Onderzoek en Ontwikkeling
18.08.2020

Oneindige energie is dichterbij dan we denken

Chris Stokel-Walker

De energiesector is nu al verantwoordelijk voor twee derde van de door de mens geproduceerde koolstofuitstoot en de vraag naar energie blijft toenemen. Om deze onhoudbare situatie op te lossen proberen wetenschappers te ontrafelen hoe we oneindige energie kunnen produceren. We bespreken de innovaties die ons, op korte termijn, naar een duurzame energietoekomst kunnen leiden.

Verwacht hier het volgende te leren:

​    Hoe kan oneindige groene energie, ooit een utopie, binnenkort werkelijkheid worden? En welke landen nemen hierin het voortouw?

​    Welke baanbrekende technologieën kunnen het opslagprobleem van hernieuwbare energie, zoals zonne- en windenergie, oplossen?

​    Welke verrassende materialen onderzoeken wetenschappers ter vervanging van fossiele energie?

​    Wanneer kunnen we verwachten dat duurzame energie de fossiele energiebronnen zal vervangen? En op welke manier zal deze gigantische verschuiving de wereldorde verstoren?

De mensheid houdt al millennia vast aan twee ogenschijnlijk utopische zoektochten. Sommigen dromen van een oneindig leven. Wetenschappers, filosofen en miljardairs hebben getracht een levenselixir te vinden, lichamen in te vriezen (cryonisme) om ze later weer tot leven te kunnen wekken, menselijke lichaamscellen te regenereren of ons brein te uploaden naar een cloud.

Tegelijkertijd is de mensheid altijd op zoek geweest naar een oneindige en emissiearme energiebron. Een hernieuwbare, betrouwbare en verantwoorde manier om onze huizen te verwarmen, onze infrastructuur van energie te voorzien, onze producten te vervaardigen en onze voertuigen (en de hele maatschappij) draaiende te houden. Een grenzeloze bron van duurzaam geproduceerde energie die onze zorgen wegneemt over hoe onze energievoorziening van vandaag gevolgen zal hebben voor toekomstige generaties. Hoewel het streven naar het oneindige leven van één iemand als individualistisch kan worden beschouwd, zou het potentieel van oneindige en duurzame energie ons hele bestaan onmetelijk kunnen verbeteren.

Hoewel het waarborgen van de energievoorziening al sinds de prehistorie een kwestie van leven en dood is voor de mensheid, hebben we voorheen vertrouwd op eindige grondstoffen die, in feite, de achteruitgang van onze planeet versnellen.

We leven op een kleine planeet.

"We leven op een kleine planeet", zegt Sally Benson, mede-directeur van het Precourt Institute for Energy van Stanford University, en directeur van het wereldwijde klimaat- en energieproject van de universiteit. "We zijn met velen, en we moeten nadenken over het beheer van de planeet." Ze gelooft dat er een kantelpunt is bereikt in onze manier van denken over, en onze omgang met, energie. "In plaats van te denken dat we de natuur kunnen veroveren, denken we nu na over hoe we samen kunnen werken met de natuur om de wereld te behouden", zegt Benson.

Het jaar 2020 zou deze gedachteverandering verder kunnen versnellen. Nu de economie en het transport langzaam weer op gang komen na de wereldwijde pandemie, doet er zich een kans voor om na te denken over wat voor een energiesysteem we zouden moeten bouwen. Nu we door een willekeurig virus worden geconfronteerd met onze eigen sterfelijkheid, zouden we idealiter ook de sterfelijkheid van de planeet moeten onderkennen, en inzien hoe onze willekeurige inname gevolgen heeft gehad voor de gezondheid van de planeet.

Deze enorme reset geeft ons de mogelijkheid om ambitieuze, vooruitstrevende en langetermijnstrategieën op te zetten.

