Osmoseforschung an der Universität von Oakland

Bei der Umkehrosmose (Reverse Osmosis, RO) wird salzhaltiges Wasser mit Hilfe von Druck durch eine halbdurchlässige Membran gepresst, wodurch Süßwasser gewonnen und die verbleibende Sole konzentriert wird. Bei der druckverzögerten Osmose (Pressure Retarded Osmosis, PRO) wird der osmotische Druckunterschied zwischen Süßwasser und Meerwasser zum Antrieb einer Turbine und zur Stromerzeugung genutzt. Beide Ansätze sind vielversprechend, um der globalen Wasserknappheit entgegenzuwirken und gleichzeitig zur Erzeugung erneuerbarer Energie beizutragen.

Diese Technologien müssen jedoch kontinuierlich weiterentwickelt werden, um den steigenden Anforderungen durch Bevölkerungswachstum, Urbanisierung und Umweltschutz gerecht zu werden. Bei der Umkehrosmose verbessern die Forscher die Energieeffizienz, die Wasserrückgewinnung und die Salzrückhaltung, doch es bleiben Herausforderungen wie hohe Betriebskosten, Soleentsorgung und Infrastrukturanforderungen (Garg & Joshi, 2015). PRO steht vor Hürden bei der Membraneffizienz, der Skalierbarkeit und den Kapitalkosten, die derzeit die Kosten pro Kilowatt über denen des US-Netzes halten (Hickenbottom et al., 2017).

Die Überwindung dieser Hindernisse erfordert nicht nur technische Fortschritte, sondern auch organisatorische Innovationen. Öffentlich-private Partnerschaften beispielsweise sind für die Überbrückung finanzieller, betrieblicher und regulatorischer Lücken bei der Entwicklung von Energie- und Wasserinfrastrukturen unerlässlich geworden (Nwokediegwu et al., 2024). Diese Mischung aus technischen und kooperativen Ansätzen wird in nationalen Programmen wie dem Marine Energy Collegiate Competition (MECC) und dem Hydropower Collegiate Competition (HCC) deutlich, die von der Nationales Labor für erneuerbare Energien (NREL). Diese Initiativen fordern Studenten heraus, reale Lösungen für nachhaltige Energie zu entwerfen, und bieten ihnen praktische Erfahrungen in der Industrie und berufliche Kontakte.

An der Oakland University sind Associate Professor John Maisonneuve und sein Team aus Studenten und Absolventen mit ihren Forschungen zu osmotischen Drucksystemen und der Entwicklung eines Osmoseprüfstands ein Beispiel für diese Mission. Ihr MECC-Projekt zielte darauf ab, die Energieeffizienz eines auf Osmose basierenden Energie- und Entsalzungssystems zu verbessern, wobei ein speziell angefertigter Prüfstand verwendet wurde, um sowohl RO- als auch PRO-Modi über einen Salzwassergradienten zu testen.

• CODA Coriolis-Messgeräte der K-Serie gemessene Einlassbedingungen.
• Steuerungen der LC-Serie den Entlüftungsstrom gesteuert und den Gegendruck im Prozess aufrechterhalten.
• Druckmessgeräte der P-Serie die kontinuierliche Überwachung von Druckänderungen an der Membran.

Alle Geräte waren in einen externen Computer integriert, auf dem die FlowVision-Software von Alicat lief, was automatisierte Testsequenzen und Leistungsprotokollierung in Echtzeit ermöglichte. Diese Einrichtung lieferte den Forschern kirituelle Prozessdaten und ermöglichte es ihnen, die Systemreaktion unter wechselnden Bedingungen zu bewerten.

Angesichts des weltweit steigenden Wasser- und Energiebedarfs bieten osmotische Drucktechnologien und Prüfstandsforschung - unterstützt durch eine enge Zusammenarbeit zwischen Hochschulen, Industrie und Regierungen - einen Weg in eine widerstandsfähige und nachhaltige Zukunft. Fortgesetzte Innovationen in diesem Bereich werden dazu beitragen, die Infrastruktur zu sichern, die für den Zugang zu sauberem Wasser und die Erzeugung erneuerbarer Energie für kommende Generationen erforderlich ist.

• Nwokediegwu, Z., Obaigbena, A., Majemite, M., Daraojimba, O., & Oliha, J. (2024). Review of innovative approaches in water infrastructure: Nachhaltige Entsalzung und öffentlich-private Partnerschaften. International Journal of Science and Research Archive, 11, 324 - 332.
• Garg, M., & Joshi, H. (2015). Optimierung und wirtschaftliche Analyse für ein kleines System zur Wasserentsalzung durch Nanofiltration und Umkehrosmose. Water Science & Technology: Water Supply, 15, 1027 - 1033.
• Hickenbottom, K. L., Vanneste, J., Miller-Robbie, L., Deshmukh, A., Elimelech, M., Heeley, M. B., & Cath, T. Y. (2017). Techno-ökonomische Bewertung einer osmotischen Wärmekraftmaschine im geschlossenen Kreislauf. Journal of Membrane Science, 535, 178 - 187.