Blue Energy

Blue Energy

Analyse van een potentiële bron van

hernieuwbare energie in Nederland

Thema III deel 2

Tiemen van Stempvoort (Scheikunde)

Daan Stroeken (Natuurkunde)

Cato van Willige (Wiskunde)

Universiteit van Amsterdam

18 januari 2018

Aantal woorden: 7121

Abstract: Blue Energy is een vorm van duurzame energiewinning die berust op het verschil in gradiënt van zoet en zout water. Dit paper beperkt zich tot de RED-methode (Reverse ElectroDialysis), de techniek die in Nederland wordt gebruikt. Met de enige Blue Energy centrale ter wereld (op de Afsluitdijk) is Nederland koploper op dit gebied. Deze centrale wordt nog niet gebruikt voor commerciële toepassingen en de bedrijven REDStack en Deltares werken hier intensief samen met een aantal Nederlandse universiteiten voor optimale ontwikkeling van het proces. In het klimaatakkoord van 2015 is afgesproken dat Nederland 20% van de nationale energievoorziening in 2020 dekt door hernieuwbare energie. Met de huidige stand van zaken is dit niet haalbaar. De vraag is of Blue Energy daar een verschil in kan maken. In dit paper wordt aan de hand van diverse literatuurbronnen de potentie van Blue Energy in Nederland in kaart gebracht. Dit paper beschrijft achtereenvolgens de grootste bottlenecks van het proces, de omstandigheden vereist voor commerciële exploitatie en de verhouding tot andere duurzame energietechnieken. Uit deze deelonderwerpen komt naar voren dat Blue Energy, ondanks enkele hindernissen op technologisch gebied, in theorie een grote potentie heeft. Het is echter lastig om in Nederland een locatie te vinden die aan alle eisen van het proces voldoet.

Inhoudsopgave

Introductie……….……….……….……….……….………..……….2

Interdisciplinariteit……….……….……….……….……….……….4

Theoretisch kader……….……….……….……….……….……….………...5

Deelvraag I: Wat is de invloed van verschillende soorten vervuilingen en welke oplossingen zijn daarvoor mogelijk?……….……….……….……….……...7

Deelvraag II: Hoe gunstig zijn de natuurlijke omstandigheden in Nederland voor commerciële exploitatie van RED?……….……….……….……….………..10

Deelvraag III: Hoe verhoudt de voorspellingen van de ontwikkeling van RED zich tot de ontwikkelingen van andere relevante duurzame-energietechnieken?……….……….……….……….………...13 Methoden……….……….……….……….……….……….………..15 Conclusie.……….……….……….……….……….……….……….….16 Discussie……….……….……….……….……….……….………....16 Literatuurlijst……….……….……….……….……….………...………….17 Appendix I: Interviews…...…….……….……….……….……….………...19

Introductie

Blue Energy (blauwe energie) is een relatief onbekende bron van hernieuwbare energie. Door gebruik te maken van het verschil in osmotische waarde (zoutgehalte) tussen zee- en rivierwater kan in rivierdelta’s en estuaria, zoals in Nederland, energie worden opgewekt. Feitelijk is Blue Energy een parapluterm voor alle verschillende manieren om energie op te wekken met gebruik van water. Zo wordt het ook vaak gebruikt om de opwek van golfslag- of getijdenenergie te beschrijven. Het meest wordt de term echter gebruikt om de opwek van energie uit een zoutgradiënt in water te beschrijven, dat is dan ook wat in dit paper bedoeld wordt met de term Blue Energy.

Theoretisch gezien zou deze energiebron wereldwijd 2,4 - 2,8 TW aan energie opwekken, wat dicht ligt bij de mondiale dagelijkse consumptie aan electriciteit (Jia, Wang, Song & Fan, 2014). Er zijn verschillende technieken beschikbaar om deze energie op te vangen en om te zetten in elektriciteit. De bekendste technieken zijn Reverse ElectroDialysis (RED), Pressure Retarded Osmosis (PRO) en Capacitive Reverse ElectroDialysis (CRED) (Jia, Wang, Song & Fan, 2014). Deze technieken halen elk op een andere manier energie uit het zoutgradiënt.

De hoeveelheid energie die momenteel wereldwijd wordt opgewekt is echter nog nihil. In Noorwegen is in 2009 een pilot geopend die gebruik maakte van de PRO-techniek met een vermogen van 10 kW (Achili & Childress, 2009), deze is inmiddels weer gesloten (Statkraft, 2013). Hierdoor is Nederland momenteel het enige land op de wereld met een werkende Blue Energy pilot.

In Nederland staat een Blue Energy centrale op de Afsluitdijk. Hier wordt dagelijks zoet water vanuit het IJsselmeer de Waddenzee ingepompt. Volgens Wetsus zou over tien jaar in deze centrale genoeg elektriciteit kunnen worden opgewekt om Groningen, Drenthe en Friesland van elektriciteit te voorzien. Een tweede pilot staat volgens onderzoeker Joost Veerman op het programma in Katwijk (pers. comm., 30 november 2017).

Figuur 1. Blue Energy op de Afsluitdijk centrale schematisch weergegeven

Er zijn een aantal bedrijven die intensief samenwerken bij de ontwikkeling van Blue Energy. Dit zijn onder andere REDstack (een spin-off bedrijf van onderzoeksinstituut Wetsus),

ingenieursbureau Deltares en Fujifilm. Daarnaast zijn ook meerdere Nederlandse universiteiten, zoals Twente, Wageningen, Groningen en Delft betrokken bij het proces. Er wordt in Nederland dus ook publiek geld gestoken in de ontwikkeling van Blue Energy. Hoeveel dit precies is, is onduidelijk.

Het is echter maar de vraag of het ooit mogelijk gaat worden om de opwekking van Blue Energy commercieel te exploiteren. De reden dat Statkraft de stekker uit de pilot in Noorwegen trok was puur economisch. Daarnaast zet de onafhankelijke expert Luca van Duren vraagtekens bij de geschiktheid van de geografie van Nederland om een grootschalige energiecentrale op te zetten (pers. comm, 14 november 2017)

Het doel van dit paper is daarom om te onderzoeken of het wel haalbaar is om ooit op grote schaal energie op te wekken door middel van RED technologie in Nederland. Het onderzoek beperkt zich tot RED omdat er in Nederland geen andere technieken worden gebruikt voor Blue Energy. De reden dat dit onderzoek zich alleen tot Nederland beperkt is dat Nederland het enige land is waar Blue Energy in de praktijk wordt toegepast. En omdat er in Nederland publiek geld in de ontwikkeling van Blue Energy wordt gestopt is het ontzettend relevant om te weten of de techniek wel op grote schaal gebruikt zal gaan worden. De onderzoeksvraag is als volgt geformuleerd:

Wat is de potentie van de RED technologie in Nederland, gebruikt bij het opwekken van duurzame energie?

Deze hoofdvraag is uitgesplitst in de volgende drie deelvragen:

● Wat is de invloed van de verschillende soorten vervuiling en welke oplossingen zijn daarvoor mogelijk?

● Hoe gunstig zijn de natuurlijke omstandigheden in Nederland voor commerciële exploitatie van RED?

● Hoe verhoudt de verwachte ontwikkeling van RED zich tot andere duurzame-energietechnieken in Nederland?

Hypothese

Uit verkennende gesprekken met REDstack bleek dat zij erg positief zijn over de ontwikkeling van de techniek. De literatuur over Blue Energy in het algemeen schetst ook een grote toekomst voor deze techniek. Mogelijk zijn de visies van de betreffende onderzoekers wel bijzonder rooskleurig omdat zij belang hebben bij verdere ontwikkelingen. Daarnaast lijkt de geologie van Nederland op het eerste gezicht erg gunstig voor Blue Energy. Zijnde het ‘afvoerputje’ van Europa mondt er in Nederland veel rivierwater uit in zee. Er is een lange kustlijn en met de vele verschillende rivieren, het Markermeer en het IJsselmeer hebben we de mogelijkheid om veel zoet water op te slaan. Nederland lijkt dus bij uitstek erg geschikt voor een Blue Energy centrale. Daarom is onze verwachting dat er in Nederland op de lange termijn veel potentie is voor commerciële exploitatie van een Blue Energy centrale maar dat er op de korte termijn eerst een oplossing moet worden gezocht voor de vervuiling van de membranen in het RED proces.

Methoden

Ontwikkeling van de onderzoeksvraag

Contact met REDstack, het bedrijf achter de nederlandse Blue Energy pilot, is de leidraad geweest in de vorming van de hoofdvraag van dit onderzoek. De wisselwerking tussen het vinden van een actueel relevant onderwerp, waarvoor met name REDstack geraadpleegd werd, en de haalbaarheid van een robuust literatuuronderzoek heeft de onderzoeksvraag gemaakt tot wat het nu is.

In eerste instantie werd de focus alleen gelegd op de vervuiling van de membranen, later is gekozen om de huidige tweede en derde deelvragen aan het onderwerp toe te voegen. Allereerst is hiervoor gekozen omdat de vervuiling van de membranen slechts met experimenten opgelost zal worden, een literatuuronderzoek zal niet veel toevoegend karakter hebben. Daarnaast bleek in de loop van het onderzoek dat de ruimtelijke en economische aspecten in de toekomst een grotere rol zullen gaan spelen dan aanvankelijk werd gedacht.

