Kunnen we met innovatie ons klimaat redden?

Innovatie en duurzaamheid

Anno 2050 moeten we zorgen dat de opwarming van de aarde ‘slechts’ 2% bedraagt. Ik wil het hier niet hebben over hoe rampzalig 2% opwarming al is en wat de impact is op het klimaat; afspraak is afspraak dus laten we gewoon eens aannemen dat we dit gaan regelen. Een veelgehoorde oplossing voor ons klimaatprobleem is door in te zetten op innovatie. Ik vroeg me af: welke innovatie dan? En hoe waarschijnlijk is het dat we de benodigde reductie voor elkaar gaan krijgen?

Definities en context

Laten we eerst even een en ander scherp in beeld krijgen, zodat we weten waar we het over hebben. Klimaatsverandering wordt primair veroorzaakt door het broeikaseffect en dat wordt weer veroorzaakt door broeistofgassen. Er zijn verschillende broeistofgassen, dus om makkelijker onze mogelijkheden te bekijken, is er een manier nodig om al die stoffen op één hoop te gooien. Normaal gesproken doen we dit door te rekenen met tonnen CO2-equivalent (CO2-e of simpelweg CO2). Als we het in de volksmond hebben over ‘CO2′, hebben we het eigenlijk over CO2-equivalenten. CO2 als broeistofgas is dus niet de enige stof waarnaar gekeken wordt.

Bij het analyseren van duurzaamheid wordt gekeken hoe verschillende dingen (fabrieken, goederen, voedsel, transport, etc) bijdragen aan het produceren van CO2-equivalenten. In praktisch alle gevallen heeft dit te maken met energie omzettingen, waarbij CO2-equivalenten vrijkomen in de vorm van gas. Die energie gebruiken we voor transport, om voedsel te groeien, om goederen te produceren, enzovoorts.

Warmte, beweging en elektriciteit zijn allemaal vormen van energie. Een auto kan bijvoorbeeld rijden op elektriciteit, aardgas, diesel, benzine – maar ook op basis van een zonne-energie of iemand die zijn benen gebruikt. In alle gevallen wordt energie omgezet in beweging. Ik zal energie uitdrukken in kWh per dag per persoon (kWh/d/p). Om het tastbaar te maken: 1 kWh is hetzelfde als een ’tik’ in de energiemeter in je meterkast.

In de discussies over de duurzaamheid van onze energiehuishouding gaat het niet om enkele tot tientallen procenten. We gebruiken enorme hoeveelheden energie in onze westerse samenleving. En als we allemaal 10% zuiniger gaan leven… lossen we maar 10% van het probleem op. Wat we nodig hebben zijn grote veranderingen.

Kort samenvattend: Klimaatsverandering is het effect van CO2-equivalenten. Deze worden geproduceerd door de manier waarop we met energie omgaan. De discussie over duurzaamheid gaat daarom over (besparing op) energieverbruik en (verduurzamen van) energieopwekking. Energie druk ik in dit artikel uit in kWh/d/p.

Hoeveel energie gebruiken we eigenlijk?

Een kleine opsomming geeft inzicht in hoeveel energie we ongeveer gebruiken per persoon, per dag (bron: http://www.withouthotair.com/):

• Goederen / industrie: 48 kWh/d/p
• Auto’s: 40 kWh/d/p
• Vliegtuigen: 30 kWh/d/p
• Verwarming en airco: 37 kWh/d/p
• Goederentransport: 12 kWh/d/p
• Voedsel: 15 kWh/d/p
• Licht: 4 kWh/d/p
• Gadgets: 5 kWh/d/p
• Defensie: 4 kWh/d/p

Het totaal is ongeveer 200 kWh/d/p. Als we snel kijken naar het staatje, valt daarbij meteen op dat we veel energie gebruiken in transport, goederen en verwarming (85%). Als we het hebben over een innovatie die het probleem oplost, hebben we dus een innovatie nodig die tenminste deze zaken aanpakt.

Wat zijn de opties?

