In dit artikel bespreken we de staat van onderzoek naar het opwekken van osmotische of blauwe energie, waarbij gebruik wordt gemaakt van processen die spelen bij het mengen van zout en zoetwater. We kijken onder andere naar de ontwikkeling van membranen die hier voor ingezet worden en naar de resultaten van de REDstack-centrale bij de Afsluitdijk, die Waddenzee- en IJsselmeerwater inzet.
Zon en wind zijn belangrijke bronnen van duurzame energie. Er zit echter een nadeel aan: ze zijn niet constant. ‘s Nachts en op bewolkte of windstille momenten leveren ze niets en op zonnige of winderige dagen is er juist piekproductie. Daarom is het lastig om deze energiebronnen in te passen in het elektriciteitsnet, dat een nauwkeurige balans tussen vraag en aanbod vraagt. Energieopslag is een oplossing, maar batterijen hebben een hoge prijs per kilowattuur en waterstof heeft een lage efficiëntie. Daarom wordt gezocht naar duurzame, constante energiebronnen.
Een redelijk onbekende, maar mogelijk veelbelovende kandidaat is osmotische energie, ook wel blauwe energie genoemd, die opgewekt wordt uit het verschil tussen zoet en zout water. ‘s Werelds grootste pilotinstallatie voor deze vorm van energiewinning staat sinds 2014 op de Afsluitdijk. Hoe wek je osmotische energie op? Wat hebben de onderzoekers op de Afsluitdijk de afgelopen zeven jaar geleerd? En wanneer komt er blauwe stroom uit ons stopcontact?
Osmotische energie maakt gebruik van een fysisch proces genaamd diffusie, dat plaatsvindt als zoet rivierwater mengt met zout zeewater. Door dat fysische proces kan een rivier, met een zoutconcentratie van ongeveer één gram keukenzout per liter, die uitmondt in een zee of oceaan met ongeveer dertig gram keukenzout per liter, net zoveel energie opwekken als een waterkrachtcentrale met een hoogteverschil van 142 meter.
Als je bij alle geschikte riviermondingen en dammen blauwe-energiecentrales plaatst, is het volgens schattingen mogelijk om wereldwijd maximaal 2,6 terawatt osmotische energie op te wekken. Dat is 20 procent van de wereldwijde energievraag. In rivierdelta- en waterland Nederland zou met blauwe energie maximaal zo’n 30 procent van de huidige nationale elektriciteitsvraag kunnen worden opgewekt, zegt René van Roij, hoogleraar theoretische fysica aan de Universiteit Utrecht. “Dat is wel het absolute maximum; dan moet je bijna elke druppel zoet water gebruiken voordat hij de zee in stroomt.”
Blauwe energie zal andere duurzame bronnen zoals wind, zon en waterkracht dus niet vervangen, maar het kan een stabiele toevoeging of back-up zijn om het elektriciteitsnet in balans te houden.
Spelen met osmose
Het idee van blauwe energie werd voor het eerst geopperd door de Engelse ingenieur R. E. Pattle, in 1954. Hij realiseerde zich dat er energie schuilt in de zogeheten osmotische druk, het drukverschil tussen twee oplossingen met verschillende concentraties, zoals zoet rivierwater en zout zeewater.
Osmose werkt als volgt: neem een bak rivierwater en een bak met evenveel zeewater. Houd deze twee van elkaar gescheiden met een dun membraan waar zout niet doorheen kan, maar water wel. Het water zal nu vanaf de zoete kant door het membraan naar de zoute kant stromen. Water zal namelijk altijd naar de kant met de hoogste concentratie van de opgeloste stof – in dit geval zout – bewegen, in een poging om de concentratie overal gelijk te krijgen. Hierdoor nemen het volume en de druk aan de zoute kant toe.
Er zijn verschillende manieren om de potentiële energie van deze osmotische kracht te winnen. De twee meest onderzochte membraantechnieken zijn ‘omgekeerde elektrodialyse’ en ‘drukvertraagde osmose’. Omgekeerde elektrodialyse, waarbij membranen geen water doorlaten maar zout, waardoor er geen drukverschil maar ladingsverschil ontstaat, zou volgens Pattle het meest praktisch zijn. Verderop lees je meer over deze techniek. Bij drukvertraagde osmose wordt de osmotische druk die het zoute water opbouwt, gebruikt om een turbine aan te drijven.
In de jaren vijftig en zestig van de vorige eeuw lag het onderzoek naar blauwe energie stil, omdat er geen goedwerkende, betaalbare membranen bestonden. In de jaren zeventig en tachtig was er een opleving, dankzij een sprong in de ontwikkeling van membranen. In die periode stelde de Amerikaanse chemisch ingenieur Sidney Loeb voor om met deze nieuwe membranen energie te winnen bij zoute wateren, zoals het Great Salt Lake in de Verenigde Staten of de Dode Zee in het Midden-Oosten. Hij ontwikkelde de drukvertraagde-osmosetechniek pressure retarded osmosis, pro, die ‘drukvertraagd’ heet omdat het zoute water wordt samengeperst zodat het zoete water trager door het membraan naar de zoute kant stroomt. Die vertraging blijkt de energie-efficiëntie te verhogen.
