Hoe vies water schone energie oplevert

Om die problemen te overkomen, werken Ter Heijne en collega’s nu aan een ander concept, waarbij de elektrodes – de plekken waar de chemische reacties plaatsvinden – geen met elkaar verbonden platen zijn, maar ‘draadloze’ korrels. Die zijn gemaakt van zogenoemde actieve kool en kunnen grote hoeveelheden geladen deeltjes opslaan die de bacteriën vrijmaken. Dat gebeurt in de ontelbare kleine poriën van de korrels. “Het idee is om het afvalwater eerst door een reservoir met korrels te laten stromen, die zoals het ware opladen. En ze vervolgens in een ander compartiment weer te ontladen, waarbij we de energie nuttig inzetten”, zegt Ter Heijne.

Er zijn verschillende voordelen ten opzichte van het ‘ouderwetse’ platenontwerp. Ten eerste hebben de korrels een groot oppervlak, dat betekent dat er meer ruimte is voor de bacteriën om op te groeien. De negatief geladen elektronen van de bacteriën vormen samen met positieve deeltjes (zoals kalium- of ammonia-ionen en protonen) uit het afvalwater een soort laag over het oppervlak van de korrel. Ander voordeel is dat het vrij makkelijk is om grote hoeveelheden water door een reservoir met korrels te pompen.

Als de korrels hun poriën vol hebben met elektronen, gaan ze naar een tweede ruimte voor ontlading. Dit gebeurt in een cel met twee compartimenten met ieder een elektrode. Eentje krijgt de korrels. De actieve kool kan daar de elektronen en positieve deeltjes loslaten. Terwijl de elektronen door een draad naar de andere elektrode (kathode, zie afbeelding) lopen, gaan de positieve deeltjes door een membraan: een barrière die alleen positieve deeltjes doorlaat. Aan de andere kant van de barrière, bij de andere elektrode, combineren de deeltjes samen met zuurstof tot water.

“Eigenlijk is deze reactie precies dezelfde als die in een waterzuiveringsinstallatie met bacteriën en zuurstof plaatsvindt”, zegt Ter Heijne. “Wat wij doen is het aftappen van energie uit de elektronenstroom. Die energie gaat normaal gesproken naar bacteriën voor de productie van ATP, de moleculen waar ze energie in opslaan. In ons systeem geven we de bacteriën net genoeg energie om te kunnen overleven, de rest gebruiken wij.”

Van vies water naar schone energie

De afgelopen jaren hebben Ter Heijne en collega’s een proefopstelling gebouwd en getest. Met die relatief kleine modelreactor – een à twee liter – is in ieder geval het principe gedemonstreerd. “Het op- en ontladen van de korrels actieve kool werkt op deze manier”, zegt ze. “Maar de efficiëntie is niet fantastisch. Niet meer dan je met bestaande biobrandstofcellen met platen haalt. Op papier kun je met onze opstelling echter een veel hogere efficiëntie halen.”

Een nieuwe opstelling die de wetenschappers nu bouwen moet beter presteren, doordat het groter is en er meer korrels rond kunnen gaan zonder dat het systeem verstopt raakt. Ook moet er uiteindelijk écht afvalwater door de opstelling stromen, in plaats van het surrogaat vieze water dat Ter Heijne en collega’s speciaal maken. Op basis van metingen aan enkele korrels rekent ze voor dat je uit een reactor van een liter theoretisch 30 watt aan stroom moet kunnen halen. “In de praktijk zal dat door verliezen een stuk lager liggen”, zegt ze.

Ter Heijne is enthousiast, maar wil de verwachtingen temperen. “We gaan hier het energieprobleem niet mee oplossen hoor”, zegt ze. “Daarvoor is het simpelweg te weinig energie. Maar het zou toch ontzettend mooi zijn als je hiermee het zuiveren van afvalwater energieneutraal kan maken.”