Bijna elk levend wezen op deze planeet draait op zonne-energie. Het mechanisme is eenvoudig: planten zetten zonlicht om in chemische energie. Dieren eten de planten. Mensen eten de dieren of de planten. We verbranden hout, steenkool of verwerkte gewassen om warmte te krijgen. Aardolie is slechts eeuwenoude biomassa die in de loop van miljoenen jaren is gefossiliseerd. Zelfs biobrandstoffen van de eerste generatie zijn afkomstig van maïs, suikerriet of plantaardige olie. Het is een gesloten lus.
De lus is gebroken.
Aardolie is rommelig. Het creëert geopolitieke instabiliteit. Het vervuilt. Biobrandstoffen van de eerste generatie zijn niet CO2-neutraal. Ze vereisen het verbranden van andere brandstoffen om te raffineren. Het grotere probleem is het landgebruik. Wanneer je voedselgewassen omzet in brandstof, daalt het aanbod. Prijzen pieken. De honger neemt toe. Politieke spanning volgt.
Is er een betere manier?
Onderzoekers kijken vanuit een andere hoek. Ze willen energie uit gewassen zonder deze te doden. Ze willen land gebruiken dat niet geschikt is voor voedsel. Ze willen dat microben het zware werk doen. Dit is het kernconcept achter plantmicrobiële brandstofcellen.
Planten staan in de spotlight. Microben krijgen de schuld. Beide zijn essentieel. Cyanobacteriën vormen de basis van de voedselketen. Darmmicroben helpen ons te verteren. Bodembacteriën recyclen afval tot voedingsstoffen voor planten. Decennia lang hebben wetenschappers dit microbiële metabolisme bestudeerd. Ze wilden de energie oogsten.
In de jaren zeventig hadden ze een prototype.
Deze vroege apparaten werden microbiële brandstofcellen genoemd. Ze wekken elektriciteit op via chemische reacties, aangedreven door microben. De output is laag vermogen. Maar het is hernieuwbaar. MFC’s kunnen verontreinigende stoffen monitoren. Ze kunnen helpen het water schoon te maken. Ze kunnen ontzilten. Ze kunnen externe sensoren van stroom voorzien.
Er is een beperking.
MFC’s hebben voedsel nodig. Meestal is dat voedsel organisch afval in het afvalwater. De onderzoekers realiseerden zich iets eenvoudigs. Planten scheiden suikers uit in de bodem. Vanuit het perspectief van de plant is dit verspilling. Het is brandstof voor de bodemmicroben. Het is een eindeloos buffet op zonne-energie. Waarom het afval verzamelen als je gewoon de levende wortel kunt aansluiten?
Het idee kreeg vaste voet.
In 2008 begonnen er papieren te verschijnen. De eerste door planten aangedreven MFC’s werden aangekondigd. Het potentieel was duidelijk. De technologie is schaalbaar. In ontwikkelingsregio’s zouden dorpen zelfvoorzienend kunnen worden. Boerderijen zouden zichzelf van stroom kunnen voorzien. In geïndustrialiseerde landen zouden we onze ecologische voetafdruk kunnen verkleinen. We zouden stroom uit wetlands kunnen halen. We zouden kassen kunnen gebruiken. We zouden ze kunnen integreren in bioraffinaderijen.
Het klinkt te mooi om waar te zijn.
Maar het is slechts een nieuwe draai aan een oud idee. Dit zijn plantmicrobiële brandstofcellen. Ze zijn groen. Ze zijn stil. Ze zijn nog maar net begonnen.
De chemie van de levende kracht
Je zou kunnen denken dat elektriciteit draden en netwerken nodig heeft, maar de natuur heeft al eeuwenlang zijn eigen micro-energiecentrales onder onze voeten draaiende gehouden. Het is geen magie. Het is gewoon biologie met een elektrische twist.
