Onze toekomstige energiemix

Voorspelling van Energiesystemen

Er zijn maar weinig onderwerpen die zo complex en zo belangrijk zijn als de toekomstige energiemix van onze beschaving. Afhankelijk van wie je het vraagt, is de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen onvermijdelijk, of zullen hernieuwbare energiebronnen in een razendsnel tempo de overhand krijgen. De realiteit is uiteraard complex, en het is erg moeilijk om de toekomst van energie te voorspellen.

In dit artikel bekijken we onze huidige situatie, zien we de enkele mogelijke scenario’s, en, nog belangrijker, welke economische of technologische veranderingen één scenario waarschijnlijker maken dan het andere.

Waar we nu staan

Als er tot nu toe een patroon is in ons groeiende energieverbruik, dan is het dat nieuwe energiebronnen eerder aan onze energiemix worden toegevoegd dan dat ze de vorige vervangen.

Zo gebruiken we nog steeds evenveel, zo niet meer, biomassa (voornamelijk hout) als in de jaren 1800, vóór de Industriële Revolutie. Evenzo is het steenkoolverbruik in de loop der tijd vooral alleen maar toegenomen, waarna olie, gas en vervolgens waterkracht, kernenergie en hernieuwbare energie werden toegevoegd.

Bron: OurWorldInData

Dit kan verrassend zijn, gezien de aanzienlijke vooruitgang die hernieuwbare energie lijkt te hebben geboekt in onze elektriciteitsproductie. Dit komt door meerdere oorzaken:

• China, de leider in nieuwe capaciteit van hernieuwbare energie en de transitie naar elektrische voertuigen, is ook de leider in de bouw van kolencentrales.
• Het grootste deel van de primaire energieconsumptie wordt niet gebruikt om elektriciteit op te wekken. In plaats daarvan komt het merendeel van ons energieverbruik van mobiliteit, verwarming en industriële toepassingen zoals staalproductie en petrochemie (productie van kunstmest, kunststoffen, farmaceutica, chemicaliën, enz.).
• Bevolkingsgroei en miljarden die uit extreme armoede komen, leidden tot een groeiend energieverbruik, waarbij de goedkoopste beschikbare optie vaak kolen is. Ook meer vleesconsumptie, airconditioning, auto’s, vliegreizen, enz.
• Globalisering van de economie, wat leidt tot veel meer transport van goederen, inclusief talloze heen‑en‑weer bewegingen van grondstoffen, halfbewerkte onderdelen en eindproducten.
• Industrialisering van de landbouw, die de opbrengsten verhoogt en de benodigde arbeidskracht vermindert, maar ook het verbruik van fossiele brandstoffen en kunstmest stimuleert.

Voor iedereen die zich zorgen maakt over klimaatverandering en CO₂‑uitstoot, kan dit een somber vooruitzicht schetsen, met fossiele brandstoffen stevig verankerd in onze wereldwijde energiemix. Maar dit is ook niet het volledige plaatje.

De voortdurende verandering

Van een nauwelijks theorie in 2016 zijn elektrische auto’s (EV’s) nu een exponentieel groeiend deel van de wereldwijde verkoop, met meer dan 10 miljoen elektrische auto’s verkocht in 2022, of 14 % van de wereldwijde verkoop, waarbij China en Europa vooroplopen.

Bron: IEA

Het aandeel van hernieuwbare energie (waterkracht + zonne‑energie + wind + geothermie) groeit ook snel. En hoewel sommige landen hier al lange tijd hoog op staan, dankzij enorme waterkrachtbronnen (zoals Noorwegen, Brazilië of Canada), is zonne‑ en windenergie echt waar de verandering plaatsvindt.

Bron: Our World In Data

Een land‑per‑land blik toont het duidelijke keerpunt in 2010, toen hernieuwbare energie vaak meer dan verdubbelde, meestal volledig gedragen door de groei in zonne‑ en windproductie. Bijvoorbeeld, China en Australië:

Bron: OurWorldInData

Bron: OurWorldInData

Een enorme drijfveer van deze verandering is de sterke daling van de kosten voor hernieuwbare energie. Gelijkmatig aangedreven door technologische innovatie en opschaling van de industriële productie, heeft dit hernieuwbare energie steeds competitiever gemaakt. Tenminste op papier lijken hernieuwbare bronnen nu goedkoper dan fossiele brandstoffen (meer hierover hieronder), zoals aangetoond door IRENA (International Renewable Energy Agency).

Bron: IRENA

De uitdagingen

In de afgelopen jaren begon een vreemde situatie te ontstaan. De snel dalende kosten van hernieuwbare energie hebben veel mensen overtuigd dat fossiele brandstoffen binnenkort het lot van de dodo zullen delen.

