Onze Toekomstige Energiemix

Voorspelling van Energiestelsels

Weinig onderwerpen zijn zo complex en belangrijk als de toekomstige energiemix van onze beschaving. Afhankelijk van wie je het vraagt, is afhankelijkheid van fossiele brandstoffen onmogelijk om af te schudden, of hernieuwbare energiebronnen zullen de overhand krijgen met een adembenemend tempo. De realiteit is natuurlijk complex en het is heel moeilijk om de toekomst van energie te voorspellen.

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

Waar We Nu Staan

Als er tot nu toe een patroon is in onze groeiende energievraag, dan is het dat nieuwe energievormen de neiging hebben om toegevoegd te worden aan onze energiemix, in plaats van de vorige te vervangen.

Bijvoorbeeld, we gebruiken nog steeds evenveel, zo niet meer, biomassa (voornamelijk hout) als in de jaren 1800, voor de Industriële Revolutie. Evenzo is de consumptie van steenkool voornamelijk alleen maar toegenomen in de loop van de tijd, waarbij olie, gas en later waterkracht, kernenergie en hernieuwbare energiebronnen zijn toegevoegd.

Source: OurWorldInData

Dit kan een verrassing zijn, gezien de vooruitgang die hernieuwbare energiebronnen in onze elektriciteitsproductie lijken te hebben gemaakt. Dit komt door meerdere oorzaken:

• China, de leider in nieuwe capaciteit van hernieuwbare energiebronnen en de overgang naar elektrische voertuigen, is ook de leider in de bouw van steenkoolcentrales.
• De meeste primaire energievraag wordt niet gebruikt voor elektriciteitsproductie. In plaats daarvan komt de meeste energievraag van ons van mobiliteit, verwarming en industriële toepassingen zoals staalproductie en petrochemische productie (productie van kunstmest, plastics, farmaceutica, chemicaliën, enz.).
• Bevolkingsgroei en miljarden mensen die uit extreme armoede komen, betekende een groeiende energievraag, waarbij de goedkoopste beschikbare optie vaak steenkool was. Evenals meer vleesconsumptie, airconditioning, auto’s, vliegreizen, enz.
• Globalisering van de economie, wat leidde tot veel meer transport van goederen, inclusief meerdere heen- en weergaande bewegingen van grondstoffen, half afgewerkte onderdelen en eindproducten.
• Industrialisering van de landbouw, waardoor de opbrengst toenam en het benodigde personeel afnam, maar ook de consumptie van fossiele brandstoffen en kunstmest verhoogde.

Voor iedereen die bezorgd is over klimaatverandering en koolstofemissies, kan dit een deprimerend perspectief zijn, met fossiele brandstoffen die stevig verankerd zijn in onze mondiale energiemix. Maar dit is niet het hele verhaal.

De Gaande Verandering

Van een theorie die amper werkelijkheid was in 2016, zijn elektrische auto’s (EV’s) nu een exponentieel groeiend onderdeel van de mondiale verkoop, met meer dan 10 miljoen elektrische auto’s verkocht in 2022, of 14% van de mondiale verkoop, met China en Europa aan de leiding.

Source: IEA

Het aandeel van hernieuwbare energie (waterkracht + zon + wind + geothermische energie) groeit ook snel. En hoewel sommige landen al lange tijd hoog op deze lijst staan vanwege hun enorme waterkrachtbronnen (zoals Noorwegen, Brazilië of Canada), is het waar de verandering echt plaatsvindt bij zon- en windenergie.

Source: Our World In Data

Een blik op landenniveau toont het duidelijke keerpunt in 2010, wanneer hernieuwbare energiebronnen vaak meer dan verdubbelden, meestal geheel gedragen door de groei in zon- en windenergieproductie. Bijvoorbeeld China en Australië:

Source: OurWorldInData

Source: OurWorldInData

Een enorme driver van deze verandering is de steile daling van de kosten van hernieuwbare energiebronnen. Gedreven door zowel technologische innovatie als het opschalen van industriële productie, heeft dit hernieuwbare energiebronnen steeds concurrerender gemaakt. Tenminste op papier lijken hernieuwbare energiebronnen nu goedkoper dan fossiele brandstoffen (meer hierover hieronder), zoals aangetoond door de IRENA (Internationaal Agentschap voor Hernieuwbare Energie).

