Gebruikt toiletpapier omzetten in elektriciteit

Eerste technisch-economische analyse van het ultieme afvalhergebruikconcept

12 september 2017

Scheikundigen van het onderzoekszwaartepunt Sustainable Chemistry van de Universiteit van Amsterdam (UvA) hebben samen met collega's van het Copernicus Institute of Sustainable Development van de Universiteit Utrecht de eerste technisch-economische analyse gepubliceerd over de omzetting van gebruikt toiletpapier in elektriciteit. In het tijdschrift Energy Technology stellen zij een proces in twee stappen voor en maken zij een kostenberekening per kWh die vergelijkbaar is met de kosten van fotovoltaïsche installaties in woningen.

Gebruikt toiletpapier wordt niet vaak als iets waardevols gezien. De meeste mensen denken er liever helemaal niet aan. Toch is het rijk aan koolstof; het bevat namelijk 70-80 gewichtsprocent cellulose op droge basis. Gemiddeld produceren mensen in West-Europese landen 10-14 kg gebruikt toiletpapier per jaar. Het hoopt zich op in filters van gemeentelijke rioleringen en vormt een bescheiden maar significant aandeel van het gemeentelijke afval.

Het ultieme afval heeft negatieve kosten

Gebruikt toiletpapier in het afvalwater bestaat tot wel 80% uit cellulose. c: UvA/HIMS.

Tegelijkertijd is gebruikt toiletpapier de droom van elke zakenman omdat het een van de weinige grondstoffen met negatieve kosten is. Deze kosten kunnen per land en regio verschillen, maar in Nederland betalen afvalwaterzuiveringsinstallaties rond € 70 per ton om het toiletpapier kwijt te raken. Het is dus een uiterst aantrekkelijke grondstof omdat mensen geld betalen om ervan verlost te worden.

Gebruikt toiletpapier is 'echt afval' en biedt een geweldige mogelijkheid om kringlopen te sluiten, grondstoffen efficiënter toe te passen en een volwaardige circulaire economie tot stand te brengen. Voor de scheikundigen van de UvA is het gebruik van toiletpapier voor de opwekking van elektriciteit daarom 'het ultieme afvalhergebruikconcept'. Alleen de regio Amsterdam genereert al zo'n 10.000 ton gebruikt toiletpapier per jaar, genoeg om 6.400 huishoudens van stroom te voorzien.

In Amsterdam liggen de faciliteiten voor waterzuivering naast het afvalenergiebedrijf. c: AEB website.

Daarbij geldt ook nog eens dat de geproduceerde elektriciteit hernieuwbaar is, aangezien de cellulose in het toiletpapier afkomstig is van bomen. Dit biedt grote mogelijkheden om aan de vraag van de samenleving naar hernieuwbare energie te voldoen. Veel hernieuwbare grondstoffen kennen pieken in de beschikbaarheid. Stengels van planten kunnen worden hergebruikt, maar uitsluitend na de oogst; zonlicht is overdag beschikbaar (afhankelijk van het wolkendek); en de wind is net zo voorspelbaar als het weer. Gebruikt toiletpapier vormt echter een continu beschikbare grondstof.

Tweestappenproces

Amsterdam en Utrecht hebben samen een onderzoeksproject opgezet, dat onder leiding stond van de UvA-hoogleraren Gadi Rothenberg en Bob van der Zwaan van het Van ‘t Hoff Institute for Molecular Sciences van de UvA. Zij stelden een eenvoudig proces in twee stappen voor om gebruikt toiletpapier in elektriciteit om te zetten, waarbij zij een directe route creëerden van ongewenst afval naar een nuttig product. Masterstudent Els van der Roest onderzocht de mogelijkheid om apparatuur voor de vergassing van gebruikt toiletpapier (stap 1) te combineren met vasteoxidebrandstofcellen (SOFC's; Solid Oxide Fuel Cells) met een hoge temperatuur die het ontstane gas rechtstreeks in elektriciteit kunnen omzetten (stap 2; zie figuur 1).

Gebruikt toiletpapier kan omgezet worden in electriciteit door de vergassing van gebruikt toiletpapier, gevolgd door blootstelling aan lucht in een vasteoxidebrandstofcel met hoge temperatuur. c: UvA/HIMS

Het project had tot doel de haalbaarheid van een dergelijk systeem bij een volume van 10.000 ton toiletpapier per jaar te beoordelen, op basis van reële parameterwaarden. Met gebruik van technisch-economische analysemethoden presenteerde het team een elementair procesontwerp, een algehele energiebalans en een economische studie voor dit concept. Gegevens voor de experimenten en berekeningen werden verkregen in samenwerking met het afvalenergiebedrijf (AEB) van Amsterdam.

Rendement van een aardgascentrale

In een openbaar toegankelijk artikel in het internationale collegiaal getoetste tijdschrift Energy Technology presenteren de onderzoekers het elementaire systeemontwerp, evenals de elektriciteitsopbrengst en het algehele rendement, gebaseerd op gedetailleerde berekeningen van de massa- en energiebalans. Het algehele elektrische rendement bedraagt 57%, wat vergelijkbaar is met een gasgestookte warmtekrachtcentrale. De LCOE (Levelized Cost Of Electricity, een maat die gebruikt wordt voor de consistente vergelijking van methoden van elektriciteitsopwekking), is 20.3¢/kWh. Momenteel is dit vergelijkbaar met de kosten van fotovoltaïsche installaties in woningen.

Els van der Roest. c: KWR Watercycle Research Institute.

De kapitaalkosten van het systeem zijn nog steeds relatief hoog, voornamelijk door de kosten van de investeringen in brandstofcellen. Deze zullen echter naar verwachting dalen naarmate de markt voor brandstofcellen zich verder ontwikkelt. De exploitatiekosten zijn relatief laag, deels dankzij het hoge thermodynamische rendement (ca. 70%). De onderzoekers verwachten dat door de leereffecten het systeem in de toekomst concurrerender kan worden, met een LCOE van ongeveer 11 ¢/kWh.

Het projectteam stelt vast dat het omzetten van gebruikt toiletpapier in elektriciteit toekomst heeft. 'Wanneer we deze resultaten met bedrijven bespreken, worden mensen erg enthousiast', zegt prof. Rothenberg. Tot op heden heeft zich echter nog geen enkele Nederlandse onderneming of gemeente bereid verklaard om geld te steken in de verdere ontwikkeling van deze techniek. Het team overweegt nu zijn concept in het buitenland aan de man te brengen: 'Wellicht zal de eerste centrale die deze techniek toepast, in China worden gebouwd', aldus Rothenberg.

Het onderzoeksartikel:

Converting waste toilet paper to electricity: A first-stage techno-economic feasibility study. E. van der Roest, M. van der Spek, A. Ramirez, B. van der Zwaan and G. Rothenberg, Energy Technol., 2017, published online. DOI: 10.1002/ente.201700247

Gepubliceerd door  Faculteit Natuurwetenschappen, Wiskunde en Informatica