HAALBAARHEID OSMOTISCHE ENERGIEWINNING IN ZEELAND

Ecofys bv P.O. Box 8408 NL-3503 RK Utrecht Kanaalweg 16-G NL-3526 KL Utrecht The Netherlands www.ecofys.nl tel +31 (0)30 280 83 00 fax +31 (0)30 280 83 01 e-mail [email protected]

HAALBAARHEID OSMOTISCHE ENERGIEWINNING IN ZEELAND

-Vertrouwelijk-

Dr. E.C. Molenbroek Ir. A.B. Schaap

Juni 2004

STH02001

by order of: Delta N.V. Provincie Zeeland

Voorwoord

Met dank aan: Darko Jaksic Geert-Henk Koops Harry Brouwer Rolf Jarle Aaberg Thomas Hinkebein

Delta N.V. Universiteit Twente TNO-MEP Statkraft Sandia National Laboratories

HAALBAARHEID OSMOTISCHE ENERGIEWINNING ZEELAND

III

IV


Summary

Osmotic energy production is a form of energy production that has not been applied yet to date, but is has potential to be harvested in a sustainable way in the future. To illustrate this: the theoretical energy content of mixing 1 m3 fresh water into seawater is equal to 280 m hydropower height difference! The principle of osmotic energy production with semipermeable membranes stems from the period 1970 – 1980. The main obstacle toward development of this technology was the fact the membranes were far too expensive. However, due to strongly growing markets like the desalination market, enormous cost reduction has taken place in the last decades. Also, the Norwegian utility Statkraft has started developing membranes especially for this application. These developments prompted us to look into the feasibility and the potential of this technology in for Zeeland. Apart from energy production with the use of semipermeable membranes, other principles exist to harvest the energy content of mixing fresh and salt water, like making use of vapor pressure differences or electrodialysis. These methods have not been investigated in detail, but the main features are described. First, the state-of-the-art of membrane technology and the necessary water pretreatment technologies have been investigated. It appeared that enormous cost reduction has taken place in membrane module technology and that further cost reduction is to be expected in the next ten, twenty years. In desalination, usually several water pretreatment steps take place in order to reduce the frequency of cleaning the membrane modules and therewith maintenance cost (and use of chemicals). At least precautions should be taken against growth of bacteria and algae. Next, a model was made with eight design parameters to determine power production. The efficiency of an osmotic power plant will be more than 30%. This entails that out of a theoretical energy content of 0.78 kWh/m3, 0.25 kWh/m3 can be harvested. Then, the expected kWh-price produced by an osmotic energy plant was determined, for different cases. If an osmotic power plant would be built today with state-of-the-art membranes this would result in an electricity cost of €0.19/kWh for the membrane installation. Assuming further steady price reduction in membrane modules in the coming ten years combined with membrane specifications that Statkraft deems feasible, a cost level of €0.09/kWh could be reached. These cost


V

levels do not include pretreatment of the fresh water yet. Osmotic energy production needs to be done with minimal pretreatment in order to make it economically feasible. Use of a new technology for prevention of bacteria and algae growth would add €0.12/kWh to the cost. It is likely that with further innovation in pretreatment, in membrane cleaning technology and in reactor design, preteatment cost can be strongly reduced. The technical potential in Zeeland is determined to be 6 MW. This estimate is likely to be on the low side, because it is based on summer values of salinity of surface water in Zeeland. The conclusions of the project are as follows: • If no pretreatment would be necessary and with the necessary R&D on membrane technology, osmotic power production could attain a cost level of ± € 0.09/kWh in the medium term, comparable to wind energy at sea. • In Norway, with glacier melting water, pretreatment might be omitted. In the Netherlands and in Zeeland pretreatment is required, also for effluent of sewage treatment installations. The question is what can be achieved in the area of pretreatment and membrane cleaning. It is recommended to carry out experimental research in this area. • In that case it could be considered to join a next European project, that Statkraft is beginning to prepare at this time. This spring an Expression of Interest was submitted, with the plan to submit an Integrated Project in december. A follow-up with Dutch parties could also be considered. The sewage treatment in Vlissingen would be a good test location. • In this feasibility study alternatives for osmotic energy production with semipermeable membranes have nog been investigated in any detail. It is still useful to compare those alternatives. A feasibility study on vapour pressure differences could be submitted in the current BSE-round. • KEMA is conducting research on membranes for electrodialysis. The costs are still unknown. However, from this study it is clear that prevention of bacteria and algae growth is an issue for electrodialysis as well. • The potential for osmotic energy production in Zeeland is estimated to be 6 MW, comparable to 30 MW of wind power or 1.5 PJ of saved primary energy per year.

VI


Samenvatting

Osmotische energiewinning is een vorm van energiewinning die momenteel niet toegepast wordt, maar wel potentiëel heeft om in de toekomst op duurzame wijze benut te worden. Ter illustratie: de theoretische energie-inhoud van 1 m3 zoet water ten opzichte van zeewater komt overeen met waterkracht met 280 m hoogteverschil! Het principe van osmotische energiewinning met behulp van semipermeabele membranen is sinds de jaren ‘70-80 bekend. Het voornaamste feit dat tot voor kort verder onderzoek naar toepassing in de weg stond was het feit dat de membranen die nodig zijn voor het scheiden van zout en zoet water veel te duur waren om deze techniek economisch haalbaar te maken. Echter, membranen zijn, door sterk groeiende markten op verschillende gebieden zoals ontzilting, veel goedkoper geworden. Ook loopt er inmiddels een Europees project, aangevoerd door Statkraft in Noorwegen, waarin membranen speciaal voor energiewinning ontwikkeld worden. Deze ontwikkelingen maakten het interessant deze techniek op dit moment te onderzoeken voor toepassing in Zeeland. Naast energiewinning met behulp van semipermeabele membranen zijn er nog andere wijzen om de energie tussen zoet en zout water te benutten, zoals het gebruik maken van dampdrukverschillen tussen zoet en zout water en electrodialyse. Deze methoden zijn in deze studie niet in detail onderzocht, maar wel globaal beschreven. Allereerst is de stand van de techniek rond membranen en de benodigde technieken voor voorzuivering onderzocht. Hieruit bleek dat in de laatste twintig jaar een enorme kostenreductie van membranen en membraanmodules bereikt is en dat in de komende tien tot twintig jaar nog verdere kostenreductie te verwachten is. Ook bleek dat voor gebruik van membraanmodules in omgekeerde osmose (voor drinkwaterbereiding) vaak meerdere voorzuiveringsstappen plaats vinden, ten einde de frequentie van schoonmaakbeurten en daarmee onderhoudskosten (en gebruik van chemicaliën) te minimaliseren. Minimaal dienen voorzorgmaatregelen genomen te worden tegen vervuiling door bacteriën- en algengroei. Vervolgens is een model opgezet waarmee met acht ontwerpparameters de vermogensproductie bepaald kan worden. Het rendement van een centrale zal ruim 30% kunnen bedragen. Dit houdt in dat van de theoretische energie-inhoud van 1 m3 zoet water van 0.78 kWh, in praktijk 0.25 kWh benut zou kunnen worden.


