Reverse Electro-dialysis - Design and optimization by modeling and experimentation

Voorkant Proefschrift

Auteur: Joost Veerman
Datum: 1 oktober 2010
Universiteit: Rijksuniversiteit Groningen

Tien procent van Nederlandse elektriciteitsbehoefte uit zout water

De grens tussen zoet en zout water kan in tien procent van onze elektriciteitsbehoefte voorzien. Het opwekken van deze 'blauwe' energie werkt echter nog niet optimaal. Verkorting van waterstromen en het aanpassen van de stroomrichting van het zoete en zoute water kan de elektrische opstellingen efficiënter maken. Chemicus Joost Veerman promoveert 1 oktober 2010 op onderzoek naar de optimalisatie van deze duurzame energieopwekking.

Een verschil in zoutgehalte kan energie opleveren, zogenaamde blauwe energie. Veerman onderzocht de optimalisatiemogelijkheden van reverse electrodialysis (RED), een systeem waarbij zout en zoet water tussen stapels ionenwisselende membranen stroomt. Door het verschil in zoutconcentratie tussen het zoute en zoete water verplaatsen positieve natriumionen en negatieve chloorionen zich door membranen richting het zoete water waardoor een stroom ontstaat. Hetzelfde principe wordt toegepast in elektrodialyse, een techniek om zouten uit water te verwijderen met behulp van elektriciteit. Bij RED gebeurt het omgekeerde en ontstaat er juist elektriciteit.
Tussenruimtes

Aan de hand van computermodellen van het RED-systeem en demomodellen onderzocht Veerman welke aanpassing een hogere efficiëntie en meer vermogen opleveren. Een voorbeeld waar hij winst wist te behalen, is de ruimte tussen de gestapelde membranen. De membranen zo dicht mogelijk op elkaar te stapelen, is gunstig omdat men zo de elektrische weerstand zo klein mogelijk kan houden, maar aan de andere kant wordt de stroomweerstand van het water daardoor erg hoog. Veerman ontwikkelde een systeem waarbij het water door een vertakkingenstelsel tussen de membranen stroomt. In een dergelijk fractaal systeem zijn zowel de stroomweerstand als de elektrische weerstand lager, wat resulteert in een vermogenswinst van zeventig procent. Ook ontdekte Veerman dat de lengte van het waterstroomkanaal zo kort mogelijk dient te zijn, maximaal tien centimeter.
Tegengestelde stroomrichting ongunstig

In de bestaande apparaten stromen zout en zoet water in tegengestelde richting langs elkaar. Uit onderzoek naar de optimale stroomsnelheid en -richting concludeert Veerman echter dat het veel gunstiger is om beide in dezelfde richting te laten stromen. Het blijkt dat het stromen in twee richtingen een grote druk veroorzaakt op de tussenliggende membranen. Stroming in gelijke richting resulteert in beperktere krachten op de membranen. Daardoor volstaan dunnere membranen - mogelijk tot tien micrometer - die veel efficiënter zijn.
Elektrodesystemen

Voor het elektrodesysteem is een ijzeroplossing (Fe2+/Fe3+) het meest geschikt, constateert Veerman. Elektroden zetten de ionenstroom om in een elektronenstroom. Daarom vormen ze een belangrijke component van het RED-systeem. Veerman onderzocht verschillende oplossingen waaronder ijzeroplossingen, hexacyanoferraat, natriumchloride en natriumsulfaat. Veerman vergeleek deze elektrodesystemen op economische en op milieu- en veiligheidsaspecten. Het veelgebruikte natriumsulfaat vindt Veerman niet geschikt voor het RED-systeem, omdat daarbij een mengsel van waterstof en zuurstof ontstaat dat explosief is en dus veiligheidsproblemen met zich meebrengt.
Toekomstige duurzame energiebron

De installaties die Veerman onderzocht, moeten uiteindelijk worden opgeschaald tot het formaat van een zeecontainer met een capaciteit van zo'n 0,5 Megawatt. Bovendien zullen de containers modulair aan elkaar te schakelen zijn.

Volgend jaar verrijst een eerste proefopstelling aan de noordkant van het IJsselmeer bij de afsluitdijk. Nederland heeft met een lange kuststrook en vele rivieren een groot potentieel aan zoutwatergradiënten. Theoretisch zelfs genoeg om in 50 procent van de Nederlandse elektriciteitsbehoefte te voorzien. Veerman verwacht dat een energieopbrengst van 1 Gigawatt echter realistischer is, voldoende voor ongeveer 10 procent van de Nederlandse elektriciteitsbehoefte. Wereldwijd bestaat een potentieel van 2,6 Terawatt aan zoutgradiëntenergie, meer dan de huidige energieconsumptie.
Curriculum Vitae

Joost Veerman (Zwolle, 1945) studeerde fysische chemie aan de Rijksuniversiteit Groningen. Het onderzoek voerde hij uit bij Wetsus Centre for Sustainable Water Technology en werd gefinancierd door NHL Hogeschool in Leeuwarden, Wetsus, stimuleringsfonds Zestor, SenterNovem en het bedrijf RED-stack. Veerman promoveert tot doctor in de wiskunde en natuurwetenschappen bij prof.ir. G.J. Harmsen en dr.ir. S.J. Metz. De titel van zijn proefschrift luidt: 'Reverse Electro-dialysis - Design and optimization by modeling and experimentation'.

Download de pdf van dit proefschrift (pdf 5,8Mb)

Bekijk ook het proefschrift van Jan Post: 'Blue Energy: electricity production from salinity gradients by reverse electrodialysis'.