Versnelde technologische transitie en het risico van schadelijke ‘lock-ins’

Door Samuel Furfari.

Vertaling: Martien de Wit.

Veel politieke leiders in de wereld willen fossiele brandstoffen uitbannen als primaire energiebron en deze binnen enkele decennia vervangen door bronnen met een minimale koolstofvoetafdruk, om de bedreigingen voor het klimaat aan te pakken. Het welslagen van een dergelijke aanpak is mede afhankelijk van de mechanismen die inherent zijn aan technologische transities en die moeilijk te controleren zijn. Deze transities kosten tijd. Ze overhaasten kan leiden tot resultaten die verre van optimaal zijn, omdat de geleidelijke verovering van de markt door hoogwaardige oplossingen geblokkeerd kan worden door keuzes van mindere kwaliteit, een fenomeen dat bekend staat als ‘lock-in’. De analyse in dit document richt zich op koolstofvrije elektriciteitsopwekking, waarbij alles erop wijst dat dit soort situaties zich kunnen voordoen.

Sinds mensenheugenis vergezellen talloze technologieën het menselijk leven. Technologieën – in de brede zin van het woord, inclusief systemen en processen – hebben iets gemeen met de levende wereld in de zin dat ze volgens hun eigen tijdschaal evolueren.

De vergelijking tussen hun evolutie en die van de levende wereld is een onderwerp dat teruggaat tot de tijd van Darwin. Het werd geïnitieerd door Samuel Butler, de Engelse auteur van een kort verhaal getiteld Erewhon [1]. Wat in die tijd meer het resultaat was van een vruchtbare verbeelding dan van gestructureerd wetenschappelijk werk, werd uiteindelijk het onderwerp van zeer serieuze studies beschreven in het boek ‘The Nature of Technology – What it is and how it evolves‘ door W.B Arthur [2].

De belangrijkste principes kunnen als volgt worden samengevat: elke opkomende technologie is deels gebaseerd op bestaande technologieën. Ze kunnen ontstaan uit de noodzaak om te voldoen aan behoeften waarin de maatschappij nog niet heeft voorzien, of uit de toepassing van recente, onontgonnen ontdekkingen. Zodra een nieuwe technologie opduikt, kan ze gekoppeld worden aan bestaande technologieën en deelnemen aan het proces om de boomstructuur uit te breiden. ‘Trial and error‘ aanpassingsprocessen zijn aan het werk, waardoor de samenstellende elementen van een technologie op elk moment kunnen worden aangepast aan hun meest geavanceerde staat. Het evolutionaire proces is autopoiesis[a], in de zin dat een technologie volledig deelneemt aan zijn eigen transformatie [2]. Voorbeelden van recente technologieën die dit principe illustreren zijn er in overvloed en iedereen zal er wel een in gedachten hebben, afhankelijk van zijn expertise of interesses.

In een liberale economie is het de markt die de technologieën selecteert welke het best voldoen aan de behoeften van de maatschappij. Maar, zoals we later zullen zien, kunnen ook andere overwegingen een rol spelen. Het proces om toegang te krijgen tot de markt, en zelfs om deze geleidelijk te domineren, kost tijd. Bovendien is het niet noodzakelijk het meest succesvolle element in de sector – in een zin die van geval tot geval moet worden verduidelijkt – dat marktdominantie bereikt. In tegenstelling tot de Darwinistische biologische wereld, waar (zeer) langdurige dominantie wordt uitgeoefend door de meest robuuste individuen, gehoorzaamt de wereld van de technologie deze regel niet. Het komt dus voor dat dominantie wordt uitgeoefend door een suboptimale technologie. Zodra een technologie dominantie uitoefent over haar concurrenten, spreken we van een technologische lock-in[b], een uitdrukking die vooral gebruikt wordt in suboptimale gevallen [2,3]. Het klassieke voorbeeld vaneen technologische lock-in is het QWERTY/AZERTY-toetsenbord dat werd uitgevonden door de Amerikaan Christopher Sholes en in 1873 werd gebruikt voor Remington schrijfmachines[c] [4]. Hoewel het inferieur is aan andere toetsenborden (zoals de Dvorak), is het het referentie-instrument gebleven in een omgeving die uiteindelijk niets gemeen heeft met de omgeving waarin het is ontstaan.

De automobielsector biedt een interessant voorbeeld van technologische concurrentie [5,6].
Aan het einde van de 19e eeuw maakte het door paarden getrokken vervoer geleidelijk plaats voor gemotoriseerd vervoer, net als de energie die daarvoor nodig is. Drie technologieën verschenen rond dezelfde tijd: de stoommachine, de elektrische motor en de interne verbrandingsmotor. De eerste twee hadden tekortkomingen waardoor de derde zich rond de jaren 1930[d] kon vestigen en de markt kon domineren.