De simpelste en beste oplossing is om gewoon te stoppen met al deze energiebronnen te gebruiken. We kunnen gewoon stoppen met goederen te kopen, de kosten voor verwarming kunnen we terugbrengen door goede isolatie en eventueel te verhuizen naar warmere landen, en tot slot kunnen we ook meer inzetten op lokaal en telewerken om de druk van transport te laten afnemen. Voor wat betreft voedsel zitten de meeste energiekosten in het eten van vlees, dus als we meer vegetarisch gaan leven bezuinigen we goed op ons energieverbruik. Voor deze radicaal simpele veranderingen hebben we weinig innovaties nodig; we moeten alleen wel structureel heel anders gaan leven. Maar dat is makkelijker gezegd dan gedaan, de meesten van ons willen niet dat de oplossing een impact heeft op onze levensstijl.

Een alternatieve oplossing lijkt te zijn om naar onze energieopwekking te kijken. Op dit moment zijn de meeste auto’s simpele brandstofauto’s die benzine verbranden om te werken. We worden dan ook massaal opgeroepen om over te stappen op elektrische auto’s. Elektriciteit kan in dit geval benzine prima vervangen en omdat hierbij minder energie verloren gaat in warmte, is dit ook nog veel efficiënter. Dan moeten we wel een duurzame manier hebben om heel veel elektriciteit op te wekken, anders lossen we het probleem nog niet op.

We hebben echter nog veel meer elektriciteit nodig, want niet alleen onze auto’s maar ook onze andere behoeftes willen we graag behouden. Kunnen we genoeg duurzame elektriciteit creëren? Laten we aannemen dat we doormiddel van innovatie duurzame elektriciteitswinning de eerder genoemde 200 kWh/d/p gaan opwekken.

200 kWh/d/p is veel, heel veel! Ter verduidelijking van hoeveel dat wel niet is, een simpele vergelijking: als je de hele kust zou volbouwen met windmolens, levert dit je slechts 32 kWh/d/p op! Zelfs als we ons halve land vol leggen met zonnepanelen, levert dit slechts 43 kWh/d/p op!* En zelfs als we alle energie zouden opwekken met uranium splijtreactoren (kernenergie), is onze hele wereldvoorraad uranium (indien we dit ‘eerlijk’ zouden verdelen) slechts goed voor slechts zestig jaar aan kernenergie.** We hebben dus heel veel meer en langer energie nodig dan dat. Een duurzame oplossing gaat uit van duizend jaar vooruit kunnen met onze energieproductie en we willen eigenlijk gewoon 200 kWh/d/p opwekken.

De enige mogelijke energiebronnen die deze hoeveelheden energie kunnen opwekken zijn: Zonne-energie, Kweekreactoren en Kernfusie. Ik zal deze drie vormen van energieopwekking hieronder kort beschrijven.

Zonne-energie

Zoals gezegd, Nederland vol leggen met zonnepanelen is ontoereikend. Nederland is echter ook niet het meest handige land om zonnepanelen te installeren. Het is veel verstandiger om dit te doen in een land waar er meer zon is. En dan het liefst op een plaats waar mensen er geen last van hebben. Zoals bijvoorbeeld in de Sahara.

Ja, het is mogelijk om in de Sahara genoeg energie te produceren voor de hele wereldbevolking. Dat kunnen we doen door simpelweg zonnepanelen daar te installeren, maar zonnecellen zijn heel duur om te fabriceren. Spiegels zijn veel goedkoper om te maken dan zonnecellen. Een goedkopere oplossing is daarom om parabolische spiegels te gebruiken (zoals op de foto hieronder) om de energie te focussen en op centrale plaatsen de energie te winnen met speciale zonnecellen.

De innovatie die we hiervoor nodig hebben is vooral op politiek gebied. Als we dit gaan doen, worden we voor onze energiebehoefte volledig afhankelijk van de landen rondom de evenaar. Deze afhankelijkheid is een issue. Deze regio’s zijn instabiel. Er vindt zelfs een flinke vluchtelingenstroom plaatsvindt van Afrika naar Europa. Het is dus lastig om dergelijke megaprojecten internationaal mogelijk te maken.

