30-07-2019

Het koolstofarm maken van de elektriciteitsvoorziening wordt gezien als het belangrijkste element in de energietransitie. Het is echter niet evident om voor alle energiediensten de huidige energiebron te vervangen door elektriciteit uit hernieuwbare bronnen. In de toekomst zullen moleculen nodig zijn voor verschillende delen van de waardeketen, via een techniek die power-to-gas genoemd wordt. Power-to-gas is een energieopslagtechniek waarbij elektrische energie omgezet wordt in chemische energie in de vorm van gas.

Opiniestuk door Ronnie Belmans, CEO van Campus EnergyVille en professor aan KU Leuven

ronnie_belmans


molecules

Waarom moleculen het huidige energiesysteem domineren

Het koolstofarm maken van de elektriciteitsvoorziening wordt gezien als het belangrijkste element in de energietransitie - vooral door de introductie van een enorme hoeveelheid intermitterende hernieuwbare energiebronnen, wat leidt tot een gedistribueerd elektriciteitssysteem. De introductie van IT- en gegevensbeheer zal een stabiele en betrouwbare werking van het toekomstige energiesysteem mogelijk maken. Meer energiediensten op basis van elektriciteit als belangrijkste vector zullen aan de eindklant worden geleverd, de elektriciteitsvraag wordt flexibel en gecontroleerd en opslag in batterijen zal het energiesysteem in balans houden. Hoewel het duidelijk is dat dit de kern van het toekomstige energiesysteem zal zijn, wil deze short paper hierrond enkele vragen oproepen. Voor de duidelijkheid: het elektriciteitssysteem is het systeem is dat elektrische energie levert aan de gebruikers, terwijl het energiesysteem energiediensten levert en alle soorten energievectoren omvat.

Wanneer het energiegebruik wordt vergeleken met de elektriciteitsvoorziening wordt duidelijk dat elektriciteit slechts een beperkte maar toch zeer belangrijke factor vormt. In 2016 werd in België bijvoorbeeld 81,4 TWh elektriciteit geleverd (er werd 85,4 TWh gegenereerd). Deze cijfers worden minder duidelijk naarmate meer en meer ingebedde opwekking (opwekking op dezelfde plek als de gebruiker zich bevindt) is geïntroduceerd (bijv. WKK, on-site windturbines, PV). Het totale energieverbruik in België is 489 TWh (elektriciteit, gas, aardolie, steenkool, biomassa, afval, enz.). Het primaire energieverbruik is 657 TWh en omvat ook het energieverbruik als basis voor chemische producten, kolen voor staal en nucleaire brandstof. Het is duidelijk dat elektriciteit als energieleveringsvector niet dominant is, het vormt namelijk slechts 16,6%. Als we naar de Europese scene kijken, geldt hetzelfde: de bruto opwekking van elektrische energie is 3255 TWh, terwijl 18.154 TWh (1561 Mtoe, primaire energie) wordt gebruikt (17,8% elektrische energie).

Wanneer we naar de energievraag kijken, moet men niet uitgaan van energieverbruik, maar van de energiediensten die de samenleving nodig heeft. Er kunnen drie groepen worden onderscheiden.

  1. Gebouwen: woningen, winkels/kantoren en gebouwen voor speciale doeleinden zoals scholen en ziekenhuizen. Over het algemeen bestaat de energievoorziening nu uit elektriciteit en een warmtebron, meestal aardgas maar ook aardolie, steenkool, biomassa of elektriciteit. Voor warm water zijn thermische installaties op zonne-energie gebruikelijk, zeker in het zuiden van Europa.
  2. Transport: auto's (meest gebruikelijk), vrachtvervoer over de weg, binnenvaart en zeevaart en vliegtuigen. Ze vormen het belangrijkste gebruik van op aardolie gebaseerde brandstof. Voor het openbaar vervoer en goederentreinen wordt een mix van elektriciteit en aardolie gebruikt.
  3. Industriële consumenten: industriële bedrijven gebruiken over het algemeen elektriciteit en aardgas. Aardolie (chemie), steenkool (staal) en biomassa (papier en pulp) worden gebruikt als koolstofgebaseerde grondstof. De data-industrie, met name grote datacenters, tonen een groeiende vraag naar betrouwbare elektrische energie. Voor de rest van de industrie is de energiebron elektriciteit, aardgas en aardolie.

