Magister alvinus pws blue energy, energie uit water alexandra de boer en ellis donker vwo

Blue Energy: Energie uit water

Alexandra de Boer & Ellis Donker Afdeling Natuurkunde en Natuurwetenschappen RSG Magister Alvinus Almastraat 5 Sneek 18-12-2016

Samenvatting De tijd waarin wij leven is een tijd waarin energie onmisbaar is. Sterker nog, door het groeiende bevolkingsaantal is er steeds meer van nodig. Veel van de energiebronnen die we hebben beginnen echter op te raken: de olie, kolen en aardgas die wij uit de bodem halen zijn uitputbare bronnen en zullen binnen 100 jaar op zijn. Ook zorgen deze manieren van energie opwekken voor broeikasgassen in de lucht, die weer zorgen voor opwarming van de aarde, met als gevolg klimaatverandering en een stijgende zeespiegel. Met het oog op de toekomst van onze planeet en energievoorziening, worden duurzame energiebronnen steeds belangrijker. Naast zon- en windenergie kan er ook energie uit water worden gehaald. Dit heet Blue Energy en is een duurzame, onuitputbare manier om energie op te wekken. Dit kan onder andere worden gedaan door “reverse electrodialysis” (RED), waarbij zoet en zout water door speciale membranen stromen en de verschillende zoutconcentraties van het water zorgen voor een spanningsverandering waarmee wij stroom op kunnen wekken en vastleggen. In een waterrijk land zoals Nederland is dit dus heel goed toepasbaar.

Om Blue Energy op grote schaal te gebruiken is het belangrijk dat er eerst op kleine schaal wordt getest wat er mogelijk is. Om zelf proeven te doen hebben wij een RED set van Wetsus gehuurd, waarmee we het Blue Energy proces konden nabootsen. Door zoet en zout water en een elektrolytvloeistof door de set te voeren hebben we onderzoek gedaan naar het vermogen van Blue Energy. Hiermee hebben we enkele waardes onderzocht om een antwoord te vinden op onze hoofdvraag, namelijk wat de ideale omstandigheden zijn om het meeste stroom op te wekken door middel van Blue Energy. Hierbij hebben wij ons de volgende dingen afgevraagd en onderzocht: Wat is de invloed van zoutconcentraties en zeewater op het vermogen?

Welk optimum is er te vinden in het vermogen bij het plaatsten van verschillende weerstanden in de stroomkring?

Wat voor verschil is er in het opgewekte vermogen bij een oplossing van slechts NatriumChloride, in vergelijking met water waarin zeezout (NatriumChloride, MagnesiumChloride, NatriumSulfaat, CalciumChloride en Magnesiumbromide) opgelost is?

Na uitvoering van het onderzoek is gebleken dat het hoogste vermogen wordt opgewekt bij een zo hoog mogelijke molariteit van het zoute water en bij een weerstand van 100Ω. De stroomsnelheid had hierbij geen positief of negatief effect.

1

Inhoudsopgave 1. Voorwoord

Blz. 3

2. Inleiding 2.1 Inleidende Theorie 2.2 Onderzoeksvragen 2.3 Hypotheses

Blz. 4 Blz. 4 Blz. 4

3. Onderbouwende theorie

Blz. 5

4. Materialen

Blz. 11

5. Methoden

Blz. 12

6. Resultaten

Blz. 15

7. Verklaring Resultaten

Blz. 19

8. Conclusie

Blz. 20

9. Discussie

Blz. 21

10. Dankwoord

Blz. 23

11. Bronvermelding

Blz. 23

12. Bijlagen

2

​1. Voorwoord De keuze van een onderwerp voor ons PWS was behoorlijk moeilijk. In eerste instantie dachten we dat we het over bioplastics konden doen, maar toen we onze plannen voorstelden aan meneer Huitema bleek dat dat toch niet het beste idee. Hij stelde voor dat we ons gingen verdiepen in Blue Energy en gingen kijken of we misschien membranen van bioplastics konden maken. Dit hebben we toen gedaan en uiteindelijk lieten we ons oorspronkelijke idee vallen en gingen we naar het geheel van Blue Energy kijken. Ook omdat onze begeleider doorhad dat Ellis geïnteresseerd is in scheikunde en het milieu stelde hij dit onderwerp aan ons voor. Het lag voor Ellis nog dicht genoeg bij de scheikunde maar voor hem niet te ver van de natuurkunde. Niet alleen dat maar bij Blue Energy komen veel elektrotechnische eigenschappen aan bod waar Alexandra weer in is geïnteresseerd. Bovendien vinden we beide dat duurzame energie erg belangrijk voor onze toekomst en vonden wij het goed dat we alles zo konden combineren met dit onderwerp.

En zo is het onderwerp blue energy geschapen.

3

2. Inleiding 2.1 Inleidende theorie In onze wereld waar fossiele brandstoffen onze primaire energiebron zijn, maar steeds sneller op beginnen te raken, is het belangrijk dat er schone en duurzame alternatieven komen die kunnen voldoen aan de groeiende vraag naar energie. Zon- en windenergie zijn al goede oplossingen, maar een nog vrij nieuwe technologie is het opwekken van energie door het potentiaalverschil in zoet en zout water. Om te onderzoeken wat voor aandeel deze ‘blue energy’ kan hebben in onze samenleving hebben wij een proefset gebruikt om onderzoeken te doen.

2.2 Onderzoeksvragen Hoofdvraag: Wat zijn de ideale omstandigheden om het meeste stroom met Blue Energy op te wekken?

Deelvragen: - Wat voor invloed hebben verschillende concentraties zout op het opwekken van energie met Blue Energy?

- Wat voor verschil in energie opbrengst is er tussen een oplossing van NatriumChloride en een oplossing van zeewater?

- Wat voor invloed heeft de grootte van de weerstand op het opgewekte vermogen?

- Wat voor effect heeft de stroomsnelheid van het water op het verkrijgen van energie met Blue Energy?

2.3 Hypotheses Deelvragen: - Wij verwachten dat er een groter vermogen wordt opgewekt bij een hogere concentratie van zout omdat er dan meer ionen in het water aanwezig zijn per tijdseenheid - Wij verwachten dat de oplossing met keukenzout voor een groter vermogen zal zorgen dan zeewater omdat in zeewater meerdere ionen aanwezig zijn die niet goed bij het membraan werken, wat bij een oplossing van NaCl niet het geval is.

- Wij verwachten dat een lagere weerstand zorgt voor een hoger vermogen. De formule voor vermogen is immers: P=U×I. Hierin is P het vermogen, U de spanning en I de stroomsterkte. U en I zijn afhankelijk van de formule U=I×R. Hierin is R de weerstand. Als de weerstand groter wordt, wordt I kleiner; er gaat een kleinere stroom lopen. De spanning wordt dan ook beïnvloed, dus verwachten we dat die UxI een lagere waarde zal krijgen in plaats van een hogere.

- Wij verwachten dat er een groter vermogen wordt opgewekt bij een hogere stroomsnelheid omdat er dan per tijdseenheid meer ionen door de membranen heen gaan.

4

3. Onderbouwende theorie Duurzame energie wordt in onze groeiende maatschappij steeds belangrijker, onze energieconsumptie is in de afgelopen paar decennia verdubbeld en om te zorgen dat iedereen energie heeft worden vooral fossiele brandstoffen verbruikt. Fossiele brandstoffen worden een steeds groter en belangrijker probleem; ten eerste zijn ze slecht voor onze aarde door de broeikasgassen die door het gebruik ervan ontstaan. Deze zorgen ervoor dat het steeds warmer wordt op aarde, waardoor onder andere de zeespiegel stijgt. Ten tweede beginnen deze fossiele brandstoffen, onze belangrijkste bron van energie, op te raken.

