Nederland wil in 2050 klimaatneutraal zijn. Daarom zet het vol in op zonneparken en windmolens. Maar die alleen zijn niet genoeg. Ons land moet op zoek naar meer groene bronnen. Wat zijn goede alternatieven: kernenergie, waterstof of synthetische ammoniak?

Uit Maarten! 2021-4. Bestel losse nummers hier

In november 2021 vond in de Schotse stad Glasgow de jaarlijkse internationale klimaattop plaats. Dienstverleningsbedrijf Arup berekende dat deze bijeenkomst circa 102.500 ton koolstofdioxide (CO2) aan de atmosfeer toevoegde. Dat staat gelijk aan de jaarlijkse uitstoot van ruim 8000 Britten.

Dit absurde feit toont aan hoe innig onze manier van leven verstrengeld is met het verslinden van fossiele bronnen. De ongemakkelijke waarheid is dat al onze welvaart erop is terug te voeren. Vóór de Industriële Revolutie was de economie circulair, zo tonen historische CO2-data overtuigend aan. Armoede was de norm, ook in Europa. Pas toen de stoommachines op temperatuur kwamen, begon ook in Nederland de welvaart snel op te lopen. Inmiddels is de gemiddelde Nederlander een enorme producent van CO2.

Inmiddels is de gemiddelde Nederlander een enorme producent van CO2

En nu willen we dus van alle fossiele brandstoffen af zonder onze welvaart op te geven: 49 procent minder in 2030, 95 procent minder in 2050 – ten opzichte van 1990. Dat is alsof je de heipalen onder een gebouw wilt vervangen zonder schade te veroorzaken: niet onmogelijk, maar wel een moeilijke en precaire klus. Niettemin lijken we op de goede weg, aldus prognoses van de overheid zelf. Op basis van ‘vastgesteld en voorgenomen beleid’ komt de reductie in 2030 uit op 38 à 48 procent, aldus de Klimaatnota 2021. Er moet volgens de nota dus een tandje worden bijgezet, maar dramatisch is de situatie geenszins. Zou het? Er bevindt zich een olifant in de kamer waar voortdurend, ook in het Klimaatakkoord, omheen geslopen wordt. Een olifant die door experts allang gezien wordt, maar die in overheidspublicaties opvallend ontbreekt. Namelijk dat we ons in de fase bevinden waarin we het laaghangende fruit plukken. We bouwen een windpark en stellen vervolgens vast dat we de CO2-uitstoot weer wat hebben teruggedrongen. Waarmee de suggestie wordt gewekt dat we met een heleboel windparken de uitstoot tot nul kunnen terugdringen.

Maar zo werkt het niet. Wind- en zonne-energie zijn schone, maar onbetrouwbare bronnen. Hoeveel molens en panelen je ook installeert, er zijn altijd peaker plants nodig: energiecentrales die bijspringen wanneer de oogst van windkracht en zonlicht onvoldoende oplevert. Zulke centrales moeten snel kunnen worden in- en uitgeschakeld. Het meest geschikte type is de gascentrale. Die draaien vooralsnog op fossiel aardgas. Alleen al hierom dreigt de 95 procent van 2050 ruim buiten bereik te blijven. Daar komt bij dat CO2 ook een bijproduct is van allerlei materialen, van plastic tot beton tot kunstmest – stoffen die we in 2050 nog steeds zullen willen consumeren. Kortom, om de officiële streefcijfers voor CO2-reductie te halen, zijn veel grotere inspanningen nodig dan de overheid ons tot nu toe voorspiegelt.

Thorium

We zullen naast zon en wind extra energiebronnen moeten aanboren. Bronnen waaruit we niet alleen kunnen putten wanneer zon en wind het laten afweten, maar die ook grondstoffen kunnen leveren aan de industrie.

Mede dankzij zijn kerncentrales stoot Frankrijk per inwoner minder CO2 uit dan Nederland.

Het was heel lang onbespreekbaar, maar de mogelijkheid van nieuwe Nederlandse kerncentrales ligt weer op tafel. Op papier is dit de gedroomde methode om minder CO2 uit te stoten. Een blik op de statistieken laat zien dat de gemiddelde inwoner van Frankrijk 4,62 ton CO2 per jaar uitstoot. Dankzij de grootschalige inzet van kernenergie eindigt het land qua uitstoot per capita op nummer 21 van de 27 Europese landen. Nederland doet het veel slechter. Het staat met 8,77 ton op nummer 4, net boven Duitsland, waar in het kader van de Atomausstieg hele bossen worden afgegraven om bruinkool te winnen voor de stroomproductie.

