batterijenDe publieke discussie over duurzame energie richt zich met name op energie bronnen. Maar de ontwikkeling van energieopslag verdient meer aandacht.

Momenteel is duurzame energie en de energietransitie weg van de fossiele brandstoffen een ‘hot-topic’. Het gros van de discussie gaat over de ontwikkeling van zonne-energie, windenergie, kernenergie en biobrandstoffen. Vanuit het oogpunt van fundamenteel onderzoek liggen de problemen niet in de ontwikkeling van de hierboven genoemde energiebronnen, maar in de opslag danwel het transport van energie.

Wat valt er te halen uit zonne- en windenergie?
Als het in het publieke debat over innovatie op gebied van duurzame energie gaat betreft dit vaak betere zonnecellen of efficiëntere windmolenparken. Maar relatief valt daar weinig te halen. Hier een rekenvoorbeeld: de efficiëntie van een zonnecel is te berekenen door de hoeveelheid lichtenergie die op de cel valt te vergelijken met de hoeveelheid elektrische energie die de cel oplevert. State-of-the-art zonnepanelen halen tegenwoordig een efficiëntie waarbij ongeveer 40% zonne-energie in elektriciteit wordt omgezet. Aangezien het maximum haalbare is dat alle zonne-energie omgezet wordt in elektriciteit valt er dus een factor 2.5 te winnen. Voor windmolens is het maximum haalbare niet om 100% van de windenergie om te zetten in elektriciteit (dit zou als het ware een muur opleveren die de wind compleet stopt waardoor de windmolen ook niet meer draait). Het theoretische maximum is ongeveer 60% omzetting. De beste windmolens kunnen in optimale omstandigheden nu al een efficiëntie van ongeveer 45% halen, kortom: er valt nog geen factor 2 te winnen.

Beter dan benzine
Kortom, bij de huidige technologieën voor wind en zonne-energie valt niet veel te winnen en daarnaast is de kwaliteit van de technologie al genoeg om de hele wereld van energie te voorzien. Mits de zonnecellen in de Sahara staan en de windmolens ver de zee op. In beide gevallen zou een vorm van energie opslag met een hoge energie-dichtheid (dat wil zeggen veel kilowattuur per kilogram), misschien zelfs hoger dan die van benzine, grote impact kunnen hebben.  Momenteel is het tenslotte economisch rendabel tankers de hele wereld rond te laten varen met olie. Met een andere vorm van opslag met een hoge energiedichtheid zou dat ook kunnen, een ‘batterijtanker’.

Twee miljard keer efficiënter dan benzine
Maar hoeveel valt er te winnen in energieopslag? Voor benzine is de energiedichtheid ongeveer 13kWh per kilogram. Dit getal zegt misschien niet zoveel, maar het vergelijken met andere technologieën geeft inzicht.  De meest geavanceerde commerciële batterijen (lithium-ion batterijen met nanotechnologie) hebben een energiedichtheid van 0.7 kWh per kilogram, kortom, een factor 18 minder dan benzine. Vanuit de fundamentele natuurkunde gezien wordt de theoretische maximaal haalbare energie dichtheid gegeven door de bekende formule E=mc2. Dit komt overeen met ongeveer 25000000000 kWh per kilogram, twee miljard keer efficiënter dan benzine!

Een bescheiden vooruitgang
Uiteraard is dit veel meer science fiction dan werkelijkheid om een (veilige) technologie te ontwikkelen die dat in een batterij kan krijgen. Maar het is wel een heel belangrijk gegeven dat er fundamenteel veel ruimte voor verbetering is. En deze ruimte is er niet in ontwikkeling van wind-energie of zonne-energie. Een factor twee miljard is niet nodig: een factor honderd verbetering zou al de energie-opslag van benzine ruimschoots overtreffen.

Het ontwikkelen van zo’n nieuwe energieopslag technologie is erg vaag: hóe deze technologie eruit moet zien is compleet onduidelijk. Daardoor is het te risicovol voor commerciële bedrijven om erin te investeren. De ontwikkeling van energieopslag vanuit een fundamenteel oogpunt is daarom meer geschikt om door de overheid gesubsidieerd te worden. En vice versa is het bedrijfsleven beter uitgerust om onderzoek naar extra procenten uit te voeren omdat daar een concreter doel is waarbij economische aspecten een belangrijke rol spelen.

Kan dit wel?
Gericht, maar wel zo breed mogelijk, wetenschappelijk onderzoek lijkt dus een plek waar resultaten te halen vallen. Maar kun je wel investeren in iets onbekends? Een goed voorbeeld waarbij dit soort doelgericht fundamenteel onderzoek tot een succesvol commercieel product heeft geleid is de ontwikkeling van de transistor in Bell Labs. In de jaren ‘40 was het beleid van Bell Labs om een schaalbare variant te vinden voor elektronenbuizen (de basis van elektronische versterkers destijds) omdat deze te bewerkelijk en dus te duur waren om te maken. Op vele vlakken werd fundamenteel onderzoek gedaan, wat uiteindelijk leidde tot de transistor, de basis van alle hedendaagse elektronica. Dat dit onderzoek uiteindelijk op de transistor uit zou komen wist niemand destijds. Maar de technologische consequenties van dit doelgericht fundamenteel onderzoek zijn immens gebleken.  Substantiële investeringen in fundamenteel onderzoek naar energieopslag kan de ‘transistor’ van de 21e eeuw worden. Daarmee zou het probleem van duurzame energie in één klap opgelost kunnen worden.

Dit stuk verscheen ook op de opiniepagina van de Volkskrant