Door David Archibald.*

Vertaling Martien de Wit.

De piekmaand van de wereldolieproductie was in oktober 2018. Sindsdien is de productie licht gedaald. De eerste tekenen dat de daling van de olieproductie versnelt, zijn nu zichtbaar, nu de olieprijs een derde is gestegen ten opzichte van het dieptepunt halverwege het jaar. Nu de oliepiek in de achteruitkijkspiegel te zien is, zijn de decennia van dalende productie aangebroken.

Dit betekent niet dat zonne- en windenergie concurrerender worden. Zonne- en windenergie worden geproduceerd en geïnstalleerd met energie uit steenkool en olie. In een krappe energiemarkt waarin verschillende energiebronnen elkaar gedeeltelijk kunnen vervangen, zullen de kolenprijs en de aardgasprijs in energie-equivalente termen stijgen tot de olieprijs.

Het belang hiervan voor zonne-energie is dat die momenteel wordt gemaakt met behulp van stroom uit kolengestookte centrales tegen ongeveer $ 0,05/kWh. Onder ideale omstandigheden in de Australische woestijn produceren zonnepanelen stroom die gelijk is aan de stroomkosten van diesel tegen $0,20/kWh. Als je de stroom van zonnepanelen zou gebruiken om meer zonnepanelen te produceren, zouden de kosten van de stroom die ze produceren ongeveer $1,00/kWh zijn. Bovendien worden zonnepanelen niet gerecycled – ze gaan eenmalig naar de stortplaats. Ze zijn op geen enkele manier een hernieuwbare energiebron. Zonnepanelen zijn artefacten van een millenium/apocalyptische/paganistische cultus waarin de aanhangers hun deugdzaamheid tonen door hun panelen te laten zien.

De rentabiliteit van windparken is iets beter dan die van zonnepanelen, maar nog steeds ver onder wat nodig is om de beschaving in stand te houden. Windturbines worden gebouwd voor een bepaalde prijs, om te voldoen aan de beschikbaarheidseisen van een contract. Het feit dat sommige turbinemasten verbogen worden, betekent dat ze ontworpen zijn met slechts een kleine marge boven mislukking. De huidige rage om ze op zee te installeren, omdat de kiezers ze nergens in de buurt willen hebben, betekent gewoon hogere kapitaal- en bedrijfskosten en veel duurdere elektriciteit.

Het is ook geen keuze tussen wind- en zonne-energie aan de ene kant en steenkool aan de andere kant. Als de olieprijs stijgt tot 110 dollar per vat, worden kolenliquefactie-installaties levensvatbaar om de vloeibare transportbrandstoffen te leveren die we nodig hebben. Op dit moment ligt het verbruik van steenkool en olie qua energie-inhoud dicht bij elkaar. Om de olieproductie volledig te vervangen door het vloeibaar maken van steenkool naarmate deze afneemt, is een verdubbeling van het steenkoolverbruik nodig. Hieruit volgt dat de levensduur van onze resterende steenkoolreserves zal halveren.

Kiezen tussen hernieuwbare energiebronnen en steenkool voor energieopwekking is dus een valse keuze. Want steenkool is geen optie voor de lange termijn. Er worden nu baby’s geboren die het einde van steenkool zullen meemaken. Het heeft weinig zin om je druk te maken over kolencentrales. Het betere gebruik van steenkool is de productie van vloeibare brandstoffen voor transporttoepassingen. Er is maar één energiebron die kolen kan vervangen voor energieopwekking en dat is kernenergie. Hoe sneller we steenkool vervangen door kernenergie voor energieopwekking, hoe langer onze steenkoolreserves meegaan en hoe hoger de levensstandaard van onze kinderen zal zijn.

Figuur 1: Figuur 30 uit het artikel Nuclear Energy and the Fossil Fuels van King Hubbert uit 1956, die de overgang van fossiele brandstoffen naar kernenergie laat zien. Fossiele brandstoffen hebben de beschaving op gang gebracht en U235 is de lucifer waarmee de mensheid het nucleaire vuur kon aansteken dat de beschaving op een hoog niveau zal houden tot aan de Dag des Oordeels.

