Je leest:

Op zoek naar de heilige graal

Op zoek naar de heilige graal

Auteur: | 14 augustus 2006

Benzine en diesel kosten meer dan ooit. Onrust in de wereld, te veel vraag en een orkaan drijven de prijzen op. Dat vraagt om alternatieven, zo weten we al sinds de oliecrisis in 1973. Maar waarom komt dan nog altijd 90% van onze energie uit olie, gas en steenkool?

“De enige echte onuitputtelijke energiebron van voldoende omvang is zonne-energie. Wind- en waterkracht zijn geen alternatieven: onze energiebehoefte is zo groot, dat ze op wereldschaal gewoon niet aan de vraag zouden kunnen voldoen”, stelt Rienk van Grondelle, hoogleraar biofysica. “Alternatieven vereisen innovaties. En het is met innovaties net als met rampen met fabrieken. Je kunt er uitgebreide risicoanalyses op los laten om de zekerheid te vergroten, maar de ramp komt altijd net waar je niet hebt gekeken”, vindt Matthijs Hisschemöller van Instituut voor Milieuvraagstukken. “Welk bedrijf zou nu gaan investeren in alternatieve energiebronnen? Het kost kapitalen en bij veel bedrijven beslaat energie maar een klein deel van de kosten”, aldus Henri de Groot en Mark Koetse, ruimtelijk economen. “De markt lost het wel op’, hoor je steeds. Die uitspraak verbaast me. De markt lost niks op”, stelt Bernard Dam, fysicus. Wat de oplossing is voor het mondiale energievraagstuk, loopt voor deskundigen uiteen. Voor de een is het zonne-energie. De ander zweert bij ‘schoon fossiel’ of gewoon energie bespáren. Aan alternatieven voor de vertrouwde olie en gas zitten nogal wat haken en ogen. Die uit de weg ruimen is een soort speurtocht naar de heilige graal.

Alternatieve energie is hot. Dat is het alweer een tijdje. Begin jaren zeventig publiceerde de Club van Rome haar beroemde ‘Grenzen aan de groei’, waarin een doemscenario werd geschetst: de olie, waarop ook toen de wereldeconomie draaide, zou binnen twintig jaar op zijn. De Club was te pessimistisch, blijkt nu, maar reden tot juichen is er niet. De oliecrisis in 1973, en recent de oorlog in Irak en de verwoestende orkaan Katrina laten zien hoe kwetsbaar de olie-industrie is voor lokale problemen, stelt Hisschemöller. Nog belangrijker: we verstoken nu in tweehonderd jaar een hoeveelheid fossiele brandstoffen die er 400 miljoen jaar over heeft gedaan zich te vormen. Bij de verbranding komt kooldioxide vrij, wat het klimaat verandert. Lang voor de fossiele brandstoffen echt op zijn, zijn deze andere moeilijkheden – instabiliteit en klimaatverandering – ons al boven het hoofd gestegen.

Desondanks zijn we niet meer al te hard op zoek naar iets anders. Na ‘Grenzen aan de groei’ leek kernenergie de toekomst te hebben, maar de afvalproblemen zijn aanzienlijk, en het ontbreekt aan voldoende uranium om op lange termijn een echte oplossing te vormen. Dan wind. Windmolens zijn veel te duur, en er bestaat twijfel over dat ze nog veel goedkoper kunnen worden. En zo is het met vele alternatieven: leuk bedacht, maar prijzig of onpraktisch.

Dat geldt ook voor de huidige vormen van zonne-energie. Op silicium gebaseerde zonnecellen zijn op kleine schaal aardig, maar bij gebruik op grote schaal blijken productie- en onderhoudskosten nog steeds de pan uit te rijzen.

