Blauwdruk

## Inleiding

PMFC’s worden in de praktijk nog niet veel gebruikt omdat ze nog niet erg duurzaam zijn. De energieopbrengst is namelijk, in vergelijking met andere duurzame stroombronnen, nog te laag in verhouding met het oppervlakte wat de PMFC inneemt. En de materialen die gebruikt worden voor de PMFC zijn vaak niet duurzaam. Door te kijken naar de bouw, materialen en locatie van de PMFC kan de PMFC worden verduurzaamd en kan energieopbrengst verhoogd worden. Zo wordt de PMFC een betere en toegankelijkere optie voor duurzame energieproductie.

## Locatie

Doordat PMFC’s veel ruimte in beslag nemen zijn ze nog niet efficiënt te gebruiken. Nederland is een klein land en PMFC’s vormen dus al gauw concurrentie met de landbouw, nieuwbouw of natuurgebieden. Door het plaatsen van een PMFC komt de voedselproductie dus mogelijk in gevaar [1]. Om dit probleem te voorkomen moet er dus slim omgegaan worden met de locatie van de PMFC.

Door PMFC’s te combineren met de voedselproductie kan concurrentie omzeild worden. Één van de eisen van een PMFC dat de plant een stukje onder water moet staan. In de Nederlandse landbouw wordt er wel eens grond onderwater gezet als bestrijding van ziekten, plagen en onkruiden. Maar in die periode kunnen er geen gewassen worden verbouwd omdat deze hier niet tegen kunnen [2]. Rijstplanten kunnen hier echter wel tegen, en zijn daarom dus uitermate geschikt voor de PMFC. Uit onderzoek is zelfs gebleken dat de rijstproductie omhoog gaat wanneer er PMFC’s in het rijstveld worden geintergreerd. [3] Voor rijstvelden is het gebruikelijk dat ze onder water staan. Dit wordt gedaan om de groei van onkruid te voorkomen. Het gebruik van onkruidverdelgingsmiddelen blijft zo buiten beeld en personeelskosten worden bespaard. Bovendien kunnen in de rijstvelden tegelijkertijd vissen worden gekweekt. De vissen zijn een extra inkomstenbron maar dragen ook bij aan het bestrijden van insecten, wat de rijstopbrengst weer verhoogt [4]. Tevens kunnen rijstvelden een oplossing zijn voor de droogte in Nederland. Door klimaatverandering valt er in de lente en zomer minder regen dan gemiddeld en verdampt het water ook weer sneller. Hierdoor daalt het grondwaterpeil drastisch, en komen sloten en beken droog te liggen. De landbouw lijdt misschien wel het meeste onder deze droogte. Boeren maken namelijk gebruik van grondwater om hun gewassen te bewateren. Om dit probleem op te lossen moet dus een nieuwe vorm van landbouw komen, waarin water beter gefixeerd wordt, om zo ’s zomers niet in problemen te komen met de voedselverbouwing. Het idee is om water wat in de winter en herfst wel beschikbaar op te slaan in rijstvelden. Hierdoor wordt de regen die in de winter en herfst valt dus vastgehouden in plaats van dat het verloren gaat, en is er ’s zomers dus meer water beschikbaar [5]. Ondanks het plaatsen van rijstvelden in Nederland een goed idee lijken, is dit het misschien niet. Rijstvelden zijn namelijk verre van duurzaam. Ze zijn namelijk één van de grootste bronnen van de uitstoot van methaan (CH4). Methaan is een broeikasgas wat 100 keer sterker is dan koolstofdioxide (CO2). Het terugdringen van methaanemissies is zowel in Nederland als wereldwijd een zeer moeilijke maar belangrijke opgave [6] . Toch moeten we de optie van rijstvelden in Nederland niet helemaal vergeten. PMFC’s kunnen namelijk een bijdrage leveren aan de vermindering van methaanuitstoot afkomstig van rijstvelden. Echter zijn de onderzoeken hier naar nog in een vroeg stadium. Er moeten nog veel kwesties onderzocht worden, waaronder de haalbaarheid van de grootschalige toepassing in echte rijstvelden [7]. De toepassing van PMFC’s in combinatie met rijstvelden in Nederland is op korte termijn waarschijnlijk nog niet te realiseren. Maar na onderzoek naar de rol van de PMFC in methaanreductie is het in de toekomst misschien toch een optie.