Snelle kweekreactoren

Kweekreactoren zijn speciale typen kernreactoren, die niet alleen uranium gebruiken om warmte op te wekken, maar die tijdens dat opwarmingsproces ook nieuwe splijtstof (plutonium) maken (het kweken) om dit vervolgens ook te verbranden. De enige kweekreactor die ooit op industriële schaal is gebouwd, is de Superphenix in Frankrijk.

Als we kweekreactoren goed werkend zouden krijgen, hebben we genoeg brandstof om iedereen op aarde duizend jaar lang te voorzien van 670 kWh/d/p. Het probleem met het bouwen van snelle kweekreactoren zit hem echter in de ‘transfer’ van de warmte. Snelle kweekreactoren leveren energie als warmte, welke verplaatst moet worden voordat deze gebruikt kan worden. Het verplaatsen van deze warmte gebeurt via vloeibaar metaal, specifiek: vloeibaar natrium. Werken met vloeibaar natrium is helaas ongelofelijk complex. Natrium vat vlam als het in aanraking komt met lucht. Natrium reageert bovendien ook met water, wat blussen vrijwel onmogelijk maakt. En natrium is heel corrosief, wat betekent dat alles wat ermee in aanraking komt kapot gaat. Warmtewisselaars met water zijn enorm gecompliceerd om te bouwen, omdat door de enorme hitte het metaal van de buizen flink uitzet. En tot slot leveren snelle kweekreactoren net als gewone kerncentrales hoogradioactief afval, wat nog voor duizenden jaren gevaarlijk blijft.

Persoonlijk denk ik niet dat het waarschijnlijk is dat deze innovatie gaat plaatsvinden. De praktische problemen met het werken met vloeibaar natrium zijn enorm en er is ook een grote publieke afkeer van hoogradioactief afval.

Thoriumreactoren

De laatste tijd worden thoriumreactoren veel besproken in het nieuws. Thoriumreactoren zijn ook kweekreactoren, maar zonder een aantal van de nadelen van snelle kweekreactoren. Zo leveren thoriumreactoren minder radioactief afval (het afval blijft slechts zeventig jaar radioactief) en werken ze niet met natrium maar met gesmolten zout.

Op dit moment staat de mijnbouw van thorium in de kindschoenen, omdat er weinig vraag naar is. Thoriumreactoren hebben de potentie om iedereen op aarde met de huidige mijnbouw-technieken voor ongeveer honderdtwintig jaar te voorzien van 200 kWh/d/p. Door betere mijnbouw verwachten experts dat het mogelijk is om deze hoeveelheid energie vele duizenden jaren op te wekken.

Er zijn vroeger al twee thoriumreactoren gebouwd, de ARE (1954) en de MSRE (1965), maar om te komen tot een echte reactor is nog een hoop innovatie nodig in de bouw van de reactoren. Voor een duurzame oplossing is daarnaast innovatie nodig in het mijnen van thorium.

Op dit moment wordt wereldwijd veel onderzoek gedaan naar het bouwen van Thoriumreactoren, o.a. in India. In Nederland is in februari 2016 in Petten een experiment begonnen met een thorium-reactor. Er is echter nog een lange weg te gaan voordat Thoriumreactoren op industriële schaal kunnen worden ingezet.

Kernfusie

Kernfusie is momenteel de enige andere optie. Het heeft de potentie om zoveel energie op te wekken, dat het hele energieprobleem simpelweg als ‘opgelost’ kan worden beschouwd. Dit is de echte magic bullet. Daarom proberen wetenschappers over de hele wereld al vele tientallen jaren om kernfusie tot een succes te maken. Tot nu toe echter zonder succes.

Kernfusie is moeilijk, omdat het plaatsvindt op enorme temperaturen. Om je een idee te geven: onze zon werkt erop. Het goede eraan is dat het ondanks de hoge temperaturen niet per-se gevaarlijk is; in het ergste geval kan het hete materiaal in aanraking komen met de reactor, waardoor de reactor vanzelf de reactie dooft en kapot gaat. De omgeving van de reactor loopt geen gevaar. Daarnaast levert deze vorm van energieopwekking geen hoogradioactief afval op.