Source: IRENA

De Uitdagingen

In de afgelopen jaren is een vreemde situatie ontstaan. De snel dalende kosten van hernieuwbare energiebronnen hebben heel wat mensen ervan overtuigd dat fossiele brandstoffen binnenkort zullen verdwijnen.

Source: Twitter/X

Maar in de afgelopen jaren hebben enkele macro-economische schokken dit idee in twijfel getrokken. De oorlog in Oekraïne zorgde voor een enorme inflatie en dwong landen als Duitsland om hun afhankelijkheid van steenkool opnieuw te starten.

En diezelfde inflatie heeft de winstgevendheid van geplande hernieuwbare energieprojecten ernstig beschadigd. Grote offshore windprojecten geannuleerd, ineenstorting van de aandelenkoers van zonnepanelen- en windturbinebedrijven, dit is een pijnlijke periode geweest. U kunt meer lezen over wat er gebeurde in ons artikel “The 2023 Renewable Energy Crash“.

Zelfs de verkoop van elektrische auto’s wordt in twijfel getrokken, na de uitstel of annulering van de EV-strategie door grote fabrikanten, zoals GM, Ford of Honda.

De Intermittering van Hernieuwbare Energiebronnen

Een belangrijk probleem dat moet worden opgelost, is energieverwerking. De productie van wind- en zonne-energie is afhankelijk van het weer en kan tijdelijk losgekoppeld zijn van de vraag. Dit is een probleem voor een elektriciteitsnet dat “just-in-time”-productie en een perfecte balans tussen productie en vraag op elk moment vereist.

Er zijn genoeg mogelijke alternatieven, maar de technologie is ofwel net begonnen, ofwel nog niet op grote schaal ingezet. Dit leidt tot een energietekort ‘s nachts en/of in de winter.

Het probleem is niet onoplosbaar, maar vereist goed gecoördineerde beleid en meer investeringen in energienetten.

En eerlijk gezegd, ook het erkennen dat de “echte” kosten van hernieuwbare energiebronnen de kosten van energieverwerking moeten omvatten. Hernieuwbare energiebronnen zijn misschien nog niet helemaal goedkoper dan fossiele brandstoffen, althans totdat ze een groot deel van de elektriciteitsproductie van een land gaan uitmaken.

De Beperkingen van Batterijen

De zorg over de adoptie van elektrische auto’s die op schema blijft, is te wijten aan soortgelijke technologische beperkingen. Terwijl de vroege adoptanten tevreden waren met hogere voorafgaande kosten, lagere actieradius of langzamere laadtijd dan voertuigen met verbrandingsmotor, kunnen andere kopers dit misschien niet zijn. Het tekort aan lithium dat de prijs van het witte metaal verhoogde, zorgde ook voor enkele zorgen.

Gelukkig komen er nieuwe batterijtechnologieën aan, van Chinese natrium-ionbatterijen tot vaste-staatbatterijen die moeten helpen om de prijzen van elektrische auto’s te verlagen en legitieme zorgen zoals actieradiusangst of brandgevaar te elimineren.

Moeilijk Te Wisselen Energievraag

En dan is er nog een deel van de energievraag dat eenvoudigweg moeilijk is om van fossiele brandstoffen af te komen. Bijvoorbeeld, langdurige zeevaart vereist nog steeds een heel dichte en vloeibare brandstof om te werken. Vliegen vereist ook een heel hoge energiedichtheid, die batterijen voorlopig niet kunnen leveren. De meeste plasticproductie is afhankelijk van olie, kunstmest van gas en staal van cokeskool.

Hier zijn ook oplossingen voor, maar het zijn nog onvolwassen technologieën en ver weg van wereldwijd ingezet.

Game Changer-Technologieën

De Waarschijnlijke Game Changers

Er zijn al heel wat oplossingen beschikbaar om de groei van hernieuwbare energiebronnen en koolstofarme technologie te hervatten.

