CO2 -> Fotosynthese -> Suiker als brandstof

[willyb]

Recent las ik dat bedrijven als Lanzatech druk in de weer zijn brandstof te ontwikkelen vanuit CO2. 
Nu is het even geleden dat ik iets las over fotosynthese, maar als ik het mij goed herinner is dat 6 CO2 + 6 water => fotosynthese (boom of blauwalg) => Suiker + Zuurstof.
 
Als je dus vrij eenvoudig (de natuur doet het al voor je) suiker en zuurstof kunt maken uit CO2, is het dan niet zonde om veel moeite te steken is de verdere stap naar brandstof? Is het niet eenvoudiger een aandrijving te maken die suiker als energiebron gebruikt (net als de mens zelf)? 

[Benm]

Dat verschilt: In principe is wat je daarmee voorstelt gewassen te telen, en die vervolgens direct te gebruiken voor het opwekken van energie waarmee je iets uit aandrijven. 
 
Praktisch gebeurt precies dat door bijstoken van biomassa in kolencentrales: je haalt de suikers (of polysacchariden) uit planten en stookt ze op om een generator aan te drijven, die stroom op het net zet waar vervolgens een trein op kan rijden, of je je electrieke auto mee kunt opladen. 
 
In het verleden is dat ook wel gedaan door auto's te verzien van een 'houtvergasser' waarbij je ergens achterop een vat met hout deels liet verbranden, en het (CO-rijke) vrijkomende gas gebruikte om een verbrandingsmotor aan te drijven. Als je googled op 'wood gas car' kun je een hoop leuke voorbeelden vinden, al is het allemaal weinig praktisch nuttig. 

[Marko]

Als je dus vrij eenvoudig (de natuur doet het al voor je) suiker en zuurstof kunt maken uit CO2, is het dan niet zonde om veel moeite te steken is de verdere stap naar brandstof? Is het niet eenvoudiger een aandrijving te maken die suiker als energiebron gebruikt (net als de mens zelf)? 

 
Nee, dat is zeker niet eenvoudiger. Al was het maar omdat suiker een vaste stof is die je ook niet vloeibaar kunt maken. Dat maakt het traject van de tank naar de motor en injectie in de motor een stuk ingewikkelder dan wanneer het om een vloeistof of een gas zou gaan. 
 
Bij doorsnee omstandigheden wordt in een motor 50 keer per seconde een hoeveelheid brandstof in een cilinder gespoten. Per keer een hoeveelheid van pak 'm beet 20 mg. Zulke kleine beetjes, met zo'n snelheid doseren, is nogal een uitdaging.
 
Daarnaast is het (laten) maken van suiker misschien wel makkelijk, maar dat is dan ook het enige voordeel. Het proces van fotosynthese is heel erg indrukwekkend, en de verbranding van suiker in onze cellen overigens ook, maar het hele traject is behoorlijk inefficiënt. Al met al slaan planten minder dan 1% van de energie van het invallende zonlicht om in chemische energie; en bij de omzetting daarvan gaat ook meer een behoorlijk deel verloren.
 
Als je brandstoffen wil maken uit CO2 ligt het dus niet zo voor de hand om dat via fotosynthese te doen. Er is een veel efficiënter proces nodig, en bovendien moet je een proces hebben dat een vloeibare brandstof oplevert. 
 
Maar wat mij betreft ligt de nadruk op als. De hoeveelheid CO2 in de atmosfeer is zó laag dat het sowieso nooit rendabel zal zijn. Daarnaast kost de omzetting energie, en er zijn talloze andere en efficiëntere manieren om energie te transporteren en te gebruiken, dan om er CO2 mee om te zetten in een brandstof. 

[Benm]

Het probleem is natuurlijk ook dat planten het niet bij omzetting naar  suikers laten, maar vervolgens zaken als cellulose en lignine gaan maken om structuur te krijgen. Met pure suiker zou je nog wel een eind kunnen komen: vergisten (levert mogelijk nuttige restwarmte op), de geproduceerde ethanol concentreren (wellicht kun je hier wat met die restwarmte) en dat als vloeibare brandstof gebruiken. 
 
Een lastige factor is ook de benodigde schaal om enig verschil te maken. Wereldwijd verstoken we -dagelijks- pakweg 100 miljoen vaten olie, of zo je 15 wilt 15 miljard liter. Nederland gebruikt overigens nog geen procent van het wereldtotaal, maar toch nog wel in de orde van 10 miljoen liter: dat is een opslagvat van 100 meter hoog, 100 meter breed en een kilometer lang. 
 
Die schaal geeft een beetje te denken hoe je dat ooit met biomassa kunt vervangen, het gaat niet om hoeveelheden zwembaden die je moet vullen maar eerder diverse voedbalstadia die je vol zou moeten gieten, per dag. 

[Marko]

Ik zie niet zo goed in hoe je met de mogelijke restwarmte van vergisting (40 graden) alcohol gaat destilleren. Voor de rest is restwarmte eigenlijk arbeidsverlies. Bovendien stuur je door vergisten sowieso 1/3 van je CO2 weer terug de atmosfeer in.

Maar het grootste probleem is de inefficiëntie van fotosynthese. Dáárom kun je nooit op de schaal produceren die nodig zou zijn om fossiele brandstoffen te vervangen. Zelfs als je alle landbouwgrond zou benutten kom je nog niet aan 10% daarvan; en dan moet iedereen honger lijden.

