Het is een opmerkelijke plaats voor een wereldprimeur: Breezanddijk, midden op de Afsluitdijk. Daar loopt sinds kort een test met ‘s werelds eerste Blue Energy centrale op basis van ‘omgekeerde elektrodialyse’ (RED). De 50 kW proefcentrale produceert elektriciteit door simpelweg zoet en zout water te mengen. Dr. David Vermaas promoveerde in januari van dit jaar op de ontwikkeling van de nieuwe, deels gepatenteerde technologie waarin slimme membranen een sleutelrol spelen.
Een glimlach verschijnt op het gezicht van David Vermaas als hij hoort dat het toch wel iets magisch heeft om elektriciteit te maken door simpelweg twee soorten water te mengen. Dat valt allemaal best mee, legt hij uit: “De verklaring ligt in de natuurlijke watercyclus. De meeste mensen weten wel dat de zon water uit zee verdampt en dat daarbij wolken ontstaan. Die brengen het water aan land, laten het vallen als regen en uiteindelijk stroomt het via rivieren weer terug naar zee.”
“Minder bekend is dat het verdampen van zeewater méér energie kost dan het verdampen van gewoon water. Je zou kunnen zeggen dat de zon eerst het zoete van het zoute water moet scheiden om wolken te kunnen maken. Die scheidingsenergie winnen we in de installatie op de Afsluitdijk terug, als we zoet en zout water weer samenbrengen. Zoet water uit het IJsselmeer – aangevoerd door de Rijn – en zout water uit de Waddenzee.”
Membranen
De energie die de nieuwe installatie levert zit dus ‘verborgen’ in de verschillende zoutconcentraties van het IJsselmeerwater en dat van de Waddenzee. Of, meer precies, in de verschillende concentraties van de ionen, de opgeloste zoutdeeltjes. De elektrische lading van die ionen is de feitelijke bron van de elektriciteitsproductie. Membranen zorgen er voor dat die elektriciteit daadwerkelijk ‘gewonnen’ kan worden. “In installaties voor de ontzouting van zeewater maar bijvoorbeeld ook in brandstofcellen vind je ook membranen die selectief ionen doorlaten”, zegt David Vermaas. “Dat zijn toepassingen die zich al ruimschoots op commerciële schaal hebben bewezen.”
“Overigens wil dit niet zeggen dat we gewoon bestaande technologie van de plank konden pakken. Om het RED-concept tot een succes te maken moet er zoveel mogelijk stroom uitkomen terwijl we er zo min mogelijk energie instoppen. Het eerste houdt in dat de hele installatie elektrisch gezien op alle aspecten optimaal functioneert. De tweede eis betekent vooral dat er weinig energie verloren mag gaan bij het verpompen van water. Daarom is het bijvoorbeeld enorm belangrijk de vervuiling in het systeem onder controle te krijgen.”
Principe van een installatie voor Reverse ElectroDialysis (RED)
Principe van een installatie voor Reverse ElectroDialysis (RED)
De RED installatie op de Afsluitdijk bevaten stapelingen (Engels: stacks) van membranen. Afwisselend laten die ofwel positieve ionen door (CEM, cation exchance membrane) of anionen (AEM: anion exchange membrane). De concentratieverschillen tussen aan de ene kant het langsstromende rivierwater en aan de andere kant het zeewater resulteren in een ‘verhuizing’ van natrium- en chlorideionen, dwars door respectievelijk de CEM en AEM membranen. Het effect is dat de installatie elektrische lading scheidt en zo een potentiaalverschil genereert. Via de elektroden aan de beide zijkanten resulteert dat in een elektronenstroom die – zoals hier in de tekening – een lamp kan laten branden.
Flinke stap vooruit
Vermaas werkt inmiddels in deeltijd bij het bedrijf REDstack dat de proef op de Afsluitdijk uitvoert. Daarvóór werkte hij vier jaar bij wateronderzoeksinstituut Wetsus aan een proefschrift over de omgekeerde elektrodialyse. Hij promoveerde op 17 januari aan de Universiteit Twente bij professor Kitty Nijmeijer. Twee weken later promoveerde daar ook Enver Güler op onderzoek aan de ion-selectieve membranen.
Vermaas en Güler hebben de wetenschap achter RED een flinke stap vooruit gebracht. “Vier jaar geleden was het principe aangetoond en waren er laboratoriumexperimenten uitgevoerd”, zegt Vermaas. “Maar om er een praktisch haalbaar proces van te kunnen maken, moest het systeem ook in de praktijk veel vermogen opbrengen. We hebben daarvoor alle relevante aspecten onder de loep genomen.”