Terwijl we op zoek zijn naar het oneindige leven, realiseren we ons dat als we er niet in slagen om een onuitputbare en duurzame manier te vinden om onze maatschappijen draaiende te houden, het leven op aarde allesbehalve oneindig zal zijn. Hoewel we nu weten dat de angst die in de twintigste eeuw bestond, dat we zonder olie en gas zouden komen te zitten, nog decennia op zich zal laten wachten, is de noodzaak om te stoppen met het gebruik van zuivere fossiele grondstoffen nog nooit zo urgent geweest.

Hoewel verwacht wordt dat kernenergie ook een onderdeel van onze energietoekomst zal zijn, kan het niet voorzien in al onze energiebehoeften en uitdagingen die nog moeten worden opgelost. Zoals uitdagingen met betrekking tot de kosten, veiligheid, afvalverwerking en verspreiding wereldwijd. Er is dus een wereldwijde omschakeling naar hernieuwbare energie nodig; een omschakeling die momenteel nog niet snel genoeg gaat.

“Deze enorme reset geeft ons de mogelijkheid om ambitieuze, vooruitstrevende en langetermijnstrategieën op te zetten,” zo stelt Roberto Bocca, hoofd Energy and Materials bij het World Economic Forum.

 
Hoe ziet oneindige energie eruit?

Sinds in 1859 de eerste moderne oliebron in Titusville, Pennsylvania werd aangeboord - inderdaad, sinds de paleolithische mens hout verbrandde voor het vuur, de warmte en voor het verwarmen van voedsel - zijn we op dezelfde manier met energie omgegaan: we hebben alle beschikbare energie gebruikt zonder dat we de noodzaak voelen om het in dezelfde mate te vervangen. We hebben fossiele energie gebruikt alsof het een oneindige grondstof is, die we kunnen ontginnen en verbranden zonder rekening te houden met de gevolgen.

De zonne- en windenergiecentrales van vandaag wekken hernieuwbare energie op in een tempo dat ooit rekenkundig onmogelijk werd geacht.

Vandaag de dag is het gebruik en de opwekking van energie verantwoordelijk voor twee derde van de door de mens geproduceerde koolstofuitstoot. We weten dat de vraag naar energie tot 2040 elk jaar met één procent zal stijgen, maar we weten ook dat we deze energie niet uit dezelfde vervuilende bronnen kunnen halen. In plaats van de aarde te ontdoen van de koolwaterstoffen die onder de oppervlakte liggen, ontwikkelen wetenschappers, onderzoeksinstituten en bedrijven methoden waarmee we de kracht van de natuur op zo’n manier gebruiken dat we het niet wegnemen, maar juist benutten. Deze mindset is de sleutel tot het ontgrendelen van oneindige, groene energie.

De zonne- en windenergiecentrales van vandaag wekken hernieuwbare energie op in een tempo dat ooit rekenkundig onmogelijk werd geacht. Echter, deze traditionele methoden alleen zijn niet toereikend om ons consequent te voorzien in ons groeiende energieverbruik. De samenleving heeft niet alleen behoefte aan schonere alternatieven voor elektriciteit, maar bijvoorbeeld ook aan vervanging van aardolie voor transport en als grondstof voor de producten die we gebruiken. Om afstand te doen van fossiele energie hebben we een verscheidenheid aan baanbrekende technologieën nodig die ons dichter bij oneindige energievoorziening brengen. Veel van deze bronnen zullen hernieuwbaar zijn en de wetten van de circulaire economie volgen.

 
Hoe kunnen we het overaanbod aan zonlicht benutten als oneindige energiebron?

Er wordt vaak gesteld dat je met maar twee minuten zonneschijn voldoende energie zou kunnen opwekken om de hele wereld een jaar lang van energie te voorzien. De energiesector en de academische wereld willen die hypothese nu testen. "Zolang de zon blijft schijnen, hebben we de beschikking over zonne-energie, en als de zon schijnt, kunnen we er heel veel zonne-energie aan onttrekken,” aldus Sally Benson. "De uitdaging is hoe je voordeel kunt halen uit die bron.”

