Blue energy: de zee als bron van energie

Transcriptie

1 Testversie NLT-Module Landelijk Ontwikkelpunt NLT Module nlt3-v120 Titel Afdeling Blue energy: de zee als bron van energie vwo Datum Disclaimer: Dit materiaal is een testversie van een landelijke NLT-module. Het is dus géén landelijk gecertificeerde module, maar materiaal dat nog in ontwikkeling is. Het materiaal wordt in de maanden september t/m december 2007 getest op twee bij het Landelijk Ontwikkelpunt NLT geregistreerde testscholen. Op basis van de evaluatiegegevens van deze scholen en eventuele gegevens van anderen die de module hebben bekeken en/of uitgeprobeerd, wordt de module bijgesteld. Indien de eindversie voldoet aan de NLT-criteria zal de module gecertificeerd worden en vanaf juni 2008 beschikbaar zijn. De testversies worden ter beschikking gesteld aan iedere belangstellende, onder de volgende voorwaarden: het materiaal mag slechts met niet-commerciële doeleinden worden gebruikt de gebruiker is zich ervan bewust dat de testversie nog niet getoets is door de Stuurgroep NLT en/of het Landelijk Ontwikkelpunt NLT, en dat deze geen enkele verantwoording dragen voor de inhoud van de testversie. bij gebruik van de testversie hoort een gedegen bronvermelding bij gebruik van de testversie wordt aangegeven dat het een testversie betreft (en dus niet een landelijk gecertificeerde module) er worden geen gewijzigde versies van deze testversie gebruikt dan wel in omloop gebracht, de ontwikkelaars van de testversie zijn de enige die de module bijstellen het Landelijk Ontwikkelpunt NLT stelt alleen de testversies ter beschikking. Het is niet mogelijk om andere ondersteuning (bijvoorbeeld extra bestanden, docentenmateriaal e.d.) te verstrekken. Het Landelijk Ontwikkelpunt is uiteraard geïnteresseerd in (gedegen en opbouwend) commentaar op deze testversie. Uw bijdrage kunt u tot 15 mei 2008 mailen naar info@betavak-nlt.nl. De binnengekomen bijdragen zullen door ons gebundeld worden en doorgegeven aan de ontwikkelaars. 1

2 Blue Energy: de rivieren en de zee als bronnen van energie Colofon Deze module is ontwikkeld door: - Piter Jelles Gymnasium, Dhr. H. Zijlstra, te Leeuwarden - RSG Trompmeester, Mw. E.H.M. Eijkholt, te Steenwijk - Wetsus, Dhr. J.W. Post, Dhr. J. Veerman, Mw. C. van Oers, Dhr. J.G. van Dalfsen, te Leeuwarden 2

3 Inhoudsopgave Colofon...2 Inhoudsopgave...3 Voorwoord Inleiding Wat je aan het eind weet Hoe werk je deze module door? Hoe wordt je beoordeeld? Startopdracht: wat is jouw voetafdruk? De zee als zonnepaneel? Klimaatproblematiek en duurzame energie De hydrologische kringloop en Blue Energy De locatie van een centrale van Blue Energy Reflectievragen en opdrachten Wat is Blue Energy eigenlijk? Enthalpie Entropie Toepassing van de twee hoofdregels Reflectievragen en opdrachten Hoe zetten we Blue Energy om in elektriciteit? Meerdere productietechnieken mogelijk Directe elektriciteitsproductie met RED Redoxreacties Reflectievragen en opdrachten Hoeveel vermogen kunnen we maken? Elektrisch circuit Elektrische geleidbaarheid van materialen Interne weerstand van RED Reflectievragen en opdrachten Onderzoek, ontwikkeling en ontwerp is teamwerk Specialisatie 1: de planoloog Specialisatie 2: de onderzoeker Specialisatie 3: de ingenieur Eindopdracht Bronvermelding URL Lijst...75 BIJLAGE: Intro experiment

4 Voorwoord We staan er niet bij stil, maar misschien is de oplossing voor het milieuvriendelijk opwekken van energie nog dichter bij dan we denken. We kennen allemaal de traditionele manieren van duurzame energie opwekken, zoals; getijde-, zon-, en windenergie. Het is niet zo bekend, maar bij het mengen van zoet rivierwater en zout zeewater komt enorm veel energie vrij. De technologie die hiervoor gebruikt wordt is nog in ontwikkeling, maar in de toekomst krijgen de huishoudens van de Noord-Nederland wellicht hun elektriciteit van een energiecentrale op de Afsluitdijk. Bij de spuisluizen in de Afsluitdijk waar IJsselwater in de Waddenzee stroomt, wordt zonder dat we er bij stil staan een hoop energie verspilt. Blue Energy zoals we deze vorm van energie noemen - op een dergelijke locatie kan een vermogen hebben van 200 MW. En wat dacht je van alle andere riviermondingen in Nederland en wereldwijd? Blue Energy heeft een geweldige potentie. Als Blue Energy op grote schaal wordt ingezet, kan er wereldwijd een hoeveelheid energie opgewekt worden, die overeen komt met 20% van het huidige verbruik. Elektriciteit opwekken uit het mengen van zoet en zout water kan met omgekeerde elektrodialyse. Het zoute en zoete water worden in contact gebracht door ion-selectieve membranen. Het concentratieverschil duwt de ionen uit het zoute water door het membraan naar het zoete water. Het ontstane ladingstransport kan met elektroden worden omgezet naar elektriciteit. Duurzame elektriciteit nog wel, want de zon is wordt gebruikt als bron van energie. En hierbij komen geen broeikasgassen vrij (zoals CO 2, NO x en SO x ) bovendien zijn de grondstoffen gratis en vrijwel ongelimiteerd In deze module ga je naar de onderliggende principes van Blue Energy kijken. Belangrijke factoren die de energiewinning beïnvloeden, het ontwerp van de installatie, het effect van opschalen en de keuze van de optimale geografische locatie. 4

5 1 Inleiding 1.1 Wat je aan het eind weet. Voorkennis Wat je tot en met de vierde klas geleerd hebt bij natuurkunde, scheikunde en aardrijkskunde moet voldoende zijn om deze module te begrijpen. Natuurlijk gaan we dieper op de stof in dan in de vierde klas en zal je nieuwe onderwerpen/begrippen krijgen die je nog niet eerder hebt gekregen, maar je hebt geen kennis nodig die je in de vijfde klas eerst nog bij een ander vak moet leren. Leerdoelen Na afloop van deze module kun je: een fysische en scheikundige verklaring geven voor het verschijnsel dat er energie vrijkomt bij het mengen van zoet en zout water. beschrijven hoe en waar deze energie kan worden omgezet naar nuttige energie (elektriciteit). beschrijven welke partijen bij het ontwikkelen van Blue Energy met elkaar moeten samenwerken en wat hun onderlinge relatie is. beargumenteren waarom samenwerken, goede communicatie en een juiste houding belangrijk zijn om tot een goed resultaat te komen. je verder verdiepen in het onderwerp vanuit een gekozen vakgebied en hierover een presentatie geven. Elk vakgebied heeft zijn eigen leerdoelen In deze module komen verschillende deels overlappende - vakgebieden aan bod. Je zou ze globaal kunnen aanduiden met aardrijkskunde, scheikunde en natuurkunde. Op een van deze vakgebieden kun je, je in de tweede helft van de module specialiseren. Iedere specialisatie heeft eigen leerdoelen. Als je, je specialiseert als planoloog (vooral aardrijkskundig) leer je te beschrijven welke fysisch geografische factoren een rol spelen bij de locatie 5

