Wasserstofferzeugung mit Urin

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Gröhlo
Beiträge: 13
Registriert: Sa 12. Mai 2012, 07:10

Wasserstofferzeugung mit Urin

Beitrag von Gröhlo »

Laut einigen Presseberichten der letzten Monate, soll sich Wasserstoff aus Urin effizienter abspalten lassen als aus Wasser.

Wäre dies z.B. interessant für Greenpeace-Energy, die derzeit damit beginnen Wasserstoff aus Sonnenenergie zu gewinnen, um Gas/Strom für sonnen- und windlose Zeiten zu haben ?

Ich vermute, daß auch bei der Nutzung von Urin, durch die verschiedenen Umwandlungsprozesse Energie verloren geht:

Strom+Urin
--> Wasserstoff + ?? (durch Elektrolyse)
--> Verbrennungs-Motor
--> Stromgenerator
--> Strom.

Aber evtl. weniger als mit Wasser als Ausgangsbasis. Dieser Verlust ist akzeptabel, weil man dadurch die Möglichkeit bekommt Energie zu lagern und in konzentrierter Form zu transportieren.

Meine Frage an Chemiker: Welche Abfallprodukte entstehen bei dem Prozeß ?
und wie hoch ist der Energieverlust bei der Erzeugung von Wasserstoff ?

Meine wichtigste Frage an Biologen: Sind die entstehenden Abfallprodukte ähnlich wie Urin noch sinnvoll in der Landwirtschaft einsetzbar ?

Evtl. könnte diese Technologie helfen, mehr Haushalte auf EM-Komposttoiletten mit Urinabtrennung umzustellen und somit auch Terra-Preta zum Durchbruch verhelfen.

Bin für Antworten, Einschätzungen und Links zum Thema dankbar.


Ein paar Links zum Thema:
http://www.newscientist.de/inhalt/tueft ... 65879.html
Video - 50€ Experiment in Nigeria:
http://www.welt.de/vermischtes/weltgesc ... rator.html
Video - Windgas:
http://www.greenpeace-energy.de/windgas ... ndgas.html
Jonas Léchot
Beiträge: 44
Registriert: Do 10. Jan 2013, 17:15

Re: Wasserstofferzeugung mit Urin

Beitrag von Jonas Léchot »