Kernenergie-Innovatie

Nog steeds omstreden, is kernenergie niettemin een koolstofarme technologie die nodig kan zijn om de kloof naar een toekomst gedreven door hernieuwbare energiebronnen te overbruggen.

Kleine Kernreactoren (SMR’s) zijn een ander gebied dat onlangs slecht nieuws kreeg vanwege stijgende kosten, gekoppeld aan wereldwijde inflatie. Maar in elk geval ondergaat kernenergietechnologie een renaissance, met nieuwe, veiligere ontwerpen die kijken naar kleinere reactoren (SMR’s en micro-reactoren), of zelfs nieuwe brandstoffen zoals thorium. Ondertussen bouwt China 24 nieuwe grote kernreactoren en plant voor een totaal van zo veel als 150 reactoren.

Beter Hernieuwbare Energiebronnen

De dalende kosten in vergelijking met fossiele brandstoffen zullen waarschijnlijk een duurzame trend blijven. Dit is vooral waar voor zonne-energie, met innovaties zoals dunne-film zonnecellen of 3e generatie zonnecellen (amorfe silicium, organische polymeren of perovskietkristallen).

Utility-schaalbatterijprojecten zullen ook helpen, met meer dan driemaal de huidige capaciteit tegen 2025.

Source: EIA

Vaste-Staatbatterijen

Iedereen die werkt aan batterijtechnologie weet dat vaste-staatbatterijen, die geen vloeibare elektrolyten van de huidige lithiumbatterijen vereisen, een game-changer zullen zijn. En veel bedrijven praten over het lanceren van hun eigen versie van vaste-staatbatterijen, zo snel als 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 hun eigen alternatief voor vaste-staatbatterijen.

De Speculatieve Game Changer

Andere technologieën zijn minder volwassen, maar veelbelovender en zullen waarschijnlijk de manier zijn waarop we onze energie in 2040-2050 en verder krijgen.

Kernsurgeneratoren

Een groot probleem met kernenergiecentrales is kernafval. Surgeneratoren (of “kweekreactoren”) kunnen dit kernafval verbruiken en het terug omzetten in energie en kernbrandstof. Dit kan zowel de beschikbare kernbrandstof virtueel onbeperkt maken als het probleem van kernafval aanzienlijk verminderen. Een bonus is dat deze technologie niet echt nieuw is, want het werd gebruikt door Frankrijk tot 1997, dus het is alleen speculatief vanwege de politieke moeilijkheden rond kernenergie.

Ruimte-Gebaseerde Zonne-Energie

Het produceren van zonne-energie uit de baan zou alle problemen van zonne-energie in één keer oplossen: geen intermittering, geen wolken, geen afnemende productie in de winter. Met ruimte-Internet plotseling een realiteit met Starlink, klinkt dit niet zo onwaarschijnlijk.

We hebben dit verder onderzocht in ons artikel “From Sci-Fi to Sky-High: Are Orbiting Solar Panels a Bright Idea?”

Geothermische Energie

Een tot nu toe grotendeels verwaarloosde bron van hernieuwbare energie, die baseload-energie 24/7 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 boring en fracking die door de olie-industrie is gemaakt om toegang te krijgen tot de warmtebronnen van de aarde. (We hebben Ormat in dit artikel en Vulkan in dit artikel).

Synthetische Brandstoffen

Energie gegenereerd uit hernieuwbare energiebronnen (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 brandstoffen kan zijn om biologie te benutten en microalgen te gebruiken om biobrandstoffen te produceren (zie “Algal Biofuel: The Next Energy Revolution?“) of bio-fermenters om biogas en biomethaan te produceren uit afvalmateriaal.

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 om energie te creëren door lichte elementen zoals waterstof samen te voegen, het proces dat de zon zelf aandrijft, op aarde te recreëren. Met temperaturen die variëren van miljoenen tot honderden miljoenen graden, is dit een immense technologische uitdaging.

