Je leest:

Nieuwe energie uit fotosynthese

Nieuwe energie uit fotosynthese

Auteur: | 15 november 2008

Fotosynthese is terug als onderzoeksterrein. Kunstmatige bladeren, efficiëntere planten en algen die ethanol produceren moeten het energieprobleem oplossen. Een consortium van Nederlandse universiteiten lanceert een onderzoeksplan van 43 miljoen euro.

‘Het is nu of nooit’, zegt Rienk van Grondelle, hoogleraar biofysica aan de Vrije Universiteit. ‘De hoeveelheid CO2 in de atmosfeer rijst de pan uit, in China en India wonen miljarden mensen die allemaal dezelfde levensstandaard willen als wij; in 2050 moeten we op deze aarde twintig tot dertig miljoen watt energie produceren zonder CO2. Dat vraagt om niets minder dan een wetenschappelijke revolutie.’

Op ruim acht lichtminuten van de aarde, betogen Van Grondelle en andere leden van een Nederlands onderzoeksconsortium, bevindt zich een schone en voorlopig onuitputtelijk bron van energie: de zon. De huidige technologieën om daaruit energie te halen, voldoen niet: zonnepanelen zijn duur en halen een rendement van 15 tot 20 procent voor elektriciteitsproductie. Het rendement voor de productie van brandstof is nog veel lager. Brandstof produceren uit biomassa kost veel energie en legt een groot beslag op vruchtbare bodems.

Dat moet efficiënter kunnen, menen de wetenschappers. Ze stellen voor het grondig aan te pakken: via de fotosynthese. Nu is de natuur zelf ook niet erg efficiënt in het vastleggen van zonne-energie: planten leggen vaak slechts 1 procent van de energie uit invallende fotonen vast in biomassa. Maar de systemen waarmee planten en eencelligen energie vastleggen, kunnen volgens de wetenschappers zowel dienen als inspiratie voor kunstmatige systemen, alsook zelf verbeterd worden. Nederland is van oudsher wereldwijd één van de meest vooraanstaande landen in het fotosyntheseonderzoek.

Onderzoekers van de universiteiten van Wageningen, Leiden, Groningen en de Vrije Universiteit Amsterdam presenteerden in mei plannen voor het project Towards BioSolar Cells. In augustus kwam het consortium, inmiddels versterkt door de Universiteit van Amsterdam en de Technische Universiteit Delft, met een subsidievoorstel. In totaal 43 miljoen euro is er nodig om het project van de grond te krijgen. NWO zegde al 2,5 miljoen toe. De rest hoopt het consortium op te halen bij bedrijven en vooral bij het Fonds Economische Structuurversterking (FES), dat geld uit de Nederlandse aardgasbaten verdeelt en waaraan 30,5 miljoen gevraagd is. Towards BioSolar Cells staat inmiddels op de shortlist van het FES. Begin 2009 hopen de onderzoekers te horen of hun project gehonoreerd wordt.

Behalve de veelal futuristisch klinkende toepassingen voor energieopwekking pleit het onderzoeksconsortium voor meer fundamenteel onderzoek naar dit proces. De basis daarvan is inmiddels wel ontrafeld, zegt VU-onderzoeker Van Grondelle. De eiwitstructuren van de twee fotosystemen die betrokken zijn bij de lichtreacties zijn bekend. Via die structuren wordt de energie van invallende fotonen vastgelegd in eenvoudige chemische verbindingen. Van Grondelle: ‘Die stap is nog heel efficiënt. Maar dan treedt er verlies op.’ Planten investeren bijvoorbeeld in wortelstelsels en afweer. Hij vervolgt: ‘Een plant is er natuurlijk niet om hout voor ons te maken. Een plant moet beter zijn dan zijn buurman, hij is er om te overleven.’