Het duurde nog tot 2009 voordat de prijs van membranen genoeg was gedaald zodat het Noorse energie-staatsbedrijf Statkraft het aandurfde om een prototype van een 10 kilowatt krachtige pro-energiecentrale te openen. Dit prototype maakte gebruik van kraakhelder Noors rivier- en zeewater en leverde een bescheiden vermogen van enkele kilowatts. Het proces bleek economisch niet rendabel en de energiecentrale werd eind 2013 gesloten. Dat kwam met name doordat de voorbehandeling van het zoete water erg veel energie kostte.
Sindsdien staat de pro-techniek op een laag pitje. Maar er is nog hoop. Volgens een Nederlandse modelstudie komt vertraagde osmose mogelijk het best tot zijn recht als de zoutconcentratie van het zoute water hoog is en het zoete water geen rommel bevat, zoals bijvoorbeeld bij zoutwinning uit ondergrondse zoutlagen.
Omgekeerde elektrodialyse
De blauwe-energiecentrale op de Afsluitdijk gebruikt geen drukvertraagde osmose, maar de techniek die Pattle in 1954 voorstelde: ‘omgekeerde elektrodialyse’ (reverse electrodialysis). Hierbij wordt de energie niet opgewekt door de druk, maar door een ladingverschil dat ontstaat over de membranen die zout doorlaten in plaats van water.
Zouten bestaan uit positief en negatief geladen ionen die als vaste stof samen een stevig kristalrooster vormen maar eenmaal opgelost in water los van elkaar bewegen. In het geval van keukenzout, natriumchloride, zijn dit positief geladen natriumionen en negatief geladen chlorideionen.
Wetsus Centre of Excellence for Sustainable Water Technology, Leeuwarden. Bron: Wetsus
Bij omgekeerde elektrodialyse worden twee soorten ionselectieve membranen gebruikt: een soort die enkel positieve ionen doorlaat (kation-selectief membraan) en een tweede soort die enkel negatieve ionen doorlaat (anionselectief membraan). Die membranen worden om en om gestapeld in een zogeheten stack, vertelt Catarina Simões, promovendus aan de Universiteit Twente en het onderzoeksinstituut voor watertechnologie Wetsus in Leeuwarden. Tussen de membranen stroomt afwisselend zoet en zout water. Door het verschil in zoutconcentratie bewegen de zoutionen door de membranen van het zoute zeewater naar het zoete rivierwater. Doordat de membranen aan de ene kant van het zeewater alleen positief geladen ionen doorlaten en de membranen aan de andere kant alleen negatief geladen ionen, ontstaat een ladingverschil in de stack.
De stack zit gesandwicht tussen twee onderling verbonden elektrodes. Hierdoor gaat er een ionenstroom lopen in de stack en een elektrische stroom in het externe circuit van de elektroden. Om de ionenstroom om te zetten in een elektrische stroom wordt de ruimte bij de elektrodes gevuld met een zogeheten redox-paar, dat bestaat uit atomen of moleculen die – geactiveerd door de ionenstroom – elektronen opnemen of afgeven aan de elektrodes.
"We hebben deze techniek eerst in het lab onderzocht, met water met één gram zout per liter en met water met dertig gram zout per liter", vertelt Michel Saakes, themacoördinator Blue Energy bij Wetsus. "Als je dat combineert met een membraan dat één specifiek ion doorlaat, krijg je een open klemspanning van 87 millivolt (mV) over een enkel membraan. Dat is niet veel, in vergelijking met een lithium-ionbatterij van 3,7 volt. Maar in een enkele stack kun je gemakkelijk duizend membranen kwijt. Dan heb je al 87 volt."
Membraantechniek tweaken
Het basisprincipe van omgekeerde elektrodialyse bestaat dus uit een stapel membranen waartussen afwisselend zoet en zout water stroomt, met aan weerszijden elektroden. Om de energie-efficiëntie en vermogensdichtheid van deze stacks zo hoog mogelijk te maken, is onder meer door de Universiteit Twente, de Technische Universiteit Eindhoven en Wetsus onderzoek gedaan naar de meest geschikte en duurzame membranen en opstelling.
Zo keek Simões voor haar promotie naar de segmentatie van de elektroden. "Door de elektroden op te delen in een aantal stukken die los worden aangestuurd, kan de stroom efficiënter worden gewonnen." Daarnaast keek ze wat er gebeurt als je het water niet door een, maar door twee stacks achter elkaar stuurt. In de tweede stack is het verschil in zoutconcentratie dan kleiner, omdat een gedeelte van het zout al van het zee- naar het rivierwater is gestroomd. De vermogensdichtheid neemt daardoor af. "Maar doordat je meer energie uit hetzelfde water perst, gaat de energie-efficiëntie omhoog", zegt Simões. "Extra stacks gebruiken is dus een trade-off." Uit het onderzoek bleek dat een opstelling met twee stacks een beter resultaat geeft dan een opstelling met één. Bij meer dan twee stacks verdwijnt dat voordeel.
"Een ander aspect dat is onderzocht, is de ruimte tussen de membranen", vertelt Barbara Vital, promovendus bij Wageningen University & Research en Wetsus. Vital onderzoekt de voorbehandeling en reiniging van het zee- en rivierwater voordat het de stacks in gaat. "Hoe dunner die ruimte, hoe hoger de opbrengst. Maar als je ze te dun maakt, raken ze verstopt met vervuiling uit het water waardoor je de membranen vaker schoon moet maken." Vieze membranen zijn een smet op de blauwe-energieproductie. Eerder dit jaar promoveerde Diego Pintossi bij de TU Eindhoven op onderzoek naar membranen die minder snel vervuilen. Hiervoor ontwikkelde hij een speciale coating die vuil afstoot.