Hallo Gröhlo,

der Wasserstoff der dabei gewonnen wird stammt aus dem Harnstoff (H2N-CO-NH2) da dieser energiereicher ist und weniger Energie zur Elektrolyse erfordert als derjenige im H2O. Allerdings ist nach der Elektrolyse auch der Stickstoff als Pflanzennährelement weg, also "elektrisch" denitrifiziert. Denitrifikation ist das was sich unsere teuren Klärwerke Tag für Tag leisten und das Haber-Bosch-Verfahren somit unabdingbar machen. Es wäre halb so schlimm wenn wenigstens die nicht-flüchtigen Nährstoffe (alles ausser N und Sulfat das meistens durch anaerobe Respiration in H2S umgewandelt wird) wiederverwertet würden, diese landen allerdings in einer Deponie und nicht im Boden. Da biologische Stickstofffixierung extrem teuer ist (16 ATP + 8 Ferredoxin + 8 H+ pro N2 Molekül) und das Haber-Bosch-Verfahren noch viel energieaufwändiger ist, ist es totalen Blödsinn den Stickstoff zu denitrifizieren. Übrigens ist die Energieausbeute der Denitrifizierung äusserst gering, nur 4 H+ können über die Membran gepumpt werden was im besten Fall also 1.5 ATP pro NH4+ über die ATP-Synthase hergibt. Die Synthese eines NH4+ kostet 8 ATP, 4 Ferredoxin und 4 H+...
Die Energieersparnis bei der Elektrolyse durch Harnstoff als H-Quelle dürfte wohl etwa dieselbe Bilanz wie die biologische Denitrifikation ausweisen, also höchst ineffizient. Der Grund dafür liegt in der Trägheit des Luftstickstoffs, der eine hohe Aktivierungsenergie zur Fixierung erfordert. Diese Aktivierungsenergie kriegt man bei der Denitrifikation allerdings nicht zurück, sondern im besten Fall die Reaktionsenergie von N2 zu NH4+.
Das Problem vom Harnstoff ist die hohe Affinität zur Urease, ein Enzym das die meisten Bakterien produzieren können. Urease spaltet Harnstoff in 2 NH3 (kein NH4+!) und 1 CO2, allesamt gasförmige Substanzen. Es gilt deshalb den Harnstoff möglichst verlustfrei wieder für die Biomasseproduktion einzusetzen. Dies kann durch genau abgestimmtes Beimischen ins Giesswasser für Pflanzen erfolgen. Wichtig dabei ist dass man im Boden stets ein ausgewogenes C/N Verhältnis aufrecht erhält. Dabei spielt vor allem der leicht verfügbare Kohlenstoff (Wurzelausscheidungen) eine wichtige Rolle. Die Menge der Wurzelausscheidungen und die Fähigkeit der Pflanzen Harnstoff aufzunehmen (via Harnstoff-Membrantransporter) hängt stark von der Wurzelmasse/-oberfläche und Blattfläche ab. Wenn Urin sorgfältig dosiert gegossen wird kann quasi sämtlicher Harnstoff in Biomasse überführt werden. Eine andere Methode, die ich am entwickeln bin ist besonders wichtig für die Konservierung von Urin in Phasen wo die Pflanzen nicht oder wenig wachsen können. Dabei wird das Photosynthesebakterium Rhodopseudomonas palustris (aus dem EM®) für die anaerobe Photofermentation von holzigem Material und Urin verwendet. Das Bakterium kann das aus der Lichtenergie gewonnene ATP zum Abbau von Lignin (eventuell auch andere Substanzen) verwenden um den Kohlenstoff daraus zu verwenden. Harnstoff dient als Stickstoff-(und Kohlenstoff)quelle und all die anderen Nährelemente brauchts natürlich auch. Herausfinden muss ich noch, wieviel holziges Material von welcher Art (Spelzen, Sägespäne etc.) für eine Bestimmte Menge Harnstoff gebraucht wird, und wie fein vermahlen das holzige Material sein muss um genügend Angriffsoberfläche zu bieten.
Oft hört man dass der relativ hohe Gehalt an NaCl im Urin Pflanzen schaden könne. Ich denke allerdings dass dieses NaCl gerade für Bodenlebewesen (Tiere, Bakterien, Pilze, Archaea, Protozoen) essentiell ist. Vermutlich ist jedoch all zu viel Chips und co. essen nicht gerade das beste, aber ein wenig NaCl für den Boden ist wahrscheinlich sogar gut für die Fruchtbarkeit.

beste Grüsse,

Jonas
Gröhlo
Beiträge: 13
Registriert: Sa 12. Mai 2012, 07:10

Re: Wasserstofferzeugung mit Urin

Beitrag von Gröhlo »

Hallo Jonas, vielen Dank für Ihre Antwort.

Weil darin ein paar Fachbegriffe benutzt werden, möchte ich es hier noch mal kurz mit meinen Worten wiedergeben.

Wenn ich Sie Recht verstehe, spart man bei der Elektrolyse mit Urin als Esatz für Wasser nur geringfügig Energie. Dabei zerstört man aber den Stickstoff im Urin, der für die Fruchtbarkeit des Ackers in der Landwirtschaft dringend erforderlich ist.

Der zur Herstellung des Stickstoff-Düngers benötigte Energieaufwand übersteigt die zuvor gemachten Einsparungen um ein vielfaches.

Deshalb sollte Urin am besten direkt als Stickstofflieferant in der Landwirtschaft eingesetzt werden. Dies ist dann das einfachere Verfahren, aus Urin Strom "herzustellen", d.h. die Energie, die sonst bei der Kunstdüngerproduktion benötigt wird, kann für andere Sachen genutzt werden.
Jonas Léchot
Beiträge: 44
Registriert: Do 10. Jan 2013, 17:15

Re: Wasserstofferzeugung mit Urin

Beitrag von Jonas Léchot »