In een wereld waar het woord 'exponentieel' vaak ten onrechte wordt gebruikt om iedere vorm van opwaartse groei aan te duiden, is het op zonne-energie letterlijk van toepassing. De energieproductiecapaciteit van fotovoltaïsche panelen zal naar verwachting alleen al in 2020 met ongeveer 14 procent toenemen, zo stelt de IEA. De ontwikkeling blijkt ook uit de prijzen: in de loop van het huidige decennium zal de bouw van nieuwe installaties voor hernieuwbare energie naar verwachting goedkoper worden dan de exploitatie van bestaande kolencentrales in elke grote markt ter wereld, aldus Forbes. Bij het IEA verwacht men dat zonne-energie tegen 2035 gas voorbij zal streven als 's werelds belangrijkste energiebron.

Zonnepanelen vormen echter maar één methode waarmee wetenschappers de onuitputbare energie van de zon proberen te benutten. Om zonne-energie niet alleen voor elektriciteit te gebruiken, maar ook voor het transport en de productie van grondstoffen, zijn er andere innovatieve technologieën die momenteel worden gebruikt in kleinschalige projecten en die, met financiering en zorgvuldig onderzoek, meer betrouwbare en grootschalige alternatieven zouden kunnen bieden. Daarnaast worden er nog steeds ideeën bedacht, ontwikkeld en getest in laboratoria over de hele wereld. Deze ideeën hebben de potentie om de klimaatverandering in de toekomst aan te pakken.

Zweden, Zwitserland, Finland, Denemarken en Noorwegen zijn de vijf landen die het best voorbereid zijn op de energietransitie.

Al deze projecten, die zich momenteel in verschillende ontwikkelingsstadia bevinden, zijn van belang, zo stelt Petri Lehmus, Vice President of Research and Development (R&D) bij Neste. Hij is tevens een expert in het aansturen van teams die circulaire oplossingen bedenken voor de economie en de maatschappij. “We hebben verschillende oplossingen tegelijkertijd nodig om de grote uitdaging van het verminderen van de CO2-uitstoot het hoofd te bieden,” aldus Lehmus. Hij is voorstander van een stapsgewijs proces waarbij we eerst afrekenen met de meest schadelijke energiegewoontes.

Lehmus laat ons een voorbeeld uit de transportsector zien waaruit de noodzaak blijkt om verschillende oplossingen naast elkaar uit te voeren. Deze sector is verantwoordelijk voor een groot deel van de wereldwijde CO2-uitstoot: in 2018 nam de transportsector maar liefst 28% van de broeikasgasuitstoot in de Verenigde Staten voor rekening. In de EU bedroeg dat percentage in 2017 27%. Elektrificatie alleen zal de enorme emissie-uitdaging van de industrie niet op tijd kunnen aanpakken. “Vloeibare en gasvormige hernieuwbare brandstoffen blijven deel uitmaken van de oplossing, omdat ze gemakkelijk te gebruiken zijn en het mogelijk maken de CO2-uitstoot in de huidige infrastructuur onmiddellijk te verminderen,” aldus Lehmus. “Het is belangrijk dat bedrijven blijven werken aan zowel schaalbare oplossingen die op de korte termijn impact hebben, als aan ideale oplossingen die op de lange termijn uitkomst kunnen bieden.”

Svein Tveitdal, een voormalige directeur bij de Verenigde Naties, runt een energieadviesbureau, genaamd Klima2020. Hij roept private ondernemingen op deze uitdaging op te pakken: “We hebben alle oplossingen voorhanden en we kunnen deze enorme uitdaging aan, maar het grote probleem is dat de markt zelf het probleem niet zo snel oplost als nodig is.”

 
Wat zijn de meest veelbelovende energieoplossingen om de klimaatverandering aan te pakken?

Een van de problemen met het gebruik van hernieuwbare elektriciteitsbronnen is de tijdelijke aard ervan. Zo kun je zonne-energie alleen opwekken als de zon schijnt en blijft de opslag ervan lastig. Overdag werkt het prima, maar we hebben 24 uur per dag energie nodig. Dat opslagprobleem is echter ook alweer achterhaald. “Lithium-ionbatterijen worden steeds goedkoper en kunnen een belangrijke rol spelen in het opnemen van zonne-energie overdag, om die energie vervolgens te gebruiken gedurende een deel van de nacht,” zo weet Sally Benson van Stanford University’s Precourt Institute for Energy.

