Fundamentele natuurwetenschap verwaarloosd bij klimaatverandering. Alleen zon en wind helpen ons uit een grotere chaos

Door Jan Willem Storm van Leeuwen

De klimaatverandering kunnen we bekijken vanuit de fundamentele natuurwetenschap, ook al gebeurt dat bijna nooit. De wetten van de energie-omzetting vormen de basis van de natuurwetenschap. Daarbij zijn de Twee Hoofdwetten van groot belang. Hier bespreken we vooral de Tweede Hoofdwet die gaat over de ordening van materie en energie. De term die daarbij gebruikt wordt is entropie. Hoe groter de wanorde, hoe groter de entropie en de verstoring in het systeem aarde, zoals de klimaatverandering door het gebruik van de verschillende energiebronnen.

In dit artikel laten we zien dat zonne-energie de enige energiebron is die zorgt voor een entropieverlaging en daarmee een kwaliteitsverbetering, beschouwd over de levensduur van de systemen. Fossiele bronnen zorgen voor een entropietoename, een kwaliteitsverslechtering, maar die verslechtering verschilt per brandstof. Voor aardgas is deze toename het laagst, daarna komt olie, terwijl energie uit kolen zorgt voor de hoogste entropietoename van de fossiele brandstoffen. Kernenergie geeft echter een nog grotere verstoring dan gas, olie of kolen.

1 Hoofdwetten van de thermodynamica

Thermodynamica is de wetenschap van energie-omzettingen en ligt aan de basis van alle natuurwetenschappen. De thermodynamica kent Twee Hoofdwetten.

De Eerste Hoofdwet is de wet van behoud van energie. Dat houdt in dat energie alleen omgezet kan worden van de ene vorm in de andere, maar dat energie niet uit het niets kan ontstaan en ook niet in het niets kan verdwijnen.

De Tweede Hoofdwet is minder bekend, maar speelt niettemin een cruciale rol in alle natuurverschijnselen in het waarneembare universum. In essentie luidt de Tweede Hoofdwet:

“Bij elke energie-omzetting in het (waarneembare) universum neemt de entropie van het universum toe.” Maar wat betekent dit precies? Juist omdat het hier om een niet algemeen bekende wet gaat, is het van belang dat uiteen te zetten.

2 Tweede Hoofdwet van de thermodynamica, waar het over gaat

Verschijnselen als de opwarming van de aarde door menselijk toedoen blijken samen te hangen met gevolgen van de Tweede Hoofdwet. Voor een goed begrip worden hierna eerst enkele begrippen toegelicht: systeem, entropie en spontaan proces.

2.1 Systeem

Onder een systeem verstaan we dat deel van het universum dat onderwerp is van een onderzoek of discussie. De rest van het universum wordt de omgeving van het beschouwde systeem genoemd. In de klimaatdiscussie is het zinvol om de biosfeer van de aarde als systeem te kiezen. De biosfeer is de schil om de aarde waarin het leven zich kan handhaven. De biosfeer is een eindig systeem zonder noemenswaardige uitwisseling van materie met de rest van het heelal. Wel is er energie-uitwisseling met de omgeving van de biosfeer, het heelal, bijvoorbeeld doordat de zon schijnt.

2.2 Entropie

De Tweede Hoofdwet stoelt op het fundamentele begrip entropie. Entropie is de maat van verstrooiing van materie, van energie en van gerichte stroming.

Deze formulering is afgeleid van de formule van Boltzmann, een natuurkundige die deze formule rond het jaar 1900 heeft ontdekt. Minder orde in een systeem geeft meer verstrooiing op moleculair niveau en dan heeft het systeem een hogere entropie. Zo heeft een gram waterdamp een hogere entropie dan een gram vloeibaar water, gemeten bij dezelfde temperatuur en druk. In de praktijk kunnen we alleen veranderingen in de entropie waarnemen, niet de entropie zelf. Een entropietoename van een systeem kan zich manifesteren als achteruitgang van de kwaliteit ervan. Afname van entropie betekent meer orde en een hogere kwaliteit.

2.3 Spontaan proces

Een spontaan proces is niet precies voorspelbaar. Dit heet ook wel een stochastisch verschijnsel: het verloop ervan wordt door het toeval bepaald. Materie bestaat uit deeltjes en die deeltjes van het betreffende systeem komen uiteindelijk in de meest waarschijnlijke toestand. De entropie van het systeem is dan maximaal onder de gegeven omstandigheden. De volgende uitspraak is een metafoor voor een spontaan proces en de daarmee gepaard gaande toename van de entropie van een systeem: “Iedereen kan een kop thee in zee legen, maar duizend wijze mannen kunnen de thee er niet meer uithalen.”

3 Entropie verlagen, hoe doe je dat

Het is mogelijk de entropie van een systeem te verlagen en daarmee de kwaliteit en de bruikbaarheid van het systeem verhogen. Daarvoor is het noodzakelijk om in een gestuurd proces hoogwaardige energie te investeren. Dit sturende beginsel zorgt ervoor dat de energie op één bepaalde manier gebruikt wordt en dat het proces niet alle kanten op kan gaan, niet stochastisch verloopt. In het dagelijks leven noemen we dit sturende principe de menselijke inspanning.