Bron: Twitter/X

Maar in de afgelopen jaren hebben een paar macro‑economische schokken dit idee in twijfel getrokken. De oorlog in Oekraïne veroorzaakte enorme inflatie en dwong landen zoals Duitsland hun afhankelijkheid van kolen te herstarten.

En diezelfde inflatie heeft de winstgevendheid van geplande hernieuwbare projecten ernstig aangetast. Massale offshore windprojecten werden geannuleerd, de aandelenkoersen van zonne‑ en windbedrijven kelderden; dit was een pijnlijke periode. Je kunt meer lezen over wat er gebeurde in ons artikel “The 2023 Renewable Energy Crash“.

Zelfs de verkoop van EV’s wordt in twijfel getrokken, na het uitstellen of annuleren van de EV‑strategie door grote fabrikanten, zoals GM, Ford of Honda.

Intermitterende aard van hernieuwbare energie

Een belangrijk probleem dat moet worden opgelost is energieopslag. De productie van wind‑ en zonne‑energie hangt af van het weer en kan tijdelijk losstaan van de vraag. Dit is een probleem voor een elektriciteitsnet dat “just‑in‑time” productie vereist en een onmiddellijke perfecte balans tussen productie en vraag.

Er zijn tal van mogelijke alternatieven, maar de technologieën staan nog in de kinderschoenen of zijn nog niet op grote schaal geïmplementeerd. Dit leidt tot een overschot aan energie overdag en/of in de zomer, en een tekort ‘s nachts en/of in de winter.

Het probleem is niet onoplosbaar, maar vereist goed gecoördineerd beleid en meer investeringen in stroomnetwerken.

En eerlijk gezegd moet ook worden erkend dat de “werkelijke” kosten van hernieuwbare energie de kosten van energieopslag moeten omvatten. Hernieuwbare energie is mogelijk nog niet volledig goedkoper dan fossiele brandstoffen, althans niet totdat het een groot deel van de elektriciteitsproductie van een land uitmaakt.

De Limieten van batterijen

De bezorgdheid over het voortzetten van de EV‑adoptie komt door vergelijkbare technologische beperkingen. Terwijl de vroege adoptanten akkoord gingen met hogere initiële kosten, een lager bereik of langzamere oplaadtijd dan ICE‑voertuigen (verbrandingsmotor), zouden andere kopers dat misschien niet doen. Het tekort aan lithium, dat de prijs van het witte metaal opdrijft, veroorzaakte eveneens zorgen.

Gelukkig komen er binnenkort nieuwe batterijtechnologieën, van Chinese natrium‑ionbatterijen tot solid‑state batterijen, die de prijzen van EV’s moeten verlagen en legitieme zorgen zoals bereik‑angst of brandgevaar moeten wegnemen.

Moeilijk te vervangen energievraag

En dan is een deel van het energieverbruik simpelweg moeilijk te vervangen door fossiele brandstoffen. Bijvoorbeeld, vervoer over lange afstanden vereist nog steeds een zeer dichte en vloeibare brandstof om te functioneren. Vliegen vereist ook een bron met een zeer hoge energiedichtheid, die batterijen momenteel niet kunnen leveren. De meeste plasticproductie is afhankelijk van olie, kunstmest van gas, en staal van cokeskool.

Ook hier bestaan oplossingen, maar het zijn nog relatief onvolgroeide technologieën en verre van wereldwijde implementatie.

Game‑changer technologieën

Waarschijnlijke game‑changers

Er zijn al heel wat oplossingen beschikbaar om de groei van hernieuwbare en koolstofarme technologieën weer op gang te brengen.

Kernenergie‑innovatie

Nog steeds controversieel, kernenergie is desalniettemin een koolstofarme technologie die nodig kan zijn om de kloof naar een door hernieuwbare energie gedreven toekomst te overbruggen.

Kleine kernreactoren (SMR’s) vormen een andere sector die recentelijk te lijden kreeg onder slechte berichten door stijgende kosten, gekoppeld aan wereldwijde inflatie. Maar in elk geval ondergaat kerntechnologie een renaissance, met nieuwere, veiligere ontwerpen gericht op kleinere reactoren (SMR’s en micro‑reactoren), of zelfs nieuwe brandstoffen zoals thorium. Ondertussen bouwt China 24 nieuwe grote kernreactoren, en plant een totaal van tot wel 150 reactoren.