Rond de jaren 1970 leidde de oliecrisis tot een terugkeer naar elektrische voertuigen, maar zonder veel opvolging omdat de batterijen in die tijd loodaccu’s waren, zoals die gebruikt werden door Edison. Dan, rond 2000, dankzij de ontdekking van Li-ion batterijen, verschenen de eerste tekenen dat de voordelen van interne verbranding in twijfel werden getrokken, met milieudruk (luchtvervuiling door zwavel, stikstofoxiden, fijne deeltjes en CO2-uitstoot) die de beweging ondersteunde.

De vijandigheid is blijven groeien, tot het punt waarop we nu getuige zijn van een geleidelijke terugkeer naar elektrische auto’s, die de Europese markt wel eens zouden kunnen domineren om redenen die niets te maken hebben met de economie. In juni 2022 besloot de EU om de verkoop van nieuwe voertuigen met verbrandingsmotoren tegen 2035 te verbieden. Deze twee gevallen van lock-in zijn lang niet de enige, want nucleaire technologie leverde kort na haar geboorte nog een ander voorbeeld op (zie [7]). We komen hier later op terug.

Technologische overgang en tijd voor marktpenetratie

In het begin van de jaren 1970 ontwikkelden twee onderzoekers van General Electric, John Fisher en Robert Pry, een elementair wiskundig model dat de vervanging van een technologie door een andere beschrijft in een niet-gedwongen markt [8]. Het model is gebaseerd op eenvoudige principes: technologische vooruitgang is een competitief proces dat zich houdt aan de regels van de markt. Als het substitutieproces erin slaagt om met een paar procent te evolueren, zal het tot het einde doorgaan. Als we het marktaandeel van het nieuwe proces op tijdstip t aanduiden met f(t), is de groeisnelheid van dit aandeel evenredig met het resterende percentage van het oude proces (1-f). Door deze beperkingen te vertalen naar differentiaaltermen, kunnen we laten zien dat de evolutie van het marktaandeel gehoorzaamt aan een logistische wet van Verhulst (zie [9])

De constanten α en t0 in de relatie zijn afhankelijk van het geval in kwestie. Aanvankelijk is het substitutieproces exponentieel. Na verloop van tijd treedt een verzadigingseffect op, waarbij de fractie (1-f) van de te vervangen technologie afneemt. Relatie (1) staat ook bekend als de “S-curve” vanwege de vorm in figuur 1(a). We kunnen zien dat in logaritmische weergave, de hoeveelheid f/(1-f) wordt weergegeven door een rechte lijn zoals weergegeven in Figuur 1 (b), met de parameter t0 die overeenkomt met het moment waarop het marktaandeel 50% bereikt.

Figuren 1 a) en 1 b) Tijdsverloop van f(t) en f(t)/(1-f(t))

In hun baanbrekende artikel analyseren Fisher en Pry een reeks substituties variërend van alledaagse producten (natuurlijke vezels door synthetische vezels, leer door kunststoffen, zeep door wasmiddelen, enz. Alle besproken gevallen passen opmerkelijk goed binnen het kader van de logistieke relatie (1), zoals weergegeven in figuur 2. Opgemerkt moet worden dat het Martin-proces, een substituut voor het Bessemer-proces, ongeveer 40 jaar (1860-1900) nodig had om zijn marktaandeel in de staalproductie te vergroten van 1% naar 50%.

Figuur 2: Evolutie van f(t)/(1-f(t)) voor verschillende industriële processen.

Marchetti, Nakicenovic [10,11] en Peterka [12], onderzoekers aan het International Institute for Applied Systems Analysis (IIASA), een onderzoekscentrum gevestigd in Oostenrijk, pasten deze methodologie toe op energietechnologietransities kort voor de tweede oliecrisis (1979). Aangezien deze transities betrekking hebben op verschillende soorten hulpbronnen (hout, steenkool, olie, aardgas, uranium, enz.), is het formuleren van het probleem ingewikkelder. Drie rapporten die aan het eind van de jaren 1970 werden gepubliceerd, beschrijven de veralgemening van de methode, met een gevarieerde steekproef van resultaten. Figuur 3 illustreert de wereldwijde trend in het gebruik van conventionele brandstoffen, kernenergie en zonne- en fusie-energie (SOL FUS in de grafiek).

Figuur 3: Ontwikkeling van f(t)/(1-f(t)) voor verschillende energiesystemen (zie [10])

De koppelingseffecten tussen concurrerende systemen zijn duidelijk: de groeifase van de logistische wet voor systeem k dat systeem (k-1) vervangt, wordt onderbroken door de komst van systeem (k+1), dat het vervangt en geleidelijk zijn marktaandeel verkleint.

