EO

De verborgen energie in zoet en zout water

14 juni 2021 om 11:23 uur

Het verschil tussen water uit zee en rivieren is niet alleen te proeven, je kunt er ook stroom uit opwekken. Nieuw onderzoek moet de techniek die dit mogelijk maakt verbeteren.


Blauwe energie heeft een enorm potentieel. In theorie zou een gemiddelde rivier evenveel blauwe energie kunnen produceren als een waterkrachtcentrale die gebruik maakt van een 142 meter hoge waterval. TU/e-promovendus Diego Pintossi heeft nieuwe oplossingen gevonden voor een lastig probleem: de membranen die je nodig hebt bij blauwe energie worden namelijk nogal snel vuil, waardoor ze minder goed werken.

 

Blauwe energie maakt gebruik van omgekeerde elektrodialyse (reverse electrodialysis), waarbij de positief en negatief geladen zoutionen in rivier- en zeewater door speciale membranen worden geleid. Het proces is gebaseerd op het idee dat zeewater veel zout bevat en rivierwater heel weinig. De verschillen in zoutconcentratie tussen de vloeistoffen kun je gebruiken om stroom op te wekken. Bij omgekeerde elektrodialyse wordt, zoals de naam al aangeeft, hetzelfde proces gebruikt als bij elektrodialyse, een technologie die vaak wordt gebruikt om water te reinigen of te ontzilten, maar dan in omgekeerde volgorde.

 

"Het mengen van waterstromen met verschillende zoutconcentraties is een spontaan proces als gevolg van entropie. Zie het als de natuur die spontaan een evenwichtstoestand probeert te creëren", aldus Pintossi, die zijn onderzoek uitvoerde bij Wetsus, een Europees onderzoekscentrum voor duurzame watertechnologie gevestigd in Leeuwarden. "Door membranen tussen de twee stromen te plaatsen, kun je kiezen welke zoutionen tussen de oplossingen worden uitgewisseld. In dit geval gebruiken we twee membranen: het ene transporteert negatief geladen chlooranionen (Cl-) en het andere positief geladen natriumkationen (Na+). De membranen worden in stapels (zogenaamde ‘stacks') geplaatst, net als in brandstofcellen, zodat de afzonderlijke spanningsverschillen samen voldoende elektriciteit produceren."

 
De verborgen energie in zoet en zout waterBij omgekeerde elektrodialyse transporteert het AEM-membraan (anion exchange membrane) negatief geladen chlooranionen (Cl-) tussen de twee waterstromen, het CEM-membraan (cation exchange membrane) positief geladen natriumkationen (Na+). Hierdoor ontstaat een spanningsverschil. Wanneer je de twee elektroden verbindt, drijft deze spanning een elektronische stroom door het externe circuit, waardoor de gloeilampen gaan branden.

 

Blauwe energie is duurzaam en minder onderhevig aan dagelijkse schommelingen dan zonne- en windenergie. Toch hebben de kosten van de membranen tot dusver een wijdverspreide invoering van de technologie tegengehouden. De laatste jaren zien we echter boeiende ontwikkelingen op dit gebied. Zo ging in 2014 's werelds eerste demopilot (50 kW) op de Afsluitdijk van start met water uit de (zoute) Waddenzee en het (zoete) IJsselmeer.

 

Vuile en schone membranen

"Een belangrijk probleem bij het gebruik van rivier- en zeewater is vuil," zegt Pintossi. "Componenten die in het water zijn opgelost, zoals bacteriën, klei, zouten of organisch materiaal, kunnen zich ophopen op en in het membraan, waardoor het elektrisch vermogen van de cel afneemt. 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. Dit kan helpen om te beslissen wanneer je de stacks moet reinigen, en hoeveel reiniging er nodig is."

 

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. Dit blokkeert het transport van de zoutdeeltjes en beïnvloedt het opwekken van elektriciteit."

 

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. En ze kunnen helpen om de kosten van deze installaties te drukken."

 

Een coating van zwitterionen

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. Beide maken gebruik van een speciale coating op basis van zogenaamde zwitterionen.

 

"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. Dit vertraagt niet alleen het begin van vervuiling, maar ook de groei ervan."

 

Machine learning

Wat de toekomst betreft, verwacht de onderzoeker uit Italië veel van het gebruik van machine learning. "De relatie tussen membranen, water en vervuiling is uiterst complex en daardoor heel lastig te modelleren. 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. Zo kunnen we het proces van fouling nog beter begrijpen!".

 

Titel van de dissertatie: Fouling in Reverse Electrodialysis: Monitoring, Modeling, and Control. Begeleiders: Kitty Nijmeijer, Zandrie Borneman (beiden TU/e), Michel Saakes (Wetsus). Andere betrokken partijen: REDstack BV; Fujifilm Manufacturing EUROPE BV; Qirion BV; W&F Technologies BV.

 

Gerelateerd nieuws

Millennium Technology Prize open voor inzendingen

Millennium Technology Prize open voor inzendingen

De volgende Millennium Technology Prize wordt op 25 oktober 2022 uitgereikt. Baanbrekende innovaties die deze prijs verdienen, kunnen van 2 augustus tot en met 31 oktober 2021 worden genomineerd. Nominaties van…

EPFL heeft nu ook een Hyperloop-testbaan

EPFL opent eerste Europese Hyperloop-testbaan

Ingenieurs van EPFL hebben, in samenwerking met spin-off Swisspod, een Hyperloop-testbaan gebouwd op de campus van Lausanne. Ze zullen de grote vacuümbuis gebruiken voor ultrasnel reizen om een ​​lineaire…

HBK monitort 3D-geprinte metalen voetgangersbrug in Amsterdam

3D-geprinte metalen voetgangersbrug in Amsterdam: van top tot teen gemonitord

Hottinger Brüel & Kjær (HBK) heeft rekstroken en data-acquisitie-apparatuur geleverd voor de monitoring van de metalen 3D-geprinte voetgangersbrug, die onlangs over de Oudezijds Achterburgwal in Amsterdam is…

Webshop

webshop

 

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Focus op

ABB BV
ABB BV

Machineveiligheid, systemen en componenten

Elobau Benelux BV *
Elobau Benelux BV *

creating sustainable solutions

Pilz Nederland
Pilz Nederland

Voor industriële (veilige) automatiseringsoplossingen

Rotero Holland BV
Rotero Holland BV

Stappenmotor - Servomotor - Elektro Magneet

Download gratis engineering boeken

A gratis boeken downloaden

 

Agenda

17 augustus 2021

Future of CAD and PDM

Dit webinar zal ingaan op de toekomst van CAD en PDM met behulp van Onshape.

8 september 2021

Webinar Open OT-architecturen

De vierde industriële revolutie verwacht dat computerapplicaties van productiebedrijven zich kunnen...

8 september 2021, Brussel

Machineering

Maak- en engineeringtechnologie in levende lijve en met fysieke interactie ontdekken.

Meer agendapunten »