Uit kernfusie ontstaan reaguurdersvragen!

Afgelopen week publiceerde uw GeenStijl een vijfluik over kernfusie (door de zon), geschreven door "Optimist", wiens NAW bij redactie bekend is. Deel 1 staat hier, deel 2 daar, deel 3 hier, deel 4 daar en deel 5 hier. Optimist las mee in de panelen en verzamelde de meestegestelde/meest interessante vragen. En daarop volgt hieronder beantwoording:

Om te beginnen wil ik iedereen die gereaguurd heeft op De Energietransitie heel hartelijk bedanken, ook degenen die me de afgrond in gereaguurd hebben. Dat laatste was bijzonder leerzaam.

Dan wil ik graag de belangrijkste bezwaren en opmerkingen van een antwoord voorzien. Jullie zijn de voornaamste reden dat ik dit verhaal naar GeenStijl heb gestuurd. Als zo’n verhaal in een krant staat wordt het minder gelezen want daar staan veel meer artikelen in, die ook nog veel minder lastig te verhapstukken zijn, en daar wordt maar zelden op gereageerd via ingezonden brieven. Op GeenStijl krijg je altijd lik op stuk. In overvloed. En vaak terecht.

Eerst over mijn status als energiedeskundige. Zoals ik in de inleiding al aangegeven heb, ben ik dat niet. Ik heb de wijsheid op dit gebied beslist niet in pacht, maar ik heb er wel een jaar lang iedere dag een aantal uren stukken over gelezen en daar conclusies uit getrokken. En ik zal me daar best hier of daar in vergist hebben, maar aan de andere kant loopt het verhaal wel naar een interessant einde – goedkope energie in overvloed zonder dat ons hele mooie land één grote energiecentrale wordt. Die keuze wil ik de goegemeente niet opdringen maar ook zeker niet onthouden. Verder verwijs ik overal naar publicaties die op Internet te vinden zijn en die in het algemeen wél door deskundigen geschreven zijn. Ik heb niets verzonnen. 

Een tweede punt is de vorm van het verhaal. Veel mensen vinden het verhaal veel te summier en te simplistisch geschreven. Dat klopt. Maar de keuze gaat tussen een verhaal dat op iedere stip en jota logisch, mathematisch, fysisch en economisch correct is en een verhaal dat gelezen wordt. Ik wilde een verhaal maken dat veel mensen met een klein beetje moeite kunnen volgen en niemand afschrikken met ellenlang geneuzel. Dat is denkelijk bijna gelukt. En als je echt de diepte in wil gaan – bij alle onderdelen staan verwijzingen naar publicaties, en GeenStijl heeft er zelfs voor gezorgd dat je met een enkele muisklik in die publicaties zit. En als je de Wikipedia artikelen niet gelooft: die hebben zelf ook bronnen, en vaak zijn dat wel peer reviewed artikelen.

Alle complimenten over de inleidende idyllische natuurplaatjes kunnen in hun geheel naar de redactie van GeenStijl. Ik vind ze prachtig maar ik heb er part noch deel aan gehad.

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:

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

De machine die elektriciteit in waterstof kan omzetten is al op de markt – de Siemens Silyzer 300 (36) kost per geproduceerde kWh in waterstof € 0,0147 aan machinekosten plus 1,38 kWh aan elektriciteit (37), zie berekening 6. Uitgaande van de laagste prijs in de Lazard tabel, $ 26 per MWh voor windenergie komt dit neer op € 0,0452 per kWh in geproduceerd waterstof. Ditzelfde kan gedaan worden voor alle prijzen in de tabel die betrekking hebben op CO₂-vrije energie. Geothermische energie en kernenergie hoeven niet omgezet te worden in gas want die zijn al stabiel:

Het is ook belangrijk om in te schatten hoe deze prijzen in de toekomst waarschijnlijk zullen veranderen. Technologie heeft sterk de neiging om steeds goedkoper te worden, tot die technologie tegen fundamentele grenzen aanloopt. Om deze veranderlijkheid te analyseren wordt er in eerste instantie naar het recente verleden gekeken en trekt men de gevonden trend door naar de nabije toekomst. Hieronder volgt een uitsnede uit het Lazard rapport van 2014 (31):

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

Schrijven over energiegebruik en energiebehoefte wordt razend ingewikkeld gemaakt doordat voor iedere vorm van energie aparte eenheden gebruikt worden, kubieke meters of kubieke voeten als het over gas gaat, joule of kWh als het over elektriciteit gaan, liters of gallons als het over vloeistoffen gaat en zo zijn er nog veel meer eenheden. Er zijn ook nog algemene maten zoals de BTU, British Thermal Unit, of de MMBTU, dat is een miljoen BTU. Daarnaast hebben we ook nog te maken met verschillende maatsystemen, Engelse maten, Amerikaanse maten, Europese maten. Maar gelukkig weet iedereen wel hoeveel energie een kilowattuur of kWh is en wat men er zo ongeveer mee kan doen. Daarom wordt in het vervolg een hoeveelheid energie steeds omgerekend naar kWh of naar MWh, dat is 1000 kWh.

