Nieuws

2 dec 16 dwdd university Robbert Dijkgraaf zeer boeiend college: terugzien!
21 nov 16: Persbericht: KNAW: genome editing vraagt om publiek debat en heldere regelgeving
18 nov 16: Volkswagen schrapt 30.000 banen door dieselschandaal en transitie naar elektrische auto
16 nov 16: 100.000e elektrische auto rijdt op de Nederlandse weg (AD)
10 nov 16: Is Erik Verlinde de nieuwe Einstein? Sterrenkundige Margot Brouwers resultaten wijzen er op dat Verlindes theorie klopt!
8 nov 16: Nederlander Erik Verlinde komt met baanbrekende theorie over zwaartekracht
8 nov 16: Chimpansees winden draderige algen als spaghetti om een stokje nrc


*) zie hier. [ Archief Actualiteiten ]

16 juli 2011

Bas Haring over de inefficiëntie van fotosynthese (4)


Tot mijn grote verbazing vond ik in Science 13 mei 2011 een prachtig overzichtsartikel (1) dat de energie efficiëntie van fotosysnthese en zonnepanelen op een veel betere en wetenschappelijk verantwoorde manier vergelijkt, dan ik in mijn vorige 3 blogs heb gedaan! Maar ik vond er ook evolutionaire aspecten in terug die geheel overeenkwamen met wat ik eerder had geblogd.

energie uit zonlicht
De bedoeling van het artikel is om energie omzettingen te vergelijken in de context van het wereld energie probleem. Welke methode haalt de meeste energie uit zonlicht? Een zeer actuele vraag. Maar in plaats van de naïeve manier van vergelijken van Bas Haring, legt het artikel uit waarom hier appels met peren vergeleken worden, en hoe het beter kan. Fotocellen slaan géén energie op, terwijl planten de zonne-energie opslaan in energierijke chemische verbindingen die ze vervolgens gebruiken om te leven, te groeien en zich voort te planten (dat had ik ook al opgemerkt).

eerlijke vergelijking
Het aardige van het artikel is dat het komt met een 'eerlijke' vergelijking: zonlicht gebruiken om water te splitsen in waterstof en zuurstof. Want water splitsten kan zowel technisch als biologisch. Bij fotosynthese is dit zelfs standaard. Bij de technologische methode moet een fotocel gekoppeld worden met electrolyse. Dat soort technische systemen komen tot een netto efficiëntie van 11%. Natuurlijke fotosynthese heeft onder optimale condities een quantum efficiëntie van bijna 100%! Dit was al in 1974 bekend! Dat wist ik niet toen ik mijn eerste blog over dit onderwerp schreef. Echter als je meet wat er gedurende een jaar aan biomassa wordt geproduceerd onder vergelijkbare omstandigheden als zonnecellen, dan kom je tot niet meer dan 1% voor planten en 3% voor algen (2). Dit kan oplopen tot 7% als je je beperkt tot de groeifase van de plant. Planten groeien niet het hele jaar. De technische systemen winnen het. Hoe groot het verschil is hangt dus af van hoe en wat je meet.

CO2
De auteurs hebben ook een theoretisch maximum efficiëntie voor fotosynthese berekend. Ze komen tot 12%. Dit maximum kan benadert worden door CO2 gehalte van de lucht op te voeren! Dat zijn dus uitsluitend omgevingsfactoren. Dit gebeurt -zoals bekend- door mondiale industriële CO2 uitstoot en staat bekend als klimaatopwarming. Zie mijn blog: Hoe rekbaar is onze planeet? (2). Over dwarsverbanden gesproken!

fine-tunen
Zeer interessant: de efficiëntie van fotosynthese kan verder opgevoerd worden met het fine-tunen (3) van de pigmenten die licht opvangen, waardoor je de efficiëntie kunt verdubbelen! Ook kun je door kunstmatige selectie van de planten de biobrandstofproductie verhogen. Evolutie heeft dat nooit gedaan. De mens ook niet. Wel heeft selectie gedurende duizenden jaren voor hogere voedselproductie in de landbouw succes gehad. Maar zelfs selectie op maximale voedselproductie is niet synoniem met maximale fotosynthese. Selecteren voor voedselproductie is wat anders dan selecteren voor biobrandstof. Er zijn nog meer fascinerende methodes om fotosynthese te verbeteren, zoals synthetische biologie (genetic engineering).

