Vijf miljoen euro viel er in 2022 te winnen voor een sterk staaltje kunstmatige fotosynthese. De European Innovation Council (EIC) loofde er een Horizonprijs voor uit. Na voorronden en een driedaagse praktijktest gingen de miljoenen naar onderzoekers van de Universiteit van Tokio en het Japanse olie- en gasbedrijf INPEX. Hun prototype voor een fotosynthesizer maakt succesvol methaan uit zon, water en kooldioxide uit de lucht.

Het kan dus al: duurzaam koolwaterstoffen maken die als grondstof kunnen dienen voor de industrie. En dat is hard nodig. In 2050 moet er een alternatief zijn voor fossiele grondstoffen om kunststoffen, medicijnen, isolatiematerialen en allerlei andere producten te maken. De landbouw kan en zal biobased grondstoffen aanbieden, maar landbouwgrond is óók hard nodig voor de voedselproductie.

Een leger aan wetenschappers en ontwikkelaars heeft zich daarom gestort op technologieën om water en kooldioxide om te zetten in koolwaterstoffen. Moeder natuur loopt echter minstens een miljard jaar voor. In die tijd evolueerde een complex, geïntegreerd systeem van oxidatie- én reductiereacties, deels in het licht, deels in het donker, versneld door verschillende enzymen.

De meest efficiënte kunstmatige fotosynthese is vooralsnog een stapsgewijs proces. Zonnecellen produceren in een eerste stap groene stroom waarmee elektrolyseapparaten in stap twee water splitsen in ‘groene’ waterstof (en zuurstof). De eerste fabrieken voor ‘groene’ waterstof worden al gebouwd. Met die groene waterstof en kooldioxide kun je in weer een volgend chemisch of elektrochemisch proces koolwaterstoffen maken zoals methanol of methaan, basisgrondstoffen voor de chemische industrie. Een goede katalysator is daarbij onontbeerlijk: het gewenste product moet selectief en met zo min mogelijk energie worden gemaakt. En die katalysator moet ook zelf betaalbaar en stabiel zijn.

Sluiproute

De Japanse winnaars van de Horizonprijs ontwikkelden een soort ‘sluiproute’. Ze gebruiken een fotokatalytisch paneel, een plaat bedekt met katalysatordeeltjes (strontiumtitaantrioxide). Invallend licht splitst water aan het deeltjesoppervlak. Met licht wordt dus niet eerst stroom opgewekt, maar meteen waterstof gemaakt. Ze behaalden daarmee een zon-naar-waterstof-efficiëntie (STH, solar to hydrogen) van bijna één procent. Dat wil zeggen dat één procent van de energie in zonlicht wordt vastgelegd in chemische energie (in waterstof). Heel recent zetten Amerikaanse onderzoekers in Michigan een nieuw labrecord in STH van meer dan negen procent, met nanodraden van indiumgalliumnitride als fotokatalysator.

Zelfs in de woestijn en op zee

Voor kunstmatige fotosynthese blijkt niet per se vloeibaar of zoet water nodig. Zowel een onderzoeksgroep in Australië als in Frankrijk slaagde er onlangs in waterstof te produceren met waterdamp uit de lucht. In het droge Australië lukte dat met een elektrolyser met hygroscopisch (wateraantrekkend) materiaal. De wetenschappers stellen dat het werkt tot een luchtvochtigheid van slechts vier procent, een 'bone-dry environment'.

In het Franse onderzoek gaat het om een fotokatalytisch proces dat waterdamp uit de lucht gebruikt. En al in 2022 lieten Chinese onderzoekers zien dat je ook zeewater kunt splitsen in een aangepaste elektrolyser, dus zonder eerst het zout eruit te halen.

Een fotokatalytisch paneel is mooi compact. Belangrijk is wel om het geproduceerde waterstof- en zuurstofgas dat tegelijkertijd en op dezelfde plek vrijkomt veilig af te voeren. Wie ooit de knalgasproef in de scheikundeles deed, weet dat het een zeer explosief mengsel is. “Belangrijk nadeel van fotokatalyse is dat lang niet al het licht in het zonnespectrum energierijk genoeg is om water te splitsen”, vertelt René Janssen, hoogleraar Moleculaire Materialen en Nanosystemen aan de TU Eindhoven. Janssen ontwikkelt zonnecellen en maakte zelf ook een fotokatalytisch systeem. “Een zonnecel benut meer energie uit het zonlicht, daarom is de combinatie van een apart zonnepaneel en een elektrolyse-apparaat op dit moment efficiënter.” Bovendien worden zonnepanelen steeds beter en goedkoper en ook de ontwikkeling van elektrolysers heeft het afgelopen decennium een flinke boost gekregen met steeds goedkopere elektrodematerialen en katalysatoren.

Reactorontwerp

Waterstof is een interessante grondstof en brandstof, maar daarmee ben je nog maar ‘halverwege’ de fotosynthese. Er is vervolgens CO₂ nodig om koolwaterstoffen te maken. “Er zitten zo’n vierhonderd deeltjes CO₂ per miljoen deeltjes in gewone buitenlucht,” vertelt Janssen. “Dat is veel voor het klimaat, maar heel weinig als je ze eruit moet vissen. Dat kost veel energie.” Want CO₂ is een heel stabiel en inert molecuul. Het biedt weinig ‘houvast’ en er is een speciale katalysator nodig om het te laten reageren. Het winnende Japanse team gebruikt chemie hiervoor, maar wát voor chemie blijft voorlopig het geheim van industriepartner INPEX. Een van de andere finalisten, het Franse energieonderzoeksinstituut CEA, zet er micro-organismen voor aan het werk in een bioreactor. De beestjes happen de CO₂ uit de atmosfeer en zetten het enzymatisch met groene waterstof om in methaan.

