Zout Water Energie Opwekken Technologie: Een Duurzame Toekomst

Op de grens van zoet en zout water is energie te winnen. Met behulp van technologie wekt Redstack een continue stroom duurzame elektriciteit op. Hier wekt het bedrijf met behulp van Reverse Electro Dialysis (RED) stroom op uit echt IJsselmeerwater en echt Waddenzeewater. Deze techniek laat zoet en zout water langs membranen stromen, die selectief deeltjes doorlaten.

Daardoor ontstaat een positieve en negatieve zijde, vergelijkbaar met een batterij. De fabriek aan de Afsluitdijk wekt duurzame stroom op voor een handvol huishoudens. Maar de potentie is enorm. “Voor 1 megawatt elektriciteit heb je 1 kubieke meter per seconde zoet en zout water nodig”, zegt Pieter Hack, oprichter van Redstack. “Ter vergelijking: zelfs in een droge zomer stroomt de Rijn met 3000 kuub per seconde de zee in. Dus als we de helft daarvan gebruiken kunnen we 1500 megawatt elektriciteit opwekken. Net zoveel als 2,5 kolengestookte energiecentrales kunnen. Maar dan zonder de schadelijke CO2-uitstoot.”

Pieter Hack studeerde milieutechniek en waterbehandeling aan de WUR en richt zich sindsdien op het implementeren en opschalen van milieu- en watertechnologie. Hack kwam 15 jaar geleden in aanraking met de RED. Hoewel de technologie zich toen nog amper op laboratoriumschaal bevond, wist Hack meteen dat dit een kansrijke methode was om duurzame energie op te wekken. In 2005 richtte hij Redstack op om de blue energy technologie naar de markt te brengen.

De Technologie Achter Blue Energy

Reverse ElectroDialysis (RED) is een technologie die volop en succesvol wordt ontwikkeld, opgeschaald en in de toekomst op de markt gebracht voor het opwekken van energie uit verschillen in zoutgehalte, ook wel Salinity Gradient Power (SGP) genoemd. De drijvende kracht is ontleend aan de natuur. De natuur wil verschillen wegwerken. REDstack gebruikt het verschil in zoutconcentratie als drijvende kracht voor het ionentransport door de membranen.

Door afwisselend twee soorten membranen op elkaar te stapelen, worden de positieve en negatieve ionen uit het zoute water gedwongen in twee richtingen te stromen, waardoor een potentiaalverschil ontstaat. Wetsus en REDstack hebben dit principe vertaald naar een daadwerkelijke extractiemethode die technisch deugdelijk, stabiel en intact is en die voor gebruikers prijstechnisch acceptabel is. De technologie is uitvoerig getest op de proef- en ontwikkellocatie op de Afsluitdijk.

REDstack heeft zijn plannen klaar voor een serieuze opschaling van zijn systeem, waarmee het de laatste stap wil zetten naar grote installaties met eindgebruikers in een commercieel proces. ElectroDialyse (ED) is een technologie die zoet water (inclusief drinkwater) produceert uit zout of brak water. Sinds de jaren 70 denken onderzoekers over de techniek en de mogelijke toepassingen van blauwe energie. De membranen worden goedkoper, dus wordt de techniek interessanter om in de praktijk toe te passen.

Statkraft heeft in 2009 in Noorwegen een blauwe energie centrale gebouwd. In Nederland zijn onderzoekers de laatste jaren ook veel met proefinstallaties bezig. De Afsluitdijk is een ideale locatie voor blauwe energie. Bij de renovatie in 2015 is daar rekening mee gehouden. Een membraan is een laag waar bepaalde deeltjes wel doorheen kunnen en andere niet. Het idee van membraantechnologie komt uit de biologie: celmembranen.