Het zou ook schone energie leveren, zonder koolstof of kernafval, 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 kernfusie nastreven, waaronder Helion, General Fusion, Commonwealth Fusion, TEA Technologies, ZAP Energy en NEO Fusion (gefinancierd door de Chinese autofabrikant Nio).

De Toekomstige Energiemix(en)

Hoewel waarschijnlijk veelbelovend op de lange termijn, zullen we voornamelijk naar mogelijke energiemixen kijken zonder enige van de “speculatieve game changers” die hierboven worden besproken, aangezien we naar de horizon van 2040 kijken.

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

In de meeste gevallen wordt verwacht dat het energieverbruik zal blijven groeien, met fossiele brandstoffen die nog steeds het grootste deel van de wereldenergie in 2050 uitmaken. Dit is een projectie als er geen wetten veranderen en investeringen in energie in overeenstemming zijn met de huidige trend.

Source: EIA

Business as Usual

Dit is een deprimerend scenario voor iedereen die aandacht besteedt aan klimaatverandering. Het gaat ervan uit dat steenkool, gas en olie de komende twee decennia de dominante kracht in ons energiesysteem zullen blijven, waarbij ze het grootste deel van onze energie produceren.

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

De Hightech-Weg

Een andere optie is dat onze samenlevingen technologische verandering omarmen als het gaat om energie. Dit omvat hernieuwbare energiebronnen, maar ook op grote schaal kernenergie, waarschijnlijk zowel conventionele als kleinere typen tegelijk.

Dit is een scenario waarin fossiele brandstofcentrales ofwel door betere alternatieven worden geprijsd of door de wet verboden.

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

Terwijl kernenergie baseload-vermogen en wintercapaciteiten levert, kunnen hernieuwbare energiebronnen overtollige productie voor vloeibare brandstoffen beheren om te helpen bij het decarboniseren van vliegen, scheepvaart en zware industrie.

De Laagverbruik-Weg

Gezien de honger naar energie van de ontwikkelingswereld, inclusief niet alleen China, maar ook Zuid-Amerika, Afrika, India en Indonesië, lijkt dit geen heel waarschijnlijk scenario.

Het zou op de een of andere manier “echte” krimp inhouden en waarschijnlijk een daling van de levensstandaard, met name minder reizen en internationale handel. De landbouw de-industrialiseert tot op zekere hoogte, de industriële activiteit neemt af en de economieën worden een stuk meer lokaal.

Een dergelijk scenario moet waarschijnlijk worden gevisualiseerd in combinatie met grote internationale spanningen, oorlog of een wereldwijde depressie, die de plotselinge daling van de economische activiteit verklaren, aangezien een vrijwillige keuze voor een lagere productie onwaarschijnlijk lijkt in zowel democratische als autocratische landen.

Het Midden-Weg-Scenario

Dit is een scenario waarin alles tegelijk gebeurt. Fossiele brandstoffen zijn in lichte daling, maar worden niet volledig uitgefaseerd. Steenkool wordt over het algemeen uitgefaseerd, maar olie en gas niet zozeer. Sommige landen wedden op kernenergie, anderen op hernieuwbare energiebronnen, andere houden het bij business as usual.

Elektrificatie en decarbonisatie vinden plaats, maar met een trager tempo dan gewenst. Koolstofemissies blijven in dit scenario veel hoger dan het netto-nulsenario dat door de GIEC is gevisualiseerd om de mondiale temperaturen niet te veel te laten stijgen.

Dit verschilt niet veel van de EIA-scenario’s die hierboven worden genoemd. Later kan koolstofvvangst en -opslag worden ingezet om de decarbonisatie te versnellen en enkele van de vroegere emissies om te keren.

Het Doorbraak-Scenario

Er wordt een doorbraak behaald in energiegewinning, waardoor overvloedige energie mogelijk wordt, en de oplossing kan snel over de hele wereld worden ingezet.

Het kan een drastische daling van orbitale zonne-infrastructuur zijn door een nieuwe ruimterace tussen SpaceX en Chinese bedrijven.

Of een groot succes voor ITER bij de lancering in 2025-2026.

Of revolutionaire nieuwe ontwerpen in zonne-energie en batterijtechnologie.

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