Deze figuur laat zien dat het overgangsproces ongeveer een eeuw duurt voordat een nieuwe technologie 50% van de markt verovert. Opgemerkt moet worden dat de data gestopt zijn bij 1970 (het ronde jaar dat het dichtst bij de publicatie ligt) met logistieke aanpassingen verlengd tot 2050.

In 2007 heeft Luis de Sousa de curven van Marchetti bijgewerkt met gegevens uit die tijd (figuur 4) [13]. Hij laat zien dat de conclusies afwijken van het model uit de jaren 1970, waarschijnlijk door de olieschokken die de markt verstoorden. Hij merkt op dat na de olieschok van de jaren 1980 de markt lijkt te zijn bevroren, waarbij elke energiebron zijn marktaandeel behield. De markt heeft nieuwe energietechnologieën niet herkend. Vier jaar voor het ongeluk in Fukushima in 2011 groeide kernenergie sneller dan Marchetti had voorspeld. In 2007, voordat er een productiemandaat was van de Richtlijn 2009/28 van de Europese Commissie, waren er geen alternatieve energiebronnen. L de Sousa legt uit dat windenergie toen 0,2% van de energiemarkt vertegenwoordigde, een percentage dat kernenergie in de jaren 1950 had overtroffen[e] . We moeten dus toegeven dat de modellen van Marchetti beperkt zijn.

Figuur 4. Het energiesubstitutiemodel van 1977 (gegevens uit BP Statistical Review) [13].

Exogene marktinterferentie

Statistische gegevens van het IEA[f] voor de periode tot vandaag tonen ook een licht verschillend beeld van de evolutie van f(t)/(1-f(t)) voor energietechnologieën, wat de impact illustreert van beslissingen die ingaan tegen de evolutie die enkel door de markt wordt gedicteerd. Figuur 5 illustreert dit voor biomassa en kernenergie: de eerste lijkt uit een dalende fase te zijn gekomen rond 1960, gedreven door de publieke opinie ten gunste van hernieuwbare energie, terwijl de tweede, na een vrij korte stijging, een relatieve daling onderging rond 2000, gekoppeld aan de publieke bezorgdheid na de rampen van Tsjernobyl (1986) en Fukushima (2011).

Figuur 5. Ontwikkeling van f(t)/(1-f(t)) voor verschillende energiesystemen (IEA-gegevens) [9].

Exogene invloeden zijn duidelijk zichtbaar in de ontwikkeling van de parameter f(t)/(1-f(t)). Als technologische innovatie en marktmechanismen het alleen voor het zeggen hadden gehad, in de zin van Fisher en Pry, zou figuur 5 er meer hebben uitgezien als de figuren 3 en 4.

Exogene invloeden zijn vooral duidelijk in de oliesector. Oorspronkelijk werd olie gezocht als vervanger voor walvisolie. Toen de verbrandingsmotor werd geïntroduceerd, zoals we in het begin zagen, nam de vraag snel toe, waardoor een nieuwe markt ontstond die de vraag en de prijzen sterk beïnvloedde. De werking van de oliemarkt als een kartel, opgericht door de Aschnacarry-overeenkomst van 1928 tussen Standard Oil of New Jersey, Royal Dutch Shell en de Anglo-Persian Oil Company, hielp om de prijs van ruwe olie onder controle te houden ondanks de groeiende vraag. De overname van de productie door de OPEC was een exogene factor die de groei beperkte terwijl de prijs steeg. Recentere voorbeelden van exogene geopolitieke factoren zijn de oververhittingscrisis en de oorlogscrisis in Oekraïne. Dit alles heeft geleid tot een grillige trend in de olieprijs. Figuur 6 laat zien hoe moeilijk het is om vraag en prijs met elkaar in verband te brengen[g] .

Figuur 6. Olie – verband tussen prijs en verbruik (BP Statistical Review Data)

Inmenging van de Europese Green Deal

Het is niet de rol van de Europese Unie (EU) om energiekeuzes op te leggen aan haar lidstaten. Sinds haar oprichting heeft ze zich onthouden van het voorschrijven welke primaire energie moet worden gebruikt, waarbij artikel 194, lid 2 van het Verdrag van Lissabon de jure bepaalt dat, ondanks de gedeelde bevoegdheid voor energie met de lidstaten, deze laatste de vrijheid hebben om te kiezen hoe ze hun eigen bronnen willen exploiteren en om te gebruiken wat hen het beste uitkomt. Sinds 2020 is deze vrijheid de facto steeds verder ingeperkt. De Europese Commissie is zich bewust van de beperkingen van haar optreden op het gebied van de energiemix en maakt haar energiebeleid ondergeschikt aan een klimaatbeleid, of meer in het algemeen een milieubeleid. Dit heeft geleid tot de Green Deal, die een technologische keuze oplegt die wordt ondersteund door een genereus post-Covid financieringsplan.

