De moderne wereld kan niet bestaan zonder ammoniak, kunststoffen, staal en cement

Vaclav Smil is emeritus hoogleraar aan de Universiteit van Manitoba in Canada. Hij schreef meer dan veertig boeken over onderwerpen zoals energie, milieu, bevolking, voedsel, technische innovatie, risicobeoordeling en overheidsbeleid. Dit artikel is een samenvatting van zijn voorlaatste boek uit 2022 : "Zo zit de wereld in elkaar - wat de wetenschap ons leert over het verleden, het heden en de toekomst".

Moderne samenlevingen zouden onmogelijk zijn zonder de massaproductie van veel door de mens gemaakte materialen. Tot de jaren zeventig hadden we zonder microchips of pc's een welvarende westerse beschaving met veel voedsel, materieel comfort en met toegang tot behoorlijk onderwijs en gezondheidszorg. In de jaren negentig slaagden we er in om zonder smartphones en sociale media economieën uit te breiden, de nodige infrastructuur uit te bouwen en de wereld met straalvliegtuigen te verbinden.

Vier essentiële materialen

Vier materialen scoren het hoogst op de schaal van noodzakelijkheid en vormen de vier pijlers van de moderne beschaving: ammoniak, kunststoffen, staal en cement. Deze bouwstoffen zijn in grotere hoeveelheden nodig dan andere essentiële grondstoffen. De wereld produceert nu jaarlijks ongeveer 4,5 miljard ton cement, 1,8 miljard ton staal, bijna 400 miljoen plastic en 180 miljoen ton ammoniak. 

Ammoniak

Ammoniak verdient de toppositie als onze belangrijkste grondstof. Want de synthese ervan is de basis van alle stikstofmeststoffen en zonder die toepassingen zou het onmogelijk zijn om vandaag bijna de helft van 8 miljard mensen te voeden. In het dichtstbevolkte land ter wereld is die afhankelijkheid zelfs nog groter: het voeden van drie op de vijf Chinezen houdt ermee verband. Andere uitvindingen bieden ons comfort, gemak of rijkdom of verlengen ons leven. Stikstofmeststoffen zijn daarentegen onmisbaar voor het overleven van miljarden mensen. Daarom is de synthese van ammoniak het meest bijzondere voorbeeld van technische vooruitgang in de geschiedenis. 

Kunststoffen

Kunststoffen zijn een grote groep synthetische organische materialen die gemeen hebben dat men ze in de gewenste vorm kan gieten. Ze zijn werkelijk overal aanwezig. Terwijl ik dit artikel typ, zijn de toetsen van mijn Dell laptop gemaakt van acrylonitril-butadieen-styreen, zit ik op een draaistoel die bekleed is met polyester stof en rusten de nylon wielen op een polycarbonaat beschermingsmat. 

Kunststoffen zijn onmisbaar in de gezondheidszorg in het algemeen en in ziekenhuizen in het bijzonder. Het leven vangt aan in kraamafdelingen en eindigt in intensive care afdelingen. In die inrichtingen wemelt het van de plastic voorwerpen die van verschillende soorten PVC zijn gemaakt: flexibele slangen (voor het voeden van patiënten, het toedienen van zuurstof en het controleren van de bloeddruk), katheters, intraveneus materiaal, bloedzakken, steriele verpakkingen, dienbladen en bekkens, bedpannen en bedhekken, thermische dekens.

Staal

De sterkte, duurzaamheid en veelzijdigheid van staal bepaalt het uiterlijk van de moderne beschaving en maakt de meest fundamentele functies mogelijk. Staal is het meest gebruikte metaal en het geeft vorm aan talloze zichtbare en onzichtbare kritieke onderdelen van de moderne beschaving. Denk aan wolkenkrabbers, windturbines, (land)bouwmachines, olietankers, vangrails maar ook aan scalpels, naainaalden en blikverpakkingen. Bovendien zijn bijna alle andere metaal - en niet-metaalproducten geëxtraheerd, verwerkt, gevormd, afgewerkt en verdeeld met gereedschappen en machines die van staal zijn gemaakt. De gemiddelde auto bevat ongeveer 900 kg staal en in 2022 produceerde de wereld zo'n 62 miljoen personenauto's per jaar.

Cement

Cement is natuurlijk het hoofdbestanddeel van beton: in combinatie met zand, grind en water is dit het meest gebruikte materiaal. Moderne steden zijn belichamingen van beton, net als bruggen, tunnels, wegen, dammen, landingsbanen en havens. China produceert tegenwoordig meer dan de helft van alle cement ter wereld. Verbazingwekkend is alleszins dat de wereld nu in één jaar meer cement verbruikt dan in de hele eerste helft van de 20e eeuw.

