Bodem

## Inleiding

Het gebruik van grond in een PMFC is niet essentieel. Er zijn meerdere redenen te bedenken waarom het wel gebruikt kan worden. Het creëert namelijk een betere anaerobe omgeving rondom de anode, dit verhoogt de stroomopbrengst. Zuurstof kan namelijk door de bacteriën worden gebruikt als elektronenacceptor, hierdoor worden de elektronen niet opgenomen door de anode en treedt er stroomverlies op. De grond zorgt ook voor minder verdamping van het afvalwater en beter vasthouden van voedingsstoffen [1] [2]. Een goede bodem bevat genoeg voedingsstoffen en is luchtig. De plant moet gemakkelijk wortels kunnen vormen in de grond. Een groter worteloppervlak zorgt voor meer afgifte van organische stoffen van de plant, die door de bacteriën gebruikt kunnen worden [2].

Voor de bodemkeuze zijn veel opties, met elk hun voor- en nadelen. Er kan gebruik worden gemaakt van bijvoorbeeld potgrond, mest, compost of grond met een teveel aan voedingsstoffen. Het centrale doel in dit onderzoek is duurzaamheid in combinatie met de hoogst mogelijke elektriciteitsopbrengst in Nederland. Op dit moment is er in Nederland een groot overschot aan mest door de intensieve veeteelt. Een groot gedeelte wordt nog steeds uitgereden over akkers en veroorzaakt een overschot aan grondstoffen, zoals fosfaat en nitraat, in het oppervlaktewater. Dit heeft directe invloed op de biodiversiteit en uiteindelijk komen deze stoffen ook in ons drinkwater terecht. Hoewel er al vele projecten op dit moment aan de gang zijn om dit te verminderen, is het nog steeds niet onder controle [3]. De PMFC kan hierin het probleem zeker niet oplossen, maar wel een extra steentje bijdragen in het verwerken van dit overschot.

Hieronder zullen een aantal opties voor de bodem worden besproken, waarin argumenten voor en tegen gebruik van deze optie zullen worden toegelicht. Er is met name gekeken naar opties die binnen Nederland voldoende beschikbaar of realiseerbaar zijn. Daarnaast wordt ook gekeken naar opties die op dit moment al veel in gebruik zijn en wat hier de effecten van zijn.

## Gebruik van potgrond en compost

[4] Het gebruik van potgrond in de PMFC is een gemakkelijke en goede optie. Het voordeel is dat potgrond precies de voedingsstoffen bevat die de plant nodig heeft voor de groei van de eerste 6-8 weken. Het bevat de belangrijkste voedingsstoffen voor de plant, de NPK’s. Dit staat voor stikstof (N), fosfor (P) en kalium(K). Daarnaast bevat het vele micronutriënten zoals magnesium, zwavel en ijzer. Het bevat de juiste luchtigheid voor de plant om goed wortels te kunnen vormen. Dit is in een PMFC erg belangrijk, omdat een groter worteloppervlak voor meer afgifte van organische stoffen zorgt. Hierdoor kunnen de bacteriën optimaal gebruik maken van deze stoffen en wordt er meer stroom opgewekt. Potgrond is echter een product dat geproduceerd wordt en wat niet (direct) wordt hergebruikt. Het bevat stoffen als stikstof en fosfaat, waar juist in Nederland al een overschot aan is. Daarnaast is het niet erg duurzaam, omdat het grootste bestanddeel vaak veen is. Veen wordt niet duurzaam gewonnen.