Het beleid van de Europese Commissie om de koolstofvoetafdruk te elimineren is erop gericht om de inspanningen en middelen van de EU te concentreren op de relatief smalle sector van intermitterende hernieuwbare energiebronnen (IRE) en biomassa, met uitsluiting van kernenergie, die vrijwel geen koolstofvoetafdruk heeft. Dit wordt bevestigd door het lange uitstel dat voorafging aan de recente goedkeuring van de gedelegeerde handeling van de Europese Commissie over groene taxonomie. Het doel was om de soevereine keuze van bepaalde lidstaten voor kernenergie te ondermijnen. Druk van 11 lidstaten overwon het verzet van de EC-leiding tegen deze opname, maar de toekomst van kernenergie in Europa is verre van duidelijk, met 43% van de leden van het Europees Parlement die tegen de taxonomie zijn[h] Het realisme van het Green Deal-beleid is twijfelachtig en is in detail besproken in referentie [9].

In elk geval kunnen soevereine en exogene beslissingen keuzes opleggen, zoals blijkt uit de beslissingen van het Europees Parlement en de Raad van de EU in juni 2022 over het totale verbod op voertuigen met verbranding tegen 2030. Dit roept een belangrijke vraag op: zijn de voorgestelde technologieën op lange termijn de meest efficiënte? En zo ja, volgens welke criteria? Andere technologieën die momenteel worden ontwikkeld, zouden betere milieuprestaties kunnen leveren, maar aangezien het een tijd kan duren voordat ze volledig zijn uitgerijpt, moet met dit essentiële feit rekening worden gehouden.

Dit is het geval voor de kernenergie van de toekomst (Gen-IV), waarvan maar weinig Europese politici op de hoogte lijken te zijn.

Het op slot zetten van de huidige kernenergie (Gen-II)

Eind december 1942 voerde een team natuurkundigen van de Universiteit van Chicago onder leiding van Enrico Fermi de eerste kettingreactie uit met behulp van het fenomeen kernsplijting, waarvan de fysische eigenschappen op dat moment goed bekend waren. In die tijd bepaalde de manier waarop de wereld zich bewoog de prioriteiten. Met het einde van de Tweede Wereldoorlog en het begin van de Koude Oorlog tegen het Sovjetblok waren dit militaire prioriteiten.

Fysici waren zich ervan bewust dat de verscheidenheid aan kettingreactiesystemen groot was, afhankelijk van de keuze van moderator [i](een licht element zoals waterstof, deuterium of koolstof) en koelmiddel (gewoon of zwaar water, gas of vloeibaar natrium). De CP-1 reactor met grafietmoderator bood een uitstekende ‘neutroneneconomie’, maar grafiet leidt tot minder compacte krachtcentrales dan centrales die met water gemodereerd worden.

Anderzijds is de neutroneneconomie van lichtwaterreactoren[j] (LWR) minder gunstig dan die van grafietgemodereerde of zwaarwaterreactoren (D2O). Omdat grootte van essentieel belang is, werden LWR’s gekozen voor de voortstuwing van onderzeeërs van de Amerikaanse marine [15,16]. Aangezien de industrie (Westinghouse, General Electric) betrokken was bij het programma, behoorden de energiereactoren die volgden (Generation 2 en 3 Gen-II/Gen-III genoemd) natuurlijk tot dezelfde technologie waarvoor uranium verrijkt in 235 U nodig was.

Het Verenigd Koninkrijk en Frankrijk kozen aanvankelijk voor natuurlijk uranium (Unat) en grafiet, terwijl Canada Unat en zwaar water koos voor zijn CANDU-reactor[k] . Na verloop van tijd zullen van de reactortypes die Unat toelaten alleen de CANDU-reactoren behouden blijven, terwijl de Frans-Engelse grafiet-gasreactoren verdrongen worden door LWRs. Daarom beschouwen sommige onderzoekers de huidige nucleaire technologie als ‘locked in‘ [7].

De kernenergie van de toekomst (Gen IV)

In 2001 lanceerde het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) een initiatief om nucleaire technologieën te identificeren die voldoen aan strenge criteria op het gebied van veiligheid, economie, milieu en non-proliferatie voor de toekomstige productie van primaire energie. Er werd een studiegroep opgericht onder de naam Generation-IV International Forum (GIF). Verschillende landen reageerden op de oproep[l] en identificeerden zes technologieën die aan deze eisen voldeden. Eén van de zes – de gesmolten-zouttechnologie[m] – was het onderwerp van experimenten in de jaren 1950 in het Oak Ridge laboratorium. Deze technologie wordt door de auteurs van de Gen-IV Roadmap beschouwd als een van de interessantste en veiligste nucleaire technologieën, om een aantal redenen (zie [17]):

– de afwezigheid van water in de reactorkern elimineert het risico van een ongeval met verlies van koelmiddel (LOCA), zoals het geval was bij het ongeval van Three Mile Island in 1979. Het elimineert ook het risico op een waterstofexplosie na zirkonium/waterreacties die kunnen optreden op blootgestelde splijtstofstaven bij hoge temperatuur (een gebeurtenis die plaatsvond in Fukushima).

