De Energietransitie

Laten we maar eens beginnen met de olifant in de hoek van de kamer: de zon schijnt niet altijd.

We hopen allemaal vurig op een toekomst waarin al onze energie mateloos en onmetelijk vloeit uit onuitputtelijke bronnen die de natuur ons aanbiedt: de zon en de wind. Carbon Tracker schreef voorjaar 2021 nog maar eens: ‘Enorme prijsdalingen voor zon en wind in de afgelopen jaren hebben een energievoorraad ontsloten die honderd keer groter is dan de energiebehoefte van de hele wereld in 2050.’ Honderd keer meer dan we nodig hebben!

Probleem is alleen dat het soms nacht is, en dat soms de wind gaat liggen. Voor dit soort ‘intermittency’ moeten er hulptroepen worden ingeschakeld. En op dit moment is dat voornamelijk ordinair fossiel aardgas.

Er zijn ontelbare uitvinders op de wereld die op bezig zijn om ‘batterijen’ voor dit doel te ontwikkelen. Maar ze zijn er nog niet.

Dus de ‘tussen’energie moet voorlopig worden geleverd door traditionele bronnen zoals aardgas, steenkool, olie – of kernenergie. We kunnen onze afhankelijkheid wel verminderen door windmolens en zonnepanelen, maar niet terugbrengen tot nul.

Maar er is ook goed nieuws.

De meeste energie wordt verbruikt door industrie en het elektriciteitsnet:

Industrie                     29%

Elektriciteit                 26%

Landbouw                  22%

Transport                   16%

Huishoudens                7%

(Deze percentages uit ‘How to Avoid a Climate Disaster’ van Bill Gates. De cijfers zijn voor ieder land ietsje anders, maar het gaat hier even om het grote plaatje.)

Dit betekent dat meer dan de helft van alle energie wordt gebruikt door stationaire activiteiten: fabrieken en elektriciteitscentrales. Dus de energiebronnen, en vooral de opslagplaatsen van energie, kunnen groot en lomp en zwaar zijn.

In tegenstelling tot bijvoorbeeld auto’s of elektrische fietsen: daar moet de accu klein en zo licht mogelijk zijn. Vandaar dat we voorlopig op lithium-ion zijn uitgekomen, dat heeft de voordelen van relatief veel opslag op relatief weinig ‘onroerend goed,’ ook niet al te zwaar, en ook nog een potentieel snel oplaad-tempo.

Zorgen over de wereldvoorraad lithium zijn er wel. Daarom wordt er volop gewerkt aan alternatieven, zoals solid state accu’s. Zie MIT voor een recent overzicht van het strijdveld.

Maar om de grote energieslurpers ‘schoon’ te maken is dus een stuk eenvoudiger. En wat nog fijner is: een groot deel van de categorie ‘transport’ kunnen we ook nog eens elektrificeren: auto’s, vrachtwagens, treinen, vrachtschepen. Dan zit je al op 71%. Dus dan ben je al bijna thuis; hoef je niet meer van die lelijke zonnepanelen op je dak te zetten (ok, grapje).

Idealiter zouden we de energie opwekken met zon en wind, en zoals Carbon Tracker hierboven al juichte, die energie is nu goedkoop genoeg om te concurreren met fossiel.

Nu alleen de intermittency nog.

Er zijn wat marginale oplossingen te vinden, maar uiteindelijk kom je toch uit bij kernenergie.

Laat mij uitleggen waarom.

Energie-opslag

Kijk naar de alternatieven. Waterkracht bijvoorbeeld. We hebben in De Bicker al een paar keer aandacht besteed aan Nant de Drance, een mooi Zwitsers project waarbij water van een meer naar een hoger meertje wordt gepompt; en naar beneden wordt gestuurd als er nieuwe energie moet worden opgewekt. Prachtig, maar beperkt; en alleen geschikt voor landen met bergen en aanpalende meren.

Ook al een paar keer voorbij gekomen: gewichten. Je kunt gewichten optakelen als je energie over hebt (van de zonnepanelen) en dan weer langzaam laten zakken zodat ze energie opwekken, bijvoorbeeld als het donker is.

