Blue Energy practicumhandleiding

Blue energy, Blauwe energie?
Waarom Blue Energy?
Zon en zee zijn niet alleen de ideale combinatie voor een geweldige strandvakantie.
Misschien heb je er nooit bij stil gestaan, maar in feite is de zee de grootste
zonnecollector die bestaat. Door zonnestraling verdampt zeewater, terwijl het zout
achterblijft in de zee. Voor deze scheiding van water en zout is dus energie nodig.
Het verdampte water vormt boven land regenwolken die vervolgens neerslaan. Dit
zoete water komt dan in de vorm van regen terecht op het land en stroomt door de
rivieren weer terug naar zee. De zoute zee wordt dan een beetje verdund met het
zoete rivierwater. Deze verdunning levert dan weer energie op (dit is het
omgekeerde van verdampen, wat juist energie kost). Deze vorm van energie is op
een speciale manier te winnen als elektriciteit. Het water in de regenwolken is dus
eigenlijk opgeslagen zonne-energie. Denk daar maar eens aan op een bewolkte
zomerdag in Nederland: er zit energie in de lucht! Met de energie van het mengen
van het zoete rivierwater met het zoute zeewater werd tot kort geleden niets
gedaan. Jammer, want het is een zeer duurzame vorm van energie. Overal waar
rivieren uitmonden in zee is deze energie beschikbaar, bijvoorbeeld bij de Afsluitdijk.
In Nederland zou 10% van de energiebehoefte geleverd kunnen worden door deze
schone bron. En daar zijn we naar op zoek in deze tijd van klimaatverandering en van
oprakende olievoorraden met de bijbehorende stijgende energiekosten.
(Bron: Rijkswaterstaat)
Hoe werkt Blue Energy?
Bij het mengen van rivierwater en zeewater komt evenveel energie vrij als bij een
stuwdam van meer dan 200 meter hoog. Het probleem is echter dat deze energie
niet met turbines omgezet kan worden naar stroom. De technologie die benodigd is
voor de omzetting van de mengenergie naar stroom is complexer. Binnen het Blue
Energy project bij het bedrijf Wetsus wordt deze technologie verder ontwikkeld,
zodat in de toekomst energiecentrales gebouwd kunnen worden die deze ‘blauwe’
stroom leveren. De benodigde technologie, genaamd omgekeerde electrodialyse, is
niet nieuw, maar was al ontwikkeld voor andere doeleinden, zoals
zeewaterontzouting, brandstofcellen, batterijen, en nierdialyse. De technologie is
namelijk gebaseerd op membranen. In dit geval zijn dit membranen die selectief
ofwel alleen positief geladen ionen (kationen) ofwel alleen negatief geladen ionen
(anionen) doorlaten. Wanneer deze membranen tussen rivierwater en zeewater in
worden geplaatst, vindt menging plaats door transport van zeezout via deze
membranen. Omdat opgelost zout bestaat uit positief geladen natriumionen en
negatief geladen chloride-ionen zijn er twee typen membranen nodig: één die alleen
positieve ionen doorlaat (het kationselectieve membraan) en één die alleen
negatieve ionen doorlaat (het anionselectieve membraan) doorlaat. Door deze
membranen afwisselend tussen rivier en zeewater te plaatsen ontstaat een accu. Elk
membraan wekt een bepaalde spanning op (nl. 86 mV). Door de membranen in serie
te plaatsen telt het spanningsverschil zich op (bijv. 100 membranen in serie wekken
samen 8,6 V op). Hoe dit werkt, wordt hieronder schematisch weergegeven. Doordat
de positieve natriumionen naar links bewegen en de negatieve chloridenionen naar
rechts, ontstaat er een ladingsstroom. Ieder compartiment met zeewater en
rivierwater levert een potentiaalverschil van 80 mV. Door het plaatsen van meerdere
compartimenten achter elkaar wordt het voltage hoger. De elektroden en het
electrolyt (dat aanwezig is aan weerszijden van de membraanstapeling) zorgen voor
de omzetting van de spanning naar elektrische stroom.
Aan de kant van de kathode worden Fe3+ ionen gereduceerd tot Fe2+ en aan de kant
van de anode wordt Fe 2+ geoxideerd:
Fe 3+ + e-  Fe 2+
De concentraties Fe3+ en Fe2+ blijven dus constant, ook na mening van het zoete en
zoute water. De drijvende kracht voor deze redoxreactie is het opgewekte
spanningsverschil.
Het practicum
Jullie gaan zelf een kleine omgekeerde electrodialysecel in elkaar zetten, waarmee
jullie vervolgens stroom kunnen opwekken. Vervolgens kunnen jullie een grafiek
maken waaruit jullie de interne weerstand kunnen opmaken.
