2

De Herontdekking van de Fotosynthese

PASADENA – Tientallen jaren is de ontwikkeling van hernieuwbare energie (en de beleidsdebatten eromheen) grotendeels geconcentreerd geweest op het genereren van elektriciteit. Maar meer dan 60% van de energie in de wereld wordt direct gegenereerd door chemische (vooral fossiele) brandstoffen, zonder tussenliggende conversie naar elektriciteit. Geen enkele reële poging om de opwarming van de aarde tegen te gaan door het verminderen van de CO2 uitstoot kan deze fundamentele beperking negeren.

In de Verenigde Staten en andere geïndustrialiseerde landen kunnen veel toepassingen die op fossiele brandstoffen lopen (zoals luchttransport of de productie van aluminium) niet opnieuw geconfigureerd worden zodat ze elektrische stroom kunnen gebruiken. Bovendien zijn er ook nog fossiele brandstoffen nodig om elektriciteit op te wekken, zowel om aan de vraag te voldoen als om te compenseren voor de onderbrekingen in de aanvoer uit hernieuwbare energiesystemen zoals wind- of zonne-energie. Is er nu echt een alternatief met weinig uitstoot van koolstof dat qua schaal haalbaar is?

Erdogan

Whither Turkey?

Sinan Ülgen engages the views of Carl Bildt, Dani Rodrik, Marietje Schaake, and others on the future of one of the world’s most strategically important countries in the aftermath of July’s failed coup.

Een veelbelovende benadering is kunstmatige fotosynthese, waarbij niet biologische materialen gebruikt worden om direct uit zonlicht brandstoffen te produceren. De zon is een bijna onuitputtelijke bron van energie, terwijl energie opgeslagen in de vorm van chemische verbindingen (zoals die in fossiele brandstoffen) toegankelijk is, efficiënt en makkelijk. Kunstmatige fotosynthese combineert deze kenmerken in een levensvatbare technologie die ons energieveiligheid, milieuduurzaamheid en economische stabiliteit belooft.

Terwijl natuurlijke fotosynthese voorziet in een complexe, elegante blauwdruk voor de productie van chemische brandstoffen uit zonlicht, heeft het significante beperkingen qua prestaties. Er wordt maar zo’n één tiende van de piek energie van de zon gebruikt; de jaarlijkse netto energie-conversie efficiency is minder dan 1%. Aanzienlijke hoeveelheden energie worden intern gebruikt om de delicate moleculaire machinerie van fotosynthese te onderhouden en regenereren. Verder word de energie opgeslagen in chemische brandstoffen die niet compatibel zijn met bestaande energiesystemen.

Kunstmatige fotosynthese echter heeft, geïnspireerd door haar natuurlijke variant, haar potentieel voor veel betere prestaties gedemonstreerd en voorziet in energie in een vorm die wèl gebruikt kan worden in onze huidige energie-infrastructuur. Bovendien zou een geheel kunstmatig systeem geen landbouwgrond of drinkwater nodig hebben, noch zou het qua gebruik van land tot een keus dwingen tussen voedsel- en brandstofproductie.

Bestaande energie-technologieën kunnen al gecombineerd worden om efficiënt chemische brandstoffen te genereren uit zonlicht (ook al indirect) maar niet in een configuratie die tegelijkertijd praktisch, schaalbaar en economisch haalbaar is. Eveneens kan de algehele efficiency van een geheel geïntegreerd zonlicht-naar-brandstof energie conversie-systeem meer dan tien maal zo groot zijn als dan die van de meeste energie-efficiënte biologische systemen, maar de kosten zijn te hoog voor commercieel gebruik. De topprioriteit van onderzoekers zou dan ook moeten zijn om een zonnebrandstof generator te ontwikkelen die kosteneffectieve schaalbaarheid combineert met kracht en efficiency.