In jassen wordt membraantechnologie al veel toegepast: waterdicht, maar toch ademend. Met membraantechnologie kan energie worden opgewekt uit het verschil tussen zoet en zout water. Deze 'blauwe' energie kan worden opgewekt met twee technieken, osmose en omgekeerde elektrolyse. De restproducten van beide technieken zijn uitgefilterd sediment en brak water.

Osmose en Omgekeerde Elektrolyse

Osmose werkt op basis van een verschil in zoutconcentratie waardoor een drukverschil ontstaat. Via een turbine kan men met dit drukverschil energie opwekken. Dit is een chemisch proces waarbij de concentratie van deeltjes in de twee vloeistoffen in evenwicht met elkaar proberen te komen. Door een membraan toe te passen waar alleen water doorheen kan en geen zout zal het zoute water het zoete water aantrekken. Het niveau, en daarmee de druk, van het zoute water stijgt dan.

Deze techniek heet in het Engels ‘pressure retarded osmosis’ (PRO) en past men toe in de Noorse centrale. Nederlandse onderzoekers zijn vooral bezig met omgekeerde elektrolyse. Omgekeerde elektrolyse, in het Engels 'reverse electrodialysis' (RED), werkt op basis van het scheiden van de positieve en negatieve ionen. Het zout in zeewater bestaat uit natriumchloride. Daarbij zijn de natriumdeeltjes positief geladen en de chloridedeeltjes negatief geladen.

Deze techniek gebruikt twee verschillende membranen, anion- en kationmembranen. Eén om de positieve ionen door te laten en één om de negatieve ionen door te laten. Om de deeltjes te laten stromen wordt er aan beide zijden van het zoute water, gescheiden door de membranen, zoet water geleid. Doordat de zout concentraties in beide vloeistoffen weer in evenwicht willen komen gaan dit keer de positieve en negatieve deeltjes stromen en niet het water zoals bij de osmose techniek. Er ontstaat dan een elektrische stroom. Deze techniek biedt de meeste potentie om energie mee op te wekken.

In droge landen als Israël zet men zeewater met behulp van membraantechnologie om in zoet drinkwater. Dit proces kost veel energie en is dus erg duur. Blauwe energie is eigenlijk precies het omgekeerde proces en kan dus potentieel veel energie en geld opleveren. De restproducten van het proces zijn sediment en brak water, precies hetzelfde als een rivier zonder onderbreking de zee in stroomt. De zon drijft de waterkringloop aan, dus deze vorm van energie is oneindig. Dit is dus een hernieuwbare vorm van energie die geen verontreiniging oplevert.

De Potentie van Blue Energy

Met deze techniek kunnen we vele duizenden megawatts aan duurzame en volledig continue elektriciteit opwekken. Niet alleen in Nederland, maar wereldwijd. Overal waar zoet water uitmondt in zee kan deze techniek worden toegepast. Het kan bij bestaande infrastructuur of bij nieuw te bouwen kustbescherming. Maar eerst willen we in Nederland de activiteiten uitbreiden. Door de bestaande installatie op de Afsluitdijk op te schalen. Dan kunnen we energie opwekken voor 50 huishoudens.

Maar zover is het nog niet. We moeten eerst nog de vergunning krijgen en ook de financiering is een uitdaging. Zo’n installatie is weliswaar wat groter dan de eerste pilotplant, maar kan nog niet commercieel draaien. Daar moet nog geld bij. Maar Rob Jetten heeft, toen hij nog Kamerlid was, met succes een motie ingediend voor implementatie en opschaling van blue energy. “Ik ben een ondernemende techneut en werk al mijn hele leven in de industriële watertechnologie. Toen ik deze techniek tegenkwam viel het kwartje meteen.

