Energie – wat is het eigenlijk?
GERTJAN COBELENS
Artikel speciaal geschreven voor 4eco
.
Wat is het belang van energie?* Veel kernachtiger dan de Australische econoom Steve Keen kun je dat belang niet verwoorden: ‘Zonder energie is een machine een beeldhouwwerk, en degene die hem bedient een dooie.’*
Ons hele bestaan draait om energie. Toch denken we er zelden zo over na. Hebben we het in het dagelijks leven over energie, dan bedoelen we meestal de dragers ervan – de benzine in je tank, een windturbine op een dijk, een snack om vier uur ’s middags – niet het concept zelf.
Wat niet helpt is dat we voor verschillende vormen van energie verschillende meeteenheden gebruiken: voedsel ‘gaat’ in joules of calorieën, elektriciteit in kilowattuur (kWh), olie in vaten,* gas in kubieke meters, en daarnaast kennen we nog de British thermal units (Btu’s) en paardenkrachten om motorvermogen in uit te drukken. Daarmee wordt aan het zicht onttrokken dat we het in wezen steeds over hetzelfde hebben.
Dus wat is energie? Dat is een vraag die zich nog lastig laat beantwoorden. Ik ken de definitie uit mijn middelbareschooltijd nog: energie is het vermogen om arbeid te verrichten. Maar wat is dat vermogen dan en hoe ziet die arbeid eruit?
In zijn leerboek Energy Facts and Figures (1985) breekt Robert Romer zich het hoofd over een goede definitie van energie. Hoewel hij aangeeft dat hij niet echt een bevredigende oplossing voorhanden heeft, komt hij op het volgende uit: ‘Energie is een abstract, wiskundig concept dat ons in staat stelt om de verandering van materie te kwantificeren.’
Energie is dus niet iets wat je rechtstreeks kunt waarnemen. Je kunt alleen de effecten van die verandering van materie waarnemen. In het dagelijks leven kom je die effecten voortdurend tegen. Wanneer je je voeten de opdracht geeft een trap op te lopen, tillen ze je lichaamsmassa de lucht in en genereren ze warmte. Druk je het gaspedaal van je Tesla diep in, dan schiet een grote homp materiaal vooruit. En hou je je aansteker bij een sanseveria, dan verbrandt die, waarbij licht vrijkomt. Kortom, die verandering van materie uit zich in warmte, beweging of licht.
Zoals de Russische natuurkundige Lev Okum ooit zei: hoe basaler een natuurkundig begrip, hoe lastiger het zich in woorden laat vangen.
.
Het overgrote deel van de energie om ons heen zit opgesloten in een of andere vorm van materie: in water; in de chemische verbindingen van hout, steenkool of voedsel; in de warmste kamer in je huis. En je hoeft alleen maar langs een snelweg te gaan staan om te zien hoe de energie die in materie besloten zit in beweging wordt omgezet.
Robert Romer stelt ook dat het leven strikt genomen niet om energie draait, maar om de transformatie van de materie om ons heen. Een manier om dat te visualiseren is door te kijken hoeveel materie je moet verwerken om een bepaalde hoeveelheid energie op te wekken. Daarbij geldt dat hoe intenser de energie-interactie is, hoe minder materie je ervoor nodig hebt. Een energietransactie van 1 kWh (of 3,6 megajoule) correspondeert bijvoorbeeld met grofweg 10.000 ton water dat door een waterkrachtcentrale stroomt. Het correspondeert ook met de verbranding van 1 kilo fossiele brandstof en met de splitsing van 1 milligram uranium in een kerncentrale.
Hoe zit het nu met die arbeid uit mijn schoolboekendefinitie van ‘energie is het vermogen om arbeid te verrichten’? Simpel (en onvolledig) gesteld vindt die arbeid plaats wanneer iets in de materie om ons heen wordt veranderd. Dus energie, wat dat ook precies moge zijn, is datgene wat die verandering in die materie bewerkstelligt.
Volgens de wetten van de thermodynamica delen alle vormen van energie het vermogen om in warmte te worden omgezet. Daarom beperk ik die arbeid hier even tot het vermogen van energie om water te verwarmen (één kilocalorie staat gelijk aan het verwarmen van één liter water met één graad Celsius). Dat biedt ons namelijk een maatstaf om al die joules, calorieën, kilowatturen en Btu’s naar één eenheid om te rekenen. Tegenwoordig is die standaardrekeneenheid de joule.
De joule is trouwens vernoemd naar de Britse negentiende-eeuwse bierbrouwer James Prescott Joule, die zich in zijn vrije tijd met natuurkunde bezighield. Hij werd door ‘echte’ wetenschappers nogal eens met de nek aangekeken. Ze vonden hem een dilettant, een hobbyist. Dat belette hem echter niet om in 1849 de term thermodynamica te munten. Joule duidde daarmee de tak van wetenschap aan die de interactie tussen mechanische arbeid en warmte bestudeert.
De joule geeft de hoeveelheid energie weer die nodig is om een object te verplaatsen met een kracht van één newton (eenheid van mechanische kracht) over een afstand van één meter, wat weer gelijkstaat aan één wattseconde.
Dat de joule de standaardrekeneenheid voor energie is geworden, is wellicht de ultieme wraak van een briljante bierbrouwer.
