Boekrecensie | Niet genoeg grondstoffen voor hernieuwbare energie

Dit is een gastbijdrage van Kris De Decker van Lowtech Magazine en is ook op zijn eigen blog te lezen.

Een grootschalige introductie van hernieuwbare energie en elektrische auto’s botst op een fundamenteel bezwaar: een tekort aan energie en andere grondstoffen om de gewenste infrastructuur uit te bouwen.

André Diederen, onderzoeker aan het Nederlandse TNO, sloopt in zijn zopas verschenen boek “Global Resource Depletion” de heilige huisjes van de ecotech-optimisten. Maar hij geeft ook hoop.

Er is vandaag de dag geen gebrek aan ambitieuze plannen die onze op fossiele brandstoffen draaiende maatschappij moeten omvormen naar een volledige op hernieuwbare energie gebaseerde wereld: zeeën vol windturbines, woestijnen vol zonnecentrales, continentale of zelfs wereldwijde elektriciteitsnetwerken om die duurzaam opgewekte energie te bufferen, een volledige overschakeling naar elektrische auto’s, enzovoort. Ook het scenario in het eind vorige week uitgegeven boekje van de TUDelft over de Nederlandse energievoorziening in 2050 (het document staat online) lijkt zo uit een science-fiction film te komen. Ingenieurs hebben alle vertrouwen in de toekomst, zoveel is duidelijk.

Iedereen blij

Dit soort plannen maakt iedereen blij, omdat ze de belofte inhouden dat we ons modern westers consumptiepatroon (dat zich intussen als een olievlek over alle culturen verspreidt) kunnen blijven voortzetten. Een verandering van levenswijze is in dit toekomstbeeld niet nodig, want technologie lost alles wel op. En als we mensen naar de maan kunnen schieten, dan moet het toch ook mogelijk zijn om al onze energie uit hernieuwbare bronnen te halen? Alleen al de zon stuurt elk uur meer energie naar het aardoppervlak dan de mensheid op een heel jaar tijd verbruikt. En dan is er nog het potentieel van wind, getijden, golfslag, aardwarmte en biomassa.

Er wordt echter één ‘detail’ over het hoofd gezien. Omdat hernieuwbare energiebronnen veel minder geconcentreerd zijn dan fossiele brandstoffen, zijn er veel meer energiecentrales en dus materialen nodig om evenveel energie op te wekken. De kwantiteit van de energie in zonlicht is inderdaad indrukwekkend, en dat geldt ook voor het potentieel van veel andere hernieuwbare energiebronnen, maar de kwaliteit ervan is dat – in vergelijking met fossiele brandstoffen – allerminst.

Het meest ambitieuze plan dat nu toe werd uitgetekend stond eind 2009 in het populair-wetenschappelijk tijdschrift Scientific American (link – je moet betalen om het artikel te lezen). Daarin wordt voorgerekend hoe we tegen 2030 alle fossiele energiebronnen zouden kunnen vervangen door hernieuwbare energiebronnen. Het plan omvat de constructie van bijna 500.000 getijdenturbines, meer dan 5.000 geothermische installaties, 900 hydro-elektrische centrales, bijna 4 miljoen windturbines, meer dan 700.000 golfslagenergiecentrales, bijna 2 miljard PV installaties op gebouwen, 50.000 thermische zonnecentrales en 40.000 PV-parken. En klaar is kees.

Vraag en aanbod

Dit toekomstplan – en dat geldt evenzeer voor iets minder ambitieuze voorstellen zoals het “Masterplan Zeekracht” of “DESERTEC” – gaat er gemakshalve van uit dat er voldoende energie en andere grondstoffen aanwezig zijn om dit alles te realiseren. Maar dat is niet vanzelfsprekend. André Diederen, onderzoeker aan het Nederlandse TNO toetst in zijn zopas verschenen boek “Global Resource Depletion” een aantal van deze wilde plannen aan de harde werkelijkheid van onze grondstoffenvoorraad. Het resultaat is ontnuchterend.

