Gaan synthetische brandstoffen echt de benzinemotor redden? Dit is de (pijnlijke) waarheid

Vroeg in de twintigste eeuw is een Amerikaanse astronoom, Percival Lowell geheten, vijftien jaar van zijn leven bezig geweest om de mensheid ervan te overtuigen dat hij kanalen had ontdekt op Mars. Hij was er rotsvast van overtuigd dat er intelligent buitenaards leven was, en schreef een hele serie boeken waarin hij uitlegde dat de vage patronen die hij door zijn Victoriaanse telescoop op het oppervlak van Mars had ontwaard, zonder enige twijfel aantoonden dat de rode planeet ooit was gekoloniseerd door een stam enthousiaste kanaalbouwers.

Lowell was niet helemaal van lotje getikt. Hij was een zeer gerespecteerd wiskundige en wetenschapper, en zijn astronomische research zou later leiden tot de ontdekking van de planeet Pluto. Maar zijn wanhopige verlangen om zijn magere bewijs te koppelen aan zijn hypothese van ‘slimme aliens’, om datgene te bewijzen wat hij zó graag waarheid wilde laten zijn, leidde ertoe dat hij zijn kritische blik kwijtraakte en, nou ja, simpelweg meneer ‘kanalen op Mars’ werd.

De eFuels vallen in de smaak bij autoliefhebbers

Op het gebied van eFuels – door de mens gemaakte, CO₂-neutrale vloeibare brandstoffen waar elke benzine- of dieselauto zonder aanpassingen op kan draaien – zou het zomaar kunnen dat we allemaal een beetje Percival Lowell zijn geworden. En met ‘we’ bedoelen we dan mensen die houden van verbrandingsmotoren: het geluid, de opwinding, het gemak, het feit dat ze niet tot vervelens toe elke anderhalf uur opgeladen moeten worden.

De belofte van een technologie die ons in staat stelt om onze heerlijke, luidruchtige, opwindende motoren te behouden, maar dan zonder enig schuldgevoel of compromis – klinkt het niet allemaal, nou ja, een beetje té perfect? Bestaat het risico dat we ons gezond verstand maar even op pauze zetten, de bewijzen in ons voordeel uitleggen, omdat we zo ont-zet-tend graag willen dat het allemaal waar is? Dat deze brandstoffen de zilveren kogel tegen de elektrische vampier zijn?

Paddy Lowe zit in de synthetische brandstoffen

In de zoektocht naar degelijke antwoorden kwamen we uit bij Paddy Lowe, de voormalige Formule 1-ingenieur die nu strijdt in de voorhoede van de eFuels. Na drie decennia F1-auto’s bouwen die een dozijn wereldtitels binnenhaalden, en alles bij elkaar meer dan 150 races wonnen voor Williams, Mercedes en McLaren, heeft Lowe in 2020 Zero Petroleum opgericht, een start-up voor synthetische brandstoffen met als thuisbasis Bicester, in het Britse Oxfordshire.

Maar er is iets wat je moet weten over Paddy Lowe. Het kan Paddy Lowe namelijk niet zoveel schelen of jij je afgetrapte Honda S2000 nog een paar jaar op de weg kunt houden. ‘Luister, ik ben dol op motoren’, geeft hij toe. ‘Verbranden vinden we allemaal prachtig. Dat is iets heel menselijks. Verbrandingsmotoren zijn opwindend. Maar ik doe dit alles niet vanuit een emotioneel oogpunt, om de benzineauto te redden of zoiets. We maken geen eFuels om de motoren te redden.’

Waarom komen er dan eFuels als het niet is om de motor te redden?

Maar waarom, als het niet is om de V8 van de ondergang te redden, doet Lowe dan zo zijn best om eFuels tot een realiteit te maken? ‘Omdat je niet alles kunt elektrificeren’, zegt hij. ‘Als je iets elektrisch kunt maken, prima. Ik vind elektrische auto’s leuk. Maar er zijn veel dingen op deze wereld die je letterlijk niet elektrisch kunt maken. Of waarvoor dat economisch niet haalbaar is.’

Zoals? ‘Het simpelste voorbeeld is wel een vliegtuig. Je kunt een elektrisch vliegtuigje maken dat één persoon een kilometer of 15 kan vervoeren. Maar een passagiersvliegtuig ís niet te elektrificeren. Hij stijgt gewoon niet op, omdat ie 50 keer zo zwaar zou zijn [als een vliegtuig op brandstof].’