.
Rond energie bestaat een reeks termen en concepten. In deze aflevering en de twee volgende bespreek ik een paar van de belangrijkste.
Om te beginnen zijn dat de begrippen kinetische energie (energie die afkomstig is van materie die in beweging is) en potentiële energie (energie die in materie opgesloten zit).
Kinetische energie of bewegingsenergie is recht evenredig aan de massa plus het kwadraat van de snelheid (E = 1/2MV2). Deze vergelijking betekent simpelweg dat hoe harder je op je fiets zwoegt, hoe groter de klap is wanneer je op een paaltje knalt. (Ik spreek uit ervaring.)
En potentiële energie is bijvoorbeeld de benzine in een autotank die niet in gebruik is, of het water in een afgesloten bergmeer, of de elektronen in een batterij die nergens mee verbonden is.
Potentiële energie kan in kinetische worden omgezet en andersom, al gaat dat altijd gepaard met een verlies aan energie, zoals de tweede wet van de thermodynamica voorschrijft. (Daarover gaat het in aflevering 5.)
Zo’n omzetting – of conversie – vindt plaats wanneer je in een automotor benzine verbrandt. De potentiële energie in de chemische verbindingen van de benzine worden dan omgezet in de kinetische energie van de beweging van de motor.
En omgekeerd geldt dat, wanneer je snelstromend rivierwater benut om een turbine aan te drijven, en je de elektriciteit van die turbine vervolgens gebruikt om er een accu mee op te laden, je de kinetische energie van de rivier omzet in de potentiële energie in de accu.
Energie bestaat in vele verschijningsvormen, maar die zijn allemaal te herleiden tot kinetische dan wel potentiële energie.
Tot de categorie kinetische energie behoren stralingsenergie (elektromagnetische energie, bijvoorbeeld zonlicht), thermische energie (oftewel warmte, het product van de beweging van atomen en moleculen binnen een substantie), elektrische energie (de stroom van minuscule geladen deeltjes door een draad) en geluid (hoorbare verandering van luchtdruk).
Tot de categorie potentiële energie behoren chemische energie (de energie die opgeslagen zit in de verbindingen tussen atomen en moleculen en die vrijkomt door een chemische reactie), kernenergie (de energie die opgeslagen zit in de kern van een atoom en die de kern bijeenhoudt) en gravitatie-energie (het effect van de aantrekkingskracht van twee voorwerpen met massa).
Er is trouwens nog een derde energiecategorie: ingebedde energie (embodied energy). Dat is de energie die ooit gebruikt is om een product te maken, of het nu een stoel, een fiets, of een wasmand is.
Alleen de categorie ingebedde energie is niet in staat om arbeid te verrichten.
.
Verder kennen we de term primaire energiebron. Zo’n primaire energiebron is bijvoorbeeld de straling van de zon, een waterval, of een portie fossiele brandstoffen. Primaire energie komt in de natuur voor en kan gebruikt worden om energiedragers – bijvoorbeeld elektriciteit, benzine of stoom – mee te creëren of op te wekken.
Daarnaast is er nog een nuttig concept, dat van exergie. Exergie is de hoeveelheid arbeid die we met een eenheid energie gedaan kunnen krijgen. Aangezien in een conversieproces een deel van de warmte altijd als restwarmte verloren gaat, is het soms zinnig om niet te kijken naar de bruto hoeveelheid arbeid die een energiedrager kan leveren, maar alleen naar de nuttige hoeveelheid (de totale hoeveelheid minus de restwarmte). Die restwarmte, dat nutteloze overblijfsel van het conversieproces, wordt wel anergie (of soms entropie) genoemd.
Naast de term energie wordt ook het begrip vermogen gebruikt. Vermogen verwijst naar het gebruik van energie per tijdseenheid. De energie die een led- of gloeilamp opsoupeert, drukken we uit in een eenheid van vermogen, de kilowatt. Dit vermogen kunnen we naar joules terugrekenen door het vermogen met de duur van het gebruik te vermenigvuldigen.
Dus een peertje van 100 watt verbruikt in een uur 100 wattuur (Wh) en dus in tien uur tijd 1000 Wh, oftewel 1 kilowattuur (kWh). Over een hele dag gemeten is dat 2400 Wh of 2,4 kWh, wat we kunnen herleiden naar 8640 kilojoule, wat weer hetzelfde is als de energie van grofweg een kwart liter olie.
Tot slot is er nog een belangrijk principe om in het oog te houden. Wil je dat je energie verandering kan bewerkstelligen of arbeid kan verrichten, dan gaat het strikt genomen niet om de hoeveelheid energie waarover je beschikt, maar om het verschil in concentratiegraad tussen de energiebron en de omgeving. Want alleen wanneer de concentratiegraad van een energiebron hoger is dan die van zijn omgeving kan energie arbeid verrichten.
Zonder krachten van buitenaf beweegt energie altijd van een hogere concentratiegraad naar een lagere (daarom wordt je koffie koud terwijl je dit zit te lezen). Dat wil niet zeggen dat die energie verloren gaat, alleen dat die geen arbeid meer kan verrichten.
Technisch gesproken kan er nooit zoiets als een energiecrisis bestaan, alleen een crisis in verschil qua concentratiegraad.
.