Zo zou er alleen al voor de 4 miljoen windturbines van elk 5 megawatt zo’n 3.000.000 ton neodymium nodig zijn, terwijl de jaarlijkse primaire productie van dat metaal slechts 18.000 ton bedraagt (of 360.000 ton van nu tot 2030). Ruim onvoldoende dus, en bovendien is neodymium ook nodig voor andere toepassingen, zoals hybride auto’s. Grote windturbines vereisen neodymium omdat ze over een directe aandrijving beschikken als alternatief voor een grote en zware tandwielkast, die problemen zou geven op het vlak van onderhoud (vooral off-shore), efficiëntie en oververhitting. Gelijkaardige beperkingen gelden ook voor alle andere delen van het plan, en bijvoorbeeld ook voor de grootschalige inzet van elektrische auto’s.

Grondstoffenvoorraad: kwantiteit en kwaliteit

Het uitleggen van het potentieel en de beperkingen van de nog resterende grondstoffenvoorraden is geen eenvoudige zaak (André Diederen wees ondergetekende eerder al terecht in een reactie op een kort artikel over grondstoffenschaarste). Net zoals dat het geval is bij het inschatten van de nog resterende voorraden fossiele brandstoffen is het niet zozeer de totale hoeveelheid grondstoffen die in de aardkorst verscholen zit die van belang is.

Minstens even belangrijk als de kwantiteit is de kwaliteit ervan. Die bepaalt hoeveel energie, hoeveel materialen en hoeveel tijd het kost om grondstoffen of metalen te ontginnen en te bewerken. (Metalen zijn de grootste en belangrijkste groep grondstoffen, daarom worden beide termen hier net als in het boek van Diederen door elkaar gebruikt).

Metalen kan je niet zomaar klaar voor gebruik uit de grond opdiepen. Eerst moet een mineraal erts worden opgehaald, waaruit vervolgens het metaal moet worden gepuurd. Bijvoorbeeld aluminium wordt geproduceerd uit het mineraal bauxiet dat aluminium oxide bevat. Het puren van metalen uit minerale ertsen is een energie-intensief proces. Diederen omschrijft de mijnbouw als “het omzetten van energie in metaal”.

Omdat de makkelijkst te ontginnen voorraden grondstoffen (het “laaghangend fruit”) al ontmijnd zijn, rekenen we in toenemende mate op voorraden van een mindere kwaliteit – voorraden die minder geconcentreerd zijn (een lagere ertsgraad), een minder gunstige samenstelling hebben, veel dieper liggen, of zich in verafgelegen of onherbergzame gebieden bevinden.

Desondanks blijft de productie van de meeste grondstoffen op peil. Daar is een eenvoudige verklaring voor: het bestaan van een goedkoop en overvloedig aanbod van fossiele brandstoffen. Door gewoonweg meer energie in de ontginning en bewerking van metalen te stoppen, kunnen ze ondanks de lagere kwaliteit van de voorraden aan hetzelfde tempo worden geproduceerd. En daar knelt het schoentje: de tijd van goedkope en overvloedige fossiele brandstoffen loopt op zijn eind. Ook in het geval van fossiele brandstoffen is het laaghangend fruit al geplukt, en steunen we in toenemende mate op voorraden van een mindere kwaliteit (zie: “Hoeveel olie kost de productie van olie?“). Dat betekent dat het ontginnen en bewerken van fossiele brandstoffen steeds meer energie kost.

Feedback loop

De wisselwerking tussen energie en grondstoffen leidt tot een merkwaardige feedback loop die er alleen maar voor kan zorgen dat de productie van zowel metalen als fossiele brandstoffen op termijn zal vertragen. Schaarste aan fossiele brandstoffen zet de ontginning van metalen onder druk, terwijl de daaruit volgende schaarste aan metalen de ontginning van fossiele brandstoffen onder druk zet, enzovoort. Het probleem is niet alleen dat de productie van metalen erg veel energie kost, maar ook dat de productie van energie erg veel metalen kost: de energiesector is de grootste verbruiker van grondstoffen.

