Geenstijl

GeenStijl ontving een wetenschappelijk geschreven klimaat-betoog in vijf delen. Dit is deel 5. Deel 1 staat hier, deel 2 daar, deel 3 hier, deel 4 daar.

Er is de laatste decennia over de hele wereld zeer veel onderzoek gedaan naar methoden om stroom van zonnepanelen om te zetten in chemische energie. Het is een enorm onderzoeksgebied, er bestaan tenminste 50 wetenschappelijke tijdschriften die dit als hoofdonderwerp hebben. En dat hele onderzoeksgebied is nu in beweging, op zoek naar de heilige graal: goedkope transporteerbare energie. De algemene benaming voor dit vakgebied is Power To Gas, of P2G. 

In een recente publicatie van Hen Dotan et. al. (44), Haifa (Israël), claimt men de electrolyse van water te hebben uitgevoerd met 98.7% efficiency. De auteurs stellen “This allows us to produce hydrogen at low voltages in a simple, cyclic process with high efficiency, robustness, safety and scale-up potential.” Het proces ziet er niet uit als iets dat moeilijk te realiseren is. Maar het is zo nieuw dat er nog geen toepassingen op de markt zijn. 

In het vervolg op bovenvermeld citaat stelt men “Initial assessments indicate that it will be possible to produce hydrogen on industrial scales at competitive production costs compared to production from natural gas via SMR (steam methane reforming, Optimist) and, as noted, without emitting CO₂ into the atmosphere”. 

De prijs van met SMR geproduceerd waterstof bedraagt in de VS $1,59 per kg H₂ (45).

Maar het kan nog een stuk eenvoudiger en goedkoper. Een zonnepaneel van 500 kWp levert ~975 kWh/jaar in de Sahara. Dat doet dit paneel echter voor het grootste deel gedurende een korte periode, geschat zes tot acht uur, per dag. In de vroege ochtend en late middag doet het niet veel, en als het donker is doet het niets. Dus moet de beschikbare capaciteit om elektriciteit in waterstof om te zetten een factor 3 tot 4 hoger zijn dan op grond van het over-all vermogen verwacht mag worden. 

Wat zou het mooi zijn als er zonnepanelen zouden bestaan die geen elektriciteit leveren, maar waar rechtstreeks waterstof uit zou komen. Dan zou de hele behoorlijk dure elektrolyse van water vervallen. Verrassing, die panelen bestaan! Op 26 februari 2019 werd bekend (46) dat een team van de universiteit van Leuven onder leiding van prof. Johan Martens zonnepanelen heeft ontwikkeld die geen stroom leveren, maar die rechtstreeks zuiver waterstofgas produceren. Het waterstof wordt vrijgemaakt uit het water dat van nature in de buitenlucht aanwezig is. Het zuurstof dat uit het water ontstaat ontsnapt weer naar de buitenlucht en het waterstof wordt opgeslagen. De panelen maakten destijds 250 liter waterstofgas per dag aan. Het team claimt 15% rendement. 

Deze vinding is van eminent belang. Alles wat nu met zonne-energie gedaan wordt zal er door worden veranderd. Om een voorbeeld te geven: het is binnenkort voor iedere consument mogelijk om met behulp van zonnepanelen in de zomer een waterstofvoorraad aan te leggen waarmee ‘s winters het huis verwarmd kan worden. Veel mensen zullen dat ook daadwerkelijk doen. Het zet ook de noodzaak tot zeer verregaande en vaak zeer dure isolatie op losse schroeven, immers, er komt een keuzemogelijkheid bij - meer zonnepanelen plaatsen en zodoende meer waterstofgas produceren. Waterstofgas vervuilt immers niet. 

Jammer genoeg wilde de KU Leuven de gebruikte technieken eerst patenteren voordat ze bekend zouden maken wat ze precies gedaan hebben. Johan Martens: *“We’ve submitted several patent applications. As long as these are still pending, it’s way too risky to give details. That’s also why we’ve barely published anything.” *

Gelukkig heeft de rest van de wereld daar niet op gewacht. In juni 2020 kwam Siva Karuturi van de Australian National University (Canberra) met een zonnepaneel dat waterstofgas produceert met 17,6% opbrengst (47). Bovendien legt hij wél uit hoe dit mogelijk is:

“The voltage generated by a semiconductor material under sunlight is proportional to its bandgap," said project lead Dr. Siva Karuturi, PhD, lead researcher at ANU's College of Engineering and Computer Sciences. 

