Auto`s op waterstof -met dank aan de bacteriën

Auto's op waterstof -met dank aan de bacteriën
Een auto op waterstof vervuilt niet, dus waterstof is de brandstof van
de toekomst. Het probleem is alleen dat het niet in ongebonden vorm voorkomt. Maar er zijn wel bacteriën die het
maken.


Bacteriën doen het werk
Alleseters uit de rioolwaterzuivering
waterstofbus
Door Rik Nijland- De stroommeter wijst 20,73 milliampère aan. Bert Hamelers van de afdeling Milieutechnologie schrikt
ervan. ‘Dat kan nooit’, moppert hij. ‘Oh ja, ik weet het weer; het is 120,73 milliampère! Inmiddels produceren we zoveel
stroom dat het display van de meter het niet meer aankan.’
In de techniekhal van het Biotechniongebouw van de Wageningse Universiteit staat de onderzoeker voor een kierende
glazen kast met bovenop een fors airconditioningapparaat om de temperatuur op peil te houden. Niet state of the art, maar
in de kast voltrekt zich volgens Hamelers wel degelijk een mirakel: bacteriën die stroom produceren, of, naar believen,
zuivere waterstof.
Omdat fossiele brandstoffen opraken, is waterstof de heilige graal van de toekomstige energievoorziening, bij voorkeur te
gebruiken als brandstof in zogeheten brandstofcellen. Die binden waterstof aan zuurstof, waarbij energie in de vorm van
elektriciteit vrijkomt, zonder lawaai en verontreiniging. In principe is het daarmee mogelijk om schone auto’s te laten
rijden, maar er is een probleem: waterstof komt niet op aarde voor.
Beschikbaar is het wel, want in de Botlek wordt het al tientallen jaren op grote schaal gemaakt voor de chemische
industrie, maar dan wel uit fossiele brandstof. Om waterstof uit duurzame bronnen als wind- en zonne-energie te
produceren, ligt elektrolyse, splitsing van watermoleculen met hulp van elektriciteit, het meest voor de hand. ‘Daarbij
gaat wel heel veel energie verloren, maar uiteindelijk kunnen we niet zonder’, denkt Frank de Bruijn, manager van de
onderzoeksunit Waterstof & Schoon Fossiel van onderzoeksinstituut ECN.
Bacteriën doen het werk
Of zijn er toch efficiëntere, schone methoden? Wetenschappers in Wageningen grijpen voor duurzame waterstofproductie
terug op een oeroude natuurlijke productiewijze: bacteriën doen het werk op basis van biomassa. De eerder genoemde
onderzoeksgroep van Hamelers is pas sinds kort daarmee aan de slag, maar zijn collega Pieternel Claassen van de
Agrotechnology & Food Sciences Group, ook te Wageningen, is al ruim acht jaar bezig met bacteriële omzetting van
restproducten van de levensmiddelenindustrie, dan wel van energiegewassen als zoete sorghum.
Met een gestaag toenemend aantal partners -inmiddels zijn het er meer dan dertig, tot in Japan, Rusland en Zuid-Afrika
aan toe -werkt ze aan een biologisch productiesysteem voor waterstof. Dat is een tweetrapsproces met als belangrijkste
werkpaard caldicellulosiruptor saccharolyticus door haar aangeduid als ‘mijn beesten’. Deze warmteminnende bacteriën
zetten onder zuurstofloze omstandigheden in een reactor (inmiddels opgeschaald tot ongeveer vierhonderd liter) bij 70
graden koolhydraten om in allerhande zuren en produceren daarbij waterstof (en kooldioxide).
Daarna komt de bottleneck. Om de zuren verder af te breken, wordt een andere bacterie gebruikt: rho-dobacter
capsulatus. Ook die maakt waterstof, maar heeft daar een extra steuntje in de rug bij nodig, namelijk licht. Probleem is dat
de bacteriën hun eigen milieu troebel maken, waardoor het beschikbare licht langzaam wordt gedimd. In principe kan zo,
aldus Claassen, 70 procent van de energie worden omgezet in waterstof. Wordt de moeizame tweede stap vervangen door
methaanvergisting dan is de opbrengst nog altijd 60 procent.
Volgens berekeningen van de onderzoekster zal een enorm oppervlak, zo’n 250 tot 500 hectare met energiegewas, nodig
zijn om waterstof te maken voor tweeduizend huishoudens. Gebruik van biologisch afval ligt daarom meer voor de hand.
