We kennen al een tijdje groene stroom van de zon en de wind, maar sinds een paar jaar bestaat er ook gele stroom: elektriciteit uit urine. Of beter gezegd, uit ammonium, een stof die voorkomt in urine van mensen en dieren en veel wordt toegepast bij het produceren van kunstmest.

Circulaire stroom

Toch wil onderzoeker Niels van Linden eerst even de verwachtingen temperen. “Urine wordt niet de nieuwste energiebron van de wereld. Je leest weleens berichten over het opladen van een telefoon met elektriciteit uit urine, maar dat is vooral leuke bijvangst van deze technologie. Waar het eigenlijk om gaat is dat we in staat zijn om ammonium uit restwater te halen en dat om te zetten in elektriciteit. Die elektriciteit kunnen we vervolgens weer gebruiken om datzelfde water te zuiveren van ammonium, waardoor een circulair proces ontstaat.”

Zuivering van afvalwater

Ammonium belandt via het riool of restwater van de industrie of landbouw bij een riool- en afvalwaterzuivering, waar de stof uit het water wordt gehaald. Van Linden: “Ammonium is schadelijk voor de waterkwaliteit van rivieren en meren, omdat het algengroei bevordert. Maar de huidige zuivering van riool- en afvalwater kost veel energie.”

Opconcentreren ammonium

Daarom wilde Van Linden een zuiveringsmethode ontwikkelen die niet alleen energie bespaart, maar ook elektriciteit oplevert. Hoe werkt dat? ”Het begint met een hoeveelheid restwater met ammoniumconcentraties van rond de 1 gram per liter. Dat ammonium moeten we eerst opconcentreren naar een andere oplossing. Dat doen we door middel van elektrodialyse. Hierdoor is de concentratie ammonium in de nieuwe oplossing niet 1 gram per liter, maar 10 gram. Vervolgens verhogen we de pH-waarde van dit water, waardoor de oplossing ‘basisch’ wordt. Zo wordt ammonium omgezet in opgelost ammoniak, de gasvorm van ammonium.”

Omzetten in elektriciteit

De laatste stap is om het opgeloste ammoniak uit de oplossing te onttrekken. Dit proces heet ook wel ‘strippen’, vervolgt Van Linden. “Dat doen we met een soort vacuümpomp om ammoniak uit het water te zuigen. De ammoniak komt uiteindelijk terecht in een brandstofcel, een soort combinatie van een batterij en een verbrandingsmotor. Door de reactie tussen ammoniak en zuurstof uit de lucht in de brandstofcel ontstaan warmte en elektriciteit. De onschadelijke gevormde gassen (stikstofgas en waterdamp) na deze reactie kunnen gewoon in de omgevingslucht worden uitgestoten.”

Energieneutraal

Momenteel verbruikt het systeem nog twee keer zoveel energie als dat het oplevert, zegt Van Linden. “Per kilogram ammoniak wekken we ongeveer 12 megajoule energie op. Om de ammonium voor 90 procent uit het restwater te kunnen halen en het om te zetten naar brandstof, hebben we 23 megajoule nodig. We moeten het rendement van de energieopwekking dus iets verhogen en het energieverbruik verlagen. Dat kan bijvoorbeeld met betere brandstofcellen en membranen die minder weerstand hebben, waardoor we dus minder energie verbruiken. Het verschil tussen verbruik en rendement moet uiteindelijk 0 zijn, dan is deze techniek energieneutraal. En met een beetje geluk houden we netto nog wat energie over.”

Win-win-wintechnologie

Het opwekken van elektriciteit met ammonium uit restwater is helemaal nieuw, zegt Van Linden: “Bij de twee meest gangbare technieken wordt ammonium met behulp van bacteriën omgezet in elektriciteit. Maar naast energie komen daar ook schadelijke stoffen bij vrij, zoals lachgas, een sterk broeikasgas. Bovendien heb je bij het gebruik van bacteriën minder controle over het proces.”

Daarnaast is er nog een methode om ammonium te verwijderen uit restwater, waarbij ammoniak uit het water wordt gestript met behulp van lucht. Hiervoor worden veel chemicaliën gebruikt, bijvoorbeeld voor het verhogen van de pH-waarde. “Wij verhogen de pH-waarde met elektriciteit die we opwekken bij het omzetten van ammoniak in de brandstofcel. Onze methode is dus in drie opzichten beter dan de bestaande technieken: we verbruiken minder energie, er komen geen schadelijke gassen vrij en we gebruiken geen chemicaliën.”

Toepassingen

Volgens Van Linden biedt de nieuwe technologie vooral uitkomst bij geconcentreerde afvalwaterstromen. “Wanneer water veel ammonium bevat, heb je weinig energie nodig om het uit het water te onttrekken. Het opvangen van menselijke urine op een festival maakt deze techniek bijvoorbeeld mogelijk rendabel, net als waterzuiveringen bij industrieterreinen of landbouwbedrijven. Uiteindelijk kan decentrale opvang en waterzuivering ook een rol gaan spelen bij toekomstige woningbouw. Maar dat duurt nog wel even, voorlopig focussen we ons op het optimaliseren van deze techniek.”