Maar misschien kan het toch. Alleen moet je dan andere zonnecellen maken. Wat een zonnecel doet, is de energie van zonlicht omzetten in een ander soort, namelijk elektrische energie, waarop je lampen kunt laten branden, motoren kunt laten lopen en wat al niet. Dat klinkt hi tech, maar de truc is erg oud: een paar miljard jaar. Planten doen dat namelijk ook. Tijdens de fotosynthese zetten planten zonne-energie om in chemische energie. Het is zonde om zo’n succesvolle truc onbenut te laten, vindt Rienk van Grondelle. Hij onderzoekt of het mogelijk is om zonnecellen te maken die werken op basis van fotosynthese (zie kader: “Planten doen het verkeerde ding”) Het Amerikaanse Department of Energy verwacht dat zonnecellen, gebaseerd op nieuwe technieken als die van Van Grondelle, over hooguit twintig jaar een goed alternatief zullen zijn voor fossiele brandstoffen. Er zijn wereldwijd behalve Van Grondelle honderden onderzoeksgroepen mee bezig.

Planten doen het verkeerde ding

Een bio-zonnecel maken klinkt eenvoudiger dan het is. Groene bladeren in een mixer stoppen werkt niet: bladeren zijn namelijk uitgerust om planten te laten groeien en nakomelingen te verwekken. In een bio-zonnecel wil je echter geen gezonde plant als resultaat. Je wilt een goede energiebron hebben! Bovendien is de fotosynthesetruc verre van volmaakt: bij fotosynthese komen behoorlijk wat afvalstoffen vrij. Een levende plant heeft een aantal mechanismen ingebouwd om die afvalstoffen af te voeren. Schakel je die mechanismen uit, dan is je plant een uur later dood door zelfvergiftiging. Planten gebruiken zonlicht om aan adeninedifosfaat een extra fosfaatgroep te plakken. Daarvoor is een reeks eiwitten nodig. Het adeninetrifosfaat dat ontstaat, zit boordevol chemische energie, en wordt gebruikt om glucose te produceren. “Wat we onderzoeken, is of we de eiwitten waarmee nu adeninetrifosfaat wordt gemaakt, zodanig kunnen modificeren dat ze ook een andere energierijke stof kunnen produceren”, aldus Van Grondelle. Methanol is een goed idee, omdat het eenvoudig van structuur en rijk aan energie is. Maar Van Grondelle wil niet al te veel morrelen aan de eiwitten. Ze gebruiken als primaire bron naast zonlicht namelijk gewoon water. Dat wil hij zo houden – water is overal aanwezig en bovendien een schone stof.

Zou daarmee de heilige graal van alternatieve energie gevonden zijn? Voor een deel. Want ook al bekleed je alle daken van heel Nederland met goedkope biozonnecellen, dan nog kom je energie te kort. Wat ontbreekt is een goede manier om energie te vervoeren; lang niet alle energie is immers nodig op de plek waar die geproduceerd wordt. Met fossiele brandstoffen kan dat makkelijk: neem een jerrycan. Zonne-energie produceert tot op heden elektrische energie. Anders dan in een kolengestookte energiecentrale is die elektrische energie niet constant, want de zon schijnt niet altijd en soms produceer je juist te veel. Je moet die energie ergens opslaan. Daar bestaan batterijen voor, maar die hebben nogal wat nadelen. Het duurt lang voor ze opgeladen zijn, het vermogen dat ze leveren is niet constant. Vandaar dat als energiedrager al decennialang waterstof (H2) als veelbelovend wordt gezien.

Wat is er mis met waterstof, dat het in dertig jaar die belofte niet heeft waargemaakt? Ook aan waterstof kleven grote nadelen, en die moeten worden opgelost. Niemand – energieproducenten, overheid en het bedrijfsleven – komt echter verder dan waterstof veelbelovend te blijven noemen, terwijl we voor de toepassing ervan concreet aan de slag moeten gaan. Vandaar dat het Instituut voor Milieuvraagstukken van de VU in oktober is gestart met de H2-dialoog: een debat waarin energieproducenten, overheid en het bedrijfsleven met elkaar discussiëren over concrete problemen die toepassingen van waterstof in de weg staan, en over net zo concrete oplossingen die daarvoor te bedenken zijn.

