Van zee naar zoet water

Water is essentieel, niet alleen voor leven, maar ook voor de economie. De mens zou niet bestaan zonder water. De lampen zouden niet branden als er geen water was voor de koeling van energiecentrales. Helaas staat België, volgens recent onderzoek van het world resources institute, net zoals Spanje of Marokko, onder waterstress. Dat betekent dat België veel van zijn beschikbare drinkwater gebruikt. Dit kan opgelost worden door zuiniger te zijn met zoet water, zoals minder lang te douche of een zuiniger toilet te gebruiken. Maar wat ga je doen als in een land woont waar bijna geen zoet water beschikbaar is? Dan is er de mogelijkheid om het zout en water te scheiden uit zeewater, ook gekend als water ontzilting.

Drinkwater van zeewater

Water ontzilting wordt gedaan op twee manieren, namelijk via filtratie of via verdamping. Bij filtratie wordt een filter met zeer kleine poriën gebruikt die door middel van hoge druk het water doorlaat maar de zouten achterlaat in het zeewater. Omgekeerde osmose is de naam van deze welbekende filtratietechniek. Bij verdamping wordt water verdampt, en wordt het waterdamp terug vloeibaar gemaakt via condensatie. Helaas verbruiken filtratie en verdamping veel energie, het ene door de hoge hydraulische drukken en het andere door de verdampingswarmte van water. Hierdoor is water ontzilting een grote bron van broeikasgassen aangezien er meestal fossiele brandstoffen als energiebron wordt gebruikt.

Alternatieve methode van ontzilting

Membraan destillatie is een opkomende technologie die een combinatie is van filtratie en verdamping. Deze techniek gebruikt geen hydraulische druk, maar gebruikt een verschil van dampdruk. De dampdruk is de druk die de waterdamp uitoefent op zijn omgeving. De waterdamp gaat via een semipermeabel hydrofoob membraan naar een koude omgeving waar de waterdamp condenseert tot drinkwater. Een semipermeabel hydrofoob membraan laat alleen gassen (zoals waterdamp) door, en geen vloeistoffen of vaste stoffen. Hierdoor blijft aan de ene kant van de membraan het zeewater maar bevindt zich aan de andere kant het schone water. Samengevat is bij membraan destillatie niet de hydraulische druk, maar het temperatuurverschil over het membraan de drijvende kracht. Een schematische weergave is te zien in figuur 1.

Een voordeel van membraan destillatie is dat het water niet tot het kookpunt wordt opgewarmd. Dit betekent dat deze techniek gebruikt kan worden met restwarmte of afvalwarmte. Restwarmte is een warmte die dicht in de buurt is van omgevingstemperatuur en wordt voornamelijk geloosd. Deze restwarmte komt meestal van een proces dat hoge temperaturen gebruikt, zoals de productie van energie of in de chemische industrie. Naast restwarmte kan deze warmte ook van hernieuwbare energie komen, zoals van wind. Vooral de toepassingen met warmte van de zon zijn zeer interessant. Zeewater kan via zonnespiegels door de zon opgewarmd worden. Dit resulteert in een proces dat weinig tot geen CO2 uitstoot. Een nadeel van de meeste vormen van hernieuwbare energie is dat er geen constante productie is van warmte. Er kan bijvoorbeeld een wolk voor de zon komen. Een openstaande vraag is hoeveel water er via membraan destillatie geproduceerd kan worden bij niet constante condities.

Modelleren van membraan destillatie

Membraan destillatie is al eerder succesvol gemodelleerd, echter was dit op constante condities. Met constant bedoelen we dat er niks veranderd over de tijd. Helaas kan dit niet worden toegepast bij situaties die niet statisch zijn, zoals bij zonne-energie. Om de hoeveelheid water productie te modelleren bij niet constante omstandigheden zijn er drie modellen opgesteld. Het eerste model is gebaseerd op de wetten van de natuur. Net zoals de welbekende tweede wet van newton (actie-reactie) zijn er ook wetten die membraan destillatie in bedwang houden.

Het tweede model is gebaseerd op een proces dat zich soortgelijk gedraagt als het gedrag van membraan destillatie. Een voorbeeld van dit soort modellering is zoals een stoplicht kan beschreven worden als een kraan. Als het stoplicht uit is, of de kraan dicht is, dan is er geen doorstroming van verkeer of van vloeistof. Als de kraan open is, dan kan de vloeistof wel door de kraan stromen, net zoals het stoplicht dat op groen staat.

Het derde model is gebaseerd op een al bestaand constant model. Bij het derde model wordt het niet constant verloop gesplitst in meerdere constante stukken. Hierdoor wordt het niet constante benaderd met het constante. Elk model werd geïmplementeerd in software en uitgerekend met behulp van computers.

Validatie van de simulaties

Om de drie modellen met elkaar te vergelijken zijn er meerder testen uitgevoerd om de modellen te valideren. Dit was gedaan met de marktleider in membraan destillatie, Aqua|still in Sittard. De testopstelling is te zien in figuur 2.

Om een zo groot mogelijke dynamische reactie te krijgen is het nodig om van een laag naar een hoge hoeveelheid waterproductie te gaan. Dit wordt gedaan door een groot verschil aan temperaturen te leveren, wat een groot verschil in water productie oplevert. Aangezien de thermische traagheid van één machine te groot is, zijn er twee machines gebruikt. Deze twee machines werden aan elkaar gekoppeld. Eentje werkte op lage water productieomstandigheden en werkte op een hoge water productie parameters.

Simply the best

In figuur 3  zijn de resultaten van de validatie te zien.

Hoe dichter de bolletjes bij schuine lijn komen, hoe beter het model is. Zoals te zien is in  figuur 3, komt het derde model, met de zwarte bolletjes, het beste overeen met de realiteit. Daarnaast is deze het simpelste te implementeren in software. Het derde model kan dus gebruikt worden om membraan destillatie te berekenen op niet constante situaties.