              Compost is een zeer milieuvriendelijke keuze, omdat plantenresten worden hergebruikt [5]. Het bevat veel voedingsstoffen en bodembacteriën en -schimmels. Het is heel luchtig en kan het beste worden gebruikt om te mengen met de bovenste grondlaag te mengen. Het zou dus gebruikt kunnen worden in combinatie met ‘normale’ of bijvoorbeeld verrijkte grond (zie hieronder). Het bevat echter wel veel bacteriën en schimmels, waardoor de mogelijkheid bestaat dat er concurrentie ontstaat bij de anode. Compost kan erg verschillen, waardoor er telkens een analyse moet plaatsvinden voordat het gebruikt kan worden voor commercieel gebruik van de PMFC. Het risico op veel concurrentie of ‘verkeerde’ bacteriën bij de anode dient zoveel mogelijk voorkomen te worden, omdat hierdoor stroomverlies optreedt. Voor het ‘maken’ van compost is ook ruimte en met name veel tijd nodig. Afhankelijk van de methode van composteren kan dit zo’n 6 tot 12 maanden duren. Daarnaast kan bij verkeerd composteren (op het moment van rotten) broeikasgas zoals methaan ontstaan [6]. Al deze nadelen bij elkaar zal de voordelen voor het gebruik van compost in de PMFC bijna teniet doen.

## Hoagland solution

[7] Bij de huidige PMFC’s wordt er vaak gebruik gemaakt van de *Modified Hoagland solution.* Dit is een oplossing die net zoals potgrond de optimale omstandigheden voor de plant bevat. Het kan met of zonder bodem gebruikt worden. De meeste PMFC’s die gevoed worden door dit medium bevatten vaak waterplanten en hebben dus geen bodemmateriaal nodig. Het medium is bedoeld voor de optimale groei voor de plant en is niet aangepast op gebruik in de PMFC. Het bevat onder andere veel stikstof in de vorm van nitraat. Het probleem met stikstof in de PMFC is dat sommige vormen kunnen worden gebruikt als alternatieve elektronenacceptor door de bacteriën in de PMFC [8]. Hierdoor worden de elektronen niet opgenomen door de anode, maar meteen opgenomen door stoffen als nitriet (NO2) en nitraat (NO3) in de grond. Bij deze reactie wordt stikstofgas (N2) gevormd. Er worden dus geen elektronen vervoerd naar de kathode en er kan geen elektriciteit worden opgewekt. Daarnaast komt de stikstof opnieuw in de natuur terecht in de vorm van gas. Hoewel het dus goed voor de plant is, zal het de elektriciteitsopbrengst negatief beïnvloeden of zelfs helemaal blokkeren. Daarnaast bevat het ook veel sulfaten, die ook op bovenstaande manier gebruikt kunnen worden als elektronenacceptor. Sulfaat kan echter in tegenstelling tot nitriet en nitraat ook weer elektronen afgeven. Het lijkt geen effect te hebben op de elektriciteitsopbrengst om sulfaten vooraf te verwijderen uit het medium. Het gebruik van ammoniumbicarbonaat in plaats van nitraat geeft een verhoging van 250% in de stroomdichtheid en 400% in vermogensdichtheid [7]. Met deze aanpassing bij de productie van de oplossing zal dus veel meer stroom kunnen worden opgewekt.

Per liter

*Tabel 1: Samenstelling van Modified Hoagland solution, hier aangegeven: stikstof (N), fosfor (P), kalium (K). Deze samenstelling kan worden gebruikt als indicatie om te bepalen hoeveel van de stoffen aanwezig moet zijn in de PMFC, met name voor de plant. [14]*

              Het gebruik van de *Hoagland solution* brengt vele nadelige effecten met zich mee. Ten eerste moet het geproduceerd worden. Net zoals bij de potgrond worden hier dus ook stoffen gebruikt, die al in overvloed zijn binnen Nederland. Ten tweede is het nitraat in het medium is slecht voor de energieproductie, hiervoor kan wel ammoniumbicarbonaat als vervanging worden gebruikt. Ten derde is dit een oplossing die telkens moet worden bijgevuld, zodat de PMFC voldoende water tot zijn beschikking heeft. Dit betekent dat er veel van dit medium wordt verbruikt en dat er dus ook veel moet worden geproduceerd. Het gebruik van de *Hoagland solution* lijkt dus ook geen duurzame optie. Voor het gebruik van het ontwerp van onze PMFC zullen wij dan ook gebruik gaan maken van afvalwater. Het afvalwater in Nederland bevat ook veel NPK’s die door de overbemesting in het oppervlaktewater terechtkomen. Deze NPK’s zullen dus ook bruikbaar zijn voor de plant en hier is geen medium voor nodig die wordt geproduceerd, zoals de *Hoagland solution.*

