Energie biedt comfort en economische ontwikkeling voor wie er toegang toe heeft. Energie maakt een hoge levenskwaliteit mogelijk en, wanneer ze goed wordt beheerd, maakt ze mensen gezond, welvarend en vrij. En eigenlijk verleent energie ook toegang tot proper water en overvloedig voedsel. Maar bij energiekeuzes spelen ook onderliggende afwegingen mee, want verkeerd gebruikte energie kan de economische groei afremmen, het milieu aantasten en de veiligheid ondermijnen, zoals de Russische oorlog in Oekraïne heeft aangetoond. Om de wereldwijde temperatuurstijging te beperken tot maximaal 1,5°C boven het pre-industriële niveau, zoals overeengekomen in de Overeenkomst van Parijs, moeten we tegen 2050 koolstofneutraliteit bereiken. Dit betekent dat er tegen 2050 geen netto koolstofuitstoot meer mag zijn en dat alle koolstof die in de lucht wordt uitgestoten, moet worden gecompenseerd door CO2-putten, hetzij natuurlijke, hetzij kunstmatige. Zoals eerder betoogd (Mertens et al.1) zijn de volgende acties hiervoor prioritair:
- Eerst en vooral moeten we de energie-efficiëntie van al onze activiteiten en processen (blijven) verhogen en dus minder energie verbruiken. Energie-efficiëntie blijft een prioriteit. Ook al wordt vaak gedacht dat het laaghangende fruit van meer energie-efficiëntie al is geplukt, toch is er zeker op dit vlak nog veel marge voor verbetering.
- We moeten het aandeel van hernieuwbare elektriciteitsproductie verhogen en deze energie gebruiken om zoveel mogelijk processen te elektrificeren. Deze inspanning moet veel verder gaan dan elektrisch vervoer. Ook de verwarming en koeling van gebouwen, talrijke industriële processen en zeewaterontzilting moeten hieronder vallen.
- Voor processen waarvoor een hoge energiedichtheid van cruciaal belang is of in de chemische industrie, waar koolwaterstoffen nodig zijn als grondstof of voor de opslag van energie over langere perioden, zal de behoefte aan moleculen belangrijk blijven. Waterstofproductie is het meest voor de hand liggende e-molecuul, omdat het kan worden gesynthetiseerd uit hernieuwbare elektriciteit en water. Dit is zowel lokaal mogelijk als overal ter wereld waar goedkope hernieuwbare elektriciteit en water beschikbaar zijn2. Zoals al uitvoerig besproken in Mertens et al.1 (2020), zal - vanwege de lage volumetrische energiedichtheid en de uitdagingen in verband met de opslag en het vervoer ervan - het gebruik van deze groene waterstof in combinatie met CO2 of N2 en de omzetting ervan in moleculen met een hoge energiedichtheid (bv. methaan, methanol, ammoniak, vliegtuigbrandstof, ...) van cruciaal belang zijn voor langeafstandsvervoer over zee en in de lucht, voor hoge-temperatuur-warmte in de industrie, voor de productie van chemicaliën, voor het vervoer van hernieuwbare energie over lange afstanden en voor de opslag van energie over langere perioden.
Op ons pad naar koolstofneutraliteit blijven energie-efficiëntie en elektrificatie van het grootste belang en daarom hebben we ze in de bovenstaande lijst van prioritaire acties ook op 1 en 2 geplaatst. Maar we hebben duidelijk ook een grote behoefte aan duurzame moleculen voor toepassingen die een hoge energiedichtheid vereisen, zoals in de scheep- en luchtvaart, voor processen bij hoge temperaturen, grondstoffen voor de chemische industrie en hoge-temperatuur-warmte, of nog voor het vervoer en de opslag van hernieuwbare energie over langere afstanden en langere perioden. Deze duurzame moleculen bestaan uit verschillende soorten: biobrandstoffen op basis van afval en residuen (zoals biomethaan, bio-ethanol, biodiesel, ...) en e-brandstoffen op basis van elektriciteit (zoals waterstof of van waterstof afgeleide moleculen gemaakt op basis van elektriciteit). Biobrandstoffen zijn nuttige alternatieve vervangingsproducten, maar zijn op wereldschaal beperkt door de concurrentie met het gebruik van land voor de productie van voedsel. Groene waterstof, dat is waterstof geproduceerd met behulp van door hernieuwbare elektriciteit aangedreven waterelektrolyse, is een prominent e-molecuul dat veel krantenkoppen haalt en de aandacht van beleidsmakers trekt, maar het vervoer en de opslag ervan blijven grote uitdagingen.