6 bepaling van een Blue Energy centrale. En op basis hiervan kun je elke gegeven locatie beoordelen op de geschiktheid voor een Blue Energy centrale. Verder leer je hoe je deze bevindingen kunt presenteren aan je klasgenoten, waarin je uitlegt waarom een specifieke locatie geschikt is en hoe Blue Energy kan worden ingepast in de omgeving. Als je, je specialiseert als onderzoeker (vooral scheikundig) leer je hoe je een onderzoek kunt opzetten en uitvoeren, waarbij je verschillende condities onderzoekt van de watersamenstelling (zoutconcentraties bijvoorbeeld). Verder leer je hoe je resultaten kunt presenteren aan je klasgenoten en uitleggen hoe de resultaten geïnterpreteerd kunnen worden en welke consequenties dit heeft voor de toepassingsmogelijkheden van Blue Energy. Als je, je specialiseert als technisch ingenieur (vooral natuurkundig) leer je hoe je een rekenmodel moet opzetten waarmee het vermogen van het systeem kan worden berekend. op grond hiervan zoek je naar belangrijke parameters voor het verbeteren van dit vermogen (optimalisatie). Verder leer je hoe je de resultaten kunt presenteren waarbij je klasgenoten het model kan uitleggen en hoe de resultaten uit dit model gebruikt kunnen worden voor verder onderzoek en het technische ontwerp. 1.2 Hoe werk je deze module door? Deze module bestaat uit twee delen: Een Algemeen Deel (Hoofdstuk 2 t/m 5) en een Verdiepingsdeel (hoofdstuk 6). Je werkt eerst met de hele klas het Algemene Deel door. Als het Algemene Deel afgerond is wordt de klas in groepjes verdeeld. Deze verdeling mag je zelf in overleg met je docent - bepalen. Voor het Verdiepingsdeel worden drie verschillende specialisaties aangeboden waaruit jij kunt gaan kiezen. Omdat er vast meerdere klasgenoten dezelfde interesses hebben, zal elke specialisatie bestaan uit een groepje. Ieder groepje werkt zijn specialisatie af. Dit houdt in: je voert samen de proeven uit of je maakt samen de opdrachten en je maakt samen een verslag van je specialisatie. Met behulp van PowerPoint presentaties of posters houden jullie elkaar op de hoogte van je resultaten. Let op: soms kan het voorkomen dat je bepaalde gegevens mist, vraag dan je klasgenoten die daar mee bezig zijn om nadere uitleg. 6

7 Na afloop van de specialisatie geef je een presentatie aan je klasgenoten over je resultaten en conclusies. Ook ga je, je klasgenoten beoordelen met behulp van een beoordelingsformulier. Om de module af te ronden maak je een eindtoets, die gebaseerd is op het Algemene Deel en op je specialisatie in het Verdiepingsdeel. 1.3 Hoe wordt je beoordeeld? Je zult in deze module op twee manieren worden beoordeeld. De resultaten van je specialisatie zal je moeten presenteren aan je klasgenoten. De manier waarop je presenteert, de inhoud van je presentatie en manier van argumentatie zullen beoordeeld worden door de docent. Dit cijfer zal uiteindelijk 40% van je eindcijfer bepalen. Aan het einde van de module zal er een algemene toets worden afgenomen. Hierin wordt je kennis van de gehele module getoetst. Dit cijfer zal ook 60% van je eindcijfer bepalen. 7

8 2 Startopdracht: wat is jouw voetafdruk? Ieder mens heeft recht op een plekje op deze wereld. Velen vragen zich af of de wereld niet overbevolkt is. Dit geldt vooral voor Nederland met bijna inwoners. De discussie of Nederland overbevolkt is, speelt regelmatig een rol in de Nederlandse politiek. De vraag hoeveel ruimte Nederlanders op de wereld innemen door middel van producten en diensten, die we overal betrekken, gaan we liever niet aan. De productie van grondstoffen, energie, recreatieruimte en voedsel nodig voor ons dagelijks leven vindt voor een groot deel plaats buiten ons land. Gelukkig produceren we in ruil daarvoor ook voedsel dat we niet alleen zelf opeten, maar ook exporteren. Om uit te zoeken hoeveel ruimte we nu per persoon innemen is het begrip voetafdruk of footprint geïntroduceerd. 1. Zoek uit wat een footprint is en bereken die van jezelf? URL 1: 2. Hoeveel ruimte is er gemiddeld voor een bewoner op de aarde? 3. Leef je op grote voet in vergelijking met de meeste mensen op aarde? 4. Hoe groot is je voetafdruk in vergelijking met de gemiddelde Nederlander? 5. In deze opdracht word je gevraagd naar het gebruik van groene stroom. Gebruiken jullie groene stroom? 6. De achtergrond van deze vraag is dat groene stroom en ook gas duurzame vormen van energie zijn. Daarmee beperk je het verbruik van fossiele energie. Wat zijn duurzame vormen van energie? 8

9 3 De zee als zonnepaneel? In dit hoofdstuk bestudeer je de klimaatproblematiek, de vormen duurzame energie en de betekenis van Blue Energy. Vervolgens onderzoek je aan welke eisen een locatie moet voldoen om Blue Energy op te wekken. 3.1 Klimaatproblematiek en duurzame energie Het broeikaseffect Het mag een wonder heten dat de temperatuur op aarde schommelt tussen de -70 en de 50 C afhankelijk van de plaats op aarde. Gelukkig komen de uitersten maar op enkele plekken voor. Veruit het grootste deel heeft temperaturen waar de mens redelijk tot prettig in kan leven. De zon bepaalt de temperatuur in grote lijnen. Behalve van de zon komt een heel klein deel van de warmte van de aarde zelf als gevolg van processen in de aarde. De zon heeft wel periodes met meer en minder straling die daarmee de temperatuur op aarde beïnvloeden. Toch is de temperatuur op aarde redelijk stabiel. Wel zijn er in de geologische geschiedenis warmere en koudere periodes. Deze vallen tussen de bovengenoemde uitersten, maar bepalen wel of er een groter of kleiner gebied leefbaar is. Dat de aarde leefbaar is hebben we aan de dampkring te danken. Zonder zuurstof zijn we snel uitgepraat. Zonder broeikaseffect zou het leven ook heel vervelend zo niet onmogelijk worden. Waterdamp, CO2, methaan en andere gassen zorgen ervoor dat er een evenwicht tussen instraling van de zon, de weerkaatsing en de uitstraling van warmte bestaat. Voor meer informatie over het broeikaseffect, zie bijvoorbeeld Wikipedia URL 2: 9