Blue energy kan hier een belangrijk aandeel in worden. Met blue energy kan op alle plekken waar zoet en zout water bij elkaar komt energie worden opgewekt. Deze is bovendien duurzaam. Onder duurzame energie verstaan we energie waarvan de bron onbeperkt gebruikt kan worden, en die geen nadelige effecten heeft voor het milieu. Nederland is een zeer geschikte plek hiervoor, want niet alleen hebben wij een kustlijn en plekken waar zoet en zout water bij elkaar komen, we hebben ook dijken en andere Deltawerken die ervoor zorgen dat het maken van een Blue Energy centrale gemakkelijker wordt. Bij het opwekken van energie met Blue Energy is er geen sprake van uitstoot van koolstofdioxide of andere broeikasgassen. Het enige restproduct is brak water, iets is dat altijd ontstaat als zoet en zoet water bij elkaar komen en mengen, dus niks wat schadelijk is voor het milieu. Er valt nog verder niet veel te zeggen over langdurige effecten van brak water op de natuur. Het kan zijn dat de leefomgeving van bepaald waterleven lichtelijk wordt verstoord, maar dit zou niet tot ernstige gevolgen leiden. Het ontstaan van brak water is echter een natuurlijk proces; waar zoet en zout water bij elkaar komt ontstaat brak water. Als je kijkt naar de waterkringloop zou in de loop van tijd het zoete en zoute water weer gescheiden worden. Het zoete water verdampt voor de vorming van wolken, waardoor er meer zout in het brakke water overblijft en dit langzaam weer zout water wordt.

Het verschil tussen zeewater en rivierwater is dat in zeewater meer zout is opgelost, waardoor het een hoog zoutgehalte heeft. Zouten zijn verbindingen die bestaan uit positieve en negatieve ionen. Ionen zijn afkomstig van atomen en atomen zijn opgebouwd uit protonen, neutronen en elektronen. De kern van zo’n atoom bestaat uit positieve protonen en neutrale neutronen en heeft een positieve lading. Om deze kern is een “wolk” van elektronen, die een negatieve lading heeft. Atomen zijn altijd neutraal geladen en hebben daarom evenveel protonen als elektronen. Ionen zijn atomen die extra elektronen hebben of juist elektronen missen. Hierdoor wordt dit atoom negatief of positief geladen in plaats van neutraal.

Water met een hoge zoutconcentratie heet dus zout water. In rivierwater (“zoet” water) is ook zout opgelost, maar deze concentratie is vele malen kleiner dan bij zeewater. Saliniteit is een maatstaf voor de hoeveelheid zout die aanwezig is in water in massa promille. Bij een saliniteit van 30‰ ​ zout zit er dus 30 gram zout in een liter water (een liter water weegt immers 1000 gram)​ De saliniteit van zoet water is in 5

het algemeen minder dan 0,5​‰​, dit betekent dat per liter water er minder dan 0,5 gram zout in is opgelost. Van al het water op aarde is maar 2,5% - 2,75% zoet water en daarvan ligt 1,5% - 2% opgeslagen in gletsjers, landijs en sneeuw. Er is dus heel weinig zoet water dat zich in rivieren en meren bevindt.

De saliniteit van zeewater in het algemeen ligt rond de 34,5‰ ​ ​, maar dit is niet voor elke zee overal hetzelfde. Zo ligt de saliniteit van de Rode zee tussen de 41‰ ​ ​ en 41‰ ​ ​, terwijl zeeën die bij riviermondingen liggen een saliniteit kunnen hebben van rond de 15‰ ​ ​. De Noordzee heeft in het noordelijke deel een saliniteit van 32‰ ​ ​ tot 35‰ ​ ​, terwijl het in de riviermondingen een saliniteit van 11‰ ​ ​ tot 15‰ ​ heeft​. Bij de riviermondingen komt zoet en zout water bij elkaar en ontstaat er brak water. Dit is water dat een hogere zoutconcentratie heeft dan zoetwater maar niet zo hoog als bij zoutwater. De saliniteit hiervan kan liggen tussen de 0,5‰ ​ ​ en 30‰ ​ ​en omvat al het water dat anders niet onder zoet of zout water valt.

Tabel 1: ​Saliniteit van water.

Zoet water

Brak water

Zout water

<0,5​‰

0,5​‰ - 30‰

30​‰ ​-50​‰

Zoals eerder genoemd is er veel zout opgelost in zeewater. Het meest voorkomende zout in zeewater is natriumchloride (NaCl), ook wel keukenzout genoemd. In tabel 2 is te zien welke zouten en in welke hoeveelheden deze voorkomen in 1 liter zeewater.

Tabel 2: ​Zouten die algemeen voorkomen in zout water.

Naam

Afkorting

Hoeveelheid (in gram)

Natriumchloride

NaCl

24,0

Magnesiumchloride

MgCL​2

5,0

Natriumsulfaat

Na​2​SO​4

4,0

Calciumchloride

CaCl​2

0,7

Magnesiumbromide

MgBr​2

0,8

Voor deze zouten gelden dat wanneer deze in water worden opgelost er losse ionen ontstaan die een positieve of negatieve lading kunnen hebben. Dit is van belang voor de werking van Blue Energy.

Een andere manier van zoutconcentraties weergeven is door middel van molariteiten. Die geeft het aantal mol aan per liter water. Voor eenwaardige zouten is dit nauwkeuriger omdat dit uitgaat van het aantal moleculen in een oplossing. Bij meerwaardige zouten is dit echter niet mogelijk omdat er dan meerdere zouten aanwezig zijn met -zeer waarschijnlijk- verschillende concentraties. De molariteit aangeven is dan lastig dus wordt het weergeven in massapercentages; de saliniteit. Bij het vergelijken van opgewekt vermogen bij verschillende concentraties of oplossingen is het echter van belang dat molariteit gebruikt wordt. Het vermogen is namelijk afhankelijk van het aantal moleculen dat aanwezig is in een oplossing, en een massa 6

geeft daar geen goed beeld van bij een vergelijking. Daarom moet een saliniteit van 34,5 promille worden omgerekend naar molariteit.

De mate waarin zouten aanwezig zijn in gram per liter zijn dus: 24,0 NaCl; 5,0 MgCl2​ ​; 4,0 Na2​ ​SO4​ ​; 0,7 CaCl​2;​ 0,8 MgBr​2.​ Omgerekend is dit respectievelijk: 0,41+0,05+0,03+0,006+0,004=0,490 Molair Elektriciteit is een vorm van energie die in verschillende vormen van energie kan worden omgezet, zoals licht en warmte. Bij het opwekken van vermogen door middel van deze set maken we gebruik van een stroomkring. Een stroomkring zorgt ervoor dat een apparaat elektrische energie toegevoerd krijgt en kunnen er ingewikkeld zijn, maar elke stroomkring bevat in ieder geval een spanningsbron, een of meerdere geleiders - bijvoorbeeld stroomdraden - zodat het stroom door de kring kan lopen en het energie gebruikende apparaat. Onder invloed van een spanningsbron in een stroomkring bewegen meer elektronen van een kant van een draad naar de andere kant en andersom, hierbij wordt de lading verplaatst en dat verplaatsen noemen wij ook wel elektrische stroom. Een aantal natuurkundige wetten is hierbij belangrijk.

De basis van een stroomkring ligt in de volgende wet, die we de wet van Ohm noemen: U=I×R Hierin is U de spanning in Volt (V). De spanning is het verschil in elektrisch potentiaal tussen twee punten.

I is de stroomsterkte in Ampère (A). De stroomsterkte geeft aan hoeveel lading per tijdseenheid wordt verplaatst.

En R is de weerstand in Ohm (Ω) Een andere belangrijke wet is de waarmee we het vermogen van een elektrische stroom berekenen: P=U×I U en I zijn al eerder toegelicht. P is hierin het vermogen in Watt (W) en geeft aan hoeveel energie per seconde wordt gebruikt of geleverd door het apparaat. Het vermogen dat we kunnen opwekken is afhankelijk van de stroomsterkte en de spanning. Het is dus belangrijk om het product van deze twee waarden zo hoog mogelijk te krijgen. Aangezien de opstelling in het groot geen variabelen heeft (het zeewater, rivierwater en elektrolyt verandert immers niet van samenstelling) is de weerstand en de stroomsnelheid de enige variabele waar eventueel een hoger vermogen mee op te wekken valt.

