260 erkek çalışan aynı anda idrarını yaptı: Elektriğe para verme derdini bitirdi

İş yerinde verilen sıradan bir tuvalet molası, Hollanda'da enerji üretiminin parçasına dönüştü. Kuzey Hollanda'daki bir ofiste 260 erkek çalışan, özel olarak tasarlanan pisuvarı kullanarak farkında olmadan küçük bir enerji santralinin çalışmasına katkı sağladı.

Toplanan idrar, bir boru aracılığıyla binanın yanında bulunan konteynere aktarıldı. Buradan da Leeuwarden'deki su teknolojisi araştırma merkezi Wetsus tarafından geliştirilen özel bir arıtma sistemine gönderildi.

Amaç yalnızca atık sudan kurtulmak değildi. Sistem, idrardaki maddeleri kullanarak elektrik üretirken aynı zamanda fosfat ve amonyumu geri kazanmayı hedefliyordu.

İdrardan elektrik nasıl üretiliyor?

Sistemin merkezinde bakteriler bulunuyor. Bakteriler organik maddeleri parçalarken elektron açığa çıkarıyor. Geleneksel biyolojik süreçlerde bu elektronlar çoğunlukla oksijene aktarılıyor. Mikrobiyal yakıt hücrelerinde sistem farklı çalışıyor.

Oksijenin yerine bir karbon elektrot kullanıldığında bakterilerin açığa çıkardığı elektronlar bu elektroda aktarılıyor. Elektrotlar bir elektrik devresine bağlandığında ise elektronların hareketi elektrik akımı oluşturuyor.

Başka bir ifadeyle sistemde türbin ya da yanma işlemi bulunmuyor. Elektrik, mikroorganizmaların gerçekleştirdiği biyolojik süreçten elde ediliyor.

İdrar da bu işlem için dikkat çekici bir hammadde.  Çünkü idrar; üre, tuzlar ve çeşitli besin maddeleri açısından zengin. Üstelik tuvalette ayrı olarak toplandığında, kanalizasyon sistemine karışmış ve büyük miktarda suyla seyreltilmiş atık sudan farklı olarak çok daha yoğun bir kaynak oluşturuyor.

Queensland Üniversitesi ve Wetsus araştırmacılarının Trends in Biotechnology dergisinde yayımladığı değerlendirmede de ayrı toplanan idrarın bu tür sistemler için umut vadeden bir hammadde olduğu belirtildi.

Asıl değer elektrikten değil, gübreden geliyor

İdrardan elektrik üretimi kulağa oldukça etkileyici gelse de araştırmacılar açısından asıl önemli konu enerji miktarı olmayabilir.

Çünkü idrar, tarım açısından değer taşıyan azot, fosfor ve potasyum içeriyor.

İsviçre Su Araştırmaları Enstitüsü Eawag'ın verilerine göre evsel atık sudaki azotun yaklaşık yüzde 85-90'ı idrardan geliyor. Fosforun yüzde 50-80'i, potasyumun ise yüzde 80-90'ı da yine idrar kaynaklı.

Üstelik bu maddeler, toplam idrar hacminin çok küçük bir bölümünde yoğunlaşıyor.

Bu durum iki farklı sürecin aynı anda ele alınmasını mümkün kılıyor. Atık su arıtma tesislerinde azotu sudan uzaklaştırmak için enerji harcanırken, tarımda kullanılan azotlu gübrelerin üretiminde de önemli miktarda enerji gerekiyor.

İdrarın kaynağında ayrı toplanması ise bu değerli maddelerin geri kazanılmasına olanak sağlayabilir.

Bir deneyde elektrik üretiminde enerji fazlası görüldü

Water Research dergisinde yayımlanan bir çalışmada Philipp Kuntke ve ekibi, seyreltilmemiş gerçek idrarı hava katotlu bir hücreden geçirerek amonyum geri kazanımını inceledi.