Verzameling van resultaten

In dit onderzoek is de nadruk gelegd op een literatuuronderzoek, met daarnaast drie interviews met wetenschappers uit het onderzoeksveld. Omdat dit onderzoek vooral kijkt naar de toekomst, en het makkelijk is om mee te gaan in zwak gefundeerde uitspraken over de toekomst, is er veel aandacht besteed aan het onderbouwen van uitspraken met wetenschappelijke literatuur. Vandaar worden de experts maar in beperkte mate aangehaald in de resultatensectie. De minder zichtbare sturende rol van de experts moet echter wel nadrukkelijk erkend worden.

De experts Joost Veerman

REDStack is het grootste bedrijf dat zich dagelijks bezighoudt met het ontwikkelen en vermarkten van Blue Energy. Joost Veerman vertegenwoordigt REDstack in het interview. Hij is

nu zeven jaar werkzaam bij REDstack en focust zich vooral op de ontwikkeling van membranen. Verscheidene keren is er telefonisch contact geweest, slechts een van deze gesprekken is opgenomen als formeel interview en staat uitgeschreven in de Appendix.

Mathijs Jansen

Mathijs Jansen was promovendus aan het Instituut voor Theoretische Fysica van de Universiteit van Utrecht onder prof. René van Roij. Het team dat hier werkzaam is heeft veel onderzoek naar Blue Energy gedaan, maar focust zich vooral op Capacative Mixing, een andere technologie dan RED. Toch bleek dit interview van nut te zijn. Hij heeft namelijk ook een artikel geschreven, genaamd ‘(B)lauwe Energie’ waarin hij vertelt hoe duurzame energie te winnen is uit elektrostatische generatoren en hoe temperatuurstijging daarbij van invloed is. De basis van dit artikel verschafte ons veel informatie over blauwe energie in het algemeen.

Luca van Duren

Voor het bureau Deltares doet Luca van Duren onderzoek naar Blue Energy. Ze is als bioloog afgestudeerd aan de Universiteit van Groningen en doet met name onderzoek naar de effecten op ecosystemen door Blue Energy.

Theoretisch kader

In dit theoretisch kader zal eerst de belangrijkste achtergrondinformatie over Blue Energy en het RED-proces in het algemeen worden gegeven, daarna zullen begrippen die worden gebruikt in de deelvragen worden toegelicht. Dit is voornamelijk van toepassing op de eerste deelvraag, aangezien dit de meest technische inhoudelijke deelvraag is, worden hier meer begrippen gebruikt.

Probleemstelling

Momenteel is de wereldwijde energievoorziening grotendeels afhankelijk van fossiele brandstoffen. Het verminderen van deze niet-hernieuwbare energie is een complexe kwestie. In het rapport Hernieuwbare Energie in Nederland 2016 is vastgesteld dat Nederland binnen Europa achterloopt wat betreft het aandeel hernieuwbare energie in het totale energieverbruik. Het aandeel neemt wel toe, maar niet snel genoeg. In 2015 was dit 5,8 procent en 2016 liet een geringe toename zien tot slechts 6 procent. Het doel is om in 2020 op 14 procent hernieuwbare energie te zitten. Er zal in bronnen van hernieuwbare energie moeten worden geïnvesteerd om de energievoorziening op peil te houden en zo de uitstoot van broeikasgassen te verminderen. Daarnaast is het van belang dat het energieaanbod gevarieerd is om continuïteit op het energienet te garanderen.

Potentie

Het begrip potentie, wat in de hoofdvraag wordt genoemd, wordt in dit paper als volgt gedefinieerd: in de nabije toekomst een kosten-effectieve duurzame energiebron zijn die verantwoordelijk is voor een betekenisvol percentage van de duurzame energievoorziening in Nederland. Met nabij wordt in het paper een tijdspanne van 10-20 jaar bedoeld. Dit is normaal voor een energiebron waarvan de productie nog in de experimentele fase bevind. Met betekenisvol wordt een percentage van minimaal 5% van de duurzame energievoorziening bedoeld. Dit is vergelijkbaar met bronnen als zonne- of bodemenergie.

De werking van het RED-proces

In dit paper zal alleen de RED methode worden behandeld aangezien deze uitsluitend in Nederland wordt toegepast (Ball, 2015). Voor deze techniek worden cation-exchange membranes en anion-exchange membranes, membranen die respectievelijk alleen kationen en anionen doorlaten, op elkaar gestapeld. Kationen zijn positief geladen deeltjes, anionen zijn negatief geladen deeltjes. Zoet en zout water stroomt parallel aan elkaar, gescheiden door deze membranen. Door het verschil in zoutgehalte tussen het zoete en het zoute water (het zoutgradiënt) zal er een overdracht van kationen en anionen over het membraan plaatsvinden en kan een elektrische stroom worden opgewekt. Het proces werkt dus als een elektrochemische cel (Zijlstra, 2010). Het proces is zeer duurzaam: er worden geen grondstoffen verbruikt. Het gebruikte mengproces vindt in de natuur ook plaats en de energie die normaal verloren gaat wordt nu benut.

Zie Figuur 2 voor een schematische weergave van het RED-proces. Het proces kan opgeschaald worden door meerdere van deze membranen op te stapelen tot een ‘stack’ van membranen. Bij het mengen van één kubieke meter zout en zoet water komt 2.2 MJ aan energie vrij (Jia, Wang, Song & Fan; 2014), waarvan 1 tot 1.5 MJ van kan worden opgevangen in een RED centrale (Quack,

Figuur 2. Principe van reverse electrodialysis (RED). Het zoute en zoete water stroomt afwisselend langs anode (AEM) en kathode (CEM) membranen. Een redoxreactie zet de ionenstroom om in een elektrische stroom.

Vervuiling van membranen

Zoals beschreven in de inleiding is de grootste uitdaging van Blue Energy op dit moment de vervuiling van de membranen. Daarom worden in de eerste deelvraag verschillende membranen vergeleken. Binnen de RED-techniek kunnen twee soorten membranen worden gebruikt: flat ion exchange membranes en profiled ion exchange membranes (Vermaas, Kunteng, Saakes, & Nijmeijer, 2013).

Flat ion exchange membranes

Deze membranen bestaan uit meerdere lagen met daartussen zogenoemde spacers. Dit zijn een soort veren die beide lagen uit elkaar houden zodat er een potentiaalverschil kan ontstaan. De ene laag is een anion uitwissel-membraan en laat uitsluitend anionen door. De andere laag is een cation uitwissel-membraan en laat alleen kationen door. (Vermaas, Kunteng, Saakes, & Nijmeijer, 2013)

Profiled ion exchange membranes

Deze membranen lijken erg op de eerder genoemde flat ion exchange membranes, er zijn twee verschillen. Ten eerste bevatten deze membranen geen spacers, ten tweede zijn deze membranen niet plat maar geprofileerd, waardoor het contactoppervlak groter is. (Vermaas, Kunteng, Saakes, & Nijmeijer, 2013)

Profiled plastic sheets

Plastic sheets worden gebruikt als blanco in experimenten waarin vervuiling van membranen wordt onderzocht (Vermaas, Kunteng, Saakes, & Nijmeijer, 2013).

Deelvraag I:

Wat is invloed van verschillende soorten vervuiling en welke oplossingen zijn

daarvoor mogelijk?

Verschillende vervuilingen Introductie

Het grootste knelpunt van de RED-technologie zijn de membranen. Het is belangrijk dat de membranen zo dun mogelijk zijn, hierdoor is er sprake van zo min mogelijk weerstand. Vervuiling door onder andere kleine micro-organismen, multivalente ionen en siliciumverbindingen in het zee- of rivierwater kunnen leiden tot een vermindering van het rendement van het RED proces tot 60 procent binnen 25 dagen (Vermaas, 2013), ten opzichte van de theoretische voorspelling. Ratkje, Holt en Fiksdal (1986) meetten een afname van meer dan 70% in 26 weken. De vervuiling is dan ook het voornaamste onderwerp van onderzoek bij REDstack, veelal in samenwerking met Fuji, de fabrikant van de membranen (pers. comm. met Joost Veerman, 2017).

In deze deelvraag worden twee membranen en een blanco met elkaar vergeleken: ion exchange membranes with spacers, profiled ion exchange membranes en profiled plastic sheets. De blanco is gekozen om te onderzoeken wat de invloed is van lading van de ion exchange membranes op de hoeveelheid vervuiling. De ion exchange membranes bestaan uit een opstapeling van cation-exchange membranes (CEM) en anion-cation-exchange membranes (AEM). In de resultaten is ook onderscheid gemaakt tussen de CEM’s en AEM’s. Er is gekozen om enkel organische vervuiling mee te nemen in het onderzoek, omdat deze membranen in een werkelijke fabriek hier voornamelijk mee te maken zullen krijgen. De vier vormen van vervuiling die genoemd zijn in tabel 1 zijn meegenomen in het onderzoek, omdat de vervuiling voor het overgrote deel uit deze vier vormen bestaat.

Tabel 1. Verschillende vormen van vervuiling en op welke membranen deze voorkomen. Bron data: Vermaas et al. (2013).