Gewoon uit het hoofd zetten is beter. Er zijn talloze betere manieren om zonlicht om te zetten in nuttige energie en er zijn talloze betere toepassingen van biomassa dan het te verbranden.

[Benm]

Wellicht, maar ik vind het toch te eenvoudig het te verwerpen omdat het niet efficient zou zijn:
 
Uiteraard levert een gangbaar zonnepaneel per vierkante meter veel meer nuttige energie op dan een gewas.
 
Maar stel dat je het grootschalig wilt doen, bijvoorbeeld een gebied van 100x100 kilometer: De kosten van 10 miljard vierkante meter zonnepaneel zijn gigantisch, voor zover uberhaupt te produceren. Landbouw op een dergelijke schaal vergt ook forse investeringen, maar is wel haalbaar - vooralsnog vooral voor voedselproductie waarbij je direct een eetbaar product maakt, of veevoer dat langs die kant als voedsel dient. 
 
Vervolgens kom je op een punt dat je veel meer gewas oogst dan je kunt opeten, en dan is de oplossing vooralsnog vrij simpel: exporteren. In nederland doen we dat heel aardig, en exporteren pakweg 80 miljard euro aan voedsel per jaar, alleen de VS exporteert meer. 
 
Maar als de halve wereld met onze efficientie gewassen gaat verbouwen is er natuurlijk weinig markt meer voor, terwijl de behoefte aan energie blijft bestaan. In dat scenario zul je toch iets anders moeten gaan bedenken. 
 
Voor nu is de meest effectieve manier om olie uit zonlicht te krijgen voor ons domweg gewassen verbouwen, die exporteren en met de opbrengst daarvan olie te kopen. Maar of dat zo zal blijven? Ik heb er mn twijfels bij. 

[Marko]

Het is juist wel heel eenvoudig te verwerpen. De vraag naar vloeibare brandstoffen, is zó groot dat je dat nooit geproduceerd krijgt met de omzetting uit gewassen. En dat is dan nog maar een deel van de totale energievraag. Dat is geen verschil van procenten dat je door efficiënter te produceren wel voor elkaar krijgt. Het is een verschil van ordegroottes. Je stelt dat het makkelijker is om 10000 km² landbouwgrond te beplanten dan om hetzelfde oppervlak met zonnepanelen belegd te krijgen. Maar los van de vraag waar je zomaar even 10000 km² extra landbouwgrond vandaan tovert (de grootste uitbreiding van landbouwgrond in Nederland betrof de aanleg van de Flevopolder, en dat was 1/10 van dat oppervlak) is de vergelijking die je moet maken: energie uit zonnepanelen vs energie uit gewassen. En zonnepanelen leveren zo'n 100 keer meer energie per oppervlak dan de omzetting via ethanol zou doen:
 
1 ha grond, dat is 10.000 m², dat levert met gemak 1 miljoen kWh elektriciteit per jaar (in Nederland: 125 kWh/m²/jaar maar laten we het afronden op 100)
 
1 ha grond, levert (afgerond naar boven) 10 ton graan per jaar, waarvan je 4000 kg zetmeel kunt produceren, en daarmee produceer je 1400 kg ethanol. Ethanol levert bij verbranding ongeveer 25 MJ/kg, dat is 7 kWh/kg. Per hectare hebben we het dus over 10.000 kWh per jaar, 1% van de opbrengst van zonnepanelen.
 
Een eerlijke vergelijking zou dus zijn: 10 Flevopolders aanleggen tegenover 100 km² zonnepaneel, 100 miljoen m2 dus oftewel 60 miljoen panelen om dezelfde hoeveelheid energie te produceren. 
 
De vraag is dan, wat is dán de grotere investering? En hoe snel krijg je het een ten opzichte van het ander voor elkaar?
 
Aan 100 km² (60 miljoen stuks) zonnepaneel ben je, laten we ruim rekenen, 10 miljard kwijt. De huidige jaarlijkse productie van zonnepanelen overstijgt de miljard panelen per jaar, en daar is genoeg ruimte voor uitbreiding, sterker nog, dat neemt jaarlijks toe. We hebben het dus over een paar procent (vooruit, 10 van de jaarlijkse productie). 
 
De aanleg van de Flevopolder kostte 2 miljard, in guldens weliswaar maar met inflatie mag daar tegenwoordig gerust euro's voor invullen. De aanleg duurde in totaal 14 jaar. En daar heb je er dan 10 van nodig.
 
We hebben het dan overigens over een energieproductie genoeg voor de helft van de huishoudens in Nederland. Zou je alle huishoudens van elektriciteit willen voorzien, dan zou Nederland dus 20 Flevopolders moeten aanleggen, en voor de rest van de energievraag nog eens pak m beet 40 erbij.
 
Volkomen onhaalbaar dus, om de benodigde energie uit zelf verbouwde gewassen te halen. Dat geldt voor Nederland, maar de uitdaging is in andere landen alleen maar groter. Een woestijn is niet zomaar even omgezet in vruchtbare grond, bergen en rotsen ook niet, en tropisch regenwoud kappen om er plantages aan te leggen kan ook niet overal. Wie weet hebben we mazzel en smelt al het ijs op Antartica, dan hebben we er een hoop nieuw oppervlak bij. 
 
Nee, Nederland kan zich beter richten op de productie van voedsel op de vele stukken vruchtbare landbouwgrond, de productie van windenergie op alle plaatsen waar het ruimschoots waait, en en productie van zonne-energie op de talloze daken die hier liggen. En ook de rest van de wereld kan beter voedsel verbouwen waar het kan en voor de energie naar andere manieren kijken.