## Gebruik van mest of met stikstof verrijkte grond

In Nederland is er nu veel gaande over de stikstofproblematiek. Kort gezegd wordt er teveel stikstof uitgestoten door onder andere intensieve landbouw, constructie en verkeer [9]. De emissie van stikstof gebeurt in de vorm van stikstofoxiden (NOx) en ammoniak (NH3) die vrijkomen in de lucht. Deze stoffen kunnen via neerslag weer terecht komen in de bodem, maar planten of de bodem kunnen stikstof ook rechtstreeks uit de lucht opnemen. Dit heet ook wel natte en droge depositie. Het zorgt voor verrijking van voedingsstoffen in de grond. Hoewel dit positief klinkt, betekent het dat (zeldzame) planten die goed groeien op een voedselarme grond juist verdwijnen. Een voorbeeld hiervan is het verdringen van orchideeën door brandnetels. Zoals veel biologische processen heeft dit weer een effect op de rest van de voedselketen én dus ook op de biodiversiteit. Het Rijk heeft door de intensieve landbouw regels gesteld aan het maximum aan dierlijke mest wat uitgereden mag worden over landbouwgrond. Er wordt een maximum gesteld aan kilogrammen stikstof, maar ook aan kilogrammen fosfaat per hectare grond [10]. Het fosfaatprobleem is minder bekend, maar ook het teveel aan fosfaten leidt tot problemen van verrijking van de grond.

Het OESO heeft het stikstofoverschot naar de bodem in verschillende Europese landen gemeten in het jaar 2015. Hier is duidelijk te zien dat Nederland hier met kop en schouders bovenuit steekt: er komt 189 kilogram stikstof per hectare in de grond terecht [11].

De intensieve veeteelt en landbouw is verantwoordelijk voor het grootste gedeelte van deze stikstofuitstoot. Dit is ook in onderstaande grafiek te zien. Hoewel Nederland over de afgelopen decennia haar stikstofuitstoot al drastisch heeft verminderd, is het nog steeds een van de landen waar de grootste hoeveelheid stikstof in de bodem terecht komt.

Het Planbureau voor de Leefomgeving stelde in 2016 dat met het toen geldende mestbeleid de doelstellingen voor de waterkwaliteit in 2027 niet zouden worden gehaald. De grootste speler hierin was de landbouw. In hun meting werd het fosfaatgehalte op de helft van de meetlocaties overschreden, gemiddeld werd deze concentratie 2x overschreden. Zij hebben gesteld dat de fosfaatbelasting uit de landbouw met 40% moet verminderen en de stikstofbelasting met 20% [3]. Het meest opmerkelijke is dat er nog steeds stikstof en fosfaat wordt geïmporteerd voor het gebruik van kunstmest en met name veevoer, terwijl er al jaren een overschot is aan deze stoffen in de grond en het oppervlaktewater. In onderstaande grafiek wordt dit probleem overzichtelijk weergegeven. Het gaat hier over de fosfaatinvoer en -afvoer in miljoen kilogram fosfaat per jaar in het jaar 2010. Het allerbeste zou het verlagen van onze veestapel in Nederland zijn. Dit is een discussie die volop gevoerd wordt en waar hier niet verder op in wordt gegaan. De PMFC kan een (kleine) rol spelen door gebruik te maken van de mest die wordt afgevoerd naar landbouwgrond of wordt geëxporteerd.