Na een onderzoek door Vermaas et al. (2013) werden de membranen na 25 dagen gebruik, onderzocht onder de microscoop. Hieruit bleek dat er voornamelijk grijs-bruin materiaal op de AEM’s zat, veel minder op de CEM’s en er was niks te zien op de plastic sheets. Het grijsbruine

materiaal bestond voornamelijk uit diatomeeën. Dit is een groep van algen die een extern skelet bevat van voornamelijk silicium. Deze silicium atomen zijn negatief geladen en worden daardoor sterk aangetrokken tot de AEM’s. (Vermaas, Kunteng, Saakes, & Nijmeijer, 2013)

De AEM’s en CEM’s bezitten dus allebei lading. Wanneer geladen deeltjes in aanraking komen met deze membranen zullen zij blijven plakken aan de membranen met de complementaire lading, hierdoor raakt het membraan vervuild (Korngold, de Körösy, Rahav, & Taboch, 1970) .

Alleen op de plastic sheets werden algen en bacteriën gevonden, er is hier geen duidelijk aanwijsbare reden waarom deze niet worden gevonden op de ion exchange membranen. (Vermaas et al., 2013) Door de uitwisseling van mono- en multivalente ionen over de membranen, kunnen er soms gelokaliseerde afwijkingen optreden in de concentratie van bepaalde ionen. Dit kan resulteren in oververzadiging van het water. Dit kan zorgen voor neerslag van deze ionen als een zout. Vooral over de CEM’s worden calcium ionen uitgewisseld, hierdoor slaan deze deels neer als calciumfosfaten op de CEM’s (Ping, Cohen, Dosoretz, & He, 2013).

De vervuiling op de AEM’s bestaat voornamelijk uit silicium en zuurstofatomen. Uit onderzoek van Vermaas et al. (2013) blijkt dat deze deeltjes niet afkomstig zijn vanuit het grijs-materiaal dat eerder is beschreven. Deze vorm van vervuiling komt vanuit klei, de deeltjes zijn geladen en worden sterk aangetrokken tot de AEM’s.

De verschillende vormen van vervuiling zijn dus sterk afhankelijk van de lading van de membranen. Hierdoor zie je weinig tot geen verschil in de soorten vervuiling tussen de verschillende AEM’s en CEM’s, aangezien zij allen lading dragen.

Effecten vervuiling

Zoals beschreven in het theoretisch kader wordt energie opgewekt door middel van een potentiaalverschil over de membranen. Dit potentiaalverschil over de membranen is ontstaan door een verschil in zoutgradiënt van het zoete en zoute water. Hierdoor kunnen de kationen en anionen in tegenovergestelde richting over de membranen worden getransporteerd. Hierdoor komt er positieve lading aan de ene en negatieve lading aan de andere kant van de membranen te zitten, dit zorgt voor een lopende stroom van elektriciteit. Door vervuiling wordt het verplaatsen van deze ionen over de membranen bemoeilijkt, dit verkleint de output van de membranen. De output kan worden onderverdeeld in twee belangrijke aspecten, namelijk de druk en de vermogensdichtheid. Om de output zo groot mogelijk te maken moeten de druk van toe- en afvoer zo dicht mogelijk bij elkaar liggen en de vermogensdichtheid zo groot mogelijk zijn Vermaas et al. (2013).

Druk

Door Turek en Bandura (2007) zijn de druk van de toevoer en afvoer van water met elkaar vergeleken. Het blijkt dat deze druk in alle gevallen afneemt. Uit de gevonden resultaten over vervuiling viel te verwachten dat de drukverlaging bij de plastic sheets het laagste was aangezien hier de minste vervuiling op komt te zitten. Dit komt overeen met de gevonden resultaten. Over de andere vier opties valt te verwachten dat deze dezelfde drukverlaging ondervinden door vervuiling. Maar in tabel 1 komt niet naar voren hoeveel vervuiling er plaatsvindt, alleen welke soorten. Nu blijkt dat in de ion-exchange membranes met spacers meer drukverlaging plaatsvindt dan in de profiled ion-exchange membranes. De membranen met spacers hebben een soort van

geweven structuur waardoor er veel kleine gaatjes in zitten, hier raken deeltjes snel in verstrikt. Deze zorgen voor een grotere vervuiling en dus grotere drukverlaging (Turek & Bandura, 2007). Vermogensdichtheid

De vermogensdichtheid wordt voornamelijk verlaagd door de uitwisseling van multivalente ionen met monovalente ionen over het membraan. Maar dit feit kan niet het volledige verlies in vermogensdichtheid verklaren, daarvoor moet worden ingegaan op permselectiviteit en weerstand. (Vermaas et al., 2013)

Permselectiviteit

De permselectiviteit van een membraan slaat op de mate waarin een ion-exchange membrane lading kan vervoeren (Giorno, Drioli, & Strathmann, 2015). In het onderzoek van Vermaas et al. (2013) is een duidelijke verlaging van de permselectiviteit van de membranen te zien, het is onduidelijk wat hiervoor zorgt. Opvallend is dat de permselectiviteit ongeveer gelijk afneemt voor alle membranen. Deze afname is dus onafhankelijk van het type membraan (Vermaas et al., 2013).

Weerstand

De weerstand groeit voor alle membranen in het onderzoek van Vermaas et al. (2013) gestaag. De weerstand neemt vooral toe voor de membranen met spacers. De toename in weerstand kan goed worden verklaard door organische vervuiling. Binnen korte tijd komt er op sommige plekken op het membraan een laagje van organische moleculen, dit verkleint het oppervlak van de membranen dat kan worden gebruikt voor het opwekken van energie en dus de vermogensdichtheid. Bij membranen met spacers is er ruimte voor organische vervuiling en zorgt voor een grotere weerstand (Vermaas et al., 2013).

De drukverlaging en verlaging in vermogensdichtheid, veroorzaakt door de afname in permselectiviteit en toename in weerstand, verklaren de afname in output, dit verlaagt de potentie van de RED techniek sterk. Maar zoals genoemd is de invloed van de vervuiling op de profiled membranes al een stuk kleiner dan op de flat membranes with spacers. Uit het interview met Joost Veerman kwam naar voren dat de technologische vooruitgang in membranen hier niet zal stoppen. Deze zal doorgaan en hoogstwaarschijnlijk worden er membranen ontwikkeld die nog minder invloed voelen van de vervuiling.

Reinigingsmethoden membranen

De invloed van vervuiling op de energiewinning via de membranen is dus groot. Er zijn twee manieren om dit op te lossen. Namelijk door de vervuilde membranen te reinigen, dit kan via twee technieken: electrodialysis reversal en pulsating flow. Daarnaast kan een membraan ook minder vatbaar gemaakt worden voor vervuiling door modificatie. Door deze drie methoden toe te passen kan de invloed van vervuiling worden verkleind en dus de potentie van RED worden vergroot.

Electrodialysis reversal (EDR)

Zoals beschreven in het theoretisch kader verplaatsen de negatieve ionen in de ene richting door de membranen en de positief geladen ionen in de andere richting. Een groot deel van de vervuiling op de membranen bestaat uit geladen deeltjes, zoals is gebleken uit dit onderzoek. Door de lading van de kathode en de anode tijdelijk om te draaien, bewegen deze geladen deeltjes de

tegengestelde richting op. Hierdoor komt de vervuiling los uit de membranen en wordt het meegevoerd door de stroming van het water (Chao & Liang, 2008). Het nadeel van deze techniek is dat het alleen werkt voor geladen deeltjes.

Pulsating flow

De binding tussen vervuiling en membraan is vaak niet sterk en kan door kleine aanpassingen in omstandigheden al worden verbroken. Een redelijk eenvoudige manier om verandering in deze omstandigheden te brengen is door de constante stroom te verstoren door pompen met hoge frequentie aan en uit te schakelen. Dit zorgt voor een wisselende druk die wordt uitgevoerd op de deeltjes die vervuiling veroorzaken. Deze druk kan genoeg kracht leveren om de vervuiling los te weken van het membraan. Het voordeel van deze techniek boven EDR is dat zij alle deeltjes, geladen of ongeladen, beïnvloedt. Er zitten echter ook nadelen aan het gebruik van pulsating flow, door de wisseling in druk die het veroorzaakt kan het de membranen beschadigen (Blel, Legentilhomme, Bénézech, Legrand, & Le Gentil-Lelièvre, 2009).

Modificatie van membranen

EDR en pulsating flow zijn allebei technieken die een constante toevoer van energie vereisen, dit zou het energierendement van het proces uiteindelijk kunnen verlagen. Een derde methode is van een andere aard, dit is namelijk de modificatie van membranen. Na de productie van de membranen kunnen deze nog een coating krijgen. Deze werkt het beste wanneer de binding tussen membraan en coating het sterkst is, en is dus zeer afhankelijk van de aard van het membraan. Deze coatings bestaan vaak uit grote deeltjes, daardoor komen de deeltjes die vervuiling veroorzaken minder makkelijk bij het membraan zelf en binden dus ook minder gemakkelijk. Het voordeel van deze methode is dat er maar eenmaal energie wordt gebruikt voor het aanbrengen van de coating, daarna is er geen verdere energie voor het schoonhouden van de membranen nodig (Grebenyuk, Chebotareva, Peters, & Linkov, 1998).

