När en flod rinner ut i havet fördelas havsvattnets sälta jämnt mellan de gamla och nya vattenmassorna. Då frigörs energi – lika mycket som om vattnet föll från en 250 meter hög kraftverksdamm. Metoder baserade på osmos gör det möjligt att samla in energin och omvandla den till grön, utsläppsfri el – bara vi lyckas tillverka ännu lite effektivare och billigare membran.

Principen för TRO: utjämningen av saltkoncentrationen gör att vattentrycket ökar på saltvattensidan om membranet. Trycket driver en turbin.

Principen för TRO: utjämningen av saltkoncentrationen gör att vattentrycket ökar på saltvattensidan om membranet. Trycket driver en turbin.

Avsaltning av havsvatten för att få dricksvatten kostar energi – ett välbekant dilemma för de torkedrabbade länder som måste lösa sin färskvattenförsörjning så. Men det är ett mynt som även har en framsida: när sötvatten blandas med saltvatten frigörs istället energi – och den energin kan samlas in och ge grön, utsläppsfri elproduktion.

Källan till energin är diffusionsprocessen när saltkoncentrationen jämnas ut mellan det nytillförda vattnet och havet. Havsvatten innehåller mycket salt, och flodvatten mycket lite – omkring 30 gram respektive 1 gram per liter. Saltkraft, osmotisk energi eller blå energi – det finns flera namn för energislaget – men oavsett vad man kallar det är potentialen stor. Skillnaden i sälta mellan havsvatten och sötvatten motsvarar energipotentialen i ett vattenkraftverk med över 250 meters fallhöjd, och det möjliga effektuttaget har uppskattats till bortemot 2000 TWh årligen.

Semipermeabla membran styr flödet

Det finns flera metoder för att tygla och tillgängliggöra energin, som alla bygger på att använda halvgenomträngliga membran och osmos för att styra hur diffusionen äger rum.

Ett semipermeabelt membran är en hinna som släpper igenom vätska men inte till exempel salter som är lösta i vätskan. Cellmembranen runt levande celler är ett exempel från naturen – men man kan också tillverka oorganiska semipermeabla membran, till exempel i form av porösa polyamidfilmer. Sådana membran har många tillämpningar, exempelvis som filter i dialysmaskiner. Vad som släpps igenom och inte bestäms av storleken på porerna, och polymermembran kan ha miljarder mikroporer per kvadratcentimeter.

Tryckretarderad osmos driver turbiner

Den första metoden för saltkraft, tryckretarderad osmos eller TRO, bygger på liknande principer som vanlig vattenkraft.

Om två lösningar med olika saltbalans separeras av ett semipermeabelt membran kommer vattnet att flöda genom membranet för att jämna ut skillnader i koncentration, tills systemet hamnar i osmotisk jämvikt. I ett TRO-kraftverk pumpar man flodvatten till ena sidan av ett membran och havsvatten till den andra. När sötvattnet vandrar genom membranet för att jämna ut saltkoncentrationen byggs det upp ett större tryck på havsvattensidan – ett tryck som i sin tur kan driva en turbin.

Metoden har testats med viss framgång i ett norskt pilotprojekt. Statkraft öppnade ett TRO-baserat kraftverk i Oslofjorden 2009, och med 2000 kvadratmeter membran fick man ut energi och visade att processen fungerar. Däremot lyckades man inte göra den konkurrenskraftig; man uppnådde 5kW , halva den teoretiska effekten, och anläggningen lades ned 2013. I Australien finns planer på att anlägga ett kraftverk på 10MW vid Brisbane River – om membrantekniken utvecklas ytterligare.

Det viktigaste verktyget för tryckretarderad osmos är själva membranen, och nyckeln för att metoden ska kunna bli lönsam är att hitta billigare och effektivare sätt att tillverka dem.

Det uppslag som kanske verkar mest lovande för att nå dit är att ersätta mikroporerna med nanorör, som tillverkas av koldioxid i högtemperaturugnar. Nanorören har större diameter än mikroporerna. De täpps inte till lika lätt, håller längre och alstrar mindre motstånd för vattenmassorna. I teorin skulle nanorörbaserade membran kunna bli tusen gånger effektivare än polymerbaserade, genom högre verkningsgrad och mindre underhållsbehov – svårigheten ligger i att uppnå tillräckligt hög rörtäthet.