Opdracht 1: Het bouwen van de Blue Energy opstelling
Met dit pakket gaan jullie aan de slag:
l x b x h : 40 cm x 30 cm x 14 cm
2.
1.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
1. Stroomkabeltjes
2. Perspex eindplaten (2x)
3. Eindplaatspacers (de vierkante
gaasjes)(2x) + gewone spacers
(de trapeziumvormige gaasjes)
(23x)
4. 4 plastic steunpaaltjes
5. Twee slangaansluitingen voor
aan de eindplaten
6. Gewone pakkingen (10x)
7. Molentje
8. Elektrodes (2x)
9. Anionwisselende membranen
(10x) en kationwisselende
membranen (11x)
10. Eindplaatpakkingen (2x)
11. Zakje met 8 bouten, 8 ringen, 8
vleugelmoeren en 8 plastic
slangaansluitstukken
Linker foto: links een kationwisselend membraan, rechts een anionwisselend
membraan. De kationwisselende membranen hebben ter herkenning een extra 5e
gaatje. Rechter foto: de elektrodes.
Linker foto: Links één van de twee eindplaatspacers en rechts één van de twee
eindplaatpakkingen.
Rechter foto: links een gewone ‘spacer’, rechts een siliconen pakking voor tussen de
membranen. De spacers en pakkingen zorgen dat de vloeistof doorstroomt.
Nu kun je beginnen met bouwen! Het bouwen van de membraanstapeling is als het
maken van een ingewikkelde tosti. Bouw hem als volgt:
1) Bevestig 4 plastic slangaansluitingen op één van de eindplaten. Zorg ervoor
dat ze niet kunnen lekken, dus tape het schroefdraad in met teflon tape.
2) Doe een electrode in de eindplaat
3) Zet de plaat op zijn nieuwe pootjes en en doe de 4 plastic buisjes in het
midden van de plaat, om houvast te geven bij het stapelen. Straks na het
stapelen, zodra alle moeren en bouten vast zitten, mogen ze er weer uit.
Nu moet het er uitzien zoals op deze foto:
4) Leg in het midden van de eindplaat een eindplaatspacer en een
eindplaatpakking. Zorg ervoor dat de spacer exact in het midden ligt en dat
de spacer en de pakking niet met elkaar overlappen, om lekkages te
voorkomen.
5) Maak alle membranen vochtig/nat onder de kraan
6) Leg er een kationwisselend membraan op
7) Dan een gewone siliconen pakking en in het midden daarvan een gewone
spacer (=trapeziumvormig gaasje), zoals op deze foto:
Zorg er wederom voor dat de spacer exact in het midden ligt en dat de spacer
en de pakking niet met elkaar overlappen.
8) Dan een anionwisselend membraan, dan weer een gewone spacer met een
gewone pakking en vervolgens weer een kationwisselendmembraan. Ga zo
door tot al je membranen op zijn.
Let op! Het is belangrijk om de “richting” van de siliconen pakkingen af te
wisselen. Dat wil zeggen: wanneer je er eerst eentje neerlegt die van
rechtsonder naar linksboven gaat, moet de volgende pakking andersom
neergelegd. Dit heeft te maken met de vloeistofstroom. Door dit zo te
stapelen komt er straks tussen de membranen afwisselend zout en zoet
water te zitten. Dus:
en dan
9) Als het goed is eindig je weer met een kationwisselend membraan, want als
je gereedschapskist compleet is heb je 11 kationwisselende membranen en
slechts 10 anionwisselende.
10) Dan een eindplaatspacer en een eindplaatpakking
11) Stop de tweede electrode in de andere eindplaat
12) Duw de plastic paaltjes door de slangaansluitstukken totdat nog een halve
centimeter boven de membranen uitsteekt. De stapel mag absoluut niet
verschuiven! Als de één de onderste plaat vasthoudt, kan de ander de
eindplaat er voorzichtig bovenop plaatsen.
13) Druk het geheel stevig aan en maak de twee eindplaten aan elkaar vast door
alle moeren en bouten aan te draaien - eerst de hoeken en dan in het
midden. Draai ze niet te stevig aan, want je moet de stack straks ook weer uit
elkaar kunnen halen!
14) Sluit het molentje aan met behulp van de stroomsnoertjes.
De stapeling is weergegeven in onderstaande afbeelding.