Zo ging Vermaas op zoek naar een manier om het water in een heel dun laagje tussen de membranen door te laten stromen. Vooral zoet water geleidt elektriciteit vrij slecht en dat betekent dat een dikke waterlaag tussen de membranen tot een hoger de elektrische (Ohmse) weerstand van de installatie leidt.
Dat bleek een aardige technologische uitdaging waar Vermaas een elegante oplossing voor vond. Hij ‘stempelde’ een patroon van minuscule ribbels op het oppervlak van de membraanplaten. Daardoor ontstaan bij de stapeling van de membranen vanzelf microscopisch kleine kanaaltjes waar het water gemakkelijk doorheen kan stromen.
Vermaas: “We hadden eerst een heel dun soort gaas tussen de vlakke membranen gelegd, van 60 micrometer dik. Elektrisch gezien was dat wel gunstig, maar het gaas zorgde voor veel stromingsweerstand en dat kostte veel energie. Bij het ontwerp met de richels kan het water veel beter stromen en is bijna tien keer minder pompvermogen nodig.
Detail van het geribbelde membraanoppervlak. De parallelle opstaande ribbels zijn 0,2 mm breed en net zo hoog. Hun onderlinge afstand is 1,0 mm. In de inzet zie je het gaas dat in eerste instantie als ‘spacer’ tussen de membranen werd toegepast. Vermaas profileerde de membranen zelf door bestaande vlakke membranen (gemaakt op basis van polyetheen, PE) te verwarmen totdat deze plastisch genoeg waren om er de profielen in te ‘stempelen’. Om bij commerciële toepassing de kosten te minimaliseren zal de membraanproducent (in dit geval het Tilburgse Fujifilm) het ribbelpatroon meteen tijdens de productie moeten aanbrengen.
David Vermaas | WetsusElektroden
Een andere belangrijke verbetering betrof de elektroden die het door de membranen geïnduceerde potentiaalverschil omzetten in een elektronenstroom aan de buitenkant – de werkelijk te benutten elektriciteit. Vermaas ontwikkelde een nieuwe, capacitieve elektrode bestaand uit actieve kool op een drager van titanium/platina. Deze elektroden nemen de ionen op (de ene elektrode de negatieve ionen, de andere de positieve) en induceren daarmee een elektronenstroom aan de buitenkant van de stack. Na verloop van tijd (ongeveer een half uur) zijn de elektroden ‘vol’. Dan zet de besturing het hele proces in de achteruit, het zoete en zoute water worden omgewisseld en de ionen (en dus ook de elektrische stroom) gaan dan in tegengestelde richting.
De Blue Energy proefinstallatie op de Afsluitdijk is een gezamenlijke ontwikkeling van REDstack, het eerste spin-off bedrijf van Wetsus, en membranenfabrikant Fujifilm. De installatie bevat in de eerste testfase 400 vierkante meter aan membranen die per uur 220.000 liter zout en evenzoveel zoet water kunnen verwerken. Het is de bedoeling het membraanoppervlak de komende jaren uit te breiden naar 100.000 vierkante meter. Een commerciële uitvoering zou vele miljoenen vierkante meters membraanoppervlak moeten bevatten. De schatting is dat zo’n full scale RED centrale op de Afsluitdijk ongeveer 500.000 huishoudens van elektriciteit kan voorzien.
Wikimedia Commons, Hanno Lans via CC BY 4.0“Bij de technologie voor ontzouten wordt al gebruik gemaakt van capacitieve elektroden. Wetsus had daar al de nodige kennis over – dat is het voordeel van zo’n groot onderzoeksinstituut. Ik heb het concept verder uitgewerkt voor toepassing in de RED centrale.” Volgens Vermaas is het een zeer stabiel elektrodenconcept waarmee relatief grote spanningsverschillen en hoge stroomdichtheden zijn te realiseren.
De nieuwe – gepatenteerde – elektrode wordt misschien toegepast in een latere fase van de proef op de Afsluitdijk. Voorlopig gebruiken de ingenieurs van REDStack daar meer traditionele ‘redoxelektroden’. Daarbij zorgen chemische reacties voor de benutting van de ionenpotentiaal in een elektronenstroom. Vermaas: “Daar hebben we al veel ervaring mee en de aandacht gaat in eerste instantie van de proef vooral uit naar de vervuiling onder praktijkcondities. Als we dat onder de knie hebben is het tijd voor verdere optimalisatie. Het nieuwe elektrodeconcept zal dan zeker aandacht krijgen.”