De kosten van het maken van hernieuwbare energiebronnen, wind- en zonne-energie, zullen samen met de kolenprijs stijgen omdat ze gemaakt worden met energie uit kolen. De zonnepanelen en windturbines die we nu installeren, zullen aan het eind van hun levensduur naar de vuilnisbelt worden gebracht en worden vervangen door kernenergie. De kosten van kernenergie blijven namelijk ongeveer gelijk aan de huidige prijs, terwijl de prijzen van alle andere vormen van energie zullen stijgen met de olieprijs. En het zal geen zin hebben om energie uit kernreactoren te gebruiken om zonnepanelen en windturbines te maken, omdat de prijs van de geproduceerde energie minstens vijf keer zo hoog zal zijn als de prijs die de kernreactoren in eerste instantie produceerden.

Dat gezegd hebbende, zijn er drie grote problemen met kernenergie zoals we die nu toepassen. Ten eerste is bij een gelijkblijvend vermogen zeven procent van de energie van een kernreactor afkomstig van vertraagde splijtingsreacties. Dat daalt binnen een dag tot ongeveer één procent, maar het kan maanden duren voordat het daalt tot een niveau waarop de reactor geen externe energie nodig heeft om te koelen.

Om dit in de juiste context te plaatsen: de dominante nucleaire technologie die momenteel wereldwijd wordt gebruikt is de lichtwaterreactor die U235 verbrandt. In de jaren 1970 was de gemiddelde grootte van een kernreactor 300 MW. De reactor zou kunnen uitvallen door een ongeluk waardoor het koelwater niet meer circuleert. Dan zou het een race zijn om de circulatie van het koelwater weer op gang te brengen voordat het systeem wordt overspoeld door de hitte van de vertraagde splijtingsreacties. Als die race verloren gaat, kookt het koelwater weg en wordt de reactorkern heet en begint te smelten. De massa van gesmolten staal en splijtstofstaven wordt een substantie genaamd corium, die door de vloer van de reactorkamer kan smelten. De Franse kerncentralebouwer Areva heeft in zijn huidige ontwerpen een ondervloer onder de reactorkamer om het corium op te vangen.

De brandstofstaven bestaan uit brandstofpellets in een zirkonium buis. Bij 1.250°C reageert het zirkonium met water om waterstof te produceren. De waterstof hoopt zich op bovenin de reactorkamer tot het uiteindelijk explodeert. Alle drie de werkende reactoren in Fukushima in 2011 hadden een waterstofexplosie.

Om het risico te beperken dat uiteindelijk komt van het deel van de energie dat wordt geproduceerd door vertraagde kernsplijting, reageerden reactorontwerpers door meer beton en staal toe te voegen om het mogelijke vrijkomen van radioactief materiaal bij een reactorexcursie in te perken. Dit verhoogde de kapitaalkosten per geproduceerde MW. Dit zette op zijn beurt een trend in gang om de reactoren veel groter te maken, tot 1600 MW, om schaalvoordelen te behalen. En omdat het volume van een vat sneller toeneemt dan de oppervlakte, betekent dit dat de grotere reactoren moeilijker te koelen zijn en dus inherent gevaarlijker zijn dan de reactoren van 300 MW die ze vervingen.

Om reactoren weer veiliger te maken, is er nu een trend naar zogenaamde kleine modulaire reactoren, met vermogens tussen 100 en 300 MW. Ze zijn veiliger omdat de reactorkern gemakkelijker warmte kan afvoeren. Maar als ze te klein zijn, stijgen de kapitaalkosten per MW. Er is ook het probleem van het personeel. Voor een vloot van kleine modulaire reactoren is misschien wel drie keer zoveel personeel nodig als voor een vloot van reactoren van normale grootte.

Vertraagde splijting is het grootste probleem met kernenergie en het is een probleem waar bijna niemand zich bewust van is.

Het tweede probleem met kernenergie is de productie van hoogactief afval. Een reactor van 1000 MW produceert drie ton hoogradioactief afval per jaar, in feite de gebruikte brandstofstaven. De brandstofstaven van een reactor worden ongeveer om de drie jaar vervangen. Tegen de tijd dat de staven worden verwijderd, is ongeveer de helft van de geproduceerde energie afkomstig van plutonium dat wordt gemaakt van bestraald U238. De staven worden verwijderd vanwege stralingsschade aan de zirkoniumbekleding, waardoor de staven krom kunnen trekken en niet meer kunnen worden verwijderd. De huidige praktijk is om de verbruikte splijtstofstaven niet te verwerken, maar ze voor lange tijd op te slaan waar ze letterlijk miljoenen jaren een stralingsgevaar vormen. De kosten van het opnieuw verwerken van gebruikte splijtstofstaven komt overeen met een uraniumprijs van ongeveer US$250/lb, terwijl de huidige spotprijs US$44/lb is. Onze beschaving is aan het doorschuiven wat betreft opwerking, waardoor een toekomstige generatie een deel van de kosten moet dragen om nu energie op te wekken. Dit is een onbevredigende stand van zaken.

