Foto: Royal Society of Chemistry
De aarde ontvangt genoeg zonlicht om vele keren te voorzien in onze huidige energiebehoefte. Met behulp van zonnepanelen die zonlicht omzetten in elektriciteit, pikt de menselijke technologie hier al een graantje van mee. Het ziet er echter niet naar uit dat alle machines kunnen overgaan op elektrische energie. Een elektrische Boeing of Airbus die honderden passagiers vervoert, zit er voorlopig niet in, omdat het niet lukt om een dergelijk vliegtuig van voldoende accu’s te voorzien.
Daarom wordt er gezocht naar een manier om zonlicht om te zetten in een brandstof met de voordelen van aardolie, maar zonder de nadelen. Aardolie heeft een hoge energiedichtheid, is gemakkelijk mee te nemen en werkt ook als de zon niet schijnt. Daar staat CO2-uitstoot tegenover en een eindige voorraad.
De speurtocht naar zonnebrandstof leidt onvermijdelijk langs de experts die al miljarden jaren van zonlicht leven: planten. Zij bedrijven fotosynthese waarbij water en kooldioxide met behulp van zonlicht worden omgezet in suikers en zuurstof. Fotosynthese is een gecompliceerd proces dat uit twee opeenvolgende reacties bestaat, waarbij voor de eerste stap wel zonlicht nodig is en voor de laatste niet. Beide reacties bieden inspiratie voor zonnebrandstoffen.
De lichtafhankelijke reactie is te zien als een soort voorbereiding, waarbij energie in het zonlicht wordt omgezet in chemische energie die opgeslagen ligt in bepaalde moleculen. Tijdens dit proces wordt water met behulp van zonlicht gesplitst in waterstofatomen en zuurstofgas. Het zuurstofgas heeft de plant niet nodig en wordt als afval uitgescheiden. Daar maken alle zuurstofademende organismen dankbaar gebruik van.
De waterstofatomen heeft de plant nodig voor het verdere verloop van de lichtafhankelijke reactie. Voor ons zijn de waterstofatomen zelf juist interessant omdat daar waterstofgas van gemaakt kan worden, een prima brandstof.
Veel van het onderzoek naar kunstmatige fotosynthese richt zich dan ook op de productie van waterstofgas. Hiervoor zijn alleen water en zonlicht nodig, met zuurstof als enig bijproduct. Bij de verbranding van waterstof in bijvoorbeeld een auto komt alleen waterdamp vrij. Water kan ook met behulp van elektriciteit worden gesplitst in zuurstofgas en waterstofgas. De benodigde elektriciteit kan met zonnepanelen worden opgewekt, maar dit is een omslachtiger en minder efficiënte manier om waterstofgas te maken dan met behulp van kunstmatige fotosynthese.
Tijdens de lichtonafhankelijke reactie gebruiken planten CO2 en de chemische energie uit de lichtafhankelijke reactie om suikers te maken, die als voedsel voor de plant dienen. Ook aan deze lichtonafhankelijke reactie wordt driftig gewerkt om die met kunstmatige fotosynthese te repliceren. Hierbij is het de bedoeling om CO2 met behulp van zonlicht om te zetten in een brandstof, bijvoorbeeld methanol. Bij de verbranding hiervan komt de vastgelegde CO2 wel weer vrij, maar wordt er geen nieuwe CO2 aan de atmosfeer toegevoegd, zoals wel gebeurt bij de verbranding van aardolie.
Het rendement van fotosynthese is niet erg hoog omdat planten niet al het zonlicht kunnen gebruiken. Slechts een paar procent van de zonne-energie wordt omgezet in biomassa. Daarom is het kweken van biomassa als brandstof een zeer inefficiënt gebruik van zonlicht, waardoor er onrealistische hoeveelheden land nodig zouden zijn om in onze energiebehoefte te voorzien.
Het namaken van fotosynthese is geen sinecure, maar kunstmatige fotosynthese heeft de potentie om veel energie te oogsten uit het overvloedige zonlicht. Deze zonnebrandstof is bedoeld voor machines, maar zelf draaien we in essentie al op zonne-energie. We eten immers planten die van de zon leven, of dieren die planten eten. Uiteindelijk eten we dus eigenlijk zonlicht.
Gepubliceerd in dagblad Trouw op 9 december 2016
Overzicht van alle columns