Analyse

Te land, ter zee en in de lucht: gaan deze drie technologieën ons energieprobleem oplossen?

null Beeld Eline van Strien
Beeld Eline van Strien

Van stekelvarkens voor kernfusie tot verzengend hete CO2-splitsers: op de tekentafels van wetenschappers en ingenieurs verrijzen radicaal nieuwe technologieën die onze energievoorziening op de kop kunnen zetten.

Wie zoekt naar bewijzen dat onze energietransitie – de route naar een wereld die voor 100 procent draait op duurzame energie – weerbarstig is, hoeft niet ver te zoeken. Neem bijvoorbeeld Duitsland, walhalla van groene energie, dat vorig jaar voor het eerst meer dan 50 procent van zijn elektriciteit duurzaam opwekte, maar nog altijd niet zonder zijn kolencentrales kan. Of kijk hoe het ons zelfs midden in een wereldwijde pandemie, met alle reisrisico’s die dat met zich meebrengt, niet lukt onze kerosineslurpende luchtvaart een halt toe te roepen.

Natuurlijk: de afgelopen decennia zette de mensheid grote stappen in de ontwikkeling van duurzame energievormen als zon en wind. Toch peuteren bedrijven wereldwijd nog altijd de laatste restjes fossiele brandstoffen uit een steeds legere planeet. ‘De huidige verhoudingen, zo’n 80 procent fossiele energie en 20 procent iets anders, ombuigen naar 100 procent duurzaam kan nu eenmaal niet van de ene op de andere dag’, zegt energiehoogleraar Gert Jan Kramer van de Universiteit Utrecht. Tegelijk is duidelijk dat een terugkeer naar het oude normaal van olie en kolen onmogelijk is, al was het maar omdat de tank straks letterlijk leeg is.

‘Zon en wind zijn heel goede, pas recentelijk gevestigde technologieën die nog een grote belofte hebben’, zegt Kramer. Maar zijn ze ook genoeg om in 2050, zoals het klimaatakkoord van Parijs eist, samen met onder meer kernenergie en biomassacentrales de uitstoot van broeikasgassen tot nul te beperken? Dat is mogelijk, maar zeker niet vanzelfsprekend, geeft hij toe.

Anderen zijn minder optimistisch. ‘Ik denk niet dat zon en wind genoeg zijn’, zegt fysicus Tony Donné, hoofd van het Europese kernfusieconsortium Eurofusion. Dat vindt ook Rik Siebers, die met zijn bedrijf Redstack een nieuw soort duurzame-energiecentrale bouwt in de Afsluitdijk. ‘Wanneer het aandeel van groene energie verder toeneemt, gaat de onvoorspelbaarheid van zon en wind zwaarder wegen’, zegt hij. Waar beide duurzame energievormen afhankelijk zijn van de nukken van het weer, hebben fossiele centrales immers gewoon een aan- en uitknop. Die betrouwbare levering is de reden dat ze volgens velen nog altijd onmisbaar zijn.

Wie dus zeker wil weten dat het opwarmende klimaat en de slinkende fossiele voorraden ons straks niet massaal dwingen de stekker uit het stopcontact te trekken, moet zo snel mogelijk uit een ander vaatje gaan tappen. Planeet én mensheid hebben dringend behoefte aan nieuwe ideeën en technologieën. ‘Het opschalen van nieuwe energietechnologieën kost decennia’, zegt Kramer. Hoe langer je wacht, hoe groter dus de kans dat je te laat bent.

Vandaar dat over de hele wereld universiteiten, onderzoeksinstellingen en bedrijven jagen op de energietechnologie van de toekomst. Van de honderden kanshebbers stellen we er hier drie aan u voor: één die energie wint op land, één die dat doet in de zee en eentje die brandstof plukt uit de lucht.

Te land: kernfusie, maar dan anders

Het ontwerp ziet eruit als een reusachtig metalen stekelvarken, of een futuristisch martelwerktuig misschien. Een holle bol op poten, een grove 3 meter doorsnede, met langwerpige cilinders op de buitenzijde, als de stekels van een ingepakte kastanje.

Met een beetje goede wil kun je de kernfusiereactor van het bedrijf General Fusion kwijt in een flinke schuur. Daarmee is het totaal anders dan concurrent Iter, de Europese kernfusie-installatie die verrijst in de Franse Provence. Waar dat reusachtige bouwwerk ’s werelds meest complexe 3D-puzzel is, met ‘stukjes’ zo zwaar als een Boeing 747, die fysici en ingenieurs vervolgens op millimeters nauwkeurig in elkaar moeten schuiven, heeft het ontwerp van General Fusion eerder het formaat van een tank van de lokale bierbrouwer.

