Kan Kunstmatige Fotosynthese de Waterstofeconomie Ontgrendelen?

Vervangen van natuurlijke fotosynthese

Direct of indirect is een enorme hoeveelheid van de energie die we gebruiken geproduceerd via fotosynthese. Dit geldt uiteraard voor de calorieën die ons lichaam voeden, maar uiteindelijk ook voor fossiele brandstoffen, die simpelweg “opgeslagen” fotosynthese zijn van planten die eonen geleden zijn gestorven.

Dus, veel inspanningen zijn gericht op het verbeteren van natuurlijke fotosynthese of het benutten voor nieuwe toepassingen, zoals het creëren van biobrandstoffen uit algen. Bouwen het op schaal zou cruciaal kunnen zijn om de stijgende CO2-concentratie in de atmosfeer te beperken.

Maar wat als we het fotosyntheseproces konden nabootsen zonder met levende organismen te hoeven werken? Het is tenslotte een elektrochemisch proces dat niet per se levende cellen vereist. Dit is de belofte van zogenaamde ‘kunstmatige fotosynthese’.

Het zou ons vermogen om de energie van de zon te vangen een stap boven fotovoltaïsche systemen tillen, die “alleen” elektriciteit uit zonlicht kunnen genereren maar geen directe invloed hebben op chemische reacties.

Drie onderzoekers van het Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) en de Universiteit van Tokio hebben deze technologie mogelijk een stap dichter bij de realiteit gebracht. In een artikel gepubliceerd in Chemical Communications onder de titel “Bio‑geïnspireerde hydrogels: polymeerontwerpen voor kunstmatige fotosynthese¹”.

Hoe werkt fotosynthese?

In planten is fotosynthese, globaal gezien, het proces waarbij CO₂ en water worden opgenomen, licht als energiebron wordt gebruikt, en koolhydraten en zuurstof worden geproduceerd.

Bron: Britannica

Dat gezegd hebbende lijkt dit terug te brengen tot een zeer eenvoudige chemische vergelijking die gemakkelijk kunstmatig kan worden gerepliceerd.

Bron: Britannica

Het is een ander verhaal wanneer je kijkt naar hoe het wordt uitgevoerd. Plantenfotosynthese is eigenlijk een van de meest complexe biochemische machines, met tientallen tussenreacties, een overvloed aan subcomponenten, en soms niet goed begrepen moleculaire mechanismen die ingewikkelde elektronenbewegingen omvatten.

De synthetische uitleg van dit onderwerp in de Britannica-encyclopedie telt niet minder dan 10.000 woorden. Wetenschappers die het bestuderen moeten omgaan met veel complexere schema’s om een overzicht van fotosynthese te krijgen:

Bron: Lumen Learning

Hoewel fotosynthese in de natuur voornamelijk wordt gebruikt om koolhydraten te creëren, zou het theoretisch voor veel andere toepassingen kunnen worden ingezet waarbij licht als energiebron wordt gebruikt, bijvoorbeeld de synthese van waterstof uit water (fotocatalyse).

Bio‑geïnspireerde hydrogels voor waterstofproductie

Aangezien een van de stappen van natuurlijke fotosynthese het splitsen van water in zuurstof en 2H⁺‑atomen is, lijkt het repliceren van alleen die stap gemakkelijker dan het nabootsen van het volledige proces. Dit is waar de Japanse onderzoekers aan hebben gewerkt, met behulp van hydrogels.

Bron: Chemical Communications

Ze gebruikten functionele moleculen, zoals rutheniumcomplexen en platinumnanodeeltjes, die samenwerken om het natuurlijke proces van fotosynthese te simuleren en bekend staan als krachtige fotocatalysatoren. De innovatie zit in hoe ze deze deeltjes hebben geordend:

“Wat uniek is hier, is hoe de moleculen binnen het hydrogel zijn geordend. Door een gestructureerde omgeving te creëren, hebben we het energieomzettingsproces veel efficiënter gemaakt.”

Reina Hagiwara – PhD. student at JAIST

Bron: Chemical Communications

Verbeterde efficiëntie

Een andere belangrijke verbetering van het gebruik van hydrogel ten opzichte van eerdere methoden is dat het voorkomt dat de metalen deeltjes samenklonteren, wat de effectiviteit van het proces doorgaans vermindert.

