Waterstof uit afval en blauwe energie

Ze moeten er nog wel een pakkende naam voor verzinnen, maar de microbiële omgekeerde elektrodialyse elektrolyse cel (MREC) lijkt een veelbelovende vinding om milieuvriendelijke waterstof te produceren. Het waterstof kan dan als brandstof fungeren in, bijvoorbeeld, auto’s. Bij de verbranding van waterstof ontstaat alleen water, geen CO2 of andere hinderlijke stoffen.

De MREC combineert twee processen waar apart al veel mee geëxperimenteerd is: stroom opwekken uit het verschil in zoutgehalte tussen zee- en zoetwater, en waterstofgas produceren met een microbiële elektrolyse cel (MEC).

Sommige soorten bacteriën kunnen allerlei organisch afval of rioolslib gebruiken als grondstof voor de waterstofproductie, maar niet helemaal op eigen kracht. Een MEC heeft nog een stroombron van buiten nodig, anders slagen de bacteriën er niet in protonen (kernen van waterstofatomen) los te wrikken uit de organische afvalstoffen. Dat verlaagt de efficiency van het proces drastisch, want die stroom moet ook nog worden opgewekt.

Anderzijds wordt geëxperimenteerd met stroomopwekking uit de gecontroleerde vermenging van zout en zoet water (omgekeerde elektrodialyse, ook wel blauwe energie genaamd). Het verschil in zoutconcentratie vertegenwoordigt een zekere hoeveelheid energie, die kan worden omgezet in elektriciteit door zout en zoet water langs elkaar te laten stromen, gescheiden door een speciaal membraan. Van de zoute kant sijpelen positieve ionen (elektrisch geladen atomen) door het membraan heen, richting het zoete water, wat buitenom een tegenstroom van (negatief geladen) elektronen opwekt – stroom dus. Als zout en zoet helemaal gemengd zijn, is alle energie uit het water gehaald.

De hoeveelheid energie per liter is veel kleiner dan in benzine of aardgas, maar elke rivier die in zee stroomt vertegenwoordigt een enorme hoeveelheid zoet water die zich vermengt met zout water, duurzame energie die nu verloren gaat. Naar schatting is het wereldwijde potentieel aan dit soort energie 1700 gigawatt, een kleine honderd keer groter dan de totale elektriciteitsopwekking in Nederland.

Echter, één membraan levert maar een heel laag voltage op, dus voor serieuze stroomopwekking moeten zoet en zout water door een ingewikkeld stelsel van wel honderden membranen gepompt worden. Het doorpompen alleen al slokt een flink deel van de te winnen energie op, de membranen zijn duur en slijten, kortom in de praktijk ligt het heel moeilijk.

Twee ingenieurs van Penn State University in de VS beschrijven nu in PNAS hun MREC die het beste van beide systemen combineert. Ze gebruiken omgekeerde elektrodialyse met maar vijf membranen, waardoor de pompenergie verwaarloosbaar klein is. De membranen leveren weliswaar maar 0,6 volt, maar dat is precies het zetje dat de MEC-bacteriën nodig hebben om waterstof vrij te kunnen maken uit azijnzuur (een modelstof voor organisch afval). Daardoor ontstaat een efficiënte reactor die zeer puur waterstof produceert en geen externe stroombron nodig heeft.

Overigens gelden de gebruikelijke mitsen en maren: het experiment vond op heel kleine schaal plaats, gedurende een paar dagen, met zuivere grondstoffen en onder ideale omstandigheden. Een groter experiment onder realistische omstandigheden is een noodzakelijke volgende stap.

Hydrogen production from inexhaustible supplies of fresh water and salt water using microbial reverse-electrodialysis electrolysis cells, Y.Kim, B. Logan, PNAS