Je zou daarvoor mijnschachten kunnen gebruiken. Wiskundige David Dirkse is skeptisch: ‘Mechanische opslag schiet ook niet op. Graaf bijvoorbeeld een gat van 100m. diep en hang daarin een gewicht van 1 miljoen kg. Bij overvloedige energie hijsen we het gewicht met een motor op, bij te weinig energie daalt het gewicht waarbij de motor als dynamo werkt. Met dit systeem bufferen we een hoeveelheid energie van 280KWh. Dat is gelijk aan 33 liter benzine.
Er zouden miljoenen van die gaten nodig zijn.’ (davdata.nl)

En dan zijn er talloze bedrijven en universiteiten bezig met nieuwe vormen van energie-opslag. Maar geen enkele kan overtollige energie langer dan een paar dagen opslaan, laat staat van het ene seizoen tot het andere. Een paar voorbeelden.

Sommige ondernemers zoeken de oplossing in ‘flow batteries.’ Zie het overzicht van MIT: Form Energy en ESS, beide in de VS, bouwen nu al seriematig accu’s gebaseerd op de reactie tussen ijzer en lucht; kennelijke komt ook bij roest energie vrij. De accu van Form kan energie maximaal 100 uur opslaan, vier dagen dus. Die van ESS, twaalf uur.

In Duitsland werkt een startup aan een accu die energie opslaat dankzij de reacties tussen water, ijzer en zout. Opslagtijd max 48 uur.

In Nederland is Elestor (Arnhem) al sinds 2014 bezig met een accu op basis van waterstof en broom,  die energie 100 tot 150 uur kan vasthouden. Het verkreeg eind vorig jaar 30 miljoen investering van opslagbedrijf Vopak, de Noorse oliemaatschappij Equinor en Invest-NL.

De Universiteit van Sydney werkt aan een accu op basis van Na-S, natrium (zout) en zwavel. Een oud concept voor een accu, maar nu toegepast met verbeterde elektroden.

In Finland staat een prototype van een accu met zand. Die kan warmte op 600 ºC ‘enkele maanden’ vasthouden. Verwarmt 100 huizen en een openbaar zwembad. Neemt veel meer ruimte in beslag natuurlijk, is zo groot als een forse silo; maar kost een achtste van lithium-ion, per geproduceerde elektriciteit.

Als deze methodes commercieel vatbaar worden – en een paar zijn dat al – dan hebben we een oplossing voor het feit dat de zon ’s nachts niet schijnt. En voor een paar dagen windstilte. Maar nog steeds niet voor seizoenen. Oftewel: hoe kun je de zon van de zomer bewaren tot de winter, als je extra moet stoken om het binnenshuis behaaglijk te houden?

Waterstof

De meeste hoop is gevestigd op de opslag in waterstof. Dat spul hebben we ervaring mee: waterstof kun je bewaren in tanks, voor langere tijd; en transporteren door pijpleidingen.

Waterstof kun je opwekken door water te splitsen in zuurstof en waterstof in een elektrolyser; als het zo ver is, ‘verbrand’ je de waterstof om stroom op te wekken. Voor die twee processen heb je energie nodig, maar die heb je nu eenmaal overvloedig, is de redenering: zon en wind.

Jammer dat bij dat proces 50-70% van de energie die is opgewekt door zonnepanelen en windmolens verloren gaat; maar wat maakt het uit, want die energiebronnen zijn toch onuitputtelijk.

Op dag 1 waait de wind; dag 2 is windstil. Omzetting naar gas kost 30% van de energie; omzetting van gas naar stroom kost nog eens 50% van de energie. Bron: davdata.nl

Er zijn hoopvolle berichten dat waterstof snel ontwikkeld kan worden.

De Amerikaan J Doyne Farmer heeft een onderzoeksinstituut gelieerd aan Oxford en zegt: elektrolyse – het proces waarbij water wordt gesplitst in waterstof en zuurstof – gaat dezelfde snelle leercurve doormaken als zonnepanelen, windmolens en accu’s. NB dat pad is nog niet duidelijk, het moet nog beginnen.

Het zou natuurlijk fantastisch zijn, en de grote doorbraak voor zon en wind. Maar zo ver is het nog niet. Twee onderzoekers van het Potsdam Instituut in Duitsland schreven in januari: ‘Zelfs als de hoeveelheid elektrolysers in Europa net zo snel groeit als wind- en zonnekracht hebben gedaan, dan zouden ze in 2035 minder dan 1% van de energiebehoefte van de EU leveren.’

De meest gezaghebbende bron op het gebied van waterstof vind ik Michael Liebreich, oprichter van het New Energy Forum dat inmiddels door Bloomberg is opgekocht.

Hij zegt: ik zie dat elektrolyse de potentie heeft om zich zo snel te ontwikkelen als Doyne Farmer denkt. Maar, er zijn drie problemen.

