We zijn steeds slimmer geworden. Slimheid die zich uit in subtiliteit: we hebben steeds minder energie en hulpmiddelen nodig om een gewenst resultaat te behalen. En dat is maar goed ook, want onze planeet kan de welvaartsgroei bijna niet meer dragen. We moeten zelfs nóg slimmer en subtieler worden.
Kleiner is beter
De beweging naar subtiliteit is niet van vandaag of gisteren; hij wordt gedragen door een breed front van technologische ontwikkelingen. Bij vrijwel alle technologische terreinen gaat de ontwikkeling naar kleinere apparaten, met minder materiaalgebruik en milieueffect, met lager energiegebruik. Maar de maatschappelijke consequentie daarvan – meer lokaal beheer, minder centrale infrastructuren – wekt nog altijd weerstand op. Alsof beschaving en schaalvergroting onverbrekelijk met elkaar verbonden zouden zijn.
Op het gebied van energie verkondigen Amory Lovins en het Rocky Mountain Institute nu al vijftig jaar dat de toekomst van de energievoorziening ligt in schaalverkleining. Ze zijn belachelijk gemaakt of genegeerd – maar de feitelijke ontwikkeling geeft hen keer op keer gelijk. De energie-intensiteit van de economie (de hoeveelheid energie nodig voor één dollar economisch product) daalt voortdurend. Anders gezegd: wij slagen er elk jaar in, méér opbrengst te halen uit een dollar of Euro uitgegeven aan energie. En de schaal van de energieopwekking wordt steeds kleiner; dat wil zeggen: in kleinere eenheden, wel in massale hoeveelheden. De omkering van langdurige trends.
Groter was beter
In de periode na de Tweede Wereldoorlog, tot ca. 1970, geldt energie-intensiteit als de maat van de vooruitgang. Groter en energie-intensiever is beter. Wij gaan eindeloze hoeveelheden goedkope energie krijgen uit kerncentrales, voorspelt men. Maar er is al een tegengeluid. In de jaren 1950 keert het Pugwash Comité, met daarin veel atoomgeleerden, zich tegen de kernbewapening. Vanaf 1969 stelt de Union of Concerned Scientists zich kritisch op tegen kernenergie. Ongevallen waarbij straling ontsnapt blijken het kwetsbare punt van kerncentrales; het belangrijkste punt van verzet. Maar misschien is een interne ontwikkeling nog wel schadelijker. De snelle schaalvergroting van kerncentrales, nodig om de kosten in de hand te houden, doet kerncentrales de das om. Ze worden te duur. En de kosten blijven maar stijgen, ondanks de schaalvergroting. Terwijl de vraag naar energie veel minder stijgt dan verwacht – doordat er steeds minder energie nodig is voor een dollar economisch product. Wereldwijd komt de nucleaire industrie in een impasse.
Naar subtiliteit
In de scheikunde is de tegengestelde beweging aan de gang. Een beweging naar subtiliteit, naar reacties met steeds kleiner energie-effect. Te volgen in de ontwikkeling van deze wetenschap. In de beginjaren (eind 18e en begin 19e eeuw) zijn de meeste bestudeerde reacties stoichiometrisch, dat wil zeggen: ze vergen veel energie en vooral veel hulpstoffen. In de 20e eeuw breekt het gebruik van katalysatoren door: stoffen die zelf niet aan de reactie deelnemen maar deze wel vergemakkelijken of versnellen. Deze vorm van chemokatalyse bereikt een hoogtepunt in de petrochemie, de omzetting van aardolie in nuttige chemische stoffen. Punt van aandacht is wel dat er vaak hoge temperaturen nodig zijn.
Dan ontdekt men vanaf begin 20e eeuw hoezeer levende organismen worden bepaald door biokatalyse – bij lage temperaturen. Enzymen sturen alle subtiele chemische processen in ons lichaam aan. De biochemie, die deze processen bestudeert, ontwikkelt zich heel snel na 1950. Dan komen vele hulpmiddelen ter beschikking als chromatografie, Röntgendiffractie, NMR spectroscopie en elektronenmicroscopie. Het energie-effect van biochemische processen is veel lager dan dat van anorganische en organische processen. Ze hebben betrekking op veel ingewikkelder structuren en worden gekenmerkt door veel meer precisie. We hebben in de chemie dus te maken met een beweging van hoog- naar laag-energetische processen, bij grotere precisie; een toename in subtiliteit. Waarbij de biochemie verrassend genoeg veel méér mogelijkheden opent, ook industrieel. Bovendien bieden biotechnologie en DNA-bewerkingen nog vele beloftes (denk aan CRISPR-Cas). Zó veel dat de reiskosten naar het ziekenhuis straks hoger zullen uitvallen dan de kosten van de subtiele ingreep in ons eiwit die ons van een erfelijke ziekte af helpt. We staan nog lang niet aan het eind van deze ontwikkeling.