Een ontwikkeling die nog iets langer op zich zal laten wachten, is het dunner maken van de membranen zelf. "De membranen zijn nu 10 micron, een honderdste millimeter, dik", zegt René van Roij, van de Universiteit Utrecht. Dat is dun, maar het kan dunner. "In materiaalonderzoek wordt al gewerkt met vellen van een nanometer, een miljoenste mm. Omdat dunnere membranen minder weerstand hebben, kan hiermee wellicht een veel grotere stroom worden opgewekt. Die dunne vellen zijn nu nog duur en lastig te maken. Maar als je dat op kunt schalen, heb je potentieel een enorme winst aan vermogen."
Verder bleek uit theoretisch onderzoek van Van Roij dat het kan lonen om warm water te gebruiken. "We hebben aangetoond dat de efficiëntie verdubbelt bij zoet water van 50 °C en zelfs verdrievoudigd als het zoete water kokend heet is", vertelt hij. "Nu zeggen we niet dat je een kerncentrale moet bouwen om het water voor je blauwe energiecentrale te verhitten, maar er is veel restwarmte, bijvoorbeeld bij datacentra en hoogovens. Die produceren veel water van 50 °C dat je zou kunnen gebruiken."
Pilot met blauwe-energiecentrale
Na decennia van labonderzoek wordt de techniek sinds 2014 in een pilot op de Afsluitdijk getest op grote schaal, met ‘echt’ Waddenzee- en IJsselmeerwater . De hele procesketen is er neergezet door REDstack – ontstaan als spin-off van Wetsus. "Het doel van REDstack is om het procesontwerp te maken, van het oppompen van het water tot het produceren van de energie", zegt oprichter Pieter Hack. "In een later stadium zullen we ook de membranen en stacks gaan produceren en aanleveren aan aannemers die er een energiecentrale mee kunnen bouwen."
REDstack Blue Energy-installatie met voorfiltratie op de Afsluitdijk
Aan beide kanten van de Afsluitdijk staat een pomp die het water naar de installatie transporteert. Om te voorkomen dat vissen en ander zeeleven wordt meegesleurd, is de aanzuigsnelheid van de pomp beperkt en zit er een scherm met gleufjes van 3 millimeter voor. De laatste restjes worden eruit gehaald in de voorbehandeling.
"De voorbehandeling en reinigingstechnieken moeten milieuvriendelijk zijn omdat het water uiteindelijk weer in de Waddenzee terecht komt. We kunnen dus geen schadelijke chemicaliën gebruiken", vertelt Barbara Vital van Wetsus. De technieken mogen niet te veel energie kosten. Het meeste vuil wordt nu weggefilterd met een draaiende trommelzeef, vult Hack aan. "Maar omdat deze techniek niet betrouwbaar genoeg is, onderzoekt Wetsus meerlaagse zandfiltratie. Dat is een betrouwbare, maar trage methode die ook voor drinkwater wordt gebruikt."
Meestal komt er in de voorbehandeling enkel klein vuil terecht dat wordt teruggegooid. "Maar tijdens een van de tests zagen we plots erg vies water uit een van de leidingen komen", vertelt Vital. "Toen bleek er een krab in te wonen. Die was waarschijnlijk als kleintje door het scherm gekomen en is in ons systeem opgegroeid. Er komt genoeg voedsel langs, in het opgepompte water." De krab is uit zijn buishuis gehaald en teruggezet in zee.
REDstack-stack
Na de voorbehandeling gaat het water de installaties in. "We hebben acht proefopstellingen staan waar een stack op kan worden aangesloten", vertelt Hack. "De watertoevoer en aansturing van elke opstelling kan onafhankelijk worden gecontroleerd om verschillende ontwerpen te testen met bijvoorbeeld verschillende stroomsnelheden en verschillende verblijftijden. We begonnen in 2014 met kleine stacks met hooguit 25 membranen van ongeveer tien bij tien centimeter; 0,25 vierkante meter membraan per stack. Inmiddels hebben we een stack met 500 vierkante meter membraan. Die produceert ongeveer 0,5 kilowatt, dus een watt per vierkante meter membraan."
De materialen waar de teststacks uit bestaan, zijn milieuvriendelijk. "Dat houden we strikt in de gaten omdat de Waddenzee beschermd natuurgebied is waar absoluut geen schadelijke stoffen in mogen lekken", zegt Michel Saakes. "Onze instelling is dat je alleen energie uit de natuur mag winnen als je de natuur zelf niet beschadigt."
Murphy op de Afsluitdijk
Inmiddels draaien de installaties succesvol, maar het ging niet altijd zo soepel bij de blauwe-energiecentrale. "De eerste vier jaar leek het alsof Murphy – van de wet van Murphy – zijn intrek had genomen op de nabijgelegen camping", vertelt Hack. "Toen we van kleine laboratoriumopstellingen naar grootschalig gebruik van oppervlaktewater gingen, ging er meer fout dan wij aan fouten konden verzinnen."
