Pyriet: hoe 'dwazenverguld' een rol krijgt in de energietransitie
Pyriet is een goudkleurig mineraal dat al eeuwenlang bekend staat als fool's gold, ofwel dwazenverguld: het glinstert als goud, maar is het niet. Scheikundig is het simpelweg ijzerdisulfide, met formule FeS2, een verbinding van ijzer en zwavel die tot de meest voorkomende mineralen in de aardkorst behoort. Je vindt het in kolenlagen, in ertsafzettingen en zelfs in gewoon leisteen.
Wat pyriet de laatste jaren interessant maakt voor toekomsttechnologie is niet de glans, maar de scheikunde erachter. Stel je een emmer zand voor die overal ter wereld voor het oprapen ligt, extreem goedkoop is, en toch bruikbare eigenschappen blijkt te hebben voor zonnepanelen, batterijen of zelfs het maken van waterstofgas diep in de aarde. Zo ongeveer wordt er tegenwoordig naar pyriet gekeken: niet als kostbaar goud, maar als een mogelijk goedkope bouwsteen voor een schonere energievoorziening.
Wat is het precies?
Pyriet bestaat uit ijzeratomen die elk gebonden zijn aan twee zwavelatomen, gerangschikt in een kubisch kristalrooster. Die structuur geeft het mineraal zijn karakteristieke messing- of goudkleur en een metaalachtige glans, waardoor het makkelijk te verwarren is met echt goud voor wie er geen ervaring mee heeft.
Voor de energietechniek is vooral de elektronische eigenschap van pyriet interessant: het is een halfgeleider met een relatief kleine bandafstand (ongeveer 0,95 elektronvolt) en het absorbeert licht extreem sterk. Een laagje van slechts enkele honderden nanometers dik kan in theorie al het meeste zonlicht opvangen, terwijl gangbare siliciumzonnecellen honderden keren dikker moeten zijn om hetzelfde te doen. Dat maakte pyriet decennialang aantrekkelijk als 'dunne-film' materiaal voor goedkope zonnecellen.
Daarnaast speelt de zwavelchemie van pyriet een rol in batterijen: het ijzer-zwavelbinding kan energie opslaan en weer afgeven, wat gebruikt wordt in bepaalde batterijtypes. En diep in de ondergrond kan pyriet reageren met water: onder de juiste temperatuur- en drukomstandigheden kan ijzer in het mineraal oxideren, waarbij waterstofgas vrijkomt. Dit proces lijkt op de beter bekende 'serpentinisatie' van het mineraal olivijn, maar dan met sulfidemineralen als pyriet. Onderzoekers zijn het er nog niet volledig over eens hoe groot de bijdrage van pyriet precies is ten opzichte van andere mineralen in dit proces; het is een actief onderzoeksgebied.
Wat wil men ermee bereiken?
De gemeenschappelijke drijfveer achter al deze toepassingen is schaarste, of juist het ontbreken daarvan. Veel technologie voor de energietransitie leunt op zeldzame of geopolitiek gevoelige grondstoffen: silicium van hoge zuiverheid, kobalt, nikkel, lithium, zeldzame aardmetalen. IJzer en zwavel behoren daarentegen tot de meest voorkomende elementen op aarde en zijn overal goedkoop te winnen.
Voor zonnecellen is het doel dan ook een alternatief te vinden voor dure of zeldzame halfgeleidermaterialen, zodat zonnestroom nog goedkoper en breder toepasbaar wordt. Voor batterijen wil men chemieën ontwikkelen die niet afhankelijk zijn van omstreden kobaltmijnbouw of dure lithiumwinning, vooral voor grootschalige, stationaire opslag waar gewicht minder telt dan prijs.
De meest actuele belofte zit echter in natuurlijke waterstof, ook wel 'witte' of 'geologische' waterstof genoemd. Als de aarde zelf al waterstofgas produceert via reacties tussen mineralen als pyriet en water, zou je dat gas in theorie kunnen oppompen zoals aardgas, zonder de enorme hoeveelheid elektriciteit die nodig is om waterstof met elektrolyse te maken. Dat zou waterstof, gezien als schone brandstof voor onder meer zware industrie en transport, potentieel veel goedkoper en klimaatvriendelijker maken dan de gangbare productiemethoden.
Voorbeelden uit de praktijk
Het bekendste voorbeeld van natuurlijke waterstof in de praktijk ligt in Bourakebougou, Mali. Daar sloeg in 1987 een boorput onverwacht op waterstofgas in plaats van het gezochte water; pas rond 2012 werd ontdekt dat dit gas bruikbaar was, waarna het is aangesloten op een generator die het dorp van elektriciteit voorziet. Het wordt vaak genoemd als eerste praktijkbewijs dat natuurlijke waterstof daadwerkelijk oppompbaar en bruikbaar is.