10 Figuur 1: Opwarming van de aarde Het broeikaseffect is uiterst ingewikkeld met vele terugkoppelingseffecten. Zo neemt de verdamping toe als de temperatuur toeneemt. Daardoor ontstaan er meer wolken en neemt de instraling af. Dit noemen we een negatief terugkoppelingseffect. Er zijn ook positieve terugkoppelingseffecten: het smelten van de poolkappen vermindert de weerkaatsing waardoor de temperatuur nog verder toeneemt. Inmiddels is het duidelijk dat velen (onder wie Al Gore en Leonardo di Caprio) zich zorgen maken over het versterkte broeikaseffect. De toename van broeikasgassen, zoals CO 2 en methaan, zorgt ervoor dat de uitstraling van warmte afneemt en daarmee de temperatuur van de dampkring stijgt. De toename van CO 2 is het gevolg van het verbranden van oude voorraden zonne-energie uit de geologische geschiedenis opgeslagen in de vorm van steenkool, olie en gas. Tegenstanders van de theorie van het versterkte broeikaseffect wijzen op de variatie in de instraling van de zon. Deze hoeveelheid varieert zelfs in historische tijden. De voorstanders wijzen op de samenloop van de stijging van de temperatuur met de opkomst van het gebruik van fossiele brandstoffen. 10

11 Tegelijkertijd laten we enorme hoeveelheden zonne-energie ontsnappen. Per seconde ontvangt de aarde 100 biljoen kwh. Anders gezegd: de aarde ontvangt per uur zoveel zonlicht dat we daarmee ongeveer het huidige energieverbruik van de wereld van een jaar kunnen dekken. Zonne-energie is een duurzame vorm van energie: we gebruiken hiervoor geen fossiele voorraden, maar maken direct gebruik van de instraling van de zon en produceren daarbij geen broeikasgassen. Het probleem is: hoe vangen we zonneenergie? Dat kan niet alleen met zonnecellen. Nu al gebruiken we zonne-energie in de vorm van windenergie en hydro-elektriciteit. Deze module behandelt een derde mogelijkheid waarmee de zonne-energie kunnen gebruiken: Blue Energy. Maak nu opgave 1 aan het einde van dit hoofdstuk Duurzame energie in Nederland Voordat we hier verder op ingaan in paragraaf 3.2, bekijken we de situatie in Nederland. Op dit moment zijn overheden, onderzoekers en bedrijven bezig met een zoektocht naar duurzame alternatieve energiebronnen. Een van de redenen is het versterkte broeikaseffect als gevolg van verbranding, maar er zijn ook andere redenen. Zoals bekend zijn de fossiele bronnen niet echt onuitputtelijk te noemen en zullen we binnen enkele decennia over moeten stappen op andere vormen van energie. Dat betekent dat het nu heel belangrijk wordt (en eigenlijk al is) dat er veel aandacht besteed wordt aan het verder ontwikkelen van deze energievormen. Dit houdt dan dus ook (in)direct in dat er veel geld in deze sector omgaat en er dus een dubbel belang is: toekomst en huidige/toekomstige economie. Minstens zo belangrijk is het feit dat duurzame energie veel minder milieubelasting geeft omdat het zo veel mogelijk CO2-neutraal opgewekt wordt. Dit geldt ook voor biobrandstoffen zoals bio-ethanol en biodiesel. Momenteel is de energievoorziening in Nederland nog vrijwel geheel afhankelijk van fossiele bronnen en wordt slechts een klein gedeelte van de energie op een duurzame manier opgewekt. In 2006 was 2,6 procent van het totale verbruik uit duurzame binnenlandse bronnen afkomstig, tegen 2,4 procent in Het is nog niet mogelijk om voor een groot deel over te schakelen op duurzame energie maar door de ontwikkelingen die op dit gebied ontplooid zijn kan er wel steeds een groter percentage duurzame energie 1 URL3: 11

12 ingezet worden. Mogelijke vormen van duurzame energie zijn schematisch weergegeven in Figuur 2. Het betreft: Aardwarmte. Diep in de aardbol lopen temperaturen op tot duizenden graden. Dat is een flinke voorraad energie, maar nog te duur om grootschalig gebruik van te maken. Warmte uit de bodem door zonlicht, gebruiken we al wel. Een warmtewisselaar in de bodem haalt de warmte op en maakt die beschikbaar voor verwarming 2. Waterkracht. Ondanks het feit dat Nederland een (zeer) vlak land is, levert waterkracht al lange tijd een bijdrage aan de energie voorziening. Dit varieert van de eeuwen oude watermolens in Limburg en Twente tot de moderne waterkrachtcentrales in de rivieren Rijn en Maas. Het geïnstalleerde opwekkingsvermogen is zelfs een factor 3,5 keer zo groot als het geïnstalleerde vermogen aan zonne-energie 3. Toch is het niet de verwachting dat waterkracht in de toekomst een grote rol zal spelen in Nederland. Dat water toch een belangrijke bijdrage kan leveren aan onze toekomstige energievoorziening, wordt wel duidelijk als je paragraaf 3.2 leest. Zonne-energie. Het gebruik van zonne-energie is op langere termijn ook voor Nederland heel aantrekkelijk. Met de huidige techniek is nog veel ruimte nodig om zonne-energie te oogsten. Tegenwoordig is het vermogen van 1 m 2 PV-zonnecel 100 W 4. Wanneer in Nederland alle gebouwen van zonnecollectoren worden voorzien, dan zouden we daarmee 10 % van de huidige Nederlandse energiebehoefte mee kunnen voorzien 5. 2 URL4: 3 URL5: 4 URL6: 5 URL7: 12

13 Figuur 2: Duurzame energiebronnen voor Nederland Windenergie. Naast bio-energie, is voor Nederland het gebruik van met name windenergie erg kansrijk. In 2006 stonden in Nederland ruim 1700 windturbines die per jaar genoeg elektriciteit opwekken om circa huishoudens van stroom te voorzien. Het aandeel duurzame elektriciteit en vooral elektriciteit uit windenergie moet de komende jaren verder omhoog, vindt de overheid. Alleen zo kan Nederland voldoen aan de doelstelling die het van de Europese Unie kreeg opgelegd. Die doelstelling houdt in dat Nederland in procent van zijn elektriciteitsbehoefte uit duurzame bronnen opwekt. Voor 2020 streeft het kabinet naar een verhoging van het aandeel duurzame energie tot 20 procent 6. Biomassa/biobrandstof. Er zijn brandstofcellen ontwikkeld die gevoed worden met afvalwater als brandstof waaruit energie gewonnen wordt zodat er nu twee voordelen ontstaan: energieopwekking zonder extra CO 2 uitstoot en afbraak van afval waardoor 6 URL3: 13