In een stroomkring deelt de stroom zich op als het parallel geschakeld is. Daarom wordt een ampèremeter altijd in serie geschakeld met het te meten punt. De spanning deelt zich in serie echter op. Om deze reden moet een voltmeter altijd parallel worden geschakeld aan het punt dat gemeten moet worden.

Het verkrijgen van deze energie uit het water kan op verschillende manieren worden gedaan. Een hiervan is “Pressure-retarded osmosis” (PRO) en gebruikt een semi-permeabel membraan en is gebaseerd op osmose. Bij deze manier van energie opwekken wordt er gebruik gemaakt van een natuurlijk proces genaamd osmose. Als de concentratie opgeloste stoffen aan één kant van het membraan hoger is dan aan de andere kant, dan zal een vloeistof met een lagere concentratie onder invloed van osmose naar de kant transporteren waar de concentratie hoger is, zodat aan beide kanten evenveel deeltjes zijn die homogeen 7

verspreid zijn. Hiervoor is geen extra energie nodig en is het dus ook een vorm van passief transport. Osmose vindt overal plaats, in de natuur, in ons lichaam en kan ook worden toegepast in verschillende technieken. Door middel van membranen, voornamelijk semi-permeabele membranen, kan worden gereguleerd welke stoffen waar terecht komen. Met semi-permeabele membranen worden membranen bedoeld die alleen bepaalde stoffen doorlaten. Zo kan een membraan bijvoorbeeld alleen water zonder opgeloste stoffen doorlaten of juist alleen water met negatieve ionen erin opgelost. Verschillende membranen kunnen dan gebruikt worden in verschillende opstellingen en voor verschillende technieken. Bij PRO wordt dit gedaan met membranen die alleen water doorlaten. Dit membraan scheidt zoet water van zout water, waardoor het zoete water door osmose door het membraan gaat naar het zoute water.

Hierdoor wordt de druk aan de kant van het zoute water, waar met een turbine stroom mee kan worden opgewekt.

De manier om energie uit water te krijgen die in ons onderzoek wordt gebruikt, wordt gedaan met behulp van twee speciale membranen. Zoals eerder verondersteld bevat zeewater ionen die negatief of positief geladen zijn. Met een membraan dat selectief negatieve of positieve ionen doorlaat verplaatsen ionen van de ene kant van het membraan naar de andere kant waardoor er aan elke kant van het membraan een spanningsverschil ontstaat. Door veel van deze membranen om en om te stapelen ontstaat er een groter spanningsverschil en kan er stroom worden opgewekt door elektroden aan beide kanten van het membraan te zetten. Deze manier wordt RED genoemd: Reverse electrodialysis.

Er wordt hierbij gebruik gemaakt van twee soorten membranen: Het CEM membraan (cation exchange membrane) die de positieve natrium-ionen doorlaat en het AEM membraan (anion exchange membrane)die de negatieve chloor ionen doorlaat. De kant waar de negatieve ionen heen stromen is de anode kant en de kant waar de positieve ionen heen stromen de kathode kant.

Zo’n RED opstelling is een vorm van een brandstofcel die gebruikt maakt van redoxreacties. Bij een brandstofcel is er sprake van een anode, een kathode en een elektrolyt, een medium om een verbinding te vormen tussen twee polen van een elektrochemische cel. Het elektrolytvloeistof zorgt voor een chemische verbinding die in een oplossing elektrische stroom kan geleiden. Een redoxreactie is een scheikundige reactie waarbij er een uitwisseling van elektronen plaats vindt tussen verschillende stoffen die deelnemen aan deze reactie. Hierbij is de stof die een elektron opneemt de oxidator en de stof die deze elektron afstaat de reductor, dit zijn overigens twee verschillende reacties, ook wel halfreacties genoemd. Samen vormen ze een redoxreactie. Vaak gaat het om ionen die weer elektronen weer op willen nemen of af willen staan in redoxreacties zodat zij weer een neutrale lading krijgen. Dit vindt allemaal in de opstelling plaats. Met RED vindt er een transport plaats van positief geladen deeltjes in een richting en negatief geladen deeltjes in de andere richting. Aan de uiteinden van de opstelling, zitten elektrodes, waardoor er elektriciteit kan worden opgewekt door een chemische reactie. Hiervoor zijn elektronen nodig, die uit de ionen worden gehaald door een redoxreactie. Om het spanningsverschil, die de ionen veroorzaken, daadwerkelijk te gebruiken in een stroomkring hebben we elektronen nodig die met behulp van een redoxreactie van het elektrolyt gebruikt kunnen worden. Dit gebeurt met behulp van het elektrolytvloeistof. Het elektrolytvloeistof is een oplossing van rood en geel bloedloogzout (respectievelijk ​K₃Fe(CN)₆​ en ​K4​ ​Fe(​C​N)6​ ​.3​H2​ ​O​). Dit elektrolyt bevindt zich voornamelijk bij de 8

elektrodes zodat de vrijgekomen of opgenomen elektron van de redoxreactie meteen gebruikt wordt. Aan de kant van de anode vindt de volgende halfreactie plaats: Fe2+ ​ ​ → Fe3+ ​ ​ + e-​

Bij deze reactie staat Fe2+ ​ ​een elektron af waardoor het ijzerion een meer positieve lading krijgt en er een elektron vrijkomt. Dit elektron wordt opgenomen door de elektrode, omdat de elektron negatief is en aan de andere kant van de membranen een elektronen tekort is. Zo ontstaat er een stroomkring. Aan de kant van de cathode vindt de omgekeerde halfreactie plaats: Fe3+ ​ ​ + e-​ ​ → Fe2+ ​ Er wordt een elektron vrijgegeven door de elektrode, die vervolgens door Fe3+ ​ ​ wordt opgenomen zodat het ion weer Fe2+ ​ ​ wordt. De elektrodes zijn gemaakt van grafiet. Dit is een materiaal die zelf niet meedoet in de redoxreactie, maar wel de elektronen door kan geven.

Door het gebruiken en stapelen van meerdere CEM en AEM membranen wordt de energieopbrengst hoger. Men wil echter in het onderzoeksproces zo weinig mogelijk membranen gebruiken omdat deze erg duur zijn om te maken en het lastiger is de membranen schoon te maken als er eventuele viezigheid in komt of te onderhouden. Een andere manier om de energieopbrengst met membranen te vergroten is om het membraanoppervlak te vergroten. Ook 9

zou een hogere temperatuur van het water voor een grotere energieopbrengst zorgen, dit wordt alleen niet gedaan omdat als het elektrolyt, een oplossing van geel en rood bloedloogzout, verhit wordt, de giftige stof blauwzuurgas ontstaat. Dit is niet alleen schadelijk voor de mensen maar ook voor de opstelling. Hierna is het elektrolyt niet meer bruikbaar. Verder is het elektrolyt niet schadelijk zolang het goed wordt bewaard. Het mag dus niet in de zon staan of verhit worden.

Op dit moment is op de afsluitdijk hier in Nederland de eerste en enige proefinstallatie ter wereld van een RED installatie om Blue energy uit te voeren. De afsluitdijk is hiervoor een perfecte plek omdat het de Waddenzee scheidt van het IJsselmeer. Zoet en zout water zijn hier dus maar enkele meters van elkaar verwijderd. Op sommige momenten van de dag, wanneer de sluizen opengaan, mengt het zoete water van het IJsselmeer zich met het zoute water van de Waddenzee waardoor er brak water ontstaat. Bij de afsluitdijk is er dus al een beetje brak water in de zee zonder dat dit de natuuromgeving verstoort. De installatie zal ook brak water de zee in leiden, door het brakke water deels gescheiden te houden van het zoute/zoete water en het langzaam te laten mengen.

