Met biozonnecellen proberen onderzoekers de fotosynthese te verbeteren, het proces waarmee planten, algen en sommige bacteriën de energie uit zonlicht vastleggen. Het product van zulke ‘kunstmatige bladeren’ is bijvoorbeeld waterstof, dat verder kan worden verwerkt met CO2 en stikstof tot brandstoffen of chemicaliën. Ook in Nederland lopen steeds meer onderzoeksprogramma’s op het gebied van de directe conversie met zonlicht, waarmee deze technologie steeds een stap verder komt.
Steeds dichter bij het haalbare maximum
In deze wereld spreekt men Engels, ook als men Nederlands spreekt. Men heeft het dus over BioSolar Cells in plaats van biozonnecellen, en over artificial leaves in plaats van kunstmatige bladeren. Bij Biobased Press (!) houden we ons eigenwijs aan de Nederlandse termen. Het onderzoek vordert gestaag. ‘Zes jaar geleden hadden biozonnecellen nog heel lage rendementen vanwege hoge interne verliezen doordat positieve en negatieve ladingen elkaar vonden en verdwenen, in plaats van dat er chemische producten werden gevormd,’ zegt Huub de Groot, hoogleraar biofysische organische chemie aan Universiteit Leiden en wetenschappelijk directeur van het BioSolar Cells programma. ‘Het theoretisch maximum ligt op 40%, het praktisch maximum ligt op ongeveer driekwart daarvan. In het laboratorium is nu twee derde van dat praktisch haalbare maximum bereikt. Er komen ook steeds meer katalysatoren die CO2 omzetten. Op den duur kunnen onze systemen werken met CO2 uit de lucht, voorlopig werken we met CO2 uit geconcentreerde bronnen, waarmee mengsels van koolwaterstoffen gemaakt worden.’
Het wetenschappelijke werk van De Groot is voornamelijk fundamenteel van aard. ‘Daarnaast doen wij ook onderzoek naar waterstofpanelen,’ zegt hij. ‘We hebben al een werkend paneel gebouwd. Maar de kern van ons onderzoek gaat over de vraag hoe wij kwantumprincipes die we leren van de natuur slim kunnen toepassen om chemische reacties de gewenste kant op te sturen. We ontwikkelen de theorie daarvan voor computersimulaties. We halen steeds hogere reactiesnelheden door gebruik te maken van kwantuminstabiliteiten in flexibele materialen met een gebogen structuur. Eenvoudig gezegd moeten de energieniveaus van de uitgangsstoffen, water en CO2, en de gewenste producten, waterstof of koolwaterstoffen, elkaar kruisen om met trillingen de reactie zó snel te laten verlopen dat recombinatie geen kans krijgt. De technologie ontwikkelt zich steeds sneller en wordt ook steeds duidelijker. We hebben inmiddels snelle koperoxide katalysatoren om water te splitsen en CO2 om te zetten. Al hebben we directe kwantumkatalyse nog niet helemaal onder de knie, in vijf jaar verwacht ik wel doorbraken; in de vorm van het van de grond af ontwerpen van nanomaterialen geënt op de processen in de natuurlijke fotosynthese-eiwitten uit de biologie.’
Industrie heeft belangstelling
Ook andere onderdelen van het BioSolar Cells programma ontwikkelen zich voorspoedig. ‘We kunnen CO2 uit de lucht steeds beter binden, bijvoorbeeld aan polymeren. Dit kan wel tot 2500 ton per hectare per jaar. We moeten nog wel ontwikkelen hoe we de gebonden CO2 met invallend zonlicht direct kunnen omzetten in vloeibare brandstoffen; we schatten dat een halvering van de kostprijs ten opzichte van de huidige praktijk haalbaar is. Verder kunnen we ook steeds meer doen met organismen, waarmee we platformchemicaliën produceren. Dit zal in de biobased economy gaan leiden tot een herstructurering van de chemische industrie. De petrochemie heeft maar een stuk of zes grote platformchemicaliën, in de biobased economy worden dat er misschien wel 200 of 250. Want in de biobased economy kunnen we direct complexe structuren maken, uit biomassa of uit biozonnecellen, waarvoor we eigen toepassingen gaan vinden. Reductie tot een beperkt aantal platformchemicaliën betekent dan het vernietigen van complexiteit.’
‘Het begrip voor kunstmatige fotosynthese gaat in bredere kring doorklinken. We gaan een nieuwe fase in. De industrie heeft belangstelling. Eerst waren er alleen kleinschalige onderzoekingen, nu is er al een groot middenveld. Wij werken samen met voorop lopende industrieën als Siemens (katalyse) en Engie (infrastructuur). Ons gemeenschappelijke project Sunrise is net door de Europese Commissie verkozen tot een van twee nieuw te ontwikkelen grootschalige onderzoeksinitiatieven; ze sluiten naadloos op elkaar aan en kunnen gezamenlijk optrekken. In dat project proberen we met wetenschappelijk werk de ruimte te scheppen; anderen kunnen nadenken over de inbedding, bijvoorbeeld Engie over de inrichting van gebouwen.
Naar een infrastructuur met biozonnecellen
‘Maar je kunt al wel zien dat het businessmodel hier anders wordt dan economies of scale. Duurzame energie is altijd verdund. De discussie gaat altijd over de vraag, hoe deze te concentreren. Er zijn drie grote energie-infrastructuren: elektriciteitsnet, gasnet (steeds maar geschikt voor één gas), en bulktransport zoals zeeschepen voor transport van zware olie, waarvan men bijvoorbeeld ook gebruik maakt voor het vervoer van houtpellets. Hoe gaan we in de toekomst om met de infrastructuur? Bijvoorbeeld voor drones? Drones op batterijen kunnen maar tien minuten in de lucht blijven, de batterijen zijn veel te zwaar. Waterstof zou een ideale brandstof zijn, daarmee kunnen ze wel een uur in de lucht blijven, misschien wel twee uur. Waterstofpanelen op daken zouden hier een onderdeel van de infrastructuur kunnen gaan worden. Als de drone niet genoeg brandstof meer heeft, landt hij op zo’n dak, tankt en vliegt weer verder. Als je waterstofpanelen ontwikkelt, moet je ook bedenken hoe ze gebruikt kunnen worden. Al is het niet mijn taak als wetenschapper om docking stations voor drones te bedenken en te ontwikkelen; maar we werken in de regio wel samen met andere onderwijsinstellingen, de gemeente en de provincie om een pilot op te zetten.’
Biozonnecellen ontwikkelen zich voorspoedig. De eerste praktische toepassingen kunnen we over een paar jaar verwachten. Maar voor een stevige bijdrage aan de energievoorziening moeten we nog even wachten, misschien tien of twintig jaar. Als we er maar hard aan blijven doorwerken.
Interessant? Lees dan ook:
Huub de Groot: kunstmatige fotosynthese gaat de kern worden van de energievoorziening
De circulaire economie, een maatschappij zonder infrastructuur?
CCU, Carbon Capture and Utilization, als grondstof zelfs beter dan biomassa