Betere hernieuwbare energie

Dalende kosten ten opzichte van fossiele brandstoffen zullen waarschijnlijk een blijvende trend blijven. Dit geldt vooral voor zonne‑energie, met innovaties zoals dunne‑film zonnecellen of zonnecellen van de derde generatie (amorfe silicium, organische polymeren of perovskietkristallen).

Opslagprojecten op nutschaal zullen ook helpen, met meer dan drievoudige capaciteit ten opzichte van het huidige niveau tegen 2025.

Bron: EIA

Solid‑state batterijen

Iedereen die aan batterijtechnologie werkt, weet dat solid‑state batterijen, die geen vloeibare elektrolyten van de huidige lithiumbatterij nodig hebben, een game‑changer zullen zijn. En veel bedrijven spreken over het lanceren van hun eigen versie van solid‑state batterijen al tussen 2026‑2029. Dit omvat QuantumScape (QS), CATL (300750.SZ), Toyota (TM), Panasonic (6752.T), LG (051910.KS) en Samsung SDI (006400.KS). Terwijl Tesla (TSLA) werkt aan zijn eigen alternatief voor solid‑state batterijen.

De speculatieve game‑changer

Andere technologieën zijn minder volwassen, maar nog veelbelovender en zullen waarschijnlijk bepalen hoe we onze energie in 2040‑2050 en daarna verkrijgen.

Nucleaire surgeneratoren

Een grote zorg bij kerncentrales is kernafval. Surgeneratoren (of “breeders”) kunnen dit kernafval verbruiken en omzetten in stroom & kernbrandstof. Dit zou zowel de beschikbare kernbrandstof praktisch onbeperkt kunnen maken, als het probleem van kernafval aanzienlijk verminderen. Een bijkomend voordeel is dat deze technologie niet echt nieuw is, zoals Frankrijk het tot 1997 gebruikte, dus het is alleen speculatief vanwege de politieke moeilijkheden rond kernenergie.

Ruimte‑gebaseerde zonne‑energie

Zonne‑energie produceren vanuit een baan om de aarde zou in één klap alle problemen van zonne‑energie oplossen: geen intermitterende productie, geen wolken, geen dalende productie in de winter. Nu ruimte‑gebaseerd internet ineens realiteit is met Starlink, is dit niet zo vergezocht als het klinkt.

Dit hebben we verder onderzocht in ons artikel “From Sci‑Fi to Sky‑High: Are Orbiting Solar Panels a Bright Idea?“

Geothermisch

Een tot nu toe grotendeels verwaarloosde bron van hernieuwbare energie, die 24/7 baseload‑vermogen kan leveren, is geothermische energie. Dit verandert eindelijk, met bedrijven zoals Vulkan Energy (VUL.AX), Ormat Technologies (ORA) en Eavor. Deze bedrijven, enigszins ironisch, hergebruiken de vooruitgang in boren en fracking die de olie‑industrie heeft geboekt om de warmtebronnen van de aarde aan te boren. (We bespraken Ormat in dit artikel en Vulkan in dit artikel).

Synthetische brandstoffen

Energie opgewekt uit hernieuwbare bronnen (of zelfs kernenergie) kan worden gebruikt om gas of vloeibare brandstoffen te synthetiseren. Dit omvat waterstof, ammoniak, syngas, of synthetische brandstoffen.

Een andere optie voor synthetische brandstof zou kunnen zijn om biologie te benutten, en micro‑algen te gebruiken om biobrandstoffen te genereren (zie “Algal Biofuel: The Next Energy Revolution?“) of bio‑fermenters om biogas & biomethaan te produceren uit organisch afval.

Deze brandstoffen kunnen vervolgens worden gebruikt in vliegtuigen, schepen en andere toepassingen die zeer dichte brandstoffen of zeer hoge verbrandingstemperaturen vereisen (zoals staalproductie).

Fusie

Fusie‑energie heeft als doel energie te creëren door lichte elementen zoals waterstof samen te smelten, waardoor op aarde het proces wordt nagebootst dat de zon zelf aandrijft. Met temperaturen variërend van miljoenen tot honderden miljoenen graden is dit een enorme technologische uitdaging.

Het zou ook schone energie leveren, zonder koolstof of kernafval te produceren, met een onbeperkte voorraad “brandstof”, aangezien waterstof het meest voorkomende atoom in het universum is.

Het grootste fusieproject is het internationale onderzoeksconsortium ITER, met veel startups die ook de droom van nucleaire fusie nastreven, waaronder Helion, General Fusion, Commonwealth Fusion, TEA Technologies, ZAP Energy, en NEO Fusion (gefinancierd door Chinese EV‑fabrikant Nio).