Wat zijn die problemen? Bijvoorbeeld: er is geen H2-netwerk. Het aanleggen kost enorm veel, dus niemand staat ervoor in de rij. Het kan goedkoper, maar dan moet je er op een andere manier tegenaan kijken. Zo verwarmen we ons huis meestal met aardgas, maar rijdt de auto op diesel of benzine. “Het is denkbaar dat als iedereen voortaan thuis ook de auto aftankt met waterstof, het kostentechnisch wel haalbaar wordt om een H2-netwerk aan te leggen. Alleen: we zijn gewend om vervoer en wonen als twee aparte energiebehoeften te voorzien, en dus wordt die berekening niet eens gemaakt”, stelt Hisschemöller. Het idee van de H2-dialoog is in elk geval om het gesprek over waterstof goed op gang te brengen en ook concreet in die technologie te gaan investeren.

Australische H2-bus

Auto’s laten rijden op waterstof gebeurt nu op kleine schaal in het stadsvervoer. Voor een personenauto is waterstof nog toekomstmuziek. Je hebt namelijk heel veel waterstof nodig om een beetje energie op te wekken. In een kilo benzine zit zo’n 162 kilowattuur aan energie. In een lanthaan-nikkel-batterij, waarin de in het metaal opgeloste waterstof de energiedrager is, zit slechts 0,36 kilowattuur per kilo. Een middenklasse auto, die op een tank van 40 liter 800 kilometers aflegt, zou voor dezelfde actieradius een batterij van 12.960 kilo nodig hebben. Een waterstofgas-tank plaatsen gaat ook niet: die zou 400 liter groot moeten zijn: 10 maal de huidige tankinhoud. Onzinnig dus, voorlopig. Maar het zou mooi kunnen worden. Natuurkundigen speuren naar metalen die lichter zijn en toch veel H2 kunnen absorberen, zodat een brandstoftank én licht, én klein blijft. In combinatie met een lichtgewicht brandstofcel is de waterstofopslag veel efficiënter dan welke batterij ook. De vaste-stof-fysici van de VU lopen in dit onderzoek wereldwijd voorop. (Zie kader: Mooie plaatjes).

Mooie plaatjes

Het idee van een waterstofmotor werkt zo: veel metalen kunnen snel en goed waterstof absorberen. Men neme dus een blokje metaal, stopt er waterstof in (wonderlijk genoeg is het dan compacter dan in vloeibare vorm), en als je de waterstof nodig hebt, warm je het blokje op. De waterstof komt er dan uit en je leidt het naar een brandstofcel. Het enige uitlaatgas is water(damp). Schoner kan niet. Alleen: welk metaal heeft de goede eigenschappen? “Het probleem is, dat geen enkele klassieke legering voldoet”, vertelt Bernard Dam van de afdeling Vaste Stof Fysica. “Of het is te zwaar, of het geeft de waterstof niet goed af en dan moet je het te veel opwarmen.” Dat laatste is weer onpraktisch, omdat de moderne lichtgewicht brandstofcel alleen gedijt op waterstof koeler dan 80 ºC. Hete waterstof zou eerst weer gekoeld moeten worden – een weinig elegant en energieverslindend proces.

Dam en zijn collega’s zijn daarom op zoek naar een nieuwe lichtgewicht legering. Ze maken daarbij gebruik van de eigenschap dat metalen transparant worden zodra ze waterstof opnemen. De natuurkundigen maken daarom dunne lagen van opgedampt metaal. In een vacuümkamer worden verschillende metalen – bijvoorbeeld kobalt, nikkel en magnesium – vanaf verschillende posities op een glasplaatje gedampt. Zo’n glasplaatje bevat dan een groot aantal legeringen: dicht bij de kobaltbron bestaat die uit bijna alleen maar kobalt met misschien een vleugje magnesium of nikkel; ver weg van de bron is het andersom. Vervolgens wordt het plaatje in een kamertje gebracht waar het wordt blootgesteld aan waterstof. Op plaatsen met een goede legering wordt het plaatje doorzichtig. Tot nu toe is het nog niet gelukt om een legering te vinden die alle vereiste eigenschappen heeft. “Het voordeel is dat je zo de eigenschappen van een groot aantal materialen snel kunt onderzoeken. Er is namelijk geen natuurkundige op deze wereld die op voorhand kan voorrekenen wat de exacte eigenschappen van een legering zullen zijn. Je moet dus, met enige intuïtie, gewoon aan de slag gaan en materiaalcombinaties uitproberen”, aldus Dam. _________________________________________________________________

