Stroom uit het riool

In de Volkskrant  stonden in januari twee artikelen die gingen over het plassen onder de douche. Op 22 januari ging het over het stimuleren van het kunnen plassen door klaterend water. En op 10 januari ging het over de waterbesparing als je tijdens het douchen je plas doet.
      Het artikel gaat verder met hoe de rioolzuivering de stikstof die in de urine zit kan gebruiken om energie op te wekken.

Ik wil daar hier op ingaan.
Ten eerste niet stikstof (N) levert de energie maar ammoniak (NH₃) dat gevormd wordt door bacteriën die het rioolwater bewerken.
    De bacteriën halen als het ware de ammoniak uit stikstofhoudende stoffen die als uitscheidingsproducten van mens en dier in het riool terecht komen.  We hebben in ons lichaam namelijk veel bronnen voor ammoniak. Eiwitten (proteïnes) zijn opgebouwd uit aminozuren. Ieder aminozuur heeft een soort van ammoniak gedeelte in zich. Ook het DNA en RNA kent vele groepen die chemisch verwant zijn aan ammoniak. 

 Het ingenieursbureau DHV heeft een methode ontwikkeld, en daar octrooi op verkregen, om dit ammoniak uit het rioolwater te halen en klaar te maken voor een brandstofcel, waar er elektriciteit mee opgewekt wordt. 

    Ze doet dit door een magnesiumzout toe te voegen. Met het ook veelvuldig aanwezige fosfaat (in uitwerpselen en urine zit nogal wat) krijg je dan de volgende reactie: 

 

Mg²⁺  + NH₄⁺ + PO₄^3-  → MgNH₄PO₄(s) 

 

    Dit is een zogenaamd dubbelzout met de naam magnesium-ammonium-fosfaat of kortweg struviet. Het vormt in het rioolwater onoplosbare kristallen die eruit gefiltreerd kunnen worden. (Het valt je misschien op dat er in het zout zowel een zuur (NH₄⁺) als een base (PO₄^3- ) zit. Je kan je daarom wel voorstellen dat de pH een factor is om rekening mee te houden. De optimale pH schijnt 9 te zijn.) 

 

Als je deze struvietkristallen verwarmt gebeurt het volgende: 

MgNH₄PO₄  →  MgHPO₄ + NH₃(g) 

  Het gevormde ammoniak is een zuiver gas en wordt een zogenaamde SOFC (solid oxyde fuel cell) brandstofcel ingevoerd waar het omgezet wordt tot stikstof en water en elektrische energie: 

  

4NH₃ + 3O₂ → 2N₂ + 6H₂O 

Wat is een brandstofcel?

Bij veel chemische reacties komt energie vrij. Dit is meestal warmte. Daarbij zijn de reagerende stoffen direct met elkaar in contact. 

     Bij een bepaalde klasse reacties (de zogenaamde redoxreacties) hoeven de reagerende stoffen niet direct met elkaar in contact te zijn, maar kan het contact ook via een stroomgeleidend metaal-draadje plaatsvinden. De energie wordt daarbij niet alleen in warmte maar ook en vooral in elektrische energie omgezet. Batterijen werken volgens dit principe. Daarbij blijven de reagerende stoffen en de reactieproducten in de batterij.   

      Een brandstofcel werkt volgens hetzelfde principe maar daar worden de reagerende stoffen voortdurend aangevoerd en de reactieproducten voortdurend afgevoerd. 

Aangezien een SOFC brandstofcel bij hoge temperatuur (pakweg 700^oC) werkt is het de vraag wat er nou eigenlijk met zuurstof reageert. 

     Reageert het ammoniak als zodanig of ontleedt het eerst in waterstof en stikstof, waarna het waterstof met de zuurstof reageert? 

     Volgens Binas (wie kent hem niet die aloude en vertrouwde Binas?) licht het evenwicht van de reactie

 

2NH_{3   <=>}   N₂ + 3H₂  

 

bij 700 ^oC heel ver naar rechts. Dus bij het binnenkomen van de brandstofcel wordt het ammoniak niet alleen opgewarmd tot 700 ^oC, zoals je lucht zou opwarmen tot die temperatuur, maar er moet ook een flinke hoeveelheid extra energie worden toegevoerd voor de ontleding. 

Vergelijk dit met het wegkoken van water. Je moet niet alleen energie toevoeren om het water op 100 ^oC te brengen maar je moet ook energie toevoeren voor het verdampen zelf. (Dat is overigens de reden dat kokend water niet heter wordt dan 100 ^oC, hoe hoog je het vuur ook opstookt.) 

De toegevoerde extra ontledingsenergie win je gedeeltelijk weer terug doordat het ook extra elektrische energie oplevert. Want waterstof levert meer energie dan ammoniak (als dat technisch zou kunnen). 

   

Het is dus maar de vraag wat nou eigenlijk de energie levert. Is dat de stikstof? Is het de ammoniak? Is het de waterstof? Het moge duidelijk zijn dat in de brandstofcel het de waterstof is die de energie levert (in een reactie met zuurstof).

Maar waar komt de waterstof oorspronkelijk eigenlijk vandaan?

    Voor een flink gedeelte komt die toch uit fossiele brandstoffen, althans in de fabrieken die de ammoniak, de grondstof voor kunstmest, maken. En die kunstmest komt in de planten en de planten worden gegeten en uiteindelijk komt het in het riool (of in mest).

In ammoniakfabrieken wordt op de volgende manier waterstof gemaakt:

CH₄+ 2H₂O → CO₂  + 4H₂

  

CH₄ is methaan, het hoofdbestanddeel van aardgas.

    Vervolgens laat men de waterstof met stikstof reageren tot ammoniak. Eigenlijk is het dus zo dat, in het totale energieplaatje, stikstof slechts de drager van de waterstof is en dat op weg naar de boven beschreven brandstofcel veel nuttige dingen met die combinatie gedaan worden. 

Alles bij elkaar genomen kan je dus zeggen dat de energie die in de fossiele brandstof methaan zit op deze wijze niet direct gebruikt wordt maar via een omweg, nl. via waterstof, ammoniak, kunstmest, voedsel, lichaams-bouwstoffen, uitwerpselen, ammoniak, waterstof, elektriciteit en warmte.

Het overblijvende magnesiumwaterstoffosfaat kan gebruikt worden om nieuwe ammoniak in te vangen of afgevoerd te worden naar een fosfaat verwerkend bedrijf, bv. ten behoeve van kunstmestproductie. Zo wordt ook nog de wereldvoorraad fosfaat enigszins ontlast. 

 

Volgens mij valt het best mee met het gevaar van de hulpstof waar de Universiteit van Wageningen over rept in haar advertentie op de voorpagina van de Volkskrant van 14 september 2013. De hulpstof zou milieuproblemen veroorzaken. Dat is maar de vraag. Het is een magnesiumzout en magnesium komt veel in voedingsmiddelen en kraanwater voor. Bovendien wordt het in het proces gerecycled. 

Hoe het ook zij, we raken zo de ammoniak weer kwijt en dat is beter voor het milieu. Bovendien krijgen we er elektriciteit voor terug.