Thermo betekent warmte (of energie) en dynamica duidt op verandering. Thermodynamica is dus de studie van de transformaties die plaatsvinden wanneer energie of brandstof gebruikt wordt om verandering aan te brengen, of om arbeid te verrichten. In dit verband wil arbeid doorgaans zeggen dat iets verplaatst wordt: je benen bij het lopen, een fiets die voortrolt, water dat verdampt, chemicaliën die geconcentreerd worden, of koolstofdioxide die een groene plant ingaat, waarna er zuurstof uitkomt.
Voor onze doeleinden zijn de twee belangrijkste wetten van de thermodynamica de eerste en de tweede hoofdwet.
De eerste hoofdwet wordt ook wel de wet van behoud van energie genoemd. De eerste wet stelt dat energie niet verloren kan gaan, niet uit het niets kan ontstaan, maar dat energie slechts van vorm kan veranderen.
De potentiële energie die bijvoorbeeld ooit in een liter benzine heeft gezeten, maar die gebruikt is om met een auto vijf, zes kilometer een fikse heuvel op te rijden, is dus niet verdwenen maar omgezet in het momentum van de auto, in de toegenomen potentiële energie van een auto die zich bovenop een heuvel bevindt, in de toegenomen temperatuur van het asfalt waar de wielen het wegdek hebben geraakt en bovenal in de warmte die via de uitlaat aan de omgeving is afgegeven.
De tweede hoofdwet stelt dat in een geïsoleerd systeem de wanorde toeneemt, totdat een maximum bereikt is. Dit komt omdat wanorde veel waarschijnlijker is dan orde. Een gevolg is dat bruikbare energie gedeeltelijk verloren gaat, aangezien bij elke energieconversie een deel van de aanvankelijk hoogwaardige energie (dat wil zeggen, energie die in potentie arbeid kan verrichten) wordt veranderd in laagwaardige warmte, die nauwelijks boven de omgevingstemperatuur uitkomt.
Met andere woorden, de eerste hoofdwet stelt dat de hoeveelheid energie altijd constant blijft, de tweede dat die energie na verloop van tijd aan kwaliteit inboet.
Praktisch gesproken betekent dat dat we, naast de betrouwbare energie-input die we van de zon ontvangen, steeds nieuwe energiebronnen moeten zien te vinden om onze structuren – woningen, wegen, wijzelf – te creëren en te onderhouden.
De tweede hoofdwet wordt ook wel de entropiewet genoemd, een verschijnsel met enorme implicaties.
.
Zoals we in aflevering 2 over de transformatie van materie gezien hebben, associëren we veranderingen die in de natuur worden aangebracht met de besteding van energie. Uit de vorige aflevering over de wetten van de thermodynamica blijkt echter dat energie nooit verloren kan gaan. Hoe vaak je ook potentiële in kinetische energie omzet (of andersom), de totale hoeveelheid energie blijft altijd gelijk.
Als de totale hoeveelheid energie in het heelal constant is, en het heelal sinds het ontstaan wel voortdurend verandert, is de factor energie niet afdoende om al die veranderingen in het universum te verklaren. Daarvoor is een tweede factor nodig en die noemen we entropie.
Entropie gaat over orde en wanorde, over waarschijnlijkheid en onwaarschijnlijkheid, over willekeur en structuur, over regelmaat en onregelmatigheden in de verdeling van energie en materie. Entropie is een maat voor wanorde of willekeur binnen een natuurkundig systeem. Hoe hoger de entropie, des te gelijker materie en energie verdeeld zijn. Hoe lager de entropie, hoe meer verschillen er zijn. Cruciaal is dat moleculen de neiging hebben om zo willekeurig mogelijk verdeeld te zijn, dat wil zeggen om een zo hoog mogelijke entropie te vertonen.
In de praktijk betekent dit dat alles waarmee we in aanraking komen aan entropie onderhevig is. Alles om ons heen, wijzelf incluis, ‘ontaardt’ na verloop van tijd, het vervalt of wordt willekeuriger en minder geordend. Daarom moet je auto af en toe naar de garage, heeft je huis op gezette tijden een verfje nodig, bewaren we ons voedsel in een koelkast en moeten we onszelf voeden en soms bij de huisarts langs.
Auto’s, woningen, voedsel en wijzelf zijn allemaal voorbeelden van negatieve entropie of negentropie; het zijn voorbeelden van geordende structuren van moleculen die op zichzelf genomen zeer onwaarschijnlijk zijn. Leven kan alleen bestaan in de vorm van uiterst specifieke, geordende, niet-willekeurige samenvoegingen van moleculen die volkomen anders zijn dan de omgeving waarbinnen ze verkeren.
Maar ook al is de kans uiterst gering dat negentropie spontaan ontstaat, toch worden we er overal om ons heen mee omringt. Dat is voornamelijk het gevolg van processen van natuurlijke selectie die DNA hebben voortgebracht, en dat DNA onttrekt energie aan zijn omgeving en stopt die in het creëren, handhaven en reproduceren van leven.
Voor het ontstaan van negentropie is dus niet alleen energie nodig voor het organiseren en concentreren van moleculen, maar ook een plan (DNA) over welke vorm van (re)organisatie het beste werkt. En ook zo’n plan – DNA in het geval van leven, een handleiding in het geval van een auto – heeft weer energie nodig voor het maken van nieuwe biomassa, of een nieuwe uitlaat, rem of cilinderblok.