‘Voordat we beginnen met waterstof als ‘groene’ oplossing, moeten we het probleem van waterstof als ‘grijze’ en ‘zwarte’ krachtbron oplossen,’ zei hij op een congres in Rotterdam vorig najaar. Op dit moment wordt 94 miljoen ton waterstof opgewekt met aardgas en steenkool, voornamelijk voor gebruik in de chemie en in olieraffinaderijen. Om deze hoeveelheid waterstof ‘groen’ op te wekken heb je een hoeveelheid windmolens en zonnepanelen nodig die gelijk is aan 143% van de wereldwijde capaciteit. Als je de staalproductie van de wereld, de scheepvaart en ook de lange-termijnopslag van wind en zon allemaal op ‘groene’ waterstof wilt laten draaien heb je vijf keer de huidige capaciteit van de hele wereld nodig.

Waterstof heeft ook een lage energiedichtheid – oftewel, je hebt een heleboel nodig. Niet qua gewicht, maar per volume. Zelfs vloeibaar gemaakte waterstof heeft maar 40% van de energie van LNG per volume – dus een schip zou 2,5x op en neer moeten om dezelfde hoeveelheid energie te vervoeren. In gasvorm is het slechts 15% van LNG. Dat maakt waterstof simpelweg niet concurrerend voor de lange afstand. Duitsland en Japan hebben hun energietransitie deels gebaseerd op import van waterstof. Liebreich denkt dat dit luchtfietserij is, simpelweg vanwege de natuurkundige beperkingen van waterstof. (Bloomberg NEF)

Dat maakt het onlogisch om te vervoeren. ‘Het is een beetje alsof je polystyreen op een schip zet,’ zei Liebreich in Rotterdam. Dus waterstof moet opgewekt worden dicht in de buurt van de eindverbruiker.

Terzijde: Rijkswaterstaat bestudeert nu of het praktisch is om elektrolysers op de Noordzee naast de windmolens te zetten. Dat is dus logisch; de vraag is alleen hoe groot de reservoirs moeten zijn om heel Nederland een hele winter van ‘groene’ waterstof te voorzien, die ook nog eens heel inefficiënt moet worden omgezet in elektriciteit.

Tot het moment dat we een manier hebben gevonden om energie voor langere tijd op te slaan, als waterstof of iets anders, zijn alle zonnepanelen’weides’ en windmolen’parken’ een soort invaliden, die alleen hun diensten kunnen bewijzen als ze krukken hebben – een backup centrale.

Kernenergie

Daarom is kernenergie de meest logische kandidaat voor de energie-transitie. Als ‘backup’ voor zon en wind, en als vervanger voor de steenkool, aardgas en olie die nu nog de elektriciteitscentrales en zware industrie draaiende houden.

Helaas heeft kernenergie zijn eigen handicaps, waardoor hij al net zo invalide is.

Het duurt door alle angst over kernenergie minimaal tien jaar om een traditionele kerncentrale te bouwen; en de nieuwere generatie, de gen-4 kleine modulaire reactoren (‘small modular,’ SMR’s) , hebben waarschijnlijk nog 20 jaar nodig voordat ze commercieel, op grote schaal, ingezet kunnen worden.

Langzaam begint door te dringen dat kernenergie niet zo eng is als we dachten. Mede geholpen door boeken als dat van Marco Visscher: ‘Waarom we niet bang hoeven te zijn voor kernenergie.’ (2022).

Hij zegt: het enige kernafval dat gevaarlijk is, is verrijkt uranium, verpakt in staven. ‘Zo’n 95% van de gebruikte splijtstof uit een kernreactor geeft zijn straling maar heel langzaam af. (…) Pas na vier en een half miljard jaar is de radioactiviteit van U-235 gehalveerd.’ Dat is bijna een eeuwigheid. Maar de keerzijde is: de straling is heel licht. Het zijn alfastralen die ‘niet door de huid kunnen dringen.’

‘De resterende 5% bestaat uit isotopen die binnen een kwestie van dagen of zelfs seconden hun straling afgeven.’  En: ‘een andere deel zijn isotopen zoals strontium-90 en cesium-137 die na een jaar of driehonderd hun eigenschap als relevante stralingsbron verliezen.’

Wat gebeurt er met gebruikte splijtstof? Eerst moet het afkoelen in een bad met water. Binnen een paar jaar is de radioactiviteit afgenomen. Sommige landen zoals Finland laten het liggen in water. Na een jaar of honderd is de radio-activiteit afgenomen met 99,9%.