Toch is het einddoel van stekelvarken en reuzecentrale hetzelfde: energie (stroom) opwekken door middel van kernfusie, het samenpersen van lichtere atomen tot zwaardere, naar voorbeeld van de zon. En in tegenstelling tot traditionele kernenergie, waarbij men atomen juist uit elkaar pulkt voor energie, levert fusie nauwelijks radioactief afval op.

Waar Iter-achtige installaties fusie willen bedrijven in een wolk van gloeiend hete materie – zogeheten plasma – bungelend in een net van magneetvelden, gooit het bedrijf General Fusion het over een andere boeg. Ze schieten kolkende plasmaringen op elkaar door kleine openingen, waarna de zo in het oog springende stekels hun werk doen. Op hoog tempo schieten daaruit zuigers naar binnen die het botsende plasma een extra opdonder verkopen zodat de temperatuur en dichtheid lokaal zodanig oplopen dat deeltjes samensmelten. Het resultaat: kernfusie op een behapbaar formaat.

‘Ik denk dat kernenergie – fusie of splijting – hard nodig is om fossiele brandstoffen van de agenda te krijgen’, zegt fysicus Tony Donné. Geoefend somt hij de overige voordelen op: fusie stoot in tegenstelling tot fossiel geen CO2 uit en voor fusie is veel minder ruimte nodig dan voor windmolens of zonnecollectoren. En hoewel de opstartkosten voor een reactor hoog zijn, is de brandstof goedkoop. ‘Een reactor die een gigawatt vermogen levert (eentwaalfde van het Nederlandse stroomverbruik, red.) kun je een jaar lang laten draaien op 250 kilogram deuterium en 250 kilogram lithium. Dat is echt heel weinig’, zegt Donné.

Toch is niet iedereen overtuigd. ‘Fusietechnologie is het summum van hightech en complexiteit, en dat zet je dan in om iets heel simpels te doen. Iets dat zon en wind bovendien al kunnen tegen acceptabele kosten: stroom opwekken’, zegt Kramer.

Wie gelijk heeft, weten we waarschijnlijk pas rond 2050. Na Iter, die vooral dienst moet doen als technologietest, volgt demonstratiereactor Demo, die ook als energiecentrale moet gaan draaien. Die staat dan pas op de rol. Althans: als General Fusion ze met hun stekelvarkencentrale niet de loef afsteekt. Zij zeggen zelf al klaar te zijn aan het begin van de jaren dertig. Ze denken over vijf jaar een werkend prototype te hebben.

‘We gebruiken niet de exotische lasers of reusachtige magneten die je in andere fusiecentrales tegenkomt’, mailt Paul Sullivan, de woordvoerder van General Fusion. ‘Alles in onze centrales is een doorontwikkeling van technologie die al bestaat. We denken dat wij daarom het snelste pad hebben om fusie commercieel aantrekkelijk te maken.’ Een claim, overigens, waar Donné, die aan concurrent Demo werkt, zijn vraagtekens bij zet. ‘Ik verwacht dat ze net als wij nog decennia nodig hebben’, zegt hij.

Het bedrijf is een van enkele tientallen bedrijfjes die wereldwijd tegen de mainstream van de fusietechnologie in zwemmen. Dat betekent niet dat je ze niet serieus moet nemen, benadrukt Donné. General Fusion werkt samen met universiteiten en hun technologie is gebaseerd op bewezen wetenschappelijke principes. ‘Het is een beetje een cowboyachtig bedrijf, met een cultuur van gewoon gáán. Van doen en proberen. Wij werken met overheidsgeld en zitten daardoor gebonden aan regeltjes, aan overleggen en compromissen. Zij hebben meer slagkracht. In een ander leven had ik er zelf wel willen werken.’

... ter zee: ‘blauwe’ energie

De hele dag door duurzaam stroom winnen op de Afsluitdijk, zelfs als de zon niet schijnt en de wind niet waait? Dat kan, zegt het bedrijf Redstack. Het enige dat je nodig hebt: hun ‘blauwe-energiecentrale’.

Redstack heeft in Nederland over aandacht niet te klagen. In 2016 werd het bedrijf uitgeroepen tot nationaal icoon, dit jaar staat het in de Innovatie Top 100 van de Kamer van Koophandel en de testcentrale in de Afsluitdijk werd in 2014 geopend door niemand minder dan koning Willem-Alexander, vertelt directeur Rik Siebers. Dat de technologie juist hier opkomt, is dan ook niet verwonderlijk. Wat je nodig hebt voor een blauwe-energiecentrale, hebben we in Nederland namelijk in overvloed: een plek waar zoet en zout water bij elkaar komen.