De installatie zelf is nu nog in de proeffase, wat betekent dat ze nog onderzoek aan het doen zijn naar de optimale omstandigheden voor Blue Energy met natuurlijk zoet en zout water. Zo bleek dat er in het rivier- en zeewater kleine vuildeeltjes, algen en bepaalde bacteriën bevinden die het membraan vervuilen waardoor deze uiteindelijk verstopt raakt. Voor dit probleem en anderen worden of zijn al oplossingen gevonden en worden er steeds weer nieuwe doorbraken gemaakt op het gebied van membraantechnologie en het energie opwekken dmv Blue Energy zelf zodat het groter maken van de centrale makkelijker zal verlopen. Op dit moment stroomt er zo’n 220.000 liter zoet en zout water per uur door de installatie en wordt er steeds een wisselend hoeveelheid membranen gebruikt en wordt er zo’n 50 KW aan energie opgewekt, wat genoeg is voor zo’n 125 huishoudens. Het is de bedoeling dat na de eerste vergroting van de installatie er zo’n 500 kW tot 1 MW aan energie kan worden opgewekt, dat is ongeveer genoeg energie voor 1250 gezinnen in Nederland. Het einddoel is een volwaardige installatie die een capaciteit van ongeveer 200 MW levert, wat genoeg is voor zo’n 500.000 huishoudens. Dit is alleen nog in Nederland; als we in de rest van de wereld Blue Energy gaan toepassen op plekken waar dit mogelijk is zou er tussen de 1,4 en 2,6 TW aan energie kunnen worden opgewekt, dus 7000 tot 13000 keer zoveel als het einddoel op de afsluitdijk. Dat is zo’n 20% van de wereldwijde energievoorziening. Het voordeel van Blue Energy ten opzichte van wind- of zonne energie is dat het altijd op elk moment van de dag werkt en niet afhankelijk is van het weer. Het nadeel is wel dat het locatieafhankelijk is en nog lang niet zo bekend als andere vormen van duurzame energie, voornamelijk ook omdat de technologie nog in de testfase bevindt en er dus ook nog geen tot weinig commerciële instanties zijn die de techniek gebruiken.

Op kleine schaal kunnen situaties worden nagebootst met een speciale RED proefset, waarmee experimenten kunnen worden gedaan voor het optimaliseren van het grootschalig gebruik van membranen en opstellingen voor Blue Energy.

10

4. Materialen Voor onze proef hebben wij gebruik gemaakt van een Blue Energy Stack set van Wetus European Centre of excellence for sustainable water technology. In deze set kregen wij de volgende materialen: ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●

Begin- en eindplaat Anode en cathode platen Vierkante pakkingen (2x) Vierkante spacers (2x) Siliconen pakkingen (20x) Spacers (20x) Cation membranen (11x) Anion membranen (10x) Elektrodes (2x) Bouten, ringen en vleugelmoeren (8x) Slangkoppelingen (8x) Kunststof buisjes (4x) K​4Fe(CN) ​6​ · 3H​2O (geel bloedloogzout) ​ ​

●

K​4​Fe(CN)​6​ (rood bloedloogzout)

Deze materialen waren nodig voor een basis constructie om RED proeven mee uit te voeren. Om het werkelijk te kunnen gebruiken was er extra materiaal nodig. Deze materialen waren: ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●

Spuitflessen, 0,5L (3x) Amperemeter Voltmeter Verschillende weerstanden (100, 150, 220, 460, 680Ω) Lange plastic buizen Duct Tape Tape Rode elektrische snoeren (3x) Zwarte elektrische snoeren (3x) Schakelbord Vast Natrium Chloride Demi Water Natriumchloride oplossingen van verschillende molariteiten Zeewater oplossing Statieven (3x) Emmers Weegschaal

11

5. Werkwijze Om de Blue Energy Stack set in elkaar te zetten hebben wij de instructies in de handleiding van de set gebruikt (Bijlage ?). Nadat de set in elkaar stond gingen wij verder met het maken van een stroomkring en het aansluiten van buizen en flessen water en elektrolyt naar de set. Er dient een oplossing van 1 liter geel en rood bloedloogzout gemaakt te worden van 0,05 Molair. Deze oplossing is in principe herbruikbaar.

Dit is ongeveer hoe de set er uiteindelijk uit komt te zien. Hieruit kan de set nog worden opgebouwd door de buizen met daaraan de spuitflessen te monteren. Als dit klaar is kan de stroomkring worden gemaakt. In zâ&#x20AC;&#x2122;n geheel kan het er als volgt uit komen te zien:

12

N.B.: hier was aan ons een spanningsmeter gegeven die met een wijzer afgelezen moest worden, de proeven zijn uitgevoerd met een digitale voltmeter. Ook de stroomkring is hier niet geplaatst zoals wij hem uiteindelijk in de proef hadden, deze wordt verderop weergeven.

Concentraties & weerstanden 1. Maak oplossingen met NatriumChloride van 1,0 Molair en 1,5 Molair. Dit zijn respectievelijk 58,443 gram en 87,6645 gram per liter. 1 liter per oplossing zou ruim voldoende moeten zijn.

2. Stel de klemmetjes op de buisjes zo af dat het water er net doorheen kan, bijna druppelend.

3. Zet ook 1 liter demiwater en de elektrolytoplossing (herbruikbaar) klaar.

4. Zorg dat de stroomkring er als volgt uitziet:

13

5. Giet alle drie de oplossing in hun eigen fles, zo dat de vloeistoffen door de buizen kunnen lopen. Begin hierbij met de oplossing van 1,0 Molair, demiwater en elektrolyt.

6. Noteer de waarden van de voltage- en amperemeter wanneer de waarden stabiel zijn.

7. Doe dit ook wanneer de weerstanden van 100, 150, 220, 460 en 680 Ohm in het bord geplaatst zijn. Zorg ervoor dat de vloeistoffen kunnen blijven stromen door ze bij te vullen wanneer dat nodig is. Er zou genoeg tijd moeten zijn voor dit experiment wanneer er 1 liter van elk vloeistof aanwezig is.

8. Voer deze proef nogmaals uit, dit keer met de zoutoplossing met een molariteit van 1,5, het elektrolyt en het demiwater. Noteer ook hiervan de waarden bij verschillende weerstanden.

9. Verwerk de waarden in tabellen en grafieken.

Zeewater & weerstanden 1. Maak een oplossing van zeezout met een massapercentage van 3,45% (dus per liter 3,45 gram) 2. Laat de blue energy set opnieuw doorlopen met ongeveer 1 liter demiwater, 1 liter elektrolyt en 1 liter zout water 3. Noteer opnieuw de waarden bij weerstanden van 100, 150, 220, 460 en 680 ohm.

4. Vergelijk deze waarden met de verkregen waarden bij de vorige proef

Stroomsnelheid 1. Stel de klemmetjes op de buizen zo strak in dat de tijd waarin 1 liter water doorloopt om en nabij de 3 minuten is (dit is vrij snel) 2. Maak een oplossing van 2,0 Molair NatriumChloride. 0,5 liter moet genoeg zijn.

3. Laat de set doorlopen met 0,5 liter demi water, elektrolyt en NatriumChloride-oplossing en noteer de spanning en stroomsterkte.

4. Draai nu de klemmetjes verder dicht, zodat 1 liter water er nu ongeveer 14 minuten over doet om door te lopen (dit is bijna druppelend) 14

5. Laat opnieuw demiwater, elektrolyt en een 2,0 Molair zoutoplossing doorlopen, wanneer de spanning en stroom van het vorige practicum teruggezakt is.