Het totaalverbruik in Nederland, alle energiebronnen meegerekend, aan aardolie, gas, steenkool, bruinkool, hout, kernenergie plus alle hernieuwbare bronnen, was in 2018 volgens het CBS 3100 PJ (22). Dat is afgerond 861 miljard kWh per jaar (berekening 3). 

Daarvan was 8,7% hernieuwbare energie. Hoewel ruim de helft daarvan energie uit biomassa is (23), en alleen daadwerkelijk hernieuwbaar als het niet allemaal in één keer wordt opgestookt, wordt in dit verhaal alle “hernieuwbare energie” als zodanig meegenomen. Resteert 786 miljard kWh. 

Dit zijn cijfers van 2018, maar de trend is dat de energiebesparingen de stijging in activiteiten redelijk bijhouden en zelfs – af en toe – overtreffen, dus de cijfers zullen in 2021 niet veel anders zijn, afgezien van Covid-19 gerelateerde effecten. Bovendien moeten de getallen in de hierna volgende hoofdstukken gelezen worden als orde van grootte schattingen, niet als precieze berekeningen. 

Op zoek naar de goedkoopste energievorm komt eerst de meest gebruikte vorm, aardolie, aan de beurt. Aardolie is een delfstof die op veel verschillende manieren ontstaan kan zijn en daarom geen vaste samenstelling heeft. Vaten olie kunnen dus een verschillende energie-inhoud hebben. Om toch in olie te kunnen handelen heeft de Amerikaanse Internal Revenue Service de “Barrel of Oil Equivalent” of BOE gedefinieerd (24) voor de energie-inhoud van een standaard vat ruwe olie. Die is gelijk aan 1699,4 kWh – en dat wordt bijna altijd afgerond naar 1700 kWh. 

Om de prijs van aardolie te berekenen wordt hier uitgegaan van de gemiddelde wereldmarktprijs voor West Texas Intermediate Crude Oil in 2019 (2020 is door Covid-19 geen standaard jaar). Die prijs bedroeg $57 per BOE (25). In berekening 4 wordt uitgerekend dat bij deze prijs voor ruwe aardolie de prijs van dieselolie aan de uitgang van de raffinaderij € 0,038 per kWh bedraagt en de prijs van benzine € 0,046 per kWh. Per liter is dit voor dieselolie € 0,38 en voor benzine € 0,41. 

Dat zijn behoorlijk hoge prijzen in vergelijking met de prijs van aardgas of LNG (liquid natural gas). Voor LNG bestaat ook een wereldmarktprijs (26):

GeenStijl ontving een wetenschappelijk geschreven klimaat-betoog in vijf delen. Dit is deel 2. Deel 1 staat hierrr.

Het broeikasgas methaan is met 15% de tweede oorzaak van de opwarming. De atmosfeer bevat heel weinig methaan, maar methaan veroorzaakt een veel sterker broeikaseffect als CO2. Ruim een derde van het methaan heeft een natuurlijk oorsprong, methaan kan ontstaan in rottingsprocessen en het wordt geproduceerd door een reeks van natuurlijke processen, van vulkanisme tot termieten (11). Menselijke activiteit in de mijnbouw, veeteelt en landbouw zijn belangrijke bronnen, net als het verbranden van biomassa en verspilling. Gasleidingen in Rusland die aardgas, dat is hoofdzakelijk methaan, transporteren lijken bijvoorbeeld gigantische lekken te hebben (12).

De hoeveelheid methaan in de atmosfeer is in de laatste 32 jaar toegenomen met 200 ppb (13). Dat komt neer op gemiddeld 3,7 promille per jaar, maar de emissies lijken te versnellen. Methaan heeft in de atmosfeer een levensduur van 12 jaar. Het verbindt zich met zuurstof tot kooldioxide en water. 

