Meer grip op elektriciteit uit zout en zoet water

Laat je zout en zoet water aan beide kanten langs een speciaal membraan stromen dan kun je daar elektriciteit mee opwekken: ‘Blue Energy’. Door vervuiling in het water kan zo'n membraan echter dichtslibben. Aan de TU Eindhoven ontwikkelde Diego Pintossi een meetmethode die laat zien hoe ernstig het gesteld is met de vervuiling.

Duurzaam stroom opwekken doe je met windmolens en met zonnepanelen. Alleen is het ook wel eens windstil en schijnt ’s nachts de zon sowieso niet.

Van deze onderbrekingen heeft ‘Blue Energy’ geen last. De techniek, die voor het eerst werd gedemonstreerd in 1954, verwijst met de kleur blauw naar de bron van de elektriciteit: water. Op een plek waar zowel zout als zoet water voorhanden is, valt uit de combinatie van die twee (groene) stroom op te wekken.
 

Zout van zoet water scheiden

Dat werkt als volgt. In zeewater zit een hoop keukenzout (natriumchloride) opgelost. Dit zoute water stroomt tussen twee verschillende membranen door, die het zoute water scheiden van een stroom zoet water (zie de figuur hieronder).

De positief geladen natriumionen bewegen door het bovenste membraan (het cation exchange membrane) naar het zoete water en de negatief geladen chloorionen gaan door het onderste membraan (anion exchange membrane) eveneens een zoetwaterstroom in. Dit resulteert in een potentiaalverschil, waarmee elektriciteit wordt opgewekt.

 

 

Cellen in serie geschakeld

Dit proces van omgekeerde elektrodialyse is in principe geschikt om Blue Energy-elektriciteitscentrales mee te bouwen op alle plekken waar zoet water de zee instroomt. Voor een zogeheten ‘stack’ moeten honderden van de beschreven cellen in serie worden geschakeld. Membranen zijn 50 tot 150 micrometer dik en staan op een onderlinge afstand van 100 micrometer.

‘Dit zijn de ideale afmetingen: zo dun mogelijk voor een optimale opbrengst, maar niet te dun, want dan zou het water erdoorheen pompen te veel energie kosten’, vertelt Diego Pintossi, die afgelopen vrijdag, 11 juni, aan de TU Eindhoven promoveerde op zijn onderzoekswerk naar Blue Energy. Dat voerde hij uit bij het onderzoeksinstituut Wetsus in Leeuwarden, dat sinds 2004 onderzoek doet naar deze manier van stroomopwekking.
 

Afsluitdijk

Blue Energy belooft dus veel, maar erg breed wordt de techniek nog niet toegepast. Het verst is het bedrijf REDstack dat sinds 2014 bij de Afsluitdijk een proeffabriek heeft draaien waar deze technologie wordt getest (zie de foto boven dit artikel).

‘De tests bij de proefcentrale zijn succesvol en de betrokkenen hebben er veel van geleerd’, vertelt Pintossi. ‘Belangrijke conclusie is dat je het water goed moet voorbehandelen — schoonmaken en filteren — voordat je het langs de membranen stuurt. De technologie is klaar voor een flinke opschaling en men zoekt nu naar geld om een veel grotere centrale te financieren.’

 

Aankoeken van deeltjes

Een van de dingen die Pintossi met zijn promotieonderzoek opleverde, is een meetmethode om de mate van 'fouling'  van de membranen in een Blue Energycentrale te bepalen. Fouling is het aankoeken van de in het water aanwezige kleideeltjes, bacteriën en organisch materiaal op een membraan, waardoor dat slechter werkt en de stroomopbrengst van de centrale terugloopt.
 

Meetmethode

De meetmethode van Pintossi is gebaseerd op (elektrochemische) impedantiespectroscopie. Een hele mond vol, maar het draait erom dat je een wisselspanning op de ingang van de stack (een gekoppelde rij membranen) zet en dan aan de uitgang het signaal meet dat eruit komt. ‘Door de amplitude en fase van dat uitgaande signaal goed te analyseren, kunnen we constateren dát er aangroei optreedt, in welke mate, en ook op welk membraan het zit. Dit helpt je te besluiten wanneer en hoe grondig de stacks moeten worden gereinigd.’ Belangrijke info want het schoonmaken van de membranen betekent dat de energiecentrale tijdelijk stilligt.
 

Betere modellen brengen kosten installatie terug

Ook ontwikkelde de geboren Italiaan betere modellen om de effecten van aangroei (fouling) op de elektriciteitsproductie te beschrijven. ‘Bestaande modellen bevatten alleen het zout natriumchloride, maar in zeewater zitten ook andere zouten en organische deeltjes. Die heb ik wel meegenomen in mijn model, waardoor we beter kunnen voorspellen hoe een centrale zal presteren. Dit kan helpen bij het terugbrengen van de kosten van zo’n installatie.’
 

Fouling krijgt minder kans

Het is natuurlijk handig om de mate van aangroei te kunnen meten, maar nog beter zou het zijn als je het aankoeken zou kunnen tegengaan. Ook daarvoor deed Pintossi enkele voorstellen. Hij liet zien dat het behandelen van het membraanoppervlak met zwitterionen het oppervlak hydrofiel maakte. ‘Het oppervlak trek water gemakkelijker aan, waardoor fouling minder kans krijgt. En áls fouling dan toch begint, verloopt het trager.’

 

Openingsfoto REDstack