De nadelen van kerncentrales worden doorgaans schromelijk overdreven. Zeker, ze produceren gevaarlijk afval. Maar dat afval wordt tenminste veilig opgeslagen. Een kolencentrale daarentegen blaast voortdurend radioactieve stoffen de atmosfeer in, want ja: die zitten ook in steenkool. Kolen veroorzaken 32,6 doden per opgewekte TWh. Dat is 627 keer zoveel als kernenergie. Daarnaast maken kolen 298 mensen per TWh ernstig ziek: 1355 keer zoveel als bij kernenergie. Aardgas veroorzaakt 54 keer zoveel doden en 136 keer zoveel zieken als kernenergie, zoals blijkt uit onderzoek van Markandya en Wilkinson in 2007.

Het verschil is natuurlijk wel dat radioactief afval in de toekomst alsnog slachtoffers kan eisen. Daarom wordt er al lange tijd naar methodes gezocht om het op te stoken. Dat kan bijvoorbeeld in thorium-gesmoltenzoutreactoren.

Zonne- en windenergie zijn schone, maar onbetrouwbare bronnen

Dit is een reactortype waarin de nucleaire brandstof zich niet in klassieke staven bevindt, maar in een vat vol gesmolten zout. Dat de gesmoltenzoutreactor inderdaad werkt, werd in de jaren zestig vastgesteld in een proefreactor van het Amerikaanse Oak Ridge National Laboratory. De VS gaven uiteindelijk de voorkeur aan uraniumreactoren omdat deze het plutonium produceren dat destijds nodig was voor de productie van kernwapens.

Tijdens de klimaattop in Glasgow gaan activisten de straat op om strengere maatregelen te eisen.

De gesmoltenzoutreactor biedt andere voordelen. Zo eindigen de kernreacties vanzelf wanneer de temperatuur van het zout te hoog oploopt, waardoor een meltdown uitgesloten is. Het radioactieve afval is relatief kortlevend, en er kan bestaand afval in de reactor worden bijgemengd. Bovendien is, in tegenstelling tot uranium, vrijwel alle thorium te gebruiken als nucleaire brandstof. Daardoor hoeft er 200 keer minder ruw materiaal te worden opgegraven, en is ook het bewerkelijke verrijkingsproces overbodig.

Maar zelfs lobbygroepen als de Stichting Thorium MSR geven toe dat er veel technische obstakels te overwinnen zijn. Het uitfilteren van ongewenste splijtingsproducten blijkt lastig, en ook de corrosieve werking van een radioactief zoutmengsel van 700 °C op systemen en materialen vereist verder onderzoek. Misschien kunnen we ons licht opsteken in China. Bij de stad Wuwei voorziet een kleine gesmoltenzoutreactor sinds kort zo’n duizend huishoudens van stroom. Door de ervaring met deze proefreactor hoopt China rond 2030 een volwassen thoriumcentrale op te leveren. Het grootste praktische bezwaar tegen kernenergie is dat de aanloopkosten zeer hoog zijn. Bovendien duurt de bouw van een kerncentrale minimaal zes jaar, waar gemakkelijk tien jaar bij kunnen worden opgeteld vanwege alle procedures. Daarom werken veel jonge bedrijven aan relatief kleine, modulaire reactoren die kant en-klaar, inclusief brandstof, van de fabriek naar de bouwplaats kunnen worden gebracht. Zulke reactoren zijn relatief veilig, omdat de natuurlijke circulatie van koelvloeistof oververhitting verhindert.

Bill Gates investeert in deze technologie via het bedrijf Terra Power. In Europa is Emmanuel Macron een grote pleitbezorger. Nederland heeft veel nucleaire kennis in huis en zou bijvoorbeeld bij de Fransen kunnen aanhaken. Dit is dan wel een oplossing voor de wat langere termijn, aangezien het zeker is dat een nieuwe Nederlandse kerncentrale niet vóór 2030 zijn deuren zal openen.

Waterstof

Voor velen is het de gedroomde energiebron: waterstof. Het spul is energierijk, en levert bij verbranding louter waterdamp op – dus geen CO2. Er kan rechtstreeks stroom mee worden opgewekt in zogenoemde brandstofcellen, die compact genoeg zijn om in auto’s te worden ingebouwd. Bovendien is deze bron onuitputtelijk. Waterstof kan worden gemaakt van zeewater, en valt na gebruik weer uit de atmosfeer in de vorm van regen. Waterstof is geschikt voor toepassing in de zware industrie als vervanging van steenkool. Op dit moment wordt het al grootschalig gebruikt bij de fabricage van kunstmest.

