Wat een hoogleraar van planten leert over het opslaan van zonne-energie
Als zonne- en windenergie de fossiele brandstoffen echt willen vervangen, moet het gemakkelijker worden die energie efficiënt te gebruiken. Hoogleraar Joost Reek probeert de volgende stap te zetten en zonlicht efficiënt om te zetten in brandstof. ‘Voorlopig is het omzetten van duurzame energie in brandstof de enige realistische mogelijkheid om zonne-energie te bewaren.’
‘De maatschappij heeft steeds meer interesse in duurzame energie,’ vertelt hoogleraar supramoleculaire katalyse Joost Reek. ‘We kunnen alleen nog niet omgaan met de fluctuaties van duurzame energie, zoals zonne- en windenergie. Dat is niet handig.’ Als de zon even niet schijnt of als er geen wind is, moeten mensen immers nog steeds gebruik kunnen maken van energie. Het moet mogelijk zijn om energie op te slaan, zodat je die later kan gebruiken.
Brandstof uit zonlicht
‘Duurzame energie kan deels in batterijen worden opgeslagen, maar dat is slechts een deel van de oplossing,’ vervolgt Reek. ‘Dat maakt het lastig. Vliegtuigen kunnen bijvoorbeeld niet vliegen op stroom gemaakt door zonnecellen. Voorlopig is het omzetten van duurzame energie in brandstof de enige realistische mogelijkheid.’
‘Je kunt al zonne-energie en windenergie die niet gelijk wordt verbruikt omzetten in brandstof. Met zonnecellen kun je stroom maken en daarmee water splitsen in waterstof en zuurstof. Dit wordt gedaan via elektrolyse.’ Met elektrolyse ontleed je stoffen onder invloed van elektrische stroom, alleen gaat een deel van die energie verloren bij dit proces.
De onderzoeksgroep van Reek maakt brandstof uit zonlicht. ‘Hiervoor kijken we hoe de natuur energie aanmaakt,’ legt Reek uit. ‘Planten, algen en sommige bacteriën doen dit via fotosynthese.’ Bij fotosynthese wordt zonlicht, water en koolstofdioxide gebruikt om zuurstof en glucose aan te maken. De glucose dient als energie.
‘Maar de natuur is overall helemaal niet efficiënt,’ vertelt Reek. ‘Planten hebben bijvoorbeeld zelf geen baat bij hoge rendementenBij een hoger rendement heb je minder energieverlies. in fotosynthese. Ze maken immers genoeg energie aan. Wij mensen hebben wel baat bij een hoger rendement.’ Hij wil samen met zijn onderzoeksgroep begrijpen hoe je zo efficiënt mogelijk zonne-energie omzet in brandstof. ‘We willen het rendement van 10 procent naar 60 procent verhogen. Dan heb je veel minder oppervlakte met zonnecellen nodig om dezelfde hoeveelheid energie te verkrijgen.’
Lees verder onder de afbeelding.
Chromofoor
Reek laat in het lab zien hoe zijn groep zonlicht omzet in brandstof. De opstelling is in totaal een halve meter breed. Hij zet een lampje aan dat aan de linkerkant staat. Aan de rechterkant begint een propeller te draaien. ‘Dit is eigenlijk een kunstmatige zon,’ zegt Reek terwijl hij naar het lampje wijst. ‘Het licht schijnt op een molecuul dat licht absorbeert, een chromofoor. Het is een heel belangrijk onderdeel dat goed afgestemd moet zijn op de katalysator.’ De chromofoor geeft energie door aan de katalysator, waardoor die aan het werk kan gaan. De katalysator zorgt ervoor dat een chemische reactie sneller plaatsvindt en daardoor zo min mogelijk energie verliest bij de omzetting. Tijdens de reactie wordt water gesplitst in zuurstof en waterstof, de brandstof. Reek: ‘Die brandstof wordt dan opgeslagen in een tankje. Hierdoor kan de propeller blijven draaien zonder dat het lampje aanstaat.’
Lees verder onder de video.
Volgens Reek is dit een moeilijk chemisch proces. ‘Het is belangrijk dat de energie niet ergens onderweg verloren gaat. De katalysator moet zelf perfect efficiënt werken. Meestal is er extra energie nodig om het proces in gang te zetten en dat geeft een lager rendement. Dat moeten we zien op te lossen.’