Het derde probleem met lichtwaterreactoren is dat ze extreem verspillend omgaan met de uraniumvoorraad van de planeet. Uranium zoals het uit de grond komt bestaat voor 99,3% uit U238 en voor 0,7% uit U235. Voor gebruik in lichtwaterreactoren wordt het U235 vervijfvoudigd tot 3,5% en 80% van het U238 wordt weggegooid. Welnu, een deel van die U238 wordt gebruikt om antitankprojectielen met verarmd uranium te maken, die in de strijd eindigen als uraniumoxide dat in de wind wordt verspreid. Antitankgranaten met verarmd uranium bevatten vier kilogram U238, wat het energie-equivalent van 19.000 vaten olie zou hebben opgeleverd als het door een plutoniumkweekreactor zou zijn verwerkt. En om dat getal in context te plaatsen: een auto die 20.000 km per jaar rijdt met een brandstofverbruik van 10 km per liter zal 34 vaten verbranden. Dus de energie die inherent is aan een antitankkogel met verarmd uranium is gelijk aan 558 jaar energie voor een auto.

Problemen twee en drie kunnen worden opgelost, en moeten worden opgelost, door de plutonium kweekreactortechnologie volledig te ontwikkelen. Plutonium breeder reactoren werken door U238 te bestralen met hoogenergetische (snelle) neutronen om Pu239 te produceren. Er zijn plutonium breeder reactoren geweest die tientallen jaren goed hebben gewerkt, allemaal in Rusland. Frankrijk heeft ook met succes een plutonium breeder reactor geëxploiteerd, tenminste totdat deze werd gesloten als onderdeel van een politieke deal met de Franse groene partij. Het beste bestaande westerse ontwerp voor een plutonium breeder reactor wordt beschouwd als de GE-Hitachi PRISM reactor. Deze is ontworpen om de splijtstof ter plaatse op te werken met behulp van een pyrometallurgisch proces in een gesloten splijtstofcyclus.

Figuur 2: Doorsnede van de PRISM-reactor van GE-Hitachi

Het eerste probleem is ook opgelost omdat plutonium-kweekreactoren werken bij atmosferische druk zonder water in de reactorkern dat klaarstaat om te reageren met de splijtstofstaven. Ze zijn inherent veel veiliger dan lichtwaterreactoren die U235 verbranden en slechts één procent van onze uraniumvoorraad gebruiken. Plutonium-breederreactoren zullen 100% van onze uraniumvoorraad gebruiken en ons dus 100 keer meer energie geven dan de technologie die we nu gebruiken.

Plutonium-kweekreactoren kunnen 30 procent meer brandstof produceren dan ze verbruiken. Ze werken in het snelle neutronenspectrum en moeten dus natrium gebruiken als koelmiddel.

Reactoren die thorium omzetten in U233 hebben een kweekmarge van acht procent en werken in het thermische (laagenergetische) neutronenspectrum. Acht procent is niet veel marge om mee te spelen, de benodigde technologie bevindt zich nog in de conceptfase en onze beschaving heeft niet veel tijd meer. Aan de andere kant is er vier keer zoveel thorium als uranium in het aardoppervlak. Dus als de overtollige neutronen van het kweken van plutonium gebruikt zouden kunnen worden om het kweken van thorium mogelijk te maken, zou dit in feite de levensduur van onze uraniumvoorraad verviervoudigen.

Als onze beschaving een toekomst heeft die de moeite waard is, dan zal die aangedreven worden door plutonium kweekreactoren. Het enige alternatief voor kernenergie is terugvallen op hout en paarden, wat zal resulteren in een 18e eeuwse levensstandaard. Het zal gemakkelijker zijn om die nucleaire toekomst te krijgen zolang we nog wat olie en kolen hebben om te verbranden. Het zal moeilijk zijn om kernreactoren te bouwen als we energie uit paarden gebruiken. Dus hoe eerder we de juiste weg inslaan, hoe veiliger en gelukkiger we zullen zijn.