Een andere optie om concurrentie tegen te gaan is de PMFC plaatsen op plekken die gewoonlijk niet gebruikt worden, bijvoorbeeld op daken [8]. Door de hogere ligging kan de plant optimaal gebruik maken van de zon, en in de winter zal het water iets minder snel bevriezen. Door PMFC’s te plaatsen op daken wordt een groendak gecreëerd worden. Groendaken hebben zowel economisch als ecologisch gezien vele voordelen. Eén van deze voordelen is extra isolatie van het pand. Dit geldt voor zowel warmte als geluid. Hierdoor worden kosten en energie bespaart. Groendaken hebben niet alleen een positief effect op de binnentemperatuur, maar ook op de omgevingstemperatuur. In grote steden is er sprake van het zogeheten Urban Heat Island Effect (hitte eilandeffect vertaald naar het Nederlands). Wanneer groendaken op grote schaal worden ingezet zal de temperatuur in stad aanzienlijk dalen. Doordat groendaken uit planten bestaan dragen ze, in tegenstelling tot bijvoorbeeld zonnepanelen, ook bij aan de opname van koolstofdioxide (CO2) uit de atmosfeer en bevorderen ze de biodiversiteit. Tevens draagt een groendak ook bij aan de waterretentie waardoor het grondwaterpeil stabieler blijft, wat weer een positieve bijdrage levert aan de droogte in Nederland. Een nadeel PMFC’s op een dak plaatsen is dat het dak mogelijk versterkt moet worden, doordat er veel meer gewicht op wordt uitgeoefend door het water, de grond en de planten. Dit is echter wel een eenmalige aanpassing, en door het plaatsen van een groendak door wordt de levensduur van het dak met tientallen jaren verlengt [9]. Het idee van het plaatsen van een PMFC op een dak is dus een zeer goede optie, waarbij de voordelen van groendaken en het opwekken van elektriciteit worden gecombineerd.

## Kathode

De vrijgekomen elektronen stromen van de anode, via een extern circuit waar de elektriciteit wordt gewonnen, naar de kathode. Bij de kathode reduceren de elektronen zuurstof tot water. Het probleem met kathodes is dat de zuurstofreductie aan de kathode erg traag is, waardoor de stroom en het vermogen van de PMFC worden beperkt.

Tot op heden worden in PMFC’s vaak niet-duurzame chemische kathodes gebruikt. Dit omdat er bij de duurzame kathodes een katalysator nodig hebben om bruikbaar te zijn. Door een katalysator toe te voegen worden de spanningsverliezen aan de kathode verlaagt. De meeste chemische katalysatoren zijn duur en verbieden hierdoor het commerciële gebruik van de PMFC [10]. Eén van deze katalysatoren is platina, maar de hoge kosten en de mogelijke vergiftigingsverbindingen in de oplossing maken platina ongewenst om in de PMFC te worden toegepast. De reductie van zuurstof kan ook worden gekatalyseerd met gemengde kweek micro-organismen. Dit heet een biokathode. Micro-organismen zijn goedkoop, vullen zichzelf aan en kunnen worden gebruikt in combinatie met de grafietelektroden. Micro-organismen zijn zo goed in staat om de reactie te katalyseren dat het kathodepotentiaal bij een biokathode zelfs hoger is dan bij een chemische kathode [11].

