Dick Thoenes achtergrond Nuclear reactors

Een gastbijdrage van Dick Thoenes. Deel 1 en 2 zijn hier en hier te vinden.

Energie
Vroeger was brandhout de belangrijkste energiebron. Reeds in de 17e eeuw ontstond in Engeland een tekort aan brandhout en ontdekte men de mogelijkheid om steenkool te delven en te gebruiken. In de tweede helft van de 19e eeuw begon het gebruik van olie op te komen en in de 20ste eeuw van aardgas. Dit zijn alle drie ‘fossiele’ brandstoffen, die tientallen tot honderden miljoenen jaren geleden gevormd zijn uit plantenresten. Wat wij nu in een tijd van enkele eeuwen verbranden, heeft miljoenen jaren gekost om gevormd te worden.

Hier raken we direct de kern van dit probleem. Ook al zullen er nog veel voorraden van fossiele brandstoffen ontdekt worden, zal toch eens blijken dat de voorraden eindig zijn. Bij voortdurend gebruik zullen ze ooit een keer uitgeput raken. De grote vraag is wanneer dit verwacht kan worden. Dat is moeilijk te schatten. In 1930 meende men dat de voorraad aardolie bij toenmalig verbruik nog reikte voor ongeveer 30 jaar. In de jaren ’70 meende men dat ook, hoewel het jaarlijks verbruik zeker 100 keer groter was geworden (de aangetoonde voorraden dus ook). Nu zijn de schattingen uitgedrukt in jaren zelfs toegenomen, ondanks voortdurend stijgend verbruik. Op dit moment worden er per jaar meer voorraden aan aardolie ontdekt dan er aan aardolie wordt verbruikt. Hier wordt dus (tijdelijk) aan de voorwaarde van duurzaamheid voldaan. De voorraden steenkool zijn vele malen groter dan die van olie en er bestaan reeds voldoende technieken om steenkool eventueel in vloeibare brandstoffen om te zetten. Ook aardgas kan in vloeibare brandstoffen worden omgezet.

Een nieuwe zeer grote bron van fossiele brandstoffen wordt gevormd door de gashydraten, vaste verbindingen van methaan en water, die alleen bij hoge druk kunnen bestaan en op de zeebodem voorkomen (zie Van Kasteren, 2002). Inmiddels is het veelbelovende schaliegas ontdekt. Dit alles overziende lijkt de nood niet acuut.

In beginsel zou het broeikaseffect op de lange duur echter een grens kunnen zijn voor het verbruik van fossiele brandstoffen. Dit zal echter waarschijnlijk nooit het geval zijn. Maar het is goed dat er nu reeds aan andere vormen van energieopwekking wordt gedacht. We moeten daarbij onderscheid maken tussen elektriciteitsopwekking (ongeveer 10% van het energieverbruik) en energiebronnen voor verwarming, industrie en vervoer (samen 90%). Voor de eerste is kernenergie ongetwijfeld de beste oplossing, waar mogelijk in combinatie met waterkracht. Zou het effectief benutten van kernfusie-energie ooit lukken, dan zijn alle problemen de wereld uit. Maar dat is nog verre toekomstmuziek. Waterkracht kan slechts in bepaalde gebieden worden gewonnen. Windenergie heeft het bezwaar van betrekkelijk geringe effectieve rendementen en daardoor hoge kosten. Zonne-energie heeft diezelfde bezwaren, maar hier is nog veel ruimte voor verbetering, zowel betreffende rendementsverhoging als kostenverlaging (dit is bij windenergie veel minder het geval). Op de lange duur lijkt daarom zonne-energie de meestbelovende. Beide vormen van energieopwekking hebben echter het grote bezwaar dat ze slechts gedurende een deel van de tijd werkzaam kunnen zijn, zodat er altijd voldoende opwekkingscapaciteit op basis van fossiele brandstoffen of kernenergie beschikbaar moet blijven.

Op dit ogenblik moeten wind- en zonne-energie concurreren met energie op basis van fossiele brandstoffen, waarbij de integrale kosten van wind- en zonne-energie moeten worden vergeleken met de brandstofkosten van thermische centrales. Deze zijn minstens een factor vijf lager, waardoor grootschalige toepassing van deze nieuwe energievormen op het ogenblik economisch onverantwoord is. Omdat we ons geld maar één keer kunnen uitgeven, kan men argumenteren dat het bouwen van windmolens op dit moment niet in overeenstemming is met het streven naar duurzaamheid. Het geld kan beter worden gebruikt!

Het probleem van de variabele energieproductie (van windmolens en zonnecellen) zou kunnen worden opgelost met een effectieve energieopslag. Dit kan met grootschalige accubatterijen, die nog in ontwikkeling zijn, of met behulp van grote waterbassins. Beide methoden zijn duur en geven weer veel rendementsverliezen.

