De productie van waterstof vraagt veel energie en doet broeikasgassen ontstaan. Dat ondergraaft het hele idee achter deze milieuvriendelijke brandstof van de toekomst. Wetenschappers werken nu op fluorescerende bacteriën en algen zodat ze op een biologische manier waterstof produceren. Als het rendement omhoog kan, mogen we de gigantische hoeveelheid water op aarde beschouwen als een onuitputtelijke brandstofvoorraad.
Waterstof is voor zowat iedereen de brandstof van de toekomst. Bij de verbranding komen geen broeikasgassen of vervuilende stoffen vrij. Als grondstof is waterstof bovendien overvloedig aanwezig, en eindeloos te recycleren. Het probleem is dat waterstof op aarde opgesloten zit in een verbinding met andere elementen, zoals zuurstof (in water) of koolstof (in fossiele brandstoffen). Die keten moet op een of andere manier verbroken worden, en dat kost energie.
Waterstof wordt al enkele decennia gebruikt door de chemische industrie, om brandstoffen schoner te maken en voor de aanmaak van ammoniak. Meer dan 90 procent van de waterstof wordt geproduceerd uit fossiele brandstoffen. Dat gebeurt via een techniek genaamd stoomreforming. In dat proces wordt aardgas omgezet in een mengsel van waterstof en koolstof. De koolstof wordt in de atmosfeer geblazen als koolstofdioxide (CO2), een belangrijk broeikasgas.
Een andere bekende techniek om waterstof aan te maken, is de splitsing van watermoleculen door middel van een elektrische stroom (elektrolyse). Door er elektriciteit door te jagen, wordt water opgesplitst in zijn twee bestanddelen: waterstof en zuurstof. Dat proces is eenvoudig en zeer goed bekend, maar het energieverbruik ligt nog een stuk hoger dan bij stoomreforming.
Als er fossiele brandstoffen nodig zijn om waterstof aan te maken, of elektriciteit die is opgewekt door fossiele brandstoffen, biedt waterstof nauwelijks voordelen. We blijven afhankelijk van olie en we stoten minstens evenveel broeikasgassen uit. Daarom zijn wetenschappers wereldwijd op zoek naar alternatieve methodes om waterstof te maken. Een interessante mogelijkheid is de biologische productie van waterstof. Dat onderzoek gebeurt vooral in Nederland, Japan, Zweden en de VS.
De biologische productie van waterstof kan op twee manieren gebeuren: uit biomassa of uit water. De meest tot de verbeelding sprekende techniek is de splitsing van water door algen of cyanobacteriën, genaamd fotolyse. Die term verwijst naar fotosynthese, het natuurlijke mechanisme waarmee planten, algen en sommige bacteriën koolstofdioxide omzetten in biomassa en zuurstof. Bij fotolyse wordt - net als bij electrolyse - waterstof rechtstreeks uit water gefabriceerd. Maar in plaats van elektriciteit, wordt gebruikgemaakt van micro-organismen en zonlicht. Door algen zwavel en zuurstof te ontzeggen, schakelen ze over naar een andere metabolische staat en gaan ze met de energie uit het zonlicht waterstof produceren, in plaats van te groeien.
Slangen
'Er is erg veel zout water op aarde, en dat zou je op die manier allemaal als energiebron kunnen gebruiken', zegt René Wijffels, professor mariene biotechnologie aan de Universiteit Wageningen in Nederland. 'Maar het volstaat niet een hoop van die organismen in een vijver te gooien. De meest banale reden daarvoor is dat je de gevormde waterstof wil opvangen. Het proces vindt dus plaats in een afgesloten transparante bioreactor, die verschillende vormen kan hebben: rechthoekige bakken of cilinders, platen of lange smalle buizen. We zijn bezig te achterhalen wat de beste manier is. In het tuinbouwcomplex Technogrow bij Breda liggen doorzichtige slangen van zo'n 80 tot 100 meter lang, horizontaal op de vloer. Dat water ziet fel groen van die algen en er wordt gas doorheen geborreld.'
De bioreactors worden door optische technieken optimaal door het invallende zonlicht beschenen. Maar de methode is niet zonder problemen. 'Bij het splitsen van water wordt behalve waterstof ook zuurstof gevormd', legt Wijffels uit. 'Dat remt het proces af. Het rendement van een zonnepaneel bedraagt over het algemeen zo'n 10 tot 20 procent. Bij algen is dat, in de commerciële reactoren die nu verkrijgbaar zijn, zo'n 2 tot 3 procent. Wij onderzoeken hoe je dat kan optrekken tot 20 procent. Dat is voor fotosynthese het maximum.'
