Reinstwasser, de wegbereider voor een duurzame en klimaatvriendelijke energievoorziening

Figuur 3: EnviroFALK schoonwaterbehandelingsinstallatie

Figuur 4: EnviroFALK circulaire reiniging

Figuur 1: Power-to-X (PtX)

Figuur 2: Polymeer-elektrolytmembranen-elektrolyse

Christopher Lenz, Business Development Manager, EnviroFALK

Hernieuwbare Energiebronnen: Uitdagingen en kansen

De voortschrijdende klimaatopwarming vereist een omschakeling van eindige fossiele brandstoffen naar schone, hernieuwbare energie uit water-, zonne-, wind- en biogasinstallaties.

Wind- en zonne-energie vormen daarbij de belangrijkste energiebronnen voor de regeneratieve elektriciteitsproductie. Een groot probleem voor de toekomstige energiesector door fluctuerende hernieuwbare energie is echter de opslag. Het elektriciteitsnet is niet in staat om energie op te slaan bij een tekort aan vraag, wat ertoe leidt dat de installaties moeten worden afgeregeld en daardoor inefficiënt werken. Voor de korte-termijnopslag van zogenaamde "kostbare stroom" worden tot nu toe pompopslagcentrales en batterijen gebruikt, maar deze zijn niet voldoende om de energievoorziening op lange termijn te waarborgen.

Power-to-X (PtX): De sleuteltechnologie voor een betere CO2-balans

“Power-to-X” staat als overkoepelende term voor technologieën die het mogelijk maken overtollige stroom uit hernieuwbare energie verder te verwerken en op te slaan, om zo fossiele energiebronnen te vervangen (Figuur 1).

– Energie-drager Gas - Power-to-Gas (PtG)
– Vloeibare brandstoffen - Power-to-Liquid (PtL)
– Chemische grondstoffen - Power-to-Chemicals (PtC)

Power to Gas (PtG)

Bij de PtG-methode wordt overtollige kostbare stroom gebruikt voor de productie van zogenaamde “groene waterstof”, die als energiedrager van de toekomst uitsluitend water als verbrandingsrest achterlaat.

Verschillende soorten elektrolysesystemen, zogenaamde “elektrolyseurs”, worden hiervoor ingezet, waarmee water met elektrische stroom wordt gesplitst in de chemische componenten waterstof (H2) en zuurstof (O2). Vooral de “Polymeer Elektrolyt Membranen Elektrolyse (PEM)” (Figuur 2) speelt een grote rol vanwege haar bestandigheid tegen de belastingwisselingen van de fluctuerende hernieuwbare energie, evenals haar hoge efficiëntie en snelle reactietijden.

Na de elektrolyse wordt H2 gecomprimeerd om het te kunnen opslaan en transporteren. Als energiedrager vindt groene waterstof onder andere toepassing als milieuvriendelijke brandstof in brandstofcelsystemen en industriële processen, evenals in verder verwerkte vorm als grondstof in de chemische en farmaceutische industrie.

Voor transport en verder gebruik kan waterstof, onder bepaalde voorwaarden, worden ingespeend in bestaande aardgasnetwerken. Dit is echter slechts mogelijk in beperkte hoeveelheden vanwege de lagere energiedichtheid. Voor het invoeden van grotere hoeveelheden wordt uit H2 eerst methanisering toegepast, waarbij het brandbare gas methaan (CH4) wordt geproduceerd en vervolgens wordt ingespeend in het aardgasnet, waar het kan worden gebruikt voor verwarming en/of elektriciteitsproductie.

Bovendien kunnen gasgestookte auto’s en vrachtwagens worden getankt met groene waterstof en daarmee bijna klimaatneutraal worden bedreven.