doelen
Het artikel is erg leerzaam en het doet je nog eens goed beseffen dat evolutie 'andere doelen nastreeft' dan de mens in de landbouw en biobrandstofproductie. En daardoor ga je ook begrijpen dat je efficiënties van natuurlijke fotosynthese kunt verhogen, zonder dat dat betekent dat de efficiëntie in zijn oorspronkelijke context in absolute zin laag genoemd mag worden. De bottomline is: efficiënties vergelijken zonder de definitie er in te betrekken is naïef en betekenisloos.

Noten
  1. Robert E. Blankenship et al (2011) Comparing Photosynthetic and Photovoltaic Efficiencies and Recognizing the Potential for Improvement, Science 13 mei 2011
  2. Definitie: "the energy efficiency of photosynthesis is defined as the energy content (heat of combustion of glucose to CO2 and liquid H2O at STP) of the biomass that can be harvested annually divided by the annual solar irradiance over the same area." (STP = standard temperature and pressure). Deze definitie (biomassa) maakt fotosynthese niet echt vergelijkbaar met zonnecellen, lijkt mij zo. Men zou zuurstof productie als maatstaf kunnen nemen. (zondag 17 jul)
  3. Dit geeft fantastische argumenten tegen intelligent design van fotosynthese! Een onderwerp voor een volgend blog!

12 opmerkingen:

Nand Braam zei

@ Gert
“Echter als je meet wat er gedurende een jaar aan biomassa wordt geproduceerd onder vergelijkbare omstandigheden als zonnecellen, dan kom je tot niet meer dan 1% voor planten en 3% voor algen. Dit kan oplopen tot 7% als je je beperkt tot de groeifase van de plant.”

Dit begrijp ik niet direkt. Kun je dat nader toelichten. Wellicht met rekenvoorbeelden. Is het de energieinhoud van de biomassa t.o.v de totale hoeveelheid ingestraalde energie (rendement 1)? En dan vervolgens het rendement2 van de zonnecellen (geleverde elektrische energie t.o.v ingestraalde zonne energie) vergelijken met het rendement1 van het plantaardig systeem?

gert korthof zei

Nand, als je als maatstaf neemt wat er over een heel jaar geproduceerd kan worden met zonlicht, dan is het kennelijk ten nadele van planten want die hebben een groeiseizoen waar ze een rendement kunnen halen tot wel 7% terwijl dat de rest van het jaar als ze niet groeien dus lager is. Als je zonnecellen op dezelfde geografische locatie zou gebruiken heb je natuurlijk ook met dezelfde wisselende zonne intensiteit te maken (s winters staat de zon lager en kortere dagen) maar zonnecellen hebben geen groeiseizoen, en produceren constant maximaal.

nand braam zei

@ Gert
Het ging mij niet zozeer om het verschil tussen de 7% (alleen groeiseizoen plant) en de 1% (over het hele jaar). Dat leek me ook redelijk op grond van wat jij ook zegt. Het ging mij eigenlijk meer om de berekeningswijze van de 1% en 7%. Ik neem aan dat het gebeurd is op de manier die ik schetste.

nand braam zei

Wellicht een interessante verwijzing:

http://www.kennislink.nl/publicaties/fotosynthese-brengt-nederland-een-zonnige-toekomst

gert korthof zei

Nand ik heb de definite van efficientie toegevoegd aan het blog als noot 2: the energy efficiency of photosynthesis is defined as the energy content (heat of combustion of glucose to CO2 and liquid H2O at STP) of the biomass that can be harvested annually divided by the annual solar irradiance over the same area." STP = standard temperature and pressure."