En voor ons heeft al dat gedoe maar één doel: onze genen de toekomst in katapulteren.
.
Zoals elke tekenfilmliefhebber weet, is het antwoord op de ultieme vraag over het Leven, het Universum en Alles niet 42 maar omelette du fromage.* Dus is het niet meer dan passend om het principe van entropie te verduidelijken aan de hand van een kaasomelet.
Zowel een kaasomelet als jijzelf zijn extreem onwaarschijnlijke, niet-willekeurige structuren van koolstof-, fosfor- en stikstofmoleculen, om er een paar te noemen, die ontwikkeld zijn door elementen en materialen – oorspronkelijk min of meer willekeurig over het aardoppervlak verspreid – aan de natuur te ontlenen en deze elementen en hun verbindingen in structuren te concentreren. En door energie in een plan te investeren, zijn deze elementen en materialen uitgegroeid tot boter, kaas en eieren en wat er verder nog allemaal in een kaasomelet gaat.
Is zo’n structuur, zoals een kaasomelet, eenmaal tot stand gebracht, dan moet er voortdurend energie aan haar worden toegevoegd om te voorkomen dat de materialen waaruit de structuren zijn opgebouwd een meer willekeurige vorm gaan aannemen en de structuur uiteenvalt en de kaasomelet oneetbaar wordt.
Bewaren we die kaasomelet in een koelkast, een apparaat dat energie gebruikt om de structuren van de omelet langer in stand te houden, dan blijft haar integriteit enige tijd bewaard. Maar trekken we de stekker uit het stopcontact, dan ontaardt die omelet al snel in een meer willekeurige en minder welriekende combinatie van organische resten. En trekken we de stekker uit onszelf door niet meer te eten, dan wacht ons uiteindelijk eenzelfde lot.
Net zo min als wij zonder voedsel kunnen, kan een auto blijven rijden zonder brandstof plus de energie die nodig is voor onderhoud en reparatie. En evenmin kan een moderne stad lang functioneren zonder elektriciteitscentrales en de energie die uiteenlopend onderhoudspersoneel in hun reparatiewerkzaamheden steekt. En deze regel gaat uiteindelijk ook op voor beschavingen als geheel.
De praktische les uit dit alles is dat het steeds weer noodzakelijk is om nieuwe energiebronnen aan te boren om de structuren waarover we beschikken – huizen, auto’s, beschavingen, onszelf – te creëren en te onderhouden. Dit weerspiegelt zich in de rekeningen van de huisschilder, de garage en het ziekenhuis, en in de belastingen die we betalen om onze woningen, onze auto’s, onszelf en onze wegen en bruggen te beschermen tegen de entropische natuurkrachten die er anders mettertijd voor zorgen dat de boel verpulvert.
Opmerkelijk genoeg blijkt het vaak noodzakelijk dat we de entropie verhogen om gebieden van negentropie te kunnen handhaven. Een koelkast gebruikt bijvoorbeeld hoogwaardige elektriciteit om laagwaardige en hoogentropische warmte te produceren teneinde de gewenste configuratie van de kaasomelet te handhaven. En om in leven te blijven nuttigt ieder van ons voedsel van een lage entropische waarde en zet dat om in hoogentropische warmte en afvalproducten.
En om dit stukje te schrijven is mijn bureautje van een zone van lage entropie in de hoogste staat van wanorde veranderd.
.
In zijn boek Energy Civilization (2011) rekent energie-expert Douglas Reynolds de lezer voor dat olie per joule grofweg acht keer duurder is dan steenkool. Toch is olie nog altijd de meest gebruikte energiebron. Kennelijk zijn energiebronnen niet allemaal gelijk geschapen en is de markt bereid om per joule een veel hogere prijs te betalen voor olie dan voor steenkool.
Dat prijsverschil komt voort uit de factor energiekwaliteit. Die kwaliteit kun je op verschillende manieren meten en vergelijken. Doorgaans gebeurt dat op basis van de energiedichtheid (het aantal joules) per gewicht en volume, de vermogensdichtheid, het netto energierendement en de staat van de energiebron.
We lopen deze manieren even langs.
De energiedichtheid per gewicht (MJ/kilo) geeft bijvoorbeeld aan dat diesel een dichtheid heeft van 48. Bij benzine is het 44, bij dierlijk vet 37, ethanol 26, steenkool 24, suiker 17, buskruit 3, lithium batterijen 0,5 en loodaccu’s 0,2. Hoe hoger de energiedichtheid, des te geschikter de energiebron is om bijvoorbeeld als brandstof voor transportdoeleinden te dienen.
Vermogensdichtheid is een door Vaclav Smil ontwikkeld criterium dat de hoeveelheid vermogen weergeeft die per vierkante meter landoppervlak geleverd wordt. Ook qua vermogensdichtheid scoort conventionele olie veruit het hoogst.