Maar let vooral op het woord ‘gemaakt’. Dat kan op twee manieren. Verreweg de meest gangbare methode is stoomrefractie, een chemisch proces waarbij aardgas (oftewel methaan, CH4) wordt opgebroken tot koolstofdioxide (CO2) en waterstof (H2). Het alternatief is elektrolyse, waarbij water (H2O) wordt opgebroken in waterstof (H2) en zuurstof (O2). De eerste methode is niet goed voor het klimaat. De tweede wel, mits de stroombron geen CO2 uitstoot. Waterstof mag dan ‘groen’ worden genoemd.

Elektrolyse is een goed begrepen techniek. Het probleem is dat die weinig efficiënt is: het kost flink meer elektriciteit om groene waterstof te maken dan er later mee kan worden teruggewonnen in brandstofcellen – dat zijn een soort toestellen die chemische energie omzetten in elektrische energie. Daarbij komt dat het een tamelijk onhandelbaar gas is, in vergelijking met bijvoorbeeld aardgas of LPG. Het kookpunt is ontzettend laag: -253 °C, wat betekent dat het explosiegevaar groter is. Als je waterstof in bulk wilt vervoeren of opslaan moet je het vloeibaar maken en heb je een energieverslindende koelinstallatie nodig. Daarom wordt waterstof voor het gebruik in voertuigen samengeperst tot 700 bar of zelfs meer. Dat blijkt overigens goed te werken. Er bestaan inmiddels naast personenauto’s ook bussen en zware vorkheftrucks die op brandstofcellen werken. In zware voertuigen verslaan de waterstoftanks batterijen, omdat waterstof per kilo véél meer energie in zich draagt dan de lithium-ionbatterijen, die bijvoorbeeld in telefoons, laptops en elektrische auto’s zitten.

Hoogspanningskabels moeten de Randstad bij storingen van stroom blijven voorzien.

Het grootste struikelblok voor de invoering van een ‘waterstofeconomie’ is dat de productie van groene waterstof enorm veel groene stroom vereist – stroom die in veel gevallen nuttiger kan worden aangewend. Het rechtstreeks laden van een elektrische auto is vele malen efficiënter dan de stroom waterstof-stroom-cyclus in een waterstofauto. Groene waterstof is eigenlijk pas een optie wanneer er op stormachtige dagen structureel te veel groene stroom wordt opgewekt. De elektriciteitsmarkt is zeer grillig: bij een overschot kan de prijs van groene stroom zelfs negatief worden. Waterstof kan dus het best op zulke momenten worden geproduceerd, om vloeibaar te worden opgeslagen in goed geïsoleerde opslagtanks. Op winterse avonden, als de zon onder is, de wind is gaan liggen en de stroomprijs door het dak gaat, kan het worden aangewend om stroom op te wekken. Het prijsverschil drukt op deze manier de relatief lage efficiëntie van het elektrolyseproces.

Het probleem met dit alles is dat Nederland te klein lijkt om alle groene stroom te produceren die in de toekomst nodig is voor al onze apparaten – waaronder miljoenen auto’s en warmtepompen – én alle waterstoffabrieken. Om op deze manier de CO2-reductie van 95 procent in 2050 te halen moeten er meer bronnen worden aangeboord. Dat kan kernenergie zijn, in de vorm van basislastcentrales die dag in dag uit een stabiele hoeveelheid stroom leveren die op piekmomenten wordt aangevuld door groene stroom en groene waterstof.

De gemiddelde Nederlander is een enorme producent van CO2

Een andere mogelijkheid is de import van vloeibare groene waterstof uit minder dichtbevolkte landen. Dit voorjaar liep in het Japanse Kobe de Suiso Frontier van de helling, ’s werelds eerste tanker voor vloeibare waterstof. Het schip gaat vanaf het voorjaar van 2022 waterstof importeren uit Australië. Nederland zou dit voorbeeld kunnen volgen. Deze zomer presenteerde het Rotterdams Havenbedrijf samen met het IJslandse energiebedrijf Landsvirkjun een studie over de export van groene IJslandse waterstof naar Rotterdam. IJsland beschikt over een enorm overschot aan groene bronnen en wil daar graag aan gaan verdienen. Volgens de studie zou de import van groene waterstof uit IJsland al vóór 2030 kunnen beginnen. Het havenbedrijf hoopt van Rotterdam een ‘Europese waterstofhub’ te maken.

Ammoniak

Een andere manier om groene stroom om te zetten in hanteerbare brandstof is de productie van synthetische ammoniak (NH3), een verbinding van waterstof en stikstof. Ammoniak is een onmisbaar ingrediënt van kunstmest. Normaliter wordt het geproduceerd uit aardgas, maar uit waterstof kan ook. Het grote voordeel van ammoniak is dat het kookpunt op -33 °C ligt, 220 °C hoger dan het kookpunt van waterstof en vergelijkbaar met het kookpunt van propaan in de bekende gasflessen (-42 °C). Ammoniak is daarom gemakkelijk te bewaren. Een ander voordeel is dat het gebruikt kan worden in een bepaald type brandstofcellen; daarbij komen geen schadelijke stikstofoxiden vrij.