In kernfusie-land worden constant doorbraken gemaakt, maar niemand weet precies hoe lang het nog gaat duren voordat de eerste werkende energie-producerende kernfusie-reactor kan worden opgeleverd. Helaas leidt dat er ook toe dat kernfusie niet langer meer de investeringen krijgt die het nodig heeft en die het zou moeten krijgen. Het grootste experiment ter wereld is de ITER in Frankrijk, en het budget hiervoor is slechts 4 miljard euro. Dat klinkt wellicht veel – maar dit valt in het niet bij de omzet die jaarlijks alleen al door Shell wordt gerealiseerd (ruim 400 miljard). De onderzoekers van ITER verwachten niet dat ze voor 2050 een energieproducerende reactor kunnen opleveren.

In de laatste decennia heeft kernfusie een hoop baat gehad bij de toenemende mogelijkheden van computers om op grote schaal dingen door te rekenen. Daarnaast zijn de supergeleiders heel veel beter geworden. Deze combinatie maakt dat projecten zoals de experimentele Wendelstein 7-X reactor in Duitsland inmiddels mogelijk zijn geworden. Het doel van de Wendelstein 7-X is om aan te tonen dat het mogelijk is om met dit type reactor energie op te wekken.

De Wendelstein 7-X is zelf nog een proof-of-concept. Dus als de Wendelstein succesvol is, moet een industriële reactor nog gemaakt worden en zal er in het huidige tempo nog minstens twintig jaar nodig zijn om tot een werkende versie te komen.

In de USA hebben een drie kleine bedrijven niet het geduld hiervoor. Helion Energy, General Fusion en Tri Alpha Energy hebben elk tientallen miljoenen euro’s opgehaald bij investeerders met als doel om binnen 5 jaar een werkende kernfusie-reactor te hebben die energie oplevert. Of een van hen dit ook gaat lukken? Ik denk dat het nog te vroeg is om hier een goede uitspraak over te doen.

Conclusie

Dus, gaat innovatie ons klimaatsprobleem oplossen? De mogelijke innovaties die de oplossing gaan bieden zijn beperkt. Het zou kunnen, maar dan lijkt het erop dat we meer moeten investeren. De vraag is dan: waar moeten we dan in investeren? In alle gevallen is er de potentie, maar in alle gevallen is er tijd en investering nodig om het tot een succes te maken. We kunnen ons makkelijk laten tegenhouden door te kijken naar de risico’s van investeren in innovatie – we weten tenslotte niet welke van deze oplossingen daadwerkelijk succesvol zal zijn, maar investeren heeft wel als positief effect dat een doorbraak de economie helemaal in bloei te zetten. En belangrijker nog: klimaatsverandering treft ons allemaal, dus misschien moeten we het niet zo zien als een vrije keuze, maar als een noodzaak. Misschien moeten we zelfs in alle mogelijke opties investeren – in de hoop dat we het probleem over minder dan tien jaar hebben opgelost?

Deadlines, investeren en innovatie zijn altijd een lastige combinatie. Metingen over de opwarming van de aarde geven aan dat we niet moeten wachten, maar nu moeten schakelen, investeren en beginnen. De doelstelling van 2% opwarming anno 2050 betekent dat we rond 2025 door middel van een van deze innovaties de oplossing in handen moeten hebben. De tien jaren daarna moeten we vervolgens investeren in het bouwen van vele honderden installaties om zo rond 2035 geen CO2 meer uit te stoten. In 2050 hebben we dan onze doelstelling gehaald, zonder in te teren op onze welvaart.

Is dit mogelijk? Ja, ik denk dat het mogelijk is, maar alleen als we de komende decennia man en macht verzetten om het werkelijkheid te maken en in alle mogelijkheden investeren.

—
* Bron: De Energievoorziening van Nederland, TU Delft, 2010.
** De totale hoeveelheid uranium op aarde is ongeveer 4,5 G-ton U-235. Een 1 GW centrale verbruikt 162 ton uranium per jaar.