Om dat maximale rendement te bereiken, rekent Wijffels op genetisch manipulatie. 'Door de algen genetisch te wijzigen, kunnen we ze minder gevoelig maken voor zuurstof, en kunnen we hun vermogen om licht te absorberen verbeteren. Daar wordt flink aan gewerkt in onderzoeksgroepen in de Verenigde Staten, Japan en Hongarije, waarmee wij samenwerken. Wij denken op korte termijn in het laboratorium rendementen te bereiken van 12 tot 15 procent, en dan kom je dus in de buurt van zonnepanelen.'
Waarom zetten we dan niet gewoon zonnepanelen op het dak, en besparen we ons de moeite van het onderzoek naar fotosynthetische algen en bacteriën? 'De grondstoffen voor de aanmaak van zonnepanelen zijn niet oneindig, en het kost energie om zonnepanelen te maken', antwoordt Wijffels. 'Daartegenover staat dat een zonnepaneel makkelijk is, het staat daar gewoon en het levert elektriciteit. Met onze algen is er altijd controle nodig: ze moeten gevoed worden, er moet gas doorheen geborreld worden, het is een beetje als planten kweken.'
Zonlicht
Willy Verstraete, professor biochemische en microbiële technologie aan de UGent, is niet zo enthousiast over fotolyse. 'Er zijn heel veel mogelijkheden in de biologie om waterstof te maken, maar de uitdaging nu is het in een vorm te brengen die competitief is. Ik zie dat eerder gebeuren uit biomassa, en niet perse uit water.'
Bij de biologische waterstofproductie uit natte biomassa wordt suiker- of zetmeelhoudend materiaal (energiegewassen, gft-afval, afvalwater) door thermofiele bacteriën gefermenteerd. Dat gebeurt in een van het zonlicht afgesloten bioreactor. Verstraete: 'De bacteriën kunnen slechts een derde van de aanwezige energie vlot omzetten naar waterstof. De rest wordt omgezet in azijnzuur. Tot voor kort was daar maar één oplossing voor en dat zijn fotobacteriën, organismen die verwant zijn aan die waarmee je bijvoorbeeld ook bier brouwt of ethanol maakt. Deze roodgekleurde bacteriën zetten het azijnzuur in een tweede bioreactor met behulp van zonlicht om naar waterstofgas. Omdat het erg traag gaat, is dit altijd de economisch remmende factor geweest. Maar sinds kort hebben we een andere mogelijkheid: de microbiële brandstofcel. Door de bacteriën in het fermentatieproces te assisteren met een klein beetje elektriciteit, veel minder dan wat nodig is voor de electrolyse van water, zetten ze ook alle azijnzuur om in waterstof.'
René Wijffels vindt de biologische waterstofproductie uit biomassa waardevol, en doet er ook zelf onderzoek naar. Toch ziet hij meer potentieel in fotolyse: 'Ook biomassa heeft geen hoog rendement. Suikerbiet, een van de meest efficiënte gewassen, heeft een fotosynthetisch rendement van 2 procent. Met een alg kan je vijf tot zeven keer meer energie produceren dan met een landbouwgewas. Bovendien zijn zonlicht en water overvloedig aanwezig, terwijl er niet voldoende biomassa is om aan de vraag naar energie te voldoen.'
Kunnen algen in al onze energiebehoeften voorzien? Wijffels aarzelt. 'Er valt voldoende licht op aarde om onze energieconsumptie te dekken, maar het probleem is dat zonlicht heel verdund op aarde valt. Je hebt een relatief groot oppervlak nodig om een energiedrager te produceren. Dat is een nadeel van alle zongedreven energieproductie, ook biomassa. Wij zijn gewend aan olie, dat een hele hoge energiedichtheid heeft. Ik denk niet dat het in Nederland of België kan. Maar ik zou naar een plek gaan waar het zonniger is. In het zuiden van Spanje heb je twee keer minder oppervlakte nodig als in Nederland.'
Waterstofproductie uit natte biomassa met microbiële brandstofcellen kan al binnen een jaar of tien commercieel rendabel zijn. Fotolyse is verder weg: 'We hebben het principe gedemonstreerd op kleine schaal', zegt Wijffels. 'Maar eer we fotolyse op grote schaal kunnen inzetten, zijn we toch twintig tot dertig jaar verder.'
De Tijd - 26/09/2005