Flüssiges Gold: Prototyp erntet wertvolle Ressource aus Urin
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Ein neu entwickeltes System verwandelt menschliche Abfälle in ein leistungsfähiges Instrument für rentable und nachhaltige Energie und Landwirtschaft in ressourcenbeschränkten Regionen. Der Prototyp, der in einer von Stanford geleiteten Studie beschrieben wurde, gewinnt aus Urin einen wertvollen Dünger zurück und nutzt dabei Solarenergie, die auch für andere Zwecke genutzt werden kann. Dabei sorgt das System für eine grundlegende Hygiene und macht das Abwasser sicherer für die Einleitung oder Wiederverwendung zur Bewässerung.
"Bei diesem Projekt geht es darum, ein Abfallproblem in eine Ressource zu verwandeln", sagte der Hauptautor der Studie, William Tarpeh, Assistenzprofessor für Chemieingenieurwesen an der Stanford School of Engineering. "Mit diesem System fangen wir Nährstoffe auf, die andernfalls weggespült würden oder der Umwelt schaden würden, und verwandeln sie in etwas Wertvolles - Dünger für Nutzpflanzen - und das ohne Zugang zu einem Stromnetz.
Stickstoff ist ein wichtiger Bestandteil von Handelsdüngern. Traditionell wird er in einem kohlenstoffintensiven Verfahren hergestellt und weltweit von großen Industrieanlagen verteilt, von denen sich viele in wohlhabenderen Ländern befinden, was zu höheren Preisen in Ländern mit niedrigem und mittlerem Einkommen führt. Weltweit entspricht der Stickstoff im menschlichen Urin etwa 14 % des jährlichen Düngerbedarfs.
Der Prototyp trennt Ammoniak - eine chemische Verbindung aus Stickstoff und Wasserstoff - aus dem Urin durch eine Reihe von Kammern, die durch Membranen voneinander getrennt sind, und nutzt solar erzeugten Strom, um Ionen durch die Kammern zu treiben und Ammoniak schließlich als Ammoniumsulfat, ein gängiges Düngemittel, einzufangen. Die Erwärmung des Systems - unter Verwendung von Abwärme, die von der Rückseite der Photovoltaik-Solarpaneele über eine angebrachte Kupferrohr-Kühlplatte gesammelt wird - trägt zur Beschleunigung des Prozesses bei, indem die Produktion von Ammoniakgas, dem letzten Schritt im Trennungsprozess, gefördert wird. Solarmodule produzieren außerdem bei niedrigeren Temperaturen mehr Strom, so dass die Abwärme dazu beiträgt, sie kühl und effizient zu halten.
"Jeder Mensch produziert in seinem Urin genug Stickstoff, um einen Garten zu düngen, aber ein Großteil der Welt ist stattdessen auf teure importierte Düngemittel angewiesen", sagte Orisa Coombs, die Hauptautorin der Studie und Doktorandin im Fachbereich Maschinenbau. "Man braucht keine riesige Chemiefabrik oder gar eine Steckdose. Bei ausreichender Sonneneinstrahlung kann man Dünger genau dort produzieren, wo er gebraucht wird, und möglicherweise sogar überschüssigen Strom speichern oder verkaufen."
Die Studie zeigt, dass die Einbindung der von den Sonnenkollektoren erzeugten Wärme zur Erwärmung der im elektrochemischen Prozess verwendeten Flüssigkeit und zur Steuerung des dem elektrochemischen System zugeführten Stroms die Stromerzeugung um fast 60 % erhöht und die Effizienz der Ammoniakrückgewinnung um mehr als 20 % verbessert hat, verglichen mit früheren Prototypen, die diese Funktionen nicht integriert hatten. Die Nutzung dieser Abwärme ist besonders vielversprechend, da sie in großen Mengen anfällt: Etwa 80 % der Sonnenenergie, die auf die Solarzellen trifft, geht verloren, was andernfalls zu einer Überhitzung des Systems und zu Effizienzeinbußen führen könnte.
Die Forscher haben auch ein detailliertes Modell entwickelt, um vorherzusagen, wie sich Veränderungen der Sonneneinstrahlung, der Temperatur und der elektrischen Konfiguration auf die Systemleistung und die Wirtschaftlichkeit auswirken. Das Modell zeigte, dass das System in Regionen wie Uganda, wo Düngemittel teuer und die Energieinfrastruktur begrenzt ist, bis zu 4,13 US-Dollar pro Kilogramm zurückgewonnenen Stickstoffs einbringen könnte - mehr als das Doppelte des potenziellen Ertrags in den USA.
Die Forscher sind der Meinung, dass das Konzept skalierbar ist und Landwirten und Gemeinden auf der ganzen Welt helfen könnte. Die Erkenntnisse über die Integration der Abwärme von Solarmodulen könnten auch auf Industrieanlagen wie Kläranlagen angewandt werden, die in der Lage sind, die bei der Stromerzeugung entstehende Wärme zu nutzen, um eine Reihe von Anwendungen zu betreiben.
Coombs arbeitet an einem Prototyp, der die dreifache Reaktorkapazität hat, wesentlich mehr Urin verarbeiten kann und schneller arbeitet, wenn mehr Sonnenlicht zur Verfügung steht.
Neben der Möglichkeit, ein wertvolles Produkt zu gewinnen und Energie zu erzeugen, verspricht dieser Ansatz auch eine wirksame Abwasserreinigung. Mehr als 80 % der Abwässer werden nicht gereinigt - ein Großteil davon in Ländern mit niedrigem und mittlerem Einkommen, so die UN. Stickstoff im Abwasser kann das Grundwasser und die Trinkwasserquellen verunreinigen und sauerstoffzehrende Algenblüten verursachen, die Wasserpflanzen und -tiere abtöten. Durch die Entfernung von Stickstoff aus dem Urin macht das Prototypsystem die verbleibende Flüssigkeit sicherer für die Einleitung oder Wiederverwendung zur Bewässerung. Die Möglichkeit, dies mit einem selbstbetriebenen System zu tun, könnte in vielen Ländern, in denen nur ein kleiner Prozentsatz der Bevölkerung an zentrale Abwassersysteme angeschlossen ist, eine entscheidende Rolle spielen.
"Wir denken oft an Wasser, Lebensmittel und Energie als völlig getrennte Systeme, aber dies ist einer der seltenen Fälle, in denen technische Innovationen dazu beitragen können, mehrere Probleme auf einmal zu lösen", so Coombs. "Sie ist sauber, skalierbar und wird buchstäblich von der Sonne gespeist.
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Originalveröffentlichung
"Prototyping and Modeling a Photovoltaic/Thermal Electrochemical Stripping System for Distributed Urine Nitrogen Recovery"; Nature Water 2025.
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