"Silicon (Si), the most popular PV material in the market now, can only produce a third of the voltage needed to split water directly. If we use a semiconductor with a bandgap twice that of Si, it can provide sufficient voltage, but there is a trade-off. The higher the bandgap, the lower the sunlight capturing ability of a semiconductor.”

“To break this trade-off, we use two semiconductors with smaller bandgaps in tandem that not only capture the sunlight efficiently, but together produce the necessary voltage to spontaneously generate hydrogen.”

“The end game in this space is to get truly clean, renewable hydrogen production down to prices around US$2.00 per kilogram, where it can compete head to head with dirty hydrogen and indeed fossil fuels. "Significant cost benefits could be achieved through the use of the solar-to-hydrogen approach," says Dr. Karuturi, "as it avoids the need for added power and network infrastructure necessary when hydrogen is instead produced using an electrolyser. And by avoiding the need to convert solar power from DC to AC power and back again, in addition to avoiding power transmission losses, the direct conversion of solar energy into hydrogen can achieve a higher overall efficiency for the total process."

Dit type zonnepanelen is dus niet langer uitsluitend gebaseerd op silicium, maar (ook) op een perovskiet. Oorspronkelijk werd de naam perovskiet gegeven aan het mineraal CalciumTitaniumOxide (CaTiO3), dat in 1839 door Perovski gevonden werd in de Oeral. Later bleek dat er een complete klasse van stoffen bestaat met vergelijkbare eigenschappen, die opgebouwd zijn uit een tweewaardig metaal, een vierwaardig metaal en drie identieke tweewaardige metalloïden (ABX3), die over diezelfde bijzondere eigenschappen kunnen beschikken. Men noemde deze stoffen perovskieten of perovskites. Voor meer info, zie (48).

Vanaf 2009 worden perovskieten toegepast in zonnepanelen. Initieel waren de opgewekte vermogens niet indrukwekkend, Wp = 38 W/m2, maar dat steeg pijlsnel naar Wp = 255 W/m2 in 2020, en men heeft berekend dat er nog een stevige groei in zit, naar, in theorie, Wp = 390 W/m2 (de theoretische limiet voor silicium is Wp = 337 W/m2). Het mooiste is nog dat de prijs van perovskiet een stuk lager ligt dan die van silicium. 

De genoemde prijs van $2 per kg waterstofgas is nog wel te hoog voor onze doelstelling. Dat zou doorwerken naar € 0,042 per kWh in de prijs van de energie, zie berekening 9.

Molang Cai et al. (49) rekenen voor dat de prijs voor energie van perovskiet zonnepanelen zal gaan liggen tussen $ 30 en $ 60 per MWh, dus tussen € 0,0255 en € 0,051 per kWh. Daarbij gaan ze echter uit van de standaard instraling van 1000 W/m², zodat de opbrengst bijna zal verdubbelen in de Sahara en de prijs bijna zal halveren. 

De betreffende grafiek is hieronder opgenomen. De afkortingen LCOE, PV en PSC betekenen respectievelijk levelized cost of electricity, photovoltaic en perovskite solar cell. Het groene blokje rechtsonder representeert de perovskiet zonnecel, alle andere bronnen van energie zijn veel duurder.

Deze grafiek is van 2015. Volgens www.statistica.com (50) is de prijs van zonnepanelen tussen het eerste kwartaal van 2016 en het eerste kwartaal van 2020 met een factor 3,3 gedaald. Dat zal misschien niet als een factor 3,3 doorwerken in de energieprijs maar toch denkelijk wel als een factor 2, want de prijs van de panelen was destijds verreweg de grootste kostenpost in zonne-energie. Er zijn geen tekenen dat deze neerwaartse trend geëindigd is, dus vermoedelijk is de prijs van de panelen over vijf jaar nog eens een factor 2 lager. 