Genau, das hast du richtig verstanden. Der Grund für den massiven Energieverlust liegt in der Irreversibilität gewisser Reaktionen, es gibt ja scheinbar kein Perpetum Mobile. Beim Stickstoff ist diese zusätzlich benötigte Energie besonders hoch. Daher gehen z.B. Leguminosen (Bohnen etc.) bei ausreichendem Stickstoffangebot im Boden kaum Symbiosen mit Rhizobien ein, da der Unterhalt der Knöllchen und der Energieaufwand für die N2-Fixierung schlichtweg zu teuer ist.
Übrigens gibt es sehr interessante Kultivierungsmethoden, bekannt durch das System of Rice intensification (SRI), welche die Bedingungen für die Pflanzen optimieren um deren volles (völlig unterschätztes) Ertragspotential entfalten zu können. Der Weltrekord beim Reis liegt mittlerweile bei sage und schreibe 22.4 t/ha, also 2.24 kg Reis pro Quadratmeter. Ich werde diese Techniken zusammen mit Terra Preta-Ansätzen diesen Sommer austesten. Zum SRI findet man vieles auf
http://sri.ciifad.cornell.edu oder http://agroecologic.org
Vielleicht lässt sich mit intelligentem Einbau von Holzkohle dieses System noch besser machen, denn der hohe Ertrag ist vor allem auf ein starkes Wurzelwerk zurückzuführen und Holzkohle könnte die spezifische Wurzellänge (cm Wurzel pro g Wurzel) noch erhöhen.
Hobbygaertnerin
Beiträge: 77
Registriert: Fr 3. Jun 2011, 08:12

Re: Wasserstofferzeugung mit Urin

Beitrag von Hobbygaertnerin »

Ich bin neugierig, wie sich ein Versuch von Bohnen, Erbsen auf Terra Preta entwickelt.
Starkzehrer wie Tomaten, Paprika, Auberginen, Mais, Kohl entwickeln sich in dieser Erde sehr gut, Kohl bedarf nur einer zusätzlichen Gabe von Kalk und bei den Tomaten scheint auch eine Kalkgabe die Blütenendfäule verhindern zu können.
Gröhlo
Beiträge: 13
Registriert: Sa 12. Mai 2012, 07:10

Re: Wasserstofferzeugung mit Urin

Beitrag von Gröhlo »

Hallo Jonas,

noch mal vielen Dank für Deine Antwort und viel Erfolg bei den Photofermentations-Versuchen von Urin. Hatte dazu schon Deinen Forum Eintrag gelesen, Stickstoffkonservierung im Urin durch Photofermentation:
http://www.terra-preta-forum.de/viewtop ... 6fd3290437

Hoffentlich wird dazu nicht so viel Lichtenergie benötigt, weil in der wachstumsschwachen Lagerungs-Zeit, ja auch wenig Sonnenlicht eintrifft.

Zur Urin-Lagerung habe ich auch schon ganz unterschiedliche Meinungen gehört, von bis zu halben Jahr ohne Nennenswerte Verluste (d.h. <10%) bis möglichst in 3 Tagen ausbringen.
Evtl. ist es dabei auch entscheidend, das Urin nicht mit Wasser vermicht wird. Zumindest habe ich jetzt gelesen, daß sich kein Urinstein bildet, wenn man auf Wasserspülung verzichtet.

Beste Grüße
Gröhlo
Jonas Léchot
Beiträge: 44
Registriert: Do 10. Jan 2013, 17:15

Re: Wasserstofferzeugung mit Urin

Beitrag von Jonas Léchot »

