Een kleine beschouwing over energie     (29 december 2008)

Een maand geleden bekritiseerde ik de heer Rutte n.a.v. zijn "groen rechtse" pamflet.  Mijn grootste kritiekpunt was dat hij er m.i. veel te gemakkelijk tegenaan kijkt als het om het klimaat- en energievraagstuk gaat.  Ik ga er hier nu wat op door.

Hoe superieur zijn koolwaterstoffen?
Een belangrijk aspect dat aan de orde komt als men het over energie heeft is de kwaliteit van energiedragers.  Die heb je nodig als het niet mogelijk is energie uit stromingsbronnen – denk aan zon en wind – direct te gebruiken.  Daarbij spelen energie-inhoud per eenheid gewicht en per eenheid volume een belangrijke rol.

Stel dat een auto een afstand gaat rijden waarvoor 20 liter benzine nodig is.  Als men dan die zelfde auto op vloeibare waterstof bij een gelijk rendement die zelfde afstand wilt laten rijden, dan is er een tank van ruim 80 liter nodig.  Het gewicht van de brandstof is weliswaar 3 maal zo klein, maar het volume is ruim 4 maal zo groot.

Als men nu gaat kijken wat de beste energiedragers zijn qua gecombineerde volume en gewichts energiedichtheid dan scoren benzine, diesel en kerosine het best van alle denkbare energiedragers: 43 – 45 MJ/kg, 35 – 38 MJ/liter

Alle andere halen dergelijke energie inhouden niet, of zijn anderszins lastiger in het gebruik.  Denk aan LPG (druktank nodig, lagere volume energie-inhoud), aardgas (idem).  Waterstof heeft weliswaar een verbrandingswaarde van 120 MJ/kg, maar om het vloeibaar te maken (–253°C!) is 1/4 tot 1/3 van de energie inhoud nodig.  Bovendien is de dichtheid ook dan nog altijd laag, 70 kg/m³, waardoor de volume energie-inhoud slechts 8.5 MJ/liter is.

Bij alcoholen wordt het al minder:  Voor butanol wordt het 33 MJ/kg, 26 MJ/liter, voor ethanol 29 MJ/kg, 22 MJ/liter en voor methanol 20 MJ/kg, 16 MJ/liter.

Vloeibare ammoniak wordt wel eens opgevoerd als energiedrager, maar ook die blijft ver achter:  18.6 MJ/kg, 11.4 MJ/liter

Daarnaast kan je nog eens door het periodiek systeem heen gaan lopen en kijken of er bij andere niet-koolstof energiedragers nog wat te halen valt.  Alleen borium hydrides (60 – 73 MJ/kg) en silanen (tot 44.5 MJ/kg) halen hetzelfde (of een iets beter) nivo.  Maar aangezien je die via chloriden moet synthetiseren ben je onmiddelijk "dead in the water".  Chloor maak je (industrieel) via electrolyse van vrijwel verzadigde pekel, en aangezien je per molecuul gebonden waterstof een molecuul chloor nodig hebt komt dat qua energie nooit uit.  Het maken van de chloor (die je in het proces recycelt) kost meer dan 3 maal meer energie (als electriciteit!) dan de waterstof, die er aan de silicium of borium hangt, opbrengt.

Ook "energie intensieve" metalen als Aluminium en Magnesium blijven onder de
40 MJ/kg.  Alleen Lithium komt in de buurt (43 MJ/kg).  Het inzetten er van als brandstof is echter geen eenvoudige zaak.  Bovendien vraagt de productie er van zeer veel energie (Aluminium 150 – 200 MJ/kg, Magnesium 130 – 150 MJ/kg), hetgeen voor de overall efficiëntie rampzalig is.  Wel is het zo dat de hoge energie inhoud van Lithium maakt dat het een goede kandidaat voor toepassing in batterij systemen is.

Kort en goed: Benzine, kerosine en diesel zijn het non plus ultra.  Iets beters heeft moeder natuur niet in de aanbieding, en we hebben maar één periodiek systeem.  Meer smaken zijn er niet.

De relevantie voor duurzame energie
In 2007 schreef ik een stukje onder titel 'Luistert niet naar economen', waarin ik o.a. de kwestie rond transportbrandstoffen aan de orde stelde.  Zonder olie is het namelijk helemaal niet zo eenvoudig om aan grote hoeveelheden transportbrandstoffen (vele 100-den miljoenen tonnen per jaar) te komen.