Een ander nuttig instrument om de kwaliteitsverschillen tussen verschillende energiebronnen inzichtelijk te maken is het netto energierendement, of EROI.* EROI is de afkorting van energierendement op investering. Het is een factor die de verhouding weergeeft tussen de energieopbrengst van een energiebron en de hoeveelheid energie die eerst in die output moet worden geïnvesteerd. Het EROI geeft aan welk deel van de energieopbrengst een economie vrijelijk kan besteden en welk deel ze weer in de energievoorziening moet stoppen voor de volgende opbrengst.
De afgelopen decennia heeft met name EROI-onderzoek een grote vlucht genomen. Over de implicaties – en de problemen – van dit onderzoek kom ik in artikel 6 van deze reeks nog uitgebreid te spreken. Hier beperk ik me tot de uitkomsten van een meta-analyse van EROI-waarden van Hall, Lambert en Balogh,* waaruit rolde dat het gecombineerde EROI van olie en gas grofweg 20:1 bedraagt; dat van schalieolie 7:1; van teerzandolie 4:1; van steenkool 45:1; van kernenergie 14:1; van waterkrachtcentrales 84:1; van windenergie (zonder opslag) 18-20:1; en van zonne-energie (zonnepanelen zonder opslag) 6-12:1.
Alle energie is gelijk, maar sommige net wat meer dan andere.
.
In de vorige aflevering noemde ik energiedichtheid, vermogensdichtheid en energierendement om de energiekwaliteit van een energiebron aan af te meten. Reynolds maakt ook nog onderscheid tussen de verschijningsvormen van energie. Deze noemt hij energiestaten.
Van hoog naar laag zijn de energiestaten: vloeibaar (olie), gasvormig (aardgas), vast (hout, steenkool, teerzand, olieschalie) en een drukveld (windenergie) of stralingsveld (kernenergie/zonne-energie).
Een handige vuistregel is dat conversie van een lagere staat naar een hogere altijd gepaard gaat met een conversieverlies en dus een lager EROI. Daarbij geldt dat hoe meer stappen je de energiestaat opkrikt hoe groter het conversieverlies is.
Reynolds verdoezelt hierbij een beetje dat druk- of stralingsvelden weliswaar weinig geschikt zijn om in een hogere energiestaat te converteren – wat meteen verklaart waarom het zo lastig is om overtollige wind- of zonne-energie zonder een aanzienlijk conversieverlies op te slaan – maar er heel goed in slagen om elektriciteit op te wekken. En elektriciteit is de hoogste en dus ook duurste vorm van energie die we kennen. Probeer je laptop of smartphone maar eens rechtstreeks op steenkool of olie te laten draaien.
Het punt blijft dat uiteenlopende energiebronnen niet zomaar inwisselbaar zijn. Dat geldt trouwens ook voor verschillen binnen dezelfde energiestaat. Het is best mogelijk om bijvoorbeeld extreem lichte onconventionele schalieolie (of tight oil) in conventionele olie te converteren, maar opnieuw lukt dat niet zonder een conversie- en EROI-verlies.
Iets dergelijks gaat ook op voor het Groningse gas. Groningengas is laagcalorisch, dat wil zeggen dat het relatief veel stikstof bevat (14 procent). En omdat stikstof geen energie bevat is de hoeveelheid energie in een kuub Groningengas beduidend lager dan die in de meeste andere (hoogcalorische) gasvelden. In Nederland is de hele gasinfrastructuur gebouwd op laagcalorisch gas. Willen we overstappen op hoogcalorisch gas dan moeten we ofwel de complete gasinfrastuctuur ombouwen of vervangen, of ettelijke honderden miljoenen euro’s investeren in de conversie van hoogcalorisch gas naar laagcalorisch. Met een lager EROI op de koop toe.
Het probleem dat je energiebronnen niet naar believen kunt substitueren, heeft Reynolds de wet van de afnemende substitutie-elasticiteit gedoopt.
Reynolds ziet hierin de verklaring waarom bijvoorbeeld kernenergie haar belofte nooit heeft ingelost. De grote energiedeskundige Leslie White verwachtte bijvoorbeeld lange tijd – net als velen met hem – dat de westerse beschaving een progressie zou doormaken naar steeds hoogwaardigere energiebronnen, met kernenergie als eind- en hoogtepunt. Daarbij rekende hij volgens Reynolds echter buiten het belang van de factor energiestaat. Niet alleen spelen afvalproblemen en potentiële kernrampen deze technologie parten, ook is ze economisch nooit echt rendabel geworden.
Regel één uit het handboek voor de energie-investeerder: kijk uit met investeringen in energiebronnen die je van een lagere staat naar een hogere moet opkrikken.
.
Het idee dat er zoiets als een afnemende substitutie-elasticiteit bestaat, is vloeken in de kerk van het neoklassieke economisch denken over grondstoffen. Dat economisch denken gaat ervan uit dat het prijsmechanisme potentiële grondstoffenproblemen altijd in de kiem zal smoren. Immers, wordt een grondstof schaars, dan stijgt de prijs net zolang totdat lastiger te winnen voorraden economisch rendabel worden, of totdat een andere grondstof, die in een zelfde behoefte voorziet, relatief goedkoper wordt.
De instrumenten aan de hand waarvan dit proces verloopt heten substitutie, innovatie en efficiency. Gezamenlijk zorgen deze drie ervoor dat dit proces – volgens neoklassieke economen – eeuwig kan voortduren. De theorie zegt weliswaar niets over de kwaliteit van het substituut, maar dat zou ook niets mogen uitmaken, aangezien de constante stroom van innovaties en efficiencyverbeteringen er voor zorgen dat het substituut vanzelf rendabel wordt. (Efficiency komt in aflevering 12 en 13 aan bod.)