Deelconclusie

Uit dit onderzoek is gebleken dat vervuiling wel degelijk een grote invloed heeft op de potentie van de energiewinning via de RED methode. Deze invloed neemt echter af, in de vergelijking van oudere membranen met spacers met nieuwe profiled membranen werd gevonden dat de vervuiling een kleinere invloed heeft op de nieuwe profiled membranen. Ook uit het interview met expert Joost Veerman, werkzaam bij REDstack, bleek dat deze ontwikkelingen van nieuwe membranen door blijft gaan, en dus vervuiling waarschijnlijk nog minder invloed gaat hebben op de membranen van de toekomst. Daarnaast wordt er veel onderzoek gedaan naar methoden om vervuilde membranen te reinigen, ook dit onderzoek staat in de kinderschoenen. Hieruit valt te concluderen dat de vervuiling van membranen de ontwikkeling van de RED techniek niet zal tegenhouden, mogelijk enkel vertragen.

Deelvraag II:

Hoe gunstig zijn de natuurlijke omstandigheden in Nederland voor commerciële exploitatie van RED?

Geschiktheid van locaties voor een Blue Energy centrale in Nederland

Nederland kent veel plekken waar zee- en rivierwater elkaar ontmoeten. Dit kan zijn in de vorm van delta’s, estuaria of bij door de mens gemaakte waterwerken als de afsluitdijk, waar het zoete en zoute water handmatig gescheiden wordt. Niet elke plek is echter meteen geschikt voor een Blue Energy centrale, daar komen meerdere eisen bij kijken.

Er zijn tot nu toe twee grote onderzoeken gaan naar het ruimtelijke aspect van de mogelijkheden van Blue Energy in Nederland. Één hiervan is uitgevoerd door het ingenieursbureau Deltares in opdracht van Rijkswaterstaat (Bruggers, Icke & van der Zwan, 2010), de ander door de Technische Universiteit in Delft (Quack, 2009).

In dit hoofdstuk zal eerst gekeken worden naar de algemene eisen voor een geschikte locatie, om daarna te kijken naar mogelijke locaties voor een centrale in Nederland.

Aspecten van een geschikte locatie

Volgens Quack (2009) zijn er drie belangrijke voorwaarden voor de geschiktheid van een locatie voor Blue Energy. Allereerst de hoeveelheden water die je nodig hebt en ook weer kwijt moet, ten tweede de zoutgradiënt die beschikbaar is en ten derde de mogelijkheid om de waterstromen te kunnen scheiden. Die zullen eerst beschreven worden. Daarna zullen de belangrijkste aanvullingen hierop uit het rapport van Deltares worden beschreven.

De hoeveelheden water

Bij het mengen van een aanvoer van 1 m³/s zoet en zout water, kan er 1 MW (Quack, 2009) tot 1,5 MW (Bruggers, Icke & van der Zwan, 2010; Post, 2009) aan vermogen worden gegenereerd. De meeste energiecentrales in Nederland leveren momenteel tussen de 100 en 500 MW aan vermogen (Seebregts, 2007). Voor een kleine centrale heb je dus al een aanvoer van ongeveer 100 m³/s zoet en zout water nodig, en heb je ongeveer 200 m³/s aan brak water als effluent. Ter vergelijking, het debiet van de Rijn is gemiddeld 2200 m³/s, van de Maas gemiddeld 320 m³/s (Quack, 2009). Deze twee rivieren zorgen grofweg voor al het zoete water dat ons land binnenkomt. Met deze hoeveelheid water zou er dus in theorie 2520 - 3780 MW aan energie kunnen worden opgewekt.

De zoutgradiënt

Ideaal gezien bevat het zoete water zo min mogelijk zout, en het zoute water zoveel mogelijk. Quack zet de uiterste grenzen van de saliniteit op maximaal 1 g/L voor het zoete water en minimaal 25 g/L voor het zoute water. Wanneer dit verschil kleiner wordt, dan neemt het vermogen erg snel af (Quack, 2009). Of deze waarden ook voldoende zijn om een Blue Energy centrale rendabel te laten draaien in onbekend. De saliniteit van de Waddenzee is gemiddeld 28.7 g/L, met de belangrijke vermelding dat daar een neergaande trend in zit sinds het begin van de metingen in 1880 toen het nog gemiddeld 31.5 g/L was (van Aken, 2008). In de Noordzee is het zoutgehalte direct aan de kust 28-31 g/L, dieper op zee ligt het rond de 34 g/L (Noordzeeloket, 2018).

Scheiding van waterstromen

Dit aspect is minder simpel dan de voorgaande twee. Het is essentieel dat het brakke water dat de centrale verlaat niet gemengd wordt met het zoete en het zoute water dat de centrale binnenkomt. Vermenging van de waterstromen leidt al heel snel tot een verkleining van het zoutgradiënt, met een lager vermogen tot gevolg. Omdat je bij een commerciële centrale echter te maken hebt met grote waterstromen van minstens 100 m³/s is dit niet zonder infrastructurele maatregelen te realiseren.

Er zijn nog een aantal variabelen die deels binnen de bovenstaande categorieën vallen maar extra aandacht vereisen. Dit zijn met name aspecten die de de stroming van de rivier aantasten en zo de continuïteit van aanvoer van het water in gevaar brengen, of de saliniteit doen veranderen. In riviermondingen heb je vaak te maken met zoutwatertongen, zout water dat de rivier indringt. De reikwijdte hiervan wordt bepaald door de sterkte van de stroming van het zoete water en het getij van de zee (Bruggers, Icke & van der Zwan, 2010). Het plaatsen van een Blue Energy centrale kan dit versterken, waardoor het zijn eigen aanvoer van zoet water in gevaar kan brengen, als het zoute water met de aanvoer van zoet water mengt, maar ook kan er verzilting optreden in de aan de rivier grenzende regio's.

Ook kan de morfologie (de vorm) van een rivier veranderen na het plaatsen van een centrale. Dit kan resulteren in meer sedimentering, wat voor zowel de scheepvaart als de centrale zelf voor problemen kan gaan zorgen. Daarnaast heeft het zoete water in de rivieren momenteel ook al functies. Zo kan het verbruiken van het zoete water kan op verschillende locaties problemen op leveren voor de drinkwatervoorziening en de landbouwirrigatie.

Ten slotte heb je bij de uitlaat van het brakke water te maken met zulke grote hoeveelheden dat er ernstige erosie kan gaan optreden. Zonder preventieve maatregelen kan dit problemen opleveren bij funderingen van dijken en waterkeringen (Bruggers, Icke & van der Zwan, 2010). Mogelijke locaties

Volgens Quack (2009) zijn er grofweg vier locaties in Nederland waar grote hoeveelheden zoet water in de zee uitkomen. Deze zijn weergegeven in Figuur 3.

Figuur 3. Locaties in Nederland waar zoet water de zee in stroomt, aangegeven met de rode pijlen, en waar rivierwater het land instroomt, aangegeven met de blauwe pijlen. De grootte van de pijl

representeert de hoeveelheid water.

Bron: Quak, R. W. (2009). Feasibility of a power plant: Blue energy in the Dutch Delta. Deze plekken zijn het Lauwersmeer, de Afsluitdijk, IJmuiden en de zogenaamde Nederlandse Delta, waarmee de delta bij Rotterdam wordt aangeduid waar de Lek en de Maas in vele vertakkingen de Noordzee in stromen. Zoals in tabel 2 te zien is, is de saliniteit overal vrijwel gelijk, maar zijn er verschillen in de grootte van de stromen.

Tabel 2. Belangrijkste eigenschappen van de mogelijke locaties voor Blue Energy in Nederland. Bron data: Quak, R. W. (2009). Feasibility of a power plant: Blue energy in the Dutch Delta.

Hieruit kan je concluderen dat slechts twee van deze locaties (Afsluitdijk en de Delta) geschikt zijn voor een commerciële centrale, omdat een potentiaal van 10 en 40 MW daarvoor niet genoeg is. De Delta is door zijn hoge potentiaal het interessantst, maar kent echter een grote variatie in zijn debiet. Een centrale op deze locatie zou dus geen constante hoge productie kunnen hebben. De Afsluitdijk

Momenteel is het zoet-waterdebiet door de afsluitdijk, verdeeld over twee sluizen aan de oost- en westzijde, in totaal ongeveer 450 m³/s. Het centreren van deze twee stromen op één punt voor een centrale zou volgens Quack geen problemen opleveren (2009). De saliniteit van het IJsselmeer is erg geschikt met een 0.3 - 0.5 g/L. De saliniteit van de Waddenzee is aan de lage kant, met een gemiddelde van 28,7 g/L in het Marsdiep, waar veel zeewater uit de Noordzee binnenstroomt en de saliniteit daardoor al hoger ligt dan op vele andere plekken in de Waddenzee (van Aken, 2008). Of dit te laag is voor een commerciële centrale is in de literatuur niet duidelijk. In het interview met Luca van Duren, werkzaam bij Deltares, is ingegaan op de locatie op de Afsluitdijk. Deze is in principe erg gunstig, doordat er grote hoeveelheden zoet en zout water beschikbaar zijn. Zij beweert echter dat het zeewater in de Waddenzee niet zout genoeg is voor een commerciële installatie. Daarnaast ziet ze in de ecologie van de omgeving ook nog een knelpunt. Het IJsselmeer is in de zomer rijk aan algen en er zitten in de Waddenzee relatief veel micro-organismen. Naast dat die algen en micro-organismen verstoppingen en vervuilingen kunnen veroorzaken, was Van Duren vooral bezorgd om de invloed op het ecosysteem. Wanneer de hoeveelheden water die nodig zijn voor een commerciële installatie uit de Waddenzee zouden worden gehaald, dan zullen micro-organismen zoals mossellarven en plankton sterven en zal het ecosysteem daaronder lijden. Daar zullen oplossingen voor moeten worden gezocht. Dit probleem kwam echter in de literatuur verder niet naar voren en is daarom niet verder onderzocht