Al in de eerste dagen groeiden er kokkels op de pijpleiding, zodat de waterinvoer stokte. Dat werd opgelost door ander materiaal te gebruiken voor de leidingen. Er volgden meer tegenslagen. Zo bleek het Waddenzeewater bij de Afsluitdijk slechts 18 gram zout per liter te bevatten, in plaats van 30 gram per liter waar in het lab mee was getest. Hack: "Bovendien bestaat dat zout niet alleen uit keukenzout, maar ook uit andere zouten. Geheel onverwacht bleken bepaalde ionen, de zogeheten tweewaardige ionen, daardoor niet van het zoute naar het zoete water te gaan, maar de andere kant op, tegen de zoutconcentratie in. Daardoor werd het proces tegengewerkt en was het rendement lager dan verwacht." De tegendraadse ionbeweging bleek op te lossen door de chemische samenstelling van de membranen aan te passen.
REDstack binnenkant pilotplant
Een andere tegenvaller was dat de lage temperatuur van het oppervlaktewater grote invloed bleek te hebben, waardoor het rendement lager was dan wat gehaald werd met het water van 25 °C in het lab. Ook ontdekten de onderzoekers dat het moeilijker dan verwacht was om alle zwevende deeltjes, zoals algen, bacteriën en zand, uit het water te halen in de voorbehandeling. "Er groeit en bloeit van alles in het levendige ecosysteem van de Waddenzee", zegt Hack. "Dat heeft allerlei verschillende afmetingen en ladingen, wat het filteren lastig maakt." Daarom is de voorbehandeling uitgebreid.
"Na die eerste vier jaar leek de heer Murphy gelukkig vertrokken van de camping op de Afsluitdijk", zegt Hack. "In 2018 lukte het om met de pilotinstallatie op grote schaal met oppervlaktewater het rendement te halen dat in 2004 voorspeld werd met theoretische modellen." Die voorspelling was dat met één kubieke meter zout water en één kubieke meter zoet water per seconde één megawatt aan vermogen opgewekt kan worden, bij 25 °C en ideale zoutgehaltes. REDstack zit daar iets onder, wat klopt met de modellen als je de lagere temperatuur en zoutconcentratie meeneemt. Hack: "Om gebruikskosten te besparen, draaien we momenteel op één kilowatt."
Blauwe energie uit het stopcontact
"Wat ons betreft is de opstelling redelijk uitontwikkeld", zegt Hack. "De volgende belangrijke stap is de productie opschalen." Zelfs de grootste stacks, met 500 vierkante meter membraan, bestaan nu nog uit honderden onderdeeltjes en ze worden handmatig geassembleerd. Om blauwe energie op een commercieel niveau in te kunnen zetten, moet dit versimpeld en geautomatiseerd worden.
Ook moet de prijs van ionselectieve membranen omlaag. Daarvoor worden twee paden bewandeld. Hack: "We onderzoeken met Wetsus of we zelf een betaalbaar membraan kunnen ontwikkelen. Daarnaast kijken we met producenten van membranen voor het ontzouten van (drink)water of zij membranen hebben die we kunnen optimaliseren voor blauwe energie." Die membranen en stacks zijn grotendeels hetzelfde omdat water ontzouten technisch het tegenovergestelde is van osmotische energie opwekken.
Om aan de wereld te laten zien dat blauwe energie klaar is voor opschaling, is REDstack nu bezig om financiering op te halen om in de komende paar jaar een demo-installatie van twaalf stacks met elk 2000 vierkante meter membraan te bouwen op de Afsluitdijk. "Daarmee kunnen we de maximale hoeveelheid water die we met onze huidige vergunning mogen oppompen optimaal gebruiken."
Als de demo een succes is, zal het daarna nog zeker vijf jaar duren voordat er een serieuze blauwe-energiecentrale met een vermogen van een paar honderd megawatt staat. "Alleen het regelen van vergunningen kost al een paar jaar", zegt Hack. "Om dat te overbruggen, kijken we naar kleine centrales, van 0,5 tot 2 megawatt, bijvoorbeeld bij een rioolwaterzuivering bij de kust."
Ondertussen doet REDstack met onder meer Rijkswaterstaat onderzoek naar de mogelijkheden van blauwe-energiecentrales bij de Krammersluizen in Zeeland, in de delta bij Rotterdam en bij het Noordzeekanaal. "Volgens onze berekeningen kunnen we in Nederland 1500 megawatt opwekken met blauwe-energiecentrales", zegt Michel Saakes.
In het buitenland ziet Hack ook mogelijkheden. "Misschien moeten er in de toekomst stormvloedkeringen gebouwd worden om te voorkomen dat Venetië of New Orleans onderstroomt. Daar komen sluizen in zodat het rivierwater naar buiten kan. Daar kun je dan meteen een blauwe-energiecentrale neerzetten, zodat de spuigemalen zelfs energie opleveren."
Probleem met dergelijke membranen bij drinkwaterproductie is dat de porien verstopt raken door biofouling, oftewel zeer klein organisch materiaal wat de zeeffunctie van een membraan verstopt. Hoewel deze viezigheid (gedeeltelijk) verwijderd kan worden mbv een schoonmaakronde gaat dit wel gepaard met veel onderhoudsinspanning. Dit en andere slijtagemechanismen maken dat deze dure membranen vaak maar een beperkte levensduur hebben. Ben benieuwd hoe lang deze membranen meegaan
Bij buismembranen die bij filtratie van water worden gebruikt wordt periodiek teruggepulst, waardoor de vloeistof in omgekeerde richting door het membraan gaat en vuil van de intrede zijde kan losmaken. Drijvende kracht bij die buismembranen is een drukverschil. Het vuile water gaat door de buis en het gezuiverde water wordt door de buiswand geperst en buiten de buis opgevangen.