Er zijn nog wel nadelen (51). De kristalstructuur van de tot dusverre gebruikte perovskieten kan bijvoorbeeld niet goed tegen hitte en vocht - onder sommige omstandigheden worden lagen perovskiet binnen een paar maanden compleet vernield. En dan leveren ze geen stroom en ook geen waterstof meer op. Er zijn echter veel manieren om dit te verbeteren en mondiaal wordt nu onderzocht hoe de levensduur verbeterd kan worden. Dat is al redelijk succesvol (Molang Cai rekent met een levensduur voor perovskiet zonnepanelen van 15 jaar) maar het zal nog wel een paar jaar duren voor dit probleem volledig is opgelost. Het gaat te ver om daar op deze plaats uitputtend op in te gaan. 

Het ziet er in ieder geval naar uit dat binnen een paar jaar groene waterstof geleverd kan worden door duurzame zonnepanelen tegen een prijs die veel lager is dan de prijs die nu betaald wordt voor grijze waterstof of enige andere energiedrager.

Er is naast het klimaatprobleem nóg een probleem dat op korte termijn verholpen moet worden - or else. De verzuring van de bovenste laag van de oceanen verloopt zo abrupt dat de natuur het niet bij kan benen en er massaal uitsterven van soorten in de zee dreigt op zeer korte termijn, binnen enige tientallen jaren. Zoals bij de probleemstelling betoogd is kan dat opgelost worden door CO₂ te transporteren naar de diepzee. De diepzee heeft voldoende capaciteit om het hele surplus aan CO₂ in de atmosfeer en in de oppervlaktelaag van de oceanen op te bergen, waarbij de zuurgraad van de diepzee nauwelijks zal toenemen omdat dat volume veel groter is dan het volume van de oppervlaktelaag. 

Tot dusverre was het te duur om hier iets aan te doen en was het zaak om de uitstoot van CO₂ zo snel mogelijk naar nul te brengen. Kooldioxide komt namelijk zo fijn verdeeld voor in de atmosfeer en in de oceanen dat men zeer veel materiaal moet verwerken om dat kleine beetje CO₂ te pakken te krijgen. Maar ook daar gloort hoop. Het Massachusetts Institute for Technology publiceerde recentelijk een nieuwe methode (52) waarbij het CO₂ uit de lucht kan worden gehaald met behulp van koolstof nanobuisjes. De onderzoeker die met deze methode gewerkt heeft, Sahag Voskian, zegt daarover: “Compared to other existing carbon capture technologies, this system is quite energy efficient, using about one gigajoule of energy per ton of carbon dioxide captured, consistently. Other existing methods have energy consumption which vary between 1 to 10 gigajoules per ton, depending on the inlet carbon dioxide concentration, Voskian says.”

De genoemde energie van 1 GJ, ofwel 278 kWh, per ton CO₂ die uit de lucht wordt gehaald heeft in de Sahara een lage prijs. In berekening 10 wordt ingeschat dat dit de energiekosten voor het invangen van CO₂ over een paar jaar zal reduceren tot minder dan € 3 per ton, en dat de hoeveelheid CO₂ in de lucht terug gebracht kan worden naar 0,028 vol% voor € 4600 miljard. Als de claim van Voskian klopt kan er voor dat bedrag een einde gemaakt worden aan de opwarming van de aarde. 

De uitgaven voor defensie bedroegen in 2020 mondiaal € 1630 miljard (53). Voor 1 jaar. Kiest u maar.

In hoofdstuk 3 is vastgesteld dat groen waterstof met bestaande technieken binnen een paar jaar in de Sahara zou kunnen worden geproduceerd en naar Nederland vervoerd voor een prijs die van dezelfde orde van grootte is als de huidige prijs van LNG. 

In hoofdstuk 4 komt daar nog bij dat die prijs in de toekomst nog veel verder zal dalen omdat goedkope zonnepanelen dan ook rechtstreeks waterstof kunnen produceren, zonder dat daar een dure elektrolyse voor nodig is. Dan zullen de kosten per kWh in waterstofgas tot beneden € 0,01 dalen. 