– de afwezigheid van natrium elimineert het risico op zeer exotherme chemische reacties.

– een druk die dicht bij de atmosferische druk ligt, de vloeibare toestand van de splijtstof en gunstige neutroneneigenschappen (sterk negatieve temperatuurreactiviteitscoëfficiënt) dragen ook bij aan de veiligheid.

– het feit dat de MSR-brandstof zich bij bedrijfstemperaturen (~700°C) in de vloeibare fase bevindt, maakt het gemakkelijker om nieuwe brandstof aan te voeren dan bij systemen met vaste brandstof. Hoewel de werking delicaat is, kan een regelmatige toevoer worden overwogen, wat niet het geval is voor systemen met vaste brandstof. Er is dus geen behoefte aan een reactiviteitsreserve op lange termijn, wat het risico op een kriticiteitsongeval zoals in Tsjernobyl uitsluit. Bovendien zijn MSR’s niet uitgerust met regelstaven.

– de samenstelling van gesmolten zout is zodanig dat de vloeibare toestand kan worden gehandhaafd tot 1400°C, ruim boven de bedrijfswaarden. Als de temperatuur van het zout om wat voor reden dan ook onder 459 °C zakt, de smelttemperatuur van het lithiumberylliumfluoride (LBFiBe) waaruit het is samengesteld, treedt stolling op, waarbij de niet-vluchtige splijtingsproducten massaal worden vastgehouden.

Dergelijke eigenschappen hebben een positief economisch effect, omdat er minder actieve systemen nodig zijn om de veiligheid van de centrale te garanderen, zoals de ECCS (Emergency Core Cooling Systems) waarmee de huidige LWR-centrales zijn uitgerust. Last but not least zouden gesmoltenzoutinstallaties met snelle neutronenspectra de weg vrijmaken voor een vermindering van de zeer lange halfwaardetijden (plutonium en minder belangrijke actiniden) die het gevolg zijn van de werking van de huidige LWR’s en die in deze laatste niet beheersbaar zijn. Door verbruikte splijtstof van Gen-II-faciliteiten in LWR’s te plaatsen, kan tegelijkertijd hun resterende energie-inhoud worden geëxploiteerd en de aanwezigheid van radio-isotopen met een halfwaardetijd van enkele honderdduizenden jaren, die problematisch zijn voor mens en milieu, worden geëlimineerd.

De conclusies van de Gen-IV Routekaart hebben geleid tot een enorme toename van de belangstelling (in Noord-Amerika, Europa, Rusland, China en Japan) voor een technologie die in het begin van de jaren tachtig in een staat van lethargie was geraakt. Dit wordt bevestigd door de vele R&D-projecten die de komende 15 tot 20 jaar tot concrete resultaten moeten leiden (zie [15, 16, 18]). Bijzondere aandacht zal worden besteed aan de projecten van Moltex, Elysium en TerraPower. Dit zijn drie snelle reactorprojecten die specifiek zijn ontworpen om primaire energie van hoge temperatuur te produceren (elektriciteit en proceswarmte) door niet alleen conventionele minerale bronnen te exploiteren (235U en 239Pu geproduceerd uit de omzetting van 238U), maar ook de bestaande voorraad verbruikte splijtstof van de huidige LWR- en CANDU-reactoren met de reeks splijtbare kernen die ze bevatten. Tegelijkertijd wordt een voor het milieu onhoudbare beperking voor de felste tegenstanders van kernenergie omgezet in een energiebron die kan worden gebruikt tot alle splijtbare kernen zijn uitgeput (Figuur 7).

Deze productie van industriële warmte is van het grootste belang[n]. In het energiebeleid wordt het gebruik van warmte te vaak verwaarloosd. De crisis van 2022 in Duitsland heeft deze fundamentele behoefte aan eindenergie, die de chemische industrie hard nodig heeft, aan het licht gebracht. Er moet worden opgemerkt dat 94% van het aardgas dat in Duitsland wordt gebruikt, wordt gebruikt voor thermische doeleinden.

Figuur 7. Flexibiliteit en voordelen van Gen-IV

Deze door de nieuwe kernreactoren geproduceerde warmte zal ook de energiebron zijn voor de thermische ontleding van water tot waterstof wanneer consumententoepassingen beschikbaar worden (Figuur 8). De Green Deal-beleidseis van de EU voor de snelle productie van waterstof uit variabele en intermitterende hernieuwbare energiebronnen zal dit nieuwe gebied van waterstofproductie waarschijnlijk in de pijplijn houden.