Nu is dit niet drukverschil gedreven, maar misschien is er een osmotisch equivalent van een dergelijke terugpulstechniek. Al zijn die membranen wel heel dun en daarom misschien kwetsbaar.
Over buismembranen gesproken, is over membraantechniek gedacht voor het zuiveren van het water?
[Reactie gewijzigd door teacup op 22 juli 2024 17:28]
We spuien vanuit het ijsselmeer overtollig zoetwater naar de Waddenzee. Met deze installatie doe je hetzelfde, alleen wordt de potentiele energie uit het verschil in zoutgehalte gebruikt.
Klopt, maar Level, de huidige aannemer die de afsluitdijk renoveert, bouwt een gecombineerd gemaal/getijdencencentrale (pompen staan in 4 kwadrantenbedrijf). Vraag me wel af wat efficienter is: de getijdecentrale of Osmose...
Klopt, maar Level, de huidige aannemer die de afsluitdijk renoveert, bouwt een gecombineerd gemaal/getijdencencentrale (pompen staan in 4 kwadrantenbedrijf). Vraag me wel af wat efficienter is: de getijdecentrale of Osmose...
Het kan beiden naast elkaar bestaan. Dus waarom zou je niet beiden inzetten? We hebben veel kust, en de nodige plekken waar we de een en/of de ander kunnen inzetten, dus waarom zouden we dat niet doen? kan eventueel zelfs mooi als export product dienen als wij met z’n allen niet te onzuinig leven.
Energie kan niet uit niets ontstaan. De energie die nu eruit gehaald wordt, waar zouden die megawatts aan energie blijven als het water gewoon als rivier de zee in stroomt?
Normaal komt er bij het mengen van zoet en zout water warmte vrij doordat de ionen zich heel snel willen verplaatsen.
Door te zorgen dat de negatieve ionen maar één kant op kunnen stromen en een stroomkring te maken naar de positieve kant maak je geen warmte maar electronen...
Alleen wat heeft de vraag waar het zou blijven (in de Waddenzee dus, pal naast de sluizen) te maken met dat "energie niet uit niets kan ontstaan"? Als jij een kaars laat branden dan put jij energie uit de fysieke stof van de kaars die met zuurstof in water en CO2 wordt omgezet. Stop je die kaars in de prullenbak dan put jij er geen energie uit, maar de verbrandingsoven van het milieubedrijf wel. Het is dus puur een kwestie wie er energie uit een bestaande reactie (zoet met zout water) haalt, de centrale met z'n membranen of het kolkende water van de Waddenzee.
BCC's analogie is dus ook juist, een zonnepaneel put de energie uit de zonneschijn die anders op iets anders terecht komt. Wellicht een plant die er suikers mee maakt, of de grond die er warm van wordt. Het heeft niks te maken met het zogenaamd 'ontstaan uit niets' of dat nou elektriciteit en warmte in het paneel wordt of wat anders 'down the line'.
[Reactie gewijzigd door The Third Man op 22 juli 2024 17:28]
De vraag is deels gestoeld op de vraag wat het doet met het ecosysteem. Als het zeewater bij een rivier altijd 5 graden warmer is (ik verzin even de getallen) en de flora/fauna is daar op ingesteld, dan kan ik me voorstellen dat het onwenselijk is die te laten dalen door x kilowattuur warmte aan de zee te onttrekken.
Zo is het voor zonnepanelen prima om die op je dak te plaatsen, maar (fictief) een veld zonnepanelen op een akker weer niet: want er kunnen geen planten onder groeien in de schaduw.
Die temperatuurverschillen zijn nihil, de schaal is simpelweg te groot (bedenk dat je al 4 kW per seconde nodig hebt om 1 liter water 1 graad te verwarmen, bij de Afsluitdijk spuien ze honderden kubieke meter (= 1000 liter) per seconde). Het is niet zo dat er een soort straalkachel ontstaat als je dat water mengt met de Waddenzee. Dat komt mede doordat de efficiëntie veel beperkter is in 'het wild' dan als je het in een membraamsysteem tot ongeveer alle ionen kan afkaarten om mee te helpen met je electriciteitsproductie. En zelfs dan komt al naar voren dat je meer stroom opwekt bij zouter water dan je in bijvoorbeeld de waddenzee vindt, dus je moet al dat 'zoute' water gaan inkoken of op een andere manier water verwijderen om naar een serieuze stroomproductie te gaan.
Waar men wel mee bezig moet zijn is het verzorgen van een betere brakheid van het water: een langzame overgang in plaats van een plotseling punt zoals bij sluizen en gemalen. Daar is men met de provincies al veel langer mee bezig en moet over de gehele breedte worden aangepakt. Die brakheid is wat de natuur verwacht bij een natuurlijke monding en door het verdwijnen ervan is al veel flora en fauna verdwenen die weer moet worden hersteld.
Als het water gewoon de rivier instroomt, dan wordt het zoet en zout water op een normale manier met elkaar gemengd. De positieve en negatieve ionen kunnen dan zich dan vrij verdelen over het zoete water wat de zee inkomt. De energie die opgewekt kan worden, is door het opvangen van die ionen met de membranen. Ze willen immers van het zoute water naar het zoete water, zodat er in beide een gelijke concentratie aan opgeloste zouten zijn. Doordat ze er nu membranen tussen het zoete en zoute water doen, hier de ionen doorheen laten gaan, kunnen ze een spanningsverschil opwekken. Dit is hoe ik het begrijp met mijn beperkte natuurkundekennis
Die voorspelling was dat met één kubieke meter zout water en één kubieke meter zoet water per seconde één megawatt aan vermogen opgewekt kan worden, bij 25 °C en ideale zoutgehaltes. REDstack zit daar iets onder, wat klopt met de modellen als je de lagere temperatuur en zoutconcentratie meeneemt. Hack: "Om gebruikskosten te besparen, draaien we momenteel op één kilowatt."