De sleutel in het ontwikkelen van zo’n systeem ligt in het gebruik van overvloedig op de aarde aanwezige materialen die de essentiële functies, het absorberen van licht en het faciliteren van brandstofvormende chemische reacties, kunnen uitvoeren. Net zoals chlorofyl er in natuurlijke fotosynthese voor zorgt dat licht geabsorbeerd wordt, zijn er geschikte materialen nodig om zonlicht in kunstmatige systemen op te vangen en om te zetten. Ook al zijn de licht absorberende eigenschappen van silicium geschikt voor het gebruik in apparaten met fotovoltaïsche cellen, de bijna 0,5 volt die het genereert is te weinig om water te splitsen in een zonnebrandstof generator.

Een kunstmatig systeem heeft ook katalysatoren nodig om de efficiënte productie van chemische brandstoffen mogelijk te maken. De katalysatoren moeten zeer actief zijn, stabiel en, voor een mondiale schaalbaarheid, samengesteld zijn uit elementen die op aarde veel voorkomen, zoals ijzer, nikkel of kobalt en niet uit de schaarse metalen die er nu worden gebruikt, zoals ruthenium of iridium.

Verder moeten de componenten van het systeem geïntegreerd worden op een manier die verzekert dat ze allemaal optimaal functioneren onder een algemeen stel gebruikscondities. Een bruikbaar systeem moet ook kosteneffectieve ontwerpen, productieprocessen en installatiemethodes incorporeren.

Het belangrijkste is dat zulke systemen veilig moeten zijn. In de meeste implementaties van kunstmatige fotosynthese worden hoogenergetische brandstoffen samen geproduceerd met zuurstof, wat resulteert in gevaarlijke explosieve mengsels. Er moeten membranen, of andere fysieke of chemische barrières ontwikkeld worden om deze producten op een veilige manier van elkaar te scheiden. Zulke partities zouden ook de noodzaak tot complexe apparatuur voor perifere procedés die in de meeste toepassingen nodig zouden zijn om de producten voor gebruik van elkaar te scheiden, wegnemen.

Dus hoe zou zo’n kunstmatig fotosynthese systeem eruit zien? Het sjabloon zou niet een zonnepaneel zijn verbonden aan een elektrolyse-eenheid, maar eerder een dunne rol van plastic-achtige ‘gesandwichde’ lagen, een beetje zoals ‘high performance fabrics’ die je vindt in regenjassen, die wanneer nodig uitgevouwen kunnen worden. Het bovenste materiaal zou het water en de CO2 uit de lucht absorberen en de volgende licht absorberende laag zou de zonne-energie opnemen om daar de brandstof uit te maken. Gescheiden door het membraan zou de brandstof niet ontsnappen via de lucht maar in plaats daarvan weglopen door de bodem van het materiaal naar een verzameltank waarna het ‘on demand’ gebruikt kan worden in onze bestaande energievoorzieningsstructuur.

Idealiter zou het genereren van zonnebrandstof flexibiliteit opleveren qua soorten chemische brandstoffen die uit zonlicht kunnen worden geproduceerd. In de simpelste incarnatie wordt water gesplitst in waterstof en zuurstofgassen. Waterstof zou bijvoorbeeld omgezet kunnen worden in een vloeibare brandstof door het opwaarderen van biobrandstoffen, of men zou het kunnen laten reageren met CO2 uit rookgassen of op een andere manier kunnen bewerken om vloeibare brandstoffen te produceren voor het gebruik in transport toepassingen. Als alternatief zouden katalysatoren, net zoals in natuurlijke fotosynthese systemen, direct CO2 kunnen reduceren, in dit geval tot methanol of methaan. De meest effectieve systemen zouden in staat zijn om of wel brandstoffen in gasvorm dan wel vloeibare brandstoffen aan te bieden.

Support Project Syndicate’s mission

Project Syndicate needs your help to provide readers everywhere equal access to the ideas and debates shaping their lives.

Learn more

Recente ontwikkelingen in de nano-wetenschap, de materiaal-wetenschap, de chemie, en de natuurkunde hebben ons de gereedschappen verschaft die nodig zijn voor een snelle vooruitgang op dit gebied. De hoofdprijs is een schone energietechnologie die binnen ons bereik ligt en die de basis zou kunnen verschaffen voor een veilige, zekere en duurzame toekomst.

Vertaling: Melle Trap