Je gaat nooit vliegen met batterijen

Maar goed, accutechnologie wordt nog altijd met het jaar verbeterd. De energiedichtheid van de accu’s van elektrische auto’s is in de afgelopen tien jaar verdubbeld, min of meer. Als dat proces doorgaat, komt een Boeing op batterijen dan niet in zicht? Nou nee, zegt Lowe.

‘Ja, de accutechnologie wordt beter en beter, maar tot dat punt zal het nooit komen. Dat is fundamentele natuurkunde. In een elektrische batterij sla je elektronen op. En die elektronen zijn verbonden met zware moleculen. Dat is “dood gewicht” dat er alleen maar is om die elektronen te kunnen laten bewegen.

‘Maar de verbranding van koolwaterstof gaat om een dramatisch andere dichtheid van energie. Misschien zijn er dingen die we nog niet weten, maar als je praat met scheikundigen of natuurkundigen, zijn ze het er allemaal over eens: batterijen gaan nooit de energiedichtheid van moleculaire energie behalen.’

Oké, en waterstof dan? ‘Als je een Airbus A320 op waterstof zou bouwen, dan zou je door de businessclass lopen, het gordijntje opentrekken naar economy en daar een waterstoftank aantreffen. Waterstof heeft geen hoge energiedichtheid.’

eFuels heeft genoeg energie per liter

En dat, zegt Lowe, is precies waar het bij eFuels om gaat. Niet om wat teerbeminde antieke technologie te behouden, maar omdat de fysica en chemie dicteren dat koolwaterstoffen, qua ruimte en gewicht, de enige manier zijn om onze meest energieslurpende voertuigen (vliegtuigen, schepen, landbouw, industriële mijnbouw) te voorzien van de energie die ze nodig hebben. Dit even afgezien van nucleaire energie, maar dat is een heel ander verhaal.

Dus, hoe maak je die synthetische brandstoffen precies?

Allereerst zul je de ‘ruwe’ ingrediënten moeten hebben, en die zijn gratis en zo goed als onuitputtelijk: lucht en water. Wat je verder nodig hebt – als je tenminste wilt dat die synthetische brandstof ook daadwerkelijk CO₂-neutraal is – is een schone energiebron: wind, zon, waterkracht.

Om het proces op gang te brengen, gebruik je die energiebron om het water te electrolyseren, waarmee je het splitst in waterstof en zuurstof. De waterstof hou je, de zuurstof doe je weg. ‘Nu heb ik dus mijn waterstof’, legt Lowe uit. ‘Het andere molecuul dat ik nodig heb, is koolstof, en dus haal ik CO₂ uit de lucht via een techniek die Direct Air Capture[DAC] heet.’

Vervolgens worden de waterstof en koolstof via een chemisch proces aan elkaar gekoppeld, waarna je vloeibare koolwaterstoffen overhoudt – via een ingewikkelde serie aan reacties die bekend is als het Fischer-Tropsch-proces. Dit is geen nieuwe technologie; Fischer-Tropsch werd een eeuw geleden in Duitsland ontwikkeld om kolen in vloeibare brandstof om te zetten.

Het proces wordt steeds beter

Maar het is de laatste jaren door Zero en anderen wel fijngeslepen met het oog op de ontwikkeling van e-brandstof. ‘We hebben een eigen proces ontwikkeld dat we “Direct FT” noemen, dat veel beter presteert dan het klassieke Fischer-Tropsch’, vertelt Lowe. ‘We zijn nu in staat om die twee moleculen samen te brengen om een brandstof op raffinaderijniveau te maken.’

Als je je vers gebrouwen e-fuel vervolgens verbrandt – in je vliegtuig, mammoettanker of Opel Corsa – is de koolstofdioxide die uit je uitlaat komt dezelfde die je gebruikte om de brandstof te maken. Heuse CO₂-neutraliteit, derhalve.

Op dit moment maakt Zero Petroleum kleine hoeveelheden synthetische brandstof in de Zero.1-onderzoeksfabriek, waarbij het energie gebruikt die van de zonnepanelen op het dak komt. Lowe omschrijft de huidige productie als ‘ééncijferige hoeveelheden liters per dag’, maar zegt dat de fabriek in 2025 naar tientallen liters per dag zal opschalen en vervolgens ‘potentieel honderden’.

De eFuels zijn een bewezen idee

Waarmee de opwarming van de aarde niet direct is opgelost. Maar het punt is: synthetische brandstof is dus geen science­fiction-droom zoals de perpetuum mobile of koude kernfusie. Het wordt nu gemaakt, er zijn nu machines die erop draaien (zij het niet veel, en niet voor lang). Synthetische brandstof werkt, wetenschappelijk gezien tenminste. De vraag is: werkt het ook in economische zin?

