Nog maar kort geleden leken een aantal lijnen naar de toekomst duidelijk, in elk geval voor de redactie van deze website. Vergroening van de economie zou gaan plaats vinden door het vinden van alternatieven voor olie (over de piek heen), aardgas (te conflictueus) en steenkool (teveel CO2-uitstoot). Na een lange overgangsperiode zou zonne-energie de belangrijkste energiebron worden met elektriciteit als de belangrijkste energiedrager; voor de chemie zou biomassa de belangrijkste leverancier worden. Maar een nieuwe factor gooit dit lange-termijn perspectief overhoop: goedkoop schaliegas, een ‘game changer’ (zie ook onze column van 12 juli 2012). Het speelveld ligt weer open.
In een aantal artikelen zal deze website daaraan aandacht besteden. Dit is de opening van een discussiereeks die, naar wij hopen, deze ontwikkelingen diepgaand zal behandelen. Reacties zijn van harte welkom!
Laten we beginnen bij energie. Zonne-energie blijft voor ons de energiebron van de toekomst, waarbij elektriciteit geleidelijk de energiedrager van de toekomst wordt. Elektrisch transport (behalve voor vrachtwagens en vliegtuigen) lijkt technisch geen probleem te worden. Het rendement van zonnecellen is hoog, zeker vergeleken met dat van fotosynthese. In tegenstelling tot wat vaak wordt gedacht, is zonne-energie tamelijk gelijkmatig over de aarde verdeeld: het gebied met de meeste zoninstraling krijgt maar 3x zo veel als dat met de minste instraling. Zonne-energie zal echter nog enorm moeten groeien voordat deze zelfs maar in staat is om de CO2-uitstoot te stabiliseren.
Vraag: wanneer zou, bij ongewijzigde ontwikkelingen, zonne-energie in staat zijn de CO2-uitstoot van de wereld te stabiliseren?
Een machtig wapen
Maar het is niet te verwachten dat de oliemaatschappijen zich zomaar gewonnen zullen geven. Zij hebben in goedkoop schaliegas een machtig wapen in handen om de strijd aan te gaan, en de reserves zijn zeer groot (Shell spreekt van 350 jaar voorraad). Wij zijn niet overtuigd van de ernstige milieugevolgen van schaliegaswinning, zeker niet wanneer mede door de druk van actiegroepen de meest moderne technologie wordt toegepast (teerzanden zijn daarentegen een heel ander verhaal). Schaliegas zal de uitstoot van broeikasgassen verminderen, wanneer dit olie en steenkool gaat verdringen: gas stoot minder CO2 uit per eenheid geproduceerde warmte. De CO2 uitstoot van de USA is de afgelopen 5 jaar al met procenten gedaald dank zij het gebruik van schaliegas. Maar ook als winning ervan schoon kan plaats vinden, vormt schaliegas geen oplossing voor het broeikasprobleem.
Vraag: zal schaliegas inderdaad gewonnen kunnen worden zonder grote milieuschade, én goedkoop zijn?
Snelle opkomst
Hoewel schaliegas de laatste tien jaar snel is opgekomen, heeft de winning wortels in het verre verleden. Het aardolietijdperk is ooit begonnen met de winning van schalieolie, gedolven in dagbouw. Schalieolie en schaliegas zijn ontstaan door ontleding van bacteriën in een ver verleden. Later werd wel geprobeerd schalieolie te winnen door het slaan van ondergrondse verwarmingsbuizen, zonder veel succes. Schaliegas is inderdaad betrekkelijk nieuw – pas succesvol geworden door nieuwe technieken waarmee de oliemaatschappijen horizontaal kunnen boren. In die horizontale schachten wordt het gesteente poreus gemaakt door chemicaliën en springstof, waarna zand wordt ingebracht om de ondergrond poreus te houden.
Schaliegas komt overal voor, en in grote hoeveelheden. Het bestaat voornamelijk uit methaan, met wisselende hoeveelheden hogere koolwaterstoffen. Het methaandeel kan direct gebruikt worden als energiebron en in de bestaande infrastructuur voor aardgas worden ingepast. In de VS heeft de winning al zo’n vlucht genomen dat het land denkt weer netto energie-exporteur te kunnen worden. LNG-terminals voor de ontvangst van aardgas uit het buitenland worden omgebouwd tot exportterminals. Er zit ook veel schaliegas onder de grond in Polen en zelfs in Nederland. Maar in dichtbevolkte gebieden zal winning (met risico’s van vervuiling van het grondwater) op veel verzet van de bevolking stuiten.
Vraag: zal schaliegas overal gewonnen gaan worden?
Harde strijd
We kunnen ons goed een lange periode voorstellen waarin (schalie)gas en PV naast elkaar de wereld van energie voorzien. De strijd tussen beide zou hard kunnen zijn. Oliemaatschappijen hebben diepe zakken en hebben in schaliegas een nieuwe, goedkope energiebron waarmee zij de rol van fossiele brand- en grondstoffenleverancier nog lang kunnen volhouden. Economisch gezien geen slechte zaak, de energieprijs zal er relatief laag door blijven.