Dit proces werkt heel goed wanneer het substituut van gelijke of betere kwaliteit is dan het origineel. Dat is ook de reden dat grondstoffeneconomen het tot nog toe grosso modo bij het rechte eind hebben gehad. Maar in de praktijk blijkt dat zodra je op een mindere kwaliteit overstapt er een perpetuum mobile in de theorie verstopt zit. Innovatie en efficiency zorgen er weliswaar voor dat het substituut rendabel wordt, maar ze kunnen niet verhinderen dat elke neerwaartse stap een grotere energie-investering met zich meebrengt. En voor het opwekken van die extra energie hebben we weer meer grondstoffen nodig – bijvoorbeeld staal voor windturbines of voor boorplatformen en pijpleidingen. En aangezien de kwaliteit van ijzererts almaar verder terugloopt, moet er dus meer energie gestopt worden in de winning ervan. En daarvoor hebben we weer meer grondstoffen nodig… insteken, doorhalen, af laten glijden.
Kortom, met elk treetje dat we de ladder van de grondstoffenkwaliteit afdalen, moeten we meer energie steken in de winning ervan. Anders gezegd, elke neerwaartse stap gaat gepaard met een verborgen energiebelasting. Op termijn leveren grondstoffen dus meer kosten op zonder enig extra profijt; een klassiek voorbeeld van afnemende meeropbrengsten.
Het negeren van energie in het economisch proces leidt tot productievergelijkingen en groeimodellen die als perpetuum mobile functioneren, maar economen hebben dat niet door.
.
Er zit aan energiesubstitutie ook een harde grens ingebouwd.* In aflevering 9 over energiestaten zagen we al met welke consequenties die substitutie gepaard gaat. Maar er speelt nog iets fundamentelers: zodra de winning van een energiebron meer energie kost dan ze aan energie oplevert, houdt die energiebron op een energiebron te zijn.
Verder speelt bij de energiesubstitutie een proces dat wel entropiesubsidie wordt genoemd. Dit effect wil simpelweg zeggen dat een goedkopere primaire energiebron van een hogere kwaliteit de kosten van een duurdere energiebron van een lagere kwaliteit kunstmatig laag houdt. Met als gevolg dat wanneer je de goedkopere primaire bron vervangt door een duurdere secundaire de kosten van die laatste onevenredig snel stijgen en al snel onbeheersbaar worden.
Een voorbeeld hiervan, maar dan net een beetje anders, zijn de pogingen om in de jaren zeventig en tachtig van de vorige eeuw in de Verenigde Staten een grootscheepse olieschaliewinning op poten te zetten. (Olieschalie niet te verwarren met schalieolie of tight oil.)
In 1971 bracht het US Bureau of Mines een kostenanalyse uit waarin berekend werd dat olieschalie tegen een kostprijs van 3,74 dollar per vat in conventionele olie kon worden omgezet. De olieprijs dat jaar bedroeg 3 dollar het vat, dus voor een luttele 74 dollarcent extra kwamen in één klap een onvoorstelbare 3 biljoen vaten olie (de toenmalig bekende olieschaliereserves in de Verenigde Staten) binnen handbereik. De timing had niet beter gekund, want 1971 was ook het jaar waarin de conventionele Amerikaanse oliewinning zijn piek zou bereiken.
Om de energiezekerheid op de lange termijn veilig te stellen, strooide de Amerikaanse overheid subsidies rond om de technische hobbels uit de weg te ruimen. Maar toen de Unocal Oil Company in 1983 eindelijk klaar was voor een groot proefproject bleek er iets vreemds aan de hand. De kosten waren inmiddels enorm gestegen. Uiteindelijk wist Unocal de overheid zover te krijgen een gegarandeerde prijs van 60 dollar per vat te betalen. (Dat was voor inflatie gecorrigeerd zo’n 7 keer de aanvankelijke kostprijs.) Maar zelfs tegen die prijs bleek de winning niet rendabel te krijgen.
Wat was er gebeurd? Twee oliecrises, dat was er gebeurd. Daardoor was de olieprijs van 3 dollar begin jaren tachtig gestegen naar 32 dollar het vat. Die hoge olieprijs had volgens de neoklassieke substitutietheorie tot een naadloze overgang moeten leiden. Maar in de praktijk luidde die hogere prijs juist het einde in van olieschalie als rendabel substituut.
Men was vergeten mee te wegen dat de conversie van olieschalie, een gesteente dat eerst gedolven en vervolgens tot hoge temperaturen verhit moet worden, niet alleen enorm energie-intensief is, maar ook dat een hogere olieprijs de kosten in de hele productieketen opstuwt – van de aanleg van de benodigde infrastructuur tot de aanschaf van machines tot hogere arbeidskosten.
Zodra grondstoffen van een hoge kwaliteit voor die van een lage kwaliteit worden gesubstitueerd, treedt er een proces van afnemende meeropbrengsten in werking.
.
