De elf cruciale net-zero technologieën

• We hebben een lijst van elf sleuteltechnologieën opgesteld die de wereld tegen 2050 koolstofvrij moeten maken

• Maar de lijst evolueert voortdurend als gevolg van beperkingen en uitdagingen

Wat is technologie? Technologie is de toepassing van wetenschappelijke kennis op de praktische doelen van het menselijk leven of op de verandering en manipulatie van de menselijke omgeving. Technologie evolueert en innoveert voortdurend, gedreven door nieuwsgierigheid, creativiteit en het oplossen van problemen. Technologie kan worden ingedeeld in verschillende soorten, zoals elektrische, digitale en nanotechnologie, afhankelijk van de gebruikte instrumenten en methoden. Technologie heeft de mens in staat gesteld opmerkelijke prestaties te leveren. En technologie is de sleutel tot het koolstofvrij maken van de wereld. In deze analyse worden elf technologieën genoemd die cruciaal zijn als de wereld tegen 2050 netto nul wil bereiken. Dit is een lijst van belangrijke technologieën van dit moment en hij is waarschijnlijk niet volledig. Aangezien de technologie voortdurend evolueert en innoveert, kan de lijst van vandaag over vijf of tien jaar geheel anders zijn. De hieronder genoemde belangrijke technologieën zullen op zichzelf ook de aanzet geven tot nieuwe technologieën. Dit komt omdat de huidige cruciale technologieën ook uitdagingen kennen zoals een tekort aan kritische metalen.

Cruciale technologieën om emissies terug te dringen

Wij hebben 11 technologieën of groepen van technologieën gedefinieerd die momenteel cruciaal zijn voor de overgang naar een netto-nul-wereld. Onderstaande tabel geeft daarvan een overzicht. Voor elke technologie geven we aan hoe deze wordt of kan worden gebruikt. Een warmtepomp wordt bijvoorbeeld gebruikt voor de verwarming van woningen, maar ook in elektrische voertuigen.

Lithium-ion batterijen

Een lithium-ion batterij is een familie van oplaadbare batterijtypes. Tijdens een ontladingscyclus worden lithiumatomen in de anode geïoniseerd en gescheiden van hun elektronen. De lithium-ionen bewegen van de anode en gaan door de elektrolyt tot ze de kathode bereiken, waar ze bij de elektronen komen en elektrisch neutraliseren. Lithium-ion batterijen worden gebruikt in voertuigen, draagbare elektrische apparaten en voor opslag. De capaciteit en de spanning van de batterij worden bepaald door het soort actief materiaal dat in de kathode wordt gebruikt. Er is een streven om de energiedichtheid van de batterij te verhogen. Dit is de maatstaf voor de hoeveelheid energie die een batterij bevat in verhouding tot zijn gewicht. De energiedichtheid wordt meestal uitgedrukt in Wattuur per kilogram. Een hogere energiedichtheid betekent dat voertuigen verder kunnen rijden zonder te hoeven opladen. Ook met veiligheid en duurzaamheid moet rekening worden gehouden. Elke chemische samenstelling van een batterij heeft een specifieke energiedichtheid, stabiliteit, veiligheid en duurzaamheid en één chemische samenstelling kan beter geschikt zijn voor opslag dan voor een elektrisch voertuig.

Warmtepompen

Een warmtepomp werkt als een koelkast. Hij gebruikt elektriciteit om warmte te onttrekken aan de lucht, de grond of het water, versterkt die warmte en brengt de warmte vervolgens naar de plaats waar die nodig is, in het geval van een woning dus voor ruimteverwarming en warm water. Woningen kunnen een warmtepomp installeren, maar veel huizen met een hoog energieverbruik zullen ook moeten investeren in energie-efficiëntie, zoals dubbele beglazing, muurspouwisolatie en zelfs nieuwe radiatoren. De primaire functie van warmtepompen is ruimteverwarming via radiatoren, vloerverwarmingssystemen of warme luchtconvectoren, ze kunnen ook worden gebruikt om water te verwarmen voor gebruik in een woning of bedrijf. In een elektrisch voertuig kan een warmtepomp worden gebruikt om de batterij zowel te verwarmen als te koelen. Bij het koelen kan de overtollige warmte van de accu naar de cabineverwarming worden gestuurd.

