Gesloten waterkringloop: hoe je water eindeloos hergebruikt
Stel je een fles voor die je nooit hoeft bij te vullen: het water dat je eruit drinkt, verdampt via je adem en zweet, wordt opgevangen, gefilterd en weer teruggegoten in diezelfde fles. Dat is in de kern wat een gesloten waterkringloop doet. Water dat normaal gesproken wordt gebruikt en daarna als afvalwater verdwijnt, wordt in plaats daarvan binnen een systeem gehouden, gezuiverd en opnieuw ingezet. Er stroomt vrijwel niets naar buiten, en er hoeft van buitenaf ook maar weinig vers water bij.
Het bekendste voorbeeld is misschien wel het Internationaal Ruimtestation ISS, waar astronauten letterlijk hun eigen zweet en urine terugdrinken, na een grondige zuivering. Maar gesloten waterkringlopen zijn allang niet meer alleen ruimtevaarttechniek: ze duiken op in Nederlandse kassen, chipfabrieken en verticale landbouwbedrijven, vooral omdat zoet water steeds schaarser en kostbaarder wordt. Het idee is simpel, de techniek erachter is dat allerminst.
Wat is het precies?
Een gesloten waterkringloop bestaat uit drie basisstappen die zich herhalen: gebruiken, opvangen en zuiveren. Water wordt ingezet voor drinken, koelen, planten besproeien of processen in een fabriek. Daarna wordt het, in plaats van geloosd te worden op het riool of in de natuur, opgevangen als zogeheten grijs water (licht vervuild water, bijvoorbeeld van wassen of douchen) of zwart water (water met urine of ontlasting).
Dat opgevangen water gaat vervolgens door een reeks zuiveringsstappen. Denk aan filtratie (water door steeds fijnere zeven of membranen persen om vuildeeltjes tegen te houden), destillatie (water verdampen en weer laten condenseren, waarbij verontreinigingen achterblijven) en soms geavanceerde technieken zoals omgekeerde osmose. Bij omgekeerde osmose wordt water onder hoge druk door een membraan geperst met poriën die kleiner zijn dan de meeste opgeloste stoffen en zelfs bacteriën, zodat vrijwel schoon water aan de andere kant uitkomt.
Het cruciale verschil met gewone waterzuivering is de mate van geslotenheid. Een rioolwaterzuiveringsinstallatie zuivert water en loost het daarna in een rivier; het systeem is dus open. Bij een gesloten kringloop blijft het gezuiverde water binnen hetzelfde systeem circuleren. Volledig gesloten is in de praktijk zeldzaam: er lekt bijna altijd wat water weg door verdamping of processen die water opnemen, en dat verlies moet af en toe worden aangevuld. Vandaar dat ingenieurs vaak spreken van een 'vrijwel gesloten' of 'semi-gesloten' kringloop, met een herwinningspercentage in plaats van honderd procent.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is schaarste. Zoet water is wereldwijd ongelijk verdeeld en raakt in veel regio's onder druk door droogte, bevolkingsgroei en klimaatverandering. Voor sommige toepassingen is aanvoer van buitenaf zelfs onmogelijk: in een ruimtestation of tijdens een langdurige Marsmissie is er simpelweg geen kraan om op aan te sluiten. Elke liter water die je meeneemt, kost geld en gewicht bij de lancering, dus hergebruik is daar geen luxe maar een noodzaak.
Op aarde spelen andere belangen mee. Bedrijven met waterintensieve processen, zoals chipfabrikanten die ultrapuur water gebruiken om siliciumwafers te spoelen, willen minder afhankelijk zijn van onzekere wateraanvoer en lagere kosten voor waterinname en -lozing. In de landbouw wil men voorkomen dat meststoffen en gewasbeschermingsmiddelen in sloten en grondwater terechtkomen, wat gesloten systemen ook een milieuvoordeel geeft naast een waterbesparing. Kortom: het doel is drieledig, namelijk minder afhankelijkheid van externe wateraanvoer, minder verspilling en minder vervuiling van de omgeving.
Belangrijk is wel om de belofte niet groter te maken dan de werkelijkheid. Een gesloten kringloop bespaart water, maar kost vaak juist meer energie, omdat zuiveren, verdampen en filteren energie vragen. De winst zit hem dus in waterbesparing, niet automatisch in een lagere ecologische voetafdruk in brede zin.
