211service.com
De weg naar zonnebrandstoffen raakt een verkeersdrempel
Toen ik in maart het Lawrence Berkeley National Laboratory bezocht, bezocht Frances Houle, de adjunct-directeur van de... Gemeenschappelijk Centrum voor Kunstmatige Fotosynthese , toonde een van de nieuwste ontwikkelingen van het centrum. Het is een apparaat dat in zonlicht water afbreekt in waterstof en zuurstof. De onderzoekers van het lab hadden eerder kunstlicht gebruikt om het proces aan te sturen; dit was de eerste keer dat ze het met natuurlijk licht deden. Het kleine apparaat is bevestigd aan een dunne metalen standaard op het dak van het gebouw van het centrum boven Berkeley, met een spectaculair uitzicht in het westen over de baai van San Francisco. Het kleine apparaat heeft een zonnecel die de energie levert die een chemische katalysator nodig heeft om het water te splitsen. Aan de bovenkant van het apparaat borrelde pure waterstof omhoog.
Het centrum, dat in 2010 werd opgericht onder minister van Energie Steven Chu, heeft een gedurfd doel: brandstoffen maken met alleen zonlicht, koolstofdioxide en water (zie Kunstmatige fotosynthese-inspanning neemt wortel). Economisch gedaan, zou dat een prestatie van Promethean zijn, een enorme stap in de richting van het oplossen van de twee grote uitdagingen bij de verschuiving van fossiele brandstoffen naar hernieuwbare energie: het opslaan van grote hoeveelheden energie voor later gebruik en het aandrijven van vormen van transport die niet gemakkelijk op batterijen kunnen draaien.
Alle onderzoeken naar een schoon energiesysteem die ik ooit heb gezien, identificeren dezelfde twee technologische hiaten, zegt Nate Lewis , de oprichter van het centrum. Enorme energieopslag op grid-schaal om de intermitterende wind- en zonne-energie te compenseren, en een energierijke, koolstofneutrale vloeibare transportbrandstof. Door zonlicht in brandstof om te zetten, kan zonne-energie die overdag wordt opgevangen, worden opgeslagen, vervoerd en gebruikt wanneer de zon niet schijnt. Dezelfde brandstof zou fossiele brandstoffen kunnen vervangen die de vliegtuigen en schepen van vandaag aandrijven. Er bestaan niet zoiets als een plug-in elektrisch vliegtuig of schip, voegt Lewis eraan toe.
Een van de belangrijkste prestaties van JCAP zijn door zonne-energie aangedreven apparaten die water kunnen splitsen in waterstof en zuurstof - een belangrijke eerste stap op weg naar kunstmatige fotosynthese.
JCAP, gehost bij Caltech en Lawrence Berkeley Lab, werd oorspronkelijk gefinancierd met $ 122 miljoen over een periode van vijf jaar, en de financiering werd vorig jaar vernieuwd (zij het op een lager niveau). Nu onder leiding van Harry Atwater, een Caltech-professor in de toegepaste natuurkunde, heeft het in zijn zesjarige bestaan een aantal indrukwekkende prestaties geleverd. Het meest opvallende is dat JCAP-wetenschappers erin zijn geslaagd apparaten te bouwen zoals ik die heb gezien, prototypen die water kunnen splitsen in waterstof en zuurstof met een efficiëntie van 10 keer de efficiëntie van fotosynthese. Dat is een belangrijke eerste stap naar kunstmatige fotosynthese; de volgende stap zou het combineren van waterstof met koolstofdioxide zijn om zonnebrandstoffen te produceren die fossiele brandstoffen zouden kunnen vervangen.