6. Noteer opnieuw deze waarden en zet ze uit in een tabel.

6. Resultaten 1,0 Molair NaCl oplossing, verschillende weerstanden Weerstand (in Ω)

Gemeten spanning (U in V)

Gemeten stroomsterkte (I in A)

Berekend Vermogen (U x I in Watt)

100

0,82

0,0089

7,30x10-3​

150

1,02

0,0069

7,04x10-3​

220

1,19

0,0051

6,07x10-3​

460

1,31

0,0023

3,01x10-3​

680

1,38

0,0015

2,07x10-3​

0

1,38

0,0063

8,69x10-3​

In deze tabel zijn de gemeten spanning en stroomsterkte weergegeven bij verschillende weerstanden. Hierbij is ook uitgerekend wat het opgewekte vermogen daarbij was. We zien dat bij een hogere weerstand de spanning omhoog gaat, de stroomsterkte naar beneden, en dat het vermogen daarbij steeds lager wordt

In deze grafiek is het vermogen weergegeven uitgezet tegen de geplaatste weerstand. Hier is duidelijk te zien dat naarmate de weerstand hoger wordt, het vermogen naar beneden gaat.

15

1,5 Molair NaCl oplossing, verschillende weerstanden Weerstand (in Ω)

Gemeten spanning (U in V)

Gemeten stroomsterkte (I in A)

Berekend vermogen (U x I in Watt)

100

1,16

0,0115

13,3x10-3 ​

150

1,23

0,0080

9,84x10-3 ​

220

1,35

0,0060

8,10x10-3 ​

460

1,44

0,0030

4,32x10-3 ​

600

1,49

0,0021

3,13x10-3 ​

0

1,41

0

0

In de grafiek is te zien dat het gemeten vermogen 0 Watt is bij een ingeschakelde weerstand van 0 ohm. Bij een weerstand van 100 Ohm schoot de weerstand omhoog en vanuit daar liep het af naarmate de weerstand groter werd.

Ionen oplossing zoals in zeewater, verschillende weerstanden

Weerstand (in Ω)

Gemeten spanning (U in V)

Gemeten stroomsterkte (I in A)

Berekend vermogen (U x I in Watt)

16

100

1,00

0,01

10,0x10-3​

150

1,10

0,0072

7,92x10-3​

220

1,16

0,0052

6,03x10-3​

460

1,24

0,0025

3,10x10-3​

600

1,28

0,0019

2,43x10-3​

0

1,34

0

0

Ook bij deze grafiek zien we dat het berekende vermogen 0 Watt is bij een weerstand van 0 ohm, en dat het vermogen omhoog schiet als we een weerstand van 100 Ohm inschakelen. Vanuit daar loopt het weer naar beneden naarmate we een hogere weerstand inschakelen.

Om de verschillen tussen de drie verschillende oplossingen beter te weergeven zijn ze hier nogmaals in een diagram uitgezet, maar nu alle drie in één.

17

In deze grafiek is te zien dat bij zeewater en 1,5M NaCl oplossing de vermogens beginnen bij 0 Watt wanneer geen weerstand is ingeschakeld. De oplossing van 1,0 M NaCl begint echter wel op een hoog punt en loopt van daaruit af naarmate een hogere weerstand ingeschakeld is. De lijnen van zeewater en 1,5M schieten daarna bij 100 Ohm omhoog en worden van daaruit lager naarmate een hogere weerstand is ingeschakeld.

Invloed van stroomsnelheid op spanning en stroomsterkte (2 Molair zoutoplossing) Stroomsnelheid (minuten/liter)

Spanning (U in V))

Stroomsterkte (I in A)

3

1,55

0,0025

14

1,55

0,0023

Met behulp van klemmetjes waarmee we de waterleidingen dicht konden draaien hebben we de stroomsnelheid veranderd. Bij een snelheid van 3 minuten/liter was de spanning even hoog als bij een doorstroomsnelheid van 14 minuten/liter. De stroomsterkte werd net iets lager afgelezen bij 14 minuten/liter. Wij hebben een stroomsnelheid van 3 minuten/liter gebruikt omdat dit de snelste stroomsnelheid was als alleen de zwaartekracht de vloeistoffen vanuit de flessen de set in liet stromen. Als wij de vloeistoffen sneller wilden laten lopen hadden wij een pomp nodig, die niet tot onze beschikking was. Daarnaast hebben we een stroomsnelheid van 14 minuten/liter gekozen omdat dit de snelheid was waarmee de klemmetjes op de buizen zo strak mogelijk werden gezet zonder de buizen volledig af te sluiten of de klemmetjes te breken.

18

7. Verklaring resultaten Wat meteen opvalt als we kijken naar de resultaten is dat bij zeewater en 1,5 M NaCl het uitgerekende vermogen 0 Watt is, terwijl hij bij 1,0 M NaCl 1,33x10-2​ ​Watt is, wat in verhouding met de andere resultaten tamelijk hoog was. Dit verschil is te verklaren door een fout in ons meetproces. In het meetbord hadden wij de voltmeter aangesloten waar de weerstanden over werden gemeten, omdat wij daar immers de spanning over wilden meten. Toen we echter 0 Ohm weerstand wilden meten hebben we geen brug ingeschakeld. Hierdoor liep de stroom rechtstreeks door de voltmeter heen. Aangezien voltmeters een weerstand hebben die bijna oneindig is verklaart dit waarom wij daarom een stroomsterkte van 0 Ampère hebben afgelezen.

Bij het eerst onderzoek, die met 1,0 M NaCl zat er nog een bruggetje ingeschakeld toen we begonnen. Daarna realiseerden we ons niet dat dat nodig was om die waarde te kunnen meten.

We zien bij het eerste onderzoek met 1,0M dat het hoogste vermogen daar toch is opgewekt bij 0 Ohm. De verleiding is dan groot om te zeggen dat daar het grootste vermogen werd opgewekt, maar omdat dat niet uit de andere vergelijkbare onderzoeken is gebleken willen we dat niet zeggen. De gemiddelde vermogens zijn immers betrouwbaarder.

Gemiddeld kunnen we de vermogens als volgt zien:

In deze grafiek is duidelijk te zien dat het optimale vermogen, gemiddeld over de 3 proeven gezien, bij een weerstand van 100 Ohm was. Het is echter mogelijk dat 0Ω de optimale weerstand is, aangezien dat uit een van de drie proeven naar voren kwam als de optimale weerstand. Om hierachter te komen hadden we de proeven met 1,5 M en zeewater nogmaals uit moeten voeren, maar hier was geen tijd voor aangezien de set voor ons maar beperkte tijd beschikbaar was.

We zien ook dat telkens -op de meting zonder weerstand na- het vermogen steeds afneemt naarmate de weerstand toeneemt. In de stroomkring zoals hij bij ons opgebouwd is, is de ingeschakelde weerstand echter niet de enige weerstand die er aanwezig is. De membranen zelf hebben ook een weerstand. Deze zou afhankelijk kunnen zijn van de weerstand die in het schakelbord is ingeschakeld. Zo beïnvloedt deze de waarden van de spanning en stroomsterkte 19

dus ook. Een verklaring voor deze resultaten zou dus kunnen zijn dat de weerstand van de membranen afhankelijk is van de weerstand die in het schakelbord is ingeschakeld, en door de verandering in spanning en voltage die dat als gevolg heeft.

Wat ook opvalt is dat het opgewekte vermogen van het zeewater (3,45 massa% zout) veel leek op het vermogen bij 1,0 M, terwijl daar veel minder ionen aanwezig waren in de oplossing. Om dit te verklaren moeten we kijken naar de ionen die aanwezig zijn in zeewater. Dit zijn: NaCl (24,0 g), MgCl​2​ (5,0 g), Na​2SO ​4​ (4,0 g) CaCl​2​ (0,7 g) en MgBr​2 (0,8 g). Een van de dingen die meegespeeld kan ​ ​ hebben is de lading van de ionen. Het zou kunnen dat de grootte van de lading meespeelt in het voltage of de stroom die wordt opgewekt. Na en Cl hebben respectievelijk een lading van +1 en -1.