Andere landen brengen het kernafval naar een opwerkingsfabriek zoals in La Hague, in Normandië. Tien procent van dat afval blijft over; dat wordt gestort in glas of beton, en vervolgens in vaten. Soms staan ze buiten naast de centrale, soms in het geval van Nederland, ‘in een speciaal gebouw van COVRA vlakbij de kerncentrale van Borssele, met muren van meer dan anderhalve meter beton.’

Maar het is belangrijk te onthouden, zegt Visscher: kerncentrales gebruiken maar heel weinig grondstof en produceren weinig afval. ‘Uit de kerncentrale van Borssele komt ieder jaar niet meer dan zo’n anderhalve kubieke meter aan hoogradioactief afval. Dat is een flinke koelkast vol.’

‘Zetten we alle gebruikte splijtstof bij elkaar die sinds de jaren vijftig uit kernreactoren over de hele wereld is verzameld, (…) dan past het in een voetbalstadion.’

Plutonium is veel minder dodelijk dan lood of kwik. In de jaren ’40 werden tientallen Amerikanen (zonder hun medeweten) experimenteel geïnjecteerd met plutonium. Niet éen overleed eraan.

In Finland en Zweden en andere landen wordt gewerkt aan tunnels en mijnschachten voor ‘eindberging,’ achter dikke lagen cement en beton. Het is de vraag of dit verstandig, of zelfs noodzakelijk is. Er zijn allang ‘snelle kweekreactoren’ die een groot deel van het afval kunnen opbranden.

Intussen zijn er zogenaamde vierde-generatie kernreactoren in ontwikkeling. Dit zijn zogenaamde Small Modular Reactors die in serie gebouwd kunnen worden in een fabriek, op een vrachtwagen gezet kunnen worden naar de klant, en in serie geschakeld kunnen worden tot het gewenste vermogen is bereikt. Groot voordeel: productie is op 1 locatie, dus beter te controlen en veiligheid te waarborgen. En ze worden anders gekoeld, zodat ze bij een storing zichzelf ‘uitdoven.’ Voor wie het naadje van de kous wil: zie het boek van Visscher, of zoek op ‘thorium’ reactors of ‘gesmoltenzout’ reactors.

‘Het duurt nog minstens 20 jaar voordat die dingen gebruikt kunnen worden,’ zeggen de skeptici. Dat kan, maar in China is nu al een prototype aan het draaien. Misschien duurt het nog 20 jaar, en moeten we in de tussentijd het doen met windmolens en zonnepanelen. We kunnen ook vast bestellingen plaatsen voor traditionele, ‘gen-3’ kernreactoren. Die zijn alweer wat veiliger dan de huidige.

Verder

Er zijn nog wat experimenten die marginaal bij zullen dragen aan de energietransitie. CCO, oftewel afvang van CO2. Een Zwitsers bedrijf heeft een ‘fabriek’ in Lapland waar CO2 uit de lucht wordt gefilterd en afgevangen. Het lijkt een druppel op een gloeiende plaat.

Shell is mede-financier van een installatie die CO2 uit de schoorstenen van Rotterdam wil opvangen en opslaan in lege gasvelden onder de Noordzee.

Dus?

De oplossingen zijn in zicht maar nog niet gebruiksklaar. Lezer Joris Benninga, die zelf werkt aan lokale energie-uitwisseling, schreef een mooi overzicht:

‘Ik zie verschillende fases in de energietransitie. Twintig jaar geleden was zon en wind onbetaalbaar. Ergens tussen 2014 en 2016 werd zon en wind in veel gevallen een competitieve of zelfs de goedkoopste oplossing. Zon en wind zijn wereldwijd al jaren de snelst groeiende vormen van elektriciteitsopwekking. Nu komen we echter in een fase dat die groei zo snel gaat dat duurzame opwek met zon en wind gaat schuren met het huidige systeem (kabels, markten, regels competitie met complementaire opwek assets).  Toch hebben we pas 10-15% marktaandeel met duurzaam. Ik noem de nu aanbrekende fase, “de fase nieuw terrein”.  In deze fase hebben we naast technologie ook nieuwe spelregels nodig.  We moeten buffering en flexibiliteit aan de vraagkant beter gaan belonen. We moeten lokaal opgewekte energie meer lokaal gaan gebruiken (om netten te ontlasten). We moeten bestaande infrastructuur efficiënter gaan inzetten. We hebben fysieke ruimte nodig voor energie-infra, dicht bij de vraag, op plekken die ook alternatieve concurrerende functies kunnen krijgen. Naast de harde, technische kant wordt de zachte kant steeds belangrijker. En laten we daar nou net niet zo goed in zijn in Nederland: polderen is niet de beste manier om deze problematiek aan te pakken.  Wat wél heel erg helpt is dat nu op één plek in de keten de wal het schip al keert. Tennet heeft de-facto aangekondigd dat tot 2030 geen ruimte meer is voor nieuwe opwek én levering. En dat betekent geen nieuwe woonwijken, geen aanbestedingen voor emissievrij openbaar vervoer, geen warmtenetten etc etc. Kortom, we worden nu snel gedwongen om anders te gaan denken.  Die nieuwe woonwijk kan wél als hij het grootste deel van het jaar op regionale of lokale energie kan draaien en warmte en koudebuffers heeft, en een slim laadplein voor EV’s etc etc.. Lokale energieplanning is in opmars, maar staat nog wel in de kinderschoenen.

