Kunstmatige fotosynthese: ‘De volgende stap voor duurzame energie’

‘Dit is onze kunstmatige zon’, zegt chemicus Bert Weckhuysen, wijzend naar een lamp in een zwarte kast in zijn laboratorium. De lamp schijnt op een zonnepaneel, dat de lichtenergie doorsluist naar een serie flesjes en buisjes, gevuld met water en koolstofdioxide. De laatste schakel in de keten is een grijze doos, een minireactor. ‘Daar komen de chemische bouwstenen van water en koolstofdioxide in, waar we vervolgens brandstof van maken’, zegt Weckhuysen. ‘In deze opstelling is dat methaan, benzine of kerosine.’

De Utrechtse hoogleraar noemt de kast ‘de black box’: water, koolstofdioxide en licht gaan erin, brandstof komt eruit. Dat klinkt misschien bekend: planten doen het al zo’n drie miljard jaar. Het proces heet fotosynthese, Grieks voor ‘iets maken met licht’.

Volgens Weckhuysen is het nabootsen van deze aloude biotechnologie de volgende stap in de verduurzaming. De productie van brandstoffen via ‘kunstmatige fotosynthese’ zal, hoopt hij, een vervanging kunnen zijn voor de eindige hoeveelheid fossiele brandstoffen.

Koolstofdioxide hergebruiken

Maar maken zonnepanelen op het dak niet al duurzame energie? Niet helemaal: zonne-elektriciteit is in principe groen, maar het laat zich niet grootschalig opslaan. Daardoor komen vraag en aanbod vaak niet overeen – zo komt er in de winter te weinig stroom van de panelen, terwijl juist dan de warmtepompen, fornuizen en infraroodkachels moeten draaien. Kunstmatige fotosynthese biedt een alternatief, door de energie uit zonlicht direct op te slaan in bekende brandstoffen als methaan, benzine en kerosine, waarvan de uitgestoten koolstofdioxide weer gebruikt kan worden. ‘De raffinaderij van de toekomst’, noemt Weckhuysen het.

Deze raffinaderij van de toekomst is een van vele interpretaties van kunstmatige fotosynthese: in augustus ontwikkelden wetenschappers van de universiteit van Cambridge ‘kunstmatige bladeren’ die drijvend op de rivier Cam een gasvormige brandstof maken uit zonlicht, water en koolstofdioxide. Het voordeel van deze bladeren is dat ze geen ruimte op het land in beslag nemen, maar op water dobberen. Beperkingen zijn er ook. Zo is het in het ontwerp nog onduidelijk hoe de energieopbrengst van de bladeren de oever moet bereiken.

In dezelfde geest maakte René Janssen, hoogleraar chemische technologie aan de Technische Universiteit Eindhoven, een kunstmatig blad met het Spaanse onderzoeksinstituut Eurecat. Hiervoor maakte Janssen gespecialiseerde zonnepanelen, een vakgebied waarvoor hij in 2015 een Spinozapremie kreeg toegekend, de hoogste onderscheiding in de Nederlandse wetenschap.

Het flexibele apparaat, misschien wel het meest ‘blad-achtige’ tot nu toe, slaat zonne-energie op in waterstofgas. Dat is een minder gebruikte brandstof dan bijvoorbeeld benzine, maar daartegenover staat dat Janssens blad geen koolstofdioxide nodig heeft of uitspuugt. Dat maakt waterstofgas aanzienlijk makkelijker, goedkoper en, op dit moment, klimaatvriendelijker. De stip op de horizon voor Janssen: ‘Met zonnepanelen op het dak en water uit de kraan direct waterstofgas aan het gasnet van huishoudens toevoegen.’

Dure grondstoffen

Weckhuysens raffinaderij van de toekomst is net als Janssens zelfvoorzienende huishoudens inderdaad nog toekomstmuziek. Tussen de vangst van zonlicht en de productie van brandstof gaat vooralsnog te veel energie verloren. Zelfs planten kunnen na miljarden jaren evolutie maar 1 procent van de zonne-energie omzetten tot brandstof. Ook aan het uiteinde van Weckhuysens black box komen slechts milliliters brandstof tevoorschijn.

Een andere horde die de nepbladeren nog moeten nemen is, gek genoeg, duurzaamheid: de katalysatoren waarop de chemische reacties van kunstmatige fotosynthese plaatsvinden, zijn doorgaans gemaakt van relatief dure grondstoffen als kobalt, nikkel of zelfs platinum of ruthenium. De zoektocht naar duurzame en goedkope katalysatoren is een kritiek onderdeel van de toekomstige kunstmatige bladeren. Dit onderzoek staat centraal in het laboratorium van Weckhuysen, ook winnaar van een Spinozapremie.

Een nieuwe vertakking in het onderzoek naar kunstmatige fotosynthese omzeilt dure katalysatoren met fotosynthetiserende algen of bacteriën. Deze micro-organismen consumeren net als bladeren zonlicht, koolstofdioxide en water en scheiden daarbij gassen uit die wetenschappers kunnen aftappen. De katalysatoren zijn nu niet door de mens gemaakt, maar door de natuur. De micro-organismen hebben hier energie voor nodig, ofwel uit de zon, ofwel van een elektrische stroom die onderzoekers moeten aanleggen.

‘Bionische bladeren’

David Strik, universitair hoofddocent milieutechnologie aan de Wageningen Universiteit, onderzoekt dit soort ‘bionische bladeren’, die tussen technologie en biologie schipperen. Een kracht van ‘zijn’ microben, legt hij uit, is dat ze geen schoon water nodig hebben, anders dan gebruikelijke katalysatoren. ‘Wij gebruiken afvalwater in ons onderzoek, daar halen de bacteriën hun voedingsstoffen uit.’

Het nadeel van deze techniek is dat die zich niet makkelijk laat opschalen. Een industriële reactor is onvergelijkbaar met een laboratorium: ‘Het ontwerp is een puzzel. Hoe voorkom je bijvoorbeeld dat de microben te veel gaan groeien en zodoende aan- en afvoerbuizen verstoppen’, zegt Strik. ‘Maar er zijn genoeg bedrijven bezig met opschaling, dus wellicht hebben we binnen enkele jaren al brandstof op deze manier.’

‘Wij zijn niet de enige die hieraan werken, en gelukkig maar’, zegt Weckhuysen, als hij de uitdagingen op een rij zet. Om afzonderlijke onderzoeksinstanties te verbinden ontstaan de laatste jaren internationale samenwerkingsverbanden, ook binnen de Europese Unie. Zo lanceerde de EU onlangs ‘Suner-C’, een project van 4 miljoen euro om Europese bedrijven, overheden en onderzoekers actief in de kunstmatige fotosynthese bij elkaar te brengen. Weckhuysen, projectleider van Suner-C: ‘Het doel is om koolstofbrandstoffen duurzaam en op industriële schaal te produceren met kunstmatige fotosynthese.’ Wanneer zullen dit in plaats van druppeltjes brandstof zwembaden per minuut worden? ‘We mikken daarvoor op 2050, maar het mag natuurlijk altijd eerder.’