Planten zijn drukke fotosynthesemachines. Ze nemen zonlicht op, zetten het om in chemische energie en slaan het op als suikers. Maar ze bewaren niet alles. Ze scheiden afval via hun wortels af naar de rhizosfeer. Dat is de bodemzone die rechtstreeks wordt beïnvloed door wortelafscheidingen. Daar leven bacteriën. Ze eten de suikers en eiwitten die de plant uitspuugt.
Deze relatie is de motor van een Plant Microbiële Brandstofcel (PMFC). De fabriek levert de brandstof. De bacteriën zorgen voor het mechanisme. Zolang de zon schijnt en de plant groen blijft, heeft de bacterie een maaltijdbon. En die maaltijd levert elektriciteit op.
Ja, de eerste wet van de thermodynamica is nog steeds van toepassing. Je kunt niet uit niets energie halen. De zon is de externe bron. Maar de conversie gebeurt precies daar in de modder.
Hoe microben voedsel in stroom veranderen
Dus hoe zorgt het eten van suiker voor een vonk? Het is chemie. Concreet gaat het erom een reactie in tweeën te splitsen.
In een standaard verbrandings- of ademhalingsmodel reageren glucose en zuurstof om koolstofdioxide en water te produceren. De vergelijking ziet er schoon uit:
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O
Maar cellen doen dat niet in één grote sprong. Ze verdelen het in stappen. Bij sommige van die tussenstappen komen elektronen vrij. Elektronen zijn wat we nodig hebben voor stroom.
In plaats van de volledige reactie splitst het microbiële proces zich als volgt:
C6H12O6 + 6H2O → 6CO2 + 24H+ + 24e-
Zie je de elektronen (e-) aan de rechterkant? Dat zijn de vrije agenten. Ze willen ergens heen. Ze willen combineren met zuurstof.
Deze splitsing definieert de twee helften van de brandstofcel.
De eerste helft vindt plaats in de rhizosfeer. Het is donker, nat en vol bacteriën die wortelafscheidingen afbreken. De plantenwortels, het afval en de microben delen deze ruimte.
De tweede helft bevindt zich aan de andere kant van een permeabel membraan. In de natuur is dat membraan de grens tussen bodem en water. Het is daar zuurstofrijk.
Het circuit is gesloten
Hier gebeurt de magie. De protonen (H+) en elektronen (e-) uit de eerste helft moeten zuurstof ontmoeten om de reactie te voltooien.
In de tweede kamer combineren ze met zuurstof om water te maken:
6O2 + 24H+ + 24e- → 12H2O
De protonen stromen door het ionenuitwisselingsmembraan. Hierdoor ontstaat er een netto positieve lading. De elektronen? Ze kunnen het membraan niet passeren. Ze nemen dus de lange weg. Ze stromen door een externe draad om bij de zuurstofzijde te komen.
Die stroom is actueel. Voila. Je hebt zojuist iets aangedreven met plantaardig afval.
Potentiële problemen uitroeien
Het klinkt perfect. Schone energie. Geen bewegende delen. Maar er zijn problemen.
We begrijpen niet volledig hoe elektroden het wortelmilieu beïnvloeden. Het plaatsen van metalen sondes in de grond verandert alles. Het zou de beschikbaarheid van voedingsstoffen kunnen verminderen. Het kan het immuunsysteem van een plant verzwakken. Als de plant sterft, stopt de brandstofcel.
Dan is er het locatieprobleem. PMFC’s werken het beste in wetlands en akkerlanden. Dit zijn beschermde gebieden. Milieugoedkeuring voor het installeren van elektroden in beschermde wetlands gaat een juridische nachtmerrie worden.
Er is echter een potentieel voordeel. Microbiële brandstofcellen in afvalwater kunnen ammonium oxideren en nitraten verminderen. Afvloeiing van landbouwgrond is een groot probleem voor wetlands. Als PMFC’s kunnen helpen dat water schoon te maken en tegelijkertijd energie op te wekken, kunnen ze het milieurisico compenseren.
