Nieuws

Het rekenwerk achter circulaire doorbraken

article_published_on_label
17 december 2020

Vis-plantsystemen waarin de uitwerpselen en urine van de kweekvis als voedsel voor de plant dienen. Of hoogwaardige, circulaire eco-industriële parken aan de randen van de stad. Karel Keesman, persoonlijk hoogleraar Systems theory for sustainability, ontwikkelt wiskundige modellen om de haalbaarheid van duurzame voedselsystemen te berekenen. Stuk voor stuk systemen waarin meerdere kringlopen samenkomen.

Keesman is ervan overtuigd: we groeien in de wereld steeds meer toe naar gecombineerde voedselproductiesystemen: “De toekomst is aan systemen waarin de nutriënten-, water- en energiekringlopen gesloten zijn. Met als eindproduct: gezond voedsel dat duurzaam is geproduceerd. Die systemen komen er niet zomaar; daar gaat flink wat rekenwerk aan vooraf met behulp van wiskundige modellen. Niet alleen om het systeem te ontwerpen, maar ook om de dagelijkse werking ervan te voorspellen. Dat is waar ik binnen Biometris, de mathematische en statistische methoden groep binnen Wageningen University & Research, mee bezig ben.”

Voer voor vissen én planten

Zo rekent Keesman aan vis-plantsystemen, waarin vissen in grote tanks worden gekweekt. “De poep en pies die de vissen uitscheiden, bevatten veel meststoffen, zoals fosfaat en stikstof. Die meststoffen sturen we door naar de planten, die ze gebruiken voor de groei. Deeltjes van uitwerpselen en niet-opgegeten visvoer zakken naar de bodem. Die deeltjes komen in een bioreactor terecht voor de productie van biogas. De meststoffen die in het nutriëntrijke water binnen de reactor zitten, worden ook doorgestuurd naar de plant. In dit systeem gebruiken we dus visvoer om vissen én planten te laten groeien. Daar komt veel rekenwerk bij kijken: hoeveel voer en water heb je nodig, wat is het optimale moment om het water uit de reactor door te sturen naar de plant? Dat soort vragen willen we met wiskunde kunnen beantwoorden.”

Stedelijke landbouw

Keesman is ook betrokken bij een groot internationaal project om dit soort aquaponics-systemen aan de rand van grote steden te ontwikkelen. Dat gebeurt onder de naam van Cityfood. Aquaponics is een samentrekking van aquacultuur en hydroponics; het telen van gewassen in de watergoten van kassen. “Dit soort urban farming-systemen dragen direct bij aan de voedselvoorziening van steden – en dan vooral hoogwaardig voedsel: vis en verse groenten. Daarmee los je diverse problemen op: het is een oplossing voor de afwezigheid van landbouwgrond in stedelijke gebieden en er is minder transport en opslag nodig. In de stad zelf zouden zelfs parkeergarages of kelders onder gebouwen gebruikt kunnen worden voor deze vorm van voedselproductie. Waarbij je de benodigde ledverlichting laat branden dankzij de zonnepanelen op het dak. Al rekenend komen er allerlei kringlopen bij.”

Eco-industriële parken nabij de stad

Op het moment van schrijven werkt Keesman aan een EU-voorstel waarin al dit soort thema’s samenkomen. Hij ziet een toekomst voor zich met eco-industriële parken in de buurt van stedelijke gebieden, met een mix van agro-activiteiten. En waarin de kringlopen gesloten worden. Neem het Westland, het epicentrum van de kassenteelt: Keesman: “In de directe nabijheid van dit gebied bevindt zich zware industrie, zoals raffinaderijen, waar veel CO2 uitstoot plaatsvindt. Die CO2 is belangrijk voor plantengroei. Nu is het nog de praktijk dat kwekers de gaskraan openzetten om CO2 de kas in te krijgen. Die gaskraan gaat dicht, dus moet het CO2 ergens anders vandaan komen. Dan is de link snel gelegd. De eerste stap is dan weer om daaraan te gaan rekenen.”

Biologisch ontzwavelen

Ook enthousiast is hij over een andere ontwikkeling: gas biologisch ontzwavelen: “Aardgas, maar ook biogas, bevat zwavel. Dat leverde vroeger zure regen op, maar wordt tegenwoordig uit het gas verwijderd. Dat gebeurt op grote schaal met chemische methoden. Dertig jaar geleden zijn we in Wageningen al gestart met biologische ontzwaveling, door bacteriën de zwavelverbindingen uit het gas om te zetten in deeltjes die kunnen worden opgevangen. Er loopt nu een project om die zwaveldeeltjes in te zetten voor de landbouw, die een steeds groter tekort aan deze stof heeft.”

Keesman en zijn collega’s duiken hiervoor diep de fundamentele wetenschap in: wat gebeurt er in de bacterie tijdens de omzetting naar zwaveldeeltjes? “Heel complex, maar prachtige stof om aan te rekenen. Vooral om te voorspelen hoe de inbedrijfsvoering moet gaan verlopen: onder welke condities werken de bacteriën optimaal? Zo rekenen we steeds aan mooie circulaire oplossingen voor de grote uitdagingen van deze tijd.”