Mg (magnesium) en Ca (calcium) hebben daarentegen een lading van 2+, en deze zijn ook in redelijk grote getale aanwezig. SO​4 heeft ook een lading van -2. In totaal zijn er dan meer ​ elektronen aanwezig in de oplossing, wat zou kunnen zorgen voor een hoger potentiaal. Wat ook mogelijk is, is dat er nog ionen aanwezig waren van de proef ervoor, die ook werden getransporteerd. Dit lijkt onwaarschijnlijk omdat wij steeds hebben gewacht tot de spanning en de stroom terug gezakt was naar 0 (wat soms wel een uur kon duren) voordat we de nieuwe proef begonnen, om te voorkomen dat het potentiaal van de vorige proef invloed had op de proef die dan zou worden uitgevoerd. Het is echter een mogelijkheid dus belangrijk om er rekening mee te houden.

Uit de proeven die we hebben uitgevoerd met betrekking tot de stroomsnelheid van de vloeistoffen zien wij dat een lagere stroomsnelheid geen tot nauwelijks effect heeft gehad op de stroomsnelheid. De spanning die beide stroomsnelheden opleverden zijn gelijk, alleen de stroomsterktes wisselen een heel klein beetje van elkaar. Dit zou eventueel ook een afleesfout kunnen zijn, aangezien we geen digitale ampèremeter hebben gebruikt. We hebben niet onderzocht of een nog hogere stroomsnelheid effect heeft gehad op het opgewekte stroom.

De weerstanden die waren ingeschakeld hebben een foutmarge van 5%, weergegeven door de gouden streep in de kleurcode. Dit moet mee worden genomen bij het aflezen van de grafieken.

Dit heeft namelijk invloed op de andere waarden, maar ook bij het maken van de grafiek op de plaatsen waar de punten liggen. Ook is er nog een kans op een toevallige fout geweest. Bij het aflezen van de spanning maakten we gebruik van een digitale voltmeter, hier is geen meetfout mogelijk, wel eventueel een systematische fout, maar we kunnen ervan uitgaan dat dit apparaat goed geijkt was. Bij de ampèremeter hadden we een meter waar de waarde met een wijzer werd aangegeven. Bij deze meter is een vrij grote kans op een afleesfout. Ook is het hierbij mogelijk dat er door de meter een systematische fout werd gemaakt, maar ook deze zal goed geijkt zijn. Helaas waren we ons er niet van bewust dat de school ook in het bezit was van digitale ampèremeters, anders hadden wij hier geen afleesfout hoeven hebben.

8. Conclusie Uit de practica die wij hebben uitgevoerd zijn de volgende dingen gebleken: Hoe hoger de zoutconcentratie in het water, hoe groter het vermogen dat werd opgewekt was.

Deze conclusie komt overeen met onze hypothese.

De stroomsnelheid van het water heeft geen invloed op de stroom die er ontstaat wanneer alleen zwaartekracht als geleverde kracht wordt gebruikt. Dit komt niet overeen met onze hypothese, die stelt dat deze wel invloed zou hebben in verband met het aantal elektronen.

20

Ook was er sprake van een optimum in het vermogen bij een weerstand van 100â&#x201E;Ś. Hierover konden wij van tevoren niks zeggen omdat het een explorerend onderzoek is.

Als laatste bleek dat zeewater een hoger elektronenpotentiaal oplevert dan gewoon water waar NaCl is opgelost. Dit komt niet overeen met de hypothese waarin wordt gezegd dat een oplossing van water met keukenzout een hoger elektronenpotentiaal oplevert.

9. Discussie Onze opstelling, werkwijze, en resultaten Zoals eerder vermeld hebben wij gebruik gemaakt van een kleine RED-stack van Wetsus. Deze gebruikt nog spacers om ervoor te zorgen dat er water tussen de membranen door kan en zodat de weerstand van de installatie niet te groot wordt. Dit zou komen omdat vooral zoet water slecht elektriciteit geleidt wat ervoor zorgt dat een dikke waterlaag een grotere elektrische weerstand ontstaat, waardoor er minder stroom wordt opgewekt. Het nadeel van deze spacers is dat, hoewel ze dun zijn en elektrisch gezien gunstig zijn, ze wel voor stromingsweerstand zorgen, wat weer energie kost. Dr. David Vermaas - die deeltijds werkt bij RED-stack, een van de bedrijven die betrokken is bij de RED proefinstallatie op de Afsluitdijk - patenteerde in 2014 zijn ontwerp van een membraan waar een patroon van hele kleine ribbeltjes als het ware in het membraan is gestempeld, waardoor bij het stapelen van de membranen kanaaltjes ontstaan waar het water makkelijk doorheen kan stromen, zonder te veel weerstand te leveren aan de installatie. Wij hebben dus niet gebruik kunnen maken van deze techniek, waardoor de energieopbrengsten die uit onze proeven zijn voortgekomen lager zijn dan wanneer zulke membranen worden gebruikt.

Terwijl wij ons onderzoek deden zagen wij dat het elektrolyt niet geheel gescheiden bleef van het water in de stack, waardoor deze oplossing een andere molariteit kreeg en wij hem niet meer konden gebruiken voor volgende experimenten. Een mogelijke oorzaak is dat de spacers en de pakkingen, die de membranen van elkaar gescheiden houden, elkaar overlapten. Dit zorgde voor meer ruimte tussen de membranen dan zou moeten. Een andere reden zou kunnen zijn dat de membranen niet stevig genoeg tegen elkaar aan zaten. We hebben echter na het eerste experiment geprobeerd om de schroeven nog dichter dan ze al zaten dicht te draaien, dus het is onwaarschijnlijk dat het probleem hier lag. Wat ook nog zou kunnen is dat de membranen licht beschadigd waren. Toen we ze kregen waren enkele membranen blauw gekleurd. Dit duidt erop dat vorige gebruikers van de set bij de proef blauwzuur hebben laten ontstaan. Dit is zeer giften, en erg slecht voor de membranen. Voor het probleem met het elektrolyt hebben wij verder niet een oplossing kunnen bedenken. Het kan zijn dat hierdoor we minder energie hebben opgewekt, maar hoeveel het verschilt is niet bekend.

Wij hebben klemmetjes gebruikt om de stroomsnelheid van de vloeistoffen te veranderen. Uit ons onderzoek is gebleken dat de stroomsnelheid geen invloed had op de hoeveelheid opgewekte energie. Op grote schaal is dit blijkbaar wel een bepalende factor. Hoe kan het dan dat in ons experiment dit niet naar voren kwam? Wij denken dat op kleine schaal het verschil in stroomsnelheid veel minder effect heeft dan op grote schaal. De stroomsnelheid die wij onderzochten was natuurlijk vrij beperkt; langzamer dan druppelend was niet mogelijk, maar we waren helaas niet in het bezit van een pompje. Anders hadden we nog graag onderzocht of er wel een hoger vermogen opgewekt kon worden als we het er in een hoge snelheid doorheen hadden gepompt. Als dat mogelijk was geweest konden we namelijk ook nog uitrekenen of het vermogen 21

dat nodig is om de pomp te gebruiken bruikbaar is in vergelijking met het vermogen dat opgewekt wordt met de cel. Als de opbrengst van de cel namelijk lager is dan wat nodig is voor de pomp is het niet nuttig om een pomp te gebruiken. Nu kan dat echter niet omdat het moeilijk is het vermogen van een pomp te bepalen die we niet hebben, omdat er veel verschillende zijn, en omdat we niet weten wat ons vermogen zou zijn als we een pomp gebruiken. Het is immers mogelijk dat er met een nog hogere snelheid wel een hoger vermogen wordt opgewekt, ondanks dat dit niet uit onze metingen is gebleken.

Voor herhaling van dit onderzoek is het raadzaam andere materialen te gebruiken dan wij moesten doen. Als reservoir voor het water gebruikten wij demi waterflessen die aan de onderkant opengesneden waren, met klemmetjes om de stroomsnelheid te reguleren. Het was beter geweest als wij gewoon bekerglazen hadden kunnen hebben van 1 tot 2 liter waar onder een kraantje aanwezig was. Zo konden hadden we het makkelijker bij kunnen vullen, en was de stroomsnelheid makkelijker regelbaar geweest.