14 de milieuvervuiling bestreden wordt. De maatschappijen in Nederland moeten binnen 2 jaar 5,75% biobrandstof zoals bioethanol of biodiesel in hun brandstof mengen en zijn nu begonnen met het bijmengen om dit doel te halen binnen de gestelde tijd. Door deze percentages verder te verhogen kan, met een gelijk blijvende kwaliteit van de brandstof, al een veel hoger aandeel gehaald worden in met duurzame energie in Nederland. Stortgas. Ook op stortplaatsen ontstaat biogas, het zogenaamde stortgas. In Nederland wordt dit op tal van plaatsen opgevangen en gebruikt. Maak nu opgaven 2 t/m 4 aan het einde van dit hoofdstuk 14

15 3.2 De hydrologische kringloop en Blue Energy We stelden de vraag: hoe kunnen we zonne-energie vangen, behalve dan met zonnecellen? Een van de manieren is door gebruik te maken van de hydrologische kringloop (zie Figuur 3). De hydrologische kringloop draait immers op basis van zonneenergie. De zon verdampt het water. De wind verplaatst de waterdamp naar de continenten waar de waterdamp weer condenseert en als neerslag (regen of sneeuw) terecht komt. De regen of sneeuw komt op kortere of langere termijn weer terug naar de oceanen. Hoe lang dit duurt, is afhankelijk van het feit of de sneeuw in de gletsjers terecht komt of rechtstreeks weer afvloeit via de rivieren. Figuur 3: De hydrologische kringloop 15

16 Hier liggen tenminste twee mogelijkheden om zonne-energie te gebruiken: Hydro-elektriciteit maakt gebruik van het feit dat de neerslag hoger op het continent terecht komt. De zwaartekracht is behulpzaam bij het terugwinnen van deze energie. Grote turbines worden aangedreven door vallend water. Het principe wijkt niet af van de fietsdynamo, maar de hoeveelheid energie is natuurlijk veel groter. Deze hoeveelheid energie is afhankelijk van de hoeveelheid water en het hoogteverschil. In verband hiermee spreken we van hoge- en lagedrukcentrales. Het bijzondere van hogedrukcentrales is dat men het water dan kan laten stromen wanneer de behoefte aan elektriciteit het hoogst is. Daarmee ontlast je de piekcentrales die alleen extra elektriciteit produceren als de vraag het hoogst is (meestal overdag wanneer alle bedrijven werken). Deze pieklastcentrales zijn bovendien het duurst per kwh. Nadat we met hydro-elektrische centrales van zonne-energie gebruik hebben gemaakt, is er een tweede mogelijkheid om zonne-energie terug te winnen. Dit kan door de menging van zoet en zout water: Blue Energy. Hoe we deze energie opwekken en waar dat zou kunnen is het onderwerp van deze module. Daarnaast behandelen we een aantal technische problemen en mogelijke oplossingen van deze problemen. 3.3 De locatie van een centrale van Blue Energy Voor het opwekken van Blue Energy zijn we afhankelijk van een plek waar zoet en zout water bij elkaar komen. Die plekken zijn er genoeg op deze wereld, en zeker ook in Nederland (Figuur 4). Bij iedere riviermonding vinden we er een. Toch is de oplossing nu ook weer niet zo simpel, want op al deze plekken ontstaat onmiddellijk brak water waardoor de hoeveelheid energie maar beperkt is. We zullen moeten proberen de inlaat van zout en zoet water van elkaar te scheiden en ook de afvoer van brak water gescheiden van de instroom te houden. Meestal gaat zoet water namelijk langzaam in de monding van een rivier via brak water in zout water over. Er zijn in Nederland in ieder geval verschillende plaatsen waar we zoet en zout water scherp van elkaar kunnen scheiden en we hoeven daar alleen maar een afvoer van brak water te maken zonder dat het brakke water zich met het zoete of zoute water vermengt. De eerste plek die kan worden onderzocht zijn de spuisluizen in de Afsluitdijk. Regelmatig lozen we hier bij eb zoet water in de Waddenzee. Naast de spuisluizen ligt er bovendien 16

17 een pier om de scheepvaart tegen ongewenste stroming te beschermen. Toch zullen we dit brakke water in de zee kwijt moeten. Hoe verder we dit van de inlaat van zoutwater doen hoe kleiner het negatieve effect. Gelukkig zorgt de vloed twee keer per dag voor verversing van het water. Figuur 4: Mogelijke locaties voor Blue Energy in Nederland Maak nu opgaven 5 t/m 8 aan het einde van dit hoofdstuk 17

18 3.4 Reflectievragen en opdrachten 1. Het gebruik van fossiele brandstoffen staat onder druk. Naast het broeikaseffect zijn er nog een paar argumenten om te zoeken naar alternatieve energiebronnen. Geef er twee. 2. Nederland wil, dat de vormen van duurzame energie op den duur fossiele energie gaan vervangen. In het regeerakkoord van 2007 heeft de Nederlandse regering de ambities voor ons eigen land aangescherpt. Zo wil Nederland in procent minder broeikasgassen uitstoten dan in 1990, moet in procent van het energieverbruik duurzaam zijn opgewekt en in 2020 moet dat 20 procent zijn (Europa: 10 procent). Om je een beeld te geven hoe de verdeling op dit moment is en hoe wij aan onze elektriciteit komen, is weergegeven in Tabel 1 en Tabel 2.. a. Leg uit wat het verschil is tussen elektriciteitsverbruik en energieverbruik. b. De doelstelling van het kabinet heeft volgens het regeerakkoord betrekking op het totale energieverbruik 7. Bereken wat de ambitie is voor 2020 in TJ en in GWh (aangenomen dat het energieverbruik gelijk blijft). c. Van de duurzame energiebronnen zon, wind en water zijn vooral geschikt voor directe opwekking van duurzame elektriciteit. Stel je voor dat alle elektriciteit duurzaam geproduceerd zou worden (aangenomen dat het energieverbruik gelijk blijft). In hoeverre wordt dan aan de 20%-doelstelling voldaan? d. Het gemiddelde vermogen van elektriciteitscentrales kan uitgerekend worden door het elektriciteitsverbruik (GWh) te delen door (uur/jaar). Toch staat er circa 1,5 x meer vermogen opgesteld bij de elektriciteitscentrales, omdat wij overdag meer gebruiken dan in de nacht. Hoeveel vermogen kunnen de centrales bij elkaar leveren? 7 Toch vindt hier enorm veel verwarring plaats (kijk maar eens op internet): betreft de doelstelling nu het energieverbruik of het elektriciteitsverbruik. Dat maakt nogal uit! 18