Er zijn enorme hoeveelheden metalen nodig voor de exploratie, ontginning, bewerking, distributie, opslag en omzetting van fossiele brandstoffen (boorplatformen, raffinaderijen, pijpleidingen, elektriciteitscentrales, enzovoort). Ook conventionele alternatieven zoals kernenergie en hydro-elektriciteit vragen grote hoeveelheden grondstoffen. Omdat er bovendien steeds dieper wordt geboord en steeds minder kwaliteitsvolle voorraden worden aangesproken, neemt het metaalverbruik van de energiesector toe. De bouw van een off-shore boorplatform dat een olieveld op 10 kilometer diepte leegpompt, kost natuurlijk veel meer grondstoffen dan een jaknikker die op land een reservoir op een paar honderden meters diepte ontgint.

Een tekort aan metalen beperkt niet alleen de productie van energie, maar ook de productie van metalen zelf (net zoals een tekort aan energie niet alleen de productie van grondstoffen beperkt, maar ook de productie van energie zelf). Dat komt omdat ook de productie van metalen nood heeft aan metalen. Die zijn nodig voor de constructie van mijnbouwmachines, ertsraffinaderijen en transportmiddelen (de jaarlijkse primaire productie van metalen bedraagt ongeveer 250 miljoen ton, dus daar heb je wel wat vrachtwagens, schepen en treinwagons voor nodig). En opnieuw geldt: omdat er steeds moeilijker toegankelijke en minder kwaliteitsvolle voorraden worden aangesproken, stijgt de nood aan grondstoffen.

Lage productieratio

De enige – technologische – ontsnappingsmogelijkheid uit deze neerwaartse spiraal is de uitbouw van een infrastructuur van hernieuwbare energiebronnen, die de rol van fossiele brandstoffen overneemt. Dat betreft dan niet alleen zonnepanelen, windturbines en andere alternatieve energiebronnen, maar ook technologieën voor de opslag (batterijen, brandstofcellen, condensators) en de distributie van de opgewekte elektriciteit, informatie- en communicatietechnologie (onder meer voor het aansturen en controleren van intelligente elektriciteitsnetwerken), energiezuinige apparatuur (zoals verlichting) en elektrische auto’s (want auto’s met een verbrandingsmotor zijn dan nutteloos).

Daar hebben we dan wel energie en grondstoffen voor nodig. Het eerste probleem, stelt Diederen, is dat veel van de benodigde metalen voor de uitbouw van een duurzame energieinfrastructuur erg lage productieratio’s hebben. Dat geldt onder meer voor de metalen uit de platinagroep (vooral ruthenium, rhodium, palladium en platinum), de meeste zeldzame aardmetalen (vooral lanthaan, praseodymium, dysprosium, terbium en het al genoemde neodymium), een hoop metalen die gebruikt worden in batterijen (naast lanthaan ook lithium, kobalt, nikkel, zink, cadmium en lood), een aantal metalen die noodzakelijk zijn voor halfgeleiders en elektronische apparatuur (gallium, germanium, indium, zilver, tin, tellurium en tantalum), verschillende metalen die nodig zijn voor de transmissie en omzetting van elektriciteit, en tot slot ook selenium, het enige niet-metaal, dat gebruikt wordt in dunnefilm zonnepanelen.

Dat er een tekort aan deze grondstoffen dreigt bij een grootschalige introductie van duurzame energie, wil meestal niet zeggen dat de totale voorraad ervan te klein is. Zo zijn de meeste zeldzame aardmetalen ondanks hun benaming helemaal niet zeldzaam. Het probleem is dat ze door hun eigenschappen erg diffuus verspreid zijn en zelden of nooit voorkomen in geconcentreerde reserves.