Voetbalelftal
Reek en zijn onderzoeksgroep hebben nog wel flink wat werk te verrichten. ‘Onze technologie nu is een heel klein componentje van het grotere systeem dat in de natuur werkzaam is bij fotosynthese,’ legt Reek uit. Bij fotosynthese zijn meerdere kleine processen betrokken die samen als geheel fotosynthese uitvoeren. Deze processen worden uitgevoerd door eiwitten. Een van die kleine processen proberen Reek en zijn onderzoeksgroep nu te optimaliseren.
Hij vergelijkt dit kleine proces met de spits van een voetbalelftal. Dit proces moet scoren, de brandstof maken. De spits wordt alleen steeds gewisseld, omdat Reek uiteindelijk de meest efficiënte spits wil vinden. ‘Wij zullen op dit moment altijd verliezen van de natuur, omdat de natuur een heel voetbalelftal heeft met spelers die heel goed een bal naar de spits passen,’ merkt hij op. ‘Onze technologie bestaat alleen nog uit een spits, niet een heel elftal.’ Reek heeft uiteindelijk ook een heel elftal van kleine fotosyntheseprocessen nodig om zonlicht optimaal in brandstof om te zetten. ‘De technologie die wij nu hebben moet een factor tien groter worden om een heel elftal te krijgen. Dat is iets waar we druk mee bezig zijn. Nu hebben we bijna een half elftal, maar ons doel is om uiteindelijk een heel elftal op te zetten. Op dit moment zijn we de enige in de wereld die dit halve elftal kunnen maken.’
Mini-moleculen herkennen
De spits die Reek en zijn onderzoeksgroep steeds veranderen is een minuscuul molecuul dat je niet kunt zien. Zodra ze verschillende spitsen hebben, zijn ze dus niet zomaar van elkaar te onderscheiden. De onderzoekers hebben verschillende manieren om ze toch te herkennen. Reek: ‘We hebben een apparaat waarmee je de verschillende moleculen kunt wegen. Door het verschil in gewicht, kunnen we ze karakteriseren. We weten door te wegen onder andere uit welke elementenEen element is een stof die uit één soort atomen bestaat. de moleculen bestaan.’ We lopen naar een kamer met computers en een buisvormig apparaat: de weegschaal. ‘In dit apparaat wordt het minimolecuul gespoten,’ vertelt Reek. ‘Het komt dan terecht in een veld waar geladen deeltjes gaan bewegen. Hoe groter de lading van het molecuul, hoe sneller het veld beweegt.’ Zo kan Reek zien welk molecuul het is.
Reek loopt verder naar een andere labruimte. Hij wijst twee scanners aan. ‘De moleculen kunnen ook nog in de MRI-scanner worden gelegd om de structuur te bestuderen. Veel mensen kennen de MRI-scanner uit het ziekenhuis, maar die scanner is eigenlijk ontwikkeld door chemici om onderzoek te doen.’ Iets verderop staat een röntgenapparaat. ‘Hiermee kunnen we bekijken hoe atomen gerangschikt zijn in de ruimte.'
Concurrentie
Het onderzoeksgebied Solar Fuel, waarmee Reek bezig is, krijgt wereldwijd veel aandacht en er is dus veel concurrentie. ‘Ook bedrijven hebben interesse in onze technologie, bijvoorbeeld het Duitse bedrijf Merck,’ zegt hij. ‘Dit bedrijf verwerkt onder andere organische moleculen in verf en LCD-schermen. Ze kijken of ons systeem een potentiële toekomstmarkt voor hen kan zijn.’
Toch deelt Reek niet direct zijn bevindingen met iedereen binnen zijn vakgebied. ‘Je wilt de eerste zijn met de technologie. Dit moet zelfs om een mooie publicatie binnen te halen. Je vertelt collega’s pas iets over je resultaten zodra alle experimenten helemaal af zijn. De voormalige rector magnificus Dymph van den Boom heeft tijdens haar openingstoespraak van UvA’s dies natalis in 2016 een prachtig betoog gehouden over open science waarbij je samen aan een probleem werkt. Dit probleem zou zich daarvoor lenen, maar voordat open science kan werken moet het hele systeem op de schop. De financiering van onderzoek zou dan niet moeten afhangen van artikelen. Er zou een constant onderzoeksbudget voor onderzoek moeten zijn.’