19 Tabel 1: Energieverbruik 2006 en Tabel 2: Elektriciteitsproductie Tabel 1 Energieverbruik 2006 TJ. GWh. % Totale verbruik Fossiele brandstoffen Steenkool Olie Gas Kernenergie Biomassa Duurzame energie Totaal Wind Zon Waterkracht Aardwarmte Tabel 2 Elektriciteitsproductie GWh. TJ. Steenkool Olie Gas Kernenergie Duurzame energie Er zijn een hoop vragen te stellen bij de doelstelling van het kabinet. Bijvoorbeeld: Hoe gaat Nederland eruit zien wanneer we op grote schaal overschakelen op duurzame energie? Moet op de Noordzee een nieuwe infrastructuur worden aangelegd voor grootschalige windmolenparken? En wat zijn de landschappelijke gevolgen wanneer we overschakelen op biomassa? 19

20 De vormen van duurzame energie die we op dit moment gebruiken, nemen veel ruimte in beslag. De ene vorm gebruik je meer m² dan voor de ander. Zoek uit en bereken per vorm van energie, hoeveel Watt je kunt opwekken met 1 m². Vul de kolommen A1, A2 en A3 in van Tabel 3 aan de hand van de volgende deelvragen: a. Zonnepanelen: Gemiddeld krijgt iedere m 2 in Nederland kwh zon per jaar. Met 600 zonne-uren is het piekvermogen per m 2 ongeveer kwh/m 2.jaar / 600 uur/jaar = Wp/m 2. Hiervan kan met de huidige stand van de techniek ongeveer 6% gebruikt worden 8. Bereken nu hoeveel W/m 2 kan worden opgewekt (A1). b. Windmolens: Het directe ruimtegebruik van windmolens is weliswaar klein met een voetplaat van 10x10 m. Toch moeten zij behoorlijk ver uit elkaar worden geplaatst, zo n m, om te voorkomen dat de ene molen de wind afvangt voor de volgende molen. Een vuistregel is dat een molen met een piekvermogen van 1 MWp ongeveer 25 ha nodig heeft. Bovendien moet ermee gerekend worden dat het gemiddelde vermogen ongeveer 25% is (het waait niet altijd even hard, soms helemaal niet of soms te hard). Bereken nu hoeveel W/m 2 kan worden opgewekt (A2). c. Biobrandstof: De biomassa die nu in Nederland gebruikt wordt is een restproduct. Er is alleen ruimte nodig voor opslag. Zou echter speciaal voor de energievoorziening hout worden verbouwd, dan kost dat heel erg veel ruimte. Het is ook mogelijk om koolzaad te verbouwen. Per hectare kan ongeveer kg koolzaad worden geoogst per jaar, goed voor liter olie. De verbrandingswaarde (kwh/l olie) kun je opzoeken in Binas. Hoeveel kwh kun je dus per hectare en per m 2 opbrengen. Deel dit door uur per jaar (100% benutting 9 ). Bereken nu hoeveel W/m 2 kan worden opgewekt (A3) Wh per Wp op jaarbasis, ofwel 500 Wh/Wp.jaar / uur/jaar = 6% 9 Immers: je kunt de olie opslaan, i.t.t. windenergie en zonne-energie. 20

21 Tabel 3: Oppervlaktegebruik van duurzame energiebronnen W/m² Ha. Landgebruik voor 20% Zon A1 B1 Wind A2 B2 Biobrandstof A3 B3 Blue Energy 4. en bereken per vorm van duurzame energie, hoeveel hectare land je nodig hebt om de doelstelling van 20% duurzame energie te behalen. We nemen aan dat dit overeenkomt met ca. 10 GW vermogen. Geef ook aan hoeveel dit is van het totale Nederlandse oppervlak. Vul je antwoord en berekeningen in de kolommen B1, B2 en B3 van Tabel 3. Wat is je conclusie? De getallen voor Blue Energy worden pas ingevuld bij de eindopdracht 5. Zoek met behulp van een atlas en de bijgeleverde bronnen geschikte plekken in Nederland. Bronnen: verdeling water over de rivieren en afvoer zoet water. 6. Leg uit welk negatief effect de Westerschelde en de half open Oosterscheldedam op een Blue Energy centrale in Zeeland kan hebben? 21

22 7. De Nieuwe Waterweg is wat minder gemakkelijk geschikt te maken voor Blue Energy: het zoute water dringt als een wig onder het zoete rivierwater naar binnen. Waarom is er geen loodrechte afscheiding tussen zoet en zout water? 8. Waarom is het Haringvliet in natte periodes heel geschikt voor Blue Energy? Spreken deze opdrachten jou aan? Dan is de specialisatie als planoloog wat voor jou 22

23 4 Wat is Blue Energy eigenlijk? Misschien geloof je het zo wel, dat je energie kunt winnen uit het mengen van zoet en zout water. Maar om eraan te rekenen is het nodig om de begrippen enthalpie en entropie te begrijpen. In dit hoofdstuk leer je wat de hoofdregels van de thermodynamica zijn. En je ontdekt zelf hoe deze gerelateerd zijn aan Blue Energy en wat de potentie van Blue Energy is. 4.1 Enthalpie Bij reacties maken we onderscheid tussen exotherme reacties (reacties waarbij energie vrijkomt) en endotherme reacties (reacties waarbij energie nodig is om de reactie te laten verlopen). Deze energie kunnen we meten met behulp van een Joulemeter en de soortelijke warmte. Een reactie kan plaatsvinden bij constante druk of bij constant volume. Voor de meeste reacties maakt dit geen verschil, maar in sommige gevallen toch wel. Bijvoorbeeld bij reacties waarbij één of meer gassen ontstaan. De reactieproduct(en) hebben een groter volume dan de uitgangsstoffen. Om dit grotere volume te kunnen innemen hebben de reactieproduct(en) arbeid moeten verrichten (lucht moeten wegdrukken). Deze arbeid (gemeten bij constante druk) zorgt ervoor dat er minder warmte vrijkomt (bij een exotherme reactie) of meer warmte nodig is (bij een endotherme reactie). Daarom wordt de reactiewarmte gedefinieerd als de verandering in enthalpie, H. H is de reactiewarmte gemeten bij constante druk. In formulevorm: H = E + p V Waarbij de p V term in de vergelijking klein is ten opzichte van de E term. Maak de opgaven 9 en 10 aan het einde van dit hoofdstuk 23

