In Nederland wordt anno 2021 energie vooral gebruikt om gebouwen zoals woningen te verwarmen (met centrale verwarming op aardgas, vooral in herfst en winter), voor verlichting en om apparaten te laten werken (in de vorm van elektriciteit), voor de aandrijving van auto’s en andere voertuigen (vooral vloeibare motorbrandstoffen gemaakt uit aardolie), en in de industrie om grondstoffen om te zetten in producten. Denk bij dit laatste aan elektriciteit en warmte die nodig zijn voor energie-intensieve industrieën voor het maken van staal, siliciumcarbide, aluminium en kunststoffen.
Nederlandse energievoorziening
Maar ja … deze energie moet ergens vandaan komen. De Nederlandse energievoorziening heeft met aardgas en aardolie (uit eigen bodem of geïmporteerd) als basis nu nog grotendeels een fossiele oorsprong. Deze brandstoffen zijn – eventueel na omzetting in benzine of kerosine – direct te gebruiken voor verbranding om zo energie te produceren.
Gascentrales zijn de voornaamste bron van elektriciteit. Een moderne gascentrale werkt als een tweetrapsraket met een gasturbine en een stoomturbine. In de gasturbine wordt aardgas samen met samengeperste lucht in een verbrandingskamer tot ontbranding gebracht, waarbij de hete verbrandingsgassen kooldioxide en waterdamp de schoepen van een turbine laten ronddraaien. Deze schoepen zijn op een as geplaatst die verbonden is met een elektrische generator die de ronddraaiende beweging omzet in elektriciteit. Maar er gebeurt meer, want de restwarmte van de hete verbrandingsgassen wordt vervolgens gebruikt om water in stoom om te zetten, en deze stoom laat de schoepen van een stoomturbine ronddraaien. Ook de stoomturbine genereert elektriciteit op dezelfde manier als de gasturbine. Omdat het rendement van een gascentrale stijgt met hogere (verbrandings)temperatuur en druk, zijn hogetemperatuurbestendige (super)legeringen en keramische coatings onmisbaar.
Ook maakt Nederland gebruik van kolencentrales waaraan biomassa wordt bijgestookt, en kernenergie. Hernieuwbare bronnen als zon en wind beslaan anno 2021 in absolute waarden slechts enkele procenten, maar zijn sterk in opkomst.
Waarom een energietransitie?
In zekere zin hebben we onze energie altijd al uit de zon gehaald, ook in de afgelopen 200 jaar. Immers, steenkool, aardolie en aardgas is niets anders dan ‘opgevangen zonne-energie’ in planten die miljoenen jaren de tijd hadden om zich om te zetten in wat we nu fossiele brandstoffen noemen. Aardolie, aardgas en steenkool maken dan ook deel uit van de lange koolstofkringloop. Het fnuikende daarbij is dat de langdurig door de planten opgevangen kooldioxide (CO2) in relatief korte tijd als broeikasgas in de aardatmosfeer is gekomen – met alle (toekomstige) gevolgen van dien. Dit geeft de noodzaak om een transitie aan te gaan van fossiele brandstoffen naar een duurzame energievoorziening.
Drijfveer voor deze energietransitie is het verlagen van de CO2-uitstoot. Er zijn verschillende inspanningen om dat te realiseren – naast energiebesparing, betere warmte-isolatie of zuiniger verlichting waardoor je de energie überhaupt niet hoeft te gebruiken.
Zo heeft steenkool met 1,4 een grotere C/H-verhouding dan aardolie (C/H ~ 0,6) of aardgas (C/H ~ 0,25). Verschuiving van het verbranden van steenkool naar aardgas zorgt voor minder CO2-emissie per opgewekte hoeveelheid energie, eventueel voorzien van mogelijkheden om CO2 direct af te vangen en op te slaan. Andere opties zijn om meer gebruik te maken van mogelijkheden om CO2 uit de korte koolstofkringloop uit te stoten door verbranding van biomassa (hout).
Sowieso is elektrificatie een maatschappelijke trend, met meer gebruik van hernieuwbare elektriciteit opgewekt met windturbines en zonnecellen (PV), bijvoorbeeld voor elektrische auto’s en fietsen. Zonnecellen hebben in de zomermaanden een hogere opbrengst, en windturbines doen het in de winter beter. Om elektriciteitsproductie zeker te stellen als de zonnecel niet werkt (’s nachts) of als de windturbine niet werkt (bij te weinig wind, of juist bij harde storm) moet je iets bedenken. Bijvoorbeeld in de vorm van goede opslagmogelijkheden in batterijen of in de vorm van de energiedrager waterstof via elektrolysers, om overtollige elektrische energie op de slaan als de zon wel overvloedig schijnt en de wind wel waait. Met nadruk op overtollig, want de omzetting van water in waterstof gaat gepaard met een behoorlijk energieverlies.
Een andere mogelijkheid is door opwekking van fluctuerende hernieuwbare energie aan te vullen met stabiele energieopwekking met kernenergie, of door snel gascentrales in werking te zetten. Op de korte termijn met aardgas als brandstof, en – na voltooiing van de energietransitie naar niet-fossiel – wellicht met opgeslagen waterstof.
Hoewel elektrificatie naar verwachting uiteindelijk veel van de huidige energiebehoefte overneemt, zal dit niet voor alle gevallen gelden. Denk hierbij aan de hierboven al genoemde energie-intensieve industrieën, met een ‘actieve’ rol voor waterstof als brandstof of reducerend medium weggelegd – naast de algemeen ‘passieve’ rol van waterstof als energieopslag.