Spannung im Wasser

US-amerikanische und italienische Forscher haben eine Art Batterie entwickelt, die den unterschiedlichen Salzgehalt in Fluss- und Meerwasser zur Stromerzeugung nutzt. Das Funktionsprinzip: In kontinuierlichen Zyklen wechselt sich eine Aufladephase, in der das System von Flusswasser durchströmt wird, mit einer Entladephase ab, in der Salzwasser durch die Batterie strömt. Dank des unterschiedlichen Salzgehalts kann dabei während des Entladens mehr Energie gewonnen werden, als beim Aufladen hineingesteckt wird, haben die Materialwissenschaftler und Chemiker um Yi Cui von der Stanford University gezeigt. Sie könnte künftig zum Beispiel in Kraftwerken an Flussmündungen eingesetzt werden, wo sowohl Süß- als auch Salzwasser verfügbar sind. Eine Hochrechnung hat ergeben, dass sich mit diesem Prinzip einzelne Anlagen für die Stromversorgung von bis zu 100.000 Haushalten bauen ließen. Bis das Verfahren technisch ausgereift sei, müssten aber noch grundlegende materialwissenschaftliche Fragen geklärt werden, schreiben die Forscher.
Die Idee, den unterschiedlichen Salzgehalt von Fluss- und Meerwasser für die Stromproduktion zu nutzen, ist nicht neu. Wird etwa Salzwasser von Süßwasser durch eine dünne Membran getrennt, tritt Süßwasser auf die salzige Seite, um die höhere Ionenkonzentration an Natrium und Chlorid - den Bestandteilen von herkömmlichem Kochsalz - durch Verdünnen auszugleichen. Dadurch baut sich ein Druck auf, der für die Stromerzeugung genutzt werden kann. Das Prinzip dahinter nennen Fachleute Osmose, und es wird bereits in größerem Maßstab für die Stromerzeugung genutzt: Vor zwei Jahren ging ein erstes Osmosekraftwerk in Norwegen in den Probebetrieb.

Allerdings seien die für den Betrieb notwendigen Membranen teuer und sehr empfindlich, erläutert Studienleiter Yi Cui. Er und seine Kollegen haben daher nun ein technisches Prinzip gesucht, bei dem der Konzentrationsunterschied der Ionen ebenfalls ausgenutzt werden kann, das die empfindliche Membran jedoch entbehrlich macht. Herausgekommen ist eine Art Batterie für den Großeinsatz. Sie funktioniert folgendermaßen, erläutern die Wissenschaftler: Zunächst bringt man Süßwasser zwischen die beiden Elektroden und lädt diese mit Strom auf. Im geladenen Zustand tauscht man dann das Süßwasser gegen Salzwasser aus. Nun befinden sich mit den geladenen Natrium- und Chlorid-Ionen des Meerwassers sehr viel mehr Ladungsträger zwischen den Elektroden und es entsteht eine höhere Spannung. Dadurch lässt sich der Batterie auch mehr Strom entziehen. Den Forschern gelang es mit ihren Prototypen, einen Wirkungsgrad von 74 Prozent zu erzielen - man habe also 74 Prozent der theoretisch möglichen Energiemenge in Strom umgewandelt, schreibt Cui.

Als Material für die positive Elektrode wählten die Forscher winzige Stäbchen aus Natrium-Mangan-Oxid. Das sei zum einen gut umweltverträglich und zum anderen sehr effizient, weil es durch die 100-fach vergrößerte Oberfläche sehr intensiv mit den Natriumionen im Elektrolyt - der Flüssigkeit zwischen den Elektroden ? wechselwirken kann. Weniger glücklich sind die Wissenschaftler dagegen mit dem Material für die negative Elektrode: Sie benutzten für ihre Laborversuche Silber, das zwar die Anforderungen erfüllt, jedoch für den späteren praktischen Einsatz zu teuer sei, sagt Cui. Er sucht aktuell nach einer günstigeren Alternative. Das ganze System sei sehr umweltfreundlich, betonen die Wissenschaftler. Weder die Elektrodenmaterialien noch der Elektrolyt, der ja aus einer Mischung von Süß- und Salzwasser besteht, stelle ein Problem dar. Das Potenzial der Methode sei zudem enorm: Würden alle Flüsse der Welt genutzt, rechneten die Forscher hoch, könnten die Batterien jedes Jahr zwei Terawatt (2.000 Milliarden Watt) an Energie liefern - damit ließen sich rund 13 Prozent des Weltenergieverbrauchs decken.
Yi Cui (Stanford University) et al: Nano Letters, doi: 10.1021/nl200500s

dapd/wissenschaft.de - Martin Schäfer


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