De harde, technische kant staat gelukkig ook niet stil op grote en kleine schaal. Op het gebied van conversie en opslag dalen de kosten van elektrolysers voor H2 productie snel. Batterij technologie zit nog steeds op een steile leercurve, dus voor een buurbatterij (over 2-3 jaar) inzetten op €100/kWh en 5.000 cycle’s is helemaal niet gek. Dan kost opslaan van een kWh misschien 5 cent extra t.o.v. de kale productieprijs.  Ook grootschalige initiatieven voor opslag zoals CAES komen in beeld (voorbeeld: https://www.change.inc/energie/is-persluchtopslag-in-zoutcavernes-het-energiesysteem-van-de-toekomst-39353). Stokoude technologie overigens met zeker 30% efficiency verliezen.  Toch blijkt dat competitief en financierbaar.  In de Klimaat en Energieverkenningen (KEV) zie je overigens dat voor de totale elektriciteitspiek (H2) gascentrales staan opgesteld voor periodes van weken zonder wind en zon (dunkelfaute). Die centrales draaien dus maar een paar honderd uur per jaar. Overigens staat er nu ook bijna twee keer de piekvraag aan centrales opgesteld in Nederland. Zo ongewoon is die situatie dus niet.  Op huishoudniveau gaan warmtepompen snel doorbreken, en vaak hebben die ook een warmtebuffer. Het zou lonende kunnen zijn om die buffers met PCM’s (phase change materials) voldoende capaciteit te geven voor verwarming en warm water voor een dag of 2-3.  Ook weer een vorm van opslag dus.  We kunnen nog wel een keer een apart draadje opzetten over de leercurve van opslagtechnologie.

In de fase ‘nieuw terrein’ gaan we voorlopig van alles en nog wat langs zien komen. Net zolang totdat we speelveld, processen en infra zodanig hebben vormgegeven dat energie weer net zo saai was als voor de eerste oliecrisis. Ik denk zelf dat we dat punt in Nederland ergens tussen 2030 en 2035 bereiken.  Tot die tijd spannende tijden.’

Zon en wind is nog niet klaar om autonome energiebron te zijn, zolang er geen lange-termijn opslag is. Kernenergie is wel klaar, maar moet een hoop wantrouwen overwinnen en tegelijkertijd nieuwe, veiligere soorten van centrales uitontwikkelen.

Ik kan niet anders concluderen dan Benninga. Als je ziet hoeveel er nu wordt ontwikkeld, vaak aangemoedigd door overheidssubsidies zoals de IRA van president Biden …. Dertig jaar is een eeuwigheid. In 1993 …. bestond het internet nog niet eens! Geen Google, geen Wikipedia, laat staan Artificial Intelligence.

Het ziet er naar uit dat over een jaar of twintig de grote kwesties wel opgelost zijn. Tot die tijd gaan we nog wel even door met fossiele brandstoffen. Intussen gaan we een verrukkelijke, spectaculaire tijd tegemoet waarin uitvinders en ondernemers over elkaar buitelen om de nieuwste vormen van energieopwekking en -opslag aan ons voor te schotelen. Het wordt een Wild-West.

Met dank aan: Lex Backer, Arie Kaizer, Joris Benninga, Eefke Smit, David Dirkse, Paul Rodts, L. Vogelaar, Pepijn Vloemans, Aart Nieuwland, en vele anderen die mij niet te binnen schieten maar de afgelopen weken en maanden mij bestookten met informatie die direct of indirect in dit artikel belandden.