De Delta

De delta is het complex van rivieren waar het water uit de Rijn en de Maas in de Noordzee uitmondt. Deze regio is erg interessant door de grote hoeveelheid zoet water die hier beschikbaar is. Quack (2009) noemt meerdere locaties die in deze regio voor Blue Energy mogelijk zijn. Als interessantste locatie noemt hij de Botlek, waar volgens hem een centrale van 472 MW mogelijk is. Het grootste obstakel in deze regio is het scheiden van de waterstromen. Hiervoor zouden volgens Quack dan ook maatregelen in de regio moeten worden genomen. Zo zou er een dam in de Oude Maas geplaatst moeten worden en moet de Hartelkering permanent gesloten worden. Deze maatregelen zullen negatief uitpakken voor de scheepvaart. Ook zal de Nieuwe Maas een beetje zouter worden en zullen het Hartelkanaal en de Maasvlakte volledig zout worden. De impact hiervan op het ecosysteem en de omringende gebieden heeft Quack niet onderzocht. De locatie met de grootste potentie is de Nieuwe Waterweg, waar de hoeveelheden water en de saliniteit een potentie van 1000 MW bieden. De Nieuwe Waterweg heeft echter een enorm economische belang voor de scheepvaart van de haven van Rotterdam. Het realiseren van een centrale op die locatie, en de ruimtelijke maatregelen die daarvoor nodig zijn, is daarom vrijwel onmogelijk.

Daarnaast noemt Quack nog twee locaties in de Delta waar een centrale van 500 MW mogelijk zijn, de Haringvliet en de Krammersluizen. Deze zijn echter minder interessant dan de Botlek, omdat de ruimtelijke aanpassingen van een nog grotere orde zijn.

Deelconclusie

De geografie van Nederland is dus in principe erg geschikt voor een Blue Energy centrale. De vereiste waterstromen hebben echter een vrij grote impact op het landschap, vooral doordat ze strikt van elkaar gescheiden moeten blijven. Doordat de benodigde aanpassingen vaak negatief uitpakken voor de scheepvaart en de omliggende natuur- en woongebieden is de afweging voor een Blue Energy centrale ook een politieke afweging geworden. Daarnaast is het nog onduidelijk of een centrale met de in Nederland aanwezige zoutgradiënten rendabel is, Van Duren beweert dat dit in Nederland niet het geval zal zijn, maar de literatuur kan dit niet ondersteunen. Dit zal afhangen van de ontwikkeling van de kosten van de techniek.

Deelvraag III:

Hoe verhoudt de verwachte ontwikkeling van RED zich tot andere duurzame-energietechnieken in Nederland?

Huidige situatie in Nederland

Volgens het CBS stijgt het aandeel hernieuwbare energie in het totale energieverbruik. In Nederland is dit aandeel 5,9 procent (CBS, 2017). Zonne- en windenergie zijn de afgelopen 30 jaar het meest gegroeid (Herzog, 2001). Deze deelvraag zal zich daarom beperken tot een vergelijking met deze twee bronnen. Dit zijn net als Blue Energy complexe systemen waarbij het dekken van de hoge investeringskosten en de innovatie van technologie van groot belang zijn.

Potentie zonne-energie:

De bijdrage van zonne-energie aan de totale energievoorziening in Nederland is momenteel 5% (CBS, 2016). De afgelopen jaren is zonne-energie door schaalvoordelen, innovatie en permanente verbetering van het productieproces steeds goedkoper geworden (Hoekstra, 2017). In 2012 was de moduleprijs in Nederland 2 euro per wattpiekvermogen (één wattpiek is de productie van 1 watt onder standaardomstandigheden. Deze prijs is per zonnecel). In 2013 was dit ongeveer één euro (Stichting Monitoring Zonnestroom).

De sterke daling van deze prijs en de fiscale voordelen maakt het voor kleinverbruikers aantrekkelijk om zonnepanelen aan te schaffen, zonnecellen zijn nu zelfs al bij IKEA te koop. Dat is te zien in de exponentiële groei in de verkoop van zonnepanelen (Hoekstra, 2017).

Potentie windenergie in Nederland

De huidige bijdrage van windenergie is momenteel 21 procent. Recent heeft windenergie een stormachtige groei doorgemaakt. Deze groei is vooral te danken aan de uitbreiding op zowel land (Noordoostpolder en Delfzijl) als zee. Hierdoor is in 2015 het vermogen met 520 watt gestegen (CBS, 2016). Ook wordt verwacht dat de kosten zullen dalen tot wel 40 procent in 2030 (Wiser, 2016). Vergeleken met zonne-energie, waar efficientieverbetering wordt veroorzaakt door elektronica, zijn er bij windenergie meer fysieke beperkingen. Men kan turbinebladen bijvoorbeeld niet groter en groter blijven maken (Hoekstra, 2017).

Tegenover deze positieve cijfers staat het feit dat de overheid een te positieve verwachting heeft gehad wat betreft de potentie van windenergie. De actuele besparing op fossiele brandstoffen is 30% minder dan verwacht. Dit heeft tot gevolg dat in 2023 de effectieve bijdrage van windenergie rond de 1% procent zal liggen, in plaats van 3% (Udo, 2015).

Verhouding tot Blue Energy

Tussen Blue Energy en zonne- en windenergie zijn een aantal opvallende gelijkenissen en verschillen.

Zoals eerder genoemd heeft zonne-energie haar groei vooral te danken aan het goedkoper worden van de productie van zonnepanelen. Dit probleem is te vergelijken met de membranen: de grootste kostenpost van het RED proces. Echter, REDstack voorspelt dat de komende paar jaar de prijs van membranen verder zal afnemen tot ongeveer 2€ per vierkante meter volgens Joost Veerman (pers. comm. 28 oktober 2017). Het RED proces is niet verkrijgbaar voor kleine

consumenten of huishoudens wat bij zonne-energie met zonnepanelen een groot voordeel is. Door de prijsdaling steeg zo de verkoop van zonnepanelen voor kleinverbruikers (Hoekstra, 2017). Deze prijsdaling bij Blue Energy alleen van belang zijn als het proces op grote schaal wordt geïmplementeerd.

Het vinden van de juiste locatie die aan de eisen van een centrale voldoet is een bottleneck waar Blue Energy nog mee kampt. Bij windenergie was er een aantal jaar geleden een vergelijkbaar probleem aanwezig: het plaatsen van meer windturbines veroorzaakte bij de Nederlandse bevolking veel ophef. Dit is opgelost door windparken voortaan op zee te bouwen, offshore windindustrie genoemd, waarin Nederland inmiddels de internationale koploper is. Hoewel de kosten hoger zijn, leveren deze parken ook meer op door hogere windsnelheden (Verhees, 2015). Voor een Blue Energy centrale is het vereist zoet water, zout water én effluent gescheiden te houden, wat een complexere opgave is. Nederland heeft al bewezen zich innovatief op te stellen als het om de transitie naar duurzame energie gaat, zeker als het om wind en waterwerken gaat (Uyterlinde, 2017).

Verhouding subsidies

De vergelijking van prijs per kwh tussen fossiele brandstoffen en duurzame energie is oneerlijk. Fossiele brandstoffen zijn per kwh weliswaar goedkoper, maar hierin worden de externe kosten voor vervuiling niet meegenomen (SER, 2016). Energie uit kolen kost bijvoorbeeld maar 4 cent per kwh, voor duurzame bronnen ligt dit in het algemeen hoger: 7,3 cent/kwh voor windenergie (land) en 10,3 cent/kwh (zee), zonne-energie 6 tot 10 cent/kwh. Voor Blue Energy wordt dit geschat op 13,3 cent (Quack, 2009). Blue Energy is per kwh (nog) duurder dan zonne- of windenergie, dit verschil kan worden opgelost door middel van zogenaamde SDE+ (Stimulering Duurzame Energie) subsidies, tevens het belangrijkste instrument om het aandeel ‘hernieuwbare energie’ toe te laten nemen in de energiemix (Schootstra, 2015).

De overheid moet zich niet blindstaren op de bekende, succesvolle technologieën. In de overzichten van de SDE+ 2015 is te zien dat dit budget van 3,5 miljard voornamelijk aan biomassa, windenergie en zonne-energie wordt besteed, in mindere mate aan geothermie en getijdenenergie. Volgens Schootstra (2015) moet de SDE+ regeling worden aangepast aan het nastreven van een wenselijke mix van hernieuwbare bronnen: ‘Door de pot vooraf te verdelen, en door een hogere drempel te maken voor inschrijvers om de kwaliteit van aanvragen en de rentabiliteit van projecten te verbeteren.’ In het najaar van 2018 zal er naar verwachting opnieuw een bedrag van 6 miljard euro beschikbaar komen (Rijksoverheid, 2017). Het is echter onduidelijk hoeveel geld er momenteel vanuit de overheid in Blue Energy wordt geïnvesteerd en hoeveel dat in de toekomst zal zijn.