Door gebruik te maken van mest of verrijkte grond kunnen de voedingsstoffen worden hergebruikt en komen deze niet in de natuur terecht. De mest en grond wordt in een afgesloten bak geplaatst, waardoor de stoffen niet in het grondwater terecht komen. Een plant die goed kan groeien op deze voedingsstoffen, kan een goede bijdrage leveren aan een PMFC. De zuurgraad (pH) van vaste dierlijke mest zit rond de 7-8, dit is vrij neutraal en komt ten goede voor de meeste bacteriën [12]. Drijfmest (mengsel van vaste en vloeibare mest) is doorgaans wat zuurder. Afhankelijk van welke soorten bacteriën het meeste aanwezig zijn, kan hier gekeken worden welke vorm van dierlijke mest het meest optimale is voor de PMFC.

Ondanks de nadelen van stroomverlies door onder andere stikstof uit de mest, kan er toch voor gekozen worden om gebruik te maken van mest of verrijkte grond. Er wordt dan op een duurzame manier gebruik gemaakt van bouwmaterialen voor de PMFC en een positieve bijdrage geleverd aan de stikstof- en fosfaatproblematiek. Het is zeker een optie om de plant te laten groeien in mest of verrijkte grond, of een mengsel hiervan. De plant zou dan geplant kunnen worden en de voedingsstoffen zouden kunnen worden gebruikt voor de eerste groeifase van de plant. Wanneer de plant het grootste deel van de stikstof eenmaal heeft opgenomen, zou de PMFC geïnstalleerd kunnen worden. Het meest ideale is om te streven naar een continu systeem en om de PMFC direct aan te sluiten na dat deze is opgezet. Echter zal dan het aanwezige nitraat worden omgezet in stikstofgas, wat opnieuw weer in de atmosfeer terecht komt. Dit is wat juist voorkomen moet worden en om deze reden wordt er nog geen elektriciteit opgewekt in de eerste fase.

Hieronder wordt de samenstelling weergegeven van varkensmest in ruwe vorm en als drijfmest. Deze samenstelling kan samen met de samenstelling van afvalwater als indicatie worden gebruikt om te berekenen wat de optimale samenstelling wordt van de PMFC. Hierbij wordt de samenstelling *Hoagland solution* als voorbeeld genomen. Er moet dan wel vanuit worden gegaan dat de concentratie stikstof te hoog zal zijn en dit tot stroomverlies zal leiden. Aanpassingen zullen dus mogelijk nodig zijn. De mineralen stikstof en fosfor en de zuurgraad zijn hiervoor al besproken. Kalium is een mineraal die ook veel door planten wordt gebruikt. Ammonium kan naast nitraat ook door de planten worden opgenomen. Door de mest te mengen met verrijkte grond, kunnen deze concentraties verlaagd worden.

 Varkensdrijfmest
 Ruwe varkensmest

Per KG mest

*Tabel 2: Indicatie van de samenstelling van varkensmest in de vorm van drijfmest en ruwe mest in gram per kilogram mest. Samenstellingen kunnen onderling sterk verschillen, er zijn hier gemiddeldes genomen van steekproeven. Hier aangegeven: stikstof (N), fosfor (P), kalium (K), ammonium (NH4+) en zuurgraad (pH). Ammoniumgehalte en de zuurgraad was niet bekend bij drijfmest. [12] [13]*

Het gebruik van (een mengsel van) mest en verrijkte grond is een goede oplossing omdat er enerzijds geen ‘nieuw’ materiaal in de vorm van bijvoorbeeld potgrond gebruikt hoeft te worden. Het kan in tegenstelling tot compost meteen verwerkt worden in de PMFC. Daarbij bevatten potgrond en compost ook stikstof en zal zich (in mindere mate) hetzelfde probleem voordoen. Anderzijds is het een manier om het teveel aan mest, stikstof en fosfaat in Nederland op een goede manier te hergebruiken.