In het 'Saoedische olie scenario' is het verkrijgen van transport brandstoffen relatief een peulenschil.  Het ruimtebeslag is vrij gering (de productie putten, de pijpleidingen, de raffinaderijen), en ook de benodigde hoeveelheid energie is relatief beperkt (hooguit ~10% van de olie, vaak aanzienlijk minder).

Als we dat via biomassa zouden willen doen wordt het een stuk ingewikkelder.  Een mogelijke route: Biomassa vergassen en daarna via een Fischer & Tropsch proces en hydrocracking naar – bijvoorbeeld – diesel omzetten.  Dergelijke proces routes ("Biomass to liquids") zijn denkbaar, maar nog niet op grote schaal operationeel.  Bovendien wordt de logistiek bepaald geen peulenschil.   Voor de productie van
1 ton brandstof is er al gauw ruw weg het vijfvoudige aan biomassa nodig.  Stel je voor: 5 miljoen ton brandstof, dus 25 miljoen ton biomassa aanvoer.  Dat zijn 100 supertankers vol.  Dat is meer dan de massa doorzet van Pernis (~20 miljoen ton per jaar).

Voor de productie er van is er – en nu neem ik aan dat het om hoog productieve (25 ton droge stof per ha per jaar) gewassen gaat – ± 10000 km² nodig.  Ga daar eens die 25 miljoen ton vanaf sleuren.  Het produceren van zeg 5½ miljoen ton olie uit de Saoedische woestijn, om daarna die 5 miljoen ton brandstof te produceren, heeft héél wat minder voeten in de aarde.

Nu kan men zeggen: Maar dan nemen we toch kolen i.p.v. biomassa?  Dan is er inderdaad minder massa nodig.  Feit is echter dat minstens ± 60% van de gebruikte kolen bij een "coal to liquids" proces als CO2 eindigt.  Als je die niet wegstopt dan loop je wat later tegen een ander probleem aan: Het klimaatvraagstuk.  Bovendien is ook het bouwen van "coal to liquids" plants op een dergelijke schaal bepaald geen sinecure.

Een andere optie is "gas to liquids".  Daar gaat het via aardgas (aardgas omzetten in synthesegas, Fischer & Tropsch, hydrocracker —» diesel).  Ook daar wordt er CO2 extra geproduceerd, zij het aanzienlijk minder dan bij kolen.  Men moet zich echter realiseren dat aardgas ook voor electriciteitsopwekking op een zeer efficiënte wijze kan worden ingezet.  Een moderne "combined cycle" centrale haalt een rendement van tegen de 60%.  Daarnaast is ook de aardgas voorraad bepaald niet oneindig.

Kortom:  Als olie wegens beschikbaarheid (de conventionele olieproductie gaat, of is misschien al, over de top) en deels ook het klimaatvraagstuk wordt "uitgefaseerd", zal het een reusachtige inspanning vergen om de productie van transportbrandstoffen, al is het maar ten dele (zeg de helft), voor elkaar te krijgen.

Electrificatie
Ook zal er een electrificatie van het transport, alsmede de energievoorziening i.h.a., nodig zijn.  Met biomassa alleen redden we het niet.  Het ruimtebeslag is domweg te groot.  Op basis van hoog productief gewas heb je voor het huidige totale wereld energieverbruik ongeveer 15 miljoen km² nodig!  (Op basis van
een netto opgrengst van ca. 1 Watt/m², ofwel ± 6½ ton diesel per ha per jaar)

Kortom: De auto's moeten – zeker voor de kortere afstanden (tot 50 km) – volledig electrisch.  Dergelijke hybride voertuigen komen er aan, maar voordat een groot deel van het wagenpark er zo uit ziet zijn we zo een paar decaden verder.

Duurzame energie uit stromingsbronnen, zon en wind, komt veelal vrij in de vorm van electriciteit.  Maar ook hier, al is het minder extreem dan bij biomassa, is er véél ruimte nodig.  Windmolens kan je niet te dicht bij elkaar zetten, want dan gaan ze elkaar storen (turbulentie, elkaars wind afvangen).  Het betekent dat je hooguit 2 tot 5 MW per km² kan neerzetten.  Ga voor de Nederlandse kust op de Noordzee maar uit van die 2 MW/km².  Voor 15000 MW piekvermogen (Nederland) heb je dan 7500 km² nodig.