Power-to-Liquid (PtL)

Groene waterstof wordt ook toegepast bij de productie van synthetische vloeibare brandstoffen. Bij de PtL-technologie wordt overtollige stroom gebruikt om een synthesegas uit waterstof en koolstofmonoxide te produceren, waaruit vloeibare synthetische brandstoffen (E-Fuels) worden vervaardigd. Deze technologie maakt het mogelijk om benzine en diesel uit aardolie geleidelijk te vervangen. Ook synthetische brandstoffen voor de luchtvaart- en scheepvaartsector kunnen hiermee worden geproduceerd. Een groot voordeel van deze technologie is het gebruik van bestaande infrastructuren, zoals tankstations en transportsystemen.

Aangezien de synthetische productie van E-Fuels uit kostbare stroom dezelfde hoeveelheid CO2 bindt als die bij de verbranding wordt vrijgegeven, worden deze brandstoffen als klimaatneutraal beschouwd.

Power-to-Chemicals (PtC)

Bij de PtC-technologie worden, voortbouwend op de PtG-methode, uit kostbare stroom en de synthese van waterstof met CO2 en stikstof chemische grondstoffen geproduceerd die fossiele grondstoffen zoals aardolie en aardgas moeten vervangen. Voorbeelden hiervan zijn kunststoffen, wasmiddelen en additieven, die in veel industrieën van belang zijn.

Reinwater: De onmisbare grondstof voor PtX-technologieën

Reinwater speelt een centrale rol in alle PtX-technologieën, vooral bij de productie van groene waterstof via elektrolyse. Dit hoogzuivere water is vrijwel vrij van verontreinigingen, zoals organische stoffen, bacteriën, partikels en opgeloste gassen, en heeft een zeer lage geleidbaarheid van typisch 0,055 µS/cm, waardoor het ideaal is voor gebruik in gevoelige processen zoals PEM-elektrolyse. Reinwater wordt gewonnen uit verschillende uitgangswaterbronnen, die afhankelijk van de herkomst sterk in kwaliteit kunnen variëren. Deze diversiteit vereist een op maat gemaakte reinwaterbehandeling om alle ongewenste mineralen en gassen te verwijderen die anders de elektrolyseprocessen zouden kunnen verstoren.

De betekenis van reinwater voor de PtX-processen kan niet genoeg worden benadrukt: zonder de juiste waterkwaliteit kunnen zoutafzettingen ontstaan op de membranen en elektroden van de elektrolyseurs, wat de efficiëntie en levensduur aanzienlijk kan schaden. Daarom is een procesgerichte reinwaterbehandeling (Figuur 3) niet alleen een essentieel criterium, maar ook een kritische succesfactor voor de duurzame productie van synthetische brandstoffen.

Van ruwwater naar reinwater

Bij de planning van een waterbehandelingsinstallatie is de naadloze integratie in het PtX-systeem van cruciaal belang. Dit omvat bijvoorbeeld de locatiegerichte planning binnen het totale systeem, de besturingstechnische koppeling via gespecificeerde communicatieinterfaces, uniforme apparatuur van installatieonderdelen en een consistente documentatie. Ook bij de planning van een waterbehandelingsinstallatie moet rekening worden gehouden met de LCOE (Levelized Cost Of Electricity), waarbij naast de investeringskosten ook de lopende bedrijfskosten worden meegenomen. Hieronder vallen energie- en mediaverbruik, afvalwaterhoeveelheden, bedrijfsmiddelen en servicekosten.

De behandeling van ruwwater voor de productie van waterstof via elektrolyse verloopt in meerdere processtappen in een specifieke volgorde, die telkens wordt aangepast aan de lokale waterkwaliteit in een detailengineering. Hierbij worden verschillende processtappen ingezet, zoals:

– Voorfiltratie met terugspoelfilters, grindfilters of ultrafiltratie
– Verwijdering van hardheidsvormers calcium en magnesium met ionenwisselaaronthardingsinstallaties (alternatief: antiscalantdosering voor hardheidstabilisatie)
– CO2-verwijdering/-binding met membraanontgassing of natronloog
– Ontzouting > 98% met omgekeerde osmose (RO)
– Volledige ontzouting met 2e omgekeerde osmose-stap of elektrodeionisatie (EDI)
– Proceswaterrecyclinginstallaties voor continue ontzouting tot < 0,1 µS/cm en partikelfiltratie onder 1 µm
– Ontgassingsinstallaties voor restverwijdering van H2 en O2
– Proceswatervoorraadsysteem met opslagtank en drukverhogingsinstallaties
– Proceswaterkoelinstallatie (optioneel)

Reinwaterkwaliteiten die procesmatig variëren:

De belangrijkste eigenschap van de EnviroFALK reinwaterbehandelingsinstallaties, speciaal ontworpen voor hoge druk- en hoge temperatuurtoepassingen zoals PEM-elektrolyse, is de circulaire reiniging (Figuur 4), die het mogelijk maakt “verontreinigd” proceswater te recyclen. Een technologie die actief bijdraagt aan milieubescherming en de kostenefficiëntie in industriële processen optimaliseert. De circulatiesystemen zijn specifiek ontworpen om proceswater onder hoge bedrijfdruk tot 50 bar en temperaturen boven 65 °C te behandelen. Door gebruik te maken van de modernste technologieën, die zijn ontworpen voor continu gebruik, wordt een betrouwbare en kosteneffectieve waterbehandeling gegarandeerd.

High-performance reinwateroplossingen voor maximale proceszekerheid en flexibiliteit

Bij EnviroFALK draait alles om oplossingsconcepten voor waterbehandeling in ziekenhuizen, laboratoria en geselecteerde industrieën. Daarnaast ontwikkelen de experts reinwaterinstallaties die elektrolyseurs voorzien van hoogwaardig water. Hierdoor maakt het bedrijf een betrouwbare en efficiënte productie van waterstof mogelijk.

De kwaliteit en beschikbaarheid van reinwater zijn cruciaal voor het PtX-proces. Een hoge servicebeschikbaarheid en korte hersteltijden (Mean Time To Recover - MTTR) evenals een hoge systeembeschikbaarheid (Service Level Agreement - SLA) zijn onmisbaar voor waterbehandelingsinstallaties. Om uitval te minimaliseren, zijn maatregelen zoals redundantie van kritieke onderdelen, geoptimaliseerde voorraadbeheer van reserveonderdelen, het gebruik van bewezen componenten en nauwkeurige monitoring van procesparameters noodzakelijk. Deze strategieën maken een systeembeschikbaarheid van meer dan 99% mogelijk. EnviroFALK biedt hiervoor een breed scala aan kwalitatief hoogwaardige componenten voor maximale proceszekerheid.

De EnviroFALK-reinwaterprocesystemen onderscheiden zich door hun modulaire bouw, die een flexibele integratie in bestaande installaties mogelijk maakt. Deze modulariteit biedt het voordeel dat de verschillende processtappen afhankelijk van de ruimtelijke en procestechnische eisen individueel kunnen worden geconfigureerd. Of het nu naast elkaar, boven elkaar of in aparte ruimtes is – de systemen kunnen optimaal worden aangepast aan de specifieke omstandigheden.

Geavanceerde reinwatersystemen voor groene energie

In de afgelopen jaren heeft EnviroFALK, door nauwe samenwerking met gerenommeerde fabrikanten van elektrolysesystemen, talrijke toepassingsgerichte reinwaterprocesinstallaties ontwikkeld en geleverd voor PtX-projecten.

Vanaf de vroege beginjaren in 2012 tot nu zijn meer dan 100 reinwaterprocesinstallaties gerealiseerd in verschillende concepten en vermogensniveaus voor diverse PtX-projecten. Deze dragen tegenwoordig aanzienlijk bij aan de positionering van waterstof als duurzame energiedrager en daarmee aan een milieuvriendelijke en moderne energieproductie.