VII

Vervolgens is de verwachte kWh-prijs, geproduceerd door een osmotische centrale, bepaald voor verschillende situaties. Als nu een centrale neergezet zou worden met state-of-the art membranen, met het huidige prijsniveau, zou dit resulteren in een energieprijs van €0.19/kWh voor de membraaninstallatie. Uitgaande van een gestage verdere prijsdaling in de komende 10 jaar gecombineerd met specificaties van membranen die Statkraft technisch haalbaar acht zou €0.09/kWh gehaald kunnen worden. In deze getallen zijn kosten voor voorzuivering echter nog niet opgenomen. Duidelijk is dat osmotische energiewinning met minimale voorzuivering gedaan moet kunnen worden om het economisch haalbaar te maken. Met gebruik van een nieuwe techniek voor het voorkomen van algen- en bacteriëngroei zou er €0.12/kWh aan kWh-kosten bijkomen. Waarschijnlijk kunnen de voorzuiveringskosten met innovatieve voorzuiveringstechnieken, spoel- en reinigingsmethoden en membraanmoduleontwerp verder teruggedrongen worden. Het potentieël voor osmotische energiewinning is bepaald op 6 MW. Deze schatting is waarschijnlijk wat aan de lage kant, omdat uitgegaan is van zomerwaarden voor het zoutgehalte van het oppervlaktewater in Zeeland. De conclusies van het project luiden als volgt: • Indien geen enkele vorm van voorzuivering nodig zou zijn, zouden op de middellange termijn, met de benodigde R&D op membraantechnologiegebied, de kosten kunnen dalen tot ± € 0.09/kWh (vergelijkbaar met windenergie op zee). • In Noorwegen, met smeltwater van gletsjers, is dit een aannemelijk scenario. Voor Nederland en voor Zeeland is dit nu niet het geval, ook niet bij effluent van rioolwaterzuiveringsinstallaties. De vraag is wat hier met R&D op het gebied van voorzuivering en reiniging van membranen bereikt kan worden. Het verdient aanbeveling hier experimenteel onderzoek naar te doen door een proefopstelling te bouwen zodat dit uitgetest kan worden. • In dit geval kan gedacht worden om aan te sluiten bij een volgend Europees project, waarvoor Statkraft bezig is voorbereidingen te treffen. In het voorjaar is er een Expression of Interest ingediend en de planning is om in december een Integrated Project in te dienen. Er kan ook gedacht worden aan een vervolgproject met nederlandse partijen. De rioolwaterzuiveringsinstallatie in Vlissingen zou een goede lokatie zijn voor een proefproject. • In deze haalbaarheidsstudie zijn alternatieven voor osmotische energiewinning met behulp van semipermeabele membranen niet in detail onderzocht en is dus niet bekend in hoeverre osmose zich vergelijkt tot deze alternatieven. Het is nog steeds zinvol om deze alternatieven aandacht

VIII


•

•

te geven. Een haalbaarheidsstudie naar dampdrukverschilbenutting zou in de huidige BSE-ronde ingediend kunnen worden. KEMA verricht onderzoek aan membranen voor electrodialyse. De kosten hiervan zijn nog niet bekend. Wel is uit deze studie duidelijk dat ook bij elektrodialyse het probleem van algen- en bacteriëngroei getackled zal moeten worden. Het potentieël voor benutting van osmotische energie in Zeeland wordt geschat op minimaal 6 MW vermogen, oftewel 1.5 PJ uitgespaarde primaire energie per jaar, overeenkomend met 30 MW vermogen aan windenergie.


IX

X


Inhoudsopgave

1

Introductie

3

2

Technologie beoordeling

5

2.1 2.2 2.3 2.4 2.5

5 5 9 11 13

3

Ontwerp en energieproductie 3.1 3.2 3.3

4

Inleiding Membraanmaterialen and membraanmodules Membraankosten Voorzuivering toevoerwater Andere technieken voor energiewinning

Inleiding Energieproductie, optimalisatie en discussie Statkraft

15 15 15 17

Economische haalbaarheid en milieuaspecten

19

5

Potentiëel osmotische energie Zeeland

23

6

Conclusies en aanbevelingen

27

7

Referenties

31

Bijlage I: Berekening energieproductie


33

1

2


1

Introductie

Osmotische energiewinning is een vorm van energiewinning die momenteel niet toegepast wordt, maar wel potentiëel heeft om in de toekomst op duurzame wijze benut te worden. Ter illustratie: de theoretische energie-inhoud van 1 m3 zoet water ten opzichte van zeewater komt overeen met 280 m hoogteverschil! Het principe van osmotische energiewinning met behulp van semipermeabele membranen is sinds de jaren ‘70-80 bekend. Het voornaamste feit dat tot voor kort verder onderzoek naar toepassing in de weg stond was het feit dat de membranen die nodig zijn voor het scheiden van zout en zoet water veel te duur waren om deze techniek economisch haalbaar te maken. Echter, membranen zijn, door sterk groeiende markten op verschillende gebieden, veel goedkoper geworden. Dit feit, gecombineerd met het gegeven dat wellicht goedkopere (off-spec) membranen ingezet kunnen worden in deze toepassing maakte het interessant deze techniek nu te onderzoeken. In hoofdstuk 2 wordt de stand van de techniek rond membranen besproken. Naast energiewinning met behulp van semipermeabele membranen zijn er nog andere wijzen om de energie tussen zoet en zout water te benutten. Deze methoden zijn in deze studie niet in detail onderzocht, maar worden in dit hoofdstuk wel globaal beschreven. In hoofdstuk 3 wordt de energieproductie van een osmotische installatie bepaald aan de hand van de belangrijkste ontwerpparameters. In hoofdstuk 4 wordt de economische haalbaarheid onderzocht. In hoofdstuk 5 wordt het potentiëel van osmotische energiewinning van de provincie Zeeland besproken. Hoofdstuk 6 sluit af met conclusies en aanbevelingen.


3

4


2

2.1

Technologie beoordeling

Inleiding

Membranen worden gebruikt in vele soorten scheidingsprocessen. In dit rapport bedoelen we met ‘membraan’ doorgaans een semipermeabel membraan. Dit is een membraan dat watermoleculen doorlaat, maar daarin opgeloste stoffen, inclusief zout (natriumchloride) grotendeels tegenhoudt. Dit soort membranen wordt tegenwoordig steeds meer gebruikt in verschillende zuiveringsprocessen, met name in afvalwater- en waterzuivering. Een belangrijke toepassing is de bereiding van drinkwater uit zeewater. Dit proces, omgekeerde osmose (ook wel afgekort tot RO, Reversed Osmosis), wordt steeds meer toegepast, omdat de markt voor drinkwaterbereiding uit zeewater toeneemt en omdat omgekeerde osmose goedkoper is dan bestaande technieken. Hieronder een globaal overzicht van gebruikte membranen en membraanmodules in omgekeerde osmose, van mogelijkheden tot het gebruik van nieuwe materialen, de kosten van membraanmodules en van voorzuiveringsmethoden.

2.2

Membraanmaterialen and membraanmodules

De materialen voor membranen die gebruikt worden zijn aromatische polyamides of acetaten (zoals cellulose triacetaat)i. Polyamide wordt het meest gebruikt in toepassing van drinkwaterzuivering. Voordeel van acetaatmembranen is het eenvoudige productieproces, dat ze minder vervuilen en ze beter bestand zijn tegen chloor als desinfectiemiddel dan polyamides. Nadelen van acetaten zijn de lagere doorlaatbaarheid, geringere stabiliteit wat betreft temperatuur (tot 30 - 35 °C) en smal pH-venster (5-7). Ook zijn acetaten niet goed bestand tegen bacteriën. In de desalinatiemarkt worden polyamides het meest gebruiktii. Het actieve materiaal dat de scheiding van stoffen verzorgt is ongeveer 1 µm dik. De actieve laag wordt aangebracht op een poreus dragermaterial van zo’n 150 µm dik. Dit noemen we asymmetrische (of composiet-)membranen. Het dragermateriaal is polysulfon. Membranen die iets doorlatender zijn (dus een hogere flux behalen) zijn zogeheten nanofiltratiemembranen. Deze worden meestal gemaakt uit polyamides. Voordeel is dat ze doorlatender zijn en alle deeltjes en de meeste opgeloste stoffen


5

tegenhouden, inclusief bivalente ionen. De structuur van het materiaal is wat opener, daardoor houden ze monovalente ionen (zoals Na+ en Cl-) minder goed tegen, wat ze voor desalinatie niet zo geschikt maakt. Ze worden meer voor ontharding gebruikt. De membranen dienen zo compact mogelijk in een module gevat te worden. Hiervoor zijn verschillende methoden. In principe zijn het allemaal varianten van ‘flat’ en ‘tubular’, vlakke plaat en buisvormig. In het geval van buisvormige membranen bepaalt de buisdiameter de pakkingsdichtheid van het membraanmateriaal per volume. Pakkingsdichtheden tot 30,000 m2/m3 kunnen zo worden gekregen (zogeheten hollow fiber membranen, met buisjes van 50 µm in doorsnede). Het alternatief is platen van afwisselend membraan en dragermateriaal te maken en op elkaar te stapelen. Een variant van deze vlakke plaat is de spiraalgewonden module, waarbij de platen opgerold worden tot een module, zie figuur 2.1.

