Overzicht Blue Energy: De voor- en nadelen van osmose-energie

Waar zoete rivieren de zoute zee instromen komt veel energie vrij. Rivierdelta’s wereldwijd zouden in een aanmerkelijk deel van de elektriciteitsvraag kunnen voorzien. In deze overzichtspost de actuele stand van de techniek en een beschouwing van de voor- en nadelen van deze relatief onbekende hernieuwbare bron.

Alles over Blauwe Energie

– Natuurkundige basisprincipes voor osmose-energie
– Technische oplossingen om Blue Energy te benutten
— Pressure Retarded Osmosis: Waterkracht op basis van osmotische druk
— Reverse Electrodialysis: Energie uit het ladingsverschil tussen zout-ionen
— Vapour Pressure Power: Energie uit een verschil in dampdruk
— CapMix: Blue Energy met poreuze capaciteiten
– Voordelen van Blue Energy
– Nadelen van Blue Energy
– Mogelijkheden voor Blue Energy in Nederland
– Conclusie: Enorm potentieel, concurrerende concepten

Natuurkundige basis: Hoe werkt voor osmose-energie?

Mixen is een spontaan proces, wanneer oplossingen met verschillende concentraties met elkaar in contact komen verspreiden de opgeloste deeltjes zich als vanzelf homogeen over het beschikbare volume. Het zoete water dat in een rivierdelta de zee in stroomt vermengt zich daar dan ook al snel met het zeewater tot een tamelijk stabiele gemiddelde zoutconcentratie is bereikt.

Dat dit automatisch gaat geeft al aan dat er energie vrijkomt en inderdaad, het mengen van zout- en zoetwater is een exotherm proces; bij het mengen komt warmte vrij. Omdat het volume waarover deze warmte zich kan verspreiden enorm groot is merken we dit in de praktijk nauwelijks. Toch is de hoeveelheid energie die vrij komt aanzienlijk: Bij het mixen komt net zoveel energie vrij als zou hetzelfde volume water vanaf 120-200 meter hoogte de zee instorten.

Technische oplossingen om osmose-energie te benutten

De potentie van Blue Energy is dus enorm maar helaas is het niet eenvoudig de meng-energie nuttig te gebruiken. Om de saliniteitsgradiënt te gelde te maken zijn verscheidene inventieve systemen bedacht, allen erop gericht om het concentratie-evenwicht via een omweg te vertragen en zo de osmose energie om te zetten in elektrische energie.

Pressure Retarded Osmosis: Waterkracht op basis van osmotische druk

Pressure retarded osmosis (PRO) maakt gebruik van waterdoorlatende membranen. Zeewater en zoetwater worden in door membranen gescheiden compartimenten gepompt. De natrium en chloride ionen in het zeewater willen zich verspreiden naar het rivierwater maar deze worden geblokkeerd door het membraan.

Om toch een concentratie-evenwicht te behalen stroomt in plaats daarvan het zoete water door het membraan, hierdoor stijgt de druk aan de zoutwaterkant. Via een turbine wordt de toegenomen waterdruk omgezet in elektriciteit. In Noorwegen bouwde het energiebedrijf Statkraft een pilotplant voor pressure retarded osmosis.

Reverse electrodialysis: Energie uit het ladingsverschil tussen zout-ionen

Ook reverse electrodialysis (RED) gebruikt membranen om zout en zoet water gefaseerd te laten mengen. Zout- en zoetwatercompartimenten worden om en om gescheiden door of een natrium-selectief of een chloride-selectief membraan. De osmotische druk duwt de ionen door de membranen en omdat per membraan slechts één ion-soort wordt doorgelaten ontstaat zo per compartiment een klein spanningsverschil.

Door meerdere cellen te stapelen (stacken) is een groter voltage te halen en gaat er ook een bruikbare stroom lopen. Een RED stack levert gelijkstroom die direct nuttig gebruikt kan worden of via een omvormer aan het wisselspanningsnet geleverd kan worden. In Nederland werken onder andere Wetsus, de Universiteit Twente en Fujifilm aan plannen voor een energiecentrale op de Afsluitdijk.

Vapour-Pressure Power: Energie uit een verschil in dampdruk

Ook deze technologie maakt gebruikt van gescheiden compartimenten voor zout en zoet water al zijn deze hier wel een stuk groter en tevens open aan de bovenkant. Met zonnewarmte of koelwater uit de procesindustrie worden beide watertanks via een warmtewisselaar op eenzelfde, iets verhoogde, temperatuur gehouden. Hierdoor verdampt het water uit zowel het rivierwater als uit het zeewater.

Omdat een oplossing met meer zout veel minder snel verdampt stroomt er voortdurend waterdamp van het zoetwatercomparitment naar de tank met het zoute water. Met windturbines in deze luchtstroom wordt vervolgens energie opgewekt. Begin jaren tachtig is de technologie op laboratoriumschaal bewezen, verdere informatie over het concept is helaas nauwelijks te vinden.

CapMix: Blue Energy met poreuze capaciteiten

Het CapMix concept is vrij recent ontwikkeld in Italië. Een capaciteit (een elektrisch element met twee vlakke platen die lading kunnen dragen) wordt ondergedompeld in zeewater. Door een externe bron wordt een spanningsverschil aangebracht over de elektroden van de capaciteit, het ontstane elektrisch veld trekt de geladen zoutionen aan. Omdat de elektroden gemaakt zijn van zeer poreus koolstof (met een groot actief oppervlak) blijven vele ionen ‘plakken’ aan de platen.