Naast substitutie (aflevering 10 en 11) is efficiency een belangrijke pijler onder de overtuiging dat grondstoffenschaarste te allen tijde ondervangen kan worden en dat economieën oneindig kunnen blijven doorgroeien.* Het idee erachter is dat we met het verhogen van de efficiency van het grondstoffengebruik en met de geleidelijke introductie van een circulaire economie de economische groei kunnen loskoppelen van de exploitatie van grondstoffen en de bijbehorende milieuschade.
Het boek Material matters (2016) van Thomas Rau en Sabine Oberhuber geeft een goed inzicht in wat er op dit gebied wel allemaal mogelijk is.
Bij de beantwoording van de vraag of grondstoffen- en energiegebruik zich van economische groei laat ontkoppelen, speelt om te beginnen een theoretische kwestie. In de neoklassieke groeivergelijkingen spelen grondstoffen en energie een bescheiden bijrol als onderdeel van de functie kapitaal(goederen). In die visie is hun verbruik dus een gevolg van economische groei, niet een oorzaak ervan.
En aangezien grondstoffen- en energiegebruik niet nodig zijn om economische groei te verklaren, is ontkoppeling theoretisch gezien een fluitje van een cent, omdat die koppeling op voorhand al niet of nauwelijks bestaat.
In het laatste artikel in deze reeks zal ik proberen te laten zien dat in werkelijkheid precies het omgekeerde het geval is: dat er een hecht en causaal verband bestaat tussen energieverbruik en economische groei, en dat ontkoppeling in de praktijk heel moeilijk is.
Beperken we die ontkoppeling hier tot het energieverbruik, dan valt voor het idee op het eerste gezicht heel wat te zeggen. Verschillende OESO-landen zijn erin geslaagd hun energie-efficiency dusdanig op te voeren dat hun economische groei niet langer gekoppeld is aan de groei van hun energieverbruik. Met andere woorden, deze landen hebben steeds minder energie nodig om een eenheid bbp te genereren.
Het US Energy Information Center heeft voor de Amerikaanse economie berekend dat de energie-input per geproduceerde dollar aan economische waarde sinds 1980 met 40 procent is gedaald en dat de energie/bbp-ratio sinds 1973 elk jaar met gemiddeld 2,8 procent is afgenomen.*
Toch blijkt dat beeld bij nadere inspectie minder rooskleurig. Voor wat betreft de jaren zeventig hangen die efficiencyverbeteringen rechtstreeks samen met twee oliecrises en het op energiebesparing gerichte beleid van president Carter. Maar na 1980 heeft die verbetering alles te maken met de uitbesteding van de zware industrie naar lagelonenlanden. Tel je de energie die in de import zit ingebed bij het totale verbruik op, dan blijft er van de daling van de energie-intensiteit weinig over.* Ook heeft de daling van de energie/bbp-ratio zich lang niet in alle OESO-landen voorgedaan. Vaclav Smil laat bijvoorbeeld zien dat deze in Japan tussen 1995 en 2005 met 10 procent gestegen is.*
Je kunt pas iets ontkoppelen als je snapt hoe de koppeling in elkaar steekt.
.
In zijn boek Einde aan de groei (2013, kijk bij de Paradigmaserie) duikt Richard Heinberg diep in deze veronderstelde ontkoppeling tussen energieverbruik en economische groei. Hij laat zien dat deze ontkoppeling op dit moment nog op wensdenken berust.
Ik noemde al de uitbesteding van de zware en vuile industrie naar landen als China, die alleen op papier winst oplevert. Maar, zo stelt Heinberg, de gemeten daling hangt vooral samen met een verschuiving in de kwaliteit van de energie die gebruikt wordt, met name in een verschuiving van steenkool naar gas, olie en elektriciteit. Corrigeer je het totaalgebruik voor deze verschuiving,* dan verdwijnt ook de daling van de energie-intensiteit van de Amerikaanse economie en ontstaat er een beeld dat duidt op een veel sterkere samenhang tussen energieverbruik en economische groei.
Deze correlatie wordt bevestigd door het onderzoek van James Hamilton,* dat laat zien dat alle recessies in de Amerikaanse economie van de afgelopen veertig jaar vooraf zijn gegaan door schokken in de olieprijs.
Figuur 1: In de Amerikaanse economie is er een duidelijke correlatie tussen piekende olieprijzen en economische recessies.
Daarnaast stelt Heinberg, dat efficiencyverbeteringen uiteraard lovenswaardig zijn, maar dat het weinig realistisch is om te verwachten dat die én tot besparingen én tot nieuwe economische ontwikkeling leiden. Hij geeft daarvoor verschillende argumenten.
Ten eerste zijn efficiencyverbeteringen onderhevig aan afnemende meeropbrengsten. De verbeteringen met de laagste kosten en de grootste impact worden als eerste doorgevoerd. Daarna stijgen hun kosten en dalen hun besparingswinsten.
Ook hebben efficiencyverbeteringen soms een ingebouwde grens waarboven verbetering niet meer mogelijk is. Dit is bijvoorbeeld het geval bij de ledlamp. De maximale theoretische efficiëntie die met de productie van wit licht met elektriciteit kan worden behaald, bedraagt ongeveer 300 lumen per watt. Dit wil zeggen dat de efficiency van de ledlamp nog maximaal verdrievoudigd kan worden.