Energieverlies

Verschillende Nederlandse onderzoeksgroepen hebben zich gestort op het in kaart brengen van energieverliezen, en hoe daaraan een mouw te passen, met het oog op een hogere productie van energieleverende grondstoffen. De Wageningse hoogleraar gewasfysiologie Paul Struik: ‘We zouden omhoog kunnen richting 5 procent. Dat kan door planten onder gunstige omstandigheden te laten groeien en ze te voorzien van wat ze nodig hebben.’ En door selectie, voegt hij toe. ‘De gewassen die we nu laten groeien, zijn geselecteerd op andere eigenschappen dan op efficiëntie van hun fotosynthese. Ze investeren bijvoorbeeld veel in afweer. Er moet nog genoeg genetische variatie tussen en binnen soorten zijn om daar winst in te boeken. En er zijn woestijnplanten bekend waarbij de fotosynthese vele malen sneller verloopt dan bij normale planten.’ Daarnaast moet de aanwezigheid van voldoende en actief blad gedurende het gehele groeiseizoen worden gegarandeerd.

Behalve traditionele veredeling kan genetische modificatie ingezet worden om de energie-efficiëntie omhoog te brengen, stelt Struik. ‘Je kan de planten zo veranderen dat ze bepaalde stoffen niet meer produceren of beschermingsmechanismen verwaarlozen, dat scheelt ze energie. Als je ze toch onder gunstige omstandigheden laat groeien, kunnen ze ook wel een aantal functies missen.’

Struik nuanceert overigens de ‘lage’ energie-efficiëntie van planten. ‘Zo’n plant doet het wel helemaal zelf. Hij gebruikt water en nutriënten voor zijn groei, en niet meer.’ Om zonnepanelen te produceren is energie nodig en blijft er afval over. Energieopwekking uit planten heeft dus principiële voordelen.

Een verschijnsel dat bijzondere aandacht krijgt in veel Nederlands onderzoek, is lichtverzadiging. Planten kunnen maar tot een bepaalde lichtintensiteit alle fotonen absorberen: als er meer licht is doen ze daar niets mee. Planten met een C4-type fotosynthese, veelal tropische soorten als het landbouwgewas maïs, binden het relatief schaarse CO2 uit de atmosfeer efficiënter dan C3-planten. Bij C4-planten treedt lichtverzadiging minder snel op. Het BioSolar Cells-projectplan geeft als onderzoeksvoorbeeld het plan om C3-planten met een C4-mechanisme uit te rusten

Dat is op het moment nog erg ambitieus, erkent Struik. ‘Ze hebben een andere biochemie, bladstructuur en gewasfysiologie. We hebben wel eens met modellen berekend wat het zou opleveren om bijvoorbeeld van rijst een C4-plant te maken. Er blijkt op gewasniveau minder voordeel te zijn dan op bladniveau. Het gewas zou vooral aan het eind van het groeiseizoen toch aan productiviteit wat gaan inboeten. De huidige teelttechniek voldoet ook niet voor dit mechanisme.’

De toepassingen voor algen om lichtverlies te beperken, zijn al wat verder ontwikkeld. De Groningse biochemicus Roberta Croce beschrijft dat wanneer licht binnenvalt op water met algen, alleen de eerste laag algen vol in het licht zal komen. ‘Die laag kan niet alle licht gebruiken en loost een gedeelte daarvan in de vorm van warmte. De onderste lagen krijgen geen licht en zijn dus inactief. Als je de algen in beweging brengt, komen de onderste lagen wel in het licht, maar kost het tijd om de fotosynthese op gang te brengen. Dan wordt het licht ook niet optimaal gebruikt.’

Antenne

Als oplossing voor dit probleem wil ze algen minder gevoelig maken voor licht. ‘De structuur waarmee ze licht opvangen heet de antenne. Als je de omvang daarvan verkleint, produceren de algen uiteindelijk individueel minder energie, maar maken ze samen efficiënter gebruik van het invallende licht.’ Door gericht enkele antennegenen uit te schakelen, verwacht Croce al over een paar jaar een labtype gereed te hebben.