Ook bij zon heb je ruimte nodig.  Reken niet op meer dan 10 Watt/m² gemiddeld.  Een zonne centrale heeft eventueel onderhoud nodig, en de spiegels / PV cellen moeten elkaar t.o.v. de zon niet in de weg staan.  Een oppervlak "massief vol leggen" zal er niet bij zijn.

Daarnaast heb je te maken met de veel grotere materiaal intensiteit van zonne- en windenergie.  Zie mijn stukje 'Zonne energie en IJzer'.  Ook zal er grootschalige opslag van energie moeten worden gebouwd, en/of een enorm hoogspanningsnet op basis van gelijkstroom.  Dat laat ik in dit stukje even voor wat het is.  Misschien schrijf ik daar later nog eens iets over.

Nu zullen er mensen zijn die roepen: Kernenergie!  Ik zie dat als "an option of last resort".  Als het echt niet anders kan, op straffe van (te) grote tekorten, zou je kerncentrales kunnen overwegen.  Het is echter kostbaar (zie Finland, 1600 MW c.q. bijna €5 miljard).  Daarnaast hik ik tegen de Plutonium accumulatie aan. 
Ik heb wel eens mensen horen reppen over reactoren op basis van Thorium, die dat bezwaar niet hebben.  Echter, deze zijn binnen afzienbare tijd, als men ervoor zou kiezen – er voor zou gaan, op grote schaal niet operationeel.

Ook zie ik de inspanningen op het terrein van kernfusie als iets dat mogelijk(!!) over enkele decaden leidt tot een "high-tech, very high cost" optie.  Mogelijk, want het zou namelijk wel eens in een metafoor "het is gruwelijk duur, en je kunt er zonder tanken 100 maal mee de wereld rond, maar ik heb slechts een fiets nodig" kunnen eindigen.  Of kernfusie de zaak zou kunnen redden is nog maar zeer de vraag.

Energie en economische groei
Als men het verband tussen levenspeil en energieverbruik beziet dan is dat tot aan een zeker nivo vrijwel 1:1.  Kortom: Voor grote delen van de wereld geldt welvaart groei = groei in energie verbruik.  Ik heb trouwens nog nergens gezien dat economische groei gepaard ging met minder energie verbruik.  En denk er aan: Je moet eerlijk tellen, en dus het energieverbruik van die goedkope in China geproduceerde spullen meetellen.

In het stukje onder de titel 'De grenzen aan de groei' schreef ik ooit:
Zal er dan nooit meer sprake kunnen zijn van groei?  Welnu, dat hangt in feite af van de beschikbaarheid van energie, de energievoorziening.  Materiaal kan je recyclen.  Energie echter niet!  We zullen in de toekomst veel zuiniger met hulpstoffen en materialen om moeten gaan, en als je dat op een verstandige manier doet, dan is er veel mogelijk.  Echter: Bepaalde vormen van "groei" (aldoor maar méér spullen) zullen stoppen, domweg omdat we maar één Aarde hebben.

Daar gaat het dus om: Vrij beschikbare energie!

Die opgave wacht ons:  Zijn wij in staat om de energievoorziening in de 21e eeuw op basis van duurzame energie op een nivo te krijgen waardoor de wereldbevolking gemiddeld, laten we zeggen, een welvaart heeft als in Frankrijk in de 60-er jaren?  We dus allemaal op Aarde gemiddeld op een bescheiden wijze kunnen leven als "God in Frankrijk"?  Als we denken aan een meer "lichtzinnige" levensstijl zal er een veelvoud van de huidige energievoorziening nodig zijn.

Laat dan eens uw gedachten gaan, en neem de bovenstaande beschouwing er in mee.  Dan zeg ik tenslotte dat het naïef is te denken dat we ons, vrij naar de heer Rutte in zijn pamflet, helemaal geen zorgen hoeven te maken, en dat Willie Wortel ons gaat redden.  Ook Willie Wortel heeft te maken met weerbarstigheden als de eindigheid van hulpbronnen, alsmede chemische en fysische grenzen.

Er zal snel actie moeten worden genomen om de reusachtige vraagstukken rond
de energievoorziening op duurzame basis aan te pakken.  Veel tijd is er m.i. niet meer, en "quick & easy" bestaat niet.

Mazzel & broge, Evert

MJ = Mega Joule = 1 000 000 Joule  (Één liter water verdampen = 2.26 MJ)
MW = Mega Watt = 1 000 000 Watt  (Een middenklasse auto: ~70000 Watt)