2016-04-15 H2ECOb/Blm
HOE KAN DE ENERGIETRANSITIE WORDEN GEREALISEERD?
Probleemstelling Op de internationale milieuconferentie in december 2015 in Parijs is door de deelnemende landen afgesproken, dat de uitstoot van broeikasgassen ten gevolge van het gebruik van fossiele brandstoffen (olie, kolen, aardgas) zodanig zal worden beperkt, dat de stijging van de gemiddelde temperatuur op aarde ten gevolge van die uitstoot tot het jaar 2100 ruim onder 2 °C moet blijven en dat ernaar gestreefd zal worden die te beperken tot 1,5 °C. Dit betekent, dat het gebruik van fossiele brandstoffen sterk zal moeten worden beperkt, zo niet geheel moet worden gestopt, en dat op grote schaal zal moeten worden overgestapt op andere, duurzame bronnen van energie.
Bronnen van energie anders dan fossiele brandstoffen Zonne- en windenergie zullen als er wordt gestopt met het gebruik van fossiele brandstoffen voor de energieopwekking een aanzienlijke bijdrage moeten leveren, naast andere vormen van duurzame energie, zoals hydro-energie, energie uit biomassa. Maar de bijdrage van die laatsten zal in verband met de beschikbaarheid van hun bronnen (aanzienlijk) lager zijn. Ook kan worden gedacht aan energie opgewekt via kernsplitsing (uranium, thorium); echter deze vorm van energieopwekking staat sterk ter discussie. Hoewel er al vele decennia aan wordt gewerkt, verkeert de ontwikkeling van energieopwekking door middel van kernfusie nog in de beginfase. Het kan nog geruime tijd duren voordat deze methode praktisch toepasbaar is, als dit al ooit kan worden gerealiseerd. Opmerking: In Duitsland zijn de eerste successen geboekt voor wat betreft energie verkregen door beheersbare kernfusie.
Opslag van duurzame energie Er zal dus vooral moeten worden ingezet op zonne- en windenergie. Het probleem daarbij is echter, dat die lang niet altijd met voldoende stabiliteit en in voldoende mate beschikbaar zullen zijn, afhankelijk van de weersomstandigheden en het dag/nachtritme. Daarom zal een oplossing moeten worden gevonden voor het opslaan van elektrische energie, in grote, transportabele hoeveelheden. Die oplossing is er al: door elektrolyse van water (in dit geval met behulp van duurzame elektrische energie die op dat moment niet rechtstreeks aan het elektriciteitsnet kan worden geleverd) -1-
2016-04-15 H2ECOb/Blm
wordt waterstof (en zuurstof) verkregen. Met zogenaamde brandstofcellen kan de waterstof in een later stadium, als de vraag naar (aanvullende) energie dat vergt, weer worden omgezet naar elektrische energie. Dat gebeurt op een efficiënte wijze, omdat de chemische energie (opgeslagen in waterstof dus) niet eerst omgezet wordt in thermische en mechanische energie, waardoor er nauwelijks verliezen optreden. Een andere conversiemethode is om met de geproduceerde waterstof en met kooldioxide methaangas (dat is de energiedragende hoofdcomponent van aardgas) te maken en daarop gasgestookte elektriciteitscentrales te laten draaien. Een derde methode is de waterstof te binden aan stikstof tot ammoniak, dat ook als brandstof kan worden gebruikt, bijvoorbeeld in elektriciteitscentrales. Over deze conversiemethoden verderop in deze notitie meer.
