Biotechnologie lost klimaatverandering niet op, maar kan wel helpen

Het is een van de grootste milieuproblemen van onze tijd: we gebruiken teveel energie, en daardoor verandert het klimaat. Door over te schakelen op andere dan fossiele energiebronnen zou je klimaatverandering kunnen vertragen of voorkomen. Biotechnologen zoeken naar die alternatieven.

20 september 2018

Terwijl in Nederland buiten het kwik tot hoog in de dertig steeg, publiceerde PNAS in juli 2018 een (zoveelste) alarmerende analyse van wetenschappers over onze opwarmende aarde: als we gezamenlijk doorgaan met zoveel fossiele brandstoffen te gebruiken, zet dat volgens PNAS processen in gang die de temperatuur alleen nog maar hoger maken. Afgezien van de warmte is het vooral de zeespiegelstijging die zorgen baart. PNAS becijferde een stijging van tien tot zestig meter.

Berichten met die strekking verschijnen trouwens met regelmaat. Meestal zoomen ze in op een nog niet eerder beschreven effect van warmte, en als het even kan op een effect van klimaatverandering op de hoeveelheid CO₂. De wetenschappers in PNAS waarschuwden deze keer voor allerlei effecten die alleen maar zouden leiden tot nog meer CO₂ in de atmosfeer.

Korte en lange kringloop

Hoe zit dat nu met klimaatverandering? Het maakt toch niet uit of je hout stookt of kolen? Steenkool bestaat immers uit versteende plantenresten. Toch? We leggen het snel even uit:

In de aardse dampkring zit een heel klein beetje CO₂. Die CO₂ komt daar van nature terecht door vooral vulkanisme, en wordt eraan onttrokken door tal van chemische processen. Het lost bijvoorbeeld op in zeewater en vormt afzettingen in de vorm van kalk. Planten gebruiken CO₂ om energie uit te halen; energie die ook weer in dieren belandt doordat die de planten eten. Gaan organismen dood, dan kunnen ze onder bepaalde omstandigheden steenkool, olie of aardgas worden. De CO₂, eerder uitgestoten door vulkanisme, verdwijnt dan weer onder de grond. Dat noemen wetenschappers de ‘lange kringloop’.

Wie een haardvuurtje bouwt, stookt hout. Hout heeft CO₂ uit de atmosfeer onttrokken en via een flink aantal tussenstappen omgezet in lignine en (hemi)cellulose – stoffen die brandbaar zijn. De CO₂ die een boom de afgelopen pakweg twintig jaar uit de lucht haalde, wordt door houtstook weer in de atmosfeer gebracht. En als je geen hout stookt, maar een boom valt om en rot langzaam weg, dan is dat, bezien vanuit CO₂ hetzelfde: de CO₂ die in het hout lag vastgelegd, komt weer vrij. Dat heet de ‘korte kringloop’.

Maar bij het verstoken van fossiele brandstoffen gaat het niet goed. CO₂ die door planten en dieren gedurende meer dan een half miljard jaar uit de atmosfeer is gehaald en later is verworden tot aardolie, wordt er nu sinds de industriële revolutie in slechts een paar honderd jaar weer terug in gebracht. Dat tempo ligt zo hoog, dat biologische en geochemische processen te traag gaan om de CO₂ in balans te houden. Daardoor stijgt het CO₂-gehalte in de atmosfeer.

So what?

Nou… CO₂ zorgt ervoor dat zonnewarmte vastgehouden wordt. En zie daar: verreweg de meest wetenschappers zijn het erover eens dat die toename van CO₂ zorgt voor een verandering van het klimaat.

De atmosfeer is een enorm ingewikkeld systeem, en het is de vraag of we dat systeem ooit in voldoende detail begrijpen. Maar de boodschap van dit soort artikelen is duidelijk: we moeten dus minder of geen energie gebruiken die afkomstig is van fossiele brandstoffen. Maar dat is nog niet zo makkelijk te realiseren. De meest voor de hand liggende oplossingen om te matigen willen niet erg lukken, allerlei verdragen en akkoorden van Kyoto tot Parijs ten spijt.

Een alternatief is om energie te halen uit andere bronnen. En dat gebeurt ook: zonnepanelen en windmolens zijn inmiddels vertrouwd in het Nederlandse landschap, terwijl waterkracht een goed alternatief is in landen die wat meer hoogteverschillen hebben. Maar voor vliegtuigen, of – bijvoorbeeld – de productie van bulkchemicaliën en plastics heb je niet veel aan dat soort alternatieven. Daar is echt koolstof voor nodig.

Biobased economy

Op zoek naar koolstofrijke alternatieven kom je vanzelf uit op de korte kringloop: energie uit biomassa. Wetenschappers hebben het in die context liever over de biobased economy, maar dat vindt Huib de Vriend, voormalig lid van de Commissie Genetische Modificatie en biotechnologisch consultant, eigenlijk ook geen goede naam. “Onze economie is altijd al ‘biobased’ geweest. We hebben leren schoenen, papier, textiel, hout… heel veel van onze grondstoffen waarmee we onze leefomgeving inrichten, en al ons voedsel, komt al van levende organismen.” De Vriend beaamt dat ook onze energie best wel van biomassa kan komen. Maar daar zijn toch wel wat kanttekeningen bij te plaatsen.