24 4.2 Entropie Maar waarom verloopt een reactie nu eigenlijk? Waarom verloopt de ene reactie wel en de andere reactie niet? Heeft dit te maken met het energie-effect? Exotherme reacties verlopen spontaan, mits de temperatuur voldoende is om de reactie te starten. De enige hindernis bij een exotherme reactie is de activeringsenergie (de energie die toegevoerd moet worden om de reactie op gang te brengen (het aansteken)). Een eerste hoofdregel voor het verlopen van een reactie is dan ook: Elk systeem streeft naar lagere energie Hoe zit dit bij endotherme reacties? Kunnen deze reacties spontaan optreden? Dit kan inderdaad, bijvoorbeeld het oplossen van ammoniumnitraat in water is een endotherm proces dat spontaan verloopt. Bij het oplossen wordt warmte uit de omgeving opgenomen. De energie neemt toe! In de derde klas heb je bij de molecuultheorie al geleerd dat moleculen bewegen. Een gevolg van deze bewegingen is dat moleculen het liefst overal willen zijn. Men noemt dit een streven naar zoveel mogelijk bewegingsmogelijkheden en plaatsmogelijkheden. Meestal komt dat neer op het innemen van een zo groot mogelijk volume. Twee voorbeelden: Als water verdampt is, bewegen de watermoleculen zich in een veel groter volume: het aantal mogelijkheden van plaats en beweging is groter geworden. Zo verspreidt een gas zich over het hele beschikbare volume: het aantal mogelijkheden van plaats en beweging is dan groter. Een stof lost op in een vloeistof: weer is het aantal mogelijkheden voor de deeltjes van de stof groter geworden: ze kunnen zich in een groter volume bewegen. Men gebruikt de term entropie om het aantal mogelijkheden aan te geven. Een systeem heeft een grote entropie, heeft veel entropie, als de deeltjes in dat systeem veel mogelijkheden hebben. Als water verdampt neemt dus de entropie toe, ofwel: waterdamp heeft een hogere entropie dan vloeibaar water. Het symbool voor entropie is S. 24

25 Wanneer bezit een systeem veel entropie? Anders gezegd: wanneer zijn er voor de deeltjes in een systeem veel mogelijkheden? Het duidelijkste en belangrijkste geval is een gas. Immers: de moleculen kunnen zich zeer goed in een groot volume bewegen. Zie hiervoor Figuur 5, waarin de entropie van zuurstof en die van koper staan weergegeven als functie van de temperatuur. Figuur 5: De entropie van één mol zuurstof en van één mol koper als functie van de temperatuur (p = p 0 ) 25

26 Als twee systemen met elkaar vergeleken worden om te weten welke de hoogste entropie heeft moeten er gelet worden op de volgende factoren: Het volume: - een mol gas heeft een veel grotere entropie dan een mol vaste stof of vloeistof; - twee mol gas heeft bij dezelfde temperatuur en druk een twee maal zo groot volume als 1 mol gas en dus een twee maal zo grote entropie; - lossen we een vaste stof op in een oplosmiddel, dan neemt de entropie van die stof toe. De bewegingsmogelijkheid van de deeltjes: - Gassen hebben een veel grotere entropie dan vloeistoffen of vaste stoffen, de entropie van vloeistoffen is iets groter dan van vaste stoffen. Dit zijn de belangrijkste factoren. Het aantal deeltjes blijkt ook belangrijk te zijn, immers hoe meer deeltjes, des te groter is het aantal mogelijkheden. Entropie wordt daarom per mol aangegeven. Bij het vergelijken van twee systemen is echter meestal alleen het aantal mol gas van belang, aangezien de entropie van vaste stoffen en vloeistoffen relatief klein is 10. Een tweede hoofdregel voor het verlopen van reacties is dan ook: Elk systeem streeft naar een hogere entropie Uit het oogpunt van het streven naar maximale entropie is het uit zichzelf mengen of oplossen van stoffen logisch, men noemt dit diffusie. Op den duur worden de concentraties overal gelijk: er is dan een homogene oplossing ontstaan. Maak nu de opgaven 11, 12 en 13 aan het einde van dit hoofdstuk 4.3 Toepassing van de twee hoofdregels Er zijn nu twee algemene regels voor het verlopen van een reactie opgesteld: 10 Absolute entropieën worden in het Binas weergegeven in tabel

27 I II Elk systeem streeft naar lagere energie Elk systeem streeft naar hogere entropie Als deze regels worden gecombineerd, dan zijn er drie mogelijkheden (zie ook Figuur 6). Beide regels gelden bij een proces; Géén van beide regels worden bij een proces gevolgd; Slechts één van beide regels gelden bij een proces. Dit kan ook gekwantificeerd worden. Voor het streven naar lagere energie is de reactieenthalpie H een maat. Voor het streven naar hogere entropie kan T S als maat genomen worden, dus: de entropieverandering maal de absolute temperatuur. De entropie van een systeem is op zich temperatuurafhankelijk en de gekozen maat blijkt praktisch gezien goed te werken. De formule wordt dus, voor een spontaan verlopend systeem bij constante temperatuur en druk: H T S < 0 27

28 Figuur 6: Het principiële verschil tussen energie en entropie. In drie achtereenvolgende processen is de totale energie constant, terwijl de totale entropie toeneemt. Andere processen kunnen niet optreden. 28

29 Mogelijkheid 1 Bij deze mogelijkheid geldt dat bij een proces of reactie zowel de energie afneemt als de entropie toeneemt. Niets staat het vanzelf verlopen van dit soort processen in de weg; alleen de activeringsenergie is een hindernis die, eenmaal overwonnen, geen hindernis meer is. Voorbeelden van processen waarvoor dit geldt zijn: verschillende verbrandingen, explosies. Kwantitatief: H T S is altijd negatief, aangezien H negatief is en S positief. Deze processen of reacties verlopen spontaan. Alleen de activeringsenergie kan een hindernis zijn. Mogelijkheid 2 Deze mogelijkheid is dat bij een proces de energie toeneemt en de entropie afneemt. Er is geen enkele reden voor het proces om vanzelf te verlopen. Voorbeelden van dergelijke reacties zijn: omgekeerde verbrandingen. Koolstofdioxide en water reageren niet spontaan tot benzine; en evenmin reageren koolstofdioxide, water en stikstof vanzelf tot een springstof. Echter: er worden wel explosieven geproduceerd en ook benzine wordt gevormd. Het is namelijk mogelijk aan een systeem zoveel energie toe te voeren dat het streven naar grotere entropie van het systeem wordt overwonnen en dat dus de entropie van het systeem, gedwongen, afneemt. In de natuur gebeurt dat in het groot onder invloed van de zonne-energie. Het belangrijkste voorbeeld is de bekende fotosynthese. Kwantitatief: H T S is altijd positief. Een dergelijk proces kan nooit vanzelf optreden. Wèl kan zo n proces gedwongen worden te verlopen door voldoende energie, via een ander proces verkregen, toe te voeren. Mogelijkheid 3 Slechts één van beide regels gelden bij een proces. Dus: óf de energie neemt af, maar de entropie neemt ook af, óf de entropie neemt toe, maar de energie neemt ook toe. Een voorbeeld: Ammoniakgas wordt gemaakt uit de elementen. Het is een exotherme reactie. (de activeringsenergie is hoog en daarom is een katalysator erg nuttig) N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) H is negatief, S is negatief 29