Figuur 1 schetst het volumetrische energievraagstuk door de volumes te illustreren die nodig zijn om 10 kWh energie op te slaan met behulp van verschillende energievectoren: elektriciteit uit batterij, waterstof (vloeibaar of onder druk), vloeibare ammoniak (NH3), LNG (vloeibaar aardgas) en benzine.
Deze figuur wordt aangevuld met Tabel 1 die de volumetrische energiedichtheid en de gravimetrische energiedichtheid of specifieke energie van de verschillende energievectoren weergeeft.
Op basis van de in Figuur 1 en tabel 1 weergegeven fysische eigenschappen verdient het directe gebruik van waterstof op de productielocatie, waar mogelijk, de voorkeur.
In veel gevallen zal dit echter niet mogelijk zijn, omdat de productie van waterstof voornamelijk zal gebeuren op plaatsen waar er een overvloed is aan goedkope hernieuwbare elektriciteit en dit niet noodzakelijk samenvalt met de aanwezigheid van grote industriegebieden waarin de vraag naar energie enorm is (denk aan staal-, cement-, chemische, glasfabrieken, enz.). In dat geval zal, net als nu, transport van energie nodig zijn. Zoals geïllustreerd in Figuur 1, gebeurt dit het best met een van waterstof afgeleide molecule in plaats van met waterstof zelf. Hetzelfde geldt voor de opslag van hernieuwbare energie gedurende lange perioden, bijvoorbeeld in functie van de seizoenen. Ook hiervoor is waterstof een uitdagende optie en bieden de daarvan afgeleide moleculen veel hogere energiedichtheden.
Vandaag zijn bijna alle opties om hernieuwbare brandstoffen te synthetiseren duurder in vergelijking met hun fossiele alternatieven2. Als we de extrapolatie van de in het verleden exponentieel dalende kosten van zonnepanelen en windenergie naar de toekomst kunnen doortrekken, tonen optimistische scenario's dat de kosten voor de productie van hernieuwbare waterstof al in 2027 concurrerend worden en voor hernieuwbare synthetische brandstoffen kort daarna2. Studies hebben aangetoond dat de kosten voor hernieuwbare brandstof worden gedomineerd door de kosten voor de productie van deze groene waterstof. Deze kosten omvatten de operationele uitgaven (OPEX) voor de productie van hernieuwbare elektriciteit en de kapitaaluitgaven (CAPEX) voor de electrolyzer, die vandaag nog behoorlijk duur is.
Wat zeker is, is dat door efficiëntieverliezen bij het afvangen en omzetten van (atmosferische) CO2 de productie van hernieuwbare moleculen de totale vraag naar hernieuwbare energie drastisch zal doen toenemen. Dit wil echter niet zeggen dat koolstofdragers van de transitie naar een koolstofvrije samenleving moeten worden uitgesloten. Precies daarom moet we ook nadenken over een "synthetische koolwaterstofeconomie", naast een zuivere "waterstofeconomie".
Bovendien stelt het gebruik van waterstof ter vervanging van fossiele brandstoffen grote uitdagingen op het vlak van de vernieuwing van apparatuur en de noodzakelijke technologische ontwikkelingen.
Voor de productie van deze e-moleculen zijn enorme hoeveelheden hernieuwbare energie nodig, met name voor de productie van groene waterstof. Veel regio's met, zoals West-Europa, een beperkte toegang tot hernieuwbare energie in verhouding tot de verwachte totale vraag naar energie, kunnen afhankelijk blijven van invoer3 uit landen waar toegang tot goedkope en overvloedig aanwezige hernieuwbare bronnen mogelijk is. E-moleculen met een hoge energiedichtheid blijken efficiënte energiedragers te zijn over lange afstanden (bv. methanol, ammoniak, methaan, vliegtuigbrandstof, ...). Een ander voordeel van e-brandstoffen op basis van waterstof is dat ze gemakkelijk als alternatieve brandstof in de bestaande energie-infrastructuur gebruikt kunnen worden en op die manier de waarde van de bestaande activa kunnen maximaliseren en de totale kosten tot een minimum kunnen beperken. Zo zal deze infrastructuur uiteindelijk hernieuwbare moleculen vervoeren in plaats van fossiele. Indien beschikbaar en technisch haalbaar, blijven directe elektrificatie-opties doorgaans echter goedkoper en efficiënter en kunnen deze voordelen niet gecompenseerd worden door een langer gebruik van de bestaande infrastructuur4,5.