Een voorbeeld is de productie van 1 kilo ijzer uit ijzererts. In het gesteente heeft 1 kg ijzer een hoge entropie, een hoge verstrooiing: de ijzeratomen zijn verspreid aanwezig in het gesteente. Het zuivere metaal bestaat alleen uit ijzeratomen die ook nog eens geordend zijn. Daarom heeft 1 kilo ijzer als metaal een lagere entropie dan 1 kilo ijzer in het erts. De productie van ijzer uit erts betekent een entropieverlaging. Dit kan alleen dankzij de inzet van hoogwaardige energie en menselijke inspanning om het proces te sturen.

3.1 De groene planten in de biosfeer wijzen ons de weg

Met behulp van zonlicht, water, CO₂ uit de lucht en stoffen die opgelost zijn in water kunnen groene planten hoogwaardige en geordende materialen vormen. De entropie van de biosfeer neemt hierdoor af. Er ontstaat meer ordening en dus minder verstrooiing. Dit proces heet fotosynthese, het lijkt misschien een spontaan proces maar dat is het niet. Een korte uitleg.

In groene planten is een ordenend principe werkzaam dat is vastgelegd in het DNA van de planten. De opgenomen zonne-energie wordt benut voor de vorming van hoogwaardige materialen. Dat gebeurt in processen die gestuurd worden door specifieke chemische verbindingen. Die sturende verbindingen zijn op hun beurt gevormd onder invloed van het DNA.

Met behulp van zonlicht is het mogelijk om hoogwaardige materialen met lage entropie te produceren uit stoffen en mengsels met een hoge mate van verstrooiing. Uit stoffen als water en CO₂, die een hoge entropie hebben, ontstaan dan stoffen met een lage entropie.

4 Energieproductie

Wat wij in het dagelijks leven energieproductie noemen, is in feite de omzetting van de potentiële energie van een energiebron tot nuttig bruikbare energie, bijvoorbeeld elektriciteit. Wat betreft de wereldwijde energievoorziening heeft de Tweede Hoofdwet belangrijke gevolgen, die we hier zullen bespreken.

4.1 Fossiele brandstoffen, olie, gas en kolen

Door de productie van nuttig bruikbare energie uit fossiele energiebronnen (olie, gas en kolen) neemt de entropie van de biosfeer toe. Daarbij gaat het onder meer over het vrijkomen van het broeikasgas CO₂. Deze energiebronnen zijn geheel afkomstig uit de biosfeer. De winning van de energiedragers, de verbrandingsproducten en de afvalverwerking van het gebruik moeten uiteraard meegeteld worden als we willen bepalen in hoeverre de entropie toeneemt. De omzetting van de potentiële energie van deze energiebronnen in nuttig bruikbare energie leidt onvermijdelijk tot een toename van de entropie van de biosfeer. Dat geeft een verslechtering ervan. De kwaliteit van de biosfeer gaat achteruit. Toename van de entropie van de biosfeer valt niet te rijmen met enig duurzaamheidscriterium, los van het feit dat de mondiale reserves van deze energiebronnen eindig zijn.

De entropietoename verschilt per fossiele brandstof. Voor aardgas is die het laagst. Olie produceert niet alleen meer CO₂ per energie-eenheid dan gas, maar geeft extra verstoring door lekkages, affakkelen, transport en raffinage. Kolen geeft de hoogste entropietoename van de fossiele brandstoffen, zowel door de meeste CO₂ per energie-eenheid alsook door  luchtvervuiling via roet en fijnstof. Daar komen de entropie-effecten zoals verstoring en vervuiling van landschappen en grondwater ten gevolge van mijnbouw nog eens bij.

4.2 Uranium, de energiebron voor kerncentrales

Kernenergie geeft meer entropie per eenheid nuttig bruikbare energie dan fossiele brandstoffen. Voor een belangrijk deel heeft dat te maken met de productie van kunstmatige radioactiviteit tijdens de splijting van uraniumkernen in de reactor. De kunstmatige radioactiviteit is een miljard maal sterker dan de natuurlijke radioactiviteit van het uranium. Per jaar produceert één kerncentrale een hoeveelheid kunstmatige radioactiviteit die ruim 1000 maal zo groot is als de hoeveelheid die vrijkomt bij de explosie van een atoombom van 15 kiloton (de Hiroshima-bom). De entropie-effecten van deze hoeveelheid kunnen enorm zijn. Tijdens de kernrampen van Tsjernobyl en Fukushima samen kwamen ongeveer 1000 atoombom-equivalenten aan kunstmatige radioactiviteit vrij.

We noemen nog andere factoren die bijdragen aan deze hogere entropie:

• De winning van uranium uit het erts (het voortraject van een kerncentrale) vergt veel nuttig bruikbare energie en produceert veel entropie door de verstrooiing van materialen en warmte in de biosfeer.

• De splijtingsenergie komt vrij bij een hogere temperatuur dan de verbranding van fossiele brandstoffen. Er wordt veel energie verstrooid, onder meer als radioactieve straling en zo ontstaat meer entropie.