Net als bij planten hopen de onderzoekers bovendien bij algen een hoop ‘overbodige’ functies uit te schakelen om daarmee de efficiëntie op te voeren. Hoogleraar microbiologie Klaas Hellingwerf van de Universiteit van Amsterdam: ‘We zouden de energie van zonlicht willen vastleggen, zonder dat die eerst in biomassa wordt vastgelegd. Dan gaat het om de elementaire fotosyntheseprocessen: de lichtreacties en de Calvincyclus. Die koppelen we aan reacties uit fermenterende organismen, die suikers omzetten in alcohol. Door de cyanobacterien uit te rusten met genen die coderen voor fermentatie-enzymen worden zo de intermediairen uit de vroege fotosynthese rechtstreeks omgezet in biobrandstof.’

Hellingwerfs groep probeert dit systeem gestalte te geven met cyanobacteriën, die in staat zijn tot fotosynthese. Die kunnen worden voorzien van genen die coderen voor enzymen uit bijvoorbeeld bakkersgist, die de vroege intermediairen uit de fotosynthese omzetten in ethanol. Binnen vijf jaar verwacht hij ook algen die direct biobrandstof produceren.

Als voorbeeld van wat zo’n algenplantage kan opbrengen verwijst Hellingwerf naar een schatting op een website van een Amerikaans algenbedrijf. Omgerekend tussen de 56 duizend en 93 duizend liter ethanol per hectare per jaar. Het zijn grote getallen, erkent Hellingwerf: ongeveer een kwart van de theoretisch maximaal haalbare productie. ‘En dat is als alle invallende fotonen 100 procent efficiënt worden omgezet.’ Waarmee volgens hem niet is gezegd dat het onhaalbaar is: ‘Algen zijn veel efficiënter in hun energieomzetting dan planten, doordat ze bijvoorbeeld niet investeren in een duur wortelstelsel. Ze kunnen per vierkante kilometer vijf tot tien keer meer biomassa leveren dan planten.’

Ook in het Nederlandse klimaat kan in de toekomst een algenplantage economisch rendabel zijn, verwacht Hellingwerf: in de zomermaanden is er redelijk wat zonlicht. Of hier ooit algen en planten voor energie gekweekt zullen worden, blijft de vraag. ‘Grondprijs is minstens zo’n belangrijke factor als fotonen.’

Blad

Een fotosynthetische toepassing die wellicht wel op grote schaal in het Nederlandse landschap zal verschijnen, is het kunstmatige blad. Leids biofysicus Huub de Groot noemt het een vertaalslag van een natuurlijk naar een kunstmatig systeem: ‘Vergelijk het met een vogel en een vliegtuig. Die lijken maar gedeeltelijk op elkaar, maar de principes die in vliegtuigen zijn toegepast, zijn afkomstig uit de natuur.’ Kunstmatige bladeren zullen wellicht wat gaan lijken op zonnepanelen, zegt hij, maar de principes zijn anders. ‘Er is een drager, die kun je bijvoorbeeld maken van titaandioxide. Daarop komt een ontvangend systeem dat met invallend licht water oxideert. De protonen die dan vrijkomen worden opgevangen en gebruikt om waterstof of alcohol te maken.’

De onderdelen van kunstmatige bladeren zijn in verschillende labs al aanwezig, zegt De Groot. Hij schat dat het samenvoegen daarvan tot een werkend labtype binnen vijf jaar mogelijk moet zijn. De uiteindelijke toepassing ziet hij vooral geïntegreerd in bestaande wegen en gebouwen. ‘Daarmee houd je de kosten lager. En denk je eens in: snelwegen met die technologie, die zelf brandstof gaan produceren.’

De reeks ideeën lijkt onuitputtelijk. Plantaardige fotosynthese systemen uitrusten met de uit paarse bacteriën geleende mogelijkheid ook bijna-infrarood licht te benutten. Rechtstreeks elektriciteit aftappen van planten, nog voor ze die vastleggen in ingewikkelde suikers. In Wageningen is het al gelukt een molentje direct te laten draaien op plantenelektriciteit. De biologie zit nog tjokvol inspiratie, aldus De Groot. Eén procent energie-efficiëntie klinkt misschien niet veel, zegt hij, ‘maar je kan ook zeggen dat er nog 99 procent te winnen is.’

Dit artikel is een publicatie van Bionieuws.
© Bionieuws, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 15 november 2008

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.