Het ETP 2020-rapport6 van het IEA schat dat 38% van de benodigde emissiereductie zal komen van het volledig hernieuwbaar maken van onze elektriciteit. Deze potentiële verbetering volstaat echter niet. Nog eens 40% van de inspanning zal moeten komen van de vermindering van emissies uit industriële processen, en het IEA concludeert dat "CCUS" (Carbon Capture Utilisation and Storage - gebruik en opslag van afgevangen koolstof) hierin een belangrijke rol zal spelen. Hierbij moet worden benadrukt dat CCUS een misleidende term is, omdat de impact van en de business cases voor CCU en CCS fundamenteel verschillend zijn en het groeperen van beide los van elkaar staande benaderingen de realiteit van deze twee benaderingen niet weerspiegelt7,8. Het IEA is niet de enige instantie die tot het besluit komt dat brandstoffen een noodzakelijk onderdeel zullen blijven van een snel, betaalbaar en betrouwbaar traject naar netto nul koolstofemissies; rapporten van het Duitse Energieagentschap3, LUT University4, Stanford University9 en anderen zijn tot vergelijkbare conclusies gekomen. In deel A van de aanvullende informatie geven we de casestudy voor België als voorbeeld om te benadrukken dat er moleculen nodig zullen zijn om koolstofneutraliteit te bereiken.
Naast hernieuwbare elektriciteit is ook een koolstof-, waterstof-, zuurstof- of stikstofbron nodig voor de productie van gesynthetiseerde moleculen zoals ammoniak (NH3), methaan (CH4), methanol (CH3OH), dimethylether (CH3OCH3) of mierenzuur (HCOOH). Deze bronnen zijn meestal water of de atmosfeer. Koolstofafvang uit puntbronnen is een mature technologie om CO2 uit rookgassen te scheiden. Cryogene luchtscheiding is een beproefde elektrische procedure om O2 en N2 uit de lucht te filteren. Directe luchtafvang (DAC) is een opkomende technologie om CO2 vanuit de lucht af te vangen10.
Er bestaan verschillende mythes en overtuigingen rond het thema e-moleculen en in dit artikel willen we een aantal daarvan ontkrachten, meer info in Mertens et al.11
Jan Mertens
Chief Science Officer Engie
Professor UGent
1 Mertens, J., R. Belmans en M. Webber, 2020. Why the carbon neutral transition will imply the use of lots of carbon. C-Journal of Carbon Research, 6 (39), 1-8
2 Detz, R.J.; Reek, J.N.H. en van der Zwaan, B.C.C. The future of solar fuels: When could they become competitive? Energy Environ. Sci., 2018, 11, 1653–1669.
3 Ram M., T. Galimova, D. Bogdanov, M. Fasihi, A. Gulagi, C. Breyer, M. Micheli and K. Crone, 2020. Powerfuels in a Renewable Energy World - Global volumes, costs, and trading 2030 to 2050. LUT University and Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena). Lappeenranta, Berlin
4 Bogdanov, D., M. Ram, A. Aghahosseini, A. Gulagi, A.S., Oyewo, M. Child, U. Caldera, K. Sadovskaia, J. Farfan, L. De Souza Noel Simas Barbosa, M. Fasihi, S. Khalili, T. and C. Breyer. 2021. Low-cost renewable electricity as the key driver of the global energy transition towards sustainability. Volume 227, 120467
5 Ueckerdt, F., C. Bauer, A. Dirnaichner, J. Everall, R. Sacchi and G. Luderer, 2021. Potential and risks of hydrogen-based e-fuels in climate change mitigation. Nat. Clim. Chang., 11, 384–393
6 IEA, 2020. Energy Technology Perspectives 2020. https://www.iea.org/reports/energy-technology-perspectives-2020
7 Bruhn, T., H, Naims and B. Olfe-Kräutlein 2016. Separating the debate on CO2 utilisation from carbon capture and storage. Environmental Science & Policy, 38-43
8 Breyer, B., M. Fasihi, C. Bajamundi and F. Creutzig, 2019. Direct Air Capture of CO2: A Key Technology for Ambitious Climate Change Mitigation. Joule, 9 , 2053-2057
9 Jacobson, M.Z., M. A. Delucchi, M. A. Cameron, S. J. Coughlin, C.A. Hay, I. Priya, Manogaran, Y. Shu and A-K von Krauland, 2020. Impacts of Green New Deal Energy Plans on Grid Stability, Costs, Jobs, Health, and Climate in 143 Countries. One Earth, 1, Pages 10
10 Fasihi, M., O. Efimova and C. Breyer, 2019. Techno-economic assessment of CO2 direct air capture plants. Journal of Cleaner Production, 224, 957-980
11 Mertens, J., C. Breyer, K. Arning, A. Bardow, R. Belmans, A. Dibenedetto, S. Erkman, J. Gripekoven, G. Léonard, S. Nizou, D. Pant, A.S. Reis-Machado, P. Styring, J. Vente, M. Webber and C. J. Sapart, 2022. Carbon Capture and Utilisation: More than hiding CO2 for some time, Joule, https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.01.005