In Frankrijk maakten onderzoekers van het CNRS en de Université de Lorraine in 2023 bekend forse hoeveelheden natuurlijke waterstof te hebben aangetroffen bij Folschviller in de Lotharingse mijnstreek, tijdens metingen die oorspronkelijk bedoeld waren om methaanconcentraties in een oude kolenmijn te volgen. De precieze omvang en winbaarheid van deze vondst worden nog verder onderzocht.
Op ondernemersvlak richtte zich rond 2021 het Amerikaanse bedrijf Koloma op exploratie naar geologische waterstof en haalde het enkele jaren later aanzienlijke investeringen op, onder meer van klimaatfondsen die actief zijn in schone-energietechnologie. Vergelijkbare exploratiebedrijven, zoals HyTerra en Natural Hydrogen Energy in de Verenigde Staten en Gold Hydrogen in Australië, boren proefputten in gebieden waar de ondergrond gunstig lijkt voor waterstofvorming.
Een ouder maar tastbaar voorbeeld van pyrietchemie in gebruik zijn de Energizer Ultimate Lithium-batterijen (de bekende 'L91'-cellen), die al sinds de jaren negentig een lithium/ijzerdisulfide-chemie gebruiken. Dit zijn overigens wegwerpbatterijen, geen oplaadbare accu's, maar ze tonen wel dat FeS2 al decennialang praktisch bruikbaar is in energieopslag.
Hoe ver is de techniek?
De ontwikkelstatus verschilt sterk per toepassing. Onderzoek naar pyriet als zonnecelmateriaal bereikte rond 2010 een hoogtepunt, onder meer bij IBM Research, maar liep vervolgens grotendeels vast. Het probleem bleek niet de lichtabsorptie, die was uitstekend, maar de spanning die de cellen leverden: door defecten en oppervlaktetoestanden in het kristal bleef die veel te laag voor een bruikbaar rendement. Sindsdien is de belangstelling voor pyriet-zonnecellen sterk afgenomen, al duiken er af en toe nieuwe studies op die met nanostructurering proberen het defectprobleem te omzeilen.
Natuurlijke waterstof bevindt zich in een vroeg, verkennend stadium. Er zijn wel proefboringen en veelbelovende metingen, maar op wereldschaal is nog geen enkele natuurlijke waterstofbron in productie genomen op de schaal van een gasveld. De Amerikaanse geologische dienst (USGS) publiceerde een schatting waarbij de totale hoeveelheid waterstof in de ondergrond wereldwijd enorm zou kunnen zijn, maar benadrukte tegelijk dat slechts een klein, nog onbekend deel daarvan daadwerkelijk winbaar en economisch interessant is. Hoeveel van die waterstof specifiek uit pyrietreacties komt, in plaats van uit andere processen zoals de serpentinisatie van olivijn of radioactief verval diep in de aardkorst, is wetenschappelijk nog niet scherp vastgesteld.
Batterijen op basis van ijzerdisulfide zijn als niet-oplaadbare cel al volwassen technologie. Oplaadbare varianten voor grootschalige, stationaire stroomopslag, waarbij ijzer en zwavel goedkope alternatieven zouden moeten worden voor lithium-ion, bevinden zich nog vooral in onderzoeks- en pilotfase.
Wie werken eraan?
Op het gebied van natuurlijke waterstof lopen het CNRS en de Université de Lorraine in Frankrijk voorop met geologisch onderzoek, terwijl de Amerikaanse geologische dienst (USGS) wereldwijde potentieelschattingen maakt. Het Amerikaanse ministerie van Energie heeft de afgelopen jaren extra aandacht en onderzoeksgeld vrijgemaakt voor geologische waterstof als mogelijke aanvulling op elektrolyse-waterstof. Daarnaast zijn er gespecialiseerde exploratiebedrijven actief, waaronder Koloma, HyTerra en Natural Hydrogen Energy in de Verenigde Staten en Gold Hydrogen in Australië, vaak gesteund door durfkapitaal dat zich richt op klimaattechnologie.
Op het vlak van zonnecel- en materiaalonderzoek naar pyriet zijn het vooral universitaire onderzoeksgroepen en industriële laboratoria, waaronder IBM Research, geweest die in de jaren rond 2010 de belangrijkste publicaties leverden; sindsdien is dit een kleiner, meer verspreid onderzoeksveld. Op batterijgebied is fabrikant Energizer de bekendste commerciële partij die ijzerdisulfide-chemie op grote schaal toepast, terwijl academische groepen wereldwijd experimenteren met oplaadbare ijzer-zwavelvarianten voor netopslag.