Zoals het hier staat zal het niet voor iedereen duidelijk zijn wat dit in de praktijk betekent. Op de website (54) wordt geschat wat de totale kosten zijn van de energie die in Nederland wordt gebruikt. Dat is nog niet zo gemakkelijk, want het grootste deel van de brandstoffen die Nederland invoert wordt weer uitgevoerd naar andere landen in Europa, en het is niet duidelijk hoeveel dat is. Dat blijkt ook uit de antwoorden op die site. In eerste instantie wordt daar berekend dat energie Nederland € 40 miljard zou kosten. Dat wordt dan weer gecorrigeerd naar € 20 miljard omdat de uitvoer onderschat zou worden, maar uiteindelijk geeft CE Delft het getal van € 30 miljard, inclusief infrastructurele kosten. Als de prijs van € 0,029 per kWh die in hoofdstuk 2 berekend is wordt aangehouden en het CBS verbruik van 871 miljard kWh dan is het totaalbedrag bijna € 25 miljard. Bij de prijs van € 0,01 per kWh praten we over een kleine € 9 miljard per jaar. Per jaar € 16 miljard besparing, in 25 jaar € 400 miljard, en wat waren de opbrengsten van het Groningse aardgas ook weer? 

En dan wil de VVD kerncentrales bouwen??

Het lijkt mij een veel beter plan om ons voor te bereiden op een toekomst waarin zonnestraling in de Sahara wordt omgezet in synthetisch waterstofgas. Dat is best wel een forse operatie, maar lang voordat de kerncentrales één kWh geleverd hebben zal dat een technologie zijn die niet-vervuilende energie voor ons goedkoper maakt dan iedere andere nu bestaande bron, zelfs goedkoper dan steenkool. Bovendien levert de zon een bijna oneindige voorraad energie. Een kwart van de Sahara kan de hele wereld voorzien van brandschone energie - wanneer iedere wereldburger evenveel energie verbruikt als de inwoners van de Verenigde Staten nu doen: 90.000 kWh per persoon per jaar.

44) http://canli.dicp.ac.cn/hqq.pdf
45) https://www.cell.com/joule/comments/S2542-4351(17)30010-7
46) https://nieuws.kuleuven.be/en/content/2019/belgian-scientists-crack-the-code-for-affordable-eco-friendly-hydr ogen-gas
47) <https://science.anu.edu.au/news-events/news/anu-researchers-set-new-solar-hydrogen-efficiency-record, https://newatlas.com/energy/solar-to-hydrogen-cell-sth-pec-efficiency-breakthrough/>
48) https://en.wikipedia.org/wiki/Perovskite
49) https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201600269
50) https://www.statista.com/statistics/216791/price-for-photovoltaic-cells-and-modules/
51) https://www.researchgate.net/publication/327781895_Challenges_for_commercializing_perovskite_solar_cells
52) https://news.mit.edu/2019/mit-engineers-develop-new-way-remove-carbon-dioxide-air-1025
53) https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_countries_by_military_expenditures
54) <https://www.wattisduurzaam.nl/16505/energie-beleid/duurzaam-rendement/wat-betaalt-de-bv-nederland-nu-j aarlijks-eigenlijk-voor-energie>

**Berekening 9. De energie inhoud van een kg waterstofgas
**Voor de energie inhoud van waterstof worden twee waarden aangehouden, de Higher Heating Value of HHV en de Lower Heating Value of LHV. Het verschil zit in het feit dat bij de reactie van waterstof met zuurstof warme waterdamp ontstaat, en dus energie verloren gaat in de vorm van warmte. Voor gebruik als brandstof waarbij de verloren warmte via warmtewisselaars uit de verbrandingsgassen wordt teruggewonnen kan men de HHV aanhouden. Bij gebruik als motorbrandstof waarbij de warme stoom via de uitlaat wordt afgevoerd moet men de LHV aanhouden. 

De HHV bedraagt 141,86 MJ/kg ofwel 39,4 kWh/kg. 

De LHV bedraagt 119,93 MJ/kg ofwel 33,3 kWh/kg. 