Het is een afweging. We kijken naar een technologie die het land kan genezen en tegelijkertijd van stroom kan voorzien. Maar we moeten precies weten wat die elektroden met de wortels doen voordat we ze overal planten.
De wetenschap is solide. De techniek is rommelig. De toekomst is modderig.
De grenzen van groene elektriciteit
Kijk eens naar een PMFC-opstelling in 2012. Het lijkt op een tuin. Concreet een waterrijke tuin. Rietmannagras, rijst, koordgras of reuzenriet groeien in de grond. Kleurrijke draden strekken zich uit het vuil. Dat is de enige aanwijzing dat er energie wordt opgewekt.
Ze produceren niet veel stroom. Nog niet. Ze werken alleen in water.
Maar de wetenschap is in beweging. Onderzoekers worden gedreven door een groter probleem: het voedsel-energieconflict. Biobrandstoffen zetten de mondiale voedselvoorziening onder druk. PMFC’s bieden een uitweg. Ze vereisen geen leeglopende rijstvelden. Boeren kunnen voedsel blijven verbouwen. Dorpen kunnen deze systemen in wetlands installeren. Arme grondgebieden kunnen energie opwekken zonder bouwland te stelen.
Kassen zouden ze het hele jaar door kunnen laten draaien. Open velden? Dat is afhankelijk van het seizoen.
Lokale energie vermindert de noodzaak om brandstof te vervoeren. Minder scheepvaart betekent minder CO2-uitstoot. Het klinkt als een overwinning.
Er is een knelpunt. Een grote. De plant zelf.
Fotosynthese is inefficiënt. Chloroplasten absorberen alleen licht in het bereik van 400-700 nanometer. Dat is 45 procent van de zonnestraling. De rest stuitert af. Planten verspillen de rest.
C3- en C4-planten gaan hier anders mee om. C3-planten vormen eerst moleculen met drie koolstofatomen. Ze vormen 95 procent van de soorten. Bomen, tarwe, rijst. Hun theoretische efficiëntie bedraagt 4,6 procent. In werkelijkheid bereikten ze 70 procent daarvan. Ongeveer 3,2 procent.
C4-planten? Maïs. Suikerriet. Ze vormen moleculen met vier koolstofatomen. Ze zijn beter. Theoretische limiet: 6 procent. Praktische grens: ongeveer 4,2 procent.
Dan komt de grond. Slechts 20 procent van de plantaardige biomassa bereikt de wortelzone. De rhizosfeer. Van daaruit wordt slechts 30 procent voedsel voor microben. De microben doen hun werk. Ze spugen elektronen uit.
PMFC’s vangen 9 procent van die microbiële energie op als elektriciteit.
Doe de wiskunde.
Voor C3-planten: 0,70 x 0,046 x 0,20 x 0,30 x 0,09.
Resultaat: 0,017 procent conversie van zonne-energie naar elektriciteit.
Voor C4-planten: 0,70 x 0,060 x 0,20 x 0,30 x 0,09.
Resultaat: 0,022 procent.
Kleine cijfers. Maar sommige onderzoekers vinden deze modellen te pessimistisch. Als het potentieel groter is, winnen consumenten.
Waterstof Hoop
Brandstofcellen winnen terrein. Ze geven auto’s meer actieradius dan accu’s. Ze passen beter bij grote voertuigen. Eind 2012 nam de belangstelling toe.
Waterstofbrandstofcellen lijken groen. Dat zijn ze niet. Voor het maken van waterstof zijn enorme hoeveelheden elektriciteit nodig. Het proces is niet koolstofneutraal. Het verslaat het doel.
PMFC’s produceren op natuurlijke wijze waterstofgas. Via hetzelfde microbiële proces dat elektriciteit opwekt. Dit zou de sleutel kunnen zijn tot een echte groene waterstofproductie.