Het afgelopen jaar heeft JCAP echter een belangrijke koerswijziging doorgevoerd. Het ministerie van Energie hernieuwde vorig jaar zijn financiering met $ 15 miljoen per jaar, bijna 40 procent onder het tarief voor de voorgaande periode van vijf jaar. Bovendien instrueerden DOE-functionarissen de wetenschappers om hun inspanningen te heroriënteren van het maken van apparaten die in de komende jaren op de markt zouden kunnen worden gebracht, en naar fundamenteel wetenschappelijk onderzoek naar de complexe processen die ten grondslag liggen aan kunstmatige fotosynthese. Het oorspronkelijke doel van JCAP, volgens de aankondiging van de oprichting in 2010 , was om een geïntegreerd conversiesysteem van zonne-energie naar chemische brandstof te ontwikkelen en dit systeem van de bench-top-ontdekkingsfase naar een schaal te brengen waar het kan worden gecommercialiseerd. Nu gaat zijn mandaat niet langer verder dan de ontdekkingsfase.
In de eerste vijf jaar richtte JCAP zich voornamelijk op waterstofbrandstof, zegt Christopher Fecko, de programmamanager voor JCAP in de DOE's Bureau van Wetenschap . Het aanpakken van de onderliggende wetenschappelijke uitdaging van volledige kunstmatige fotosynthese vereist fundamenteel, transformationeel wetenschappelijk onderzoek en ontdekkingen die deze technologieën uiteindelijk mogelijk zullen maken, zegt hij, en we boeken uitstekende vooruitgang. Technologie-implementatie en commerciële productie zijn in de toekomst.
In de toekomst zou kunnen betekenen in vijf jaar of een paar decennia. De terugtocht om zo snel mogelijk een werkende oplossing uit te werken, is een erkenning dat het oorspronkelijke doel van JCAP van kunstmatige fotosynthese een stuk moeilijker en verder weg is dan wetenschappers in 2010 begrepen. Het is ook een tactische beslissing om geen federaal geld uit te geven aan het creëren van een werkend apparaat om waterstofbrandstof produceren, ook al staat die technologie veel dichter bij commercialisering.
Mijn oorspronkelijke visie was om de wetenschappers veel speelruimte te geven en ze de richting te laten kiezen die volgens hen het meest kansrijk is, zodat ze daadwerkelijk iets in elkaar kunnen zetten, zegt Chu, die de DOE in 2013 verliet en nu hoogleraar natuurkunde en moleculaire en cellulaire fysiologie aan Stanford. Vandaag, voegt hij eraan toe, denk ik niet dat ze de vrijheid krijgen die ik voor ogen had.
De eerste stap bij fotosynthese is het splitsen van water in waterstof en zuurstof, dat als bijproduct vrijkomt. De waterstof reageert vervolgens met koolstofdioxide om koolhydraten te produceren, die de groei van planten stimuleren. Kunstmatige fotosynthese probeert dezelfde inputs - zonne-energie, water en koolstofdioxide - te gebruiken om energierijke vloeibare brandstoffen te produceren. Als die brandstoffen waren afgeleid van koolstofdioxide dat uit de lucht wordt gehaald, zou het proces koolstofneutraal kunnen zijn - met andere woorden, het zou geen nieuwe uitstoot van broeikasgassen in de atmosfeer veroorzaken.
JCAP, gebaseerd op het Lawrence Berkeley National Laboratory, werd opgevat als een Bell Labs-achtige incubator van technologieën die snel op de markt konden worden gebracht.
Sinds 2010, toen JCAP werd opgericht, is het onderzoek naar kunstmatige fotosynthese en zonnebrandstoffen wereldwijd in een stroomversnelling geraakt. Er zijn nationale onderzoeks- en ontwikkelingsconsortia die het probleem aanpakken in Japan, Zweden en andere landen. De DOE ondersteunt andere programma's, zoals de Energy Frontier Research Center voor zonnebrandstoffen aan de Universiteit van Noord-Carolina. Startups houden van Opus12 , opgericht door een drietal Stanford-studenten, en Vloeibaar licht , onder leiding van chemieprofessor Andrew Bocarsly in Princeton, proberen bedrijven op te bouwen met kunstmatige fotosynthese.
De vraag is: zullen ze op tijd hun vruchten afwerpen om de wereldwijde klimaatverandering te helpen beperken? Een probleem is dat om zonnebrandstoffen CO2-neutraal te maken, hele nieuwe technologieën en infrastructuren nodig zijn om koolstof uit de lucht of emissies van fossiele brandstoffen af te vangen.