De toekomstige energiemix(es)

Hoewel ze op de lange termijn veelbelovend lijken, zullen we voornamelijk mogelijke energiemixen onderzoeken zonder de hierboven besproken “speculatieve game‑changers”, terwijl we naar de horizon van 2040 kijken.

De EIA (Energy Information Administration) heeft meerdere scenario’s gepubliceerd, afhankelijk van economische groei en de al dan niet adoptie van koolstofarme technologie.

In de meeste gevallen wordt verwacht dat het energieverbruik blijft groeien, waarbij fossiele brandstoffen in 2050 nog steeds het grootste deel van de wereldenergie leveren. Dit is een prognose als er geen wetgeving verandert en investeringen in energie in lijn blijven met de huidige trend.

Bron: EIA

Business as usual

Dit is een somber scenario voor iedereen die aandacht heeft voor klimaatverandering. Het gaat ervan uit dat kolen, gas en olie de komende twee decennia de dominante kracht in ons energiesysteem blijven, en het grootste deel van onze energie produceren.

Dit is verre van onmogelijk, zoals geïllustreerd wordt door de recente terugkeer van Duitsland naar kolen, ondanks dat het land voorheen algemeen werd gezien als een kampioen van hernieuwbare energie en de energietransitie.

De high‑tech weg

Een andere optie is dat onze samenlevingen technologische verandering op het gebied van energie omarmen. Dit omvat hernieuwbare energie, maar ook massaal kernenergie, waarschijnlijk zowel de conventionele als kleinere typen tegelijk.

Dit is een scenario waarin de op fossiele brandstoffen gebaseerde elektriciteitsopwekking ofwel wordt uitgeprijsd door betere alternatieven of volledig wordt verboden door wetgeving.

Het is ook een scenario waarin EV’s snel blijven worden geadopteerd, waarschijnlijk dankzij nieuwe batterijtechnologieën.

Terwijl kernenergie baseload‑vermogen en wintercapaciteit levert, kunnen hernieuwbare bronnen overtollige productie beheren voor vloeibare brandstoffen om vliegen, scheepvaart en zware industrie te decarboniseren.

De laag‑consumptie weg

Gezien de honger naar energie in de ontwikkelingslanden, inclusief niet alleen China maar ook Zuid‑Amerika, Afrika, India en Indonesië, lijkt dit geen erg waarschijnlijk scenario.

Op de een of andere manier zou dit “kiezen” voor echte de‑groei inhouden, en waarschijnlijk gemiddeld een daling van de levensstandaard, met name minder reizen en internationale handel. De landbouw wordt tot op zekere hoogte gede‑industrialiseerd, de industriële activiteit neemt af, en de economieën worden veel meer lokaal.

Zo’n scenario moet waarschijnlijk worden ingebeeld parallel aan enorme internationale spanningen, oorlog of een wereldwijde depressie, die de plotselinge daling van economische activiteiten verklaren, aangezien een vrijwillige keuze voor lagere productie onwaarschijnlijk lijkt in zowel democratische als autocratische landen.

Het muddle‑through scenario

Dit is een scenario waarin alles tegelijk gebeurt. Fossiele brandstoffen nemen licht af, maar worden niet volledig uitgefaseerd. Kolen worden over het algemeen uitgefaseerd, maar olie en gas niet zo veel. Sommige landen gokken op kernenergie, anderen op hernieuwbare energie, weer anderen houden vast aan business as usual.

Elektrificatie en decarbonisatie vinden plaats, maar in een trager tempo dan gewenst. CO₂‑emissies blijven in dat scenario ver boven het netto‑nul‑scenario dat de IPCC voorstelt om de wereldtemperatuur niet te veel te laten stijgen.

Dit verschilt niet veel van de eerder genoemde EIA‑scenario’s. Later zou koolstofafvang kunnen worden ingezet om de decarbonisatie te versnellen en een deel van de eerdere emissies ongedaan te maken.

Het doorbraak‑scenario

Er wordt een doorbraak in energieopwekking bereikt, waardoor er overvloedige energie beschikbaar is, en de oplossing snel wereldwijd kan worden uitgerold.

Het zou een drastische afname van orbitale zonne‑infrastructuur kunnen zijn door een nieuwe ruimtewedloop tussen SpaceX en Chinese bedrijven.

Of een massaal succes voor ITER bij de lancering in 2025‑2026.

Of revolutionaire nieuwe ontwerpen in zonne‑ en batterijtechnologie.

Dergelijke veranderingen zijn van nature bijna onmogelijk te voorspellen of te kwantificeren. Maar ze moeten ook niet volledig worden afgewezen.