“Ik wil ervoor zorgen dat er zo snel mogelijk minimaal 500 MW duurzame elektriciteit in Nederland, door een Blue Energy-centrale wordt opgewekt. En dat dit wereldwijd navolging krijgt. 500 MW is veel, een complete energiecentrale. “Dat is een realistisch doel, anders zou ik er niet aan beginnen. En ook financieel moet het kunnen. We hebben berekend dat de stroom die we met een eerste centrale zouden opwekken 11 cent per kilowattuur zou kosten. Dat is duurder dan bijvoorbeeld windenergie. Maar in tegenstelling tot wind- en zonne-energie is blue energy volcontinue. En als je de windmolenstroom eerst moet opslaan, bijvoorbeeld in waterstof, dan is dat zeker drie keer zo duur.

“We voegen niks toe aan het water. Het enige dat we doen is de energie eruit halen die anders als een klein beetje warmte was vrijgekomen. Op onze proefinstallatie monitoren we samen met onder andere Deltares wat het effect is op de algjes en beestjes en kleine visjes die wellicht worden opgeslurpt. Dankzij het filtersysteem is dat effect minimaal en kunnen we zelfs in de Waddenzee, wat toch een beschermd natuurgebied is, zonder gevaar voor het ecosysteem een grote installatie bouwen.

“Kort antwoord: geld. Rob Jetten moet nu de daad bij zijn eigen woord voegen. Daarnaast ben ik voor het bedrijf op zoek naar mede investeerders. “In 2023 en 2024 wil ik bouwen en eind 2025 zal ergens tussen de rioolwaterzuivering en de Scheveningse haven een Blue Energy-installatie komen. Het zijn nu geen wereldwonderen meer, geen grensverleggende technologieontwikkeling, die fase hebben we achter de rug.

REDstack: Pionier in Blue Energy Technologie

De missie van REDstack BV is om zijn positie op het gebied van RED- en ED-procestechnologie en membraanstapels op de wereldmarkt uit te breiden. REDstack is ontstaan als spin-off bedrijf van het watertechnologie-instituut Wetsus. Daar is in 2005 het thema “Blue Energy” gestart, met als doel energie op te wekken uit zoet en zout water. Al snel werd duidelijk dat dit een veelbelovende ontwikkeling is. Dat was voor een aantal Wetsus-deelnemers de reden om REDstack op te richten.

In april 2013 start de bouw van een blauwe energie proefinstallatie van 50 kW op het voormalige werkeiland Breezanddijk, halverwege de Afsluitdijk. De proefinstallatie zal drie jaar draaien. In die periode zal Redstack, het onderzoeksbedrijf, onderzoek doen naar de invloed van verschillende membranen, afmetingen en stroomsnelheden. Het project moet ook duidelijkheid scheppen over het financieel rendement. In november 2014 is de proefinstallatie in gebruik genomen. In oktober 2016 is RedStack door minister Henk Kamp uitgeroepen tot Nationaal Icoon.

Wageningen UR doet samen met andere instituten en bedrijven (o.a. de Rijksuniversiteit Groningen, Wetsus, REDstack en Frisian Water Alliance) onderzoek naar het verbeteren van blauwe energie. In 2006 zijn proeven gedaan op zeer kleine schaal. Een kleine demonstratiefabriek moet gaan draaien op het voormalige werkeiland Breezanddijk, halverwege de Afsluitdijk. Deze fabriek zal bestaan uit enkele modules die samen 50 kW aan vermogen moeten gaan leveren, vergelijkbaar met een auto.

Als alles goed gaat komt er na vier jaar een module van 200 kW, ter grootte van een zeecontainer. Later kan dit opgeschaald worden naar duizend modules om tot een vermogen van 200 megawatt te komen. Dat moet genoeg zijn voor alle 500.000 huishoudens van de provincies Friesland, Groningen en Drenthe. Op lange termijn kan deze vorm van energie-opwekking in 12 procent van de Nederlandse energievraag voldoen. Vanaf eind 2015 begon er een onderzoek naar de gevolgen voor de Waddenzee van een grootschalige Blue Energy-centrale. Instituten als NIOZ, IMARES Wageningen UR en DELTARES zijn daarbij betrokken.