Windenergie, dat opgewekt wordt door energievasthoudende windturbines, kan ook worden opgeslagen in lithium-ionbatterijen. Onderzoekers van het Karlsruhe Institute of Technology suggereren dat de capaciteit van lithium-ionbatterijen met dertig procent zou kunnen toenemen door simpele veranderingen aan te brengen in de werking van de batterij.

Het Power-2-X-plan is een ambitieus plan dat kan uitgroeien tot een van de meest haalbare oplossingen voor het aanpakken van klimaatverandering.

Maar batterijen zijn niet de enige manier om energie op te slaan. Een van de meest veelbelovende oplossingen voor het betekenisvol opslaan van enorme hoeveelheden hernieuwbare energie is Power-to-X, ook wel P2X genoemd. Met behulp van elektrolyse produceert de baanbrekende technologie emissievrije hernieuwbare waterstof door watermoleculen te splitsen in zuurstof en waterstof met behulp van zonne- of windenergie. Door CO2 als grondstof te gebruiken en het proces aan te drijven met hernieuwbare energie, kan P2X helpen ons kooldioxideprobleem om te zetten in brandstoffen, chemicaliën en grondstoffen met een lagere CO2-voetafdruk dan de conventionele alternatieven.

De synthetische brandstoffen die met P2X-technologieën worden gecreëerd, kunnen helpen om de schommelingen van de energiebronnen in de natuur te verminderen. Bovendien zouden we de brandstoffen kunnen gebruiken voor meer dan alleen stroomvoorziening, bijvoorbeeld door hun energie om te zetten in materialen die op hun beurt kunnen worden gerecycled en in de waardeketen kunnen worden teruggebracht. Hierdoor ontstaat er een opwaartse spiraal.

Het Power-2-X-plan is een ambitieus plan dat kan uitgroeien tot een van de meest haalbare oplossingen voor het aanpakken van de klimaatverandering. Sally Benson noemt het plan ‘niet uitzonderlijk’. “Dat soort zaken blijven zich inderdaad door ontwikkelen,” zegt Benson. “Het kan even duren, maar onmogelijk is het zeker niet.”

Neste is een van de bedrijven die Power-2-X ontwikkelt en staat daarmee aan de frontlinie van de technologische revolutie in de energiesector. Ze richten hun R&D-inspanningen ook op verschillende andere methoden om duurzame grondstoffen om te zetten in energie, waarmee de kans op een oneindige toevoer van energie wordt vergroot. Het bedrijf gebruikt al een grote verscheidenheid aan afval- en restoliën en -vetten, zoals gebruikt frituurvet en afval van natuurlijke vetten, voor hernieuwbare brandstoffen en grondstoffen voor de productie van polymeren en chemicaliën. Bovendien onderzoekt Neste hoe oliehoudend afval, zoals vetten uit rioolstelsels, kan worden gebruikt. "We willen deze laagwaardige vetten omzetten in een verscheidenheid aan hoogwaardige hernieuwbare producten," zegt Petri Lehmus.

 
Welke landen nemen het voortouw op weg naar oneindige energie?

Zoals te verwachten wordt het grootste deel van de transitie naar een duurzame energietoekomst in de landen met vergevorderde economieën gemaakt. Zweden, Zwitserland, Finland, Denemarken en Noorwegen zijn volgens het World Economic Forum de vijf landen die het meest zijn voorbereid op de energietransitie. China, de huidige mondiale economische grootmacht - en een land dat energieprojecten in de ontwikkelingslanden ontwikkelt - staat op de 78e plaats.