Om nog betrouwbaardere resultaten te krijgen zouden wij in het vervolg aanraden om de proeven meerdere keren uit te voeren. Door gebrek aan tijd is dit ons niet gelukt, anders hadden wij dat ook zeker gedaan. Ook kunnen er meerdere stroomsnelheden worden gebruikt en eventueel een set worden gemaakt die gebruik maakt van een pomp om het elektrolyt rond te laten pompen en de stroomsnelheden groter te maken dan die wij hadden gebruikt, dan is er misschien wel te zien of een grotere stroomsnelheid een verschil maakt in de energie opbrengst. Andere aanpassingen aan de set die mogelijk zijn, zijn bijvoorbeeld membranen gebruiken zoals Dr. Vermaas deze heeft ontwikkelt, zodat er geen spacers nodig zijn en er minder stromingsweerstand is.

RED op grote schaal en als toekomstige energiebron Zoals in de onderbouwende theorie is vermeld staat er een Blue Energy installatie op de afsluitdijk die gebruik maakt van RED. Deze installatie nadert het einde van zijn proeftijd en er zijn plannen om de installatie uit te breiden over de gehele afsluitdijk. Tot zover levert de installatie genoeg energie op om rendabel te zijn en lijkt het een toekomstige energie leverancier te zijn voor ruim 500.000 huishoudens in Nederland. Tijdens deze proeftijd liepen onderzoekers wel tegen een paar problemen aan, onder andere het vervuilen van de membranen. Het water uit de zee en rivieren is natuurlijk niet heel schoon en voordat het de opstelling instroomt wordt het ook gezuiverd. Toch blijven er micro-organismen, algen en andere microscopische vuildeeltjes in het water te zitten die de membranen op den duur laten verstoppen of zelfs beschadigen. Niet alleen dat, maar ook bepaalde zouten die in veel lagere concentraties voorkomen in zeewater zijn in staat de membranen door te komen. Deze zijn echter wel schadelijk voor het membraan. Onderzoekers zijn nu bezig met het maken van membranen die nog specifieker doorlatend vermogen hebben om het zeezout probleem op te lossen en zijn ook bezig om te kijken of bepaalde visjes of filters kunnen worden toegepast om het vuil tegen te gaan. Op de afsluitdijk hebben ze ook al gebruik gemaakt van perslucht om zo de membranen schoon te maken, met succes. Het is alleen nog een kwestie van de membranen zo lang mogelijk schoon te houden, want als ze niet langer dan een jaar mee kunnen zonder schoongemaakt te worden is deze manier helaas niet rendabel genoeg.

Bovendien kosten de membranen veel geld en energie om te maken en is het van belang dat ze niet kapot gaan.

Het is ook nog maar de vraag of de afsluitdijk uitsluitend verder gaat met Reverse Electrodialysis, sinds de opbouw van de installatie is er ook een andere manier bedacht, gebaseerd op RED, om 22

nog beter stroom op te wekken en op te slaan. De zogenaamde CRED (Capacitive Reverse Electrodialysis) methode. Bij beide manieren wordt er gebruik gemaakt van CEM en AEM membranen en zoet en zout water, alleen gebruikt CRED capacitieve elektroden die de ionen opslaat in deze speciale elektroden. Deze elektroden zijn van actief koolstof gemaakt en daarom ook een stuk goedkoper dan de elektrodes die bij RED worden gebruikt. Met capacitieve elektroden is er geen elektrolytvloeistof nodig voor een chemische reactie zodat de elektrodes de stroom door kan geven. Dit zou kunnen betekenen dat het water zou kunnen worden verwarmd zonder dat er blauwzuurgas ontstaat door het meeverwarmen van het elektrolyt. Volgens onderzoek uitgevoerd door Wetsus zou water met een hogere temperatuur meer stroom kunnen opwekken dan dat er nu al gebeurt. Dit zou nu met CRED wel kunnen worden gedaan. Het enige waar we bij CRED op moeten letten is dat de elektrodes niet verzadigd raken. Dit kan voorkomen worden door periodiek het zoet en zout water om te wisselen en tegelijk ook de stroomrichting omkeren. Er zijn plannen in de maak om ook een CRED proefinstallatie op de afsluitdijk neer te zetten.

10. Dankwoord Er zijn een aantal mensen zonder wie dit PWS niet mogelijk was geweest.

Allereerst natuurlijk de bedenker van ons onderwerp en onze begeleider meneer Huitema. Verder zijn er op school nog vele andere mensen die ons hebben geholpen: meneer Braaksma bij het vinden, en vaak bedenken van onderdelen van onze opstelling; mevrouw Braaksma voor het vele malen verschaffen van zout, demiwater en glaswerk; Nick Burgemeijer voor het meetapparatuur en de stroomkring; en meneer van Spronzen voor het uitlenen van de klemmetjes die wij op onze buizen gebruikten.

Buiten school heeft Wetsus in Leeuwarden ons ook nog geholpen. Hiervoor moeten wij bedanken: Jeanette Hoekstra en Lisette voor het verschaffen van de Blue Energy proefset, en natuurlijk dat we door hun begrip iets langer gebruik van mochten maken dan eigenlijk in de planning stond; en Jos van Dalfsen voor het verschaffen van veel informatie over blue energy en de set zelf.

Minder vanzelfsprekend, maar toch belangrijk, waren RenĂŠ Rozendal, voor de informatie over watertechnologiĂŤn bij Paques, en Kristina Donker, voor het 2 keer brengen naar en halen van Wetsus.

11. Bronvermelding Piter Jelles Gymnasium, Leeuwarden, Dhr. H. Zijlstra.

RSG Trompmeester, Steenwijk, Mw. E.H.M. Eijkholt. Wetsus, Leeuwarden, Dhr. J.W. Post, Dhr. J. Veerman, Mw. C. van Oers, Dhr. J.G. van Dalfsen. Zonne-energie uit water (2009) Bouwens, R.E.A. (2016), Binas, 6e editie, Noordhoff Uitgevers Groningen.

Van Dalen, B. (2014), Systematische Natuurkunde, Basisboek, VWO 4, 8e druk, 6e oplage, ThiemeMeulenhoff.