Uitdagingen en Oplossingen

“Een belangrijk probleem bij het gebruik van rivier- en zeewater is vuil," zegt Pintossi. "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.

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. 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.

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. "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.

Wat de toekomst betreft, verwacht de jonge onderzoeker uit Italië veel van het gebruik van machine learning. "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.

Alternatieve Toepassingen: WaterLight en AQUABATTERY

Voor gemeenschappen die niet zijn aangesloten op het elektriciteitsnet en die voor hun verlichting afhankelijk zijn van lampen op zonne-energie, heeft de Colombiaanse start-up voor hernieuwbare energie E-Dina een baanbrekende oplossing ontwikkeld: de WaterLight, een duurzaam en draagbaar snoerloos licht dat zout water omzet in elektriciteit. Dankzij het slanke ontwerp en de geïntegreerde USB-poort doet de WaterLight ook dienst als mini-stroomgenerator waarmee mobiele telefoons of andere kleine apparaten kunnen worden opgeladen.

Dit maakt het niet alleen tot een essentieel instrument voor verlichting en stroomvoorziening, maar ook tot een waardevol middel om duurzame communicatie in afgelegen gemeenschappen mogelijk te maken. Stel je een toekomst voor waarin water niet alleen essentieel is voor het leven, maar ook een duurzame energiebron vormt. Dit is de visie achter WaterLight, een apparaat dat elektriciteit opwekt uit zout water. Zout water is overvloedig aanwezig en kan bijna overal ter wereld worden gevonden, waardoor het een ideale hulpbron is voor het opwekken van hernieuwbare energie.

Met WaterLight kunnen we de levenskwaliteit verbeteren van gemeenschappen die geen toegang hebben tot deze vitale hulpbron, terwijl we tegelijkertijd zorg dragen voor het milieu. Het waterlicht is een draagbaar en snoerloos licht dat zout water gebruikt om elektriciteit op te wekken. Het werkt door het ioniseren van een elektrolyt dat bestaat uit zout water, waardoor het magnesium aan de binnenkant wordt omgezet in elektrische energie. Dit proces wordt omgekeerde elektronenstroom genoemd, en daardoor kan het waterlicht de klok rond stroom produceren, zelfs in minder zonnige of stormachtige omstandigheden.

Anno 2024 is AQUABATTERY talloze labopstellingen en pilotplants verder en is het jonge bedrijf de enige partij ter wereld die deze technologie voorbij de onderzoeksfase heeft weten te krijgen. De technologie achter AQUABATTERY werkt als volgt: er zijn drie vaten, allen gevuld met een oplossing van water en keukenzout. Die oplossing gaat door een stack heen, waardoor, na toevoeging van elektriciteit en met behulp van een aantal membranen, de oplossing wordt gescheiden in een zuur en een base (HCl en NaOH, opgelost in water). Zowel het zuur als de base komen in hun eigen vaten terecht.

Meer in detail is de vergelijking als volgt: H2O plus NaCl worden met behulp van elektriciteit HCl (zuur) en NaOH (base). De gebruikte membranen vertonen gelijkenissen met de membranen die worden gebruikt bij de productie van drinkwater, maar ook met de membranen die in een elektrolyserstack worden gebruikt. De membranen zijn gevormd door polymeren. De elektrodes zijn nu nog gecoat met titanium, maar er wordt inmiddels gewerkt aan een alternatief.

AQUABATTERY zit inmiddels in de fase van de wat grotere pilots. Goosen: “We maken nu flowbatterijen op de schaal van zeecontainers. Over een jaar of twee zijn we daar waarschijnlijk uitgegroeid.” Op dit moment wordt er bijvoorbeeld gewerkt aan een pilotinstallatie bij een zonnepark van Deltares in Delft. Deltares wil graag de mogelijkheden van lokale opslag van elektriciteit onderzoeken.