Efficiencyverbeteringen kunnen voorts gepaard gaan met rebound-effecten. Met het rebound-effect wordt bedoeld dat de daadwerkelijke energiebesparing van een efficiencyverbetering kleiner is dan de potentiële besparing.* Een bekend voorbeeld is dat mensen zuinige led-lampen doorgaans langer en vaker laten branden dan energieverslindende peertjes, waardoor een deel van de efficiencywinst weer verloren gaat.
Tenslotte kunnen energiebesparingen ‘weglekken’, bijvoorbeeld wanneer iemand de lagere energiekosten dankzij een verbeterde isolatie van de woning gebruikt om een verre vliegreis te boeken. Om die reden stelt Ted Trainer* dan ook dat efficiencyverbeteringen alleen zin hebben binnen een context waarin de consument van de noodzaak doordrongen is en er actief aan meewerkt.
Een wetenschappelijk artikel uit 2016 van James Ward et al. gaat nog een stap verder. Het model van deze studiegroep is een afgeleide van het klassieke IPAT-model (IPAT staat voor: impact = bevolking x welvaart x technologie). De conclusie is dat het bijzonder onwaarschijnlijk is dat een ontkoppeling van bbp-groei en het energie- en grondstoffenverbruik ook op de lange termijn stand zal houden. En dat economische groei dus per definitie eindig is.*
Ontkoppeling van energieverbruik en economische groei is het streven waard, maar het blijft bij streven zolang we in onze bbp-verslaving gevangen zitten.
.
Het klopt dus dat sommige landen – Duitsland, het Verenigd Koninkrijk – erin geslaagd zijn hun energieverbruik in absolute termen, in elk geval tijdelijk, substantieel te verlagen. Maar het energieverbruik van de wereld als geheel stijgt elk jaar nog steeds met zo’n 2,4 procent, twee keer zoveel als de bevolkingsgroei. En het verbruik in de EU, waar de strengste efficiencyregelgeving ter wereld bestaat, lag in 2015 maar een fractie onder dat van 2000, een minimale verlaging die geheel op het conto van de economische crisis van 2008 en haar nasleep kan worden geschreven.
Hoe valt deze minieme afname te rijmen met de forse efficiency-ambities van de EU van 20 procent in 2020 en 30 procent in 2030? Chris De Decker gaat in een artikel op de site Lowtech Magazine uitgebreid op deze vraag in.*
Het heeft volgens De Decker niet alleen te maken met de in de vorige aflevering genoemde rebound- en weglekeffecten, maar ook met het EU-beleid zelf, waarin een soort parallel universum wordt opgetrokken. Die eis van 20 procent energiebesparing in 2020 geldt namelijk niet het daadwerkelijke energieverbruik, maar het geraamde verbruik. De besparingen worden dus niet gemeten in termen van verminderd energieverbruik maar van in gedachten vermeden energieverbruik. En het concept van vermeden energieverbruik stelt je in staat, zo schrijft De Decker, om je besparingseis te halen door simpelweg een optelsom te maken van alle niet-verbruik van niet bestaande energie (omdat die vermeden is en dus niet hoeft te worden opgewekt), zonder ooit tot een absolute daling te hoeven komen.
Een tweede probleempijler onder het EU-beleid is dat de besparingen uitsluitend binnen vergelijkbare energiediensten worden berekend. De rekenmeesters van de EU kunnen je tot op de joule precies vertellen hoeveel energie bespaard wordt wanneer iedereen de zuinigste wasdroger gebruikt, maar niet wat de besparingseffecten zijn wanneer we onze kleren aan een waslijn drogen. De Energieraad weet exact wat de effecten zijn wanneer we op zuinigere auto’s overstappen, maar niet wat het gevolg is wanneer we de auto laten staan en de fiets nemen.
Het probleem van het uitsluitend vergelijken van soortgelijke energiediensten is dat je mikt op een eeuwig business as usual, maar dan steeds een tandje zuiniger, zonder je af te vragen of sommige diensten of producten – terrasverwarming, om eens iets te noemen – niet simpelweg overbodig zijn of hoe dan ook te veel energie verbruiken.
Daar komt bij dat maar een klein deel van alle techniek die ontwikkeld wordt gericht is op energiebesparing. Het overgrote deel wakkert het verbruik juist aan door menselijke arbeid of inspanning met machines te vervangen. Die machines kan je vervolgens proberen zuiniger te maken, maar in sommige gevallen is geheel van hun gebruik afzien heel wat effectiever.
Dus: Energie-efficiency leidt niet tot minder maar tot meer energiegebruik, en dat is niet vanwege een of andere paradox maar omdat dat in het concept besloten zit.
In het volgende artikel behandel ik de metafoor van de energieslaaf om te laten hoezeer industriële samenlevingen afhankelijk zijn van de arbeid die door (fossiele) energie wordt verricht.
In deze lange en soms lastige reeks hebben we gezien dat alles letterlijk staat of valt bij gratie van energie. En dat er heel wat vraagtekens zijn te plaatsen bij de aanname van het gevestigde economische denken dat we dankzij substitutie, innovatie en efficiency tot in het oneindige naadloos van de ene energiebron naar de andere kunnen hoppen. Of dat we economische groei probleemloos van ons energieverbruik kunnen loskoppelen.