Voorbeelden uit de praktijk
Het Internationaal Ruimtestation ISS gebruikt het Water Recovery System, onderdeel van het levensondersteuningssysteem ECLSS. Dit systeem vangt vocht uit de cabinelucht, zweet en urine op en zuivert dit tot drinkwater. NASA heeft de afgelopen jaren gemeld dat het herwinningspercentage van dit systeem is opgelopen tot boven de 90 procent, met verdere verbeteringen die de organisatie in de richting van bijna volledige terugwinning moeten brengen, essentieel voor toekomstige lange Marsmissies waarbij bijvullen geen optie is.
In de Nederlandse glastuinbouw (kassenteelt) is het sinds de invoering van strengere milieuregels, met name onder het zogeheten Activiteitenbesluit milieubeheer, verplicht om drainwater (het overtollige gietwater dat via de wortels weer uit de grond of het substraat komt) op te vangen en te hergebruiken in plaats van te lozen. Veel Nederlandse kassen werken inmiddels met bijna-gesloten watersystemen waarin regenwater, drainwater en ontsmet water worden gecombineerd, met als doel zo min mogelijk meststoffen en gewasbeschermingsmiddelen te lozen op het oppervlaktewater.
Verticale landbouwbedrijven, zoals de Amerikaanse ondernemingen Plenty en AeroFarms en diverse Nederlandse spelers, telen gewassen in gestapelde lagen binnenshuis onder ledlicht, met een watersysteem dat het teveel aan water opvangt en filtert voor hergebruik. Deze bedrijven claimen doorgaans een waterbesparing van rond de 90 tot 95 procent ten opzichte van traditionele landbouw op open grond, al variëren de exacte cijfers per bedrijf en gewas en zijn ze niet altijd onafhankelijk geverifieerd.
In de halfgeleiderindustrie (chipfabricage) werd het belang van gesloten waterkringlopen pijnlijk duidelijk tijdens de ernstige droogte in Taiwan in 2021, toen chipfabrikanten zoals TSMC water moesten laten aanvoeren per tankwagen en versneld investeerden in waterhergebruiksystemen om productie-uitval te voorkomen.
Hoe ver is de techniek?
De basistechnieken, zoals filtratie, destillatie en omgekeerde osmose, zijn volwassen en worden al decennia toegepast. Wat de afgelopen jaren vooral vooruitgang boekt, is het percentage water dat daadwerkelijk wordt teruggewonnen en de betrouwbaarheid van de systemen onder zware omstandigheden, zoals in de ruimte of bij extreme droogte.
Op het ISS is de grootste uitdaging niet zozeer de chemie van het zuiveren, maar het robuust laten werken van apparatuur in zwaartekrachtloze omstandigheden gedurende jaren zonder onderhoud door een monteur op aarde. Onderdelen zoals de urineverwerkingsinstallatie hebben in het verleden storingen gehad die moesten worden opgelost met reserveonderdelen die met een bevoorradingsvlucht werden meegestuurd.
Op aarde is de belangrijkste horde niet zozeer technisch als wel economisch en organisatorisch: gesloten watersystemen vragen extra investeringen in apparatuur, energie en meet- en regeltechniek, en zijn daardoor vaak duurder dan gewoon water uit de kraan of het oppervlaktewater lozen, zeker in gebieden waar water nog relatief goedkoop is. Regelgeving, zoals de Nederlandse eisen aan de glastuinbouw, is dan ook vaak de belangrijkste aanjager, meer dan pure technologische doorbraken.
Wie werken eraan?
In de ruimtevaart zijn NASA en het Europese ruimtevaartagentschap ESA de belangrijkste partijen, met onderzoek naar levensondersteuningssystemen voor toekomstige maan- en Marsmissies. Ook Japanse (JAXA) en Russische (Roscosmos) partners dragen bij aan het levensondersteuningssysteem van het ISS.
Nederland heeft een relatief sterke positie in watertechnologie. Onderzoeksinstituten als Wetsus (het European Centre of Excellence for Sustainable Water Technology, gevestigd in Leeuwarden) en het KWR Water Research Institute in Nieuwegein doen fundamenteel en toegepast onderzoek naar waterzuivering en -hergebruik, vaak in samenwerking met bedrijven. Wageningen University & Research is toonaangevend op het gebied van gesloten watersystemen in de glastuinbouw en verticale landbouw.
In de industrie investeren grote chipfabrikanten zoals TSMC (Taiwan), Samsung (Zuid-Korea) en Intel in eigen waterhergebruiksystemen, mede aangejaagd door lokale overheden die de watervoorziening voor deze waterintensieve sector willen beschermen.