Biefstuk of benzine

Biobrandstoffen krijgen steeds meer kritiek. Maar in Berkeley denken biochemici en plantkundige er een succes van te maken. Met subsidie van BP.

Joost van Kasteren

Proefvelden met miscanthus en switchgrass (vingergras) op de universiteit van Illinois. Deze energiegewassen hebben nauwelijks bemesting nodig. Foto’s University of Illinois Miscanthus x Giganteus and Switchgrass side by side research plots. Establised in 2001, these research plots are the longest running trials for Miscanthus x giganteus research in the United States. Tall stands are Miscanthus while shorter stands are Switchgrass. University of Illinois

“We zitten in de unieke situatie dat de prijzen van olie en graan, gemeten naar hun energie-inhoud, gelijk zijn. Voedsel en brandstof zijn uitwisselbaar geworden. Aan ons de taak om te zorgen dat de landbouw voldoende voedsel én brandstof voortbrengt.” Dat stelt dr. Chris Somerville, plantengeneticus en directeur van het Energy Biosciences Institute. Hij heeft een half miljard dollar van oliemaatschappij BP gekregen om dat doel te verwezenlijken.

De gangen van Calvin Hall op de Berkeley Campus van de University of California (UCB), liggen bezaaid met karton en piepschuim en met halfuitgepakte dozen met laboratoriumapparatuur. Hier komt een deel van het Energy Biosciences Institute, een samenwerkingsverband van de universiteiten van Californië en Illinois, het Lawrence Berkeley National Laboratory en oliereus BP.

Chris Somerville (60) houdt kantoor in een kale kamer met voornamelijk tweedehands meubilair en een glazen wand die uitzicht biedt op het laboratorium. Hij is eredoctor van Wageningen UR en vooral bekend geworden door zijn moleculair-biologisch onderzoek aan planten. Hij maakte van het onkruid Arabidopsis de belangrijkste modelplant voor moleculair-genetisch onderzoek.

Nu staat hij, naar eigen zeggen, voor de grootste uitdaging in zijn leven. “Niet alleen goed onderzoek doen, maar zorgen dat die kennis wordt benut om over te schakelen van aardolie op biomassa. Met als doel de dreigende klimaatverandering het hoofd te bieden.”

oliegigant

Samenwerken met BP biedt daartoe bij uitstek de gelegenheid, meent Somerville. “Universiteiten kunnen de wereld niet veranderen, ondernemingen wel.” ”

De manier waarop de samenwerking met BP tot stand kwam, is tekenend voor de maatschappelijke betrokkenheid en de flexibiliteit van Berkeley. Somerville: “Een paar jaar geleden ben ik benaderd door Steve Chu van het Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL). Chu [die in 1997 de Nobelprijs voor natuurkunde kreeg, red.] ziet het tegengaan van klimaatverandering als een van de grootste uitdagingen voor de mensheid. Op een gegeven moment hadden we ook de universiteit zo ver dat hernieuwbare energiebronnen en dan vooral biobrandstoffen, een van de speerpunten werd.”

Terwijl de initiatiefnemers bezig waren met het opzetten van een campusbreed onderzoeksprogramma, liet BP weten een half miljard dollar te willen investeren in onderzoek naar biobrandstoffen. LBNL en UBC zochten samenwerking met de universiteit van Illinois, die een sterke landbouwfaculteit heeft. Ze dienden een voorstel in met een brede aanpak. “Om biobrandstoffen tot een succes te maken, moet je niet alleen kijken naar technisch-wetenschappelijke, maar ook naar sociale, economische en politieke aspecten”, zegt Sommerville. BP liet zich overtuigen en eind vorig jaar werd de samenwerkingsovereenkomst getekend.

Het tien jaar durende onderzoeksprogramma richt zich nadrukkelijk op de tweede generatie biobrandstoffen. Waar de eerste generatie uitgaat van makkelijk te verwerken grondstoffen als suiker, zetmeel en plantaardige olie, wordt de tweede generatie gemaakt van lignocellulose, het moleculaire netwerk van cellulose, hemi-cellulose en lignine dat de plant stevigheid geeft en beschermt tegen ziekten en plagen. De celluloses moeten een bewerking ondergaan voordat een verbrandingsmotor ze kan gebruiken.