Permanente magneten

Permanente magneten zijn magneten die hun magnetisme lange tijd kunnen behouden. Permanent betekent dat de magneet draait, ook als er geen elektrische stroom wordt aangelegd, er blijft een magnetische flux aanwezig. Magneten hebben een hoog rendement. Neodymium is het primaire zeldzame aardelement dat in deze magneten aanwezig is in een legering van neodymium-ijzer-borium (NdFeB). De legering wordt vervolgens gedoteerd met andere zeldzame aardelementen zoals Praseodymium en Dysprosium om de werkingskenmerken van de magneet te verbeteren, zoals het verhogen van de temperatuur dat de magneet blijft functioneren zonder dat deze demagnetiseert. De meeste elektrische voertuigen hebben deze permanente magneten in hun motoren. Bovendien is de draaiende as van een windturbine verbonden met een of meer sterke magneten, meestal neodymiummagneten. Deze magneten draaien ten opzichte van een samenstel van spoeldraad, waardoor spanning in de spoel wordt opgewekt. Naast de neodymiummagneten zijn er ook andere soorten permanente magneten. Permanente magneten worden gebruikt in harde schijven, motoren, auto's, generatoren, televisies, telefoons, hoofdtelefoons, luidsprekers, transducers, sensoren.

Elektrolyse & brandstofcellen

Elektrolyse is een techniek waarbij een directe elektrische stroom (DC) wordt gebruikt om een anders niet spontane chemische reactie aan te sturen. Elektrolyse is het proces waarbij elektriciteit wordt gebruikt om water te splitsen in waterstof en zuurstof. Deze reactie vindt plaats in een eenheid die een elektrolyser wordt genoemd. Elektrolyse is een techniek en een brandstofcel is een cel die rechtstreeks uit een chemische reactie een elektrische stroom produceert. Brandstofcellen werken als batterijen, maar ze lopen niet leeg en hoeven niet te worden opgeladen. Ze produceren elektriciteit en warmte zolang er brandstof (zoals waterstof) wordt geleverd. Brandstofcellen zijn uniek in termen van de verscheidenheid van hun potentiële toepassingen; zij kunnen een breed scala van brandstoffen en grondstoffen gebruiken en stroom leveren voor systemen zo groot als een elektriciteitscentrale van een nutsbedrijf, een auto en zo klein als een laptopcomputer. Een brandstofcel bestaat uit twee elektroden - een negatieve elektrode (of anode) en een positieve elektrode (of kathode) - die rond een elektrolyt zijn geklemd. In een waterstofbrandstofcel scheidt een katalysator aan de anode de waterstofmoleculen in protonen en elektronen, die verschillende paden nemen naar de kathode. De elektronen gaan door een extern circuit, waardoor een elektriciteitsstroom ontstaat. De protonen migreren door de elektrolyt naar de kathode, waar ze zich verenigen met zuurstof en de elektronen om water en warmte te produceren (bron energy.gov). Er zijn verschillende soorten brandstofcellen en elk type heeft zijn eigen toepassing. Wij willen er echter één type uitlichten. Dat is de polymeer elektrolyt membraan brandstofcel. In voertuigen wordt deze brandstofcel meestal gebruikt. De brandstof is waterstof en werkt bij relatief lage temperaturen.