Figuur 8. Koppeling van kernenergie en waterstofproductie

Is Europa op weg naar een schadelijke lock-in?

De EU werd opgericht op basis van het EGKS-Verdrag (1951) en het Euratom-Verdrag (1958), die respectievelijk een interne markt voor kolen en staal creëerden en civiele kernenergie bevorderden. Tot voor kort was de Europese Commissie de bewaker en promotor van dit laatste. Onder invloed van een zeer vijandig Duitsland heeft de Commissie zich geleidelijk uit deze rol teruggetrokken.

Door te kiezen voor het promoten van hernieuwbare energie ‘koste wat het kost’ en door geen duidelijk standpunt in te nemen ten gunste van kernenergie, zoals vereist door het Euratom-Verdrag, verzwakt de Europese Commissie de Europese ontwikkeling van deze technologie ten koste van variabele en intermitterende hernieuwbare energie. Het risico bestaat dat de Commissie in de toekomst de voorkeur zal geven aan hernieuwbare energie, ook al zijn verschillende milieu-indicatoren in het voordeel van kernenergie. Deze omvatten voetafdruk, materiaalvereisten (beton, metalen, cement, glas en andere) en systeemkosten. In tegenstelling tot variabele en intermitterende hernieuwbare energiebronnen creëren kernreactoren geen geopolitieke afhankelijkheid van China, dat de markt domineert voor zeldzame aardmetalen en andere metalen die hernieuwbare energiebronnen nodig hebben, zoals we hieronder zullen zien. We zouden getuige zijn van een echte lock-in, niet alleen van de technologie, maar ook van onze geopolitieke afhankelijkheid.

Tabel 1 vergelijkt de voetafdruk (uitgedrukt in m2/GWh/jaar) van installaties in Frankrijk: de kerncentrale van Flamanville, het windmolenpark Mont des Quatre Faux (onshore) en het fotovoltaïsche (PV) park Curbans (Alpes-de-Haute-Provence). De hieronder beoordeelde voetafdruk van Flamanville werd bepaald door rekening te houden met een koelbron die twee keer zo groot is als de site zelf (2×120 ha), met drie energie-eenheden van in totaal 4,2 GWe. Gezien de energiedichtheid is het voordeel van kernenergie duidelijk. Ervan uitgaande dat de oppervlakte van de waterbron wordt onderschat, blijven de conclusies met betrekking tot de relatieve voordelen van de soorten energieproductie hetzelfde. Hetzelfde geldt voor installaties in andere delen van de planeet: waar de zonnestraling of windenergie groter zijn, zullen de absolute voetafdrukken anders zijn, maar in dezelfde volgorde gerangschikt. Andere studies tonen een veel gunstiger verhouding voor kernenergie [20].

Tabel 1 Voetafdruk van drie soorten primaire energie-installaties (Frankrijk) [19].

	Kernenergie	Wind op land	Zonne-energie
m2/GWh/jaar	8.1539 x 101	5.1889 x 103	1.3837 x 104
verhouding tot kerncentrale	1	64	170

Figuur 9 toont de basismateriaalvereisten (exclusief brandstofbronnen) voor de implementatie van energietechnologieën, met inbegrip van kernenergie en hernieuwbare energie. Deze vereisten worden uitgedrukt in duizenden ton per TWh. Ook hier heeft kernenergie voordelen ten opzichte van variabele en intermitterende hernieuwbare energiebronnen. Ondanks de aanzienlijke hoeveelheden beton die nodig zijn om de veiligheid van de installaties te garanderen, zijn deze hoeveelheden kleiner dan de hoeveelheden die nodig zijn voor windenergie en zelfs kleiner dan de hoeveelheden die geïnvesteerd worden in de bouw van stuwdammen. De hoeveelheden metalen, cement en glas die nodig zijn voor fotovoltaïsche zonne-energie zijn ook noemenswaardig. In absolute termen vereist fotovoltaïsche energie de grootste hoeveelheid materialen.

Figuur 9. Materiaalvereisten voor verschillende energietechnologieën [21].

Last but not least zijn de kosten van deze technologieën onderwerp geweest van diepgaande studies door het NEA-agentschap van de OESO. In een rapport getiteld “The Full Costs of Electricity Provision” geeft het agentschap een overzicht van de verschillende componenten van de productiekosten [22]. Dit is vooral belangrijk voor intermitterende opwekking (wind, zon-PV), die te maken krijgt met leveringsproblemen in het geval van langdurige ‘dunkelflaute‘.

