Planten produceren meetbare spanningen en kunnen als stroombron dienen, zo wijst een Wageningse ontdekking uit. Worden moerassen en weilanden straks onze nieuwe elektriciteitscentrales?
De groene elektriciteitscentrale
Stel je voor: je laptop opladen in het grasveld. Technisch is het mogelijk, toont de proefopstelling van David Strik aan. Een grasveldje op het dak van het Nederlands Instituut voor Ecologie (NIOO-KNAW) in Wageningen blijkt namelijk voortdurend stroom te leveren via de elektrodes die in het gras zijn gestoken. In tegenstelling tot zonne-energie levert deze techniek ook ’s nachts stroom, al is de efficiëntie natuurlijk veel lager. De elektrische spanning ontstaat door het oogsten van elektronen die in de buurt van de plantenwortels vrijkomen. Aanvullend voordeel is dat er in rijstvelden minder methaan, een krachtig broeikasgas, lijkt vrij te komen als de planten hierin worden voorzien van elektroden.
Stroom uit een boom
In 2006 ontdekte de in de Amerikaanse staat Illinois wonende uitvinder Gordon Wadle dat er een zwakke stroom liep tussen een aluminium spijker in een boom en een koperelektrode in de bodem. Hij patenteerde het idee en begon ondanks scepsis een methode te ontwikkelen om de elektriciteit te oogsten. De stroom bleek te blijven bestaan, ook als beide elektrodes van hetzelfde metaal waren vervaardigd (een belangrijk argument van sceptici), wees vervolgonderzoek uit. De oorzaak, zo bleek, waren waterstofionen. De grond bleek iets zuurder dan de boom, waardoor elektronen van de boom naar de grond bewogen. Erg veel levert dit effect echter niet op en de uitvinders zoeken nu ook hun toevlucht tot zonnepanelen, oogsten van trillingen en temperatuursverschillen.
Wortelstroom
Het Wageningse systeem werkt anders. Hamelers, de ontdekker, deed al langer onderzoek naar microbiële brandstofcellen. Hij realiseerde dat plantenwortels voortdurend brandstof leveren. Ongeveer de helft van alle suikers die een plant produceert, lekken uiteindelijk weg uit de wortels. Kortom: zolang een plant leeft, levert deze de ideale brandstof voor een brandstofcel. Een boom is niet erg interessant (de wortels reiken te diep). Een kruidachtig gewas, vooral in een zuurstofloze omgeving, is veel interessanter. Anaerobe bacteriën zetten de suikers dan om in kooldioxide en vrije protonen en elektronen. De elektronen reageren gewoonlijk met sulfaten en nitraten in de bodem, maar kunnen heel goed opgevangen worden met elektroden. In feite bestaat de opstelling uit ondiepe elektroden, die de protonen aantrekken en ze met zuurstof omzetten in water en diepe elektroden, die de elektronen aantrekken. Hierdoor ontstaat een stroom, die af te tappen is.
Vervijftigvoudiging van de stroom
Hamelers en milieukundige David Strik sloegen aan het experimenteren met moerasplanten. De eerste resultaten waren teleurstellend: enkele milliwatts, in het laboratorium verbeterd naar 0,2 watt per vierkante meter, maar na twee jaar noeste arbeid slaagden ze erin dit meer dan te verdubbelen tot 0,5 W/m2. Dag en nacht. Zestien vierkante meter gras levert net genoeg stroom om een mobieltje op te laden. Niet onaardig, maar vergeleken met zonnepanelen of wind is dit maar weinig. Deze leveren minimaal 4-7,7 W per vierkante meter. Kortom: dit lijkt op het eerste gezicht een dood spoor.
Strik geeft de moed echter nog niet op. Hij wijst erop dat sinds het begin van het project hij en zijn collega’s de capaciteit al met factor vijftig hebben laten groeien. Volgens hem is door elke stap in het systeem nog verder te verfijnen, nog eens factor tien winst te boeken, waarmee de energiedichtheid van zon en wind benaderd worden. Met deze overtuiging in het achterhoofd is hij het bedrijfje Plant-e begonnen.