Fotovoltaïsche energie (PV)

Fotovoltaïek is de wetenschap van het omzetten van licht in elektriciteit met behulp van speciale materialen die fotonen absorberen en elektronen afgeven. Een fotovoltaïsch systeem bestaat uit zonnepanelen, die bestaan uit vele met elkaar verbonden zonnecellen, en een omvormer, die de gelijkstroom omzet in wisselstroom voor gebruik. Fotovoltaïsche technologieën variëren in het type en de efficiëntie van de gebruikte halfgeleidende materialen, zoals silicium, dunne film of organische verbindingen. Het rendement van zonnecellen verwijst naar het deel van de energie in de vorm van zonlicht dat door de zonnecel in elektriciteit kan worden omgezet. Het rendement van zonnepanelen is relatief laag (tussen 14%-25%), de meeste zonnepanelen voor thuis hebben een rendement tussen 19% en 21% (bron: SolarReviews). Voor een continue levering van elektrische stroom, met name voor aansluiting op het elektriciteitsnet, hebben zonnepanelen niet alleen omvormers nodig, maar ook opslagbatterijen.

Geconcentreerde zonne-energie (CSP)

Geconcentreerde zonne-energie (CSP) is een methode om elektriciteit op te wekken via spiegels. Deze technologie maakt gebruik van spiegels om zonlicht te reflecteren en te richten op een thermische ontvanger. De intense CSP-energie verhit de vloeistof (heat-transfer fluid of HFT) in de ontvanger tot hoge temperaturen. Deze warmte van thermische energie wordt gebruikt om een turbine te laten draaien en zo elektriciteit op te wekken (bron: energysystems.com). In tegenstelling tot de zonne-energie die door zonnepanelen wordt opgewekt, kan de thermische energie in de vloeistof worden opgeslagen voor later gebruik. CSP-energie heeft ook directe industriële toepassingen in waterontzilting en voedselverwerking.

Geconcentreerde zonne-energie heeft ook een hoge energie-output, waardoor zij geschikt is voor grootschalige elektriciteitsopwekking. Een van de belangrijkste nadelen zijn de hoge kapitaal- en onderhoudskosten. Bovendien is de technologie nog relatief nieuw en is er een gebrek aan ervaren professionals op dit gebied.

Windenergie met behulp van de aerodynamische kracht

Windturbines gebruiken wind om elektriciteit te produceren. De wind draait de propellerachtige bladen van een turbine rond een rotor, die een generator laat draaien, waardoor elektriciteit wordt opgewekt. Een windturbine zet windenergie om in elektriciteit met behulp van de aerodynamische kracht van de rotorbladen, die werken als een vliegtuigvleugel of het rotorblad van een helikopter. Wanneer de wind over het blad stroomt, daalt de luchtdruk aan één kant van het blad. Het verschil in luchtdruk over de twee zijden van het blad creëert zowel lift als weerstand. De kracht van de lift is sterker dan de weerstand, waardoor de rotor gaat draaien. De rotor is verbonden met de generator die de rotatie versnelt en een fysiek kleinere generator mogelijk maakt. Deze vertaling van aerodynamische kracht naar rotatie van een generator creëert elektriciteit (bron: energy.gov). De permanente magneten zitten in de generator van de grootste windturbines om de kosten te drukken, de betrouwbaarheid te verbeteren en de behoefte aan onderhoud te verminderen (bron: windsystemsmag).

Technologieën om synthetische brandstoffen te produceren

Synthetische brandstoffen zijn vloeibare brandstoffen die dezelfde eigenschappen hebben als fossiele brandstoffen, maar kunstmatig worden geproduceerd. Synthetische brandstoffen kunnen worden gemengd met fossiele brandstoffen of de fossiele brandstof vervangen in verbrandingsmotoren in voertuigen, vliegtuigen of schepen. Voor de productie van synthetische brandstoffen wordt CO2 uit de atmosfeer opgevangen door middel van Direct Air Capture (zie hieronder). Bij de verbranding van de synthetische brandstof komt wel weer CO2 vrij in de lucht. Dit is de CO2 die gebruikt is bij de productie van de synthetische brandstof. Er is dus geen netto CO2-uitstoot. Er zijn vier soorten synthetische brandstoffen en de manier waarop ze worden geproduceerd maakt het verschil (bron: Synhelion).

