Technologie

RED - Blue Energy - Basisprincipes

REDstack werkt volop en succesvol aan de ontwikkeling, opschaling en toekomstige vermarkting van de opwekking van energie uit verschillen in zoutgehalte, vaak aangeduid met Salinity Gradient Power (SGP). Deze energievorm – vaak inmiddels ook wel Blue Energy genaamd – is in 1954 als eerste beschrijven door de Engelse onderzoeker Pattle in het tijdschrift Nature. Het principe moest natuurlijk vertaald worden naar daadwerkelijke procestechnologie en apparatuur, die technisch goed is, bestendig is en heel blijft en die prijstechnisch door gebruikers geaccepteerd wordt. Dat is de bron van de missie van REDstack.

De basis van SGP is vastgelegd in de wetten van de thermodynamica. Deze zeggen dat een systeem streeft naar minimale energie en naar maximale entropie. Het streven naar minimale energie zien we in de normale wereld als appelen die van de boom naar beneden vallen. Entropie wordt wel aangeduid als ‘wanorde’: deeltjes hebben de neiging om zich over een zo groot mogelijk volume te verspreiden. Op zichzelf komt er bij gewone menging van zoet en zout water nauwelijks warmte vrij; het is vooral de entropie die sterk toeneemt. De zoutdeeltjes van zeewater zijn te vergelijken met een gas dat onder een druk van 25 bar (atmosfeer) opgesloten is. Het zout, met de kracht van gas, wil expanderen en daaruit is elektrische energie op te wekken, maar dat vergt technische voorzieningen.

Om deze zoutexpansie te kunnen benutten voor energiewinning, zal dit mengproces gecontroleerd plaats dienen te vinden. Hiervoor zijn in principe twee mogelijkheden beschikbaar. De eerste optie is tussen zout en zoet een membraan aan te brengen dat alleen water doorlaat en zout blokkeert. Menging kan nu alleen plaats vinden door watertransport van zoet naar zout. Dit verschijnsel wordt osmose genoemd. Hierbij kan een druk ontstaan in het zoutwatercompartiment van 25 bar. De druk van het zoute water neemt toe en er kan een turbine mee aangedreven worden. Deze techniek wordt Pressure Retarded Osmosis (PRO genoemd).

De tweede methode voor het winnen van deze energie – en dat is de methode die REDstack ontwikkeld heeft, is om membranen te gebruiken die alleen de geladen zoutdeeltjes (ionen) doorlaten. Zoutionen, (Cl- en Na+), zijn erg klein, zodat – bij een juiste samenstelling van het membraan – een snelle, efficiënte en veilige (geen schade aan het membraan) kan plaatsvinden. Dit is de principe-methode die Pattle in zijn essentie beschreef. Dat is ook de techniek die door REDstack – nu op de Afsluitdijk en straks in de commerciële bedrijfsfase – toegepast wordt.

Informatiefilm

Blauw is het nieuwe groen.

Klik hier voor een vergroting (PDF).

Reverse ElectroDialysis (RED) – Hoe werkt het

RED (Reverse ElectroDialysis, omgekeerde elektrodialyse) maakt gebruik van het feit dat zouten zijn opgebouwd uit ionen: positief en negatief geladen deeltjes. In zeewater zijn dat voornamelijk Na+ (het natrium-ion) en Cl- (het chloride-ion). En wanneer een zout opgelost is in water, komen deze ionen als losse deeltjes voor in het water. Bij RED worden nu twee type membranen gebruikt: membranen die uitsluitend positieve ionen doorlaten (CEM, Cation Exchange Membranes) en membranen die enkel negatieve ionen doorlaten (AEM, Anion Exchange Membranes).

Wanneer zout water tussen twee van zulke membranen doorstroomt (met aan de andere zijde van de membranen zoet water), dan zullen de ionen uit het zoute water naar het zoete water willen migreren. Echter door de toegepaste membranen, een CEM aan de ene zijde en een AEM aan de andere zijde, zullen de beide soorten ionen dus in tegenovergestelde richting migreren. Op die manier ontstaat een transport van positief geladen delen in de ene richting en negatief geladen delen in de andere richting. Zo ontstaat er dus een + en een – zijde, een soort van batterij, een elektrochemische cel.