Het verbranden van biomassa (afval van land- en bosbouw) voor elektriciteitsopwekking wordt momenteel als ‘duurzaam’ aangeprezen. Er zijn drie opvallende bezwaren aan verbonden: door de geringe energie–inhoud zijn de kosten van transport en hantering prohibitief (vergeleken met die van bijv. steenkool), er wordt veel luchtverontreiniging veroorzaakt, en de uitstoot van CO2 is relatief hoog (bovendien wordt de natuurlijke C–cyclus kortgesloten). Mijns inziens is grote schaal–toepassing hiervan in strijd met de doelstellingen van duurzaamheid.

Het vinden van brandstoffen voor het verkeer is een ander probleem. Op het moment is de beste oplossing het gebruik van brandstofcellen, waarbij de benodigde waterstof wordt gemaakt door elektrolyse van water, waarvoor de stroom wordt geleverd door kerncentrales. Voor de verwarming van gebouwen lijken warmtepompen (met elektrische aandrijving) het meest geschikt. Voor de industrie is op den duur elektriciteit waarschijnlijk de belangrijkste energiebron. In alle gevallen valt men dan dus terug op elektriciteitsopwekking.

Wanneer we de energieproblematiek voor de langere termijn bekijken, dan lijkt het dat er op grote schaal moet worden geïnvesteerd in onderzoek naar zonnecellen, naar technieken voor energieopslag en naar kernfusie.

Materialen
Vroeger werden naast steen voornamelijk materialen gebruikt die uit de levende natuur werden verkregen. Nog steeds spelen hout, katoen, wol e.d. een belangrijke rol. In de oudheid werd al ontdekt dat men uit ertsen bepaalde metalen kon winnen, met name brons (een legering van koper en tin) en ijzer. Ook het bakken van klei tot keramiek en het maken van glas uit zand en soda zijn zeer oude technieken.

Tegenwoordig zijn de mogelijkheden voor het maken van materialen uit anorganische grondstoffen enorm toegenomen. En er zijn allerlei specifieke toepassingen ontdekt voor een groot aantal metalen, zoals zilver, koper, goud, platina, nikkel chroom, zink, enz. Maar in de afgelopen eeuw werd al ontdekt dat we voor een aantal metalen aanlopen tegen de grenzen van de beschikbaarheid.

Dit is nu al een acuut probleem bij bijvoorbeeld rhodium, dat wordt gebruikt in uitlaatkatalysatoren. Wij weten dat we bepaalde metalen alleen maar kunnen maken uit de overeenkomstige ertsen en als die opraken kunnen we deze metalen niet langer op de gewenste schaal toepassen. Vandaar dat men al vroeg begonnen is met afscheiding en terugwinning van gebruikte metalen (‘recycling’). Ook voor een veel voorkomend metaal als ijzer wordt al lange tijd grootschalige recycling toegepast.

Het probleem van het gebruik van materialen in een duurzame wereld kan als volgt worden samengevat:

  • Er moet worden gestreefd naar een zo volledig mogelijke recycling.
  • Omdat afscheiden van metalen uit mengsels (bijv. gebruikte auto’s, computers e.d.) veel energie kost, moet hier afhankelijk van de energieprijs een optimale situatie worden bepaald.
  • Voor het niet economisch terugwinbare deel van de metalen moet in de behoefte worden voorzien door mijnbouw, mits er per jaar niet meer ertsen worden verbruikt dan er in dat jaar aan voorraden wordt ontdekt.
  • Er moeten nieuwe materialen worden ontwikkeld die metalen kunnen vervangen. Hiervoor zijn twee mogelijkheden: materialen op basis van kunststoffen en materialen op basis van glas en keramiek (alsmede composieten van beide typen).
  • Bouwmaterialen op basis van anorganische grondstoffen (zand, klei, kalksteen, gips e.d.) zullen altijd wel beschikbaar blijven. Het kan echter zijn dat het energieverbruik bij de bereiding van baksteen en beton op den duur te kostbaar wordt. Dan kan men wellicht overgaan op kunststof-materialen, op een manier dat deze bij een eventuele  sloop volledig kunnen worden teruggewonnen.

Bij het streven naar duurzaamheid spelen kunststoffen als materialen een belangrijke rol. Wanneer men enkele procenten van het huidige aardolieverbruik zou reserveren voor de bereiding van kunststoffen, dan zijn hier voor schier onbepaalde tijd veel interessante mogelijkheden. Men is vergevorderd in het ontwikkelen van zeer sterke composietmaterialen, die bijvoorbeeld staalplaat in de auto–industrie kunnen vervangen. Er bestaan inmiddels ook polymere materialen die warmte en elektrische stroom geleiden en die eveneens bepaalde  metalen kunnen vervangen.