Bedankt voor je verwijzing naar het aardige artikel 'Fotosynthese voor een zonnige toekomst', let wel: de evolutionaire context ontbreekt geheel! behalve indirect misschien die snelgroeiende woestijnplant!

gert korthof zei

Kennislink bevat een hele serie informatieve artikelen over fotosynthese:
http://www.kennislink.nl/kernwoorden/fotosynthese

naam zei

@ Gert

In de nieuwe voetnoot 2 zeg je zelf al dat deze definitie niet geschikt is voor de vergelijking met hetgeen zonnecellen produceren. Dat is jammer, want het zou bijzonder interessant zijn om het verschil te zien. Je stelt voor om de zuurstofproductie als vergelijkingsmaat te nemen. Ik denk dat het gemakkelijker is om de geproduceerde biomassa uitgedrukt in Joules te vergelijken met de electriciteitsproductie van zonnecellen uitgedrukt in Joules.
De vergelijking is volgens mij belangrijk voor het evolutionaire aspect in die zin dat de lijn “fotosynthese en biomassa” een belangrijk nadeel heeft t.o.v. de lijn “zonneenergie/zonnecellen” in die zin dat “fotosynthese en biomassa (voor de energie) een belangrijk nadeel heeft n.l. het beslag op de beschikbare grond met alle nadelen van dien (palmolieplantages i.p.v. oerbos etc). Hoe kijk jij daar tegenaan Gert? Ik denk toch dat de lijn “zonneenergie/zonnecellen” de meest zuivere duurzame lijn is direkt gevolgd door waterkracht en windenergie. Wat denk jij daarvan?
Laten we zo zeggen, de lijn “fotosynthese en biomassa” moet wel heel veel meer rendement geven dan de lijn “zonneenergie/zonnecellen” om er mee door te gaan, volgens mij. Graag je mening.

nand braam zei

Naam in de vorige post was ik Nand Braam. Foutje. Excuus.

gert korthof zei

Nand,
de bedoeling van de serie van 4 artikelen was:
1) aantonen dat in abstracto praten over 'de efficiëntie' van fotosynthese zinloos is zonder te vermelden hoe je die efficiëntie meet
2) fotosynthetische efficiëntie is niet het criterium dat telt in de evolutie.
Mijn bedoeling was niet om de beste en meest duurzame methode van brandstof/energie productie van de toekomst te onderzoeken.

Over het artikel van Blankenship et al:
In tweede instantie verbaasde ik me erover dat het artikel wel zegt een eerlijke vergelijking te willen maken, door electrolyse te koppelen aan zonnecellen, maar met een definitie komen die helemaal geen vergelijkbaarheid mogelijk maakt. Ik geef zuurstof als criterium omdat het zowel door fotosynthese als electrolyse geproduceerd wordt.

Nu je vraag over de energie van de toekomst:
voor electriciteit lijkt me zonnecellen ideaal, omdat het van klein- tot grootschalig toegepast kan worden. Kleinschalig: mobiele telefoons, of opladers, horloges, etc. Iets groter: had al lang op het dak en motorkap van je (hybride of electrische) auto moeten zitten.
Groter: electriciteitsproductie met zonnecellen op industriele schaal.

Biobrandstof voor auto lijkt mij onzin, verbrandingsmotoren voor personenvervoer moet je afbouwen. en als het ten koste gaat van biodiversiteit en voedselvoorziening is het helemaal slecht.
Vliegverkeer moet minder en ener moet milieubelasting op de kerosine. Het resterende vliegverkeer moet veel zuiniger met brandstof omgaan. Misschien zonnepanelen inbouwen in vleugels. Alternatieven onderzoeken voor vrachtvervoer zoals nieuwe generatie zeppelins en voor scheepvaart geavanceerde zeilen en ook zonnepanelen.
Eventueel biobrandstof in zee produceren (algen) voor de scheepvaart.

Voedselvoorziening: efficienter maken fotosynthese. CO2 uitstoot van industrie direct gebruiken voor het bemesten van groenten in kassen. in combinatie met aardwarmte voor eht verwarmen van kassen in de winter.

nand braam zei

@ Gert
Bij nader inzien vind ik je keuze voor de zuurstofproductie als vergelijkingscriterium zo gek nog niet. Er sluipen dan, denk ik, in ieder geval minder onzuivere factoren ongemerkt het vergelijkingssysteem in.
Je voorstellen voor de energie van de toekomst ondersteun ik van harte.

gert korthof zei

Nand,
als alternatief is waterstof (H2) productie een aardig criterium omdat er ook fotosynthetische bacteria zijn die H2 produceren:

google: Hydrogen Production by Photosynthetic Bacteria

Je zit dan gelijk in de watersof economie!

energievergelijker zei

super leuk artikel zeg, bedankt!