De interne weerstand is een combinatie van anodeweerstand en membraanweerstand. Om het uitgangsvermogen van de PMFC te verhogen, moet de interne weerstand worden verlaagd. Een hoge membraanweerstand ontstaat door ophoping van kationen bij de kathode, dit komt voort uit de trage zuurstofreductie. Het is dus van groot belang dat deze ophoping zo veel mogelijk wordt voorkomen. Dit kan worden gedaan door aan beide kanten van de anode een kathode te maken. Dit heet een bikathode (afbeelding 1 en 2). De plant wordt hier in het anode compartiment te geplaatst. Kationen diffunderen terug naar de anode wanneer de kathode niet wordt gebruikt. Door tussen de twee kathodes te schakelen wordt de transportrichting van de kationen steeds weer veranderd wat ophoping voorkomt [12].

Een ander veel voorkomend probleem is dat er vaak toch nog zuurstof door de kathode naar de anode kan diffunderen. Dit resulteert in interne stromen en vermogensverliezen. Om de zuurstof diffusie te minimaliseren moeten er aanpassingen aan de PMFC worden verricht. Door de kathode dikker te maken is het voor de zuurstofmoleculen moeilijker om langs de kathode te komen. Ook is het een mogelijkheid om de zuurstofconcentratie rond de kathode te verlagen [13]

## Anode

De anode is vaak het limiterende factor voor een hoog vermogen [14]. Het materiaal en de structuur van de anode hebben directe invloed op de hechting van de bacteriën, de elektronen overdracht en de substraat oxidatie [15].

Ondanks dat het duur is wordt er tot op heden wordt er vaak gekozen voor een koolstof materiaal voor de PMFC. Dit kan ook in de vorm van grafiet zijn. Dit is namelijk dezelfde stof maar dan in een andere toestand. Het wordt vaak gekozen vanwege de stabiliteit in een microbieel entmateriaal mengsel, hoge geleidbaarheid en een hoog specifiek oppervlak. Ook kan koolstofmateriaal voor zowel de anode en de kathode gebruikt worden. Koolstof materialen komen een veel vormen voor, er zijn bijvoorbeeld koolstof viltmatten, -korrels en -papier. Er zijn echter wel verschillen in energieopbrengst tussen deze vormen. Zo vertoont grafietvilt op basis van de massa elektrodemateriaal een 15 keer hogere vermogensoutput dan grafietkorrels. Op basis van volume presteert het grafietvilt zelfs nog beter en vertoont het een 69 keer hogere output. Hierdoor wordt de hoeveelheid benodigd materiaal verminderd terwijl de energieopbrengst per membraanoppervlak binnen hetzelfde bereik blijft [16]. Een andere eigenschap van koolstof is dat het een absorberende werking heeft. Het filtert onder andere een aantal oplosbare organische stoffen, evenals enkele anorganische verbindingen en zware metalen [17] . De filtering van zware metalen is voordelig voor de plant, maar de organische stoffen zijn weer onvoordelig voor de energieopbrengst. Modificatie van koolstofmaterialen is de belangrijkste benadering om hun prestaties te verbeteren. Ammoniumbehandeling van de anode verhoogt de oppervlaktelading van koolstofstofelektroden en verbetert zo de PMFC-prestaties. De toename van de vermogensdichtheid resulteert zowel in een verbeterde bacteriële hechting als in de verbeterde prestaties van het systeem bij hogere stroomdichtheden [14]. Ondanks dat koolstof heel geschikt is voor een PMFC, is het materiaal niet optimaal. De productie en winning van koolstof is namelijk slecht voor het milieu. Er is dus een grote behoefte aan het ontwikkelen van een nieuw type anodemateriaal voor PMFC dat voordeliger is dan gewone koolstofmatten, -korrels en -papier [18]. Biochars op houtbasis zijn wellicht een betere optie. Dit heeft vergelijkbare prestaties met actieve kool en grafietkorrel, maar is wel duurzaam. Het kan namelijk gewonnen worden uit afval, en dit verminderd ook de energie- en CO2-voetafdruk die gepaard gaat met de productie van anodes en de verwijdering ervan zou extra agronomische voordelen kunnen opleveren. Een ander groot voordeel is dat biochars veel goedkoper is dan andere materialen. In vergelijking met actieve kool en grafietkorrels wel 90% [19].