Berekening 10. Kosten van invangen van CO₂ **in de Sahara
**De kosten van het invangen van 1 ton CO₂ zouden 278 kWh elektrisch bedragen. 1 kWh zonnestroom kost met de huidige technologie in de Sahara over een paar jaar € 0,025. De kosten worden bij die prijs € 7 per ton CO₂. Maar het is te voorzien dat de technologie verbeterd wordt en dan zal de stroomprijs daar binnen een paar jaar dalen naar € 0,01 per kWh, zodat de kosten per ton CO₂ onder € 3 zullen zakken. 

Op dit moment zit er 1390 gigaton C in de atmosfeer en in de bovenste laag van de oceanen. Dat zou met ongeveer 30% verminderd moeten worden om de pre-industriële situatie te herstellen, dus met 417 gigaton. 417 gigaton C impliceert 1529 gigaton CO₂. Dat zou in totaal bij deze laatste prijs van de orde € 4600 miljard kosten.

Dit verhaal is geschreven om in het tijdperk van corona iets zinnigs te doen te hebben. Tijdverdrijf. Waarom warmt de aarde op? Is dat erg? Waarom wordt daar zo hysterisch over gedaan? Zijn er nog andere gevaren? Ik ben ooit opgeleid tot kernfysicus en deze materie speelt al een tijdje, dus ik zou dit eigenlijk allemaal moeten weten. Maar nee. Daarom ben ik op nul begonnen en heb ik geen verhalen gebruikt of overgenomen die ik niet begreep. Gelukkig zijn wetenschappelijke publicaties tegenwoordig vaak gewoon op internet te vinden, zeker als het doorbraken zijn. 

Maar toen werd het een verhaal met een verrassend positief einde, en nu wil ik het met iedereen delen. Er is een probleem, maar dat kan worden opgelost en veel eenvoudiger dan je zou denken. Bovendien kon het wel eens heel lucratief zijn. 

Eerst iets over mijzelf ter introductie. Lang geleden, in 1970, werd het door het Rapport van de Club van Rome zonneklaar dat er Grenzen aan de Groei zijn, en vooral grenzen aan het gebruik van fossiele brandstoffen. Maar er was in die tijd een lichtpunt: kernfusie zou een onuitputtelijke energiebron zijn. Het leek mij prachtig om daar mijn leven aan te wijden, en dat betekende een studie natuurkunde, specialiseren in kernfysica en verder specialiseren in de fysica van lichte kernen. 

Je moet nogal wat weten voordat je aan de finesses van deze processen toekomt dus pas na een jaar of vijf, zes werd het mij langzamerhand steeds duidelijker dat kernfusie op aarde een doodlopend spoor is. In kernsplijting geloof ik niet; omdat dat zo verschrikkelijk gevaarlijk is, is het ook verschrikkelijk duur. 

Na mijn promotie heb ik dan ook een heel ander beroep gekozen: programmeur. Per slot van rekening had ik tijdens mijn studie en promotie honderden programma's geschreven voor heel veel verschillende processoren en in een stuk of tien verschillende programmeertalen.

Vanwege mijn achtergrond heb ik me gespecialiseerd in technische en – af en toe –  wetenschappelijke programmatuur. Dat heeft geleid tot veel werk in het buitenland, voor tientallen bedrijven in Europa en Azië. Het is een goede keuze geweest - ik ben in mijn leven geen dag tegen mijn zin naar mijn werk gegaan.

Na mijn pensionering hebben we heel veel gereisd, maar toen corona kwam was er tijdenlang niets leuks te doen. Dat was het moment om terug te gaan naar een oude liefde. En wat blijkt? Kernfusie is toch de oplossing voor de problemen van de aarde, maar dan wel op de zon, op aarde gebruiken we alleen het product van de fusie – zonlicht.

Er moet nog één opmerking gemaakt worden over het verhaal. Alles is naar beste kunnen berekend, maar er is geen peer review geweest zoals bij echte wetenschappelijke artikelen altijd wel het geval is. Ik ben benieuwd of iemand fouten kan vinden en dat zou ik dan graag willen weten.

Dit verhaal is veel belangrijker dan ik ben. Ik ben een oude man die niet zit te wachten op publiciteit, daarom schrijf ik dit verhaal anoniem. Maar als er dan toch een naam gebruikt moet worden, noem me dan maar Optimist.

(Echte naam bij redactie bekend)