Siebers, R (12 oktober 2012), REDstack Update. Powerpoint presentatie

23

Visscher, R (15 jan 2015). Rendement blauwe energie verdrievoudigd, http://www.kennislink.nl/publicaties/rendement-blauwe-energie-verdrievoudigd Medewerkers Lenntech BV (datum onbekend). Composition of seawater. http://www.lenntech.com/composition-seawater.htm Masterclass blue energy (2015), https://www.wetsus.nl/education/wetsus-talent-program/voortgezet-onderwijs/masterclass-blue -energy Medewerkers programma Bureau de Nieuwe Afsluitdijk (2013), Blue Energy: Wat is het? https://www.deafsluitdijk.nl/projecten/blue-energy/wat-is-het/ Medewerkers programma Bureau de Nieuwe Afsluitdijk (2013), Blue Energy: Waarom is het er? https://www.deafsluitdijk.nl/projecten/blue-energy/waarom-is-het-er/ Medewerkers programma Bureau de Nieuwe Afsluitdijk (2013), Blue Energy: Wat kun je er beleven? https://www.deafsluitdijk.nl/projecten/blue-energy/wat-kun-je-er-beleven/ Medewerkers programma Bureau de Nieuwe Afsluitdijk (2013), Blue Energy: Blue Energy of de afsluitdijk. https://www.deafsluitdijk.nl/projecten/blue-energy/blue-energy-op-de-afsluitdijk/ Medewerkers programma Bureau de Nieuwe Afsluitdijk (2013), Blue Energy: Hoe werkt het? https://www.deafsluitdijk.nl/projecten/blue-energy/hoe-werkt-het/ Medewerkers programma Bureau de Nieuwe Afsluitdijk (2013), Blue Energy: Wat is de planning? https://www.deafsluitdijk.nl/projecten/blue-energy/wat-is-de-planning/ Medewerkers programma Bureau de Nieuwe Afsluitdijk (2013), Blue Energy: Documenten https://www.deafsluitdijk.nl/projecten/blue-energy/documenten/ Ikink, H( 24 april 2014). Zoet+zout=stroom., https://www.nemokennislink.nl/publicaties/zoet-zout-stroom Medewerkers Redstack (datum onbekend). Reverse Electrodialysis. http://www.redstack.nl/nl/technologie/reverse-electrodialysis-red Medewerkers Redstack (datum onbekend). Blue Energy. http://www.redstack.nl/nl/technologie/blue-energy Medewerkers Redstack (datum onbekend). De stack. http://www.redstack.nl/nl/technologie/de-stack Medewerkers Redstack (datum onbekend). Stackbouw. http://www.redstack.nl/nl/technologie/stackbouw Medewerkers Redstack (datum onbekend). Stackbouw: constructie. http://www.redstack.nl/nl/technologie/stackbouw/constructie Medewerkers Redstack (datum onbekend). Stackbouw: ontwikkeling http://www.redstack.nl/nl/technologie/stackbouw/ontwikkeling Medewerkers Redstack (datum onbekend). Toepassing van RED. http://www.redstack.nl/nl/technologie/toepassing-van-red Medewerkers Redstack (datum onbekend). Toepassing van RED: Zeewater met rivierwater, http://www.redstack.nl/nl/technologie/toepassing-van-red/zeewater-met-rivierwater 24

Knoppers, R. (15 jan 2014). Nieuwe winmethode voor blue energy, https://www.technischweekblad.nl/nieuws/nieuwe-winmethode-voor-blue-energy/item4349 Fujifilm, Blue Energy Technology, http://www.fujifilmmembranes.com/blue-energy-technology Ten Brinck, T. (30 juli 2012). Overzicht blue energy: de voor- en nadelen van osmose-energy, http://www.wattisduurzaam.nl/875/energie-opwekken/waterkracht/overzicht-blue-energy-de-vo or-en-nadelen-van-osmose-energie/ Blue energy (20 maart 2014), http://www.dutchpower.net/informatiecentrum/media-download/presentaties/blue-energy-20maart-2014 Elektrode (29 november 2016), https://en.wikipedia.org/wiki/Electrode Elektrolyte (10 december 2016), https://en.wikipedia.org/wiki/Electrolyte Fuel cell (17 december 2016), https://en.wikipedia.org/wiki/Fuel_cell Kaliumhexacyanoferraat (II) (23 februari 2015), https://nl.wikipedia.org/wiki/Kaliumhexacyanoferraat(II) Kaliumhexacyanoferraat (III) (10 april 2016), https://nl.wikipedia.org/wiki/Kaliumhexacyanoferraat(III) Fresh water (15 december 2016), https://en.wikipedia.org/wiki/Fresh_water Seawater (6 december 2016), https://en.wikipedia.org/wiki/Seawater Salinity (5 december 2016), https://en.wikipedia.org/wiki/Salinity#Seawater Voltage (14 december 2016), ​https://en.wikipedia.org/wiki/Voltage Electric potential (19 oktober 2016), https://en.wikipedia.org/wiki/Electric_potential N.B. de data die zijn aangegeven bij wikipedia links zijn de data waarop deze voor het laatst bewerkt zijn, niet de data waarop ze geplaatst zijn.

Foto’s: http://www.ecomare.nl/typo3temp/GB/f1f0c0cf0c.png​ waterkringloop https://fastly.kastatic.org/ka-perseus-images/e633786ac1972cc24e26cc37b80f91a1d629fea c.png​ - osmose

25

http://dualstack.prod-http-80-test-412114078.us-east-1.elb.amazonaws.com/w/images/thum b/f/f8/PRO.gif/360px-PRO.gif​ - pro opstelling http://www.aljevragen.nl/images/sk/atoom.jpg​ elektron http://www.fujifilmmembranes.com/blue-energy-technology​ - fujifilm RED opstelling Foto’s van onze opstelling zijn door onszelf gemaakt

12. Bijlagen

26

Manual Blue Energy Kit

This toolkit is sponsored by:

Content of this kit: • Anode and Cathode plates • Black square gaskets (2x) • Square spacers (2x) • Silicone gaskets (20x) • Spacers (20x) • Cation membrane (11x) • Anion membrane (10x) • Electrodes (2x) • Blots/rings/nuts (8x) • PVC connectors (8x) • Tubes (4x) • Motor • K4Fe(CN)6• 3H2O • K4Fe(CN)6 Add yourself: • Teflon tape • Tubes • Water

• •

Left / with extra hole: Cation Exchange Membrane (CEM 11x) Right: Anion Exchange Membrane (AEM 10x)

Electrodes

Left: Spacers Right: Silicone Gaskets

â&#x20AC;˘ Left: Gasket for Anode & Cathode plates (this is the black rubber gasket â&#x20AC;˘ Right: Spacers for within the gaskets

Left: Anode plate Right: Cathode plate (start with this one)

â&#x20AC;˘ â&#x20AC;˘

Start with adding the 2 connectors on the outside of the anode and cathode plates.

Add to all the connectors a bit of Teflon tape, to prevent any leakages.

3)

1)

1) 2) 3)

1)

Connect the 8 PVC connectors on both plates.

Make sure the don`t leak, so add Teflon tape to the screw thread of the connectors.

Add the elektrodes to both plates Lay the cathode plate on it`s 4 connectors and put the 4 tubes in them, as shown in the picture.

Lay the Black Gasket and the spacer in the middle of the plate and make sure that the square spacer does not overlap.

1) 2)

3) 4)

Start with stacking the membranes, spacers and gaskets.

Before you stack everything, make sure that all the parts rinsed in water. This makes it easier to stack them and that dust is removed and can not start any leakages.

Begin with applying the cation exchange membrane.

Add on the membrane a silicone gasket with in the middle a spacer. Make sure that the spacer lays within the gasket and that it doesnâ&#x20AC;&#x2122;t overlap.

Note: take a close look at the picture and see how the gasket is placed.

1)

Next, add the anion exchange membrane and place it on top of the spacer and gasket.

2)

Then add a silicone gasket on top of the membrane and lay the spacer in the middel. But, do this in a mirror view of the previous gasket. (see arrow in the picture). This is a importants step where the separationg of sold and fresh water takes place.

In the picture above the gasket points towards the left upper corner. In the picture below the gasket points towards the right upper corner.

Repeat this proces untill all membranes are used.

And pay attention to the fact that gaskets and spacers are placed in a mirror view after each membrane.

If you placed all the membranes in a correct order, you should end with a cation exchange membrane.

This is the tricky part: add the last plate.

Connect the last plate on top of the stacked membranes. Before you do this, don`t forget to add the black gasket and square spacer in the middle of the last membrane.

The 4 tubes can be pushed through the 4 pvc connectors. Push them until they stick out halve a centimeter above the membranes, the stack should not shift! Let someone else lift up the lower plate while you push the upper plate on top of it. Press them together add the bolts/rings/nuts first to each corner of the plate. Then add the bolts to the middle wholes and screw them tight to prevent leakages.

If all the parts are added correctly, you should end up with this result.

The electrolyte liquid

Out of 1 liter of water you can make 1 liter of electrolyte liquid by adding K4Fe(CN)6â&#x20AC;˘ 3H2O and K3Fe(CN)6 Add to the 1 liter of water about 0.05M of each compound.

The setup below is an example of how you could build the system.

Clean up & Storage • Take the cell apart when it is not used anymore and rinse every part with water.

• The membranes should be stored wet. So keep them in a bucket of salty water so they will not dry out.

• If you want to keep the cell together make sure that water stays in the cell.