F i g . 2 . 1 S c h e m a v a n e e n s p i r a a l g e w o n d e n m o d u l e iii. H e t t o e v o e r w a t e r stroomt tussen de membraanlagen naar binnen, het water diffundeert door de membraanlaag en stroomt vervolgens via de spiraal naar de verzamelbuis van permeaat in het midden.

Een opengewerkte spiraalgewonden module is te zien in figuur 2.2.

6


Fig. 2.2 Opengewerkte spiraalgewonden module.

Meer dan 75% van de commercieel verkrijgbare RO (Reverse Osmosis) membraanmodules zijn spiraalgewonden modules. Deze hebben een pakkingsdichtheid van 300 – 1000 m2 membraanmateriaal per m3 moduleiv. Een voorbeeld van een module met buisjes is gegeven in figuur 2.3.

Fig. 2.3 capillary fiber voorbeeld, diameter +/- 1 mm (pakkingsdichtheid bij 0.5 mm: 3600m2/m3).

Het zal duidelijk zijn dat een hogere pakkingsdichtheid als nadeel heeft dat de modules sneller verstopt kunnen raken door vervuiling. In drinkwaterzuiveringstoepassingen met zeer vuil toevoerwater wordt daarom soms vlakke plaat en modules met grote buizen (5 mm, 360 m2/m3) gebruikt. Dit beslaat nu zo’n 5% van de RO-markt. Hierover meer in de volgende paragraaf. Hollow fiber modules met zeer hoge pakkingsdichtheden (30.000 m2/m3) kunnen gebruikt worden voor RO, maar dit stelt hoge eisen aan de voorzuivering.


7

Een standaard maat voor spiraalgewonden modules is 8 inches (20 cm) in diameter en 40 inch (102 cm) lang. Figuur 2.4 laat zien hoe een ontziltingsinstallatie met dit soort modules er uit ziet. De modules zelf zijn achter elkaar in drukvaten geplaatst.

Figuur 2.4 Voorbeeld van een desalinatiefabriek (Barbados, capaciteit 1 2 5 0 m 3 / u u r v) . E e n s p e c i f i e k v o o r d e e l v a n s p i r a a l g e w o n d e n e e n h e d e n i s dat zij aan elkaar geschakeld kunnen worden binnen een enkel drukvat. Dit betekent dat het voedingswater meerdere malen door een membraan geleid wordt met één buizensysteem.

Membraanmodules degraderen tijdens gebruik in de loop van de tijd als gevolg van compactering, vervuiling, chloor, schoonmaakbehandelingen en dergelijke. ROmodules lopen in 3 jaar tijd zo’n 20% terug in flux (doorlaatbaarheid) en worden iets minder selectief (0.5% minder retentie). Tabel 2.I geeft een globaal overzicht van hoe de verschillende typen membraanmodules op vijf belangrijke onderwerpen ten opzichte van elkaar scoren. Tabel 2.I Karakteristieken verschillende typen membraanmodules (van -tot en met +++).

Tubulair

Vlakke plaat

Holle vezel

Spiraalgewonden

+++

+++

--

--

Ontwerpflexibiliteit

+/-

+

++

+++

Benodigde

--

+

+++

++

+/-

+

++

+++

Systeemkosten

systeemruimte Energieverbruik

Aan het begin van het project was het de bedoeling te kijken naar alternatieven voor gebruikte membraanmaterialen en of gebruik van afval van de membraanindustrie voor RO mogelijk was. Zo heeft klei bijvoorbeeld osmotische

8


eigenschappen, en de vraag die hierbij opkomt is of er wellicht andere, goedkopere membraanmaterialen beschikbaar zijn of in de toekomst ingezet zouden kunnen worden. Osmotische eigenschappen van materialen worden bepaald door poriëngrootte en door de aard van het oppervlak (wateraantrekkend of afstotend, ionenaantrekkend of afstotend). Zeer veel materialen hebben osmotische eigenschappen, afhankelijk van de dichtheid en de oppervlaktebehandeling van het materiaal. Echter, behalve dat een membraanmateriaal goedkoop moet zijn, worden er veel andere eisen aan gesteld, die te maken hebben met het verpakken van het materiaal in een module. Zo dient het membraanoppervlak per volume-eenheid zo hoog mogelijk zijn, het membraan moet zo doorlatend mogelijk zijn met behoud van selectiviteit, het dient te resulteren in een goedkope module waar lage onderhoudskosten en lage energievraag (in het geval van omgekeerde osmose) aan verbonden zijn. Al met al lijkt een zoektocht naar nieuwe membraanmaterialen in eerste instantie niet de meest voor de hand liggende route om kostenreductie te bereiken. Er zijn echter andere mogelijkheden. In de ontziltingsmarkt bestaat nog steeds een grote drijfveer voor kostenreductie, waarbij vooral reductie van investeringskosten en energiekosten aandachtspunten zijnvi. Meer over kosten in de volgende paragraaf. Het benutten van rejectmateriaal uit de ontziltingsindustrie om kosten te drukken lijkt geen veelbelovende optie: (1) er is tegenwoordig vrij weinig afvalmateriaal, eventueel ontstane pinholes in het productieproces kunnen gedicht wordenvii,viii, (2) om de osmotische druk, de drijvende kracht voor osmotische energiewinning, op peil te houden, is het van belang membranen die niet lek zijn te gebruiken. Meer hierover in hoofdstuk 3. 2.3

Membraankosten

De kosten van membraanmodules voor waterzuivering zijn de afgelopen 20 jaar sterk gedaald, zie figuur 2.5. Verdere kostendaling is nog mogelijk. Om een voorbeeld te noemen: gebruik van grotere modules (bijv. 60” in plaats van 40”) kan al 15% kostenbesparing opleverenix. In de VS ‘Desalination Roadmap’ van 2003 wordt de verwachting geuit dat, met de huidige (beperkte) onderzoeksinspanningen van zowel de publieke als private sector, de kapitaalkosten (van het hele systeem overigens, niet alleen van de membraanmodules) en lopende kosten met ongeveer 4% per jaar zullen dalen (Business as Usual scenario)vi. Dit zal naar verwachting de komende 10 – 20 jaar doorzetten. Dat is wel minder dan figuur 2.5 voor de membraanmodules laat zien, maar betekent toch een reductie van 35% in de komende tien jaar. De afgelopen jaren heeft vooral concurrentie in ontzilting gezorgd voor forse prijsdalingen van de modules. Anno 2004 kost een zeewater membraanmodule €20/m2 en een brakwater


9

module €14/m2x. Een brak water module is opgebouwd uit hetzelfde materiaal, maar hoeft niet te werken onder drukken van 70 bar, maar ± 15 bar. Prijs (historisch)

450 400

Kosten [$/m 2]

350 Prijs (historisch)

300 250 200 150 100 50 0 1990

1995

2000

2005

2010

2015

2020

Tijd [Jaar]

F i g . 2 . 5 K o s t e n m e m b r a a n m o d u l e s v a n a f 1 9 9 0 xi.

Tabel 2.II geeft een overzicht van de kosten van zeewater ontzilting per m3 gezuiverd water met behulp van omgekeerde osmose. De kapitaalkosten bevatten niet alleen de membraanmodules, maar de gehele installatie, inclusief de benodigde voorzuivering om te voorkomen dat de membranen snel verstoppen en inclusief pompen. De kosten van een module maken ±20% uit van de totale kosten van een installatie (en komen daarmee dicht in de buurt van modulevervanging). Tabel 2.II Kostenverdeling ontzilting van zeewater met behulp van omgekeerde osmose.