Ze zitten met 1 Kilowatt iets onder het theoretische maximum van 1 Megawatt? Mis ik iets?
Verder een mooi artikel, ik had nog nooit van deze methode gehoord, laat staan dat er al 7 jaar een installatie draait.
[Reactie gewijzigd door ZenTex op 22 juli 2024 17:28]
De 1 MW was in het ideale lab bij water van 25 °C met ideale zoutgehaltes (één gram keukenzout per liter voor het zoete water en 30 gram keukenzout per liter voor het zoute water). Waddenzee zit op 18 gr/l (en niet puur keukenzout) en is ook flink kouder. Het theoretisch maximum onder die omstandigheden komt meer in de buurt van 1 kW.
Nee, het vermogen wordt in beide passages gebaseerd op andere grootheden, waardoor de 1 kW en 1 MW eigenlijk niet te vergelijken zijn.
1 kW behalen ze bij een bepaald oppervlak aan membraan (500 m2 membraan). 1 MW is het theoretisch maximum bij een bepaalde stroomsnelheid (1 m3 zout water + 1 m3 zoet water per seconde).
Althans, ik hoop dat dit het verschil verklaart... 1 kW is namelijk maar 0,1% van een MW en dat kun je met geen mogelijkheid 'in de buurt' noemen.
[Reactie gewijzigd door bilgy_no1 op 22 juli 2024 17:28]
Ik reageerde te snel en onoplettend. Behalve dat die 1 MW alleen in ideale labomstandigheden haalbaar is - en het theoretische maximum van de daadwerkelijke omstandigheden op de Afsluitdijk hier dus van afwijkt - gaat het hier inderdaad over een bepaald membraan oppervlak en een opwek die bewust klein/laag gehouden wordt om kosten te besparen bij deze onderzoeksopstelling.
Met de natte vinger berekening zouden ze dan dus 500.000 m2 membraanoppervlak moeten hebben om 1 MW op te wekken. Nu zit het natuurlijk in grote stacks, maar dat is wel een enorm groot oppervlakte. Heeft ongetwijfeld te maken met het zeer lage spanningsverschil zoals in het artikel uitgelegd.
Dat wekt bij mij wel de vraag op wat de kosten per kWh zijn op bijvoorbeeld die 1 MW schaal. Ik zag ergens een prijs van $16 per m2 RO-membraan. Dat is dus voor een 1 MW opstelling al $8 miljoen aan membraan alleen. De complete installatie (met alle filtraties) zal een veelvoud zijn en onderhoud met die membranen is ook duur.
1 MW aan zonnepanelen kost ongeveer 1,25 miljoen (bulk geïnstalleerd). Die werken >30 jaar, met af en toe een inverter vervangen. Dan kun je ook batterijen eraan koppelen om het dag/nachtverschil op te vangen en ben je waarschijnlijk nog goedkoper uit. Probleem is alleen voldoende oppervlak, maar er wordt bijvoorbeeld ook al aan drijvende constructies gewerkt.
Over die uiteindelijke kosten is denk ik nog weinig te zeggen, gezien de ontwikkelfase waarin dit project zich bevindt. Om dat nu meteen als een soort belofte te lezen dat die kosten nog flink omlaag zijn te brengen is trouwens ook speculatief.
Waar ik nog ruimte voor verbetering zie is het aanbieden van beter gezuiverd water tegen een lager energiegebruik. Eigenlijk is deze proefopstelling op het probleem van de vervuiling gestuit, en is het ontwikkelen van een strategie hiertegen nog maar net begonnen. Die strategie kan samenhangen met hoe het water bij die membranen wordt aangeboden. Bedenk waar je stroming gewenst is en waar niet (kokkels). Dat het project last heeft van allerlei organisch materiaal is misschien wel iets waarop nog iets meer had kunnen worden geanticipeerd. Membraantechniek is daarvoor inmiddels al te wijd verbreid toegepast.
Aan die watertemperatuur is ook nog wel het nodige te doen. Met het voorverwarmen kan misschien iets met aardwarmte gebeuren, dat is overal beschikbaar. Dan praten we wel over een grootschalig project met grote waterbuffers.
De echte winst van dit project is denk ik het kwantificeren van invloeden als vervuiling en watertemperatuur. Nu kan daar een strategie tegen worden ontwikkeld. Dat rendement zal dan zeker nog kunnen toenemen.
[Reactie gewijzigd door teacup op 22 juli 2024 17:28]
Eens dat de kosten in een vroege TRL-fase lastig niet vergelijkbaar zijn met industriële productie bij hogere TRL-niveaus (schaalvoordelen en incrementele verbeteringen). Maar die RO-membranen zitten al op dat niveau dus daar is al een hele curve doorlopen. En ik vergelijk het alleen nog tegen die kosten, nog niet eens de verdere kosten voor de installatie en onderhoud. De kosten moeten dus echt een factor 5-10 omlaag om concurrerend te worden met zon+batterij, schat ik zo in. En ondertussen worden batterijen alleen maar goedkoper en komen er voor grid storage nog allerlei low cost alternatieven voor Li-Ion.
