Samenvatting voor extern gebruik

Onderzoekers Wetsus verbeteren productie energie
uit zoet en zout water
Waar rivier- en zeewater bij elkaar komen, kun je duurzame energie opwekken, ook wel Blue
Energy genoemd. Met slim ontworpen membranen kun je namelijk elektriciteit halen uit het
verschil in zoutgehalte. Komende maand wordt op de Afsluitdijk de eerste centrale ter wereld
met dit principe opgestart. Onderzoekers van Wetsus leverden kennis voor de verbetering van de
technologie in deze centrale. Deze maand promoveren er twee onderzoekers van Wetsus aan de
Universiteit Twente: David Vermaas en Enver Güler.
Waar zoet en zout water samenkomen, bijvoorbeeld waar rivieren in zee stromen, kun je
elektriciteit opwekken. In zout water bevinden zich namelijk veel meer geladen deeltjes, ionen,
dan in zoet water. Als je zout en zoet water scheidt door een membraan dat alleen positief of
negatief geladen deeltjes doorlaat, dan ontstaat er een elektrische spanning die je kunt omzetten
naar elektriciteit. Het principe is al langer bekend, maar de vermogensdichtheid was altijd veel
te laag om grootschalige toepassing interessant te maken. Met het onderzoek in de laboratoria
van Wetsus is deze vermogensdichtheid de afgelopen 3 jaar verdubbeld.
Komende maand wordt op de Afsluitdijk de eerste energiecentrale ter wereld opgestart die werkt
op basis van ionentransport tussen zoet en zout water. De totale hoeveelheid elektriciteit die op
de Afsluitdijk opgewekt zou kunnen worden, is voldoende voor de energiebehoefte van 500.000
huishoudens. Deze pilotcentrale is een belangrijke tussenstap tussen het onderzoek in het lab en
een commerciële elektriciteitscentrale. Deze installatie, die wordt gerealiseerd door onder meer
REDstack BV en Fujifilm, bevat in totaal nu vierhonderd vierkante meter aan membranen die
per uur 220.000 liter zout en 220.000 zoet water kunnen verwerken. Dat aantal wordt de
komende jaren verder uitgebreid naar 100.000 vierkante meter. Om ruimte te besparen worden
er verschillende membranen direct achter elkaar geplaatst, op een afstand van 0,3 - 0,5
millimeter van elkaar. Voor een commerciële installatie heb je uiteindelijk miljoenen vierkante
meters membraan nodig.
Een van de verbeteringen die hebben bijgedragen aan de commerciële toepassing van energie uit
zoet en zout water is de ontwikkeling van membranen met microscopisch kleine richels op het
oppervlak. Hierdoor kan het water gemakkelijk door de kanaaltjes stromen die door deze richels
ontstaan, terwijl het effectieve membraanoppervlak ook nog groter wordt. Bij het onderzoek van
David Vermaas, waarbij deze membranen ook in de praktijk werden getest, bleek dat de
membraaninstallaties veel gemakkelijker schoon te maken zijn, door bijvoorbeeld periodiek
lucht door het systeem te spoelen. Enver Güler ontwikkelde daarnaast nieuwe types membranen
die een hogere vermogensdichtheid geven.
Vermaas promoveert op 17 januari op dit onderzoek naar energie uit zoet en zout water bij de
vakgroep Membrane Science & Technology (onderdeel van onderzoeksinstituut MESA+) van
prof. dr. ir. Kitty Nijmeijer. Güler promoveert in de groep van Nijmeijer twee weken later in de
groep van Nijmeijer. Inmiddels zijn er weer drie nieuwe promovendi gestart bij Wetsus, in
samenwerking met Universiteit Twente en Wageningen Universiteit, die het onderzoek van
Vermaas en Güler zullen vervolgen. Bij het onderzoek wordt intensief samengewerkt met het
REDstack, Fujifilm en andere bedrijven.