Onderdeel

Percentage vi

kosten Kapitaalkosten

37%

Consumables

3%

Energie

44%

Onderhoud&onderdelen

7%

Arbeid

4%

Membraanvervanging

5%

10


2.4

Voorzuivering toevoerwater

RO-modules zijn zeer ontvankelijk voor vervuiling. De membranen zelf houden vrijwel alle vervuiling tegen die zich in het toevoerwater bevindt, zoals deeltjes, bacteriën, organische stoffen (olie) en tweewaardige ionen. Vanwege het hoge oppervlak per m3 heeft het de neiging op te hopen in de membraanmodule, mede afhankelijk hoe van de fractie toevoerwater die langs het membraan stroomt, resulterend in retentaat, in plaats van er doorheen (permeaat). Daarom is voorzuivering van het toevoerwater nodig. De mate van voorzuivering die nodig is, is afhankelijk van de mate van verontreiniging van het toevoerwater en van het percentage toevoerwater dat langs de module stroomt en uitgespoeld wordt (deadend vs. cross flow). Zoals al gemeld, zal betere voorzuivering leiden tot lagere onderhoudskosten, omdat de membranen minder vaak schoongemaakt zullen hoeven te worden. Tabel 2.III somt een aantal stappen op die vaak gebruikt worden als voorzuivering voor omgekeerde osmose voor drinkwater. Tabel 2.III Technieken heden ten dage toegepast in voorzuivering omgekeerde osmose

Techniek

Toepassing

Trommelzeef

Tegenhouden grof materiaal, vissen etc.

Zandfiltratie,

Tegenhouden deeltjes, verwijderen stoffen die neer kunnen slaan.

Actieve kool

Wegnemen voedingsbodem bacteriën

Ultrafiltratie

Tegenhouden deeltjes van grootte-orde 1 µm, inclusief bacteriën

Anti-scaling (toevoegen

2-waardige ionen (Ca, Sr, Ba-sulfaten) er uit, nodig

antiscalents)

als water meer dan ± 5x geconcentreerd wordt

Vroeger gebruikte men als voorzuivering voor omgekeerde osmose alleen zandfiltratie. Dit heeft echter als consequentie dat de membraanmodules zeer regelmatig, bijvoorbeeld een maal per week, schoongemaakt moeten worden (mede afhankelijk van de kwaliteit van het toevoerwater uiteraard). Met een zandfilter in combinatie met ultrafiltratie daarentegen is het soms mogelijk om te volstaan met één maal per jaar schoonmaken (uiteraard nog steeds afhankelijk van het toevoerwater). Schoonmaken houdt in: chemisch reinigen, met biocide of enzymen de biofauling verwijderen en indien nodig zuur om scaling te verwijderenxii. Wat de kwaliteit van het toevoerwater ook is, het bevat altijd bacteriën en algen en voedsel voor deze organismen, in ieder geval in Nederland. Deze kunnen zich nestelen in de poriën van het dragermateriaal en vervolgens groeien. Dit geldt zowel voor oppervlaktewater in Nederland als voor effluent van rioolwaterzuivering. In Nederland dienen tenminste óf alle bacteriën en algen


11

vantevoren verwijderd te worden óf de voedingsbodem voor bacteriën en algen dient verwijderd te worden. TNO-MEP is bezig een nieuwe voorzuiveringstechniek te ontwikkelen, die het AOC (Assimileerbaar Organisch Koolstof) uit het water weghaalt en daarmee de voedingsbodem voor bacteriën en algen wegneemt. Dit zou ultrafiltratie en actieve kool overbodig maken en belooft een goedkope eenvoudige techniek te worden (kostenprognose: €0.02-0.045/m3). Deze techniek wordt momenteel getest in het veldxiii. Als meer expertimentele technieken voor waterzuivering kunnen nog genoemd worden: • Ultrasoon geluid (ook te gebruiken voor schoonmaakbeurten, in plaats van het gebruik van chemicaliën) • ‘Vortex’ methode (water jets die net als ultrasoon geluid cavitatie veroorzaken, waardoor bacteriën gedood worden en opgeloste deeltjes neerslaan) • UV-licht voor het doden van bacteriën Ook bij deze methoden als voorzuivering is het uiteraard van belang de kosten en het energieverbruik te weten. Overigens zou om vervuiling als gevolg van algen- en bacteriën tegen te gaan ook behandeling met chloor een optie zijn. Aandachtspunten in dat geval zijn (1) of polyamide membranen nog wel geschikt zijn, gezien het feit dat deze slechts in beperkte mate chloorbestendig zijn en (2) er zijn milieubezwaren tegen het gebruik van chloor. Met voorzuivering van zandfiltratie, actieve kool en ultrafiltratie zou men neerkomen op €0.28/m3. Met de nieuwe techniek van TNO-MEP in combinatie met zandfiltratie zou dit neerkomen op €0.07 – 0.105/m3. Bij zeer schone stromen met weinig deeltjes zou volstaan kunnen worden met de A.O.C. verwijdering á €0.02 – 0.045/m3. Het voorzuivering van zoet water is het belangrijkst, omdat dit water door het membraan stroomt en daarmee alle verontreinigingen zich voor het membraan ophopen. Het zeewater stroomt alleen langs het membraan, waardoor de eisen aan zuivering veel geringer zijn. Als het zeewater op een diepte van 20 m of meer ingenomen wordt is het waarschijnlijk schoon genoeg om direct gebruikt te wordenxii.

12


2.5

Andere technieken voor energiewinning

Andere technieken voor het benutten van het energiepotentiëel tussen zoet en zout water zijn: • Dampturbine: Er bestaat bij dezelfde temperatuur een dampdrukverschil tussen zoet en zout water. In vacuüm kan door het dampdrukverschil een turbine aangedreven worden. Aan een dergelijke installatie is reeds veel onderzoek verricht in het kader van de zogenaamde OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion). Daarbij wordt in de tropen een turbine direct aangedreven door het dampdrukverschil tussen koud diepzee water (circa 8 oC) en warm oppervlaktewater (circa 25 oC). Het gaat hier natuurlijk om kleine drukverschillen waarvoor turbines nodig zijn met grote doorstroomde oppervlakken. Het dampdrukverschil tussen zoet water en zeewater is bij 20 oC niet zo groot, maar bij 70 oC is het vergelijkbaar met OTEC-toepassingen • Hybride dampturbine: het dampdrukverschil kan verder verhoogd worden door zowel zoet als zout water op te warmen. Hoe hoger de temperatuur, hoe groter het dampdrukverschil. Er kan bijvoorbeeld gebruik gemaakt worden van afvalwarmte van de industrie of van elektriciteitscentrales. De warmte kan hergebruikt worden door een warmtewisselaar toe te voegen. Dit is een duidelijk verschil met de Noorse situatie. In Nederland en zeker in het botlekgebied is zeer veel afvalwarmte beschikbaar van industrie en thermische elektrische centrales. Statkraft is bijvoorbeeld een energiebedrijf dat zich uitsluitend richt op duurzame energie. • Menging en opdrijving: er is een Amerikaans patent (US6313545), waarbij er uitgegaan wordt van een opdrijvend effect door menging van zoet en zout water. De stroming die ontstaat drijft een turbine aan. • Expansie en contractie: er bestaan materialen die uitzetten in zoet water en krimpen in zout water. Via een dergelijke beweging kan energie gewonnen worden. • Omgekeerde elektrodialyse: dit is de benutting van het elektrisch potentiaalverschil tussen het zoete en het zoute water over geladen membranen. Tussen zoet water en zeewater bestaat bijvoorbeeld een potentiaalverschil van 80 millivolt per membraan. Deze laatste techniek is sinds kort onderwerp van onderzoek bij KEMA. Bij KEMA is enkele jaren geleden ontdekt dat bij het blootstellen van polyethyleenfolie aan hoge elektrische velden microscopische poriën in het materiaal ontstaan, die, al naar gelang de precieze behandeling, watermoleculen dan wel ionen doorlaten. In het eerste geval is het een semi-permeabel membraan geworden geschikt voor osmose, in het tweede geval een membraan geschikt voor elektrodialyse. Aangezien polyethyleen zeer goedkoop is (< €1/m2) en membranen voor zowel elektrodialyse als osmose zeer duur waren leek dit een zeer geschikte manier om kostenverlaging in membraantechnologieën te bewerkstelligen. Dit is zeker een interessante optie,


13

maar er dient nog verder onderzoek gepleegd te worden voordat hier iets van te zeggen is. Elektrodialyse wordt meestal in vlakke-plaat uitvoering gebruikt en is als zodanig minder gevoelig voor vervuiling. Dit zou dus een voordeel kunnen zijn voor dialyse boven osmose. Echter, net als bij osmose dient ook bij dialyse voorkomen te worden dat bacteriën- en algengroei optreedt.

