Es gibt eine erneuerbare Energiequelle, die 24 Stunden am Tag Strom liefert - Japan startet mit Osmosekraft

Wo Flüsse ins Meer münden, schlummert eine unscheinbare, aber konstante Energiequelle. (Bildquelle: Adobe Firefly, KI-generiert; Prompt: Alexander Köpf)

Die Menschheit steht an einem Scheideweg: Schaffen wir es, unsere Energieversorgung langfristig zu sichern, trotz des stetig wachsenden Hungers nach Strom, Wärme und Kraftstoffen?

Der sowjetische Astrophysiker Nikolai Kardaschow hat diese Herausforderung in den 1960er-Jahren auf eine kosmische Skala gesetzt. Je nachdem, wie viel Energie eine Zivilisation zu beherrschen versteht, steigt sie auf: von der Nutzung planetarer Ressourcen (Typ I), über die Energie eines Sterns (Typ II), bis hin zur Macht einer ganzen Galaxie (Typ III).

Heute stehen wir noch nicht einmal am unteren Ende dieser Skala. Schritt für Schritt tasten wir uns empor. Immerhin, so schätzen Forscher, hat die Menschheit schon etwa Stufe 0,7 erreicht.

Kernfusion gilt oft als der Heilige Gral dieses Weges, ein künftiger Grundlastträger, der uns eines Tages ein gewaltiges Stück näher an Typ I bringen könnte. Doch die Realität unserer Energiesysteme ist kleinteiliger: Nicht ein einziger Quantensprung wird den Unterschied machen, sondern ein Mosaik aus Technologien, die zusammen die Lücke schließen.

Und genau hier kommt eine Quelle ins Spiel, die beinahe so alt ist wie die Erde selbst: das Wasser. An der Schnittstelle zwischen Flüssen und Meeren liegt ein unscheinbarer Schatz, ein natürliches Gefälle, das sich in nutzbare Energie verwandeln lässt.

Japan wagt den Anfang

So hat Japan erst kürzlich sein erstes Osmosekraftwerk in Betrieb genommen. Auf den ersten Blick wirkt es winzig im Vergleich zu Solarfarmen oder Offshore-Windrädern, vor allem, was die Leistung betrifft.

Aber unterschätzen wir hier nicht vielleicht den Anfang einer Technologie, die eines Tages zu einer stillen, aber stabilen Säule im Energiemix heranwachsen könnte?

Wie funktioniert ein Osmosekraftwerk?

Osmosekraftwerke werden auch Salzgradientenkraftwerke genannt, ein Name, der ihre Funktionsweise bereits andeutet. Sie nutzen den unterschiedlichen Salzgehalt von Süß- und Meerwasser, um daraus Energie zu gewinnen.

Das Grundprinzip, die Osmose, stammt aus der Natur: Wasser oder ein anderes Lösungsmittel strömt, vereinfacht gesagt, durch eine halbdurchlässige Membran von der Seite mit geringerer Salzkonzentration zur Seite mit höherer Salzkonzentration.

So fließt Wasser etwa aus einem Süßwasserreservoir (mit rund 0,1 Prozent Salzgehalt) Richtung Meerwasser (3,5 Prozent Salzgehalt). Die Natur zeigt diesen Effekt zum Beispiel hier: Haut schrumpelt nach dem Baden, weil sich darin mehr gelöste Salze befinden als im Badewasser und das Wasser daher in sie einströmt; Kirschen platzen im Regen aus demselben Grund auf.

Eigentlich handelt es sich dabei schlicht um Diffusion, das selbstständige Durchmischen, bei dem Konzentrationsunterschiede ausgeglichen werden.

Das Kunststück eines Osmosekraftwerks besteht darin, diesen Effekt zuzulassen, aber die Durchmischung möglichst lange hinauszuzögern. Dafür sorgt die Membran.

Auf der Salzwasserseite baut sich durch das einströmende Süßwasser Druck auf – sogenannter osmotischer Druck. Bei zehn Grad und 3,5 Prozent Salzgehalt entspricht er etwa 28 bar. Dieser Druck wird genutzt, um eine Turbine anzutreiben und Strom zu erzeugen.

3:33 Solarstrom aus dem All - So will die ESA zum Energiewandel beitragen

Grenzen der Gegenwart

Doch hier liegt noch das große Aber: Die derzeit pro Sekunde umgesetzte Leistung ist vergleichsweise gering. Das Kraftwerk in Japan bringt es auf rund 100 Kilowatt, das entspricht etwa 876 Megawattstunden pro Jahr – genug für rund 250 Zwei-Personen-Haushalte.

Zum Vergleich: Ein typisches Windrad an Land erzeugt pro Jahr zwischen vier und sieben Millionen Kilowattstunden, also rund fünf- bis achtmal so viel wie das japanische Osmosekraftwerk. Unter idealen Bedingungen, mit modernsten Anlagen, können es sogar bis zu 15 Millionen kWh sein. Von Kohle-, Gas- und Atomkraftwerken ganz zu schweigen.

Und doch hat die Osmosekraft einen entscheidenden Vorteil: Im Gegensatz zu Solar- oder Windenergie ist sie grundlastfähig. Sie kann das ganze Jahr über relativ konstant Strom liefern – leise, stetig, unaufgeregt.

