ihrer Neigung zur Konzentrationspolarisation nicht für Osmose-Kraftwerke geeignet (Abb. 1). Dieses Phänomen wird vor allem in der porösen Trägerstruktur solcher Membranen beobachtet und führt zu einer signifikanten Verringerung der effektiven Konzentrationsdifferenz. Die kommerziell erhältlichen Membranen (Forward-Osmose-Membranen), die wir bisher getestet haben, zeigen eine Energieausbeute von 1,3 W/m2. Wir entwickeln nun neue, auf die spezifischen Anforderungen unserer Kunden abgestimmte Membranen für die druckverzögerte Osmose (engl. pressure-retarded osmosis, PRO) auf Basis von Celluloseacetat- und Dünnschicht-Verbundmembranen.

Konzentration und Polarisation in einer Osmosemembran.
© Fraunhofer IGB
Konzentration und Polarisation in einer Osmosemembran.
Simulation der PRO-Leistung als Funktion der Membrangeometrie.
© Fraunhofer IGB
Simulation der PRO-Leistung als Funktion der Membrangeometrie.
Energiedichte als Funktion der Flussgeschwindigkeit einer am Fraunhofer IGB entwickelten Cellulose-Acetat-Membran.
© Fraunhofer IGB
Energiedichte als Funktion der Flussgeschwindigkeit einer am Fraunhofer IGB entwickelten Cellulose-Acetat-Membran.

Ausblick

Die für die druckverzögerte Osmose entwickelte Membranen werden für Vorwärtsosmose-Anwendungen weiter optimiert. In einem laufenden Projekt verwenden wir solche Membranen, um wässrige Biobutanol-Lösungen bis zu Phasentrennungskonzentrationen anzureichern.

Publikationen

  • Touati, K., et al. (2015). "Effect of the feed and draw solution temperatures on PRO performance: Theoretical and experimental study." Desalination 365: 182-195.
  • Touati, K., et al. (2014). "Impact of Temperature on Power Recovery in Osmotic Power Production by Pressure Retarded Osmosis." Energy Procedia 50: 960-969.
  • Touati, K. and T. Schiestel (2013). "Evaluation of the Potential of Osmotic Energy as Renewable Energy Source in Realistic Conditions." Energy Procedia 42: 261-269.

Referenzprojekte

H2Ocean –

Entwicklung einer Windwellen-Energieplattform auf hoher See

 

Entwicklung einer Offshore-Plattform zur Energieerzeugung mithilfe von Wind- und Wellenkraft, die einen Teil der Energie vor Ort für mehrere Anwendungen einsetzt – etwa eine multitrophe Aquakulturfarm und eine direkte Umwandlung von Überschussstrom zu Wasserstoff, der als grüner Energieträger gespeichert und transportiert werden kann.

 

Projektdauer: Januar 2012 – Dezember 2014