14


3

Ontwerp en energieproductie

3.1

Inleiding

Tot nu toe is alleen gesproken over RO-aspecten. In dit geval gaat het echter om PRO, Pressure Retarded Osmosisi. Het principe van osmotische energiewinning wordt hier en daar wel beschreven in de RO en membraantechnologieliteratuur. Sidney Loeb heeft er in de jaren '70 en '80 onderzoek naar gedaan, specifiek gericht op osmotische energiewinning met water van de rivier de Jordaan die in de Dode Zee loopt met een osmotische druk van meer dan 100 bar, in vergelijking tot 28 bar van gewoon zeewaterxiv. In Bijlage I wordt afgeleid hoe in deze studie osmotische energieproductie berekend wordt. De formule die resulteert zal in de volgende paragraaf nader besproken en onderzocht worden. 3.2

Energieproductie, optimalisatie en discussie

Een schema met de belangrijkste componenten van een osmotische energiecentrale is weergegeven in figuur 3.1.

brak water 1100 m3/uur turbine

voorzuivering zoet water, Jf 400 m3/uur 0.111 m3/s

drukkamer ∆πav = ∆p

drukwisselaar

semipermeabel membr.

zeewater Js 720 m3/uur

zoet 'bleed'water 20 m3/uur

Figuur 3.1 Schema van belangrijkste componenten osmotische energiecentrale (120 kW).

Een visualisatie van de grootte van een 100 kW osmosecentrale ten opzichte van een rioolwaterzuiveringsinstallatie met ongeveer hetzelfde debiet (400 m3/uur) is weergegeven in figuur 3.2. Ter illustratie is tevens een 1.5 MW windturbine toege-


15

voegd1. Zo zou het er dus (heel globaal) uitzien indien effluent van een rioolwaterzuiveringsinstallatie direct gebruikt zou kunnen worden, zonder verdere voorzuivering.

Figuur 3.2 Visualisatie van een 100 kW osmosecentrale in het landschap, ter illustratie naast een rioolwaterzuiveringsinstallatie met hetzelfde debiet (400 m3/uur). Het gebouw ziet er van de binnenkant uit zoals figuur 2.4 . Er is een 1 .5 MW windmo len aan toe gevoegd.2

In Bijlage I wordt afgeleid hoe de productie van osmotisch vermogen berekend kan worden. Hierbij wordt uitgegaan van acht parameters. Deze parameters, tezamen met hun standaardwaarden, staan weergegeven in tabel 3.I. Met de getallen uit de tabel wordt een energetisch rendement van 32% bereikt (van de 0.78 kWh/m3 die theoretisch uit een m3 zoet water dat in zeewater stroomt gehaald kan worden wordt 0.25 kWh daadwerkelijk geproduceerd). Het membraanoppervlak is alleen toegevoegd om het totale debiet en het totale vermogen te kunnen bepalen en is niet van invloed op het vermogen per vierkante meter. 1

Hierbij dient overigens in aanmerking genomen te worden dat een osmotische centrale een bedrijfstijd tot 8760 uur per jaar zou kunnen hebben, terwijl een windturbine effectief zo’n 3000 MWh/MW produceert. 2 Een installatie met een debiet van 400 m3/uur is in omgekeerde osmose wel gerealiseerd. De grootste omgekeerde osmose-installatie in de wereld, in Saoedi Arabië, heeft een debiet van ruim 38.000 m3/uur.

16


De coëfficiënt σ zegt iets over de selectiviteit van het membraan. Om het rendement zo hoog mogelijk te laten zijn dient σ ook hoog te zijn (misschien niet perse 0.99, maar wel > 0.90). Off-spec membranen met pinholes zullen dus niet geschikt zijn. Table 3.I Parameters die energieproductiebepalen, met waarden die standaard gehanteerd zijn.

Lp permeabiliteit membraan reflectiecoefficient σ concentratie zout water η-turbine η-drukwisselaar R1 (verhouding zout in / zoet in) R2 (verhouding zoet door membraan / zoet in) Am membraanoppervlak Energieverlies voorzuivering

3 2 1.90E-12 m /(m .s.Pa) 0.99 35 g/l 95% 95% 1.8 0.95 2 40000 m 3 0.03 MJ/m

De permeabiliteit van het membraan is de permeabiliteit van een state-of-the-art omgekeerd osmosemembraan. De zoutconcentratie aan de zeewater kant is gelijk aan dat van zeewater, resulterend in een osmotische druk van 28 bar. Verder zijn er realistische waarden van het turbinerendement en het rendement van de drukwisselaar gehanteerdxv. Gegeven de waarde voor deze parameters, kan de waarde voor R1 en R2 aangepast worden ter optimalisatie van de vermogensproductie. R2 is niet geheel vrij te kiezen, dit bepaalt de hoeveelheid water die gebleed wordt. Hoe vuiler het toevoerwater hoe meer gebleed dient te worden. We zetten hier R2=0.95, en hebben aan de hand daarvan een optimale waarde voor R1 van 1.8 gevonden3.

3.3

Statkraft

Statkraft is coördinator van een Europees project waarin onderzoek naar membranen specifiek voor osmotische energiewinning gedaan wordt. In 2001 werd gepubliceerd dat er een vermogensdichtheid van 3-4 W/m2 membraanoppervlak bereikt was, en dat men 5 – 6 W/m2 haalbaar achtte. Naar nu blijkt zijn deze vermogensdichtheden gehaald op een zeer klein membraanoppervlak op laboratoriumschaal. Inmiddels zijn ze zover dat ze proefmodules met een oppervlakte van 4 m2 kunnen produceren. Hiermee wordt een vermogensdichtheid van 2 W/m2 gehaald. Deze vermogensdichtheid wordt overigens nog niet omgezet in daadwerkelijke energieproductie, maar wordt afgeleid uit metingen van druk en debiet.

3

Om scaling in alle gevallen te voorkomen dient R2 wellicht, afhankelijk van de zoetwaterkwaliteit, iets lager genomen te worden (bijvoorbeeld 0.8).


17

Uitgaande van de standaardwaarden uit tabel 3.I zou een vermogensdichtheid van 3.7 W/m2 membraanoppervlak bereikt worden. Hierbij zijn verliezen voor pompen, turbine en voorzuivering niet meegenomen. Met onze inschatting van deze verliezen zouden we op 3.0 W/m2 uit. Statkraft ziet voorzuivering niet als significante kostenpost in de exploitatie en voorziet ook geen uitgebreide voorzuiveringsstappen. Volgens hen is het vooral een kwestie van optimalisatie van druk, debiet en de fractie zoet water die in het retentaat terecht komt. Naar verwachting dient 10 – 20% van het zoete water gebruikt te worden voor spoelingxvi. Zoals in paragraaf 2.4 al besproken, dient in Nederland altijd iets gedaan te worden aan het voorkomen van groei van bacteriën en algen. Dit proces wordt sterk beïnvloed door de temperatuur. In Noors smeltwater van de fjorden zal dit proces een stuk langzamer verlopen, en er zal ook minder voedingsbodem aanwezig zijn.