Limieten van elektrificatie van de energiediensten

Het is niet evident om voor alle energiediensten de huidige energiebron te vervangen door elektriciteit uit hernieuwbare bronnen. In de toekomst zullen moleculen nodig zijn voor verschillende delen van de waardeketen, via een techniek die power-to-gas genoemd wordt. Power-to-gas is een energieopslagtechniek waarbij elektrische energie omgezet wordt in chemische energie in de vorm van gas. Gas is immers gemakkelijker op te slaan dan elektriciteit. Om de energietransitie naar een koolstofvrij systeem te realiseren moeten de moleculen uiteraard afkomstig zijn van koolstofvrij opgewekte elektriciteit. Hieronder wordt het potentieel van moleculen voor de drie groepen energiediensten bekeken.

Laten we beginnen met gebouwen

Woningen blijven elektriciteit nodig hebben. Verwarming en koeling kunnen worden geëlektrificeerd met behulp van warmtepompen, ook voor sanitair warm water. Een watertank kan worden gebruikt voor opslag en flexibiliteit in combinatie met een batterij en PV-panelen. Afhankelijk van de beschikbaarheid van lokale groene thermische energie kan een warmtenetwerk worden gebruikt om warmte te leveren en vervolgens dienen als input voor de warmtepomp. Er kan een extra elektriciteitsvraag zijn voor het opladen van privévoertuigen of andere mobiliteitsmiddelen (bijvoorbeeld elektrische fietsen). Lokaal kan men gecentraliseerde opslag van moleculen installeren (bijvoorbeeld met behulp van de kleinste molecule lokaal geproduceerde waterstof) om "Dunkelflaute" te overwinnen.

Voor kantoor- en commerciële gebouwen zijn warmtepompen voor koeling en verwarming de meest geschikte keuze. Het dak is normaal verre van voldoende om de nodige energie te leveren en er moet een verbinding met het middenspanningsnet worden voorzien, en mogelijk parallel ook nog een warmtenetwerk. Elektrische voertuigen kunnen een rol spelen dankzij slim laden via oplaadpunten in de parking. Moleculen zijn mogelijk niet nodig in dit systeem; door investeringen in de gebouwschil is de behoefte aan energie verminderd. Back-up voor de Dunkelflaute gebeurt op een afstand, meer centraal.

Gebouwen met speciale functies vereisen specifieke antwoorden. Scholen hebben bijvoorbeeld veel daken, maar hun energiegebruik tijdens zonnige periodes is erg laag. Ze kunnen echter ook fungeren als energieleverancier voor bijvoorbeeld ziekenhuizen, waar de beschikbaarheid van energie van cruciaal belang is. Het gebruik van moleculen zal laag zijn. Meestal worden dieselgeneratoren gebruikt dus hiervoor zijn moleculen nodig, hetzij voor roterende machines of met behulp van brandstofcellen. Hetzelfde geldt waarschijnlijk in bejaardentehuizen: betrouwbare elektriciteit is essentieel (bijvoorbeeld voor mensen die constant ademhalingsapparatuur nodig hebben) en daarvoor zijn moleculen nodig (bijvoorbeeld mobiele kleine generatorsets).

Wanneer we naar de grote, energie-intensieve industrie kijken is de behoefte aan moleculen duidelijk - als energievector, maar nog meer als basismateriaal of als onderdeel van het proces. Deze behoefte aan moleculen zal de totale energievraag enorm verhogen: om één molecuul methaan te produceren uit CO2 en H2O, als input voor een chemisch proces, is veel meer energie nodig dan de energie in het molecuul als zodanig, dat direct beschikbaar is in natuurlijk gas. Een deel van de industrie heeft mogelijk moleculen nodig voor specifieke toepassingen, bijvoorbeeld voor kleine en gespecialiseerde chemie. Dit moet geval per geval worden onderzocht.