In een vacuumkamer staan drie ‘metaalkanonnen’ klaar om metaal op te dampen op een glasplaatje. Dat hangt onderaan de kolom in het midden. Foto:Bernard Dam.

Onderzoek op grote schaal zou innovatieprocessen versnellen, maar daarvoor zouden wetenschappers en het bedrijfsleven de handen ineen moeten slaan. Waarom dat niet voldoende gebeurt, is een vraag waar ruimtelijk economen Henri de Groot en Mark Koetse wel een antwoord op hebben. Een belangrijke factor is volgens hen onzekerheid. De Groot: “Stel, een bedrijf investeert nu in schone energie voor zijn productieproces. Dat is een gok: niemand weet hoe de kostprijs van de technologie zal zijn, of er nog betere alternatieven beschikbaar zullen komen, wat het subsidiebeleid van de overheid zal zijn, etcetera. En de investering kan vaak niet zonder grote verliezen teruggedraaid worden. Hoe moet een bedrijf dan weten wat het juiste moment is om over te stappen? Dus wat doen bedrijven: ze kijken het nog wel even aan.”

Daar komt bij dat de meeste technologieën na verloop van tijd goedkoper worden: de kinderziekten gaan eruit, door het gebruik ontstaan nieuwe toepassingen, gebruik en inpassing worden efficiënter. Economen noemen die prijsdaling-in-tweede-instantie het effect van een leercurve. “De overheid kan die stimuleren, bijvoorbeeld met subsidies”, stelt Koetse. Zonder stimulans beginnen bedrijven anders gewoon niet aan het uitwerken van een nieuwe technologie, omdat de kost die voor de baat uitgaat niet in verhouding staat tot die baat. De stimulans kan bij een bedrijf zelf liggen, maar ook bij de gebruiker. “Een goed voorbeeld is de afschaffing van BPM voor de Toyota Prius (een auto die deels op batterijen rijdt). Zelfs met deze financiële stimulans is het nog een dure auto, maar het maakt het wel aantrekkelijker zo’n ding aan te schaffen.” Op de automarkt zou de overheid er ook voor kunnen kiezen om alles dat meer dan tien liter brandstof voor honderd afgelegde kilometers verbruikt te verbieden – ook een stimulans tot energiebesparing, vindt Koetse.

Stel dat de overheid meer geld steekt in het toepassen van alternatieve energiebronnen in het bedrijfsleven, dan blijft de vraag over welke technologie je als bedrijf moet omarmen. Hoe weet je dat je op het winnende paard wedt? Het antwoord op de vraag is geen sinecure: wie eenmaal kiest voor de ene technologie, moet er vaak zoveel geld in steken dat omschakelen naar iets anders dan niet meer kan. Je moet het gekozen pad blijven volgen. De Groot: “Dat is iets wat ook ons intrigeert: je kunt de winnaar niet voorspellen. Evolutie-economen zeggen dat de overheid om die reden alle technologische ontwikkeling moet blijven ondersteunen; laat alle bloemen bloeien. Dat is enorm inefficiënt, maar je weet dan wel zeker dat je dé technologie van de toekomst niet vooraf om zeep hebt geholpen.”

Dit artikel is een publicatie van Gewoon Bijzonder.
© Gewoon Bijzonder, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 14 augustus 2006

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.