Das besondere Kraftwerk in Fukuoka

Das Osmosekraftwerk der Metropole Fukuoka, das rund vier Millionen Euro gekostet hat, ist ein Spezialfall, man könnte es als Symbiosekraftwerk bezeichnen. Denn es betreibt nicht nur eine Entsalzungsanlage für Meerwasser, die hoch konzentriertes Salzwasser bereitstellt, sondern arbeitet zugleich mit einer städtischen Kläranlage zusammen, die gereinigtes Süßwasser liefert.

So bleibt der Kreislauf erhalten. Der Gradient bleibt hoch, der Druck konstant, der Energieoutput stabil. Ohne diesen Kreislauf müssten Süß- und Salzwasser ständig neu hineingepumpt werden. Ansonsten nähme der Konzentrationsunterschied ab und die Leistung ließe schnell nach.

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Von der Teekanne zur Terawattstunde

Dass bei der Osmose Energie freigesetzt wird, ist seit den 1950er-Jahren bekannt. Erste Konzepte wurden in den 1970ern entwickelt. Der erste Prototyp entstand schließlich im Jahr 2009 in Norwegen. Er konnte gerade genug Strom erzeugen, um eine Kanne Tee zu kochen.

Doch die Forscher gaben nicht auf. Verschiedene Methoden wurden erprobt, am Ende erwiesen sich halbdurchlässige Membranen auf Basis von umgekehrter Elektrodialyse als effizienteste Lösung. Inzwischen gibt es sogar Membranen aus Nanomaterialien, die deutlich mehr osmotischen Druck erzeugen können.

Von der industriellen Fertigung sind wir aber noch ein ganzes Stück entfernt, denn das Material muss am Ende gleichzeitig robust und gut durchlässig sein.

Das Potenzial ist jedoch enorm: Künftige Membranen aus sogenannten Bornitrid-Nanoröhrchen könnten 30 Megawattstunden Strom pro Quadratmeter und Jahr liefern – rund 3,4 Kilowatt Dauerleistung, was einem Vielfachen aktueller Membranen entspricht, die eher fünf (maximal zehn) Watt pro Quadratmeter abwerfen.

Damit würde eine Fläche von knapp 30 Quadratmetern ausreichen, um 100 kW zu erzeugen. Für ein Gigawatt bräuchte man dann etwa 300.000 Quadratmeter Membran, was etwa 42 Bundesliga-Fußballfeldern entspricht. Aber das ist ferne Zukunftsmusik.

Ein bisschen greifbarer sind Technologien, die etwa 20 bis 30 Watt pro Quadratmeter liefern, wie die Ionic Nano Osmotic Diffusion des französischen Unternehmens Sweetch Energy. Der deutsche YouTube-Kanal Breaking Lab hat sich damit etwas intensiver auseinandergesetzt:

Link zum YouTube-Inhalt

Das weltweite Potenzial durch Flussmündungen und Deltas wird von den Franzosen auf bis zu 30.000 Terawattstunden pro Jahr geschätzt, mehr als der heutige weltweite Stromverbrauch von etwa 27.000 TWh. Wobei davon wohl nur rund zehn Prozent nutzbar sind, um Schifffahrt und Ökosysteme nicht zu überlasten.

Dennoch sollen laut der französischen Agentur Bretagne Développement Innovation im Jahr 2050 etwa 15 Prozent des globalen Strombedarfs durch Osmosekraftwerke gedeckt werden können – eine äußerst optimistische Prognose.

Umwelt und Nebenwirkungen

Die eleganten Kraftwerke haben vergleichsweise geringe negative Umweltauswirkungen: keine Treibhausgase, keine Chemikalien, kein Lärm.

Probleme könnten vor allem durch die Membranen selbst entstehen, abhängig von Haltbarkeit und Entsorgungsweise. Auch Eingriffe in Lebensräume, Sedimenttransport und Fischpopulationen sind denkbare Nebenwirkungen, sofern ein größerer Teil der Energie angezapft werden sollte und die natürliche Durchmischung von Süß- und Salzwasser zu stark eingeschränkt wird.

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Die stille Kraft im Energiemosaik

Osmosekraftwerke werden Atom-, Kohle- und Gaskraftwerke nicht ersetzen, ebenso wenig die Windparks der Ozeane. Aber sie könnten als stille, grundlastfähige Säule im Hintergrund eine wichtige Rolle im Energiemix spielen.

Wenn Kardaschow die Menschheit nach ihrem Umgang mit Energie misst, wirkt ein Osmosekraftwerk wie ein winziger Schritt: unscheinbar, ein Tropfen im Ozean der Energiewende. Doch genau in solchen Tropfen liegt vielleicht die eigentliche Weisheit: Nicht der große Sprung, nicht das einzelne Wunder, sondern das Zusammenwirken vieler kleiner Kräfte bringt uns voran.

Die Osmosekraft ist ein Sinnbild dafür. Ein unsichtbares Strömen, das aus einem verborgenen Konzentrationsgefälle Druck erzeugt, der schließlich Turbinen antreibt. Aus dem kleinsten Unterschied erwächst nutzbare Kraft.