Alternatief voor biobrandstof
In de praktijk buiten het laboratorium, zal het systeem hooguit 1,6 W per vierkante meter opleveren, zo schatten de bedenkers in. Erg veel is dat dus niet, maar er zijn twee grote voordelen. De kosten zijn veel lager dan die voor zonnepanelen en windmolens en de techniek is veel eenvoudiger. Daarnaast levert deze stroombron continue stroom, dag en nacht. Alleen bij matige tot strenge vorst, als de grond bevroren is, valt de stroom uit. Samen met hun Vlaamse collega Verstraete van de universiteit van Gent en botanici, microbiologen en ontwerpers van over heel Europa zijn ze onderdeel van Plant Power, een EU-project met een budget van €4 miljoen, dat de efficiëntie van deze biologische brandstofcellen wil vergroten. De groep denkt dat 3,2 W/m2 reëel is. Hiervoor moet werkelijk iedere component verbeterd worden: de juiste plantensoort, de juiste microbenpopulatie, bijvoorbeeld een organische stof-afbrekende soort en een soort die de spanning levert en een slim, effectief ontwerp van de elektrode.
Groene zonnepanelen of elektriciteit oogsten van bouwland
Strik denkt na over groene daken die per vierkante meter 14 kWh per jaar leveren. Vijftig vierkante meter levert zo twintig procent van het elektriciteitsgebruik van een Nederlands gezin. Plus de aanvullende voordelen van een groen dak: luchtreiniging, isolatie, de stad gastvrijer maken voor dieren. Deze techniek kan ook in uiterwaarden of andere moerassige grond worden uitgerold. Het grote voordeel: de elektriciteit loopt ook na het vallen van de nacht door.
Ook landbouwgewassen kunnen worden geëlektrificeerd. In Wageningse experimenten waarbij het effect op de groei van landbouwgewassen werd uitgetest, bleek geen groeiremming, soms zelfs beter dan verwacht.
Energie uit natte rijstvelden
De natte-rijstteelt, van levensbelang voor miljarden mensen, is letterlijk rijstplanten kweken in een zuurstofloos moeras. Geen wonder dat er in Japan, dat naast onveilige kerncentrales weinig andere energiebronnen heeft, veel interesse bestaat om de twaalf procent van de oppervlakte die uit natte rijstvelden bestaat, om te toveren in groene krachtcentrales.
Bioloog Kazuya Watanabe van de universiteit van Tokio bereikte bij een eerste proef rond de 0,01 W/m2 (Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry vol 74, p 1271). Ook hij geeft de hoop niet op en probeert de productie op te vijzelen. Dit is een stuk lastiger. Immers, rijst moet geplant worden, gewied en dergelijke, wat slecht combineert met elektroden. Wanatabe experimenteert met dunne vilten matten met grafietpoeder. Platinapoeder verdrievoudigde de stroomopbrengst, maar is gezien de kosten per gram niet echt een optie.
Minder methaan uit rijstvelden
Natte rijstvelden vormen ook een grote bron van het broeikasgas methaan. De reden: de elektronen die vrijkomen bij het afbreken van organische stof worden door andere bacteriën gebruikt om methaan te vormen. Uit experimenten blijkt dat door elektronen te onttrekken, de methaanproductie uit rijstvelden, goed voor 20% van de productie in de wereld, sterk vermindert. Een extra milieuvoordeel dus.
Kortom: wie weet kunnen we straks door onze elektriciteitscentrales wandelen en fietsen.
Bron
Power plants: grow your own elektricity, New Scientist (2012)
Plant-e website
dit is revolutionair. wat xcheikunde gecombineerd met kennis van elektro en je kunt met begeleiding aan de slag natuurlijk met wtenschappers op git gebied een mooi, GROENen sxoon systeem.