De hoeveelheid elektrische energie die beschikbaar is, wordt bepaald door het verschil in zoutgehalte tussen de beide water soorten, en de temperatuur van het water. Het werkelijk opgewekte vermogen is afhankelijk van een aantal technische zaken zoals de selectiviteit van de toegepaste membranen en de weerstand van de elektrochemische cel. De selectiviteit is de mate waarin een membraan in staat is om slechts één ion soort door te laten. En de weerstand beschrijft de hinder die de ionen ondervinden onderweg van het zoute water naar het zoete water.

Waarde van de RED-technologie

Fossiele brandstoffen – steenkool, aardolie en aardgas – zijn tegenwoordig nog de belangrijkste energiebronnen. Deze brandstoffen hebben twee belangrijke nadelen: er is maar een beperkte hoeveelheid en bij de verbranding ontstaat het broeikasgas CO₂. Omdat de gemakkelijk te winnen voorraden langzamerhand uitgeput raken, is men op al langere tijd zoek naar nieuwe bronnen. De producten daarvan kennen wij als schaliegas en teerzandolie. De exploitatie van deze nieuwe bronnen gaat echter gepaard met een steeds grotere aanslag op het milieu, op de natuur en op de leefomgeving. Daarnaast vormt het ontstane CO2 een wellicht nog grotere bedreiging. Het koolzuurgas vormt een isolerende deken om de aarde wat resulteert in opwarming van de atmosfeer met als gevolg een verandering van klimaat en een stijging van de zeewaterspiegel. Op den duur (over meer dan duizend jaar) zal de hoeveelheid koolzuurgas zelfs een probleem kunnen gaan worden voor de volksgezondheid. Een derde punt ten nadele van het gebruik van fossiele brandstoffen voor het opwekken van elektriciteit is dat slechts een derde van de beschikbare energie omgezet wordt in elektriciteit; twee derde (2/3) komt vrij als warmte. Warmteafvoer vindt plaats in koeltorens of door opwarmen van rivier- of zeewater met de daaraan verbonden ecologische gevolgen.

RED heeft geen van deze genoemde nadelen. Allereerst zullen er nog rivieren blijven stromen zolang de zon nog zal schijnen (5 miljard jaar volgens de astronomen). We spreken dan van renewable (hernieuwbare), duurzame energie (sustainable) energy. Ten tweede is het enige ‘reactieproduct’ dat bij RED gevormd wordt brak water. Dit schone retourwater wordt naar de zee (terug) gevoerd, en dat water bestaat uit de helft uit zeewater dat al uit diezelfde zee kwam en uit zoet water dat anders ook al naar zee gestroomd was.

Dan het punt van thermische verontreiniging. Weten we elektrische energie te onttrekken aan het mengproces, dan moet die energie ergens vandaan komen. Dat kan alleen door afkoeling van het mengsel. Het effect is klein, minder dan 0,1 graad Celsius, maar er is bij energiewinning met RED zeker geen sprake van thermische verontreiniging.

De meerwaarde van RED

Ten opzichte van andere energiebronnen heeft RED een aantal specifieke voordelen.

RED is onuitputtelijk (duurzaam) en milieuvriendelijk. Zolang er rivieren in zee uitmonden zal deze techniek toegepast kunnen worden. Er zijn geen bijproducten, geen CO2 productie (geen fossiele verbranding) en er vindt geen opwarming van het oppervlaktewater plaats.

RED kan zowel klein- als grootschalig toegepast worden. Veel technologische processen kennen een schaalfactor die grootschalige inzet veel meer rendabel maakt. De verwachting is echter dat de schaal bij RED minder een rol gaat spelen. Dat betekent dat het gebruik van RED ook op afgelegen plaatsen voor kleine gemeenschappen een reële optie kan zijn.

RED is onafhankelijk van wind of zonneschijn. RED is alleen afhankelijk van de variaties in het debiet van de rivier die doorgaans redelijk voorspelbaar zijn. Een RED-installatie kan echter ontworpen worden op een minimumdebiet of op een debiet dat voor 95% van de tijd beschikbaar is.