Claassens hart gaat vooral uit naar aardappelstoomschillen (een restproduct uit de aardappelindustrie) als basis voor haar
procédé, en bruinige afvalpap afkomstig uit de fritesindustrie, die lokaal moet worden verwerkt om niet vooral water te
verplaatsen. Alleen al in Nederland is het volgens haar lonend om op zeventien plaatsen installaties op te zetten om
jaarlijks achthonderd ton pure waterstof te maken, genoeg om een paar duizend auto’s op te laten rijden. ‘We kunnen nu
produceren voor iets meer dan drie euro per kilo, dat is nog flink meer dan de prijs waarvoor Shell het uit organische
brandstof kan maken, maar onze waterstof is wel gemaakt uit hernieuwbare grondstoffen en is van uitmuntende kwaliteit.
We kunnen het voor een veelvoud van die prijs verkopen voor speciale toepassingen in de elektrochemische industrie.’
Alleseters uit de rioolwaterzuivering
Hoewel ze qua productie van waterstof nog niet kunnen tippen aan deze resultaten, zien collega’s Bert Hamelers en Cees
Buisman van Milieutechnologie op de lange termijn meer potentie in hún productietechniek. ‘Wij kunnen in theorie tot
wel 80 procent van de aanwezige energie in waterstof vangen’, aldus Buisman. De reden is dat zijn bacteriën, bekend uit
de rioolwaterzuivering (waar de onderzoeksgroep veel ervaring mee heeft), niet alleen koolhydraten, maar ook vetten of
eiwitten verwerken.
Bovendien beheersen die ‘alleseters’ nog een ander, elektrochemisch kunstje: ze kunnen desgewenst ook stroom
opwekken. Door de bacteriën in een brandstofcel te voeden met biologisch afvalwater geven ze elektronen af, waardoor
er een elektrisch stroompje gaat lopen.
‘Ik heb geen idee wat onze elektriciteit of onze waterstof kost; het is ook nog zinloos om dat te gaan uitrekenen’, zegt
Hamelers. ‘Onze techniek gaat terug op heel recente ontdekkingen. In 1999 werd aangetoond dat bacteriën elektronen
kunnen overdragen, en in 2003 slaagden we er voor het eerst in om onze bacteriën daadwerkelijk stroom te laten maken’,
schetst hij. ‘We staan nog aan het begin, vult Buisman aan, maar de verwachtingen zijn hoog gespannen. We hebben nu
al vier promovendi aan dit onderwerp werken.’
Maar anderen zijn kritischer. Voorlopig ziet De Bruijn van ECN weinig heil in de Wageningse bacteriële
productiemethoden van waterstof. ‘Volgens mij ligt het nu niet voor de hand om biomassa in te zetten. Je kunt dat op
korte termijn beter gebruiken voor de productie van schone bio-ethanol of biodiesel, of het meestoken of vergassen in
elektriciteitscentrales.’ Hij vervolgt: ‘Aan de andere kant: er wordt zoveel benzine, diesel en kerosine gebruikt in het
vervoer, dat we niet op voorhand een bron moeten uitsluiten.’
Een BMW op waterstof
Heel voorzichtig kondigt de waterstofeconomie zich aan, zij het nog voornamelijk aangedreven door subsidie. Zo rijden
er op experimentele basis bussen (onder andere in Amsterdam) en auto’s op waterstof. Deze herfst presenteerde BMW
een model uit de 7-serie die naast gewone brandstof ook waterstof kan verbranden. Dat verbranden is eigenlijk tegen het
zere been van de echte waterstofgelovigen.
De auto heeft een loodzware tank aan boord die tot 256 graden onder nul moet worden gekoeld om de waterstof vloeibaar
te houden, een enorm energieverlies. Bovendien produceert een verbrandingsmotor stikstofoxiden en lawaai.
Brandstofcellen, die uit waterstof elektriciteit maken, kennen die nadelen niet. Afgelopen zomer bouwde ECN een
experimenteel brandstofcellenkarretje. Toch ziet Frank de Bruijn van ECN ook voordelen aan de BMW. ‘Daar worden er
honderd van gemaakt en dat is een flinke stap vooruit. Het is hoog tijd dat we ervaring gaan opdoen met waterstof. Er is
nu geen infrastructuur, er is geen regelgeving en de kosten zijn hoog. Zo’n BMW is ondanks de energieslurpende koeling
dan ook een stap in de goede richting. Ik ben alleen bang dat we op dat niveau blijven hangen, terwijl iedereen het erover
eens is dat de brandstofcel de toekomst heeft.’
Overigens zijn er ook waterstofsceptici. Bijvoorbeeld brandstofceldeskundige Ulf Bossel. Op de site van het European
Fuel Cell Forum rekent hij onder meer voor dat waterstof (gemaakt via elektrolyse) voor alle vliegtuigen die dagelijks
vertrekken uit Frankfurt, een stuk of acht kerncentrales en de hele waterconsumptie van de stad zou vergen.