Zeldzame aardmetalen worden daarom, net als de metalen uit de platinagroep en andere elementen zoals gallium, germanium, indium en tellurium alleen maar ontgind als bijproduct van andere, “onedele metalen” zoals ijzer, nikkel, lood en zink. Het probleem is dus dat we deze metalen niet snel genoeg kunnen produceren, tenzij we de ontginning van onedele metalen waanzinnig zouden opdrijven (wat gezien de energetische vereisten onmogelijk is).

Concurrentie van andere sectoren

Het tweede probleem dat Diederen opwerpt, is dat veel van de metalen die nodig zijn voor de grootschalige ontplooing van hernieuwbare energie en elektrische auto’s ook nog door andere sectoren gebruikt worden. Batterijen en elektronica worden natuurlijk niet alleen ingezet voor de opslag van hernieuwbare energie en het aansturen van elektriciteitsnetwerken. Ze zijn vooral ook de belangrijkste onderdelen van de vloedgolf aan gadgets die de markt de laatste drie decennia overspoelde, en dan met name van de elkaar snel opvolgende generaties mobiele telefoons, televisies en computer-apparatuur.

Maar de grootste concurrent voor de noodzakelijke metalen is ironisch genoeg de bestaande energie-infrastructuur. Zoals gezegd is de bestaande energiesector de grootste consument van metalen, en daar zijn, naast veelvoorkomende metalen zoals ijzer, ook een groot aantal van de hierboven vermelde zeldzame metalen bij.

De conventionele energiesector gebruikt in de eerste plaats enorme hoeveelheden staal. De belangrijkste component van staal – ijzer – is (relatief) overvloedig aanwezig en heeft een hoge productieratio. Maar voor veel van de essentiële legeringselementen is dat niet het geval, zeker wanneer het speciale staalsoorten betreft voor gebruik in raffinaderijen, kernreactoren en andere elektriciteitscentrales. Bijvoorbeel kobalt en nikkel zijn in grote hoeveelheden nodig.

Deze legeringen worden daarbij ook gevraagd in nog andere sectoren, zoals de bouw en het transport (motoren hebben staal nodig, of ze nu op elektriciteit of op olie werken). En uiteraard maakt ook de bestaande energie-infrastructuur in grote mate gebruik van elektronica.

Conventionele energiesector consumeert steeds meer materiaal

Het probleem is dat het materiaalgebruik van fossiele energie en andere conventionele energiebronnen alleen maar zal toenemen. Ten eerste moet onze industriële samenleving blijven functioneren terwijl we een duurzame energieproductie uitbouwen, en het energieverbruik stijgt nog steeds. Er worden nog altijd conventionele energiecentrales bijgebouwd, er wordt nog altijd naar olie, gas en uranium geboord en gegraven, er worden nog altijd nieuwe pijpleidingen en gasterminals gebouwd.

Daarbij komt dat we ook veel extra energie nodig hebben voor de bouw van een duurzame energie-infrastructuur, en die energie zal van fossiele brandstoffen en kernenergie moeten komen. En als er wordt beslist om de CO2 van steenkoolcentrales af te vangen en in ondergrondse reservoirs op te slaan, dan zijn er opnieuw enorme investeringen nodig in nieuwe apparatuur, waaronder een geheel nieuw netwerk van pijpleidingen.

“De elementen van hoop”

André Diederen is een optimist. Hij wijdt dan ook een aanzienlijk deel van zijn boek aan mogelijke oplossingen. Daar is ook werk bij voor ingenieurs. Een eerste technologische “fix” is een doorgedreven recyclage van zeldzame metalen. Relatief veelvoorkomende metalen zoals ijzer en aluminium worden op grote schaal gerecycleerd, maar voor zeldzame metalen is dat nauwelijks het geval. Daar zit dus heel wat potentieel in. Maar recyclage alleen – hoe noodzakelijk ook – haalt ons niet uit de penarie.