Samenvatting voor extern gebruik
Energieopwekking door het mengen van zoet en zout water
Inventieve waterstroming in omgekeerde elektrodialyse
Omgekeerde elektrodialyse (reverse electrodialysis, RED) is een technologie om energie op te
wekken uit het mengen van watertypen met verschillende zoutgehaltes, bijvoorbeeld zeewater
en rivierwater. Het concentratieverschil tussen zee- en rivierwater zorgt voor een spanning als
door een ionen-wisselend membraan te gebruiken dat selectief is voor kationen of anionen. Met
behulp van elektroden en bijvoorbeeld een (reversibele) redox-reactie om de ionenstroom om te
zetten in een elektrische stroom, kan deze spanning worden gebruikt als een elektrische
energiebron.
Alhoewel deze energiebron nog relatief onbekend is, is de potentie enorm. Het mengen van 1 m3
zeewater en 1 m3 rivierwater levert ruim 1.4 MJ op, wat overeen komt met de energie die
vrijkomt als water 1 m3 water ongeveer 150 meter naar beneden valt. Theoretisch kan er
voldoende vermogen worden geproduceerd voor de wereldwijde elektriciteitsbehoefte wanneer
er gebruik wordt gemaakt van alle onbenutte natuurlijke uitstroom van rivierwater in de zee.
Dit huidige onderzoek toont dat experimentele energie-efficiënties van ongeveer 30% bij een
hoge vermogensdichtheid (2.2 Watt per m2 membraan). Ook hogere energie-efficienties zijn
mogelijk, ten koste van de vermogensdichtheid. De hoge vermogensdichtheden in dit
onderzoek, voor zover bekend de hoogst behaalde experimentele waarde voor RED op deze
schaal met zeewater en rivierwater, zijn verkregen door de compartimenten voor zee- en
rivierwater slechts 100 μm dik te maken.
Om nog dunnere kanalen te kunnen maken en alsnog het water met relatief lage druk langs te
membranen te persen, zijn geprofileerde membranen ontworpen. Deze membranen met
iongeleidende richels en tussenliggende kanalen voor waterstroming, maken het gebruik van
spacers overbodig en verminderen het benodigde pompvermogen met een factor 4 – 8. Het blijkt
bij zulke ontwerpen wel essentieel om de watertoevoer uniform te verdelen omdat bij preferente
kanaalvorming de vermogens fors afnemen als gevolg van de grenslagen nabij de membranen.
Bij een uniforme waterverdeling zijn verdere maatregelen om menging te stimuleren, zoals
spiraalvormige spacerstructuren of geprofileerde membranen met sub-corrugaties, niet nodig.
Vervuiling van RED-opstellingen, zoals dat optreedt bij langdurig gebruik van daadwerkelijk
zee- en rivierwater, blijkt voornamelijk te bestaan uit anorganische colloïden (kleiplaatjes en
diatomeeresten) en in mindere mate uit aanslag en biologische vervuiling. Opstellingen met
spacers zijn veel gevoeliger voor colloïdale vervuiling dan opstellingen met geprofileerde
membranen. De meeste colloïdale vervuiling kan effectief en milieuvriendelijk worden
verwijderd door perslucht door de opstelling te blazen, wat een significant hogere
vermogensdichtheid geeft.
In de praktijk blijkt verder dat multivalente ionen (zoals Mg2+ en SO42-), die van nature
aanwezig zijn in zee- en rivierwater, een sterke afname van de vermogensdichtheid veroorzaakt.
Het omdraaien van de elektrische stroomrichting, wat kan worden bereikt door zee- en
rivierwater om te wisselen, geeft een hogere vermogensdichtheid op de korte termijn, en kan dus
worden gebruikt als strategie om membraanvervuiling tegen te gaan. Desalniettemin kan op dit
vlak nog meer winst worden geboekt door bijvoorbeeld membranen te gebruiken die alleen
selectief zijn voor monovalente ionen (zoals Na+ en Cl-).
Een ruwe schatting van de financiële haalbaarheid voor RED is mogelijk op basis van de state of
the art, verkregen met monovalente ionen, een optimaal ontwerp (met een netto
vermogensdichtheid van 2.7 W/m2) en geschatte kosten voor beheersing van vervuiling (1850
€/kW plus operationele kosten). Op basis van deze gegevens is RED concurrerend met andere
duurzame energiebronnen bij een membraanprijs van ongeveer €4,- per m2 membraan. Verdere
innovaties zouden een hogere membraanprijs toestaan. Dat maakt deze schone en goed regelbare
duurzame energiebron aantrekkelijk voor verder onderzoek.