30 Aan de reactievergelijking is te zien dat de entropie afneemt (het aantal mol gas neemt af), dus S is negatief. Voor de ontleding van ammoniak in de elementen geldt precies het omgekeerde: 2 NH 3 (g) N 2 (g) + 3 H 2 (g) H is positief, S is positief Beide reacties kunnen gelijktijdig plaatsvinden: N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) De drijfveer achter de reactie naar rechts is de energieverlaging. De drijfveer achter de reactie naar links is de entropievergroting. Het is niet verwonderlijk dat hier een evenwichtstoestand kan ontstaan: de evenwichtstoestand is een compromis tussen deze twee drijfveren. Als het evenwicht zich heeft ingesteld gaan beide reacties even snel zodat de concentraties constant blijven (een dynamisch evenwicht). Als een evenwicht bereikt is geldt kwantitatief: H T S = 0, ofwel H = T S. De evenwichtstoestand verschaft ons de mogelijkheid om entropieveranderingen te meten. Maak nu de opgaven 14 t/m 17 aan het einde van dit hoofdstuk Ontdek zelf hoe het zit met Blue Energy in de opdrachten 18 t/m 21 30

31 4.4 Reflectievragen en opdrachten 9. Bereken: a De volumeverandering bij de verbranding van 1 mol stearinezuur. Stel het molaire volume van gassen op 25 L (= 0,025 m 3 ). b De hiermee gepaard gaande arbeid p V. Stel p = 10 5 N m -2. c Het procentuele verschil tussen U en H voor de verbranding van kaarsvet? ( H = kj mol -1 ). 10. Eén van de functies van voedsel is het leveren van energie. Voor koolhydraten, vetten en eiwitten zijn de calorische waarden 4,1 resp. 9,2 en 5,3 kcal per gram. a Reken deze waarden om in kj per gram. b De verbrandingswarmte van ethanol (alcohol) is 1367 kj per mol. Reken deze waarde om in kj per gram. Kun je alcohol energierijk noemen? 11. Hoe groot is de entropietoename ( S) als we 12 g zuurstof verwarmen van 80 K tot 180 K (p = p 0 )? 12. We verwarmen 1 mol O 2 en 1 mol H 2 O van 220 K tot 400 K (p = p 0 ). De entropietoename van H 2 O blijkt veel groter te zijn dan die van O 2. Geef hiervoor een verklaring. 13. De verandering in entropie wordt aangegeven met S. Als bij een proces de entropie toeneemt is S positief en neemt de entropie af dan is S negatief. Beredeneer of de entropie verandert en hoe deze verandert bij de volgende reacties en processen: a CaCO 3 (s) CaO(s) + CO 2 (g) b Ba 2+ (aq) + SO 2-4 (aq) BaSO 4 (s) c H 2 O(l) H 2 O(g) d N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) 14. Indien we een oplossing van zilvernitraat mengen met een oplossing van ijzer(ii)sulfaat, zal zich het volgende evenwicht instellen: Ag + (aq) + Fe 2+ (aq) Ag(s) + Fe 3+ (aq) 31

32 Beredeneer op grond van entropie overwegingen, of hierbij het enthalpie-effect voor de reactie naar rechts positief of negatief zal zijn. 15. Als de temperatuur maar hoog genoeg wordt, vallen alle moleculen uiteen in atomen. Dit proces heet dissociatie. Voor de dissociatie van Cl 2 -moleculen in de gasfase bedraagt de enthalpieverandering 243 kj mol -1. De entropieverandering voor dit proces bedraagt 109 J K -1 mol -1. a Is dissociatie van chloor bij 25 C een spontaan proces? Licht toe met een berekening. b Bereken de minimale temperatuur die vereist is om de dissociatie van chloor te laten verlopen. 16. Groene planten kunnen met behulp van zonlicht glucose maken uit koolstofdioxide en water. Dit proces heet fotosynthese. 6 CO 2 (g) + 6 H 2 O(l) C 6 H 12 O 6 (s) + 6 O 2 (g) a Bereken de reactie-enthalpie van dit proces. b Bereken de entropieverandering tijdens het fotosyntheseproces, als gegeven is dat de absolute entropie van glucose 212 J K -1 mol -1 bedraagt. Overige gegevens in tabel 63 van het Binas. c Bereken de waarde van H T S voor de vorming van één mol glucose bij 25 C en 1 bar. d De bij c berekende waarde is negatief. Verklaar waardoor het fotosyntheseproces toch kan optreden. 17. In de onderstaande reactievergelijking wordt ethyn omgezet in benzeen: 3 C 2 H 2 (g) C 6 H 6 (g) Ga door berekening na of dit proces bij 25 C en 1 bar kan verlopen. Ontdek zelf hoe het zit met Blue Energy in de opdrachten 18 t/m Zout en zoet water mengen spontaan tot brak water. Menging van een liter zoet water met een liter zout water laat geen verandering van temperatuur van enige betekenis zien. 32

33 a Wat betekent dit voor de mengenthalpie H? b Volgens welke regel(s) mengen zoet en zout water dus? 19. Bij een riviermonding zien we dus nauwelijks temperatuurseffecten. We bekijken wat er dan wel gebeurt bij een riviermonding. We volgen 1 liter rivierwater bij het uitstromen in de zee. We nemen aan dat het rivierwater nauwelijks zout bevat en dat in zee vooral keukenzout is opgelost. We nemen aan dat de zoutconcentratie van de zee niet verandert door de uitstroming van de rivier (lokale effecten verwaarlozen we). Verder verwaarlozen we temperatuurverschillen en dichtheidsverschillen van rivierwater en zeewater. a Hoeveel mol water bevat de liter rivierwater? b Wat is de beginconcentratie NaCl en wat is de eindconcentratie NaCl van de liter rivierwater (mol/l)? Neem hiervoor een goede aanname van de zoutconcentratie van het zeewater. c Lees uit de grafiek (Figuur 7) af hoe groot de entropieverandering is (J/mol.K). Bepaal hoe groot de verandering van de T S van de liter rivierwater is (t = 15 o C). Hoeveel energie is er verloren gegaan bij het uitstromen van de liter rivierwater (kj)? d In Nederland stroomt gemiddeld 3.3 miljoen liter zoet water per seconde uit in zee. Hoeveel vermogen gaat er verloren (MJ/s = MW)? Mengentropie (J/mol.K) NaCl concentratie (mol/l) 33