• Biomass-to-liquid produceert biobrandstoffen (elke brandstof die is afgeleid van biomassa) zoals hernieuwbare diesel/hydrotreated vegetable oil (HVO).

• Power-to-liquid produceert e-brandstoffen zoals e-kerosine en e-methanol

• Power-to-gas produceert e-methaan

• Sun-to-liquid produceert zonnebrandstoffen zoals waterstof, ammoniak (bron: energy.gov)

Power-to-gas is een technologie die elektrische energie gebruikt om een gasvormige brandstof te produceren. De waterstof die via elektrolyse wordt geproduceerd, wordt samen met koolstofdioxide omgezet in methaan. Voor mobiliteit geldt dat als synthetische brandstoffen worden genoemd, het vaak gaat om e-fuels of electrofuels. Deze brandstoffen worden geproduceerd via de power-to-liquid-methode. Eerst wordt hernieuwbare elektriciteit opgewekt, die vervolgens een elektrolyser aandrijft die water splitst in waterstof en zuurstof. Vervolgens wordt de waterstof gemengd met koolstofdioxide en omgezet in syngas via de omgekeerde watergasverschuivingsreactie (RWGS) - een proces dat plaatsvindt bij hoge temperaturen en wordt aangedreven door elektriciteit.

Er zijn koolstofarme, koolstofneutrale en koolstofvrije brandstoffen. Koolstofarme brandstoffen stoten minder koolstof uit dan fossiele brandstoffen. Hernieuwbare diesel, biodiesel, waterstof/methanol/ammoniak, geproduceerd met behulp van fossiele brandstoffen met koolstofafvang en -opslag, zijn voorbeelden van koolstofarme brandstoffen. De CO2-emissies van hernieuwbare diesel zijn sterk afhankelijk van de gebruikte grondstof. Dit resulteert vaak in emissies tijdens de levenscyclus die boven nul liggen. Koolstofneutrale brandstoffen zijn brandstoffen die tijdens hun levenscyclus de hoeveelheid koolstof in de atmosfeer niet doen toenemen of afnemen. E-methanol en e-kerosine zijn koolstofneutrale brandstoffen. Zij worden als koolstofneutraal beschouwd als in het productieproces hernieuwbare hulpbronnen worden gebruikt en de uit de atmosfeer opgevangen koolstof later weer in de lucht wordt uitgestoten. Koolstofvrije brandstoffen zijn brandstoffen waarbij geen koolstof vrijkomt op het moment van gebruik. Zo zijn waterstof die wordt geproduceerd door elektrolyse en hernieuwbare elektriciteit en ammoniak die wordt geproduceerd door hernieuwbare elektriciteit en groene waterstof als bron, koolstofvrije brandstoffen (bron: Cummins).

Koolstofafvang en -opslag (CCS)

Het idee achter CCS is om de CO2 die vrijkomt bij de verbranding van fossiele brandstoffen op te vangen voordat het in de atmosfeer terechtkomt. Bij de meeste van de huidige CCS-methodes wordt CO2 diep onder de grond geïnjecteerd. Dit vormt een "gesloten lus", waarbij de koolstof als fossiele brandstoffen aan de aarde wordt onttrokken en vervolgens als CO2 naar de aarde wordt teruggevoerd. De laatste tijd is er ook veel belangstelling voor het gebruik van CCS-technologieën om CO2 uit de atmosfeer te verwijderen. Eén optie is bio-energie met CCS (BECCS), waarbij biomassa (zoals hout of grassen) via fotosynthese CO2 uit de lucht haalt. De biomassa wordt vervolgens geoogst en verbrand in een elektriciteitscentrale om energie te produceren, waarbij de CO2 wordt opgevangen en opgeslagen. Dit creëert wat men noemt "negatieve emissies" omdat het CO2 uit de atmosfeer haalt en opslaat. Een andere optie voor negatieve emissies heet direct air capture (DAC), waarbij CO2 uit de lucht wordt verwijderd met behulp van een chemisch proces. De concentratie CO2 in de lucht is echter ongeveer 300 keer lager dan in de schoorstenen van elektriciteitscentrales of industriële installaties, waardoor het veel minder efficiënt is om CO2 af te vangen. Daarom is DAC momenteel een vrij dure optie (bron: MIT Climate portal).