Kosten De ontwikkelings- en realisatiekosten van deze opslag- en conversiemethoden zullen hoog zijn, zeker als men die - bij korte termijn denken - gaat betrekken op de huidige olieprijs. Er moet echter voor de lange termijn ook rekening worden gehouden met de kosten veroorzaakt door de gevolgen van de opwarming van de aarde (rampen, stijging van zeespiegel). Als dat niet gebeurt en niet in voldoende mate wordt overgeschakeld naar duurzame energie, dan worden deze kosten doorgeschoven naar toekomstige generaties. Deze zullen zeer hoog zijn, op de lange termijn waarschijnlijk vele malen groter dan de ontwikkelings- en realisatiekosten van nieuwe duurzame energiebronnen. Bovendien zal vroeg of laat, als de fossiele brandstoffen beginnen op te raken, toch moeten worden overgeschakeld naar op grote schaal toepasbare alternatieven. Te lang wachten met de ontwikkeling daarvan kan wereldwijd enorme economische consequenties hebben en levensbedreigend zijn voor een groot deel van de wereldbevolking. Daarom is het wel zo fair ten opzichte van toekomstige generaties om nu al, nu er voldoende financiële middelen zijn, te beginnen met de versnelde ontwikkeling van die alternatieven. Dat zal bovendien een sterke stimulans geven aan de economieën van de landen die daarbij zullen zijn betrokken. Het laatste argument voor een versnelde ontwikkeling en toepassing van duurzame energiebronnen (vanwege de eindigheid van de fossiele brandstoffen) is aanzienlijk sterker dan het eerste (vanwege de opwarming van de aarde). Immers bij de huidige groei van het mondiale energieverbruik en de op dit moment ingeschatte voorraad fossiele brandstoffen zal de voorraad waarschijnlijk al ruim voor het jaar 2100 (zie: Probleemstelling) zijn afgenomen tot een waarde die, als er niet eerder is
-2-
2016-04-15 H2ECOb/Blm
ingegrepen, catastrofaal is. En wie zou zich dan nog zorgen maken over de opwarming van de aarde? Verder dient men zich ook het volgende af te vragen. Op voornoemde milieuconferentie is erover gesproken de landen die in de toekomst waarschijnlijk het sterkst zullen worden getroffen door de gevolgen van milieuveranderingen en aan de oorzaken van die verandering (nauwelijks) part noch deel hebben, financieel tegemoet te komen om deze gevolgen te beperken. Zou - onder het motto voorkomen is beter dan genezen - het geld bestemd voor deze financiële tegemoetkoming niet beter kunnen worden gebruikt om duurzame energiebronnen, inclusief de in deze notitie genoemde methode van opslag van elektrische energie, versneld te ontwikkelen en op grote schaal te gaan toepassen? Hetzelfde geldt overigens voor de subsidies voor duurzame energiebronnen met aanzienlijk minder potentie dan wind- en zonne-energie (zoals biomassa bijvoorbeeld).
Conversiemethoden Brandstofcellen Met zogenaamde brandstofcellen kan uit waterstof elektrische energie worden (terug)gewonnen. Via een omzetter kan deze energie in het elektriciteitsnet worden geïnjecteerd. Er zijn inmiddels brandstofcellen gebouwd tot een vermogen van 1 MW. Verschillende autofabrikanten passen al brandstofcellen toe in de door hen op de markt gebrachte auto's die op waterstof lopen. De mogelijkheid zou moeten worden onderzocht om de brandstofcellen in deze auto's energie aan het elektriciteitsnet te kunnen laten leveren via laadpalen nieuwe stijl. Wanneer massaal op waterstof aangedreven voertuigen wordt overgeschakeld, zou een significant deel van de benodigde elektrische energie op deze wijze kunnen worden opgewekt. Voor het echter zover is, moet nog een omvangrijk traject worden afgewerkt om de noodzakelijke intelligente elektriciteitsnetten te ontwikkelen. Onder meer via zo'n elektriciteitsnet: - moet worden bepaald in welke delen van het laagspanningsnet extra energie afkomstig van waterstof aangedreven voertuigen dient te worden geïnjecteerd en hoeveel - moet worden vastgesteld welke van de met een laadpaal gekoppelde voertuigen daarvoor - in verband met hun waterstofvoorraad - in aanmerking komen - moeten de voor verrekening met de eigenaren van de voertuigen benodigde gegevens worden vastgelegd. Om de aanschaf van waterstofaangedreven voertuigen te stimuleren valt te overwegen leningen te verstrekken voor de aanschaf van dergelijke voertuigen, -3-