Op dit moment maken kolen, olie en aardgas alle dingen die we nodig hebben, hetzij door de energie te leveren om ze te maken, hetzij door de materialen te leveren waarvan ze gemaakt zijn. Als de fossiele brandstoffen opraken, hoe wordt de energie van kernreactoren dan omgezet in de fysieke dingen die we gebruiken? De vijf pijlers van de beschaving zijn diesel, cement, staal, kunststoffen en ammoniak.

Voor de productie van diesel (en benzine en vliegtuigbrandstoffen) wordt het Bergius-proces gebruikt om biomassa te hydrogeneren. Het proces begint met energie uit kernreactoren die wordt gebruikt voor de elektrolyse van water om waterstof te produceren. Stroom van $0,05 per kWh produceert waterstof van $7,00 per kg. In termen van energie-inhoud komt dit neer op een dieselprijs van $2,59 per liter, wat slechts iets meer is dan wat Australiërs momenteel aan de pomp betalen.

Het volgende diagram komt uit de toespraak van Friedrich Bergius bij de aanvaarding van zijn Nobelprijs in 1931:

Figuur 3: Massabalans  voor het Bergius-proces.

Wat deze figuur laat zien is dat de toevoeging van slechts 5% extra waterstof in gewicht een bijna nutteloze vaste brandstof verandert in een vloeistof met een hoge energiedichtheid en ideale verwerkingseigenschappen. Slechts iets kleiner dan de dieselmolecule is heptaan, C7H16, de ideale basis voor een thermobarische bom.

Steenkool komt van linksboven binnen en wordt gecombineerd met waterstof en gerecyclede olie om er een vloeistof van te maken. De waterstof wordt geproduceerd door stoomreforming van de lichte uiteinden van het proces. Als de stroom van kernreactoren of zelfs windturbines goedkoop genoeg zou zijn, dan zou dat, via elektrolyse, de bron van de waterstof kunnen zijn met een besparing op kapitaalkosten en operationele complexiteit.

De omzetting vindt plaats bij 400°C en 200 bar druk. Het waterstofgehalte van diesel is 14 gewichtsprocent. Het waterstofgehalte van steenkool kan oplopen tot 8%, het niveau van bruinkool uit Latrobe Valley. Vanaf dat niveau is er nog maar 6% waterstof nodig om diesel te maken. Het laatste experiment met het omzetten van steenkool in diesel in Australië werd in 1991 door de Japanse regering uitgevoerd in de Latrobe Valley. Als resultaat van dat onderzoek werd berekend dat de olieprijs die nodig was voor commercialisering toen US$40 per vat bedroeg; gelijk aan US$110 vandaag. Australiërs betalen momenteel aan de pomp A$349 per vat voor diesel, wat overeenkomt met US$230 per vat. We betalen dus al een prijs die hoog genoeg is om de kolenliquefactie-industrie te starten.

Met de juiste belastingstructuur is het maken van onze eigen diesel uit onze eigen steenkool nu al commercieel en het zou Australië veel veiliger maken. En de steenkool die we daarvoor zouden gebruiken, zou te laagwaardig zijn om vervoerd te worden.

Als de steenkool opraakt, wordt de grondstof hout.

Hoewel er momenteel veel enthousiasme is voor het idee om waterstof direct als transportbrandstof te gebruiken, sluiten de fysica en chemie van waterstof de toepassing ervan voor dat doel uit. Het combineert een lage energiedichtheid, transmissieverliezen en lekkage met een groot explosiebereik. Om de beperkingen van waterstof te begrijpen is er niets beter dan de ervaring om er als kind mee te spelen:

Na mijn ervaring als kind met waterstof, twijfel ik er niet aan dat het parkeren van 40-50 kg gecomprimeerde waterstof naast iets waar je om geeft, of in iets waar je om geeft, de definitie van waanzin zou zijn.

Dat gezegd hebbende, waterstof zal een groot deel uitmaken van onze energietoekomst. Slechts een klein beetje waterstof toegevoegd aan een bijna nutteloze, laagwaardige koolstofbron verandert het in een kostbare vloeibare brandstof met een hoge energiedichtheid en optimale rijeigenschappen. In de toekomst zal er een tekort aan koolstof zijn omdat de beschikbaarheid ervan afhangt van hoe snel biomassa kan worden verbouwd.