De opsomming geeft al aan dat de energietransitie naar een koolstofvrij systeem het gebruik van moleculen op verschillende plaatsen zal vereisen. Dit is veel meer dan algemeen wordt aangenomen, nl. moleculen om in de winter door de "Dunkelflaute" te komen, d.w.z. een langere periode overbruggen zonder wind- en zonne-energie.

Kunnen transport en industriële gebruikers zonder moleculen?

Er wordt vaak gezegd dat de rol van gas in de toekomst groter lijkt als we naar de transportsector kijken. Maar het is belangrijk om te onthouden dat de verschillende verkeersmodi verschillende benaderingen vereisen.

De eerste modus is de "tweewielige" modus. Elektrische fietsen worden erg populair, inclusief fietsen met hoge snelheid (speed-pedelecs, ook als vervanging voor de zeer populaire bromfietsen voor bezorgdiensten in steden). De batterij-energie voor een dergelijke speed-pedelec is 500 tot 600 Wh. Elektrische fietsen zijn iets kleiner. Voor dit type transport zijn geen moleculen meer nodig.

Motoren vinden hun elektrische evenknie, al gaat dat wel langzamer dan elektrische auto's. Op de lange termijn zijn er echter geen moleculen nodig. Hetzelfde geldt voor elektrische auto’s voor personenvervoer.

Goederenvervoer op de weg is nog niet duidelijk. De eerste vrachtwagens met hoog vermogen worden geïntroduceerd en Siemens probeert een andere aanpak uit via snelwegen met een bovenleiding om verbonden te zijn met het net. De batterij wordt dan alleen gebruikt voor de "eerste" en de "laatste" kilometer. De behoefte aan moleculen zal laag zijn of zelfs verdwijnen.

Spoorvervoer, bussen en lokaal vervoer zullen in toenemende mate worden geëlektrificeerd. Voor langeafstandsbussen en goederentreinen zijn moleculen misschien nog steeds de beste energiebron.

Voor binnenvaart zal er zeker elektrificatie zijn. Het is nog onduidelijk of de batterijen voldoende energiedichtheid kunnen hebben om lange reizen af ​​te leggen, zonder te veel gewicht toe te voegen of te veel ruimte op te eisen. Hier kunnen moleculen een sleutelrol spelen. Dit geldt nog meer voor de zeevaart: batterijen kunnen nooit voldoende energie leveren om aan de energievraag te voldoen en moleculen zullen dus een sleutelrol spelen.

Hetzelfde geldt voor vliegtuigen waar moleculen ook een belangrijke rol zullen spelen, hoewel er ook al eerste stappen zijn gezet naar kleine elektrische vliegtuigen op korte afstand. Drones, die een belangrijke plaats zullen krijgen in de toekomstige mobiliteit (in bezorgdiensten, maar ook in taxi's in steden), worden al voorzien van elektriciteit.

Er zijn verschillende moleculen beschikbaar die allemaal voor- en nadelen hebben. Het overschot aan hernieuwbare elektriciteit wordt gebruikt voor de productie van de moleculen, dus het is belangrijk om rekening te houden met de energie die nodig is om de molecule te produceren.

Waterstof heeft de hoogste efficiëntie, maar vereist nieuwe infrastructuur om op te slaan en te vervoeren. Het wordt alleen vloeibaar bij extreem lage temperaturen en vereist enorme koeling. Methaan is hetzelfde molecuul als aardgas, dus de bestaande infrastructuur kan worden gebruikt. De efficiëntie voor het produceren van methaan (uit H2O en CO2) is slechter dan waterstof, maar er is minder energie nodig om het vloeibaar te maken. Methanol is de eenvoudigste alcohol. De efficiëntie is lager dan methaan, maar het molecuul is vloeibaar bij kamertemperatuur. Een duidelijke keuze is er momenteel dus niet, maar het is wel duidelijk dat moleculen aanwezig zullen zijn in een toekomstig koolstofvrij energiesysteem.