De wetenschappelijke basis voor ‘omgekeerde elektrodialyse’, de technologie die Redstack gebruikt, voert terug op een artikel dat al in 1954 verscheen in vakblad Nature. De crux schuilt in het feit dat natriumchloride – zout – opgelost in water uit elkaar valt in een positief geladen natrium-ion en een negatief geladen chloride-ion. Laat zout water stromen langs twee membranen met daarachter zoet water, en het zout wil naar het zoet, zoals warmte uit een kamer stroomt wanneer je de deur openzet. Zorg ervoor dat dat zoute water tussen twéé membranen beweegt – eentje die positieve ionen doorlaat, maar negatieve tegenhoudt, en omgekeerd – en je krijgt een verzameling positief geladen ionen aan de ene kant en negatief geladen ionen aan de andere. Je hebt dan een soort batterij gemaakt en kunt een elektrische stroom laten lopen.

Wat op papier relatief eenvoudig klonk, bleek in de praktijk lastig. Membranen maken die dun genoeg zijn vergt geavanceerde technologie, en als dat al lukt blijken ze vaak kwetsbaar, of lopen ze snel vol met prut. ‘Toen we in 2012 de stap uit het laboratorium zetten en voor het echie gingen in de Afsluitdijk, raakten de eerste versies van onze proefcentrale al binnen een kwartier verstopt’, herinnert Siebers zich.

Toch werden de opstartproblemen overwonnen, zodat de proefinstallatie tegenwoordig tot een bescheiden 50 kilowatt vermogen levert, genoeg om zo’n 160 huishoudens van energie te voorzien. En dus willen Siebers en collega’s het vermogen nu zo’n tienmaal vergroten met een demonstratiefabriek van een halve megawatt, het definitieve bewijs dat de technologie levensvatbaar is. ‘Maar dat kost veel geld’, zegt hij. Inclusief ontwikkelingskosten gaat het om tientallen miljoenen.

En daarna? Voorlopig ziet Siebers in Nederland nog genoeg potentie voor nieuwe centrales. ‘Goede locaties zijn er bijvoorbeeld in Zeeland en Rotterdam. En in Houtrust, Den Haag, waar rioolwater in zee loopt. Maar ook in IJmuiden, bij de nieuwe zeesluis. We gaan binnenkort samen met de lokale overheid kijken of we ook daar een blauwe energiecentrale kunnen bouwen.’

Wereldwijd denkt Siebers met blauwe energiecentrales uiteindelijk zo’n 60 gigawatt te kunnen leveren. Veel, dat zeker – vergelijkbaar met zestig grote kolencentrales - maar op de schaal van de totale energietransitie tegelijk ook bescheiden. ‘Ik denk dat dit een interessante nichetechologie is’, zegt Gert Jan Kramer daarom. ‘De uitdaging zal zijn om een specifieke markt te vinden die je kunt uitleggen waarom iemand jouw centrale moet hebben en bijvoorbeeld geen windpark.’

Siebers denkt dat dat op veel plekken in de wereld mogelijk is. Hij ziet in de blauwe energiecentrales, net als de mensen uit de fusiehoek, overigens vooral een stabielere aanvulling op zon en wind. ‘Water stroomt altijd. In een mix met zon en wind kun je je met onze centrales dus verzekeren van een zelfstandige, duurzame energievoorziening.’

... en in de lucht: vliegtuigbrandstof van tussen de wolken

Het klinkt bijna kinderlijk eenvoudig: als bij de verbranding van kerosine in vliegtuigmotoren te veel CO2 vrijkomt, dan zuig je dat toch simpelweg uit de lucht en maak je daar nieuwe kerosine van? Die technologie haalde deze week het nieuws, toen bekend werd dat KLM in het geheim een lijnvlucht had uitgevoerd met – deels – zulke duurzame kerosine, vervaardigd in het onderzoekscentrum van Shell in Amsterdam.

En even verderop, bij onderzoeksinstituut Differ in Eindhoven, timmeren Adelbert Goede en Michail Tsampas aan de weg met hun soortgelijke Kerogreen-project. ‘We willen van het gebruik van kerosine een circulair proces maken’, zegt Tsampas. Dat doen ze door veel bestaande technologieën op een nieuwe manier aan elkaar te knopen: van CO2-zuigers tot de chemische processen die synthetische kerosine opleveren, kerosine die niet ontstaat uit verwerkte olie, maar die als chemisch legobouwwerk in elkaar wordt geklikt uit losse elementen.

Aan al die vertrouwde technologieën voegen ze vervolgens één radicaal nieuw ingrediënt toe. ‘Wij gebruiken een plasmareactor om CO2 te scheiden in zuurstof en koolstof’, zegt Goede. Waar plasma vooral bekend is vanwege zijn rol bij kernfusie, blijkt het ook hier erg handig. Zo trilt de enorme energie van het plasma een CO2-molecuul min of meer uit elkaar, waarna chemici de losse onderdelen afvangen en daarmee verder kunnen bouwen. ‘Zowel de plasmareactor als de manier waarop we de zuurstof afvangen is echt nieuw.’