Ook in de natuurkunde
Intussen komt er in de natuurkunde net zo’n beweging naar subtiliteit op gang. De sterkstroomtechniek moet zijn eerste plaats afstaan aan de zwakstroomtechniek. Al onze computers, meetapparatuur en controleapparaten maken gebruik van micro-elektronica, werkend met zeer zwakke stroompjes. En miniaturisering op deze gebieden vindt nog steeds plaats: er gaan steeds meer schakelingen op een chip. Er is al een nano-elektronica, die werkt op de nanoschaal. Ook van deze ontwikkeling is het eindpunt nog niet in zicht. Na de chips die werken op stroompjes komen nog de fotonische chips die werken met lichtsignalen. Chips die nog weer kleiner en sterker zijn, en minder stroom gebruiken.
Op het gebied van de energieopwekking kunnen we deze ontwikkeling goed volgen. Nog steeds wordt elektriciteit voor een groot deel opgewekt in ‘energiecentrales’ (op fossiele of kernenergie) met een vermogen van honderden MW. Vanwaar de stroom met hoogspanningsleidingen wordt vervoerd naar individuele gebruikers. Maar de schaalverkleining heeft ingezet. Centrales worden vervangen door windturbines en zonnepanelen. Windturbines zullen niet veel groter worden dan 10 MW. In de toekomst zullen we lokale windturbines zien verschijnen, die zwakke stromen opwekken voor lokaal gebruik. Zonnepanelen hebben elk een vermogen van een paar kW. Ze worden nog wel geclusterd tot zonneparken van een paar MW. Maar ze fungeren misschien zelfs wel beter op het dak van huizen. Een paar lokale panelen kunnen al veel zwakstroom opwekken voor steeds meer functies. Er wordt serieus gedacht over een zwakstroomnet in huis, waarmee alle sensoren worden aangestuurd. Bovendien kunnen we met zonnepanelen op het dak een groot deel van vraag en aanbod met elkaar verevenen. Juist zo’n verevening is het centrale vraagstuk bij een onregelmatige energiebron die gekoppeld wordt aan onregelmatig gebruik. En dan komt er nog de lithium-ion batterij die zich rechtstreeks met zonlicht oplaadt – hij is er al (in het lab). Straks geen zonnepaneel meer nodig.
Nog meer subtiliteit
En het kan zelfs zonder batterij. Waarom elektriciteit opwekken op MW-schaal voor gebruik in sensoren die mW’s nodig hebben, een miljard keer kleiner? Veel beter om ook hier vraag en aanbod op elkaar af te stemmen. Dat kan, met piëzo-elektriciteit. Hierbij worden minuscule trillingen omgezet in minuscule stroompjes, precies wat onze sensoren nodig hebben. Bijvoorbeeld voor veiligheidssignalering langs spoor- of snelwegen. Of voor straatverlichting aangestuurd door de energie van voetstappen. Subtiliteit gaat het ook hier winnen van brute kracht. Misschien zullen zelfs de windturbines van 10 MW concurrentie gaan krijgen van windenergie opgewekt met het piëzo-effect. Wanneer wij onze flatgebouwen gaan bekleden met piëzo-elektrische tapijten en folies met zonnecellen, vlak bij de centra van elektriciteitsgebruik, onze keukens en woonkamers. De hobbyist kan een kleine waterkrachtcentrale monteren in regenpijp of afvoerleiding. Dan lossen ineens al die kleine stroompjes samen het grote probleem van energievoorziening en -opslag op. Toekomstfantasieën? Misschien eerder een realistische voorspelling – omdat de kracht van subtiliteit nog lang niet volledig is onderzocht.
Geschreven samen met Alle Bruggink
Interessant? Lees dan ook:
De stille wonderen van energiebesparing
Donut economie, of waarom economen meer kennis moeten nemen van technologie
Piëzo-elektriciteit, voor een wereld die minder grondstoffen verbruikt
Kunnen kleine getijden-centrales ook een uitkomst bieden?