Van aardolie tot ploegscharen
De verschuiving van olie naar planten gaat niet alleen over brandstof. Het gaat over landgebruik. Het gaat om het stoppen van de concurrentie tussen voedsel en energie. Wetlands worden energiecentrales. Rijstvelden worden hybride systemen. De grond werkt harder. Het elektriciteitsnet wordt schoner.
De efficiëntie is laag. De technologie is jong. Maar het alternatief – het uitgraven van olie in de aarde – voelt steeds meer achterhaald. De wortels zijn klaar.
De technologie is niet feilloos. Plantmicrobiële brandstofcellen (PMFC’s) zitten vast in een touwtrekken. Het substraat moet plantenwortels ondersteunen en tegelijkertijd de elektronenoverdracht faciliteren. Deze twee doelen strijden vaak met elkaar. Neem de pH-waarden. Als de zuurgraad tussen de twee celkamers verschilt, snellen ionen door het membraan om de boel in evenwicht te brengen. Hierdoor wordt de spanning kortgesloten. Het elektrische potentiaal daalt. Ingenieurs moeten dit oplossen.
Los de knikken op en het potentieel is enorm. Het hangt allemaal af van de energiedichtheid. Een onderzoek uit 2008 schatte de jaarlijkse productie op 21 gigajoule per hectare. Dat is 5.800 kilowattuur per 2,5 hectare. Nieuwere gegevens suggereren dat dit aantal zou kunnen stijgen tot 1.000 gigajoule per hectare.
Om dat in perspectief te plaatsen, overweeg de basislijn:
– Eén vat olie bevat ongeveer 6 gigajoule aan chemische energie.
– Europa telt 13,7 miljoen boeren. De gemiddelde bedrijfsgrootte bedraagt 12 hectare.
– De VS heeft 2 miljoen boeren. De gemiddelde bedrijfsgrootte bedraagt 180 hectare.
Voer de cijfers uit. Als slechts 1 procent van de Amerikaanse en Europese landbouwgrond zou overstappen op plantaardige microbiële brandstofceltechnologie, zou de opbrengst enorm zijn. Europa zou jaarlijks 34,5 miljoen gigajoule kunnen genereren. De VS zouden 75,6 miljoen gigajoule kunnen bereiken.
Vergelijk dat met het verbruik. In 2010 verbrandden de 27 EU-landen 1.759 miljoen ton olie-equivalent (TOE). Dat komt overeen met 74,2 miljard gigajoule. Of 20,5 biljoen kilowattuur. TOE is de standaardmaatstaf voor het vergelijken van energiebronnen. Eén ton olie-equivalent.
In dit vereenvoudigde model zijn PMFC’s slechts een druppel op een gloeiende plaat. Een enorme daling, maar nog steeds een daling vergeleken met de totale vraag. Toch is het een druppel zonder vervuiling. Het komt uit groene velden, niet uit schoorstenen of windturbines die vogels doden.
Dit is nog maar het begin. Onderzoekers ontwikkelen bacteriën die sneller afval eten. Tussen 2008 en 2012 hebben aanpassingen aan de substraatchemie in sommige tests de elektrische output verdubbeld. PlantPower, een belangrijke speler op dit gebied, beweert dat geperfectioneerde PMFC’s 20 procent van de primaire energie van Europa zouden kunnen leveren. Dat is kracht die rechtstreeks uit natuurlijke, ongetransformeerde bronnen wordt gehaald.
De kosten vormen nog steeds de barrière. Ze moeten goedkoper en efficiënter zijn voordat ze op grote schaal worden toegepast. Er is vooruitgang gaande. Fabrikanten laten edele metalen achterwege voor geleidende koolstofelektroden. Het bespaart geld. In 2012 kostte het runnen van een opstelling van één kubieke meter in een laboratorium $70.
Denk eens aan de bijkomende voordelen. Verwijdering van verontreinigende stoffen. Vermindering van broeikasgassen. Als investeerders en overheden de waarde inzien, kunnen PMFC’s de energiecentrales van de toekomst worden. Of misschien planten ze gewoon het zaadje voor iets dat nog beter is.