34 Figuur 7: Entropieverandering NaCl oplossing (bij menging met oneindige hoeveelheid geconcentreerde NaCl-oplossing) 20. Het feit dat er energie verloren gaat bij het spontaan mengen van rivierwater en zeewater, betekent dus dat uit het mengproces nuttige arbeid kan worden verricht. Denk maar eens aan een waterval, waar ook veel energie verloren gaat die nuttig gebruikt had kunnen worden in een waterkrachtcentrale. Het verval tussen Lobith en Hoek van Holland is amper tien meter over een lengte van minder dan tweehonderd kilometer. Die tien meter verval komen overeen met een waterdruk van 1 bar. De situatie bij ons is niet te vergelijken met de verschillen die in alpenlanden gebruikt worden voor waterkracht. a Hoeveel energie gaat er verloren als een liter 250 meter naar beneden valt, zoals in een grote waterval (kj)? b Vergelijk dit eens met het antwoord dat je hebt gegeven bij vraag 19c. Net als bij waterkrachtcentrales, waar gebruik wordt gemaakt van het drukhoogteverschil van het water bovenstrooms en het water benedenstrooms, wordt bij het mengen van zoet en zout water gesproken over een drukverschil: het osmotische drukverschil. Hoe groot is het osmotische drukverschil van rivierwater en zeewater? c Vul Tabel 4 verder in. Tabel 4: Vergelijking waterkracht en Blue Energy Energie uit hydrologische kringloop a. Waterkracht b. Blue Energy MJ/m 3 Potentie voor Nederland (MW) 21. Voordat we gaan kijken hoe we dan elektriciteit kunnen maken uit het mengen van zoet en zout water, voeren we de berekening van opdracht 19 nog wat preciezer uit. In opdracht 19 hebben we namelijk verondersteld dat 1 liter rivierwater mengt met oneindig veel liters zeewater. Dat is natuurlijk niet haalbaar in een echte Blue Energy centrale. In de centrale mengen we bijvoorbeeld 1 liter zeewater en 1 liter rivierwater. Afgeleid kan worden dat de arbeid W (in Joule) die het proces kan leveren bedraagt: 34

35 W = 2 RT C z C V z.2,3 log C z m + C r C V r.2,3 log C r m Hierbij is R de gasconstante (8,31 J/mol/K), T de temperatuur (K), V z en V r de volumes van het zeewater en het rivierwater (liter), C z en C r de concentraties van het zeewater en het rivierwater (mol/l) en C m de concentratie van het gemengde water. De factor 2 komt van het feit dat NaCl in twee ionen gedissocieerd is. a Stel we mengen in de centrale 1 liter zeewater en 1 liter rivierwater. Wat wordt de concentratie van het gemengde water, C m? b Hoeveel arbeid kan geleverd worden? Vergelijk je antwoord met opdracht 19c. c Vul de Tabel 5 in (bereken steeds eerst C m ) en bepaal welke verhouding het beste is voor een Blue Energy centrale: 35

36 Tabel 5: Mengenergie bij verschillende mengverhoudingen V r (m 3 ) V z (m 3 ) W (MJ/m 3 W (MJ/m 3 Opmerking rivierwater) mengwater) 1 zie ook 19c zie ook 21b Neem voor een groot getal = oneindig Spreken deze opdrachten jou aan? Dan is de specialisatie als onderzoeker wat voor jou 36

37 5 Hoe zetten we Blue Energy om in elektriciteit? Dit hoofdstuk laat je zien met welke technieken je zoutgradiënten kunt gebruiken om energie te winnen. Daarnaast leer je welke techniek er achter Blue Energy schuil gaat en wat je ervoor nodig hebt om energie op te kunnen wekken uit het mengen van zoet en zout water. Je leert hier ook over redoxreacties, redoxpotentialen en membraanpotentialen. 5.1 Meerdere productietechnieken mogelijk Er zijn in principe een aantal manieren om de zoutgradiënt te gebruiken voor energiewinning. We bespreken er vier: Katchalsky-machine. Een techniek die ooit is bedacht door de Israëlische biofysicus Katchalsky ( ). Hij constateerde dat sommige vezels krimpen als ze in zout water gelegd worden en weer rekken in zoet water. In principe is dat voldoende om een machine te bedrijven en er zijn werkende modellen gemaakt. Een riem van collageen draait over twee pulley s. De schijven zijn ook met een ketting verbonden via tandwielen met verschillende diameter. Het collageen wordt bevochtigd door zout water dat het materiaal doet krimpen en door zoet water dat het weer doet rekken. 37

38 Vapor Pressure Difference Utilization (VPDU) Maakt gebruik van verschillen in dampdruk. In principe maakt het gebruik van een vat met twee compartimenten, gescheiden door een koperen plaat. Als gevolg van dampdrukverschillen boven het zoete water en het zoute water zal een dampstroom ontstaan in de richting van het zoute water. In deze dampstroom zet een turbine de kinetische energie van de watermoleculen om in elektrische energie. Het verdampende water koelt af en via de warmtewisselaar weer op temperaratuur gebracht door de condensatie warmte aan de zeewaterkant. De koperen plaat kan door de membraantechnoloog gezien worden als een warmtemembraan. Pressure Retarded Osmosis (PRO) Maakt gebruik van het osmose-effect. De membranen zijn afgeleid van de gewone reverse osmosis (RO)-membranen. Het water, dat door osmose getransporteerd wordt, drijft een turbine aan. Die waterstraal moet een zekere kracht hebben en ook voldoende breed zijn. Het vermogen is het product van debiet en druk en is maximaal bij een druk, gelijk aan de helft van de berekende osmotische druk. Vandaar het woord retarded in de naamgeving. Met name in Noorwegen is een kleine groep van het energiebedrijf Statkraft bezig deze techniek te onderzoeken. 38

39 Reverse Electrodialysis (RED) Alle bovengenoemde technieken gebruiken mechanische methoden om elektrische energie op te wekken. Het kan ook zonder door gebruik te maken van Reverse Electrodialysis (RED). Het voordeel is dat de installatie geen bewegende onderdelen heeft voor de directe productie. Wel zijn er pompen nodig voor de aanvoer van zoet en zout water en voor de elektrodespoeling. Op deze techniek zullen we daarom verder ingaan. 39

40 5.2 Directe elektriciteitsproductie met RED Doe nu klassikaal het intro-experiment, zie Bijlage Een RED installatie heeft twee type membranen, die beide geen water doorlaten: een anionwisselend membraan (anion exchange membrane, AEM) en een kationwisselend wisselend membraan (cation exchange membrane, CEM). De installatie bevat afwisselend CEM s en AEM s, zie Figuur 8. De ruimtes daartussen, de compartimenten, worden afwisselend doorspoeld met zeewater en met rivierwater. Natriumionen in het zeewater kunnen alleen diffunderen door het CEM en bewegen in de tekening naar links en veroorzaken een positieve stroom naar links. De chlorideionen passerende de AEMmembranen en vormen zo een negatieve ionenstroom naar rechts, die opgevat kan worden als een positieve stroom naar links. Om praktisch nut te hebben, moet de ionenstroom nog omgezet worden in een elektronenstroom. Dit gebeurt aan de elektroden, door middel van redoxreacties. Figuur 8: Reverse Electro Dialysis (RED) ofwel omgekeerde electrodialyse Je hebt nu waarschijnlijk een aantal begrippen gelezen die je waarschijnlijk niets zeggen. We leggen daarom membranen en redoxreacties verder uit. 40