Ter conclusie, zonne- en windenergie zijn de snelst groeiende bronnen van duurzame energie. Dit wordt veroorzaakt door schaalvoordelen, innovatie en permanente verbetering van het productieproces. Maar net als Blue Energy nu, zaten deze twee bronnen nog niet zo lang geleden in de pioniersfase, waarbij bijvoorbeeld hoge materiaalkosten een belemmerende rol speelden. Dit is (deels) opgelost door de vooruitgang van techniek en investeringen vanuit de overheid. Volgens voorspellingen van experts zou dit in de toekomst ook voor moeten Blue Energy gelden: technologische ontwikkelingen zorgen voor daling van de kosten van de membranen. De potentie van het RED proces zou in dit geval, vergelijkbaar met zonne-energie, toenemen.

Het vinden van een locatie die aan de specifieke vereisten van een RED centrale voldoet is tevens bepalend voor de potentie van Blue Energy. Innovatieve oplossingen vanuit Nederlandse experts en beleidsmakers zouden hiermee de potentie kunnen verhogen. Dit is ook bij windenergie gebeurd, toen de windparken op zee werden geïntroduceerd.

Ook het herzien van de SDE+ subsidies zou de potentie van Blue Energy meer in verhouding kunnen brengen ten opzichte van zonne- en windenergie, door deze vooraf in verhouding te verdelen.

Conclusie

De hoofdvraag van het onderzoek is:

Wat is de potentie van de RED technologie in Nederland, gebruikt bij het opwekken van duurzame energie?

Uit de eerste deelvraag is gebleken dat de vervuiling van de membranen grote invloed heeft op de output van de membranen. Zo werd in een onderzoek van Ratkje, Holt en Fiksdal (1986) een afname van gewonnen energie van 70% gevonden in een half jaar, enkel veroorzaakt door vervuiling. Door gebruik te maken van geavanceerdere membranen wordt deze afname in gewonnen energie verkleint. Daarnaast wordt er op dit moment veel onderzoek gedaan naar strategieën om vervuiling verder tegen te gaan. Deze methoden kosten energie, daarom zou het voor vervolgonderzoek interessant zijn om te kijken of het gehele proces rendabel blijft als wordt meegenomen dat het schoonhouden van de membranen ook energie kost.

Uit de tweede deelvraag is gebleken dat er in Nederland maar enkele locaties zijn die voldoende aanvoer van zoet water hebben om een vermogen van minimaal 100 MW op te wekken. Daarnaast vereist de grootte van de benodigde waterstromen dusdanige aanpassingen water-infrastructuur, dat de impact op de omgeving groot is, hierdoor zal de afweging voor het bouwen van een centrale ook een politieke afweging worden.

Uit de derde deelvraag is gebleken dat de ontwikkeling van Blue Energy veel overeenkomsten kent met de ontwikkelingen die zonne- en windenergie hebben doorstaan. Wanneer deze lijnen doorgetrokken worden zullen de technische problemen uiteindelijk verwaarloosbaar zijn en zal alleen nog het ruimtelijke aspect en het rendement van belang zijn.

Op basis van deze resultaten valt dus te verwachten dat de technologische knelpunten van Blue Energy, momenteel de vervuiling van de membranen, op de lange termijn geen probleem meer zullen zijn. De potentie van Blue Energy zal afhangen van de toekomstige afweging of de ruimtelijke en financiële investeringen voor een Blue Energy centrale opwegen tegen het geleverde vermogen. Daar kunnen momenteel geen voorspellingen over gedaan worden.

Discussie en aanbevelingen voor vervolgonderzoek

Omdat het huidige onderzoek naar Blue Energy een erg technische en praktische aangelegenheid is en maar door een kleine groep mensen wordt uitgevoerd, is er weinig literatuur over de ontwikkeling hiervan te vinden. Voornamelijk in het onderzoek naar de vervuiling van membranen viel dit op, dit is ook de reden dat er voornamelijk gebruik is gemaakt van één

hoofdbron in de eerste deelvraag. Contact met de betreffende onderzoekers was daarom van groot belang voor dit onderzoek. Zo hebben wij contact gezocht met membranenfabrikant Fujifilm, wat de leverancier van de membranen aan REDstack is en daarom een belangrijke spil in de ontwikkeling van het RED-proces. Vanwege hun concurrentiepositie zagen zij echter geen meerwaarde in het delen van informatie. Met deze informatie had dit onderzoek beter afgestemd kunnen worden op de huidige staat van de membranen in Nederland.

Aannames

In het paper zijn enkele aannames gebruikt waar nog geen zekerheid over is. REDStack voorspelde dat de prijs van de membranen de komende jaren zullen dalen tot ongeveer 2 euro per vierkante meter. Dit is slechts een voorspelling en dus niet met zekerheid te zeggen. Deze aanname is wel meegenomen in de voorspelde prijs per kilowattuur van Blue Energy. De theoretische potentie van het RED proces neemt af als deze prijsdaling tegenvalt.

Invloed van Blue Energy centrales op ecosystemen

Uit het interview met Luca van Duren bleek dat Blue Energy centrales een desastreuze impact kunnen hebben op de omliggende ecosystemen, omdat dit aspect in de literatuur nog nooit naar voren is gekomen is dit in dit onderzoek verder niet onderzocht. Vervolgonderzoek hiernaar is noodzakelijk.

Vergelijking met andere energiebronnen

Dit paper heeft zich beperkt tot de vergelijking met enkel zonne- en windenergie. Voor een completere analyse kan de potentie van het RED proces ook worden vergeleken met bijvoorbeeld de potentie van getijdenenergie of aardwarmte.

Gebrek aan financiële cijfers

Een analyse van de investeringen in Blue Energy zou een interessante en bruikbare toevoeging aan dit onderzoek zijn geweest. Deze cijfers zijn echter niet openbaar en niet te achterhalen. Hierdoor is het een stuk lastiger om uitspraken te doen over mogelijke commerciële exploitatie van Blue Energy.

● Achilli, A., Cath, T. Y., & Childress, A. E. (2009). Power generation with pressure retarded osmosis: An experimental and theoretical investigation. Journal of Membrane Science,

343(1), 42–52. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2009.07.006

● Ball, P. (2015). Blue Energy: how mixing water can create energy. Opgevraagd van

http://www.bbc.com/future/story/20150610-blue-energy-how-mixing-water-can-create-electricity

● Blel, W., Legentilhomme, P., Bénézech, T., Legrand, J., & Le Gentil-Lelièvre, C. (2009). Application of turbulent pulsating flows to the bacterial removal during a cleaning in place procedure. Part 2: Effects on cleaning efficiency. Journal of Food Engineering, 90(4), 433– 440. Opgevraagd van https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2008.07.019

● Bruggers, M., Icke, J., & Van der Zwan, S. (2010). Scan of impediments for Blue Energy Netherlands. Obstacles for commercial exploitation.

● Chao, Y.-M., & Liang, T. M. (2008). A feasibility study of industrial wastewater recovery using electrodialysis reversal. Desalination, 221(1), 433–439. Opgevraagd van https://doi.org/10.1016/j.desal.2007.04.065

● Cifuentes-Araya, N., Pourcelly, G., & Bazinet, L. (2011). Impact of pulsed electric field on electrodialysis process performance and membrane fouling during consecutive demineralization of a model salt solution containing a high magnesium/calcium ratio.

Journal of colloid and interface science, 361(1), 79-89.

● CBS (Centraal Bureau voor statistiek) Statline, verschillende jaargangen en cijfers (Hernieuwbare energie; verbruik naar energiebron, techniek en toepassing)

● Drioli, E., Ali, A., Quist-Jensen, C. A., & Macedonio, F. (2016). Water, Energy and Minerals from the Sea. In advances in Civil, Environmental, and Materials.

● Giorno, L., Drioli, E., & Strathmann, H. (2015). Permselectivity of Ion-Exchange Membranes. In E. Drioli & L. Giorno (Eds.), Encyclopedia of Membranes (pp. 1–4). Springer Berlin Heidelberg.

● Grebenyuk, V. D., Chebotareva, R. D., Peters, S., & Linkov, V. (1998). Surface modification of anion-exchange electrodialysis membranes to enhance anti-fouling characteristics. Desalination, 115(3), 313–329. Opgevraagd van https://doi.org/10.1016/S0011-9164(98)00051-4

● Herzog, A. V., Lipman, T. E., & Kammen, D. M. (2001). Renewable energy sources. Encyclopedia of Life Support Systems (EOLSS). Forerunner Volume-‘Perspectives and Overview of Life Support Systems and Sustainable Development.

● Hoekstra, A. Y. (2017). Is there enough land and water to harness renewable energy? Opgevraagd van https://research.utwente.nl/en/publications/is-there-enough-land-and-water-to-harness-renewable-energy

● Husnil, Y. A., Harvianto, G. R., Andika, R., Chaniago, Y. D., & Lee, M. (2017). Conceptual designs of integrated process for simultaneous production of potable water, electricity, and salt. Desalination, 409, 96-107.

● Jia, Z., Wang, B., Song, S., & Fan, Y. (2014). Blue energy: current technologies for sustainable power generation from water salinity gradient. Renewable and Sustainable

Energy Reviews, 31, 91-100.

● Jones, A. T., & Finley, W. (2003). Recent development in salinity gradient power. In Oceans 2003. Proceedings (Vol. 4, pp. 2284-2287).

● Korngold, E., de Körösy, F., Rahav, R., & Taboch, M. F. (1970). Fouling of anionselective membranes in electrodialysis. Desalination, 8(2), 195–220. Opgevraagd van https://doi.org/10.1016/S0011-9164(00)80230-1

● Lako, P., Luxembourg, S. L., & Beurskens, L. W. M. (2010). Karakteristieken van duurzame energie in relatie tot de Afsluitdijk. ECN-E--10-044, Petten.

