Neue Membranen für Osmosekraftwerke

In einem Osmosekraftwerk werden zwei Wasserströme mit unterschiedlichem Salzgehalt über eine semipermeable Membran in Kontakt gebracht. Die Membran lässt Wasser durch und hält Salz zurück. Dies führt dazu, dass ständig Wasser in den Wasserstrom mit höherem Salzgehalt übertritt und der Druck auf der Salzwasserseite ansteigt. Das Wasser kann über eine Turbine entspannt werden und erzeugt dabei elektrische Energie.

Das Prinzip des Osmosekraftwerks ist seit den 1970er Jahren bekannt [1]. Eine wirtschaftliche Nutzung ist bisher jedoch aufgrund des hohen Preises für Membranen sowie deren geringem Wasserübergang und hoher Salzleckrate nicht möglich. In Zeiten steigender Energiepreise und aus Gründen des Klimaschutzes ist die emissionsfreie Gewinnung von Energie über Osmosekraftwerke – z. B. ein 70-MWatt-Kraftwerk [2] – wieder hochaktuell.

Entwicklungsziel

Konzentrationsprofil im Osmoseprozess.
Bild 1: Konzentrationsprofil im Osmoseprozess. Der Abfall des Konzentrationsunterschieds in der Membran und in den hydrodynamischen Grenzschichten wird als Konzentrationspolarisation bezeichnet. Kommerzielle Umkehrosmosemembranen mit ausgeprägter Stützschicht sind aufgrund dieser Konzentrationspolarisation, die die effektiv nutzbare Konzentrationsdifferenz verringert, nicht als Osmosemembran geeignet.

Das Fraunhofer IGB entwickelt eine neuartige Membran speziell für die Vorwärtsosmose. Die Membran soll großtechnisch in Osmosekraftwerken eingesetzt werden. Die Entwicklungsarbeiten umfassen Design und Erprobung der Membranen sowie die Auslegung der Module, Berechnung der Energieflüsse im Kraftwerk und eine Abschätzung der Wirtschaftlichkeit.

Ergebnisse

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer kommerziellen Umkehrosmosemembran.
Bild 2: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer kommerziellen Umkehrosmosemembran. Die obere selektive Schicht wird durch eine poröse Unterstruktur gestützt. In dieser Stützschicht bildet sich eine Konzentrationspolarisation aus.
Messung des Transmembranflusses einer kommerziellen Vorwärtsosmosemebran.
Bild 3: Ergebnisse der Messung des Transmembranflusses einer kommerziellen Vorwärtsosmosemebran und einer am Institut entwickelten PRO Celluloseacetat Membran, 32 g/l Kochsalzlösung gegen Reinstwasser bei Raumtemperatur. Vom osmotischen Druckunterschied 27 bar (theoretischer Nulldurchgang) zwischen beiden Lösungen werden durch erhöhte Konzentrationspolarisation nur 12,5 bar bzw. 17,5 bar (realer Nulldurchgang) genutzt.

Kommerziell verfügbare Membranen für die Umkehrosmose (Trinkwassergewinnung aus Meerwasser) sind für Osmosekraftwerke nicht geeignet, da sie eine hohe Konzentrationspolarisation aufweisen (Bild 1). Die Konzentrationspolarisation tritt dabei in den Stützschichten der Membran auf (Bild 2) und bewirkt, dass die effektiv genutzte Konzentrationsdifferenz erheblich herabgesetzt wird (Bild 3). Bei der besten bisher getesteten kommerziellen Membran (Vorwärtsosmosemembran) liegt der maximale Energiegewinn in der Größenordnung von 1.3 W/m2.

Simulation für Celluloseacetat als Membranmaterial.
Bild 4: Eine am IGB angefertigte Simulation für Celluloseacetat als Membranmaterial zeigt den Anstieg der Leistungsdichte in Abhängigkeit zur Membrandicke. Die Stützschicht- und Trennschichtdicke muss möglichst dünn sein, um hohe Leistungsdichten erzielen zu können.
Rasterelektronenmikroskopaufnahme einer PRO Membran.
Bild 5: Rasterelektronenmikroskopaufnahme einer am IGB entwickelten PRO Membran.

Simulationen, welche am IGB durchgeführt wurden, zeigen das mögliche Potential von Celluloseacetatmembranen (Bild 4). Am Fraunhofer IGB konnten leistungsfähige PRO Membranen aus Celluloseacetat mit einer Leistung von 2.3 W/m² entwickelt werden (Bild 5, 6). Diese zeigen ein verbessertes Porengerüst in der Unterstruktur und eine verringerte Konzentrationspolarisation (Bild 3) im Vergleich zu der kommerziell erhältlichen HTI Hydrowell Membran. Dennoch ist der Verlust der Triebkraft durch Konzentrationspolarisation noch zu hoch. Die Membranstruktur soll weiter gezielt verbessert werden. Für eine wirtschaftliche Umsetzung werden Werte von ca. 5 W/m2 angestrebt.

Ausblick

Vergleich des Leistungsverlauf einer kommerzielle Membran für PRO mit am IGB entwickelten PRO Celluloseacetat Membranen.
Bild 6: Im Diagramm wird der Leistungsverlauf der besten erhältliche kommerzielle Membran für PRO mit am IGB entwickelten PRO Celluloseacetat Membranen verglichen, höhere Leistungen konnten durch Optimierung der Polymerlösungszusammensetzung und der Phaseninversionsparameter erreicht werden.

Um die Leistungsdichte der am IGB entwickelten PRO Membran weiter zu steigern bedarf es einer Optimierung der Membranstruktur zur weiteren Verringerung der Konzentrationspolarisation. Erreicht werden soll dies durch Optimierung der Polymerlösungszusammensetzung und Phaseninversionsparameter, Zugabe von porenbildenden Additiven und Modifizierung der Membranoberfläche durch Plasmaverfahren.

Projektinformationen

Projekttitel

Neue Membranen für Osmosekraftwerke


Projektlaufzeit

Januar 2007 – Dezember 2008


Förderung

Umweltministerium Baden-Württemberg

Literatur

[1] Loeb, S: Osmotic power plants (1975), Science 189: 654-655

[2] Loeb, S.: Energy production at the Dead Sea by pressure-retarded osmosis: challenge or chimera? (1998) Desalination 120: 247-262