Het gebruik van geothermie voor het verwarmen van het water lijkt me het paard achter de wagen spannen. Geothermie op zich is al een dure technologie en dan kun je dat beter direct gebruiken om bijv. gebouwen te verwarmen. Restwarmte vanuit de industrie zou kunnen, maar ook daar geldt: waarom niet direct in een warmtenet?
Tegelijkertijd vind ik het heel goed dat dit soort projecten wordt gedaan. We moeten echt alle opties goed in kaart hebben om over 20 jaar een optimaal systeem te hebben.
Ze zeggen ook dat ze gebruikers kosten aan het besparen zijn en daarom maar op 1kW draaien. Dat lijkt me dus een bewuste actie om het budget te ontlasten, en dat er nog zeker de nodige rek in de installatie zit.
Het gaat natuurlijk om de efficiency, die kan hoog zijn ten opzichte van het theoretisch maximum. En capaciteit gedownscaled naar 1 KW (door bijvoorbeeld maar 100 l zoet en 100 l zout water te gebruiken).
Dat gezegd hebbende : Dit was ook mijn eerste gedachte, ben benieuwd wat nu de efficiency (of het gebruikte debiet) is om die 1 KW op te wekken....
Tsja, dat zal er dan aan liggen omdat ze die 1 kuub per seconde niet halen, maar dat word me niet duidelijk uit die zin.
Zou mooi zijn als ze in het artikel een percentage van de efficiency vs het theoretsich haalbare aangegen óf de m3/uur in de opstelling aangeven.
maar het mooie van dit systeem is dat het goed op te cshalen lijkt. Kwestie van meer stacks bouwen en de filtratie verbeteren.Zoet en zout water in overvloed. Echter had ik niet gedacht dat het water in de wadden zo brak is, ruim onder de dichtheid van gemiddeld zeewater.. blijkbaar niet de ideale lokatie voor deze installatie?
Ben benieuwd hoe toekomstbestendig dit is gezien er tekorten dreigen aan zoet water vanwege klimaatverandering. en hoe dit te doen met overstromingen of hevinge regenval.
Klimaatverandering betekent voor Nederland dat we zowel te maken gaan krijgen met periodes met veel te weinig zoet water, als veel teveel zoetwater. Je ziet dan ook initiatieven ontstaan om zoetwater in ons land te bufferen: is er teveel dan vullen we de buffers zodat onze dijken het houden. De buffers vullen dan meteen het grondwater aan. En is er te weinig dan kunnen we aanvullen vanuit de buffers, zodat onze landbouw en natuur ook voldoende water krijgen.
Dit alles betekent voor de blauwe energie installaties op basis van osmose van de toekomst dat de aanvoer van zoet water minder piekerig wordt als we slim bufferen. Dat verbetert de bedrijfszekerheid. En is een extra argument om slimmer om te gaan met het kostbare, maar soms veel te overvloedige, zoete water dat ons land binnenstroom en inregent.
Ben benieuwd hoe toekomstbestendig dit is gezien er tekorten dreigen aan zoet water vanwege klimaatverandering. en hoe dit te doen met overstromingen of hevinge regenval.
Het grootste probleem is dat het Ijsselmeer het zoete water niet meer afgevoerd krijgt. Ik heb in de tender aan de renovatie van de afsluitdijk gewerkt, en waar men tot nu vertrouwde op spuien van zoet water tijdens eb, wil men toe naar heel serieus pompen (zeg een olympisch zwembad per seconde). Dus hier is je grootste probleem zoet water kwijt raken wanneer je het kwijt wilt.
Zoet water behouden is geen issue hier: je houdt gewoon de spusluizen wat meer dicht: de Ijssel voedt voldoende.
Vraag me af wat dit betekent voor de natuur. Neem trekvissen en estuariums. Estuariums spelen een belangrijke rol voor het leven in de rivieren en zee. Verdwijnen deze? Idem voor trekvissen. Vanuit de EU wordt er hard gewerkt aan het slechten van barrières voor trekvissen, het verbeteren van de waterkwaliteit en de biodiversiteit. Gaan we nu meer barrières creëren? Vraag me hardop af of dit wenselijk is. De energietransitie is belangrijk maar moet het ten koste gaan van de natuur?
Je slaat de spijker op de kop. Of eigenlijk op één van de vele achillespezen van deze techniek.Om zo efficiënt mogelijk gebruik te maken van het verschil in potentiële energie moet je de riviermonding grotendeels afsluiten en een zo goot mogelijk deel van het water door de installatie voeren.
Daar kunnen dan geen trekvissen meer doorheen. Dat probleem is natuurlijk weer op te lossen door een kleine bypass te maken waar die vissen gewoon doorheen kunnen zwemmen, net zoals zalmtrappen rondom stuwdammen.
Een grotere beperking voor het potentieel effect van deze techniek is het feit dat veel grote rivieren aan hun monding een gigantische zeehaven hebben. Die kun je niet zomaar even afsluiten. Dat betekent dus dat de afsluiting een flink stuk landinwaarts moet plaatsvinden (vaak tientallen kilometers). Dat betekent dat je het zeewater dat je nodig hebt ook over die lange afstand moet vervoeren, niet erg efficiënt. Ook levert dat weer problemen op met de waterhuishouding rondom je haven. Indien je het brakke water dat je uiteindelijk krijgt gewoon in de loop van de rivier dumpt krijg je ernstige problemen met verzilting van de rivieroevers. Dat kan dus ook niet zomaar, je zult dus het brakke water weer naar de kust moeten pompen. Dat maakt het voor toepassing op echt grote rivieren gewoon onrealistisch.