● Logan, B. E., & Elimelech, M. (2012). Membrane-based processes for sustainable power generation using water. Nature, 488(7411), 313.

● Magagna, D., & Uihlein, A. (2015). Ocean energy development in Europe: Current status and future perspectives. International Journal of Marine Energy, 11, 84-104.

● Moriarty, P., & Honnery, D. (2012). What is the global potential for renewable energy?. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16(1), 244-252.

● Noordzeeloket, (2018). Opgevraagd op 17 januari 2018 van https://www.noordzeeloket.nl/

● Panwar, N. L., Kaushik, S. C., & Kothari, S. (2011). Role of renewable energy sources in environmental protection: a review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 15(3), 1513-1524.

● Ping, Q., Cohen, B., Dosoretz, C., & He, Z. (2013). Long-term investigation of fouling of cation and anion exchange membranes in microbial desalination cells. Desalination, 325, 48–55. Opgevraagd van https://doi.org/10.1016/j.desal.2013.06.025

● Post, J. W. (2009). Blue Energy: electricity production from salinity gradients by reverse electrodialysis.

● Quack, R. W. (2009). Feasibility of a power plant: Blue energy in the Dutch Delta.

● Ratkje, S. K., Holt, T., & Fiksdal, L. (1986). Effect of Biofilm Formation on Salinity Power Plant Output on a Laboratory Scale. In AIChE Symp. Ser (Vol. 248, pp. 39-44).

● Schootstra, S. . (2015, 11 september). SDE+ regeling werkt discriminerend voor zonne-energie. EnergieBusiness. Geraadpleegd van

http://www.energiebusiness.nl/category/hernieuwbaar/zonne-energie/.

● Seebregts, A. J. (2007). Beoordeling nieuwbouwplannen elektriciteitscentrales in relatie tot de WLO SE-en GE-scenario’s: een quickscan. ECN-E--07-014, Energieonderzoek

Centrum Nederland (ECN), Petten.

● Shafiee, S., & Topal, E. (2009). When will fossil fuel reserves be diminished?. Energy policy, 37(1), 181-189.

● Skilhagen, S. E., Dugstad, J. E., & Aaberg, R. J. (2008). Osmotic power—power production based on the osmotic pressure difference between waters with varying salt gradients. Desalination, 220(1-3), 476-482.

● Sociaal-Economische Raad (SER) | SER. (2016). Opgevraag op 18 januari 2018 van https://www.ser.nl/

● Statkraft halts osmotic power investments | Statkraft. (2013). Opgevraagd op 18 januari 2018 van https://www.statkraft.com/media/news/News-archive/2013/Statkraft-halts-osmotic-power-investments/

● Turek, M., & Bandura, B. (2007). Renewable energy by reverse electrodialysis. Desalination, 205(1), 67–74. https://doi.org/10.1016/j.desal.2006.04.041

● Udo, F., le Pair, C., de Groot, K., Verkooijen, A. H., & van den Berg, K. (2015). Using Wind Energy to save Fuel and Reduce CO2 Emissions. Energy & Environment, 26(8), 1293-1304. ● Uyterlinde, M., Londo, M., Sinke, W., van Roosmalen, J., Eecen, P., van den Brink, R., ... & de

Waal, R. (2017). De energietransitie: een nieuwe dimensie in ons landschap. ECN.

● van Aken, H. M. (2008). Variability of the salinity in the western Wadden Sea on tidal to centennial time scales. Journal of Sea Research, 59(3), 121–132. Opgevraagd van https://doi.org/10.1016/j.seares.2007.11.001

● Verhees, B., Raven, R., Kern, F., & Smith, A. (2015). The role of policy in shielding, nurturing and enabling offshore wind in The Netherlands (1973–2013). Renewable and Sustainable Energy Reviews, 47, 816-829.

● Vermaas, D. A., Kunteng, D., Saakes, M., & Nijmeijer, K. (2013). Fouling in reverse electrodialysis under natural conditions. Water Research, 47(3), 1289–1298. Opgevraagd van https://doi.org/10.1016/j.watres.2012.11.053

● Wick, G. L. (1978). Power from salinity gradients. Energy, 3(1), 95-100.

● Wiser, R., Jenni, K., Seel, J., Baker, E., Hand, M., Lantz, E., & Smith, A. (2016). Forecasting Wind Energy Costs and Cost Drivers: The Views of the World’s Leading Experts.

Appendix I

Mathijs Janssen - Theoretisch Natuurkundige

Hi Mathijs. Zou u wat meer kunnen vertellen waar u vooral mee bezig hebt gehouden met betrekking tot Blauwe Energie?

Zeg maar je, hoor. Het opwekken van energie wat berust op het verschil in zout gradiënt. Dit kan gebeuren op drie manieren:

ionen, waterdoorlatend, of waar ik aan werk: poreuze koolstof elektrodes die je oplaadt in zowel zoet als zout water. Door te laden en te ontladen transporteer je ionen van zout naar zoet

waardoor je netto energie winst krijgt.

Hier heb ik een aantal artikelen over geschreven, ik ben zelf theoreet. Ik heb de theorieën dus niet toegepast. Het waren meer modelberekeningen. Het idee is dat je energie opwekt uit zout concentratie verschil, ik heb me vooral bezig gehouden met het feit dat als er temperatuurverschil aanwezig is, wat voor invloeden dat dan kan hebben op de netto energie. Het lijkt op een warmte motor die energie opwekt uit temperatuur verschil. Zie een cilinder met gas voor je, als de cyclus (...)

Wat voor toepassingen zijn er van de theorie die jij hebt onderzocht?

Water ontzouten kan ook met die proces. Dat is eigenlijk interessanter. Nouja, of het

interessanter is hangt natuurlijk af van waar op de wereld je je verkeerd. In het midden oosten waar weinig zoet water is, is dit interessanter dan in Nederland.

Bij poreuze koolstof dompel je deze in water. Het potentiaal verschil zuigt ionen in poreuze koolstof. Intern heeft dit een enorm oppervlak. Het is belangrijk dat deze materialen goed gebouwd worden.

Waarom is Blue energy volgens jou nog niet ‘enorm’?

Het idee van energie opwekken uit een zout verschil is oud. De eerste keer dat mensen daar iets mee deden is in jaren zeventig. Voor dat zoiets wordt opgeschaald zitten daar decennia tussen. Daarnaast: membranen verstoppen makkelijk en zijn duur. Als je veel energie wil opwekken dan moet er veel water doorheen stromen. Machine is gewoon heel duur en experimenten nog kleinschalig, in 2009 werd pas voor eerste keer koolstof toegepast. Nogmaals, ik ben theoreet dus sta ver van de toepassing af, maar ik zou mijn geld niet op Blue Energy inzetten. Wat interessanter is, maar ook deze methode van zout verschil gebruikt is het ontzouten van zeewater. Energie opwekken is onder de streep uitrekenen of je netto energie opwekt en hoeveel dat kost. Water ontzouten is sowieso al duur dus in het algemeen werk je dan op grotere schaal. Water ontzouten door watermoleculen eruit te halen is inefficient. Je kan beter de zout moleculen eruit halen door

middel van capacative dionisation.

Het meest toegepaste onderzoek wat ik heb gedaan is kijken naar die koolstoffen. Een dubbellaag is zeg maar de plek waar geladen oppervlak samenkomt met ionen erin. Warme effecten in dat soort materialen interessant. Mijn huidige werk waar ik nu mee bezig ben is een stuk

fundamenteler. Opwarming van de aarde gaat geen verschil maken voor dit proces. Het gaat op verschillen van energie, dus als de aarde opwarmt heeft dat voor het proces netto geen waarde.

Kunt u wat meer vertellen over de capacative mixing wat u net noemde? Capactive mixing blauwe energie wordt alleen op kleine schaal getest. Technologie moet eerst door hele testfase heen, op gegeven moment moeten mensen naar Brussel om grote zak met geld op te halen voor dit soort projecten. Capactive mxiing wordt nog niet toegepast maar mijn modelberekeningen zijn wel min of meer toegepast.

Heeft u het idee dat Blue Energy bij uitstek een onderzoek is waar interdisciplinariteit voor nodig is?

Over de interdisciplinariteit van het onderzoek, daar kan je niet veel over zeggen. Het ligt heel erg aan in welk deel van de ontwikkelingscyclus je zit. Het eerste deel is allemaal fundamenteler en dan zit je meer in de natuurkunde en wiskunde hoek. Later in het proces wordt dit meer material science en dergelijke. Dan kijk je naar de bouw van een centrale en dergelijke. Zie niet echt hoe wiskunde hier in zit. Dat pas je natuurlijk wel toe tijdens de natuurkunde. Hier volgde een afsluiting en dankwoord namens ons.

Interview

II:

Joost Veerman - Research manager en woordvoerder namens REDstack

Hi Joost. Wij hebben al eerdere malen contact gehad

over het Blue Energy paper. Graag zouden we ook een

laatste expert interview willen afnemen als onderdeel

van ons onderzoeksproces.

Natuurlijk, dat is geen probleem.

Ten eerste, zijn er nog recente ontwikkelingen omtrent de membranen geweest die interessant zijn?