)
em
)
)
em
m
c
(
e
n
(a
an
aa
r
ra
an
o
br oor r
b
a
vo ter
te
br
v
e
em
em
de
er wa
m cer rwa em
m
od
c
n
ho
d
a ee
d
e
m
t
i
a
a
n
p
n
s z
ka
le
le
sp riv end
et
se en ing
et
en ing isse
el
tm
is
m
g
s
a
m
g
t
a
is
nw
in om
kin tro ionw
pl
aa
tio akk sstr ionw
t
pl
ak gss
nd
a
a
i
p
P
K
P ng An
K
E
n
Ko
la
la
(c
Rivier uit
Zee uit
Zee in
de uit
ro of
t
ek ist
El loe
v
Rivier in
5x
de in
ro of
t
ek ist
El loe
v
Als je het af hebt, zou de opstelling er ongeveer zo moeten uitzien:
Sluit nu alle water- en elektrolytslangen aan. Laat een begeleider de elektrolytslang
met het elektrolyt vullen.
Vragen
1. Noteer je waarnemingen, bijv. de geur indien die je opvalt.
2. Waarom moeten er zoveel membranen op elkaar gestapeld? Is één of twee
niet genoeg?
3. Waarom moeten kation- en anionwisselende membranen afgewisseld?
4. Hoe komt het dat het elektrolyt niet opraakt?
5. Waarom moet het elektrolyt wel worden rondgepompt?
6. Waarom moet de ene spacer van linksonder naar rechtsboven liggen en de
volgende andersom?
Experimenteren met de cel
Je gaat nu de opstelling testen, met uiteindelijk als doel de interne weerstand te
bepalen. Wat is interne weerstand? Een batterij kan je over het algemeen als volgt
opvatten.
Ri
Ru
In dit figuur staat Ri voor de interne weerstand en Ru voor de uitwendige weerstand.
Om de interne weerstand te bepalen moet je eerst weten hoeveel spanning de
batterij (lees: de blue energy opstelling) kan leveren. Vervolgens plaats je een
uitwendige variabele weerstand in de stroomkring. Wanneer de spanning over één
van de weerstanden gehalveerd is, weet je dat beide weerstanden even groot
moeten zijn en heb je dus bepaald hoe groot de inwendige weerstand is.
Hoe ga je te werk?
1. Vul beide voorraadvaten met zeewater (30 g NaCl per liter) en met
rivierwater (1 g NaCl per liter). In plaats van wegen kunnen de oplossingen
ook gemaakt worden m.b.v. de conductometer.
2. Laat een begeleider het elektrolytvat vullen met 0,05 M K4Fe(CN)6 (in
zeewater) en 0,05 M K3Fe(CN)6 (in zeewater)
3. Zorg dat beide kanalen even hard stromen. Tel daartoe de druppels per
minuut. Probeer te mikken op 30 druppels per minuut.
4. Meet het debiet (= het aantal mL per minuut) ook met een maatcilinder.
5. Noteer nogmaals de zoutgehaltes in de vaten
6. Meet de spanning over de cel (het circuit hoeft nu niet dicht te zijn)
Ri
V
7. Sluit nu een externe weerstand aan en maak het circuit nu wel gesloten. Sluit
ook de spanningsmeter aan.
8. Begin met meten met een uitwendige weerstand van 100 Ω (spreek uit als
Ohm) en ga in stapjes van 20 Ω terug naar 0 Ω. En noteer steeds de
weerstand, de spanning en bereken de stroom in het circuit. Noteer deze
meetwaarden uit in onderstaande tabel en bereken het vermogen (P) van je
“batterij” in Watt.
Ru (Ω)
U (V)
I (A)
P(W)
9. Maak in Excel twee grafieken. Zet in de x-richting steeds de weerstand uit.
Zet in de y-richting uit:
Grafiek 1: het voltage over de belasting
Grafiek 2: het geleverde vermogen aan de weerstand
10. Bepaal wat de interne weerstand is.
11. Wanneer is het vermogen het grootst?
12. Bereken het vermogen per vierkante meter membraanoppervlak.
13. Bereken:
- Hoeveel elektriciteit (in Joule) er in 10 jaar geleverd kan worden per
m 2.
- De prijs van die elektriciteit
- Hoeveel een membraan maximaal per m2 mag kosten (ervan
uitgaande dat de kostprijs van de duurzaam opgewekte elektriciteit
niet hoger mag zijn dan de huidige kostprijs)?
Voor deze vragen kan je de volgende uitgangspunten hanteren:
a) We stellen dat het membraan een levensduur heeft van 10 jaar.
b) Verder gaan we er van uit dat de membranen de enige kosten zijn van de
installatie en dat er geen energie nodig is voor pompen en voorzuivering.
14. Noteer ook je waarnemingen.