Hallo Gröhlo,

momentan hab ich grad einen Versuch mit Dinkelspelzen als Kohlenstoffquelle gestartet, die Flasche habe ich unter den noch vegetativ wachsenden Winterweizen gestellt (da kommt also kein PAR-Licht hin, nur Nah-Infrarot). Ich habe die Spelzen im Dampfkochtopf sterilisiert um allfällige Sporen loszuwerden und den Urin mit den Spelzen mit dem EM-Photo Plus (nur Rhodopseudomonas palustris) angeimpft. Die R. palustris erkennt man am charakteristischen etwas schwefligen Geruch (jedoch kein H2S). Soweit scheint, sofern mein Geruchssinn nicht allzu subjektiv ist, etwas passiert zu sein. Bakteriendichte kann man auch gut aufgrund der veränderung der Trübheit (optische Dichte) schätzen. Ich werde nächstens mal noch einen Versuch starten, bei dem ich cellulolytische anaerobe Bakterien zu isolieren versuche (Clostridium cellulolyticus), die könnten mit den R. palustris gut zusammen arbeiten (Syntrophie).
Urin ist unter alltäglichen Bedingungen höchstens 2-3 Tage haltbar, danach setzt entweder anaerobe Sulfat-Respiration oder Harnstoffhydrolyse zu Ammoniak ein. Das ist so weil beim Urinieren immer ein paar Keime mitkommen, und die meisten Bakterien sind in der Lage Harnstoff zu hydrolysieren. Seltener kommt es zu Reduktion von Sulfat zu Schwefelwasserstoff. Beide unerwünschten Reaktionen führen zu Gas-Emissionen und demzufolge Überdruck in der Flasche.
Sterilisiert kann Urin tatsächlich lange aufbewahrt werden, dies ist jedoch für viele Menschen keine Lösung da die Sterilisierung ziemlich Energieaufwändig ist, da Wasser eine äusserst hohe Wärmekapazität hat. Spelzen oder ähnliches sterilisieren ist deutlich weniger energieintensiv.

Die Verdünnung von Urin verbessert tatsächlich dessen Lagerfähigkeit, allerdings liegt das daran, dass das entstehende Ammoniak (NH3) sich im Wasser lösen kann und sofort H+ aufnimmt um zum nicht-flüchtigen Ammonium zu werden. Dies liegt an der Löslichkeit von NH4+, um die Menge Stickstoffausscheidungen eines Menschen in Form von Ammonium zu lösen bräuchte es ca. die 10 fache Menge Wasser, d.h. wenn der Urin verdünnt wird kann Ammoniak durch die Pufferkapazität des Wassers in Ammonium überführt werden, dies ist allerdings nicht so wenn der Urin unverdünnt gelagert wird.

beste Grüsse,
Jonas
Pretti
Beiträge: 7
Registriert: Mi 13. Nov 2013, 10:32

Re: Wasserstofferzeugung mit Urin

Beitrag von Pretti »

Hast du schon Erfolge feiern können?
Jonas Léchot
Beiträge: 44
Registriert: Do 10. Jan 2013, 17:15

Re: Wasserstofferzeugung mit Urin

Beitrag von Jonas Léchot »