Wanneer er voldoende elektrische energie tegen lage prijs beschikbaar zou komen, kan men nieuwe materialen ontwikkelen op basis van anorganische grondstoffen, bijvoorbeeld silica. Verbindingen van het type ‘siliconen’ bieden nog allerlei nieuwe mogelijkheden.

Als de fossiele brandstoffen inderdaad op zijn, bestaat er nog de mogelijkheid om organische verbindingen te synthetiseren op basis van kalksteen en water, maar dergelijke processen kosten buitengewoon veel energie. In feite moet de energieprijs wel erg laag zijn om dergelijke ontwikkelingen mogelijk te maken.

Landbouwgrond en water
Het zou te ver voeren deze onderwerpen hier in enig detail te bespreken. Daarom volsta ik met een verwijzing naar het boek van Lomborg (2001), die argumenteert dat beide problemen in principe met geld en bestaande technieken zijn op te lossen.

Hij stelt dat de opbrengst van landbouwgronden nog meer dan verdubbeld kan worden en dat er dan voldoende landbouwgrond is om 12 miljard mensen te kunnen voeden. De belangrijkste praktische problemen zijn de omvang en de effectiviteit van transport en opslag van landbouwproducten, om ervoor te zorgen dat alle mensen in feite altijd toegang hebben tot voldoende voedsel. Dit is in principe een kwestie van veel geld en veel energie. Daarnaast moeten allerlei politieke problemen worden opgelost, die nu plaatselijke honger bestendigen.

Volgens Lomborg valt in de meeste landen voldoende regenwater. Om dit het hele jaar door bij de mensen te krijgen, zijn reusachtige investeringen nodig in leidingen, pompen, zuiveringsinstallaties en opslagtanks. Alweer een kwestie van zeer veel geld, en daarnaast van energie.

Is duurzaamheid ooit haalbaar?
Om een situatie van werkelijke duurzaamheid te benaderen zullen er onvoorstelbare technologische ontwikkelingen nodig zijn. Deze vragen uiteraard veel inspanning en veel geld, maar ook veel inspiratie en vooral een wil tot innovatie.

Of wij in de loop van de tijd dichter bij het ideaal van duurzaamheid komen, hangt allereerst van af of het tempo van technologische ontwikkelingen het zal winnen van het tempo van bevolkingsgroei. In de afgelopen honderd jaar was dat zeker het geval en ook nu ziet het er naar uit dat dit voor de komende vijf à tien jaren wel op zal gaan. Helaas is de wil tot technologische innovatie in de westerse wereld echter sterk aan het afnemen. Dit zou wel eens de grootste hinderpaal kunnen zijn op de weg naar duurzaamheid.

Het zal verder van groot belang zijn of de prioriteiten goed worden gesteld. Bij het huidige beleid in Nederland, gericht op een verlenging en aanscherping van het Kyoto–protocol en op het opwekken van ‘groene stroom’, lijkt dit niet het geval te zijn. Er is mijns inziens een ombuiging nodig weg van windenergie en biomassa–verbranding, vooral gericht op kernenergie voor de korte termijn en kernfusie en zonne–energie voor de lange termijn. Vervolgens zal er veel onderzoek moeten worden gedaan naar meer effectieve recycling en naar ontwikkeling van materialen voor de toekomst. Voor de overige duurzaamheids–doelstellingen moet vooral veel geld en veel energie beschikbaar zijn. Ik denk dat deze alleen beschikbaar kunnen komen als de reusachtige verkwisting van geld, materialen en energie die wij nu kennen in de Westerse wereld wordt afgeremd. Ik doel hier niet alleen op de verkwistingen door consumenten maar vooral ook op de grootschalige verkwistingen door de overheid (zoals windmolensubsidies).

Samengevat: voor het bereiken van duurzaamheid (‘sustainability’) zijn enorme technologische ontwikkelingen en is onvoorstelbaar veel geld nodig. Verspilling van menselijke energie en van geld aan verkeerde prioriteiten brengt ons verder af van uiteindelijke duurzaamheid.

Aldus Dick Thoenes.

Literatuur
Duurzaamheid en Chemie (Interdepartementaal Onderzoekprogramma DTO, 1996)
B. Lomborg, The Skeptical Environmentalist (2001).
J. van Kasteren, Duurzame Technologie (Natuur en Techniek, 2002)

Voor mijn eerdere bijdragen over klimaat en aanverwante zaken zie hierhier, hier, hier en hier.