“De grootste uitdaging was uitvinden hoe we deze moleculen konden rangschikken zodat ze elektronen soepel konden overdragen. Door een polymeer netwerk te gebruiken, konden we voorkomen dat ze samenklonterden, wat een veelvoorkomend probleem is in synthetische fotosynthesesystemen.”

Kosuke Okeyoshi – Universitair hoofddocent aan JAIST

Het eindresultaat was een veel efficiëntere fotocatalyse, die meer waterstof produceerde dan oudere technieken.

Bron: Chemical Communications

Lichtvangende gel

Een andere factor in de verbeterde efficiëntie is dat de gel het licht praktisch vasthoudt, waardoor de kans toeneemt dat de gewenste chemische reactie wordt aangedreven.

De zorgvuldige vervaardiging van de microgel werd geoptimaliseerd om diameters te creëren die kleiner zijn dan de golflengte van zichtbaar licht. Dit maakte ook integratie van de platin- en rutheniummicroscopische deeltjes in de gel in een georganiseerd netwerk mogelijk.

Bron: Chemical Communications

De sleutel tot de waterstofrevolutie?

Waterstof, of ammoniak gemaakt van waterstof, wordt al lange tijd beschouwd als een potentieel ideale brandstof om de wereld van groene energie te voorzien.

Doordat het in chemische vorm is in plaats van elektrisch, kan waterstof groene energie over een veel langere periode opslaan en een betere vervanging voor fossiele brandstoffen zijn dan batterijen in belangrijke toepassingen zoals scheepvaart of zware industrieën.

Het probleem is dat de productie van waterstof via elektrolyse een zeer energie‑intensief en bovendien redelijk inefficiënt proces is. Dit leidt ertoe dat het grootste deel van de groene energie die wordt gebruikt om waterstof te produceren, wordt verspild, wat de economische haalbaarheid schaadt.

Dit efficiëntieprobleem van groene waterstof is fundamenteel dat het huidige concept te veel stappen vereist: licht → gelijkstroom → elektrolyse → waterstofproductie. Elke extra stap vermindert de efficiëntie en brengt extra kapitaal‑ en resourcekosten met zich mee voor de betrokken apparatuur.

Dit wordt nog erger als de gelijkstroom moet worden omgezet in wisselstroom en via het net van zonneparken naar de waterstofsyntheselocatie moet worden getransporteerd.

Directe fotocatalyse zou het omzetten in “licht → waterstofproductie” zonder tussenstappen.

De volgende stappen

Betere polymeren

Deze publicatie toont aan dat een zorgvuldig geordend netwerk van fotocatalytische deeltjes een keerpunt kan betekenen in waterstofproductie. Het hier gebruikte hydrogel is wellicht slechts een eerste stap.

De onderzoekers verwachten dat meer geavanceerde polymeer netwerken zullen worden ontworpen. Dit zou kunnen inhouden dat de katalytische componenten niet alleen als kleine deeltjes, maar als lange, dunne moleculaire ketens worden gefixeerd, waardoor het contactoppervlak en de lichtvangst toenemen. Het toekomstige gebruik van natuurlijke supramoleculen, zoals tubuline/microtubuli, is eveneens mogelijk.

Meer dan waterstof

De studie richtte zich op waterstofproductie, maar dit is verreweg niet de enige chemische reactie die door zonlicht kan worden gekatalyseerd.

Bijvoorbeeld, Japanse onderzoekers in Osaka hebben een manier gevonden om fumaarzuur te genereren uit bicarbonaat en op biomassa afgeleid pyruvaanzuur, door een andere vorm van kunstmatige fotosynthese te gebruiken.

Voorbij platina

Veel van de waterstofproductiemethoden vertrouwen op het splitsen van watermoleculen met behulp van platina of andere zeldzame metalen uit dezelfde familie als ruthenium. En dit zou een van de argumenten kunnen zijn om te investeren in platina, naast de groeiende populariteit van hybride voertuigen.

Tegelijkertijd heeft de hoge kostprijs van platina onderzoekers aangemoedigd om kostenefficiëntere alternatieven te zoeken.

U kunt enkele voorbeelden lezen in Vooruitgang in waterstofproductie met nikkelgebaseerde elektrolyse en Waterstof genereren door water te splitsen met ingebedde schaafmateriaal.