Ich bezweifle dass die R. palustris Bakterien in der Lage sind, eigenständig Sägemehl als Kohlenstoffquelle zu nutzen, auch wenn sie Lignin-Monomere scheinbar abbauen können.
Ich bin mittlerweile zu einem alternativen, etwas einfacheren Ansatz gekommen: Urin wird laufend ca. 1:10 verdünnt auf einen grossen thermophilen Komposthaufen gegossen (selbstverständlich mit der nötigen Menge Holzkohle und Gesteinsmehl) sodass die Flüssigkeit das ganze Material ± gleichmässig befeuchtet. Die benötigte menge Kohlenstoff muss beim Ansetzen des Haufens in Form von Stroh oder Sägespäne vorhanden sein. Die Kohlenstoffquelle muss eine ausreichend grosse verfügbare Oberfläche haben, um ständig genügend Zucker für die sinnvolle Verwendung des Harnstoffs/NH3 bereitzustellen. Durch die laufende Zugabe von kleinen Mengen Stickstoff bleibt der Kompost lange aktiv, bis sämtliches Holzmaterial abgebaut wurde. Ich würde in diesem Fall ein C/N verhältnis von ca. 30:1 verwenden, da Harnstoff oder NH3 bereits relativ energiearm ist. Wenn eine Person 4kg N pro Jahr über den Urin ausscheidet, braucht sie dazu 240kg Sägespäne/Stroh (Trockengewicht), da diese ca. 45% Kohlenstoff enthalten.
Der Grund für den thermophilen Kompost (vs. Wurmkompost) liegt in der nötigen Verdünnung von Urin. Das sind nämlich grössere Mengen Wasser die zugefügt werden, und nur ein thermophiler Kompost kann dieses überschüssige Wasser laufend wieder ausdampfen. Der fertige Kompost kann anschliessend noch von Würmern gefressen werden.
Idealerweise sollte man die entstehende Wärmeenergie nutzen können. Jean Pain hatte durch seinen Kompostmeiler (6m Durchmesser, 3m Höhe) einige Meter PE-Leitung hindurchgezogen, und mit Wasserdurchfluss überschüssige Wärme in sein Haus geleitet um im Winter keine Eiszapfen auf der Nase zu kriegen ;-)
Noch etwas zur Partikelgrösse der Holzkohle: die Holzkohle sollte so klein gekörnt sein, damit ein Kompostwurm sie fressen kann. Ein Experiment an der Technischen Uni Hamburg (Terra Preta Sanitation) hat gezeigt, dass pathogene Bakterien aus Fäkalien bei einer Wurmkompostierung vermutlich in grösseren Holzkohlestücken überlebt hatten, da sie keine Wurmpassage durchgemacht haben (das ist die Annahme für die Detektion dieser Keime).
Eine geeignete Quelle für den Kohlenstoff wären abgestorbene Pflanzenteile die N-arm sind (Stroh, Spelzen) und Baumäste vom Unterholz. Das ganze muss dann durch einen Holzhäcksler zerfasert werden. Das zerfaserte Material bietet sich als guter Strukturträger für verbesserte Belüftung und besitzt eine grosse verfügbare Oberfläche für Mikroorganismen. Zudem kann so die Holzkohle homogener mit dem Substrat vermischt werden.
Thermophil kompostieren ist nur im Winter sinnvoll und sollte unbedingt als Wärmequelle (z.B. für Gewächshäuser) verwendet werden. In einem Gewächshaus profitieren die Pflanzen zudem noch von erhöhten CO2-Konzentrationen (ohne dabei zu verbraten).
Ich hoffe meine Tipps sind dir hilfreich!

Gruss, Jonas
RolandoMcbride
Beiträge: 1
Registriert: Do 9. Jan 2014, 06:58

Re: Wasserstofferzeugung mit Urin

Beitrag von RolandoMcbride »

Gröhlo hat geschrieben:Laut einigen Presseberichten der letzten Monate, soll sich Wasserstoff aus Urin effizienter abspalten lassen als aus Wasser.

Wäre dies z.B. interessant für Greenpeace-Energy, die derzeit damit beginnen Wasserstoff aus Sonnenenergie zu gewinnen, um Gas/Strom für sonnen- und windlose Zeiten zu haben ?

Ich vermute, daß auch bei der Nutzung von Urin, durch die verschiedenen Umwandlungsprozesse Energie verloren geht:

Strom+Urin
--> Wasserstoff + ?? (durch Elektrolyse)
--> Verbrennungs-Motor
--> Stromgenerator
--> Strom.

Aber evtl. weniger als mit Wasser als Ausgangsbasis. Dieser Verlust ist akzeptabel, weil man dadurch die Möglichkeit bekommt Energie zu lagern und in konzentrierter Form zu transportieren.

Meine Frage an Chemiker: Welche Abfallprodukte entstehen bei dem Prozeß ?
und wie hoch ist der Energieverlust bei der Erzeugung von Wasserstoff ?

Meine wichtigste Frage an Biologen: Sind die entstehenden Abfallprodukte ähnlich wie Urin noch sinnvoll in der Landwirtschaft einsetzbar ?

Evtl. könnte diese Technologie helfen, mehr Haushalte auf EM-Komposttoiletten mit Urinabtrennung umzustellen und somit auch Terra-Preta zum Durchbruch verhelfen.

Bin für Antworten, Einschätzungen und Links zum Thema dankbar.


Ein paar Links zum Thema:
http://www.newscientist.de/inhalt/tueft ... 65879.html
Video - 50€ Experiment in Nigeria:
http://www.welt.de/vermischtes/weltgesc ... rator.html
Video - Windgas:
http://www.greenpeace-energy.de/windgas ... ndgas.html
Sehr spannend Beitrag .. Ich habe noch nie über solche Forschungsarbeit gehört .. Ich hoffe, dass Sie in der Lage, genügend Energie, die in unserem täglichen Leben verwendet werden können, zu produzieren.
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