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2013|14 Jahresbericht Fraunhofer IGB

120 Emissionsfreie Energieumwandlung durch Osmose Bei der Energieumwandlung mittels Osmose werden zwei Wasserströme mit unterschiedlichem Salzgehalt über eine se- mipermeable Membran in Kontakt gebracht. Die Membran ist wasserdurchlässig und hält Salz zurück. Dies führt dazu, dass kontinuierlich Wasser in den Wasserstrom mit höherem Salz- gehalt übertritt. Dadurch baut sich dort ein hydrostatischer Druck auf, der über eine Turbine entspannt wird, wodurch elektrische Energie erzeugt werden kann. Insgesamt wird so- mit chemische in elektrische Energie umgewandelt. Das Prinzip dieser sogenannten Pressure Retarded Osmosis (PRO, Vorwärtsosmose) ist seit den 1970er-Jahren bekannt. Aufgrund des hohen Preises für Membranen, eines geringen Wasserübergangs und einer hohen Salzleckrate der verfügba- ren Membranen wurde das Prinzip bisher jedoch nicht tech- nisch umgesetzt. Dabei ist das Potenzial, mit Osmosekraftwer- ken an Flussmündungen emissionsfrei elektrische Energie zu gewinnen immens [1] und das Interesse an einer Umsetzung in Zeiten von Klimawandel und steigenden Energiepreisen ge- wachsen. Darüber hinaus bietet sich die Vorwärtsosmose auch an, Os- mose-Energie in solchen technischen Prozessen zu nutzen, bei denen Wasserströme mit hohem Salzgehalt entstehen. Ein Beispiel ist die Meerwasserentsalzung, bei der nach der Um- kehrosmose oder der thermalen Entsalzung ein hoch konzen- triertes Retentat zurückbleibt. Mit diesem Retentat könnte ein PRO-Prozess mit Meerwasser als niedrig konzentriertem Pro- zessstrom durchgeführt, hierbei Energie zurückgewonnen und so der Gesamtprozess energieeffi zienter gestaltet werden. Herausforderung Konzentrationspolarisation Es ist bekannt, dass insbesondere die Konzentrationspolarisati- on (KP, Abb. 2) für die Leistung einer Membran entscheidend ist. Dabei kann man zwischen der internen und externen KP unterscheiden. Bei der internen KP kommt es durch einen ge- ringen Salztransport über die Trennschicht zu einer Erhöhung der Salzkonzentration in der Trägerstruktur der Membran und damit zu einer Verringerung der treibenden Kraft für den Os- moseprozess. Bei der externen KP kommt es auf beiden Seiten der Membran in den jeweiligen Deckschichten durch Wasser- bzw. Salztransport zu einer Verkleinerung des Konzentrati- onsgradienten. Während bei der internen KP insbesondere die Struktur der Membran eine Rolle spielt, sind es bei der exter- nen KP besonders die Prozessparameter. Ziel – optimierte Membranstruktur und Prozessparameter Ziel des Fraunhofer IGB ist die Entwicklung neuartiger Osmo- semembranen durch Optimierung der inneren Struktur. Die Leistung der optimierten Membranen ermitteln wir mit einer automatisierten Versuchsanlage (Abb. 1). Außerdem wird der Einfl uss wichtiger verfahrenstechnischer Parameter wie der Überströmungsgeschwindigkeit, der Salzwasserkonzentration und der Temperatur bestimmt. Erhöhte Leistungsdichte Die am IGB entwickelten Membranen besitzen eine besonders offen-poröse Trägerstruktur mit dünner Trennschicht. Sie zei- gen dadurch deutlich höhere Leistungsdichten. Für die Leis- tung des Gesamtprozesses spielen neben der Membranstruk- tur auch verfahrenstechnische Parameter eine entscheidende Rolle. Erhöhte Überströmungsgeschwindigkeiten (Abb. 3) re- duzieren die externe Konzentrationspolarisation an der Grenz- fl äche der Membran und führen zu höheren Leistungsdichten. ENERGIEUMWANDLUNG DURCH OSMOSE Dipl.-Ing. (FH) Christopher Hänel, Dr. rer. nat. Thomas Schiestel ENERGIE 21 Konzentrationsdifferenz Süßwasser zu Salzwasser Effektive Konzentrations- differenz an der Membrantrennschicht Wasser Salz Salzwasser Membran Süßwasser Konzentration Membran- trennschicht Membran- stützschicht

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