Wanneer de capaciteit vervolgens met zoet water gespoeld wordt laten de ionen weer los. Hierdoor stijgt het spanningsverschil over de platen en dit extra spanningsverschil kan geoogst kan worden als Blue Energy. Door de hele cyclus van laden, spoelen en oogsten automatisch te herhalen hopen de Italiaanse onderzoekers een goed alternatief te bieden voor de PRO en RED technologie. Hieronder een kleine demonstratie van het concept in een (Engels ondertitelde) Italiaanse TV-show (v.a. minuut twaalf).

Voordelen van Blue Energy

+ Voorspelbaar en vrijwel continu beschikbaar
Het weer is maar lastig te voorspellen, dat maakt zonne- en windenergie wat onbetrouwbaar. Regen is is ook niet op de minuut te voorzien maar wel uitstekend te bufferen. Energie gebaseerd op de gradiënt tussen zout en zoet water is dus nagenoeg altijd op afroep beschikbaar.

Geen emissies, nauwelijks impact op omgeving
Blue energy vertraagt alleen wat anders vanzelf zou gebeuren. De enige output van een osmose energie centrale is brak water en dit vermengt alsnog met het zeewater. Ook horizonvervuiling is bij blauwe energie geen punt; de centrales kunnen worden geïntegreerd in dijken of zelfs onder het wateroppervlak worden gebouwd.

+ Stabiele energie, daar waar je het nodig hebt
Rivierdelta’s zijn traditioneel gebieden waar veel bedrijvigheid plaatsvindt. Met Blue Energie kun je veel energie opwekken en zonder transportverliezen direct aan zware industrie leveren. Bovendien is aanleggen van nieuwe infrastructuur zo nauwelijks nodig.

+ Compatibel met normale waterkracht
Hoewel blauwe energie veel eigenschappen deelt met traditionele hydropower zitten beide technologieën elkaar geenszins in de weg. Met een stuwdam én een blue energy centrale benut je zowel de gravitatie energie als de chemische potentie van de waterkringloop.

Nadelen van Blue Energy

– Algengroei en corrosie 
Blue Energy is vooralsnog vooral kortdurend getest met schoon water onder laboratoriumcondities. Wanneer grote volumes water uit de zee en rivieren door een centrale gaan lopen zullen vooral de op membranen gebaseerde concepten problemen krijgen met vervuiling van deze membranen. Filters, desinfectie en schoonmaakprocedures kunnen veel van de efficiëntie afsnoepen. Mede daarom ben ik benieuwd naar verdere tests met het relatief simpele en ogenschijnlijk robuuste systeem dat werkt op het verschil in dampdruk.

– Zoetwaterschaarste
De afgelopen jaren is het aanbod van water in zomertijd meerdere keren kritisch laag geweest. In tegenstelling tot kolen en kerncentrales gaan de prestaties van Blue Energie juist omhoog wanneer de temperatuur van het rivierwater stijgt. Als er te weinig water beschikbaar is houdt het echter ook voor Blauwe Energie centrales op.

– Membranen zijn nog te duur en niet geoptimaliseerd
De membranen die nu op de markt zijn zijn eigenlijk bedoeld voor het ontzilten van zeewater. Met schoon drinkwater is veel meer geld te verdienen en de eisen aan deze membranen zijn ook veel hoger dan voor energieproductie nodig is. Een fabriek opzetten speciaal voor Blue Energie membranen is echter duur en risicovol zolang de concepten zich niet bewezen hebben.

– Belemmeringen voor scheepvaart en demping van eb en vloed
Voor Blue Energy hoeft een riviermonding in principe niet helemaal afgesloten te worden maar vaak is dat wel het eenvoudigst. Als een rivier een open verbinding met de zee moet houden moet het water met pijpen van ver stroomopwaarts ontrokken worden om instroming van zout water te voorkomen. Ook aan de zeekant moeten maatregelen getroffen worden om te voorkomen dat het brakke water dat uit de centrale komt niet te veel mengt met het echt zoute zeewater.

Mogelijkheden voor Blue Energy in Nederland

Nederland is als waterland helaas te vlak voor normale waterkrachtcentrales. Met o.a. de Afsluitdijk en de delta in Zeeland heeft Nederland wel uitstekende mogelijkheden voor Blauwe Energie. Met de samenwerkende onderzoeksinstituten, de inbreng van het bedrijf RED-Stack en recentelijk ook Fujifilm wordt er hard gewerkt aan een pilot op de Breezanddijk (het midden van de Afsluitdijk).

Een succesvolle technologie om energie uit een saliniteitsgradiënt te winnen levert Nederland niet alleen een betrouwbare vorm van hernieuwbare energie maar tevens een fantastisch exportproduct. Als Nederland hier de voorsprong blijft vasthouden ligt een lucratieve uitrol naar rivierdelta’s over de hele wereld in het verschiet.

Conclusie: Enorm potentieel, concurrerende concepten

Het chemische potentiaalverschil tussen zoet- en zoutwater is een lastige bron om energie uit te onttrekken maar als Blue Energy centrales kosteneffectief worden dan ligt zeker in waterrijke landen een mooi aandeel in de energiemix voor het grijpen. Het wereldwijde potentieel is reusachtig en echt hernieuwbare bronnen die een basislast kunnen leveren zijn schaars.

Onderzoeksinspanningen zullen daarom naar verwachting voorlopig aanhouden, daarbij zal de concurrentie tussen drie technologieën (die stuk voor stuk nog kans maken dominant te worden) de vooruitgang hopelijk flink versnellen. Een kleine test met de robuuste dampdruk methode en/of wellicht een geheel nieuw concept zouden nog eens extra leven in de brouwerij kunnen brengen.

Bron plaatje: internationalwaterweek.com

Thijs ten Brinck

Veelschrijvende ingenieur met een brede interesse.
Oprichter WattisDuurzaam en duurzaamheidsadviseur bij We-Boost Transitions.
Thijs ten Brinck

Dit vind je misschien ook leuk...