De plaatsing van de anode is ook van groot belang. Elektriciteitsproductie is gelinkt aan wortelgroei. Het grootste deel van de wortels zit dicht bij het oppervlakte, het is dus gunstig dat de anode vrij hoog in de PMFC zit. De vorm van de anode kan ook bijdragen aan verhoogde energieopbrengst. Door de anode bijvoorbeeld in een spiraal vorm te maken rijkt deze langs de gehele lengte van de wortels (afbeelding 3), hierdoor kunnen de elektronen snel en makkelijk opgevangen worden. Ook kan de stroomdichtheid verhoogd worden door een grotere anode te gebruiken. Hoe groter de anode hoe meer oppervlak er is waar de elektronen opgevangen kunnen worden [18].

## Opzet

        Om het vermogen van de PMFC te vergroten, moeten de interne weerstanden worden verlaagd. Bij een flat-plate opstelling is de afstand tussen anode en membraan is kleiner dan bij de tubular opstelling (afbeelding 4), waardoor de interne weerstanden worden geminimaliseerd. Met het ontwerp van de flat-plate werden de stroom en de vermogensdichtheid per geometrisch plantoppervlak verhoogd, evenals stroom en vermogen per volume. Interne weerstanden maal het volume waren verlaagd, hoewel interne weerstanden maal het membraanoppervlak niet waren. Omdat het membraan in de flat-plate opstelling verticaal is geplaatst, wordt het membraanoppervlak per geometrisch plantgebied vergroot, wat zorgt voor lagere interne weerstanden maal volume zonder de interne weerstanden maal membraanoppervlakte te verminderen. De totale interne weerstand van de flat-plate PMFC is op zijn best vergelijkbaar met de totale interne weerstand van de tubular PMFC,  alleen verschillend verdeeld [14].
Er zijn meerdere vormen van een tubular ontwerp. Zo zijn er ontwerpen waar de kathode zich aan de onderkant bevindt (afbeelding 4). [14]. Maar ook ontwerpen met de anode aan de buitenkant direct tussen de plantenwortels en een kathode in de buis (afbeelding 5 en 6). Omdat de kathode in contact moet zijn met zuurstof om te kunnen functioneren, zit er een gat in de buis. Dit gat is aan elke zijde weer verbonden met twee holle buizen die boven de grond uit steken. Hierdoor staat de kathode in contact staat met de buitenlucht. Zuurstof wordt zo passief toegevoerd aan de kathode, waardoor energie-intensief pompen van zuurstof niet meer nodig is. Door de buis meterslang te verlengen wordt het vermogen van een enkele buis vergroot [13]. Een ander groot voordeel van deze opzet is dat de PMFC heel makkelijk in de grond kan worden gegraven. Zo wordt het een stukje wat bij de natuur hoort. [3]

## Membraan

Een membraan is een dunne filmachtige structuur die werkt als een selectieve barrière tussen twee fasen en die ondoordringbaar is voor specifieke deeltjes, moleculen of stoffen [20].

Wanneer de anode en de kathode elkaar aanraken ontstaat er kortsluiting. De belangrijkste functie van het membraan is dan ook het fysiek scheiden van de anode en de kathode, met een minimale afstand tussen de elektroden. In PMFC’s wordt vaak gekozen voor een ultrafiltratiemembraan, deze zijn echter erg duur. Om de PMFC toegankelijker te maken moet er dus op zoek worden gegaan voor een goedkoper alternatief. Deze afstandhouder moet bij voorkeur klein zijn (om de ionische en transportverliezen te minimaliseren), goedkoop, niet elektrisch geleidend, ionengeleidend en moet de wortels blokkeren en wortels en rhizodepositie in de kathode en de daarmee samenhangende interne verliezen vermijden. Een mogelijke vervanging van het membraan is voor toepassing waterdoorlatend (geweven) landschapsweefsel aangezien het voldoet aan de gestelde eisen. Elk ander niet-geweven plastic kan ook worden gebruikt, bijvoorbeeld plastic vellen met gaten [13].