In Europa richt men zich vooral op de niet verteerbare delen van voedingsgewassen, maar het EBI kiest nadrukkelijk voor speciale energiegewassen, zoals miscanthus en switch grass (vingergras). Somerville: “De prijs van ruwe olie is nu zo hoog dat energiegewassen rechtstreeks de concurrentie aan kunnen gaan. Ongetwijfeld zijn er niche-markten waar het voordelig om voedsel èn brandstof uit een gewas te halen, maar als je op termijn een substantieel aandeel biobrandstoffen wilt produceren, dan moet je energiegewassen telen.”

indruk

Het argument dat het landbouwareaal in de wereld te klein is voor zowel de teelt van voedsel als die van brandstof, maakt weinig indruk op hem. “Op de eerste plaats kunnen we met de bestaande technieken een veelvoud van de huidige wereldbevolking voeden. Als we bereid zijn om te investeren in de landbouw, ligt er nog een enorm potentieel, niet alleen in ontwikkelingslanden, maar ook in Oost-Europa en Rusland. Op de tweede plaats is er de laatste jaren steeds meer grond uit productie genomen. Alleen al in de Verenigde Staten 40 miljoen hectare sinds 1980, omdat productie van voedsel niet meer lonend was. Met biobrandstoffen kan de landbouw weer lonend worden.” Ondanks zijn optimisme ziet Somerville op termijn wel concurrentie ontstaan tussen vlees en brandstof, als de welvaart toeneemt in landen als China en India. “Wat minder vlees eten is gezond. Het kan geen kwaad als je af en toe moet kiezen tussen biefstuk of benzine.”

Het onderzoeksprogramma van het EBI richt op energiegewassen zoals miscanthus en switch grass. Beiden zijn C4-planten die zonlicht buitengewoon efficiënt omzetten in biomassa. Somerville: “Miscanthus heeft een foto-efficiency van rond de 2 procent – bijna vier keer zoveel als het gemiddelde – en levert 60 ton droge stof per hectare.” Een bijkomend voordeel is dat miscanthus en vingergras overblijvende soorten zijn, die weinig of geen bemesting nodig hebben. Somerville: “In het voorjaar lopen beide gewassen snel uit, waarbij miscanthus een hoogte kan bereiken van vier à vijf meter. Aan het eind van het seizoen zakken de nutriënten in stengels en bladeren via de wortel weer de bodem in, dus als je in oktober maait heb je nagenoeg alleen ligno-cellulose. Het jaar daarop worden de voedingsstoffen weer benut voor de volgende oogst.” Ter illustratie laat hij een dia zien, waarop de miscanthus metershoog staat op een akker die al tien jaar niet is bemest.

Efficiënt produceren van biomassa is echter maar een deel van het verhaal. Om er uiteindelijk brandstof van te maken, moet ligno-cellulose eerst worden afgebroken. Dat is niet zo eenvoudig. Bij de huidige (proef-)productie van tweede-generatiebrandstoffen wordt nogal wat mechanisch (malen, hitte) en chemisch (zuur, loog) geweld gebruikt om het moleculaire netwerk te kraken. Een deel van het onderzoek richt zich dan ook op wat Somerville noemt “het deconstrueren van lignocellulose”.

Waar veel onderzoekers, ook binnen EBI, opteren voor de biologische route, met enzymen en al dan niet genetisch gemodificeerde micro-organismen, ziet Somerville zelf meer heil in de chemische route. “Ligno-cellulose is een buitengewoon lastige grondstof met een ‘hell of a lot of linkages’, waardoor enzymen er nauwelijks in kunnen doordringen. Persoonlijk denk ik daarom eerder aan het gebruik van ionische vloeistoffen in combinatie met katalysatoren.”

ketenmoleculen

Ionische vloeistoffen zijn organische zouten die bij kamertemperatuur vloeibaar zijn. In combinatie met een synthetische katalysator, bijvoorbeeld een organo-metaalverbinding, wordt niet alleen het moleculair netwerk ontleed, maar worden ook de ketenmoleculen afgebroken tot suikers (cellulose en hemi-celulose), respectievelijk een mengsel van fenolen, organische zuren en furanen (lignine). Somerville: “Het grote voordeel is dat de afbraak onder milde condities plaatsvindt én dat je zowel de vloeistof als de katalysator steeds opnieuw kunt gebruiken.”

Normaliter wordt biomassa via fermentatie omgezet in ethanol. Somerville: “Fermentatie heeft als nadeel dat je het lignine niet kunt gebruiken. Je kunt het hooguit verbranden en de warmte gebruiken voor de fermentatie. ”

Ook hier biedt de chemische route een alternatief. Somerville: “George Huber heeft een paar jaar geleden laten zien dat je biomassa met behulp van metaalkatalysatoren kunt omzetten in alkanen, al dan niet vertakte koolwaterstoffen met een lengte van 9 tot 15 koolstofatomen. Met andere woorden een vloeistof die zich nauwelijks onderscheidt van benzine en die je dus makkelijk kunt distribueren en zonder problemen kunt tanken. Voordeel is ook dat je ruim 90 procent van de oorspronkelijke energie-inhoud van de biomassa benut. Vergeleken met fermentatie betekent dat, dat je bijna tweemaal zoveel liter brandstof per hectare kunt produceren. Dan kunnen we weer leven van het land.”