Om aan de vraag te kunnen voldoen, moeten variabele en intermitterende hernieuwbare energiebronnen worden aangevuld met regelbare middelen, die op hun beurt kosten met zich meebrengen en niet noodzakelijk optimaal rendabel zijn. Al deze elementen die de voorzieningszekerheid garanderen, moeten (vanuit kostenoogpunt) worden ingedeeld in wat de NEA de ‘systeemkosten’ noemt. Meer nog dan de kosten voor productie, exploitatie en onderhoud, zijn het de ‘systeemkosten’ die het verschil maken tussen deze verschillende technologieën (regelbaar en intermitterend). Dit wordt geïllustreerd in Figuur 10, overgenomen uit het rapport [21]. De systeemkosten (in US$/MWh) worden getoond voor beheersbare (fossiel, nucleair) en intermitterende (wind, zon-PV) technologieën voor twee penetratiegraden van deze laatste in het elektriciteitssysteem. Er moet worden opgemerkt dat de systeemkosten verschillende elementen omvatten, namelijk aansluitings-, transmissie- en distributiekosten, netbalancerings- en verbruikskosten.

Figuur 10. Systeemkosten van verschillende energietechnologieën [22]

De weinig verrassende conclusie is dan ook dat beheersbare opwekking economisch het meest aantrekkelijk is.

Alle drie de vergelijkingselementen (voetafdruk, materialen en kosten) wijzen in dezelfde richting: nucleaire technologie is te verkiezen boven variabele en intermitterende hernieuwbare energiebronnen. Toegegeven, in de genoemde studies werd Gen-II technologie gebruikt om de verschillende parameters te beoordelen. De op handen zijnde komst van Gen-IV zou de conclusies niet fundamenteel moeten veranderen. En, zoals eerder vermeld, zou de intrinsieke veiligheid van toekomstige kernenergie deze technologie nog aantrekkelijker moeten maken. De grootste hindernis zal de psychologische zijn, aangezien het publiek instinctief bang is voor straling.

Conclusie

Evolutie’ en ’transitie’ van technologieën zijn processen die tijd vergen.

Daar zijn vele redenen voor: technische, commerciële of andere. De grote successen uit het verleden doen ons vandaag vergeten dat de dingen op het moment dat ze plaatsvonden verre van eenvoudig waren en dat er vaak weerstand tegen verandering bestond om verschillende redenen, vooral commerciële. Dit was met name het geval ten tijde van Drake (1859), aan het begin van het industriële tijdperk van de steenolie[o], die concurreerde met paraffine (kolenolie), terpentijn en walvisolie, met name voor verlichting (zie [5]). Het gebruik van deze grondstof nam uiteindelijk een hoge vlucht in de transportsector.

In het geval van Gen-IV kernenergie, waar dit werk over gaat, hangt de tijd die nodig is voor de toekomstige toepassing van deze technologie samen met de verfijning ervan. De voordelen ten opzichte van Gen-II- en Gen-III-technologieën zijn welbekend, en een succesvolle staat van dienst van eerdere toepassingen maakt deze nieuwe technologie alleen maar aantrekkelijker. Het grootste obstakel dat overwonnen moet worden is het psychologische obstakel, zoals de instinctieve angst voor straling die in het Westen bij het grote publiek leeft.

Deze vrees is verre van universeel: wat zal de EU doen als wordt bevestigd dat de rest van de wereld over 20 jaar, na niet te hebben deelgenomen aan de ‘monocultuur’ van variabele en intermitterende hernieuwbare energiebronnen, een serieuze voorsprong zal hebben genomen op deze nieuwe technologieën, die vrij zijn van de belangrijkste tekortkomingen van de huidige installaties – ongevallenrisico’s, langlevend afval – en uitstekende milieukwaliteiten hebben? Als we deze mogelijkheid negeren, zetten we een kwaadaardige lock-in op, die toekomstige generaties wel eens zou kunnen betreuren. Paradoxaal genoeg, hoofdzakelijk om milieuredenen…

***

Noten van ‘a tot o’

a Grieks woord, ontleend aan biologen, dat de eigenschap beschrijft van systemen om zichzelf te transformeren.

b Angelsaksische auteurs die het onderwerp bestudeerd hebben, spreken van ’technologische lock-in’.

c Bij de plaatsing van letters op het toetsenbord werd vroeger rekening gehouden met de statistieken van letterreeksen om te voorkomen dat de armen die de lettertypes dragen tegen elkaar botsten tijdens het schrijven. Tegenwoordig is dit volledig achterhaald, maar het toetsenbord is ontworpen voor mechanisch gebruik en wordt nog steeds gebruikt voor digitaal gebruik.

d Thomas Edison en Henri Ford waren vrienden en zaten in elkaars raad van bestuur. Sinds 1899 was Edison bezig met de ontwikkeling van de elektrische auto en Ford met de ontwikkeling van de verbrandingsmotor. Edison erkende uiteindelijk dat zijn vriend had gewonnen met zijn succes met de Ford T in 1908.

