Waterstroom

Elektriciteit is op te wekken door zoet en zout water te mengen. Aan de Afsluitdijk staat nu een proefcentrale.

Komend vanaf de Hollandse kust zie je net voor Breezanddijk aan de IJsselmeerkant van de Afsluitdijk, een doosvormig gebouw in verschillende tinten blauw. Het is de proefinstallatie van REDStack BV voor het winnen van ‘blauwe energie’. Directeur Rik Siebers: „Elk uur pompen we 200.000 liter zout water uit de Waddenzee en voeren dat via een pijpleiding over de snelweg naar onze centrale. Daar wordt het gemengd met 200.000 liter zoet water, dat we uit het IJsselmeer halen. Brak water wordt ook weer via een pijpleiding over de snelweg teruggevoerd naar de Waddenzee.”

Eenmaal in het gebouw worden zout water en zoet water apart gezeefd in trommelzeven en vervolgens via een voorraadvat door twee rijen van elk vier ‘stacks’ geleid: blauwe dozen van een kubieke meter groot, waar waterslangen en elektriciteitskabels uitsteken. Elk van de acht dozen bevat honderden dicht opeen gestapelde dunne vellen kunststof, de membranen, van elk een halve vierkante meter. Die membranen zijn nodig om elektriciteit te oogsten uit het verschil in zoutgehalte tussen Waddenzeewater en IJsselmeerwater (zie kader).

Het principe van ‘blue energy’ is al bijna zeventig jaar bekend, vertelt Jan Post, onderzoeker bij Wetsus (Water Campus Leeuwarden) en vijf jaar geleden gepromoveerd op het onderwerp. „Begin jaren vijftig beschreef de Britse onderzoeker Richard Pattle hoe hij elektriciteit kon opwekken met ‘omgekeerde elektrodialyse’ [reverse electrodialysis of RED, red.]. Wat hij deed, en wat we nu nog steeds doen, is het op een gecontroleerde manier mengen van zout en zoet water met behulp van een membraan. Per kubieke meter zeewater en zoet water levert dat een kleine 400 wattuur op, genoeg om 40 led-lampen van 10 watt een uur te laten branden.”

De proefcentrale bij de Afsluitdijk is eind vorig jaar geopend door koning Willem-Alexander. De investering bedraagt een enkele miljoenen euro’s. Diverse partijen, waaronder Wetsus en de universiteiten van Twente en Wageningen, zijn erbij betrokken, samen met bedrijven en overheden. De proefinstallatie levert nu nog niet voldoende op om in het eigen stroomverbruik te voorzien. Maar als de resultaten positief zijn, wordt de centrale de komende jaren opgeschaald tot 1 à 2 megawatt, voldoende stroom voor 2.500 tot 5.000 huishoudens.

Spuisluizen

Het zoete water voor de centrale wordt aangevoerd door de IJssel, verreweg de belangrijkste leverancier van zoet water voor het IJsselmeer. De rivier heeft een gemiddeld debiet van 200 kubieke meter per seconde, dat nu bij eb wordt geloosd via spuisluizen in de Afsluitdijk. „Voldoende om uiteindelijk een centrale van 200 megawatt op te laten draaien”, zegt directeur Siebers. „Een bijkomend voordeel is dat de lozing van een enorme bel zoet water, tweemaal per etmaal, wordt vervangen door een continue lozing van brak water. Waarschijnlijk is dat veel minder schadelijk voor het ecosysteem in de Waddenzee, maar dat wordt nu onderzocht.”

De IJssel is de kleinste van de grote rivieren. De Rijn bijvoorbeeld heeft een gemiddeld debiet van ruim 2.000 kubieke meter per seconde. Volgens dezelfde vuistregel zou je daarmee een centrale kunnen laten draaien van 2.000 MW, evenveel als twee flinke kolencentrales, maar dan zonder de CO2-uitstoot. „Vergeleken met andere vormen van duurzame energie, zoals zon en wind, is het grote voordeel van een osmosecentrale dat hij continu elektriciteit levert”, zegt Jan Post. Rivieren zijn stabieler, maar per seizoen kan de hoeveelheid water die de rivier naar zee afvoert natuurlijk wel variëren.

Als alle in zee uitmondende rivieren in Europa op deze manier benut worden, zou dat in principe jaarlijks 180 terawattuur aan osmotische elektriciteit kunnen opleveren, 5 procent van de totale elektriciteitsconsumptie.

Voor die schattingen over de bijdrage van osmotische elektriciteit ook maar enigszins realiteit worden, zal er nog heel wat zoet water ongebruikt naar de zee stromen. Het mooie van de Afsluitdijk is dat die een scherpe scheiding vormt tussen zoet en zout water. In de meeste riviermonden is die scheiding veel diffuser; dat betekent dat je kilometerslange pijpleidingen aan moet leggen om zoet dan wel zout water naar de centrale te brengen.

In de technologie zelf zijn ook nog een paar fundamentele problemen die opgelost moeten worden. Een ervan is het dichtslibben van het membraan door algen, wieren, sedimenten en diatomeeën in zowel rivier- als zeewater. Ze vormen een biofilm op het membraan, waardoor de elektriciteitsproductie terugloopt.

Osmotische schok

„Om zulke vervuiling te voorkomen, kun je bijvoorbeeld regelmatig zoet en zout water verwisselen”, zegt Kitty Nijmeijer, hoogleraar membraantechnologie aan de Universiteit Twente en direct betrokken bij het project. „Daardoor krijgen waterorganismen een osmotische schok, die ze onprettig vinden. Je kunt ook korte elektrische pulsen geven, of je kunt om de zoveel tijd perslucht door de kanaaltjes blazen. Als je maar voorkomt dat ze zich hechten op het membraan.”

Een ander probleem is dat zeewater niet alleen keukenzout bevat, maar ook magnesiumsulfaat. In oplossing levert dat tweewaardige magnesiumionen en die verstoren de membraanscheiding van natrium- en chloride-ionen. Nijmeijer: „Het komt er op neer dat de positief geladen magnesiumionen de plaats van de natriumionen innemen voordat de chloride-ionen door het andere membraan zijn afgevoerd. Dan wordt er dus geen potentiaalverschil opgebouwd en wordt er ook geen elektriciteit geproduceerd. De uitdaging is om de chemische samenstelling van de membranen aan te passen, zodat ze nog selectiever zijn en alleen natrium- en chloride-ionen doorlaten.”

Naast die technische uitdaging ligt er ook nog een aanzienlijke economische uitdaging. Ion-selectieve membranen kosten momenteel zo’n 50 euro per vierkante meter. David Vermaas, onlangs met lof gepromoveerd bij Kitty Nijmeijer, rekent in zijn proefschrift voor dat het membraan hooguit 4 euro per vierkante meter mag kosten, wil blauwe energie in de toekomst kunnen concurreren met bijvoorbeeld elektriciteit uit zonne-energie. Dat betekent een subsidieloze kostprijs van 8 cent per kilowattuur.

Volgens Vermaas is dat haalbaar, vooropgesteld dat de eerder genoemde problemen – vervuiling van het membraan en verstoring door magnesium – worden opgelost. En dat de vermogensdichtheid, het aantal watt per vierkante meter membraan, kan worden opgevoerd tot 2,7 watt. In het laboratorium wordt dat al ruimschoots gehaald, maar in de praktijk wordt dat een stuk lastiger. Het houdt onder meer in dat de afstand tussen de membraanvellen in een stack niet groter mag zijn dan de dikte van een mensenhaar, een factor tien kleiner dan nu in de praktijk gehaald wordt.