Warmtekrachtkoppeling (WKK)

Warmtekrachtkoppeling (WKK) is het gebruik van een warmte van een motor of elektriciteitscentrale om tegelijkertijd elektriciteit en nuttige warmte op te wekken. Warmtekrachtkoppeling is een efficiënter gebruik van brandstof of warmte, omdat anders verspilde warmte van elektriciteitsopwekking een productief gebruik krijgt. Het gaat hierbij om de gelijktijdige productie van elektriciteit of mechanische energie en nuttige thermische energie (verwarming en/of koeling) uit één enkele energiebron (bron: energy.gov). Warmtekrachtkoppeling is een zeer efficiënt proces (meer dan 80%) waarbij de warmte die een bijproduct is van het elektriciteitsopwekkingsproces wordt opgevangen en gebruikt. De elektriciteit kan ook met hernieuwbare energiebronnen worden opgewekt. Door gelijktijdig warmte en stroom op te wekken, kan WKK de koolstofuitstoot tot 30% verminderen in vergelijking met de gescheiden opwekking via een ketel en een elektriciteitscentrale. De tijdens dit proces opgewekte warmte wordt geleverd aan een aangepaste warmtevraag waarin anders door een conventionele ketel zou worden voorzien.

Digitale technologieën

Er zijn verschillende digitale technologieën die de efficiëntie verbeteren en de vraag naar warmte en/of elektriciteit verminderen. Bijvoorbeeld slimme technologieën die de vraag naar en het gebruik van warmte en elektriciteit bewaken en beheren. Een slim netwerk is een elektriciteitsnetwerk dat digitale en andere geavanceerde technologieën gebruikt om het transport van elektriciteit uit alle opwekkingsbronnen te monitoren en te beheren om te voldoen aan de wisselende vraag naar elektriciteit van de eindgebruikers (bron: IEA). Een andere technologie is het internet-van-afval. Afvalbeheer en recycling met behulp van het internet-van-afval verminderen de inefficiëntie van de afvallogistiek aanzienlijk. Van vulniveausensoren tot slimme bakken en sensoren die de materiaalkwaliteit beoordelen, de recyclingindustrie maakt gebruik van het internet van afval om haar activiteiten te stroomlijnen.

Conclusie

Wij hebben elf technologieën of groepen van technologieën gedefinieerd die helpen om de wereld tegen 2050 koolstofvrij te maken, namelijk: lithium-ionbatterijen, warmtepompen, permanente magneten, elektrolyse & brandstofcellen, fotovoltaïsche energie, geconcentreerde zonne-energie, windenergie met aërodynamische kracht, technologieën die synthetische brandstoffen produceren, koolstofafvang en -opslag en warmtekrachtkoppeling en digitale technologieën. Maar aangezien technologieën voortdurend evolueren wegens beperkingen en uitdagingen is deze lijst niet volledig en zal hij ook in de loop van de tijd veranderen. Het is dus zeker geen lijst met technologieën die voor de toekomst vaststaat. Bedrijven in veel sectoren hebben inmiddels veel laaghangend fruit als het gaat om decarbonisatietechnologieën. Voor een nadere analyse over hoe dit in sectoren zich manifesteert, zie de publicatie 'Decarbonisatiestrategieën voor sectoren’.

Dit artikel maakt deel uit van de SustainaWeekly van 3 april 2023