e In 2018 waren wind- en zonne-energie goed voor slechts 2,5% van het primaire energieverbruik in de EU-27, zoals opgemerkt in de notitie [14].

f Internationaal Energieagentschap

g Zie voor een volledige behandeling van dit onderwerp Samuel Furfari ‘Oil, between monopolies and free market’, in “Beyond Market Assumptions: Oil Price as a Global Institution” onder redactie van Andrei V. Belyi, Springer, 2020.

h 278 tegen, 33 onthoudingen en 328 voor.

i Een stof die, door elastische botsing met neutronen, hun kinetische energie vermindert en hun waarschijnlijkheid om splijting te veroorzaken vergroot wanneer ze gevangen worden in een kern van 235U.

j Normaal water H2O in tegenstelling tot zwaar water met deuterium (D20).

k Acroniem voor CANada Deuterium Uranium.

l Argentinië, Brazilië, Canada, Frankrijk, Japan, Zuid-Korea, Zuid-Afrika, het VK en de VS, later aangevuld met Zwitserland, de EU, China, Rusland en Australië.

m Molten Salt Reactors – MSR

n We hebben deze vraag behandeld in Samuel Furfari en Ernest Mund, “Renewable energies in the EU: from perception to reality”, [14].

o Etymologie van het woord ‘olie’.

Referenties 1 t/m 22

1. S. Butler, ‘Erewhon’, 1872, 272pp, Penguin Classics, 2000.

2. W.B. Arthur, ‘The Nature of Technology – What it is and how it evolves’, Penguin, 2009.

3. W. B. Arthur, ‘Competing Technologies, increasing returns, and lock-in by historical events’, The Economic Journal, volume 99, 116-131, 1989,

4. P. A. David, ‘Clio and the economics of QWERTY’, American Economic Review, 75, 332-337, 1985,

5. R. Rhodes, ‘Energy – A human history’, Simon Schuster, 2018,

6. R. Cowan, S. Hulten, ‘Escaping lock-in: The case of the electric vehicle’, Technological Forecasting and Social Change, volume 53, 61-79, 1996,

7. R. Cowan, ‘Nuclear Power Reactors: A Study in Technological Lock-in’, The Journal of Economic History, volume 50, 541-567, 1990,

8. J. C. Fisher, R.H. Pry, ‘A Simple Substitution Model of Technological Change’, Technological Forecasting and Social Change, volume 3, 75-88, 1971,

9. S. Furfari, E. Mund, ‘Is the European green deal achievable?’, European Physical Journal Plus, 136:1101, 2021,

10. C. Marchetti, N. Nakicenovic, ‘The Dynamics of Energy Systems and the Logistic Substitution Model’, IIASA, RR-79-13, Laxenburg (Autriche), 1979,  http://pure.iiasa.ac.at/id/eprint/1024/1/RR-79-013.pdf

11. N. Nakicenovic, ‘Software Package for the Logistic Substitution Model’, IIASA, RR-79-12, Laxenburg (Autriche), 1979,

12. V. Peterka, ‘Macrodynamics of Technological Change : Market Penetration by New Technologies’, IIASA, RR-77-22, Laxenburg (Autriche), 1977.

13. L. de Sousa, ‘Marchetti’s Curves’, The oil Drum : Europe, 10-07-2007, http://theoildrum.com/node/2746,

14 S. Furfari, E. Mund, ‘Energies renouvelables dans l’UE : de la perception à la réalité’, Connaissance des Energies, 27-11-2020, https://www.connaissancedesenergies.org/tribune-actualite-energies/energies-renouvelables-dans-lue-de-la-perception-aux-realites,

15. S. Furfari, E. Mund, ‘Transport maritime et course aux SMR avancés’, La Revue de l’Energie, n° 661, 27-35, 2022,

16. S. Furfari, E. Mund, ‘Advanced nuclear power for clean maritime propulsion’, à paraître dans The European Physical Journal Plus, 2022.

17. U.S. DOE NERAC, ‘A Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systems’, 2002 www.gen-4.org/PDFs/GenIVRoadmap.pdf,

18. IAEA, ‘Advances in Small Modular Reactor Technology Developments’, Supplement to ARIS, 2020, http://aris.iaea.org

19. https://www.styx-eamea-gea.fr/pdf/FOOS-chroniques/30_Le-depute-vert-et-l-EPR.pdf

20. Michel Deshayes, Problèmes géographiques des transitions énergétiques : quelles perspectives pour l’évolution du système énergétique ?, Mondes en développement, 2020/4 (n° 192), pages 25 à 44

21. https://world-nuclear.org/information-library/energy-and-the-environment/nuclear-energy-and-sustainable-development.aspx

22. OECD-NEA, ‘The Full Costs of Electricity Provision’, 2018

***

Bron hier.

***