De huidige problemen met onze energievoorziening en het energiegebruik kunnen echter niet eenvoudig worden opgelost en vragen om wereldwijde samenwerking. De uitdaging waar we voor staan is om alle landen te overtuigen van de noodzaak om schonere alternatieven te omarmen voor zuivere fossiele oliën en gas. Het is geen gemakkelijk doel, want energieduurzaamheid is nog niet voor alle economieën top-of-mind.

Je kunt de armste mensen op de wereld niet vertellen dat ze hun energieverbruik moeten verminderen om de wereld te redden.

"Er zijn zoveel arme mensen op de wereld”, zegt Svein Tveitdal, voormalig directeur van de Verenigde Naties. "Je kunt hen niet vertellen dat ze hun energieconsumptie moeten beperken om de wereld te redden.” Tveitdal weet nog goed dat, toen hij voor de VN werkte, delegaties uit ontwikkelingslanden hem kwamen vertellen hoe ze hun grondstoffen gewoon zouden blijven aanwenden: “Rijk zijn en daarna ruimen we op - en waag het niet ons te vertellen dat we dat niet kunnen doen.” Gelukkig zien we dat er overal op de wereld belangrijke stappen worden gezet om de kracht van de natuur duurzaam te benutten.

 
Welke rol spelen planten, plastic en de ruimte bij het aanboren van oneindige energie?

Een van de waardevolle energiebronnen die sinds jaar en dag de basis vormt voor de beschaving wereldwijd is biomassa. Biomassa is hernieuwbaar en van plantaardig of dierlijk materiaal dat kan worden gebruikt als grondstof voor energie, brandstoffen en materialen. Van oudsher hebben landen waar de infrastructuur voor de energievoorziening het zwakst is, het meest gebruik gemaakt van biomassa. Zo zet Mandulis Energy uit Oeganda sinds 2012 rijstvliezen, en andere bijproducten van de landbouwindustrie, om in gas dat elektriciteit opwekt voor kleinschalige netwerken die gemeenschappen van stroom voorzien.

Vandaag de dag kijken uitvinders die werkzaam zijn in de meest technologisch geavanceerde laboratoria ter wereld met nieuwe ogen naar biomassa. We weten nu hoe we koolwaterstoffen uit fossiele energiebronnen kunnen vervangen door koolstoffen afkomstig uit biologische bronnen die steeds weer teruggroeien. Dit resulteert in aanzienlijk minder uitstoot van broeikasgassen dan het gebruik van fossiele grondstoffen.

Het gebruik van biomassa is weer een andere manier om de energie van de zon op circulaire wijze te benutten.

Neste kijkt niet alleen naar oliën en vetten, maar onderzoekt bijvoorbeeld ook het grootschalige gebruik van lignocellulose en residuen van land- en bosbouw. "Op dat vlak is de uitdaging wat groter omdat dergelijke grondstoffen niet optimaal zijn voor de producten die we vervaardigen. Daardoor moeten we tussendoor meer verwerkingen en omzettingen uitvoeren,” zegt Lehmus. "Het gebruik van biomassa, en dan vooral biomassa dat gezien wordt als afval- of restproduct, is een van de oplossingen die ook schaalbaar is. Vandaar dat we er al meer dan een decennium mee werken en er onderzoek naar blijven doen.”

In feite vormt het gebruik van biomassa een andere methode om de energie van de zon op circulaire manier te benutten. De energie van biomassa, net als die van afvaloliën en -vetten, is afkomstig van de zon en wordt opgeslagen en gedragen door de koolstoffen in deze grondstoffen. Als we onze hele energie- en grondstoffenketen zouden optimaliseren om deze koolstoffen steeds opnieuw te gebruiken, zouden we het gebruik van nieuwe fossiele koolstoffen kunnen vermijden en de cumulatieve uitstoot van CO2 kunnen stoppen.

Het zijn niet alleen natuurlijke grondstoffen die gerecycled kunnen worden en een tweede leven als energiebron kunnen krijgen – wat ons mogelijk een oneindige bron van circulaire aanvoer oplevert. Polyolefinen, een van de meest gebruikte polymeren die tegenwoordig in plastic worden gebruikt, zijn gemaakt van koolwaterstoffen: “de perfecte grondstof voor het maken van hoogwaardige materialen voor nieuw plastic,” vertelt Lehmus.