Voordelen van Zout Water Energie

De AQUABATTERY heeft een aantal onbetwistbare voordelen ten opzichte van Li-ion batterijen: er wordt geen gebruik gemaakt van kostbare en milieuverontreinigende delfstoffen én de batterij degradeert niet tijdens de levensduur. Dat lithium vele malen duurder is dan water met keukenzout, moge duidelijk zijn. “Het kostbaarste onderdeel van onze flowbatterij is de stack. De verwachte levensduur van een stack is twintig jaar”, weet Goosen.

“Hoeveel goedkoper onze oplossing is ten opzichte van Li-ion, hangt eigenlijk vooral af van de opslagduur van energie. Het maakt nogal wat uit of je energie voor vier, acht of honderd uur opslaat. Het gaat dan om de levelized cost of storage. Op basis van die waarde worden energieopslagoplossingen met elkaar vergeleken.

Goosen zet met AQUABATTERY in op grootschalige toepassingen, bij zonneparken, windparken en op plekken waar lokaal energie wordt opgewekt voor ‘achter de meter’ opslag. “Onze kleinste unit wordt straks waarschijnlijk de 100 kW voor zakelijke toepassingen. De units van AQUABATTERY zijn zeer goed schaalbaar. “Het is echt een kwestie van meer vaten toevoegen aan de applicatie en je kunt weer verder. Het grote voordeel van energie lokaal kunnen opslaan en op een later moment weer gebruiken, is dat je geen gebruik hoeft te maken van het overbelaste stroomnet.

Blue Energy is duurzaam en minder onderhevig aan dagelijkse schommelingen dan zonne- en windenergie. Daarom is Blue Energy een zeer interessante techniek om continu duurzame energie op te wekken. De afgelopen jaren heeft de proefinstallatie van REDstack op de Afsluitdijk bewezen dat de nieuwe techniek werkt en mogelijkheden biedt voor groter gebruik. Er is volop onderzoek verricht naar natuurlijke invloeden op het vermogen en het verbeteren van de technologie. Het project is toe aan een volgende stap.

Toekomstperspectief

Fossiele brandstoffen zoals olie en gas raken op. Regionale overheden rond de Afsluitdijk willen ruimte bieden voor nieuwe vormen van duurzame energie. Blue Energy is een mooi voorbeeld van CO2 vrije, continue stroomopwekking. Dit proces haalt energie uit zoet en zout water. Water stroomt namelijk altijd.

Met deze technologie kan overal ter wereld, waar een zoete en een zoute waterstroom elkaar ontmoeten, energie worden gewonnen. Het doel is om continu duurzame stroom op te wekken tegen een aantrekkelijke prijs. Daarom is Blue Energy een zeer interessante techniek om continu duurzame energie op te wekken.

In 2023 is er daarom opnieuw subsidie verleend door verschillende partijen. REDstack gaat daarmee de bestaande centrale opschalen naar een grotere centrale met een capaciteit van 16.5 kW. Ook wordt verder onderzoek gedaan naar nieuwe technieken waarmee een positieve bijdrage geleverd wordt aan de ecologie van het Waddengebied. In de grotere centrale worden 12 grote industriële membraanstacks geïnstalleerd, getest en verder ontwikkeld voor productie van Blue Energy.

De strategie om dat te bereiken veranderde volgens Siebers. “In eerste instantie wilden we meteen een paar honderd grote modules bouwen waarmee we in totaal een megawatt aan stroom zouden produceren”, zegt hij. Het kunnen opslaan van grote hoeveelheden energie wordt belangrijker naarmate we verder in de energietransitie komen.

labels:

Zie ook:

• Hennep Koken met Zout: Tips & Recepten voor Thuis
• Zoutloze soep: Gezond genieten zonder zout!
• Gebakken Aardappelen Kruiden Zonder Zout: Heerlijke Alternatieven
• Ontdek De Beste Lunchplekken met Terras in Brugge: Topadressen & Openingstijden!
• Gezond Recept Aubergine Courgette: Snel, Makkelijk & Lekker!