RED kan indien een spaarbekken als het IJsselmeer aanwezig is, ingezet worden op tijden van de grootste vraag. Gedurende de rusturen wordt dan ‘brandstof’ gespaard. Voor het IJsselmeer wordt dat pas interessant als praktisch al het binnenkomende water door de RED-installatie benut wordt. Sparen heeft dan wel een stijging van het IJsselmeerwater van 4 cm per etmaal als gevolg. Een dag/nacht systeem is dus goed mogelijk.

RED geeft in een aantal toepassingen ecologische meerwaarde. Daarbij moet gedacht worden aan de verdunning van het concentraat (brine) dat ontstaat bij installaties voor de ontzouting van zeewater. Bij het spuien van water bij de Lorentz- en Stevinsluizen in de Afsluitdijk doet zich iets soortgelijks voor. Gedurende korte tijd (van ca. 2 uur voor tot 2 uur na laag water) kan er gespuid worden. Een enorme hoeveelheid zoet water neemt dan bezit van een groot deel van de omgeving die eerst zout was. Veel zeedieren zijn slecht bestand tegen de daardoor veroorzaakte osmotische shock.

RED vervult ook een pompfunctie. Door de stijging van de zeewaterspiegel zal afvoer van water uit onder andere het IJsselmeer naar zee moeilijker worden. Er wordt al gedacht aan het inzetten van gemalen. Bij toepassing in de Afsluitdijk wordt een deel van de opgewekte energie gebruikt om het water uit het IJsselmeer via de installatie naar zee te verpompen. Een RED installatie kan dus een combinatie van elektriciteitscentrale en gemaal worden.

Stackbouw

REDstack B.V. dankt haar naam aan de technologie met de naam RED (Reverse ElectroDialysis, omgekeerde elektrodialyse) en de praktische uitvoering daarvan met een stack (stapel) van membranen. Deze membraanstapel bestaat vele honderden membraanparen en het uiteindelijke voltage is de som van de afzonderlijke spanningen. Een membraanpaar is opgebouwd uit twee verschillende membranen: een AEM (anion exchange membrane) en een CEM (cation exchange membrane) die met daartussen spacers, weefsels met een vrij open structuur waardoor zoet (rivierwater) en zout (zeewater) stroomt. Het zout in het zeewater willen diffunderen naar het rivierwater. Daarbij zullen de positieve Na+-ionen alleen het CEM kunnen passeren en de negatieve Cl−-ionen alleen het AEM. Positieve en negatieve ionen bewegen zich zodoende in tegengestelde richting in de stack. Aan de beide uiterste zijden van de membraanstapel bevinden zich de elektroden waar via een redoxreactie de ionen-stroom overgaat in een elektrische stroom.

Constructie

De membraanstapel wordt geplaatst in een behuizing waarmee de toevoer van zoet en zout water en de afvoer van brak water wordt verzorgd. Daarnaast worden in de behuizing de elektroden verwerkt. De stacks voor laboratorium experimenten zijn doorontwikkeld tot stacks die toegepast worden op de proeflocatie van REDstack op de Afsluitdijk. Het doel is de stacks te optimaliseren: doel is een maximaal vermogen en een lange levensduur, gekoppeld aan minimale vervuiling. Gelijktijdig is REDstack bezig het geleverde elektrische vermogen van deze stacks stapsgewijs op te schalen door het membraanoppervlak te vergroten en de doorstroming te verbeteren, en de produktiekosten te verlagen.

Ontwikkeling

REDstack BV houdt zich bezig met de productie en ontwikkeling van stacks die specifiek gericht zijn op de RED-technologie. Niet alleen de productie van de membraanstapel, maar ook ontwikkeling van de behuizing om de stapel valt onder de expertise van REDstack. Voor het project op de Afsluitdijk bestaat een nauwe samenwerking met membraanproducenten en met Wetsus. Wetsus specialiseert zich op het beheersing van de vervuilings-problematiek waarbij het oude gezegde van toepassing is: ‘voorkomen is beter dan genezen’. In de praktijk betekent dat een goede afstemming van het stack-ontwerp en de manier van voorzuivering van zee- en rivierwater.