18


4

Economische haalbaarheid en milieuaspecten

In dit hoofdstuk worden de parameters die bepaald zijn voor optimale energieproductie gecombineerd met een inschatting van de kosten van een centrale. Tabel III geeft een overzicht van de gegevens die nodig zijn voor de globale kostenberekening, met daaraan toegevoegd de waarden die gebruikt zijn voor de ‘basecase’. Tabel 4.I Input gegevenskostenbereking basecase

Proces / onderdeel

Kosten

Membraanmodule

€ 14/m membraan

Investeringskosten rest installatie

€ 1200/kW

Levensduur membranen

5 jaar

Afschrijvingsperiode rest installatie

20 jaar

Rentevoet

4%

2

4

5

Bedrijfstijd

8760 uur/jaar

O&M kosten als % investeringskosten membranen

4%

O&M kosten als % investeringskosten rest installatie

1%

Kosten voorzuivering

6

€ 0.28/m

3

Met behulp van bovenstaande gegevens is het mogelijk investeringskosten voor de installatie, O&M- en afschrijvingskosten van de installatie te berekenen.

4 Kosten voor brak water RO-membranen. Kosten voor zeewatermembranen zijn €20/m2. We hebben aangenomen dat voor energiewinning de kosten meer in de buurt van brak water RO liggen, omdat de druk van beide processen vergelijkbaar is. 5 €1000/kW voor gebouw, €200/kW voor turbine en drukwisselaar. 6 Aan voorzuiveringsmethoden meegenomen: zandfiltratie, actieve kool en ultrafiltratie.


19

Tabel 4.II Overzicht van de ‘cases’.

Case

Situation

I

Base case, onder aanname dat een osmotische centrale gebouwd wordt met huidige technologie en huidige prijsniveau van membranen en voorzuivering.

II

‘Nieuwe voorzuivering’. Als case I, maar onder de aanname dat voor voorzuivering zoet water de nieuwe methode voor AOC (Assimilable Organic Carbon)-verwijdering in combinatie met zandfiltratie toegepast wordt.

III

‘Alleen AOC-verwijdering’. Als case II, maar aangenomen dat het water zodanig schoon is dat alleen AOC-verwijdering volstaat als voorzuivering.

IV

‘Brak toevoerwater’. As case III, met als enige verandering dat het zoet water nu enigzins brak is (20% van zoutgehalte van zeewater).

V

‘Statkraft’. Als case III, maar onder aanname dat de 6 W/m

2

energiedichtheid die Statkraft haalbaar acht gehaald wordt, in plaats van de 2

3.7 W/m in de base case. VI

’10 jaar’ Als case IV, maar onder aanname dat 40% kostenreductie in membraanmodules gerealiseerd wordt.

Van deze zes cases zijn kostenberekeningen gemaakt. De resultaten zijn weergegeven in tabel 4.III. Tabel 4.III Kosten voor alle zes ‘cases’.

Afschrijving membraanmodules,

I

II

III

IV

V

VI

0.15

0.15

0.15

0.19

0.09

0.06

0.02

0.02

0.02

0.01

0.02

0.02

€/kWh Afschrijving overige onderdelen, €/kWh Arbeid, onderhoud, €/kWh

0.02

0.02

0.02

0.04

0.01

0.01

Zoet water voorzuivering, €/m3

0.29

0.08

0.03

0.03

0.03

0.03

Zoet water voorzuivering, €/kWh

1.13

0.32

0.12

0.12

0.12

0.12

Elektriciteitskosten, €/kWh

1.32

0.51

0.31

0.36

0.25

0.21

Elektriciteitskosten excl.

0.19

0.19

0.19

0.24

0.12

0.09

voorzuivering, €/kWh

Hierbij zijn zowel de kosten per kWh inclusief als exclusief voorzuivering weergegeven. Het is duidelijk dat de mate van benodigde voorzuivering van groot belang is voor de uiteindelijke kosten. Indien geen enkele vorm van voorzuivering

20


nodig zou zijn, zouden op de middellange termijn de kosten kunnen dalen tot ± € 0.09/kWh. In Noorwegen, met smeltwater van gletsjers, is dit een aannemelijk scenario. Dit lijkt, in tegenstelling tot de Noorse situatie, voor Nederland en voor Zeeland onwaarschijnlijk. Ook effluent van rioolwaterzuiveringsinstallatie kan niet zonder enige verdere vorm van behandeling gebruikt worden. Bij relatief schoon water is het de vraag of het mogelijk zou zijn om te volstaan met het toevoegen van chloor. In dat geval dient wel heroverwogen te worden over polyamide wel het juiste membraantoepassing is, gezien de beperkte chloorbestedigheid. Ook kleven hier milieubezwaren aan; in de drinkwaterwereld wordt juist hard gewerkt om van chloor af te komen. Bij een rendement van rond de 30% verorzaakt elke €0.01/m3 aan voorzuivering een kostenstijging van €0.04/kWh. De kosten van de voorzuivering zijn per m3, dus bijvoorbeeld verbetering van de doorlaatbaarheid van de membranen heeft hier geen invloed op.


21

22


5

Potentiëel osmotische energie Zeeland

Bij het bepalen van het technisch potentieel in Zeeland zijn de twee voornaamste vragen: 1. Wat zijn de debieten van de verschillende zoetwater stromen? 2. Hoe zoet zijn deze stromen? Daarnaast zijn nog veel andere vragen van belang, zoals afstand tussen de zoet water bron en de zout water ‘put’, seizoensafhankelijkheid van de toevoer, kwaliteit van zoet en zout water, mogelijkheid tot opslag zoet water in bekkens, ruimtebeslag centrales en afstand tot het elektriciteitsnet. In dit eerste globale overzicht beperken we ons tot de twee belangrijkste vragen. Debieten: Op tien locaties in Zeeuws Vlaanderen stroomt zoet in zout water via gemalen (dus opgepompt) of uitwateringssluizen, bijvoorbeeld Braakman. Het totale debiet bedraagt zo’n 350 miljoen m3/jaar. Het Waterschap Zeeuwse Eilanden heeft 85 gemalen onder haar hoede. In het jaar 2000 werd hier 384 miljoen m3 naar zee gepompt. In totaal komt dus ruim 700 miljoen m3 water per jaar uit de polder in zee terecht, ofwel direct in zee ofwel via de toevoerarmen zoals de Oosterschelde en de Westerschelde. Zoutgehalte: Figuur 5.1 is een kaart van de chloriditeit van het oppervlaktewater in Zeeland. De zoutgehaltes die de kleuren weergeven variëren van minder dan 1% van dat van zeewater (<300 ppm) tot meer dan 45% van dat van zeewater (> 16000 ppm). Als grenswaarde voor osmotische energieproductie nemen we 3000 ppm (9% van het zoutgehalte van zeewater). Hiermee vallen een aantal gebieden af, maar er blijft ook nog redelijk wat over. Behalve de zoetwaterkant dient ook rekening gehouden te worden met de zoutwaterkant. De zoutwaterstroom die gebruikt wordt dient echt zout te zijn. De Schelde ter hoogte van Terneuzen is redelijk zout (25.000 ppm, tegen 35.000 ppm voor zeewater), maar niet echt zout genoeg voor osmotische energiewinning: het zou het vermogen ten opzichte van dat bij zeewater halveren. Voor een eerste globale schatting van het potentiëel nemen we het volgende aan:


23

• •

•

Al het water dat ten oosten van Terneuzen in een zee-arm terecht komt telt niet mee voor het potentiëel (grofweg 50%). Van het water dat ten westen van Terneuzen in een zee-arm terecht komt nemen we een rendement in energieopwekking aan van 70% van dat een optimale, scherpe zoet-zout overgang. Van het water dat ten westen van Terneuzen in een zee-arm terecht komt nemen we aan dat 70% van het totale debiet geschikt is, en de overige 30% te zout (volgens figuur 5.1).

