De verborgen kracht van zoet en zout water
Het verschil tussen water uit zee en rivieren is niet alleen te proeven, je kunt er ook stroom uit opwekken. Nieuw onderzoek moet de techniek die dit mogelijk maakt verbeteren.
Energie opwekken uit het verschil in zoutconcentratie tussen zeewater en rivierwater klinkt als magie, maar het werkt echt! Blauwe energie, zoals deze relatief onbekende vorm van duurzame energie ook wel wordt genoemd, heeft een enorm potentieel. In theorie zou een gemiddelde rivier evenveel blauwe energie kunnen produceren als een waterkrachtcentrale die gebruik maakt van een 142 meter hoge waterval. Promovendus Diego Pintossi heeft nieuwe oplossingen gevonden voor een lastig probleem: de membranen die je nodig hebt bij blauwe energie worden namelijk nogal snel vuil, waardoor ze minder goed werken. Hij verdedigt zijn proefschrift op vrijdag 11 juni aan de Technische Universiteit Eindhoven.
Blauwe energie maakt gebruik van een technologie die bekend staat als omgekeerde elektrodialyse (reverse electrodialysis, RED), waarbij de positief en negatief geladen zoutionen in rivier- en zeewater door speciale membranen worden geleid.
Het proces is gebaseerd op het idee dat zeewater veel zout bevat en rivierwater heel weinig. De verschillen in zoutconcentratie tussen de vloeistoffen kun je gebruiken om stroom op te wekken. Bij omgekeerde elektrodialyse wordt, zoals de naam al aangeeft, hetzelfde proces gebruikt als bij elektrodialyse, een technologie die vaak wordt gebruikt om water te reinigen of te ontzilten, maar dan in omgekeerde volgorde.
Stapelen voor meer stroom
“Het mengen van waterstromen met verschillende zoutconcentraties is een spontaan proces als gevolg van entropie. Zie het als de natuur die spontaan een evenwichtstoestand probeert te creëren", legt onderzoeker Diego Pintossi uit, werkzaam in de groep Membrane Materials and Processes van hoogleraar Kitty Nijmeijer. Pintossi deed zijn onderzoek bij Wetsus, een Europees onderzoekscentrum voor duurzame watertechnologie gevestigd in Leeuwarden.
"Door membranen tussen de twee stromen te plaatsen, kun je kiezen welke zoutionen tussen de oplossingen worden uitgewisseld. In dit geval gebruiken we twee membranen (zie afbeelding): het ene membraan transporteert negatief geladen chlooranionen (Cl-) en het andere transporteert positief geladen natriumkationen (Na+). De membranen worden in stapels (zogenaamde ‘stacks’) geplaatst, net als in brandstofcellen, zodat de afzonderlijke spanningsverschillen samen voldoende elektriciteit produceren."
Blauwe energie is duurzaam en minder onderhevig aan dagelijkse schommelingen dan zonne- en windenergie. Toch hebben de kosten van de membranen tot dusver een wijdverspreide invoering van de technologie tegengehouden. De laatste jaren zien we echter boeiende ontwikkelingen op dit gebied. Zo ging in 2014 's werelds eerste demopilot (50 kW) op de Afsluitdijk van start met water uit de (zoute) Waddenzee en het (zoete) IJsselmeer.
Vuile en schone membranen
"Een belangrijk probleem bij het gebruik van rivier- en zeewater is vuil," zegt Pintossi. "Componenten die in het water zijn opgelost, zoals bacteriën, klei, zouten of organisch materiaal, kunnen zich ophopen op en in het membraan, waardoor het elektrisch vermogen van de cel afneemt."
"In mijn onderzoek heb ik geprobeerd oplossingen te bedenken voor dit probleem, dat in de industrie bekend staat als 'fouling'. Eerst heb ik een nieuwe techniek ontwikkeld om het aangroeiproces te monitoren. Ik ontdekte dat ik met behulp van elektrochemische impedantiespectroscopie in een vroeg stadium kon voorspellen wanneer de vervuiling optreedt. Dit kan helpen om te beslissen wanneer je de stacks moet reinigen, en hoeveel reiniging er nodig is."
De onderzoeker keek vervolgens naar de invloed van sulfaat op de membranen. "We weten dat grote, negatief geladen deeltjes, zoals sulfaat, het vermogen van de cellen sterk kunnen verminderen, omdat ze een sterke wisselwerking hebben met de ladingen van het membraan. Dit blokkeert het transport van de zoutdeeltjes en beïnvloedt het opwekken van elektriciteit."
Pintossi ontwikkelde ook twee modellen om de effecten van fouling op de stroomproductie te beschrijven: "Deze modellen zijn vooral nuttig voor het voorspellen van de stroomproductie in grootschalige installaties. En ze kunnen helpen om de kosten van deze installaties te drukken."
Een coating van zwitterionen
Uiteraard lost het identificeren van de oorzaak van fouling het probleem niet vanzelf op. De onderzoeker heeft daarom ook twee succesvolle chemische benaderingen ontwikkeld die de membranen beter bestand te maken tegen vervuiling. Beide maken gebruik van een speciale coating op basis van zogenaamde zwitterionen.
"Zwitterionen, of inwendige zouten, zijn moleculen die een gelijk aantal positief- en negatief geladen deeltjes bevatten. Hierdoor hebben ze de neiging de membranen in de RED-cel hydrofieler te maken; met andere woorden, ze worden meer aangetrokken door water. Dit vertraagt niet alleen het begin van vervuiling, maar ook de groei ervan," legt Pintossi uit.
"Samengevat is mijn onderzoek een belangrijke stap in de richting van de grootschalige implementatie van blauwe energie als duurzame, hernieuwbare energiebron".
Machine learning
Wat de toekomst betreft, verwacht de jonge onderzoeker uit Italië veel van het gebruik van machine learning. "De relatie tussen membranen, water en vervuiling is uiterst complex en daardoor heel lastig te modelleren."
"Maar door gebruik te maken van grote hoeveelheden data, bijvoorbeeld uit de pilotinstallatie op de Afsluitdijk, kunnen we straks een machine learning-model ontwikkelen dat de eigenschappen van de stack en het water direct relateert aan de mate van vervuiling. Zo kunnen we het proces van fouling nog beter begrijpen!".
Titel van de dissertatie: Fouling in Reverse Electrodialysis: Monitoring, Modeling, and Control. Begeleiders: Kitty Nijmeijer, Zandrie Borneman (beiden TU/e), Michel Saakes (Wetsus). Andere betrokken partijen: REDstack BV; Fujifilm Manufacturing EUROPE BV; Qirion BV; W&F Technologies BV.
Mediacontact
Meer over duurzaamheid
Het laatste nieuws