2016-04-15 H2ECOb/Blm
welke leningen kunnen worden afgelost via de verrekening van de door die voertuigen aan het elektriciteitsnet geleverde energie. Methaan uit waterstof en kooldioxide Via de Sabatier-reactie kan met waterstof en kooldioxide (CO2) methaan worden geproduceerd. Dit gas - de zuivere vorm van aardgas - kan worden gebruikt in gasgestookte elektriciteitscentrales (gasgestookte stoomturbines en gasturbines). Het bij de verbranding geproduceerde kooldioxide wordt vervolgens weer gebruikt voor de productie van methaan. Dit is dus een CO2-neutraal proces in zijn meest elementaire vorm. In Duitsland is inmiddels een proefcentrale met een vermogen van 250 kW gebouwd die werkt volgens dit principe. Het is een kwestie van geld om tot grotere vermogens te komen. Nadeel van deze conversiemethode is, dat nog steeds het broeikasgas NOx wordt geproduceerd. Dit zou moeten worden afgevangen of voor het verbrandingsproces zou de zuivere zuurstof moeten worden gebruikt die ontstaat bij de productie van waterstof (door elektrolyse). Om daarover een beslissing te kunnen nemen zou onderzoek moeten worden gedaan, vooral naar de financiële consequenties. In principe is het uiteraard mogelijk om met de Sabatier-reactie methaangas te produceren en dat te injecteren in het bestaande aardgasnet. Hierbij kan dan CO2 uit het milieu of ontstaan bij andere processen worden gebruikt. Een beslissing hierover zal vooral op kostenoverwegingen worden gebaseerd, waarbij ook de levensduur van het landelijke aardgasnet een rol zal spelen. Vooralsnog lijken andere methoden voor verwarming van gebouwen en voor koken op termijn kansrijker. Denk daarbij aan elektrische verwarming, verwarming door middel van aardwarmte, afvalwarmte en zonneboilers etc. Uiteraard in combinatie met het verder doorvoeren van energiebesparende maatregelen (zoals isolatie van gebouwen). Ammoniak uit waterstof en stikstof Met behulp van het Haber-Boschproces kan met waterstof en stikstof ammoniak worden gemaakt. Onder normale omstandigheden is ammoniak een gas en kan bijvoorbeeld worden gebruikt als brandstof in elektriciteitscentrales (gasgestookte stoomturbines en gasturbines). Bij normale omgevingsdruk kan ammoniak vloeibaar worden gemaakt door het af te koelen tot onder -33,4 °C en kan daardoor gemakkelijker worden opgeslagen dan waterstof, voor de opslag waarvan met hoge drukken moet worden gewerkt. Nadelen van het gebruik van ammoniak zijn van toxische en milieutechnische aard (bron: "Ammoniak" door J.W. Erisman, RIVM).
-4-
2016-04-15 H2ECOb/Blm
Vanwege deze nadelen lijkt het toepassen van deze brandstof voor grootschalig gemotoriseerd vervoer minder voor de hand te liggen.
Productie van waterstof Waterstof zal worden geproduceerd door elektrolyse van water. Voor de daarvoor benodigde elektrische energie kan daarbij gebruik worden gemaakt van de op dat moment geproduceerde overtollige energie uit duurzame bronnen (surplus aan winden zonne-energie). Dus van duurzame energie die niet direct aan verbruikers kan worden geleverd. Verder moet vooral worden gedacht aan de massaproductie van waterstof in landen met meer "zonnekracht" en/of met veel ruimte en met goede condities voor het opwekken van windenergie. Het vloeibaar gemaakte gas kan dan met tankers worden vervoerd naar het land waar het wordt opgeslagen en vervolgens weer wordt omgezet in elektrische energie (zie: Conversiemethoden). Voor wat betreft de massaproductie en het vervoer kan een belangrijke taak zijn weggelegd voor de huidige leveranciers van fossiele brandstoffen, dus de oliemaatschappijen.
-5-