Het andere probleem is dat het omzetten van koolstofdioxide om het fotosyntheseproces te voltooien heel, heel moeilijk is. Het omvat zes afzonderlijke chemische stappen en er is geen katalysator bekend die koolstofdioxide efficiënt en selectief in brandstof omzet, zoals bij de watersplitsingsreactie.
De uitdaging die JCAP in de tweede vijf jaar aangaat, is in veel opzichten fundamenteler en moeilijker dan de inspanningen op het gebied van waterstof, maar biedt een groot potentieel rendement, zegt Fecko.
De verschuiving, zegt Harry Atwater, de opvolger van Lewis als JCAP-directeur, heeft de hele onderneming ertoe aangezet niet om prototyping en opschalingsactiviteiten te doen, maar naar een veel sterkere focus op fundamenteel onderzoek. Die focus sluit aan bij de doelen van de DOE's Basisprogramma Energiewetenschappen , die de financiering van JCAP controleert. Maar het zal ons op korte termijn niet dichter bij het daadwerkelijk bouwen van apparaten en het creëren van een industrie rond zonnebrandstoffen brengen.
Daarom gelooft Nate Lewis dat de verschuiving van prototyping en het opschalen van waterstofgenererende apparaten een vergissing was. Waterstof zelf is een bruikbaar eindproduct, stelt Lewis. Het kan direct worden verbrand in aangepaste verbrandingsmotoren. Het kan worden omgezet in synthetische brandstof via de Fischer-Tropsch-proces . Het kan in brandstofcellen worden gebruikt om energie op te slaan en om elektriciteit te produceren, waarbij alleen water als afvalproduct overblijft. De watersplitsende prototypes die bij JCAP zijn ontwikkeld, zullen nog uitgebreid moeten worden ontwikkeld om te worden omgezet in bruikbare commerciële apparaten. Maar Lewis is ervan overtuigd dat hij daar kan komen, en in een relatief korte tijd: als we minder dan $ 5 miljoen per jaar hadden, ben ik er vrij zeker van dat we er in vijf jaar zouden kunnen komen, en dat is de eerste keer dat ik dat heb gezegd , hij zegt.
JCAP-wetenschappers Sonjia Francis (rechts) en Dan Torelli (links) onderzoeken de elektrochemische reductie van koolstofdioxide tot vloeibare brandstof. JCAP heeft zijn focus verlegd van het bedenken van oplossingen naar fundamenteel wetenschappelijk onderzoek.
Vooralsnog zullen die werkzaamheden echter niet via JCAP worden uitgevoerd. Lewis ondersteunt verder onderzoek naar kunstmatige fotosynthese op ware grootte. Maar hij beschouwt de omleiding van JCAP als het effectief opgeven van een veelbelovende technologie voor schone energie - watersplitsing voor waterstofproductie - die veel eerder op de markt zou kunnen worden gebracht. Fundamenteel onderzoek naar kooldioxide-omzetting is een zeer nauw gedefinieerde reikwijdte en focus, zegt hij. Zonnebrandstoffen zouden veel breder moeten zijn dan het kiezen van één specifieke manier om daar te komen en andere opties te defunderen.
Atwater en Fecko zeggen dat de uitvinding van een watersplitsend apparaat een belangrijke mijlpaal was die andere laboratoria en andere onderzoekers tot bloei kunnen brengen. Het is onze taak om onderzoeksvooruitgang te boeken die aanleiding geeft tot technologische opties, zegt Atwater. We zijn wetenschappers - we kunnen de bal niet helemaal naar de doellijn duwen.
Het bereiken van de doellijn was echter het oorspronkelijke doel van Chu toen het centrum werd opgericht. In zekere zin is JCAP een casestudy in de belofte en de gevaren van federale langetermijnfinanciering voor energietechnologieën. Chu spreekt berouwvol over de weg die het programma dat hij in 2010 creëerde niet is ingeslagen. Fundamentele wetenschap is een noodzakelijk en prachtig iets, zegt hij. Maar het is niet wat ik in gedachten had.