Misschien kunnen deze vooruitgangen in alternatieven voor platina worden gecombineerd met het hierboven besproken hydrogel en de fotocatalyse, om een zeer goedkope waterstofproductiemethode te creëren die alleen goedkope metalen, polymeren en zonlicht gebruikt.

Investeren in kunstmatige fotosynthese & waterstof

Kunstmatige fotosynthese is momenteel nog sterk een zich ontwikkelend experimenteel veld. De potentie van de waterstofeconomie is echter groot genoeg om veel bedrijven klaar te maken om in deze mogelijkheid te investeren.

Aangezien veel waterstofproductiemethoden afhankelijk zijn van platina, kan dit een optie zijn: het is daadwerkelijk mogelijk om platina direct te kopen als fysieke metaalinvestering, waarbij de meeste edelmetaalhandelaren munten en metalen staven van platina aanbieden. Platina sieraden zijn eveneens een mogelijkheid.

Handelsbare fysieke platina‑voorraad kan ook worden benaderd via de abrdn Physical Platinum Shares ETF (PPLT) en de GraniteShares Platinum Trust (PLTM).

U kunt investeren in waterstofgerelateerde bedrijven via vele brokers, en u kunt hier, op securities.io, onze aanbevelingen vinden voor de beste brokers in de VS, Canada, Australië, en het VK, en vele andere landen.

Als u niet geïnteresseerd bent in het selecteren van specifieke waterstofgerelateerde bedrijven, kunt u ook kijken naar ETF’s zoals de VanEck Rare Earth and Strategic Metals ETF (REMX) voor het platina‑aspect, of waterstof‑gerichte ETF’s zoals de Global X Hydrogen ETF (HGEN) of de VanEck Hydrogen Economy UCITS (HDRO) die een meer gediversifieerde blootstelling bieden om te profiteren van het potentieel van waterstof als energiebron.

Waterstofbedrijf

(BLDP )

Ballard is een fabrikant van brandstofcellen en een pionier in de technologie met zijn eerste brandstofcelbus in 1993.

Het bedrijf richt zich op zware markten: bussen, vrachtwagens, treinen/trams, schepen, mijnbouw/constructie en energie. Terwijl bussen de kern van de onderneming vormen, verwacht het bedrijf dat tegen 2025 vrachtwagens een belangrijk zakelijk segment zullen zijn. Het verwacht ook dat Europa zijn belangrijkste markt blijft (50‑60 %), gevolgd door Noord‑Amerika (25 %).

Brandstofcellen voor vrachtwagens worden verwacht te blijven groeien en vertegenwoordigen een markt van $7,5 mrd in 2030 (van een totale adresseerbare markt van $195 mrd), bijna zo groot als alle andere waterstof‑/brandstofceltoepassingen samen.

Bron: Ballard

Vanwege het hogere vermogen dat vereist is en de behoefte aan snel opladen, zijn zware voertuigen een goede keuze gebleken voor waterstof en brandstofcellen ten opzichte van lichtere voertuigen zoals auto’s.

Het vermindert ook de noodzaak voor bovenleiding bij spoorwegen en snel opladen voor langeafstandsvervoer.

Bron: Ballard

Het bedrijf is ook niet onbekend met ammoniak, met bijvoorbeeld een recent contract met Amogy om brandstofcellen te leveren voor haar “ammoniak‑naar‑energie platform dat afhankelijk is van unieke ammoniak‑splijttechnologie”.

Hoewel elektrische voertuigen een redelijke kans hebben om snel de automarkt over te nemen, zijn zwaardere voertuigen moeilijker te decarboniseren.

Met haar gevestigde leiderschap in de sector zou Ballard een belangrijke begunstigde zijn van een beleidsverschuiving richting een waterstofeconomie.

De focus op brandstofcellen stelt het bedrijf ook in staat te profiteren van elke kostenbesparing in waterstofgeneratietechnologie, ongeacht de methode, met of zonder platina, en met of zonder fotocatalyse.

Studieverwijzing:

^{1. Hagiwara, R., Yoshida, R., & Okeyoshi, K. (2024). Bio‑geïnspireerde hydrogels: polymeerontwerpen voor kunstmatige fotosynthese. Chemical Communications, 60, 13314–13324. https://doi.org/10.1039/D4CC04033C}