Biomassa zal alleen in de marge een rol spelen in de energievoorziening, al was het maar doordat het gebruik van biomassa steeds kritischer wordt bekeken. De wereldvoedselmarkt is allerminst stabiel, er dreigt steeds weer een situatie waarin biobrandstoffen een (vermeend of reëel) tekort verergeren.
Vraag: wanneer zullen de oliemaatschappijen tot actie overgaan?
Grondstoffen voor chemie
Het is een gezonde strategie om biomassa vooral te gebruiken voor producten met hogere toegevoegde waarde. Daarom biedt toepassing als grondstof voor chemicaliën en materialen betere mogelijkheden. De drijvende kracht hierachter is niet in de eerste plaats het opraken van aardolie, maar de ontwikkeling van betaalbare en hernieuwbare groene kunststoffen en chemicaliën. Kosten gaan de doorslag geven. Daarom is ook voor de chemie het schaliegas een game changer. Hoe zal biomassa het van schaliegas kunnen winnen op deze markt?
Verreweg de belangrijkste chemische bouwsteen die nu uit biomassa wordt gemaakt, is ethanol. Schaliegas concurreert hier direct mee, doordat dit meestal een aanzienlijk percentage ethaan bevat, eenvoudig om te zetten in etheen. Ethanol en etheen zijn beide zeer geschikte grondstoffen voor C2-chemie. Maar C3- en C4-bouwstenen alsmede aromaten ontbreken in schaliegas. Het maken van deze bouwstenen uit biomassa is een enorme uitdaging; hier ligt een gerichte vraag naar fundamenteel onderzoek, vooral op het gebied van de heterogene katalyse. Wij berichtten op deze site al over de omzetting van lignine in aromatische bouwstenen (zie ons artikel van 27 juni 2012), maar het duurt nog wel enige tijd voordat dit op industriële schaal zal gebeuren.
Vraag: in welke niches zullen groene chemicaliën en materialen het best kunnen doordringen (en zich kunnen handhaven)?
Nog meer uitdagingen voor biomassa
Biochemicaliën worden nog op een andere manier uitgedaagd. Zij moeten absoluut constant van kwaliteit worden geleverd, er mag geen ‘memory effect’ optreden in het eindproduct. Dat wil zeggen: het eindproduct moet volledig onafhankelijk zijn van de oorspronkelijke uitgangsproducten. Het mag dus geen verschil uitmaken of het product wordt gemaakt uit maïsstengels, suikerbietenafval of bagasse. Ook seizoensinvloeden mogen geen rol spelen in de kwaliteit van de eindproducten. Eindverwerkers die kunststofproducten maken willen constante kwaliteit.
En schaliegas kan nog meer markten bedienen. Via vergassing kan er syngas, de traditionele C-1 bouwsteen, uit worden geproduceerd. En van daaruit weer producten als methanol en hoogwaardige Fischer-Tropsch paraffinen voor de sectoren energie en chemie. Ook het bijproduct CO2 kan interessant worden. Dat wordt nu al voor een deel in tuinbouwkassen gebruikt, maar is – als zuiver product – ook geschikt als chemische grondstof, als tenminste de CO2-economie (zie ons artikel van 28 augustus 2012) van de grond komt. Met andere woorden: het speelveld ligt weer helemaal open, iets dat we nog maar enkele jaren geleden niet hadden gedacht.
Vraag: kan de groene chemie de vereiste hoge kwaliteit leveren?
Structuureffecten
En dan nog. De overschakeling van de chemie op grondstoffen uit biomassa zal niet eenvoudig zijn. Er zullen grote structuureffecten optreden door het inherente verschil in schaalgrootte tussen landbouw en chemie. Als de chemie zijn grondstoffen uit de landbouw wil betrekken, vereist dat een veel kleinschaliger organisatie van de huidige chemie (heel interessant voor het MKB!), en ook chemische processen die op kleinere schaal rendabel zijn. Dit spanningsveld tussen beide maatschappelijke sectoren zal een belangrijke bron van berichtgeving worden op weg naar de biobased society.
Vraag: is het verschil in schaalgrootte tussen landbouw en chemie een bedreiging of een kans?
Het lange-termijn perspectief
Biomassa zal een belangrijke rol kunnen blijven spelen bij de productie van materialen. Vooral wanneer wij de complexiteit van biomassa kunnen behouden bij de productie van materialen in wat wij noemen een ‘holistische chemie’. De natuur produceert prachtige complexe materialen als hout, eierschalen en spinrag, met unieke eigenschappen. Eén van de doelen van de groene chemie zou moeten zijn, deze complexiteit zoveel mogelijk te behouden of gericht te manipuleren. In plaats van, zoals tot nu toe, de complexiteit af te breken en dan vanaf de grond weer op te bouwen. De productie van PHA’s en biopolymeren uit reststromen van de landbouw en de agro-industrie, met specifieke cultures van micro-organismen, is een interessante stap in deze holistische richting.
Vraag: zou deze ontwikkelingslijn meer aandacht moeten krijgen?
Maar op de korte termijn spelen eerst aanzienlijke uitdagingen. Met de komst van ‘game changer’ schaliegas ligt het speelveld, zoals gezegd, weer helemaal open.