Vervuild membraan.
David Vermaas | WetsusKleiplaatjes en diatomeeën
Het sleutelwoord is inmiddels gevallen: vervuiling. Het blijkt in de praktijk één van de lastigste aspecten van een RED-centrale. “De levensvatbaarheid van de technologie hangt er zeer nauw mee samen”, zegt Vermaas. In het begin deed hij zijn experimenten met ‘kunstmatig’ zeewater – gewoon kraanwater met zout erin. Toen hij voor de eerste keer echt zeewater gebruikte, op een kleine demo-site bij de Waddenzee, leverde dat al snel verrassingen op. “De elektriciteitsopbrengst liep dramatisch terug. Na een dag of vijf waren de membranen zodanig verstopt dat er niets meer uit kwam.”
Met de microscoop zag Vermaas dat het vooral om kleiplaatjes ging en om diatomeeën – eencellige wieren met een extern skelet van kiezel (siliciumdioxide, SiO2). De afmetingen van die deeltjes lag tussen enkele micrometers en enkele tientallen micrometers.
De uitdaging was duidelijk: er moest een schoonmaakstrategie komen. Vermaas kwam met een tamelijk basale oplossing: op gezette tijden perslucht door het systeem blazen. Met een paar keer blazen per dag wist hij de verstopping van de membranen meteen met een factor vier te vertragen. Met een meer uitgekiende strategie lukte daarna zelfs om de installatie meer dan twee maanden draaiend te houden. “En toen waren de membranen echt nog niet volledig verstopt”, aldus Vermaas.
Een rasterelektronenmicroscoop brengt de details in beeld van de ‘smurrie’ op een vervuild membraan. De kleine vlokjes zijn kleiplaatjes, de grote cilindervormige structuur is het skelet van een diatomee (een ééncellig wier) opgebouwd uit kiezel (SiO2, net als zand).
David Vermaas | WetsusHij schat in dat de gebruiksduur van de membranen uiteindelijk zeker een jaar moet zijn om van een levensvatbare technologie te spreken. “Als je de installatie vaker dan ééns per jaar voor een grote schoonmaakbeurt moet ontmantelen, dan zal het erg lastig worden om er nog geld mee te verdienen.”
David Vermaas met Minister Henk Kamp van Economische Zaken bij de RED onderzoeksopstelling. Kamp bezocht Wetsus op 28 oktober 2013.
WetsusVooruitzichten
De proefinstallatie op de Afsluitdijk dient nu vooral om praktijkervaring op te doen met deze vorm van Blue Energy productie. “Vooral de vervuiling van de membranen zal zeker in het begin een belangrijk issue zijn”, zegt Vermaas. “Maar we zijn er van overtuigd dat er kansen zijn.”
Hij laat zich niet uit het veld slaan door berichten uit Noorwegen, waar onlangs een Blue Energy pilot werd stopgezet. Die is niet te vergelijken met het project op de Afsluitdijk, aldus Vermaas: “De Noren gebruiken een andere technologie: pressure retarded osmosis, kortweg PRO. Dat is anders opgezet en vergt bijvoorbeeld veel meer pompvermogen. Maar belangrijker is misschien dat ze daar behoorlijk snel van het lab naar de praktijk zijn gegaan. Ik denk dat wij een solide wetenschappelijke basis hebben. Daarmee zijn we goed toegerust om de problemen te lijf te gaan die zich in de praktijk zullen voordoen.”
Vermaas gaat er van uit dat de pilot in Breezanddijk in ieder geval de praktische haalbaarheid van de RED technologie zal aantonen. Wat er daarna gebeurt is nog lastig in te schatten aangezien er nog weinig zicht is op de prijs per kilowattuur bij grootschalige toepassing. En die is vanzelfsprekend van groot belang als er verder geïnvesteerd moet worden in deze duurzame manier van elektriciteitsproductie.
Maar los daarvan heeft deze technologie wel een belangrijk voordeel ten opzichte van wind- en zonne-energie, stelt Vermaas. “Met het IJsselmeer als goed regelbare zoetwaterbuffer is deze manier van duurzame elektriciteitsproductie in principe goed af te stemmen op de behoefte. Dat zou nog wel eens een heel belangrijk pluspunt kunnen zijn van een RED-centrale op de Afsluitdijk.”
Prof. dr. René van Roij van Universiteit Utrecht legt in de reeks ‘Onderzoek in beeld’ uit hoe efficiënt gebruik te maken van ‘blauwe energie’.