Waterstof kan ook als grondstof dienen voor allerlei andere brandstoffen die nu nog uit ruwe olie worden gedistilleerd. Dit is vooral interessant voor de luchtvaart. Grote passagiersvliegtuigen dienen licht genoeg te zijn om grote afstanden te kunnen overbruggen. Dat betekent dat de brandstof, inclusief de benodigde tanks, ook erg licht moet zijn in relatie tot de energie die erin zit. Waterstof bevat de meeste energie per kilogram, maar heeft een ontstellend lage dichtheid: 1 liter vloeibare waterstof weegt 70 gram. Airbus heeft conceptstudies gepresenteerd waaruit blijkt dat een groot deel van de passagierscabine moet worden opgeofferd aan waterstoftanks. Want vloeibare waterstof neemt niet alleen veel ruimte in, het kan ook niet worden opgeslagen in de vleugels omdat het daar te snel zou opwarmen en een gevaarlijke druk zou ontwikkelen.

Nederland investeert in waterstof, een energiebron die bij verbranding geen CO2 uitstoot.

Kerosine is en blijft de ideale brandstof voor straalvliegtuigen. Die is vloeibaar bij kamertemperatuur en bevriest niet op kruishoogte. Het goede nieuws is dat kerosine te produceren is uit waterstof en CO2. Afgelopen oktober werd bekend dat de Duitse non-profitorganisatie Atmosfair in 2022 een proeffabriek opent met een productiecapaciteit van circa 1 ton per dag. Niet genoeg om alle bobo’s naar een klimaatconferentie te vervoeren, maar het is een begin.

Synthetische brandstoffen dienen overigens niet verward te worden met biobrandstoffen. Deze concurreren met voedsel, wat ethisch bezwaarlijk is. Bovendien is de productie van biobrandstoffen inefficiënt en slecht voor de biodiversiteit.

Harde noten

Groene stroom, waterstof (zowel zelfgemaakt als geïmporteerd) en eventueel kernenergie lijken de pijlers te vormen onder de energietransitie die tussen nu en 2050 haar beslag moet krijgen. Maar er zijn nog honderden andere, minder opvallende innovaties vereist. Een van de grote uitdagingen is de belasting van het elektriciteitsnetwerk. Dat is nog altijd gebaseerd op oude modellen waarbij stroom geproduceerd wordt op een beperkt aantal locaties en bestemd is voor een beperkt aantal toepassingen – maar níét voor het verwarmen van huizen en het aandrijven van personenauto’s.

IJsland wil verdienen aan al zijn groene bronnen

In het klimaatneutrale model eist elektriciteit een veel grotere rol op. Daarom pleiten deskundigen voor een smart grid: een intelligent elektriciteitsnetwerk dat zelfstandig overbelasting en uitval voorkomt. In zo’n netwerk speelt tijdelijke opslag een belangrijke rol. Daarom heeft een onderzoeksgroep aan de TU Delft de zogenoemde battolyser ontwikkeld – een samentrekking van batterij en electrolyser. Het is een batterij die geen exotische materialen vereist, en die waterstof begint te produceren zodra ze is opgeladen.

Handig, want de opslag van groene stroom in batterijen is stukken efficiënter dan de productie van waterstof. Deze batterijen kunnen de omvang van een zeecontainer hebben, maar dat maakt niet uit. De compacte lithium-iontechnologie is essentieel in elektrische auto’s en mobiele telefoons, maar accu’s voor de opslag van groene stroom mogen veel groter zijn.

De energietransitie lijkt best mogelijk. Maar de omvang van deze operatie is veel groter dan ook de meeste beleidsmakers lijken te beseffen. Het plaatsen van steeds meer windmolens en zonnepanelen vormt maar één kant van het verhaal. We zullen de komende jaren steeds meer horen over de stabiliteit van de stroomvoorziening, met als sleutelwoord: opslag. De politiek zal harde noten moeten kraken. Gaat Nederland tientallen miljarden spenderen aan subsidies voor kernenergie? Zo ja, voor welke technieken kiezen we dan en met wie gaan we in zee? Of sluiten we liever langlopende contracten met IJsland voor de import van groene waterstof? Want het is een feit dat de rijke Nederlanders meer energie verorberen dan ze zelf ooit zullen kunnen produceren uit duurzame bronnen.

Elektriciteitscentrale van Nuon, kolengestookt en voorzien van een rookgasontzwavelingsinstallatie. De centrale wordt omgeven door een windmolens | Foto Siebe Swart/Hollandse Hoogte