Je kunt natuurlijk ook zeggen dat je niet al het rivierwater door je installatie voert, maar slecht 25 % of zo. Daarmee voorkom je alle bovenstaande problemen. Het beperkt echter ook de maximale hoeveelheid energie die je kunt produceren.
Een verder heikel punt in deze techniek is de levensduur van de membranen en hun uiteindelijke lot. Zulke membranen gaan maximaal enkele jaren mee en zijn niet recyclebaar. Één van de problemen die voor deze korte levensduur zorgen is de biofouling. Het afzetten/vormen van biofilms op het membraan. Deze verminderen de efficiency van de membranen en moeten regelmatig verwijderd worden. Dat verwijderen wordt in geval van drinkwaterproductie vaak chemisch gedaan. Dat is hier echter geen optie ivm de volumes, het feit dat je die vieze chemie niet in zee wilt lozen en het feit dat dit de levensduur van de membranen ernstig verkort. De andere optie is de stacks uit elkaar halen en de membranen met een waterslang en eventueel een spons handmatig schoonmaken. Indien je over miljoenen vierkante meters spreekt is dat een enorm karwei. Ook zo'n mechanische cleaning kan de membranen beschadigen, en één beschadigd (lek) membraan in je stack kan de output van je hele stack ruïneren. De kans is ook groot dat je dat pas merkt wanneer je de stack weer helemaal in elkaar hebt geschroefd en in bedrijf neemt.
Kortom, dit verhaal heeft aanzienlijk meer haken en ogen dat Wetsus en REDStack willen doen geloven.
Hier sluit ik me helemaal bij aan. Ik volg de ontwikkelingen al een beetje sinds Wetsus over blue energy publiceert, en het is mooi om te zien dat er nog steeds vooruitgang wordt geboekt en nu zelfs de Tweakers FP haalt.
Leuk om dit te lezen, ik kan trouwens nog herinneren dat Fuji te Tilburg in 2008 ook bezig was met dit soort membramen voor deze specifieke toepassing.
Dit is nou een techniek waar een Nederlandse overheid zich achter zou moeten scharen. Het heeft alles in zich waar Nederlanders van nature goed in zijn en een grote potentie. Er wonen veel mensen in delta's, zou mooi zijn als die allemaal deze constante groene stroom krijgen. De hele wereld zal je er niet mee kunnen voorzien, maar ik geloof wel dat het een nuttig puzzelstukje kan zijn.
Misschien ben ik wel een leek, maar met rest warmte van hoogovens, water opwarmen, om hogere energie efficiency te halen, klinkt niet als erg goed voor de natuur. Willen we juist niet voorkomen dat zeewater opwarmt? Als je dan ergens een "kraan" gaat open gooien om 50 graden water in zee te losen, is niet echt... slim.
Als er toch mogelijkheid is om met rest warmte water op te warmen, kunnen we dat dan niet gebruiken om uit die warmte stroom te wekken?
Als je de stacks nou zo opstapelt dat het water zichzelf op basis van de drukgradiënt omhoog verplaatst kun je er ook nog een waterkrachtcentrale achter zetten.
:strip_exif()/i/2004646956.jpeg?f=imagenormal)
:fill(white):strip_exif()/i/2004654254.jpeg?f=imagemedium)
:strip_exif()/i/2004646958.jpeg?f=imagenormal)
:strip_exif()/i/2004646962.jpeg?f=imagenormal)
:strip_exif()/i/2004646964.jpeg?f=imagenormal)
:strip_exif()/i/2004528796.jpeg?f=fpa)
:strip_icc():strip_exif()/i/2004528914.jpeg?f=fpa_thumb)
:strip_icc():strip_exif()/i/2004024452.jpeg?f=fpa_thumb)
/i/2004875422.png?f=fpa)
/i/2004739610.webp?f=fpa)
:strip_icc():strip_exif()/u/285051/teaglass_tweakers.jpg?f=community){kind=small}
:strip_icc():strip_exif()/u/200203/crop6092aecc52ccd.jpg?f=community){kind=small}
kan eventueel zelfs mooi als export product dienen als wij met z’n allen niet te onzuinig leven.
/u/8830/crop5df8eadcd55ca_cropped.png?f=community){kind=small}
:strip_icc():strip_exif()/u/155904/crop5ab030145f248_cropped.jpeg?f=community){kind=small}
:strip_icc():strip_exif()/u/733489/crop615ae559973fd_cropped.jpg?f=community){kind=small}
/u/34556/welles60x60.PNG?f=community){kind=small}
:strip_exif()/u/1359832/crop5fcfdc0ba0f2b_cropped.gif?f=community){kind=small}
:strip_icc():strip_exif()/u/634364/crop5be34dbf438e0_cropped.jpeg?f=community){kind=small}
:strip_icc():strip_exif()/u/515257/crop5c644ce1a6a54_cropped.jpeg?f=community){kind=small}
:strip_icc():strip_exif()/u/214800/crop60a2ddc6c93aa_cropped.jpg?f=community){kind=small}
:strip_icc():strip_exif()/u/277895/crop5eda5f3273e75_cropped.jpeg?f=community){kind=small}
/u/28836/crop61ee9dac0811d_cropped.png?f=community){kind=small}