Wereldwijd werd er in 2018 bijna 360 miljoen ton plastic geproduceerd. Volgens Plastics Europa ging het in Europa om ongeveer 62 miljoen ton, waarvan zo'n tien procent werd gerecycled. In andere delen van de wereld is de situatie zelfs nog slechter. Neste onderzoekt plastic afval als mogelijke grondstof en is van plan vloeibaar gemaakt plastic afval te raffineren tot hoogwaardige drop-ins voor de productie van nieuw plastic. Het bedrijf streeft ernaar om de daarin aanwezige koolwaterstoffen om te zetten naar bouwstenen voor nieuwe, zuivere kwaliteitsproducten, zodat de koolwaterstoffen steeds weer kunnen circuleren.

Het antwoord op de zoektocht naar oneindige energie kan worden gevonden op een plek heel erg ver weg.

Het is ook mogelijk om koolwaterstoffen in het laboratorium te maken. Dit kan door het genereren van hernieuwbare waterstof, door de bestanddelen van water op te splitsen en het vervolgens te combineren met kooldioxide om koolwaterstoffen te maken, zoals methaan. De technologie wordt Power-to-gas genoemd.

Volgens Benson is het zeker mogelijk dat we op deze manier methaan kunnen creëren en het op grote schaal kunnen gebruiken als energiedrager voor duurzame energie. Als de energie die hierbij vrijkomt hernieuwbaar is, de CO2 uit de atmosfeer wordt gehaald en er een gesloten systeem ontstaat zonder risico op het weglekken van methaan, zou dit een duurzame aanpak zijn. "Dit zouden we inderdaad kunnen doen. Vandaag de dag zou het nog een dure onderneming zijn en het zou een heleboel moeite kosten om het praktisch en efficiënt te laten werken, maar dat zijn de dingen die zeker in het verschiet liggen", zegt Benson.

Het antwoord op de zoektocht naar oneindige energie kan ook heel erg ver weg worden gevonden: in de ruimte. "Een van de dingen waar we niet vaak aan denken is dat de aarde heter is dan het heelal," zegt Benson. De aarde straalt altijd energie uit in de ruimte. Als we een materiaal kunnen vinden dat op exact dezelfde golflengte als de aarde uitstraalt, zou het materiaal energie uitstralen en erg koud worden. Omring iets kouds met warme lucht en je creëert iets wat een energiegradiënt wordt genoemd. "Dat zijn mechanismen die elektriciteit genereren doordat ze een koud uiteinde en een warm uiteinde hebben voor het opwekken van stroom,” legt Benson uit.

 
Zou oneindige energie een toekomst van gelijke kansen kunnen creëren?

Als deze innovatieve projecten tot bloei zouden komen, zou ons bestaan voorgoed kunnen veranderen.

Als we toegang zouden hebben tot onbegrensde energie, door circulaire technologieën, dan zou de prijs van energie in theorie drastisch omlaag kunnen. De energiearmoede, die mensen ervan weerhoudt om vooruitgang te boeken in de samenleving en toegang te krijgen tot belangrijke zaken als internet, verwarming en licht, zou afnemen.

Een aantal van deze projecten lijken misschien kleinschalig of hypothetisch van aard, of als voorbereiding op een energietoekomst die op dit moment nog ver weg lijkt. Toch is het belangrijk dat we ons op die toekomst voorbereiden. "Alles wat we doen op de schaal van het menselijke energiesysteem zal impact hebben," concludeert Benson.

Gelukkig lijkt de technologische vooruitgang exponentiële stappen te maken, ook al neemt de energiebehoefte elk jaar met één procent toe. Met een gerichte, gezamenlijke inspanning zouden we op termijn wel eens duurzame, oneindige energiebronnen kunnen aanboren.

Chris Stokel-Walker is een schrijver, spreker en journalist wiens werk is verschenen op BBC News, The New York Times en WIRED UK.

Share article