Diesel is een waterstofbrandstof waarvan meer dan een derde van de energie afkomstig is van de 23 waterstofatomen in elke dieselmolecule:

Het relatieve marktaandeel van dieselvoertuigen en elektrische voertuigen in de markt voor personenauto’s zal afhangen van de kosten van het verbouwen van biomassa voor de eerste optie en de kosten van stroom uit kernreactoren voor de elektrische optie. Sommige sectoren van de economie, zoals landbouw, luchtvaart en scheepvaart, kunnen niet worden geëlektrificeerd. De prijs die zij zullen betalen om te worden bevoorraad, zal het eerste beroep doen op de productie van de Bergius centrales.

Het is waarschijnlijk dat op een zeker moment in de toekomst alle metalen moeten worden gerecycled in plaats van gestort. Exploitanten van elektrische auto’s zullen dan twee keer voor hun batterijen betalen – voor het maken ervan en ten tweede voor het oplossen ervan in zuur om de metalen terug te winnen aan het einde van hun levensduur van 10 jaar. Elektrische voertuigen zijn nu duur, maar de eigenaars moeten nog betalen voor de volledige eigendomskosten. Recycling van alle metalen zal zeker het einde betekenen van zonnepanelen.

Onder optimale groeiomstandigheden in Brazilië produceren eucalyptusplantages 40 kubieke meter per hectare per jaar, wat 20 ton gedroogd hout wordt. Dit wordt op zijn beurt omgezet in 10 ton lignine, wat 10.000 liter vloeibare brandstof zou opleveren. Ervan uitgaande dat de opbrengst per hectare in Australische omstandigheden 25 kubieke meter per hectare is, zou één hectare 39 vaten diesel per jaar opleveren. Om Australië te voorzien van de behoefte van een miljoen vaten per dag zou bijna 10 miljoen hectare plantagebossen nodig zijn – ongeveer 8% van het beboste gebied van Australië – dus het is heel goed haalbaar.

De tweede pijler van de beschaving is cement. Voor de productie van cement wordt 200 kg steenkool gebruikt. In de wereld na het gebruik van steenkool zal de energie voor het maken van cement afkomstig zijn van houtskool geproduceerd uit eucalyptusplantages. Het rendement van hout tot houtskool is 35%, dus in Australië zal jaarlijks negen miljoen ton cement worden gemaakt met houtskool uit 5,4 miljoen ton hout dat afkomstig is van 200.000 hectare eucalyptusplantages.

Om staal te maken als de metallurgische kolen op zijn, zullen we waarschijnlijk elektrische vlamboogovens gebruiken om de energie te leveren voor de reductie van ijzererts in een vloeibaar ijzerbad. Zolang er vrije koolstof in vloeibaar ijzer zit, zal het kooldioxide reduceren tot koolmonoxide, dat op zijn beurt de ijzeroxiden reduceert. De warmte die nodig is om deze reacties aan te drijven, komt van de vlamboog. In essentie is dit vergelijkbaar met hoe aluminium nu wordt gesmolten.

Kunststoffen, de vierde pijler, zijn meestal een combinatie van koolstof en waterstof. Industriële scheikundigen kunnen elk type kunststof maken met koolmonoxide en waterstof als beginmateriaal. Het zal alleen duurder zijn dan wanneer je eerst begint met een grotere molecule, zoals naptha uit olieraffinage.

Ammoniak is de vijfde pijler van de beschaving. De helft van de wereldbevolking leeft dankzij eiwitten die hun oorsprong vinden in de energie die in steenkool en aardgas zit. Die energie wordt gebruikt om stikstof uit de atmosfeer te combineren met waterstof uit de stoomreforming van aardgas om ammoniak te produceren. Dat op zijn beurt wordt gebruikt om ureum en ammoniumnitraat tot meststoffen te maken. Het hele proces kan gemakkelijk worden omgebouwd om te worden aangedreven door kernreactoren. Het zijn de kosten van kernenergie in het post-fossiele brandstoftijdperk die de kosten van voedsel zullen bepalen.

***

David Archibald.

Over de auteur

David Archibald is de auteur van The Anticancer Garden in Australië

* Noot van de vertaler: David Archibald is Australiër en gebruikt in dit artikel enige malen het dollarteken. Dit teken duidt hier Australische dollars (AUD) aan, tenzij de US$ wordt genoemd. De AUD is momenteel ca. 0,63 USD waard.

***

Bron: hier.

***