Araştırmada sistemin günde metrekare başına 3,29 gram azot geri kazanabildiği bildirildi. Enerji hesabında ise gram başına 3,46 kilojul düzeyinde enerji fazlası tespit edildi.

Bu sonuç, incelenen sistemde geri kazanım sırasında harcanan enerjiden daha fazla elektrik üretilebildiğini gösteriyordu.

İdrardan hidrojen de üretilebiliyor

Araştırmacıların üzerinde çalıştığı tek seçenek elektrik değil.

Benzer bir sistem kullanılarak hidrojen gazı üretmek de mümkün.

Burada kullanılan düzenek mikrobiyal elektroliz hücresi olarak adlandırılıyor. Anot bölümünde bakteriler organik maddeleri parçalamaya devam ediyor ve elektronları sisteme aktarıyor.

Ancak katot bölümünde oksijen bulunmuyor. Sisteme küçük bir dış voltaj uygulanmasıyla protonlar elektronlarla birleşiyor ve hidrojen gazı ortaya çıkıyor.

Kuntke'nin ekibinin International Journal of Hydrogen Energy dergisinde yayımlanan çalışmasına göre, beş kat seyreltilmiş idrar kullanılan bir mikrobiyal elektroliz hücresinde reaktörün metreküpü başına günde 48,6 metreküp hidrojen üretimi raporlandı. Sistem aynı zamanda amonyum ve organik yükün önemli bölümünü uzaklaştırdı.

Üretilen elektrik oldukça sınırlı

İdrardan enerji üretme fikri dikkat çekici olsa da sistemlerin mevcut kapasitesi, geleneksel enerji kaynaklarının yerini alacak düzeyde değil.

Batı İngiltere Üniversitesi tarafından yürütülen saha denemelerinde bir kampüs pisuvarına 288 yakıt hücresi yerleştirildi. Bu sistemin ortalama güç üretimi yaklaşık 75 milivat olarak ölçüldü.

Glastonbury Festivali'nde kullanılan başka bir sistemde ise 432 yakıt hücresi yaklaşık 300 milivat ortalama güç üretti.

Bu miktar bir tuvaletteki aydınlatmayı desteklemek için yeterli olabiliyor. Ancak bir su ısıtıcısı gibi daha yüksek enerji isteyen cihazları çalıştırmaya yetmiyor.

Glastonbury'deki sistemin günde yaklaşık 1000 kullanıcıya hizmet verdiği düşünüldüğünde, ortaya çıkan tablo daha net hale geliyor: İdrardan elektrik üretmek teknik olarak mümkün olsa da yüksek miktarda enerji elde etmek için çok büyük miktarda biyolojik kaynağa ihtiyaç duyuluyor.

Araştırmalar hâlâ geliştirme aşamasında

Sistemin önündeki sorunlardan biri de amonyumun reaktör üzerindeki etkisi.

Kuntke'nin ekibinin sonraki çalışmalarında, membran üzerinden geri dönen amonyumun hidrojen üretim sisteminin kararlı çalışma aralığını daralttığı görüldü. Araştırmacılar bunun üzerine daha az enerji kullanarak daha büyük ölçekte amonyak geri kazanımına yönelik farklı bir tasarım üzerinde çalıştı.

ChemElectroChem dergisinde 2020 yılında yayımlanan bir inceleme de bu alandaki araştırmaların önemli bölümünün hâlâ kavram kanıtı aşamasında olduğunu ortaya koydu.

Dolayısıyla tuvaletten elektrik üretimi bugün için günlük enerji ihtiyacının önemli bir bölümünü karşılayan bir teknoloji değil. Buna karşın araştırmalar, idrarın yalnızca uzaklaştırılması gereken bir atık olarak değil, azot, fosfor, potasyum, elektrik ve hatta hidrojen üretimi açısından değerlendirilebilecek bir kaynak olarak ele alınabileceğini gösteriyor.

Hollanda'daki 260 çalışanın katıldığı deney de bu fikrin gerçek dünyadaki örneklerinden biri olarak öne çıkıyor.