Synthetische brandstoffen vergen enorm veel energie om te produceren. Als je een kilowattuur aan energie in je elektrische auto stopt, zal die je ongeveer 5 kilometer ver brengen. Maar als je diezelfde kilowattuur gebruikt om synthetische brandstof voor in je benzineauto te maken, zul je daarop aanzienlijk minder ver komen. Je hebt energie nodig om de waterstof uit je water te halen, plus nog meer energie om de koolstof uit de lucht te halen, plus nog veel meer om je waterstof en koolstof samen te brengen om koolwaterstoffen te maken.

eFuels zijn nooit 100% efficiënt

‘Ongeveer 45 procent van de energie die wordt geleverd door de zonnepanelen eindigt als chemische energie in onze brandstof’, geeft Lowe toe. ‘Je raakt dus zo’n 55 procent kwijt. Maar als we de technologie verder kunnen ontwikkelen en verbeteren, zal die inefficiëntie verminderen. We denken tot ongeveer 65 procent te kunnen komen.’

Dan nog: het gebruiken van elektriciteit om synthetische brandstof te maken is dus per definitie minder duurzaam dan het direct in een batterij te stoppen. En dan moet je daar eigenlijk nog de inefficiëntie van de verbrandingsmotor bij optellen. Moderne benzineauto’s zetten gemiddeld maar 25 procent van de energie in hun brandstof om in voorwaartse beweging. De rest gaat verloren in de vorm van warmte.

Zelfs als Zero Petroleum op een dag dat doel van 65 procent haalt, betekent dat nog altijd dat amper een zesde van de groene energie die in de magische synthetische-brandstofmachine wordt gepompt daadwerkelijk bij de wielen van je Ford Fiesta terechtkomt. Diezelfde kilowattuur aan energie die je EV 5 kilometer ver brengt, zal in je benzineauto na 650 meter op zijn.

Een laadpaal is beter… of toch niet?

Dus als het pompstation aan de rand van jouw dorp elektriciteit levert, kun je die in dat opzicht veel beter gebruiken om je Tesla direct mee op te laden dan dat je er de synthetische brandstoffabriek mee aandrijft die je net in je achtertuin hebt gebouwd. Maar nu stroomnetwerken over de hele wereld steeds groener worden, zal dat minder en minder de manier zijn waarop stroom wordt opgewekt.

Lowe: ‘Waar gaan we de kolossale hoeveelheid energie vandaan halen die we nu op de wereld gebruiken? We zullen die moeten gaan opwekken in afgelegen gebieden waar niemand woont. Gebieden in Canada waar veel water voor waterstof is. De Australische outback voor zonne-energie.’ Of, dichter bij huis: in de zee. Alle windturbines die bijvoorbeeld in al die parken in de Noordzee staan, genereren nu al enorme hoeveelheden stroom als de wind waait. De uitdaging – één van de uitdagingen, tenminste – is die stroom op de plek krijgen waar ie nodig is, op het moment dat ie nodig is.

‘Een vloeibare brandstof is eindeloos veel goedkoper om over grote afstanden te vervoeren dan elektriciteit of waterstof’, zegt Lowe. ‘Dat is de manier waarop we olie gebruiken. Het komt uit belachelijk afgelegen plekken die oliebronnen heten, en is dan zeer goedkoop te vervoeren per auto, schip, pijplijn, wat dan ook. Synthetische brandstoffen zijn in feite een logistiek energieproduct. Een manier om energie op te slaan.’

 Als je een e-brandstoffabriek naast je zonnepark in de woestijn bouwt, of onder je windturbines, kan dat ook helpen om een ander probleem met hernieuwbare energie op te lossen: het onvoorspelbare, niet constante karakter van de opwekking, en het feit dat die niet altijd plaatsvindt wanneer mensen de stroom nodig hebben. Het waait ’s nachts net zo hard als overdag, maar er zijn niet veel mensen die dan hun haar willen föhnen. Met een strategisch geplaatste fabriek kun je die overtollige energie toch ‘oogsten’ en opslaan als vloeibare brandstof. Waardoor je stroom niet verkwist, maar bewaart.

Als er genoeg energie is, dan is efficiëntie geen probleem

Ja, eFuels zijn aanzienlijk minder energie-efficiënt dan batterijen. Maar dat is in feite alleen een probleem als energie in beperkte mate verkrijgbaar is. Als de prijzen van zonne- en windenergie verder blijven dalen, zou het zomaar kunnen dat de wereld binnen een paar jaar een zo goed als onuitputbare overvloed aan goedkope, groene energie beschikbaar heeft. Op dat moment is synthetische brandstof geen energieprobleem meer, maar een energieoplossing.