Figuur 5.1 Chloriditeit van het oppervlaktewater in Zeeland.

Puur op basis van de spuiwatergegevens zou het potentieel voor Zeeuws Vlaanderen 12 MW zijn en voor de Zeeuwse Eilanden 13 MW, totaal 25 MW. Dit zou neerkomen op 0.8 PJ/jaar elektriciteitsopwekking (1.5 PJ primair uitgespaard). Wordt rekening gehouden met bovenstaande reductiefactoren, dan komt het potentiëel van Zeeland uit op 6 MW, oftewel 0.2 PJ elektriciteitsproductie per jaar (0.36 PJ primair uitgespaard). Dit komt ongeveer overeen met 30 MW aan opgesteld windvermogen.

24


Eerder was bepaald dat het benutten van 10% van het water van de rivier de Rijn leen potentiëel levert van 13 PJ aan primaire energiebesparing. Dit zou dan één redelijk grote centrale zijn van ruim 200 MWe. Het potentiëel in Zeeland is dus een stuk lager dan dat van (10% van) de rivier de Rijn. Dat is niet geheel verwonderlijk, gezien het enorme gebied waarvan de Rijn water verzamelt in verhouding tot Zeeland. Wat betreft de zoet-zout overgangen dient nog opgemerkt te worden dat in Zeeland momenteel gestreefd wordt naar het herstellen van estuaria. Dit zijn geleidelijke zoet-zout overgangen, die als overloopgebieden voor zout water kunnen fungerenxvii. Dit zal het toepassen van osmotische energiewinning niet makkelijker maken. Er wordt ook gesproken over mogelijke toekomstige berging van rivierwater in de Deltawateren. Hoe dit het osmostische potentieël zou beïnvloeden is op dit moment niet goed in te schatten.

r Figuur 5.2 kaart Zeeland met lokatie van vijf rioolwaterzuiveringsinstallaties.

Er is ook gekeken naar de mogelijkheid tot benutten van effluent van rioolwaterzuiveringsinstallaties. In figuur 5.3 zijn alle rioolwaterzuiverings-installaties in Zeeuws Vlaanderen weergegeven die 5 km of minder van de kust (inclusief zeearmkust) afliggen. Dit zijn er vijf in totaal, met een debiet variërend van 90 tot 700 m3 per uur. De drie installaties ten westen van Terneuzen (Groede, Breskens, Retranchement) hebben gezamenlijk een debiet van 280 m3/uur, dit zou overeenkomen met 85 kW.


25

De rioolwaterzuiveringsinstallatie in Vlissingen zou een goede testlokatie zijn voor een proefproject. Deze installatie ligt vlak achter de dijk en het water aan de zoutwaterkant is zout genoeg. De rioolwaterzuiveringsinstallaties in Zeeuws Vlaanderen lozen nu overigens allemaal op binnenwateren, omdat het dichterbij is en omdat men voor lozen van water in zee heffing aan Rijkswaterstaat moet betalen.

26


6

Conclusies en aanbevelingen

In hoofdstuk 2 zijn de voor omgekeerde osmose gebruikte technologiën voor membranen, membraanmodules en voorzuiveringstechnieken besproken. Hieruit bleek dat in de laatste twintig jaar een enorme kostenreductie van membranen en membraanmodules bereikt is. Ook bleek dat voor gebruik van membraanmodules in omgekeerde osmose meerdere voorzuiveringsstappen plaats dienen te vinden, ten einde de frequentie van schoonmaakbeurten en daarmee onderhoudskosten (en gebruik van chemicaliën) te minimaliseren. Tabel 6.I Overzicht van de ‘cases’.

Case

Situation

I

Base case, onder aanname dat assuming een osmotische centrale gebouwd wordt met huidige technologie en huidige prijsniveau van membranen en voorzuivering.

II

‘Nieuwe voorzuivering’. Als case I, maar onder de aanname dat voor voorzuivering zoet water de nieuwe methode voor AOC (Assimilable Organic Carbon)-verwijdering in combinatie met zandfiltratie toegepast wordt.

III

‘Alleen AOC-verwijdering’. Als case II, maar aangenomen dat het water zodanig schoon is dat alleen AOC-verwijdering volstaat als voorzuivering.

IV

‘Brak toevoerwater’. As case III, met als enige verandering dat het zoet water nu enigzins brak is (20% van zoutgehalte van zeewater).

V

‘Statkraft’. Als case III, maar onder aanname dat de 6 W/m

2

energiedichtheid die Statkraft haalbaar acht gehaald wordt, in plaats van de 2

3.7 Wm in de base case. VI

’10 jaar’ Als case III, maar onder aanname dat 40% kostenreductie in 7

membraanmodules gerealiseerd wordt .

Vooral tegen vervuiling door bacteriën- en algengroei dienen voorzorgmaatregelen genomen te worden. In hoeverre verdere zuiveringstechnieken nodig zijn voor verwijdering van vaste deeltjes en dergelijke hangt af van (1) de kwaliteit van het zoete water, (2) opbouw (pakkingsdichtheid) van de membraanmodule en (3) welke fractie van het zoete water uitgespoeld wordt en daarmee vervuiling meeneemt. Bij 7 Dit is nauwelijks meer dan het ‘Business as Usual’ scenario van de VS Desalination Roadmap, dat in 10 jaar op 35% kostenreductie komt; het komt neer op 5% in plaats van 4% per jaar.


27

een gegeven kwaliteit kunnen het gewenste type membraanmodule en de ‘spoelfractie’ bepaald worden.In hoofdstuk 3 zijn acht parameters besproken die gezamenlijk de vermogensproductie bepalen. Het rendement van een centrale wordt geschat op 32%. Dit zal in de toekomst waarschijnlijk niet veel beter kunnen worden. Dit houdt in dat van de theoretische energie-inhoud van 1 m3 zoet water van 0.78 kWh, in praktijk 0.25 kWh benut zou kunnen worden. In hoofdstuk 4 is de economische haalbaarheid besproken. Hier zijn een aantal ‘cases’ afgezet tegen de ‘standaard case’. Deze cases zijn in tabel 6.I herhaald. Van deze zes cases zijn kostenberekeningen gemaakt. De resultaten zijn weergegeven in tabel 6.II. Tabel 6.II Kosten voor alle zes ‘cases’.

Afschrijving membraanmodules,

I

II

III

IV

V

VI

0.15

0.15

0.15

0.19

0.09

0.06

0.02

0.02

0.02

0.01

0.02

0.02

€/kWh Afschrijving overige onderdelen, €/kWh Arbeid, onderhoud, €/kWh

0.02

0.02

0.02

0.04

0.01

0.01

Zoet water voorzuivering, €/m3

0.29

0.08

0.03

0.03

0.03

0.03

Zoet water voorzuivering, €/kWh

1.13

0.32

0.12

0.12

0.12

0.12

Elektriciteitskosten, €/kWh

1.32

0.51

0.31

0.36

0.25

0.21

Elektriciteitskosten excl.