De meest marktrijpe technologie om CO₂ en groene waterstof om te zetten in koolwaterstoffen is momenteel thermochemie. De stoffen reageren bij hoge temperatuur en druk eerst tot koolmonoxide en vervolgens tot koolwaterstoffen, of direct tot koolwaterstoffen. “Prototypes hiervoor zijn zo goed als klaar voor de komst van groene waterstof”, zegt Ruud van Ommen, hoogleraar Chemical Engineering in Delft en directeur van het Delftse onderzoeksinstituut e-Refinery. “Hier in Delft werken we nog aan verdere optimalisatie van het reactorontwerp en aan stabielere en efficiëntere katalysatoren. Je wilt dat dit proces duizenden uren kan draaien en liefst onder dynamische condities, want groene waterstof zal er vooral zijn in tijden van overschot aan groene stroom, op wind- en zonrijke dagen.”

Serieuze concurrentie is er vanuit de elektrochemie. Van Ommen verwacht dat koolwaterstoffen produceren in een brandstofcel binnen vijf tot tien jaar energie-efficiënter kan zijn dan ‘in de oven’. “Nederland heeft het unieke voordeel dat er veel kennis is van chemie, elektrochemie, katalyse én procestechnologie”, aldus Van Ommen. Het e-Refinery-instituut werkt bijvoorbeeld aan een mogelijk nieuwe afkortingsroute door CO₂ in een elektrochemische cel om te zetten terwijl het nog in de vloeistof zit waarmee het is afgevangen uit de atmosfeer. “Een berekening van onze onderzoekers, vorig jaar gepubliceerd in Nature Communications, laat zien dat je daar meer dan veertig procent energie mee zou kunnen besparen.” Dit soort innovatieve ideeën zijn ook de focus van FutureCarbonNL, dat een onderzoeksprogramma in CCU-technologie (Carbon Capture and Utilization) wil uitvoeren met steun vanuit het Nationaal Groeifonds.

Innovatie

In kunstmatige fotosynthese leiden ‘veel wegen naar Rome’. Janssen (TU Eindhoven): “Voor de praktijk lijkt op dit moment de stapsgewijze aanpak de meest logische. Dus eerst groene stroom produceren, daarmee water elektrolyseren en vervolgens de groene waterstof gebruiken om met CO₂ koolwaterstoffen te produceren. Maar dat is geredeneerd met de kennis van nu. Wat nu een omweg lijkt, kan in de toekomst toch de kortste of goedkoopste route blijken, of op grote schaal het best werken.”

Een voorbeeld is de Zwitserse startup Synhelion dat koolwaterstoffen wil produceren in één stap. Met spiegels wordt zonlicht geconcentreerd en de hitte gebruikt om in een reactor CO2 en water bij hoge temperaturen te laten reageren tot syngas (koolstofmonoxide en waterstof), waaruit bijvoorbeeld kerosine kan worden gemaakt. Van Ommen: “Dat zou een prima optie kunnen worden in zeer zonrijke gebieden, denk aan Noord-Afrika.”

Het Eindhovense onderzoeksinstituut DIFFER onderzoekt weer een heel andere technologie: plasma. Dat is een gastoestand waarin deeltjes geïoniseerd zijn doordat er energie aan toe is gevoegd. Doel is een plasma te creëren dat CO₂ stimuleert om te reageren tot het gewenste product. Van Ommen: “Dat is erg fundamenteel onderzoek, zeker goed om te doen, maar verder van de markt.” Dat geldt ook voor fundamenteel onderzoek naar zeer precies opgebouwde moleculaire ‘kooitjes’ waarin de optimale condities worden geschapen voor fotokatalyse. Die worden onder andere ontworpen en gesynthetiseerd door onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam. En dan zijn er nog allerlei technologieën die (gemodificeerde) micro-organismen of enzymen inzetten voor (deel)stappen. Vaak geïnspireerd door de natuurlijke fotosynthese. Janssen: “De nodige innovatieve ideeën zullen wellicht in schoonheid sterven, maar in deze fase is het belangrijk om veel opties te onderzoeken.”

Plant niet het allerbeste voorbeeld

We hebben het idee dat de natuur altijd hoogst efficiënt werkt. Enzymen kunnen kunstjes bij kamertemperatuur waar de chemicus in het lab alleen maar van kan dromen. Toch is de natuurlijke fotosynthese, het vastleggen van zonne-energie in koolwaterstoffen, niet superefficiënt. Het proces legt zo’n 3-6 procent van de energie in zonlicht vast in chemische energie. Ter vergelijking: een goede combinatie van zonnepaneel en elektrolyser maakt inmiddels waterstof met een STH-efficiëntie (solar to hydrogen) van boven de twintig procent. De natuur produceert geen waterstof maar direct koolwaterstoffen, maar het laat zien dat planten al snel zijn te verslaan. Ze peuren niet het allerlaatste beetje energie uit het zonlicht. Een voorbeeld is het enzym rubisco dat de belangrijke rol heeft om CO₂ in het fotosyntheseproces te ‘trekken’. Dat blijkt vrij slordig; het vangt regelmatig zuurstof in plaats van CO₂. De plant lost dat op. Maar met een correctiesysteem dat tot veertig procent aan ingevangen zonne-energie kost. Wetenschappers wijten dit aan een evolutionaire ‘valkuil’. Fotosynthese is ontstaan in een tijdperk waarin er veel minder zuurstof in de atmosfeer zat. Pas veel later was een correctie nodig, maar die kon toen alleen met een ‘omweg’ evolueren.