• Op het moment van splijting blijft het grootste deel van deze entropie latent aanwezig in de splijtstofelementen. Dit is latente entropie, de entropie die niet direct in de biosfeer komt op het moment van de kernsplijting. Als de mens niets doet, geen energie en menselijke inspanning investeert, zal deze latente entropie onherroepelijk vrijkomen en een enorme entropieverhoging van de biosfeer veroorzaken. Dit is te voorkomen door het kernafval op te bergen in bijvoorbeeld zoutkoepels, klei of graniet. Dit moet zodanig gebeuren dat het materiaal voor een miljoen jaar geïsoleerd blijft van de biosfeer.

• Kernenergie is in tegenstelling tot wat regelmatig beweerd wordt, niet CO₂-vrij. Dit broeikasgas komt namelijk vrij bij de winning en bewerking van uraniumerts, bij de bouw van de kerncentrale, het transport van kernbrandstof, de afbraak van de centrale, enzovoort. Bij al deze werkzaamheden zijn machines nodig die benzine of diesel gebruiken en zo CO₂-uitstoot veroorzaken.

• Sinds de jaren 1950 zijn wereldwijd honderden miljarden euro’s uitgegeven om snelle kweekreactoren te ontwikkelen en te bouwen. Op die manier zou uranium 30 tot 50 keer beter gebruikt kunnen worden in vergelijking met de huidige kerncentrales. Anno 2020 is er nog weinig zicht op de grootschalige verwezenlijking van dit type kerncentrales. Hetzelfde geldt voor kerncentrales die op thorium gebaseerd zijn. Verschijnselen die volgen uit de Tweede Hoofdwet zijn de voornaamste oorzaak van dit falen. In dit korte bestek voert het te ver om dat tot in de details uiteen te zetten. Ook zullen we hier niet ingaan op de entropietoename in percentages van de verschillende energiebronnen.   

4.3 Zon als enige duurzame energiebron

De zon is de enige duurzame energiebron: de entropietoename ten gevolge van de energie-omzettingen op de zon, in feite een grote fusiereactor, blijft vrijwel geheel buiten de biosfeer. Op de zon is dus wel een toename van de entropie maar die gebeurt buiten het systeem aarde.

Vanuit het perspectief van de aarde zijn zowel de kwaliteit van de energie als de capaciteit van de bron constant voor onbepaalde tijd.

Via zonnepanelen kan elektriciteit worden opgewekt. Ook zijn er zonne-energiecentrales die via spiegels de zonnestralen concentreren, zodat er hoge temperaturen ontstaan. Met die hoge temperaturen wordt stoom onder hoge druk gemaakt. Die drijft met behulp van een turbine een generator aan die elektriciteit produceert. Die technologie heet Concentrating Solar Power

(CSP). Wind is een indirecte vorm van zonne-energie.

Al deze systemen leveren elektriciteit. Via elektrolyse van water kan de energie opgeslagen worden in de vorm van waterstof. Reststromen (afval) van landbouw en bosbouw kunnen ook gebruikt worden voor energiedoeleinden. Het telen van biomassa speciaal als energiebron blijkt energetisch zeer onvoordelig.

Bij de bouw van systemen om zonne-energie te oogsten ontstaat entropie, evenals bij productie, transport en opslag van waterstof. Echter, de entropieverlaging – dus verbetering van de biosfeer en menselijke leefomgeving – door het benutten van deze energie is veel groter dan de entropieverhoging ten gevolge van de bouw en het onderhoud. Het netto entropie-effect van de toepassing van zonne-energie is een entropieverlaging, dus een kwaliteitsverbetering, beschouwd over de levensduur van de systemen.

5 Energiebronnen en klimaatverandering

Alle plannen voor de toekomstig energievoorziening die berusten op het gebruik van aardgas, kolen, olie of kernenergie zullen de klimaatverandering die zich nu aftekent niet tegenhouden. Ze zullen de entropie van de biosfeer verhogen en daarmee de kwaliteit verder verlagen. Netto schept het gebruik van deze energiebronnen chaos uit orde.

Voorkomen is beter dan genezen, zegt een bekend spreekwoord. De enige uitweg uit het klimaatprobleem is het verlagen van de entropie van de biosfeer door uitsluitend gebruik te maken van zonne-energie, direct of indirect. Netto kan met zonne-energie orde uit chaos worden geschapen. De zon is de enige echt duurzame energiebron. De groene planten zijn ons voorbeeld.

Jan Willem Storm van Leeuwen is lid van de Nuclear Consulting Group. Al zeker 20 jaar maakt hij analyses van de energievoorziening. Hij heeft vooral gestudeerd op de uitstoot van het broeikasgas CO₂ zowel bij het directe gebruik van brandstoffen, als de indirecte uitstoot door de winning en het transport van de grondstoffen om elektriciteitscentrales te maken. Sinds een paar maanden legt hij zich toe op het verband tussen de fundamentele natuurwetenschappen, het energiegebruik en de klimaatverandering.