TRO-kraftverket i Norge. Membranen är rullade i cylindrarna. (Bild: Statkraft)

TRO-kraftverket i Norge. Membranen ligger rullade i cylindrarna. (Bild: Statkraft)

Membranen bör också vara så släta som möjligt, så att alger och organiskt material inte får fäste på dem. Ju mindre energi som behöver läggas på att förbehandla vattnet och rengöra membranen, desto effektivare blir förstås processen.

Omvänd elektrodialys bygger vattenbatterier

Medan TRO hämtar energi ur trycket som byggs upp av vattenflödet, går metoden omvänd elektrodialys, RED, ut på att skapa ett jonflöde som bygger upp två poler i ett naturligt batteri.

Även RED använder membran, men här handlar det om seriekopplade anjonmembran och katjonmembran: membran som är permeabla för natrium- respektive kloridjoner, men inte för vatten.

När sötvatten och saltvatten möts på ömse sidor om sådana membran strömmar joner igenom. Genom att använda ett membran av varje slag, med havsvatten mellan membranen och sötvatten utanför, kan man ackumulera de negativa jonerna åt ett håll och de positiva åt ett annat. Membranet på ena sidan låter Na+-joner passera, det andra släpper igenom Cl- – och laddningsseparationen bygger upp en elektrisk potential.

Ett enskilt membran ger en begränsad effekt, men genom att stapla många membran på varandra kan effekten multipliceras. Mycket av utvecklingsarbetet går ut på att få ett fungerande system med så många samverkande membran som möjligt.

På Chalmers har man forskat på omvänd elektrodialys med målet att förse Göteborg med energi – ett projekt som avslutades efter problem med algpåväxt på membranen. Företaget REDstack, en avknoppning från det holländska forskningsinstitutet Wetsus, har kommit längre.

2014 öppnade REDstack en 50kW pilotanläggning i Breezanddijk, på fördämningen som avgränsar insjön Ijsselmeer från Nordsjön (bilden överst). Vattnet pumpas från vardera sidan, samlas i stora tankar och filtreras innan det passerar membranstackarna. När det blandats släpps bräckvattnet ut igen på havssidan. Någon kommersiell drift räknar man inte med före 2020 – men en 200MW-anläggning är fullt tänkbar på platsen, menar företaget.

I båda metoderna bestäms energiuttaget av sältan i de två lösningarna, temperaturen, vattnets renhet och membranets egenskaper. Ju större skillnad i salthalt det är, desto effektivare blir energiutvinningen. Däremot behöver det inte nödvändigtvis vara sötvatten som möter saltvatten – saltvatten av olika sälta kan också driva processen. Metoderna kan också appliceras till exempel på salthaltiga avloppsströmmar från industriprocesser, och ge lokala energitillskott.

CapMix – koldioxid istället för koksalt

Det finns också en tredje metod, kallad CapMix, som förmodligen är mycket längre från kommersiellt genombrott men med ännu större potential. I korthet går CapMix ut på att elektroderna i en superkondensator omväxlande exponeras för lösningar med låg respektive hög jonkoncentration. Det intressanta är att det fungerar även med exempelvis koldioxid löst i vatten, och man skulle kunna använda rökgaserna från fossilkraftverk som råvara istället för havsvatten.

I slutändan kommer tillverkningen av membran att avgöra om den blå energin får sitt stora genombrott. Nya membran där porstorleken varierar med salthalten i vattnet har gett lovande resultat i laboratoriet, och de uppmätta effekterna är högre än vad som tidigare troddes vara möjligt att uppnå. Utmaningen är att skala upp resultaten och göra membranen kvadratmeterstora utan att kostnaderna skenar.

Försöksanläggningarna har visat att metoderna fungerar – och om bara membrantekniken utvecklas några steg till kan saltkraft bli ett rent och förnybart energialternativ, varhelst ett vattendrag mynnar i havet.

Artikeln publicerades i juni 2016.