Het probleem is dat in zeewater een aantal bivalenten zitten. De meest voorkomende zijn magnesium, calcium en sulfaat. Dat blijken vervelende rakkers te zijn, sulfaat in mindere mate. We zijn bij RedStack nu druk bezig membranen te maken die daar minder last van hebben. Die deeltjes blijven namelijk in de membranen hangen. De volgende stap die we gaan nemen is dat wij in Katwijk ook een installatie neerzetten en daar willen we dus eigenlijk in twee jaar zoveel mogelijk uitzicht op hoe we dit gaan maken.

Wat is er zo speciaal aan deze membranen?

Er zijn twee paden die we nu kunnen inslaan: of membranen maken waar ze helemaal niet meer in komen of membranen waar ze dwars doorheen gaan. We zijn nu beide wegen aan het verkennen wat het alternatief kan zijn.

In welke tijdspanne denkt u dat BE commerciële schaal kan worden gebruikt?

Het commerciële gedoe is nog jaren ver weg. Maar er zijn andere dingen die ook gebruik maken van de RED technologie. Het gebruik maken van ‘waste water’ in combinatie met ontzilting maakt ook gebruik van RED. Verder is er het project RED-hydropower, dat in samenwerking met Universiteiten als Delft en Twente afvalwarmte gebruikt om uiteindelijk energie op te wekken. Dit gaat als volgt: RED apparaat wordt gevoed met zoutoplossingen en dat raakt ten dele gemengd (brak water). Beide stromen gaan in een generator aangedreven door een afvalwarmte en dan komen de oorspronkelijke oplossingen eruit. Langzamerhand hebben we hele goede papieren om dat in elkaar te botsen.

Onlangs is een artikel verschenen van de Universiteit van Kalibria wat eventueel economisch zinnig zouden zijn zowel nu als in de toekomst. Het vervelende is helaas dat hoe leuker het spul is, hoe minder erin zit. We jagen ontzettend veel water door ons RED apparaat en veel ionen gaan door de membranen heen. Stel je nou eens voor dat je bepaalde ionen kan afvangen. Dan heb je misschien toch nog wat wat opbrengt!

Goud is al helemaal beetje probleem in zeewater, het komt niet voor als au3+ maar als au2+. Neem bijvoorbeeld lithium. Is steeds meer vraag naar maar op een goed moment houdt dat op. Iedereen rijdt in elektrische auto’s tegenwoordig, er komt een moment dat de vraag het aanbod overschreeuwt. Het kan dan een idee zijn het uit zeewater te halen. Dat lijkt mij nou interessant, hoe zou je dat uit het systeem kunnen halen waar automatisch dagelijks veel zeewater langs komt.

Zijn er al projecten bezig met REDstack om dit soort mineralen te vangen?

Nee heb me er nooit zo erg in verdiept, we hebben het al druk genoeg, haha! Sommige mineralen bijvoorbeeld zoals jodium wordt uit zeewier gehaald, want daar accumuleert jodium makkelijk in en dan heb je de stof al geconcentreerd met een factor duizend, of miljoen, weet ik veel… Misschien modificeren we zeewier ooit op zo’n manier dat ze goud opnemen uit zeewater, ach ja dat zou wat zijn. Helaas is dat mijn vak niet. Er zijn tientallen andere manieren om mineralen te extraheren, heel scala van chemische methoden die specifiek stoffen kunnen binden.

Hoe zit het met de verminderde capaciteit van de membranen?

Membranen die verstopt raken, raken niet echt verstopt, maar de ionen nemen heleboel plaats in in het membraan. En dat gebeurt eigenlijk al redelijk snel en daardoor werkt het membraan niet op volle capaciteit, wel zo een 20% minder. Schoonmaken doen we wel eens, maar niet voor magnesium, dat is te klein om effectief schoon te maken. Vandaar dat we dus die nieuwe wegen aan het bewandelen zijn voor alternatieve membranen.

Waarom RED in plaats van PRO? (off track vraag)

Eigenlijk is dit toeval. Ook met PRO kan je goed kijken maar RED is natuurlijk prettig om een paar bijzonderheden en vrij eenvoudig. Bij PRO heb je reusachtig grote druk nodig van soms wel 15 bar op je systeem. Die druk moet je weer zien om te zetten in energie, dus turbines en drukwisselaars nodig om dit efficient te doen. RED gaat veel directer, en is niet alleen in het lab heel erg handig. RED en PRO gaan wel redelijk gelijk op, ook als je naar publicaties kijkt, dan is dat ongeveer evenredig verdeeld. Het zijn twee werelden die werken aan hetzelfde.

Dan nog over het afvangen van mineralen, we konden niet heel veel daarover vinden in de literatuur. Heeft dit een reden?

Daar is nog behoorlijk wat literatuur verschenen, over membranen die permselectiviteit van verschillende ionen? membranen worden ook voor elektrodialyse gebruikt om zeewater te ontzilten bijvoorbeeld of eh wijn in te bikken ?! bepaalde ionen te verwijderen uit afvalstroom omdat ze ongewenst zijn in het afvalwater zware metalen, radioactieve isotopen.. zijn tientallen toepassingen van die membranen veel onderzoek gedaan over specifieke transport van ionen van membranen. positieve en negatieve ionen en bivalente en monovalente ionen (twee en een waardig) sommige membranen zijn min of meer specifiek voor een bepaald soort ion.

Waarom zijn membranen zo duur?

De membranen markt is relatief klein, de productie gaat niet continu door, soms moet lang wachten op grote orders. Het is weer iets anders als wij echt op grote schaal dit willen gebruiken: dan hebben we grote kilometers nodig. Die membranen worden steeds dunner (50 micrometer momenteel). Hoe dunner, hoe goedkoper. Organische polymeren met geladen groepen zijn redelijk betaalbaar, dus de materiaalkosten zijn in principe niet extreem hoog. In de membraanwereld zijn er grote verschillen. Bijvoorbeeld, Napfion is 1000 euro per vierkante meter, een high tech membraan wordt gebruik in hele specifieke toepassingen. Je hebt ook redelijk goedkope filters voor dialyse apparaten en als je meer gaat produceren van dat spul, dan kan die prijs naar ongeveer 2 euro gaan. Dat denk ik niet alleen, dat denkt Fujifilm ook, dat is een Japans bedrijf met een Nederlandse vestiging in Tilburg. Maar dit probleem zal zich vanzelf oplossen. Uiteindelijk is dit een probleem wat vooral tijd en veel onderzoek nodig heeft. Maar met de technieken van vandaag denk ik dat de membranen voor Blue Energy niet het grootste obstakel zijn.

Interview III:

Luca van Duren - Bioloog Deltares 14/11/2017

Dag mevrouw van Duren, alvast bedankt voor uw tijd. Vind u het oke als dit gesprek wordt opgenomen?

Ja hoor, dat is prima.

Zou u allereerst wat kunnen vertellen over het onderzoek dat Deltares doet naar Blue Energy?

Energie is een groot onderwerp voor Deltares, en zo ook energie uit water. Op het moment loopt er één groot onderzoeksproject

naar de omgevingseffecten van Blue Energy. Dit doen we met meerdere andere bedrijven en instellingen, zoals de universiteit van Wageningen. Wij doen hier de wetenschappelijke coördinatie.

Als u het heeft over energie uit water, heeft u het dan altijd over Blue Energy?

Nee, dat is een belangrijk verschil. In het buitenland wordt met Blue Energy nog wel eens alle vormen van energie-opwek uit water bedoeld maar Blue Energy is voor ons alleen het opwekken van energie uit een osmose verschil. En niet andere vormen van energie-opwek, zoals getijdenstroom.

Doet Deltares meer onderzoek naar getijdenstroom?

Ja, dat is een heel andere tak van sport. Daar is de afdeling Hydraulic Engineering voornamelijk mee bezig. Daar wordt inderdaad meer onderzoek naar gedaan.

Zou u kunnen vertellen hoe u zelf betrokken bent bij onderzoek naar Blue Energy?

Ja, ik ben betrokken bij dit grote onderzoeksproject naar omgevingseffecten. We kijken naar de installatie van REDstack op de afsluitdijk en welke omgevingseffecten daar allemaal bij komen kijken. Deze installatie op de afsluitdijk heeft eigenlijk helemaal geen ideale locatie. Het zoute water dat je daar uit uit de Waddenzee kan halen, is namelijk relatief niet zo ontzettend zout en heeft ook een hoog slibgehalte. Daar kijken we naar, maar ook naar de hoeveelheid organismen in de gebruikte waterstromen, die zullen sterven.

Kunt u daar meer over vertellen?

De organismen in zoet water hoef je eigenlijk niet mee te nemen. Zonder Blue Energy installatie waren zij ook in het zoute water terecht gekomen en gestorven. Je haalt echter ook een net zo grote hoeveelheid zout water uit de zee, om daarna weer terug te lozen. Wanneer je het echt over de grote hoeveelheden gaat hebben die je nodig hebt voor een één-megawatt-installatie, dan moet je wel echt goed onderzoeken hoe erg deze organismen daar onder lijden en moet je gaan kijken naar alternatieve methoden voor waterinname.

Over wat voor organismen hebben we het hier en hoe belangrijk zijn deze?

Ja we hebben het hier niet over grotere dieren zoals zeehonden of vissen maar echt over micro-organismen als plankton, mossellarven of andere larven. Geen bedreigde soorten maar wel soorten die er nu veel aanwezig zijn en kenmerkend zijn voor dit gebied.