Bekijk kerogreen door de bril van de energietransitie en de techniek past in de categorie ‘groene brandstoffen’. Waar zonne- en windenergie, maar ook kernfusie en de blauwe energie van Redstack allemaal tot de ‘primaire energiestroom’ behoren – technologieën die stroom leveren – zijn brandstoffen in onze energietoekomst vooral nodig op het moment dat een stekker in het stopcontact steken, of een oplaadbare batterij gebruiken, niet handig meer is.

Dat is vermoedelijk het geval bij een deel van het vliegverkeer. Kun je een vlucht naar Londen in de toekomst misschien met een elektrisch vliegtuig op batterijen uitvoeren, daar schiet zo’n batterij voor een reisje naar Australië waarschijnlijk tekort. Gevolg: wie wil blijven vliegen, ontkomt niet aan één of andere vorm van verbranding, simpelweg omdat brandstoffen relatief veel energie opleveren voor relatief weinig extra kilogrammen.

Omdat we leven in een wereld die is ingericht op het gebruik van koolwaterstoffen zoals olie en benzine, is synthetische kerosine vervolgens een logische optie. Toch, stelt Goede, moeten we ons met die optie niet rijk rekenen. ‘Zelfs met synthetische kerosine kunnen we niet op de huidige voet verder’, zegt hij. ‘We zullen hoe dan ook minder moeten gaan vliegen.’

Wie het verbruik van vliegtuigen duurzaam wil maken, staat namelijk voor nogal een uitdaging. ‘We verbruiken per dag zo’n vijf miljoen vaten olie in de luchtvaart. Wij verwachten met onze testopstelling straks 100 gram kerosine per uur te kunnen produceren’, zegt Goede. Een hoeveelheid waar een Boeing 737 grofweg eentiende van een seconde op kan vliegen. Ook bij Shell was de opbrengst nog bescheiden: na een jaar had men 500 liter, grofweg genoeg voor het taxiën en de eerste seconden van de start. ‘We moeten dus nog wel een stapje zetten’, zegt Goede.

De belangrijkste uitdaging is daarom, benadrukt hij, om na succes van de eerste testopstelling te onderzoeken hoe je de energie-efficiëntie en opbrengst kunt optimaliseren. ‘Dat vertaalt zich niet alleen direct in een lagere prijs voor onze synthetische kerosine, maar ook in de hoeveelheid elektriciteit die je straks nodig hebt voor de productie ervan.’

Want vergis je niet: kerogreen tovert niet zomaar brandstof tevoorschijn uit de ijle lucht. Natuurkundige logica leert dat je de energie in die brandstof er ergens tijdens het productieproces ook moet insteken, bijvoorbeeld in de vorm van zonne-energie of windenergie. ‘Wij kijken daarom naar kleinschalige opstellingen, vlak bij windparken en zonnecentrales’, zegt Tsampas.

Het belangrijkste, zegt Goede, is dan vervolgens hoevéél van dat soort windparken je in de toekomst nodig hebt. ‘Kijk eens naar de ophef rond de Wieringermeer’, zegt hij, waar een fors deel van de energieproductie naar een datacenter van Microsoft gaat. ‘Stel dat je straks de hele Noordzee vol windmolens moet zetten om genoeg synthetische kerosine te produceren voor onze luchtvaart. Ik denk niet dat onze brandstof dan erg populair zou zijn.’

De verscholen wetten van de energietransitie

Hoe slim een technologie ook is, de ontwikkeling is altijd een kwestie van lange adem. Zelfs de meest succesvolle ondergaan enkele decennia exponentiële groei totdat ze grofweg een procent van de wereldwijde energiebehoefte kunnen leveren. Daarna gaat de groei langzamer verder en verovert de technologie stukje bij beetje haar eigen hoekje van de energiemarkt.

Dat stelde Gert Jan Kramer (Universiteit Utrecht) tien jaar geleden al in een opiniestuk in vakblad Nature. En de wetmatigheden die hij daarin beschreef, gaan volgens hem ook vandaag de dag nog onverminderd op. ‘Er zijn goede redenen waarom dat opschalen zo lastig is’, zegt Kramer, en de voornaamste reden is geld, en de tijd die het kost om dat handig te investeren. ‘Om een procent van de wereldwijde energievoorziening te kunnen leveren, moet je grofweg een biljoen euro investeren, duizend miljard’, zegt hij. ‘Dat is wat er de afgelopen jaren in zon en wind is gestoken.’

Meer over