Ozon, O3, is een lastige om samen te vatten (3). Het heeft goede en slechte kanten. Om te beginnen – zonder ozon zou de aarde voor mensen onleefbaar zijn. Onder invloed van harde ultraviolet straling van de zon ontstaat ozon hoog in de stratosfeer en dat houdt de dodelijke UV-C straling helemaal tegen. Zachtere UV-B straling, waar mensen bruin van worden (en verbranden), en die zorgt voor de aanmaak van vitamine D in de huid, wordt bijna helemaal tegengehouden. De zachtste UV-A straling wordt bijna volledig doorgelaten. Maar die richt geen schade aan. 

Ozon ontstaat ook, met mate, op leefniveau in bliksemflitsen. Ook dat is niet verkeerd, want een beetje ozon is essentieel voor de fotochemische verwijdering van luchtverontreiniging (14). Maar ozon ontstaat ook op leefniveau als andere verontreinigingen in de zomer onder invloed van zonlicht onderling fotochemische reacties aangaan. Er kan dan een verstikkende smog gevormd worden. De bijdrage van ozon aan het broeikaseffect is substantieel, 12%. 

Stikstofoxiden, NOX, (hoofdzakelijk NO en NO2) zijn ook sterke broeikasgassen (2). Een aanzienlijke hoeveelheid NOX ontstaat door bliksem uit zuurstof en stikstof in de atmosfeer, dus op natuurlijke wijze. Daarnaast ontstaan stikstofoxiden in verbrandingsmotoren en industriële processen. De invoering van de driewegkatalysator voor auto’s per 1975 heeft de uitstoot van NOX redelijk goed aan banden gelegd. De hoeveelheid NOX is nu slechts 20% groter dan in 1750. Dit type vervuiling van de atmosfeer werkt wel lang door, omdat NOX lang blijft bestaan. Uiteindelijk ontleedt NOX weer in stikstof en zuurstof, onder invloed van straling van de zon, met een levensduur van 120 jaar.

CFK’s leveren eveneens een behoorlijke bijdrage van 11% aan de opwarming, ook al is de hoeveelheid in de atmosfeer extreem klein. Ze werken veel heftiger door dan alle andere broeikasgassen, en ze blijven ook veel langer in de atmosfeer aanwezig. CFK’s zijn stabiele verbindingen met een lange levensduur. Ze reageren echter wel met het ozon dat hoog in de stratosfeer aanwezig is waardoor de hoeveelheid ozon daar vermindert. Gedurende de poolwinter wordt er op de pool geen nieuw ozon gevormd, en dan kan de ozonlaag daar tegen de lente verzwakt of zelfs verdwenen zijn, zoals sinds 1984 bij de zuidpool gemeten is.

Gelukkig is er paal en perk gesteld aan het gebruik van CFK’s, en dat is in de grafiek hieronder (15) goed te zien. Verwacht wordt dat de situatie van 1980 rond het jaar 2060 weer bereikt zal worden. CFC-12 is ook wel bekend als Freon-12. Jammer genoeg komen er nog steeds een aantal stoffen wel in de atmosfeer terecht. HFC 134a (tetrafluorethaan) is bijvoorbeeld een koelvloeistof die het veel schadelijker Freon-12 vervangt. HFC 134a komt nu aan de beurt om vervangen te worden.

GeenStijl ontving een wetenschappelijk geschreven klimaat-betoog in vijf delen. Dit is deel 1, met een inleiding over de auteur

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, deel 1 van 5 na de lees verder. Met plaatjes, zodat zelfs wij het snapten!)

1. Probleemstelling
Bevat een korte beschrijving van de oorzaken van de opwarming van de aarde en de verzuring van de oceanen. Daarmee wordt beschreven waarom het onverstandig is om nog langer fossiele brandstoffen te gebruiken.

2. De basis
Beschrijft hoeveel energie Nederland nodig heeft en wat die energie mag kosten.

**3. De bron van alle leven
**Bevat een korte zoektocht naar de beste vervanger voor fossiele brandstoffen. De zon is de sleutel. 

**4. Verbeteringen in de nabije toekomst
**Vorderingen bij het splitsen van water in waterstof en zuurstof. Nieuwe, goedkopere, materialen voor zonnepanelen. 

**5. De oceanen waren er ook nog
**De oplossing voor de verzuring van de oceanen is geld, maar minder dan je denkt.

**6. Conclusies
**Op naar schone, goedkope energie die in overvloed aanwezig is.