Zelfs als we erin slagen om 100 procent van de grondstoffen te recycleren (wat Diederen onmogelijk noemt), kunnen we daarmee niet aan de aanhoudende stijging van de vraag naar grondstoffen tegemoet komen. Zolang de vraag naar metalen blijft stijgen (door een toenemende bevolking enerzijds en het feit dat iedereen alsmaar meer wil anderzijds) kan recyclage de uitputting van grondstoffen alleen maar wat vertragen. Bovendien kost recyclage energie (erg veel energie in het geval van doorgedreven recyclage) en dus ook extra metalen voor de ontginning, bewerking en omzetting van die energie.

Een tweede technologische oplossing is substitutie: we vervangen het zeldzame metaal door een ander, minder schaars metaal. Diederen noemt hier een reeks intrigerende voorbeelden, maar ook in dit geval gaat het slechts om een deel van de oplossing. Hoewel er vaak alternatieven zijn, is het probleem nu net dat momenteel erg veel metalen schaars zijn. In de meeste gevallen verschuift substitutie dus gewoon het probleem. De kans is groot dat het andere metaal al voor vele andere toepassingen gebruikt wordt.

Bovendien komt substitutie van een schaars materiaal door een veel minder schaars materiaal dikwijls neer op minder effectieve processen en producten, meer energieverbruik, het verlies van bepaalde producteigenschappen, of minder milieuvriendelijke eigenschappen. Niettemin is hier een rol weggelegd voor innovatie. Diederen ziet vooral mogelijkheden in de “elementen van hoop”: een aantal periodieke elementen die (relatief) overvloedig aanwezig zijn. Aluminium is er een van. Deze moeten waar mogelijk zeldzame grondstoffen vervangen, zodat die laatsten gereserveerd blijven voor essentiële toepassingen waar geen alternatief voor bestaat. Hint: daarmee doelt hij niet op het aanraakscherm van het allernieuwste Apple-gadget.

Terug naar de fifties

Ondanks het werk dat Diederen de ingenieurs gunt, windt hij geen doekjes om de fundamentele oplossing die met substitutie en recyclage gepaard moet gaan: ons gebruik van energie en grondstoffen moet drastisch omlaag, en daarvoor zullen we heel wat luxe moeten laten varen. Diederen stelt dat we niet langer de tijd hebben voor een pijnloze overgang naar een duurzame samenleving: die kans ging wellicht al een paar decennia geleden aan onze neus voorbij.

“We moeten proberen om de neergang zo gradueel mogelijk te doen verlopen, tot een niveau dat zo hoog mogelijk boven dat van de pre-industriële tijd ligt. We zullen van geluk mogen spreken als we ons in 2030 een energie- en materiaalverbruik kunnen permitteren dat (per capita) even hoog ligt als dat in de jaren vijftig van de twintigste eeuw. Het alternatief is een totale ineenstorting van het systeem.”

Het is een boodschap die veel minder vlot verkoopt dan oceanen vol windturbines en woestijnen vol zonnecentrales – al waren de fifties helemaal zo slecht nog niet. We moeten niet terug naar de middeleeuwen of het stenen tijdperk. Het probleem is bijvoorbeeld niet zozeer mobiele telefonie op zich, maar het feit dat we gemiddeld om de 18 maanden een nieuwe mobieltje denken nodig te hebben. Dat komt neer op 35 telefoons per mensenleven. Er is dus heel wat ruimte voor een drastische besparing van energie en grondstoffen, zonder dat we nieuwe technologieën moeten opgeven.

Ingenieurs hebben fantastische dingen verwezenlijkt tijdens de twintigste eeuw, en daarom zijn we beginnen denken dat ze alles wel zullen oplossen. Maar wat we daarbij vergeten, is dat al dat fantastisch speelgoed alleen maar mogelijk was door een enorme toevloed van goedkope en geconcentreerde energie. Dat tijdperk loopt op zijn eind, en aan de horizon is voorlopig geen enkel alternatief te bespeuren.

“Global Resource Depletion, Managed Austerity and the Elements of Hope“, André Diederen, 116 pagina’s, Eburon, 2010.