In de meest eenvoudige vorm schakelen we voor een deel weer terug van fossiele brandstoffen naar biomassa voor onze warmte. Dat leidde in de late middeleeuwen al tot grootschalige ontbossing in dichtbevolkte gebieden, dus een alomvattende oplossing kan het niet zijn.

Floortje van der Hilst van het Copernicus Instituut in Utrecht doet onderzoek naar het (bij)stoken van houtpellets in energiecentrales – een omstreden ontwikkeling. Van der Hilst: “Als er complete bossen omgekapt worden voor houtsnippers, dan is dat natuurlijk geen goed idee. Ik ben niet per se voor het verstoken van biomassa. De kunst is om bij houtproductie voor bijvoorbeeld de bouwsector de restjes die onbruikbaar zijn op een efficiënte manier te benutten in plaats van ze weg te gooien. En dan kan biomassa bijdragen aan een oplossing voor het probleem van klimaatverandering.”

Algen als groene motor

Een stapje verder is planten gaan verbouwen die de alternatieve energie gaan leveren. Als alternatief voor benzine en diesel zijn dat tot nu toe de meest succesvolle biobased processen: planten als koolzaad of suikerriet worden speciaal voor de productie van biobased brandstoffen verbouwd, en bijgemengd in fossiele brandstoffen. “Maar als je dat op grote schaal wilt doen, moet je te veel landbouwareaal dat nu wordt besteed aan voedselproductie opofferen aan brandstofproductie”, waarschuwt Jeroen Hugenholtz, onderzoeker aan Wageningen University & Research.

De Vriend erkent dat probleem. “Dat is niet waar je heen wilt. Je wilt naar een alternatief dat efficiënt zonlicht omzet in koolstofverbindingen. Helaas zijn planten ontzettend inefficiënt, en daarom is er ook zoveel gewas nodig om tot een aanzienlijk volume aan koolwaterstofverbindingen te komen. Planten halen hun energie uit zonlicht, maar ze gebruiken maar één procent van de energie. Als je dus meer opbrengst wilt – wat nodig is omdat je anders geen landbouwgrond meer overhoudt voor voedselproductie – moet die efficiency omhoog.

Algen produceren onder invloed van zonlicht componenten voor biobrandstoffen in een proefopstelling.
NCBI

De WUR experimenteert daarom op de campus in Wageningen en voor de kust van Bonaire met algen. Die zetten van nature al vier procent van de zonne-energie om in biochemische energie. Bonaire heeft de ideale omstandigheden met veel zon, en de experimenten daar maken gebruik van drijvende installaties zodat de algenkwekerij tegen geringe kosten gekoeld kan worden met zeewater. Maar de toepassingen van deze hoog-efficiënte algenfabrieken zien beiden eerder in het produceren van alternatieven voor vismeel of bio-alternatieve smeermiddelen. Hugenholtz: “Als je op die manier echt biobrandstoffen wilt maken, kom je in de knel met de schaal waarop de productie interessant wordt.”

Het kan echter ook anders: landbouw levert namelijk eigenlijk altijd reststromen op. Van maïs eten we alleen de kolf, van tarwe alleen de graankorrels, van suikerbieten alleen de bieten, van wijndruiven persen we alleen het sap. De reststromen (stengels, bladeren, pitten, enzovoort) worden nu hoofdzakelijk verwerkt tot veevoer, maar dat levert weinig op. Hugenholtz ziet uitgerekend daar een interessante rol voor biotechnologie weggelegd.

“Met de technieken van nu kunnen we vrij makkelijk DNA verwijderen in een gist of een bacterie, die je daardoor zó modificeert dat ze bijvoorbeeld cellulose in bruikbare bouwstenen kan opknippen. De aardigheid is dat dat nu uitgerekend wèl mag. Dit soort processen kun je goed gecontroleerd met GM-bacteriën laten verlopen. Je kunt die bacteriën bovendien zo ontwerpen, dat ze buiten het reactorvat doodgaan. Dat perkt de risico’s enorm in. Bovendien eten we ze niet op. Dat maakt de discussie over GMO’s in dit veld veel makkelijker”, zegt Hugenholtz.

De Vriend vindt GMO’s voor dit doel bovendien erg voor de hand liggen. “Je bereikt je doel sneller en efficiënter. Juist hier, waar de regelgeving soepeler is, moet je daar dan gebruik van maken.”

Als je iets biobased wilt produceren, dan is dit je leidraad: hoog in de piramide zitten de producten die het meest opleveren. Het zijn wel de producten waar in verhouding het minst van nodig is. Maar als je productiecapaciteit niet groot kan zijn, hoeft dat helemaal geen probleem te zijn.
René Rector

Waardepiramide

Voeg daarbij dat door gebruik te maken van restmateriaal, er ook geen landbouwareaal verschuift van voedselproductie naar de productie van alternatieven voor fossiele brandstoffen, en het probleem lijkt opgelost.

