‘Ik verwacht dat in 2050 kunstmatige fotosynthese volledig operationeel zal zijn en de kern zal zijn van de energie-voorziening,’ zegt Huub de Groot, hoogleraar in de biofysische organische chemie aan de Universiteit Leiden. ‘De ervaring leert dat een nieuwe technologie 30 jaar nodig heeft om tot volle ontplooiing te komen, en dat betekent dat deze al in 2020 in de exponentiële groei zou moeten komen. Terugrekenend zou in 2020 al 100 MW geïnstalleerd moeten zijn, daarvoor hebben we nog acht jaar.’
Kunstmatige fotosynthese is een nabootsing van de processen in de natuur, waarmee plantaardig materiaal wordt opgebouwd uit CO2 en water onder invloed van zonlicht. Het rendement van dit proces is laag, ca. 1/2 %. Omdat planten veel te veel licht krijgen, wordt het grootste deel van de energie afgevoerd. Met kunstmatige fotosynthese in zogenaamde biosolar cells hopen onderzoekers veel hogere rendementen te behalen. Een belangrijk voordeel is dat er een heel scala aan stoffen kan worden gemaakt met dit proces via waterstof, zoals methanol of koolwaterstoffen. Sommige biosolar cells kunnen als parttime zonnecellen worden gebouwd – apparaatjes die zowel stroom kunnen produceren als chemicaliën.
Solar fuels
De technologie bevindt zich in het laboratorium stadium, met stand alone proef-opstellingen die waterstof (H2) maken. Ze bestaan uit zonnecellen met een speciale coating. Maar er is nog geen wereldwijde infrastructuur voor H2. Daarom is het nuttig, waterstof te binden aan koolstof uit CO2, net zoals de natuur dat doet. Daarmee komt energie beschikbaar in een vorm die opgeslagen kan worden (een brandstof), de zogenaamde solar fuels. Bijvoorbeeld de al genoemde methanol. Of zonne-diesel. In het begin zal daarvoor geconcentreerde CO2 uit bijvoorbeeld elektriciteitscentrales of fabrieken gebruikt worden, en we denken ook al aan de combinatie van zonnecellen en algen die met elektriciteit CO2 uit de lucht omzetten.
Door hun grote flexibiliteit zijn biosolar cells bij uitstek geschikt als centrum van een geïntegreerd duurzaam systeem van energie- en materiaalstromen, zo legt Huub de Groot uit. Wind- en zonne-energie zijn prima duurzame vormen van energieopwekking, maar ze produceren alleen elektriciteit en die is moeilijk op te slaan. Biosolar cells die zowel elektriciteit kunnen leveren als brandstoffen en bovendien grondstoffen voor de industrie, bieden de ultieme flexibiliteit bij het sluiten van kringlopen in een duurzame economie. Ze bieden ook de mogelijkheid, energie direct te integreren in productieprocessen, zodat wij verliesgevende opslag- en omzettingsstappen van energie kunnen vermijden. Biosolar cells vormen de basis van toekomstige zelfvoorzienende gemeenschappen.
Geïntegreerde hotspots
‘Maar de keuze van schaalgrootte is daarbij erg belangrijk,’ zegt Huub de Groot. ‘Een huis is op kW-niveau, een haven op GW-niveau. Het is nu ongeveer economisch haalbaar om je huis zelfvoorzienend te maken, maar een haven is nog te groot. Energieneutraliteit kunnen we beter eerst proberen te bereiken op MW-niveau. Daarin kunnen diverse technologieën goed op elkaar aansluiten: windturbine, warmte/kracht koppeling, biogas (in grotere bassins), biosolar cells, brandstofcellen, smart grids. Voorbeelden van energie-hotspots van zo’n omvang zijn op meerdere plaatsen te vinden, bijvoorbeeld op Texel, in Drenthe of bij Alphen aan de Rijn. Onze onderzoeksgroep kijkt daar momenteel naar. We kijken ook naar mogelijkheden met de Maasvlakteslufter (250 ha).’
‘Biosolar cells zijn typisch nog in de R&D-fase. We moeten nog fundamentele problemen overwinnen, zoals aantasting van coatings door UV-straling en de zuurstof die vrijkomt bij het splitsen van water. Onderzoeksprojecten zijn vrij kleinschalig, in de orde van € 100.000 tot € 1 miljoen. Voor de volgende stap in het proces, prototyping, hebben we per project tien keer zo veel geld nodig. Maar niemand wil het risico nemen van een prototype: bedrijven niet, en de overheid niet. Dit is de valley of death. We komen dan uiteindelijk uit bij venture capitalists (maar dat is heel moeilijk in Nederland), of bij revolving funds van universiteiten en regionale overheden. Elke universiteit heeft inmiddels een revolving fund; ook Photanol (collega’s van de Universiteit van Amsterdam die chemicaliën produceren met behulp van cyanobacteriën) wordt daar voor een deel uit betaald.’
Actief CO2 binden
‘Na het kernongeluk in Fukushima heeft ons onderzoek een grote impuls gekregen. De aanzet was al gegeven in 2008 met een White Paper on BioSolar Cells, en recent de oprichting van een nieuw Max Planck Instituut voor chemische energieconversie, net over de grens in het Roergebied. In Nederland speelt ook een rol dat wij de CO2-doelstellingen voor 2020 van de EU niet gaan halen, waardoor er misschien flinke boetes dreigen. Daarom heeft de overheid belangstelling voor het werk van ons BioSolar Cells consortium: wij ontwikkelen één van de weinige technologieën waarmee je actief CO2 kunt binden en daarmee de uitstoot kunt omzetten in brandstof. De brandstofmarkt is naar verwachting de grootste groeimarkt wereldwijd in de komende decennia, en is de enige markt die in staat is om een bijdrage van betekenis te leveren aan het recyclen van CO2.’ Aldus Huub de Groot.