In 2015 werd in het Wirtschaftspark Mainz-Hechtsheim een van de toen grootste, regelbare waterstofinstallaties ter wereld opgericht met een elektrisch vermogen van 6 MW. Daar wordt momenteel met PEM-elektrolyseurs van Siemens tot 1.000 Nm³ groene waterstof per uur geproduceerd uit overtollige windenergie. De geproduceerde waterstof wordt ter plaatse opgeslagen en vervolgens gebruikt in verschillende toepassingen, zoals vervoer, industrie en het aardgasnet. De grondstof “water” wordt geleverd door een 1.000 l/h reinwaterinstallatie en wordt met een 4.200 l/h proceswater-circulatiezuiveringsinstallatie vrijgemaakt van fijne partikels en opgeloste zouten.

In 2023 richtte Air Liquide samen met Siemens Energy het project “Trailblazer” op – een 20 MW PEM-elektrolyseur voor de productie van groene waterstof. De Trailblazer voorziet via een bestaande waterstofpijpleiding belangrijke industrieën zoals staal, chemie, raffinaderijen en vervoer van 2.900 ton groene waterstof per jaar en zuurstof. EnviroFALK leverde hiervoor een circulatiesysteem met een doorvoer van 30.000 l/h. Het modulair opgebouwde systeem werd in de fabriek in Leverkusen volledig gemonteerd en kon daardoor binnen korte tijd ter plaatse worden geïnstalleerd en in gebruik worden genomen.

Andere overtuigende succesvoorbeelden:

– Windgas Hassaert GmbH (PtG-project)
Elektrisch vermogen 1,25 MW uit windenergie, waterstofproductie ca. 200 Nm³/h, reinwaterinstallatie 300 l/h, circulatiezuivering 600 l/h

– Salzgitter Flachstahl (PtG-project)
Elektrisch vermogen 2,2 MW uit windenergie, waterstofproductie ca. 400 Nm³/h, reinwaterinstallatie 900 l/h, circulatiezuivering 4.200 l/h

– Ludwigshafen (PtC-project)
Elektrisch vermogen 54 MW, waterstofproductie 8.000 t/a, reinwaterinstallatie 10.500 l/h, circulatiezuivering 150.000 l/h

PtX-projecten voor een klimaatneutraal Europa

De planning van innovatieve PtX-projecten is een essentiële stap op weg naar een klimaatneutraal Europa in 2050. Deze projecten helpen de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen te verminderen en de energievoorziening te diversifiëren. De eerste wereldwijde PtX-Atlas, opgesteld door het Fraunhofer Instituut voor Energiewirtschaft en Energietechniek, toont het enorme potentieel. Vooral in regio’s die rijk zijn aan hernieuwbare energiebronnen. Dergelijke projecten kunnen niet alleen Europa, maar ook de wereldwijde energie-infrastructuur transformeren en een win-winsituatie creëren voor milieu en economie.

EnviroFALK heeft zich voorbereid om PtX-projecten te ondersteunen met de modernste reinwaterinstallaties en daarmee de klimaatneutraliteit verder te bevorderen.

Vita Christopher Lenz:

Christopher Lenz, geboren in 1994 in Limburg an der Lahn, toonde al op jonge leeftijd een uitgesproken interesse voor duurzaamheid en energie-efficiëntie. In 2019 behaalde hij zijn bachelor in energietechniek. Hierbij specialiseerde hij zich in waterstoftechnologie voor een grootschalige productie-installatie in samenwerking met Trianel GmbH. Zijn masterstudie in Hernieuwbare Energieën sloot hij in 2021 af met een werk over een multicriteria-analyse voor de waterstofeconomie, waarin de economische, ecologische en technische aspecten werden belicht. Beide scripties weerspiegelen zijn diepe interesse in waterstoftechnologie. Als projectleider bij Trianel GmbH heeft hij aanzienlijk bijgedragen aan waterstofprojecten. Sinds 2023 is Christopher Lenz als Business Development Manager bij EnviroFALK verantwoordelijk voor het gebied van reinwaterinstallaties voor PtX-projecten.