Maar dat is helaas niet zo. “Waar het telkens mis begint te gaan, is dat het ontwikkelen van producten of processen heel duur is, en fossiele brandstoffen heel goedkoop zijn, zeker als je alle accijnzen weglaat”, zegt De Vriend. Op basis van biomaterialen zou je verschillende producten kunnen maken. Het produceren van medicijnen en cosmetica levert het meest op, ook al is er in kilo’s het minst van nodig. Voedsel en veevoer volgen, waarna bulkchemicaliën en plastics komen. Brandstoffen sluiten de rij: er is qua hoeveelheid het meest van nodig, maar ze leveren per eenheid het minst op.

De Vriend: “Ik ken verschillende bedrijven die aanvankelijk biobased brandstoffen wilden maken, maar die zich een paar jaar later inmiddels hebben gestort op cosmetica of medicijnen. Zeker als je een procedé aan het ontwikkelen bent, is het moeilijk om dat zo te doen dat de kosten laag blijven.”

Hugenholtz beaamt dat: “Aan het eind van een project heb je dan een manier uitgevogeld om uit biomassa een bepaalde plastic te vervaardigen. Maar als je dan gaat kijken naar wat die plastic moet kosten, dan concurreert die gewoon niet met dezelfde plastic als je hem uit aardolie haalt. Bij producten die hoog in die zogenoemde waardepiramide zitten, is dat veel sneller wel concurrerend. Ik kom net van een biotechnologisch congres, waar je die verschuiving ook zag. Niemand had het nog over biobrandstoffen. High value chemicals, dat moest het zijn.”

Valley of death

Een volgend probleem bij de ontwikkeling van biobased brandstoffen is wat Hugenholtz ‘The valley of death’ noemt: een soort ‘niemandsland’ in de ontwikkeling van nieuwe producten, waar niemand geïnteresseerd is in het product. Dat zit zo: als er een nieuwe plastic ontwikkeld moet worden, of een nieuw procédé om een biobrandstof goedkoop te produceren, dan zijn wetenschappers geïnteresseerd om dat te doen. Dat levert ze immers als het mee zit mooie publicaties op en dat is goed voor hun carrière.

Hugenholtz: “Dat is mooi, maar een productieplant die een paar liter van een stof kan produceren, is voor bedrijven niet interessant. Zeker niet bij een biobrandstof. Je moet dan gaan opschalen. Wetenschappers zijn daar niet in geïnteresseerd, want ze hebben hun publicatie al gehad. Bedrijven zijn ook niet geïnteresseerd, want de realiteit is dat opschalen vaak tot onvoorziene problemen leidt. Je moet dus soms wel tientallen miljoenen euro’s gaan investeren om te bezien of iets op grote schaal ook werkt. Niemand wil zo’n investering met zo’n risico doen.”

De oplossing ligt volgens Hugenholtz bij de overheid. “Die kan bedrijven en wetenschappers in consortia bij elkaar zetten. Zo’n consortium moet dan ook wel zelf investeren, maar het risico wordt dan voor alle partijen kleiner en dus draaglijker. Maar ons innovatiesysteem met octrooien en patenten enerzijds, en publicaties anderzijds, niet erg gericht is op samenwerking. Het is juist gericht op pluriformiteit waarbij met regelmaat op labschaal een biologisch of biotechnologisch antwoord wordt uitgedacht in de vorm van een alternatieve plastic, die niet verder wordt ontwikkeld omdat niemand wil investeren. Het kan anders, maar dat vereist wel dat de overheid keuzes maakt.”

Visie

De Vriend is evenmin positief over de koers van de overheid. “Als ik kijk naar het niveau van de discussies in de Kamer, dan gaat het over voorvallen en feitjes, niet over de grote lijn. Een voorbeeld: in de tropen is vrij veel bos verloren gegaan voor de aanplant van oliepalmen. Dat is schadelijk voor de ecosystemen ter plaatse, maar niet direct voor de lokale bevolking. Maar stel nu dat men ter plaatse had besloten om voedselareaal in te ruilen voor palmolie omdat dat meer oplevert… dan krijg je honger. Je kunt dat soort beslissingen om die reden niet aan de markt overlaten, dus de overheden móéten wel een standpunt innemen. Maar er zit geen visie onder. Er is nergens een spoor te bekennen waaruit blijkt: hier willen we over twintig jaar zijn.”

Wat een biotechnologische oplossing zou kunnen worden, is voorlopig dus nog een verzameling met stokpaardjes. De een ziet oplossingen in grootschalige algenparken, de ander in fancy ontworpen fermentatieprocessen, de derde in het winnen van chemicaliën door het met genetisch gemodificeerde bacteriën afbreken van cellulose, en een vierde in het genetisch veel expressiever maken van enzymen. Maar die toepassingen blijven voorlopig bij gebrek aan geld om ze op te schalen op de plank liggen.