0.19

0.19

0.19

0.24

0.12

0.09

voorzuivering, €/kWh

Hierbij zijn zowel de kosten per kWh inclusief als exclusief voorzuivering weergegeven. Het is duidelijk dat de mate van benodigde voorzuivering van groot belang is voor de uiteindelijke kosten. Hiermee komen we tot de volgende conclusies: • Indien geen enkele vorm van voorzuivering nodig zou zijn, zouden op de middellange termijn, met de benodigde R&D op membraantechnologiegebied, de kosten kunnen dalen tot ± € 0.09/kWh (vergelijkbaar met windenergie op zee). • In Noorwegen, met smeltwater van gletsjers, is dit een aannemelijk scenario. Voor Nederland en voor Zeeland is dit nu niet het geval, ook niet bij effluent van rioolwaterzuiveringsinstallaties. De vraag is wat hier met R&D op het gebied van voorzuivering en reiniging van membranen bereikt kan worden. Het verdient aanbeveling hier experimenteel onderzoek naar te doen door een proefopstelling te bouwen zodat dit uitgetest kan worden. •

28


•

•

•

•

In dit geval kan gedacht worden om aan te sluiten bij een volgend Europees project, waarvoor Statkraft bezig is voorbereidingen te treffen. In het voorjaar is er een Expression of Interest ingediend en de planning is om in december een Integrated Project in te dienen. In deze haalbaarheidsstudie zijn alternatieven voor osmotische energiewinning met behulp van semipermeabele membranen niet in detail onderzocht en is dus niet bekend in hoeverre osmose zich vergelijkt tot deze alternatieven. Het is nog steeds zinvol om deze alternatieven aandacht te geven. Een eerste grove berekening wijst uit dat de dampdrukverschillen tussen zoet en zout water bij 70 graden Celsius vergelijkbaar zijn met OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion). Een haalbaarheidsstudie naar dampdrukverschilbenutting zou in de huidige BSE-ronde ingediend kunnen worden. Zoals vermeld verricht KEMA onderzoek aan membranen voor electrodialyse. De kosten hiervan zijn nog niet bekend. Wel is uit deze studie duidelijk dat ook bij elektrodialyse het probleem van algen- en bacteriëngroei getackled zal moeten worden. Het potentieël voor benutting van osmotische energie in Zeeland wordt geschat op 6 MW vermogen, oftewel 1.5 PJ uitgespaarde primaire energie per jaar, overeenkomend met 30 MW aan opgesteld windvermogen. Enige verdere ontwikkeling op dit gebied dient dan een breder toepassingsgebied te hebben dan alleen Zeeland.


29

30


7

Referenties

i

Mulder, “Basic principles of membrane technology”, Sec. Ed., 2000, Kluwer. Koch, 14-11-2003. iii Ionics website. iv Mulder. v ‘Barbados’ new desalination plant starts up’, Water&Waste Water International, June 2000, vol. 15. issue 3, 22-24. vi ‘Desalination and water purification technology roadmap, a report of the executive committee’, US Bureau of Reclamation, Sandia National Laboratories, DWPR Program #95, January 2003. vii Gesprek met Geert-Henk Koops, Universiteit Twente. viii Angoujard van FilmTec: zo nu en dan wordt een batch offspec materiaal verkocht, niet systematisch, nu geen sprake van een ‘prijs’ voor offspec materiaal. ix Aqua Resources International, 2001. x Van Filmtec (Dow), Koch. xi Bron voor gegevens t/m 2000: EAWAG Forschung Ingenieurwissenschaften; Swiss Federal Institute for Environmental Science and technology. xii Jakzic xiii Harry Brouwer TNO-MEP xiv e.g. ‘Energy production at the Dead Sea by pressure-retarded osmosis: challenge or chimera?’, Desalination 120 (1998) 247 – 262. xv www.energy-recovery.com/products/PX_220.pdf meldt rendementen van 94 97% voor energieterugwinning met behulp van drukwisselaars in RO-toepassingen, zie ook Desalination 125 (1999) 173 – 180. xvi Rolf Jarle Aaberg, telefoongesprek mei 2004. xvii De Delta in zicht, een integrale visie op de Deltawateren. ii


31

32


Bijlage I: Berekening energieproductie

In the ideal case,

j fm = L p (∆p − ∆π )

(1)

Where jfm is the fresh water flux per unit area through the membrane (m3/m2s) Lp is the permeability coefficient of the membrane (m3/(m2.s.Pa)) ∆p is the hydraulic pressure difference across the membrane (Pa) ∆π is the osmotic pressure difference across the membrane (Pa) The power per unit membrane area P (W/m2) that can be generated in this situation is P = jm . ∆p = Lp .∆p.(∆p – ∆π)

(2)

The maximum power Pmax obtained is Pmax occurs at ∆pmax = 0.5 ∆π.

(3)

In practice, the membrane does not completely reject all solvent. This is taken into account by using a reflection coefficient σ (see Appendix I for details). In this way, jfm = Lp (∆p – σ.∆π)

(4)

P = Lp .∆p.(∆p – σ.∆π)

(5)

Pmax occurs at ∆pmax = 0.5 σ.∆π

(6)

Pmax= - 0.25 Lp (σ.∆π)^2 (W/m2)

(7)

With a fresh water flow through the membrane jfm = -0.5 Lp *σ.∆π


(8)

33

In a reactor however, the osmotic pressure decreases as the fresh water dilutes the seawater. To what extent this happens will depend on the ratio of the flows of seawater to fresh water through the membrane. In order to take this into account, we define the ratio R1 as (9) R1 = js/jf, Where js is the salt water flow per unit membrane area. jf is the fresh water entering the reactor per unit membrane area. We also need to consider that some of the fresh water entering the reactor is used to ‘bleed’, to flush the membrane to get rid of residue contaminants in the fresh water, including bivalent ions that can cause scaling, bacteria, and dissolved organic material. This we take into account by defining a ratio R2 R2= jfm/jf

(10)

To estimate the effect of dilution of the seawater on the osmotic pressure on the seawater side, and therefore the hydraulic pressure that is available for power generation, we derive the average osmotic pressure on the seawater side of the reactor as ∆πav=0.5*∆π0 * (2R1 + R2)/(R1+R2)

(11)

We assume that the average osmotic pressure in the reactor determines the power that can be produced: Pmax= - Lp (0.5*σ.∆πav)2

(12)

Before calculating the net power produced, we still need to consider the energy loss in the pretreatment of the fresh water (and the seawater). As a rule of thumb we assume for the energy losses of fresh water pretreatment 0.03 MJ/m38, orxviii Epre = 0.03 /R2

MJ/m3 (per m3 of fresh water through the membrane) (13)

If new methods for pretreatment would be used, thereby omitting the ultrafiltration step, the energy requirement might be further reduced, but there are no firm numbers on this at this point.

8 TNO gave 0.1-0.19 kWh/m3, but according to Jakzic these are not state of the art. Assuming 1 m height drop for sand filtration and 0.2 – 0.4 bar pressure drop for ultrafiltration, this results in 0.028 MJ/m3 energy input pretreatment.

34


With a fresh water inlet flow of jf, eqn. (13) is equivalent to a power need of Ppre=3* 104*jf/(R2*Am) in W/m2 (14) where Am is the membrane area necessary to achieve a flow of jfm through the membrane. The turbine generates power from the brackish water with an efficiency ηt according to Pturbine = ηt * ∆p*(jfm + js)

(W/m2) (15)

The turbine drives a pressure exchanger to pressure the inlet seawater with an efficiency ηp according to Ppressure-exch. = ∆p*(js) /ηp

(W/m2)

The net power generated is therefore Pnet = ηt * ∆p*(jfm + js) - ∆p*(js/ηp )

(W/m2)

Taking into account R1 and R2, so that this can be expressed in terms of jfm, we get Pnet = ηt * ∆p*(jfm + R1*Jfm/R2) - ∆p*(R1*jfm/R2)/ ηp

(W/m2)

With ∆p = 0.5*σ.∆πav and jfm = -0.5*Lp *σ.∆πav we get After rearranging we get Pnet = Lp* (0.5*σ.∆πav)2*{R1/(R2*ηp) - ηt * R1/R2 } (W/m2) We still have to include the power losses from the pretreatment as well: Pnet = Lp* (0.5*σ.∆πav)2*{R1/(R2*ηp) - ηt * R1/R2 } - 3* 104*jf/(R2*Am) (W/m2) We have assumed concentration polarisation not to play a rol when using seawater, unlike when using concentrated brines like Dead Sea water as salt water sidexix. Judging from the data in the Loeb papers, this effect is not expected to be very severe in the case of seawater and is therefore not taken into account here. xviii xix

TNO: 0.1 – 0.19 kWh/m3, state of the art.

Paper Loeb concentration polarisation.


35

HAALBAARHEID OSMOTISCHE ENERGIEWINNING IN ZEELAND

Recommend Documents