De energieke bacterie

Annemiek ter Heijne, hoogleraar milieutechnologie aan de WUR, en Marjolein Helder, milieutechnoloog bij Plant-e, houden zich al jaren bezig met bacteriën. Toch zijn ze hun verwondering nog niet kwijt. “Bacteriën die voor ons aan de slag gaan… Ik vind het nog steeds magisch”, bekent Ter Heijne. “We gebruiken bacteriën natuurlijk al heel lang, zoals bij het maken van wijn en bier. Maar dat je ze ook voor allerlei andere processen kunt gebruiken, blijft bijzonder.”

Ter Heijne blikt terug op haar werk aan de universiteit. “De groep milieutechnologie aan de WUR bestond onlangs zestig jaar. In de beginjaren ging het vooral om de vraag hoe we bacteriën kunnen inzetten om vervuilende stoffen uit het water te halen. Daarna is er een nieuwe stap gezet. Wetenschappers realiseerden zich dat het water allerlei organisch materiaal bevat, zoals restanten uit je eten en je poep en plas, waar nog behoorlijk wat energie in zit. Toen is bedacht om die energie terug te winnen. Een derde stap was dat we een jaar of twintig geleden ontdekten dat je bacteriën kunt laten groeien op een elektrode, een geleidend materiaal. Die bacteriën gaan dan nog steeds de organische stoffen in het afvalwater omzetten, maar de elektronen die daarbij vrijkomen, laten we ze afgeven aan een elektrode. Zo kun je een biobrandstofcel bouwen.”

Elektriciteit uit afvalwater

Zo ontstond het idee dat waterzuivering wel eens energieneutraal zou kunnen verlopen. Bacteriën gebruiken het organische materiaal in afvalwater immers als een energiebron. Terwijl ze het materiaal afbreken en het water schoon maken, komen er elektronen vrij. Met de opgevangen elektriciteit zou je apparaten kunnen laten draaien die voor de waterzuivering nodig zijn. “Toen dat net was ontdekt, was er onder wetenschappers sprake van groot optimisme”, vertelt Ter Heijne. “Het idee was: ‘We hoeven geen elektriciteit meer toe te voegen, we gaan energie oogsten en hergebruiken’. Iedereen is het er inmiddels wel over eens dat dit niet erg realistisch was. Er blijken allerlei randvoorwaarden te zijn, zoals de kosten.” Ter Heijne, lachend: “Iets waar wij ons als wetenschappers soms niet zo druk over maken.”

Stroom oogsten met planten

Energieneutrale waterzuivering is te hoog gegrepen, maar er zijn wel andere praktische toepassingen. Juist in die toepassingen is Marjolein Helder geïnteresseerd. Zij deed in de periode 2008-2012 in Wageningen promotieonderzoek en bouwde tijdens haar onderzoek het bedrijf Plant-e op.

Plant-e maakt elektriciteit met levende planten. Helder vertelt dat al snel duidelijk werd dat er veel organisch materiaal nodig is om een heel klein beetje elektriciteit op te wekken. Kon de organische stof die bacteriën nodig hebben niet vanzelf worden toegevoegd? Dat bleek het geval. “We hebben planten als uitgangspunt genomen”, legt Helder uit. “Een plant produceert meer organische stof dan ze nodig heeft om te groeien. En wat ze over heeft, scheidt ze als afval af in de bodem. Daar breken bacteriën dat organische materiaal weer af. Vervolgens bieden we die bacteriën een koolstofelektrode aan. Zo creëer je in feite een brandstofcel, een batterij. En krijg je 24 uur per dag en 365 dagen per jaar elektriciteit.”

Energiebron niet uitmelken

Onbeperkte elektriciteit, hebben we daarmee de oplossing voor het energievraagstuk te pakken? Helder tempert de verwachtingen. “Met de toepassingen van Plant-e produceren we een geringe hoeveelheid elektriciteit, maar dan wel op een hele lange tijdschaal. De toepassingen van Plant-e kunnen zeker vijftig tot honderd jaar mee. Het is dus een stroombron die heel lang en heel stabiel een klein beetje stroom levert. En dat bepaalt wat je ermee kunt. Je kunt er bijvoorbeeld op hele afgelegen plekken sensoren mee voeden. We kunnen er ook verlichting mee in het buitengebied laten branden. Dan hoef je geen kabels te trekken.”

Een goed praktijkvoorbeeld, voortgekomen uit de samenwerking van Plant-e en het ontwerperscollectief Nova Innova, is te vinden in Rotterdam. “In het Park van Morgen in Rotterdam IJsselmonde is verlichting aangelegd die gevoed wordt met elektriciteit van bacteriën. Als je ‘s avonds door het park loopt gaan de lampjes om je heen aan. Met onze kleine lampjes zie je niet alleen de omgeving, je kunt ook goed zien waar je loopt.”

Helder wil vraag en aanbod zorgvuldig koppelen. ”We zouden die energiebron in theorie in één keer helemaal kunnen uitmelken, maar dan creëer je geen robuust systeem. Wij hebben er heel gericht voor gekozen om samen te werken met de natuur. Natuurlijk, het is niet heel veel stroom, maar je kunt er wel veel mee doen. Met zo’n koolstofelektrode die je in de grond prikt kun je bijvoorbeeld grondwatergegevens verzamelen en versturen via een satelliet. Je kunt dan op je computer zien wat daar gebeurt. Dat zijn zaken die echt wel impact kunnen hebben.”

Micro-organismen voeden met elektronen

Je kunt met bacteriën een park verlichten, maar je kunt ze ook op andere manieren voor je laten werken. Ter Heijne vertelt dat er in Wageningen hard gewerkt wordt aan een proces van ‘microbiële elektrolyse'. “Je kunt micro-organismen voeden met elektronen. Je voegt een beetje stroom toe en je pompt er als het ware energie in. Die bacteriën kunnen vervolgens CO₂ uit de lucht omzetten naar meerwaardige componenten, zoals methaangas of azijnzuur.” Het voordeel is dat methaan later weer gebruikt kan worden als energiebron om je huis te verwarmen of om elektriciteit op te wekken.

Dit heeft grote voordelen. “De duurzame energie van windmolens en zonne-energie is niet constant”, vertelt Ter Heijne. “We zoeken dus naar manieren om elektriciteit op te slaan om deze later weer te kunnen gebruiken. Je kunt de energie natuurlijk in een batterij stoppen, maar daar heb je veel materiaal voor nodig. Met dit alternatief kun je de elektrische energie overbrengen op een andere energiedrager als methaan. Methaan kun je in principe eindeloos bewaren.”

Futuristische toepassingen

Ook bij Plant-e staan de ontwikkelingen niet stil. Er tekenen zich futuristische projecten af. Helder: “Denk aan de onderlinge communicatie tussen planten. Er is altijd interactie tussen planten, ook al kunnen wij dat als mensen niet horen of zien. We proberen die communicatie zichtbaar te maken, zoals met het project EcoSentinel. Met de stroom die via de wortels door de planten wordt gegenereerd, kunnen we via sensoren zien wat die planten als het ware tegen elkaar zeggen. Als er bijvoorbeeld ergens brand ontstaat, gaan de planten om die brandhaard allerlei signalen afgeven aan andere planten. Als we inzichtelijk kunnen maken wat die planten aan elkaar doorgeven, zouden we al heel vroeg kunnen detecteren wat er in een ontoegankelijk gebied gebeurt.”

Door Jaco Berveling