Gemeenschappelijke kenmerken

Deze vier materialen, die zo verschillend zijn in hun eigenschappen en kwaliteiten, hebben drie gemeenschappelijke kenmerken: 

• ze zijn niet gemakkelijk te vervangen door andere materialen (zeker niet in de nabije toekomst of op wereldschaal); 
• we zullen er in de toekomst veel meer van nodig hebben;
• hun massaproductie is sterk afhankelijk van de verbranding van fossiele brandstoffen

Organische meststoffen kunnen synthetische ammoniak niet vervangen: hun stikstofgehalte is te laag en ze zijn in onvoldoende mate in de wereld aanwezig, zelfs niet als men alle mest en gewasresten zou recycleren. Geen enkel ander materiaal biedt zoveel voordelen voor lichte en tegelijk duurzame toepassingen als kunststoffen. Geen enkel ander metaal is tegelijk zo betaalbaar en sterk als staal. Geen enkel ander in massa geproduceerd materiaal is zo geschikt voor het bouwen van stevige infrastructuur als beton (vaak versterkt met staal).

Toekomstige behoeften

In de toekomst zouden landen met hoge inkomens hun kunstmestgebruik kunnen verminderen door minder vlees te eten en minder te verspillen. China en India, de twee grootste gebruikers, zijn eveneens in staat om hun buitensporige kunststoftoepassingen af te bouwen. Maar Afrika, het continent met de snelst groeiende bevolking, blijft verstoken van kunstmest, ook al is het een grote voedselimporteur. De Afrikaanse hoop op een grotere voedselzelfvoorziening is afhankelijk van het toegenomen gebruik van stikstof. Want het ammoniakgebruik op het continent bedraagt immers minder dan een derde van het Europese gemiddelde. 

Er zullen in de toekomst meer kunststoffen nodig zijn om de vergrijzing op te vangen, de infrastructuur uit te breiden (bvb. pijpleidingen) en voor toepassingen in het transport (denk aan het interieur van vliegtuigen en van hogesnelheidstreinen). Lagelonenlanden kampen zowel met een onderontwikkelde infrastructuur als transportuitrusting en dus zal de behoefte aan staal allicht toenemen. Er zal ook meer cement nodig zijn om beton te maken. In de rijke landen dient men de in verval geraakte infrastructuur en transport te repareren (in de nationale technische beoordelingen in de VS krijgen alle sectoren waar beton domineert - dammen, wegen, luchtvaart - een 'D'). En in de ontwikkelingslanden is er de noodzaak om steden en transport uit te breiden. 

Geen windenergie zonder olie

Bovendien zal de overgang naar hernieuwbare energiebronnen enorme hoeveelheden staal, beton en kunststoffen vergen. Geen  duidelijker symbool van "groene" elektriciteitsopwekking dan windturbines. De fundering van een windturbine is van gewapend beton, de mast, gondel en rotor van staal en de enorme bladen bestaan uit energie-intensieve - en moeilijk te recycleren - kunststofharsen. Al deze gigantische onderdelen moeten met speciale vrachtwagens (of schepen) naar de installatielocaties worden gebracht en met grote stalen kranen worden opgebouwd. De tandwielkasten van de turbines moeten herhaaldelijk met olie worden gesmeerd. Deze windmolens zouden pas echt groene elektriciteit opwekken als al deze materialen zonder fossiele brandstoffen werden gemaakt.

Fossiele brandstoffen blijven onmisbaar

Bij ammoniaksynthese wordt aardgas gebruikt als bron van waterstof en als energiebron om zowel te voorzien in hoge temperatuur als hoge druk. Ongeveer 85% van alle kunststoffen zijn gebaseerd op eenvoudige moleculen die afkomstig zijn van aardgas en ruwe olie. Ook koolwaterstoffen leveren energie voor syntheses. De productie van staal gebeurt met het smelten van ijzererts in hoogovens samen met cokes, die gemaakt wordt van steenkool met toevoeging van aardgas. Cement produceert men door gemalen kalksteen, klei en leisteen te verhitten in grote ovens, die op hun beurt verwarmd worden met fossiele brandstoffen van lage kwaliteit (steenkoolgruis, petroleumcoke en zware stookolie). 

Samengevat vertegenwoordigen deze vier onmisbare materialen ongeveer 17% van de jaarlijkse globale energievoorziening en veroorzaken ze ongeveer 25% van alle CO2-uitstoot (door de verbranding van fossiele brandstoffen). De grootte en de omvang van deze afhankelijkheid maken het koolstofvrij maken van de vier pijlers van de moderne beschaving tot een ongewone uitdaging. Want het vervangen van fossiele brandstoffen in hun productieproces zal veel moeilijker en duurder zijn dan het opwekken van meer elektriciteit uit hernieuwbare omzettingen. Uiteindelijk zullen nieuwe procedés het overnemen, maar momenteel zijn er geen alternatieven onmiddellijk beschikbaar om een groot deel van de  wereldwijde capaciteit te vervangen. En de ontwikkeling van andere oplossingen zal tijd vergen.

Waterstof en biomassa

De synthese van ammoniak en het smelten van staal kunnen in principe gebaseerd worden op waterstof in plaats van op aardgas en cokes. We weten hoe we dat moeten doen. Maar het zal nog wel even duren voordat we honderden miljoenen tonnen groene waterstof kunnen produceren die ontstaat uit de elektrolyse van water met behulp van wind- of zonnestroom (vrijwel alle waterstof van vandaag is afkomstig van aardgas en steenkool). De beste voorspelling is dat groene waterstof in 2030 2% van het wereldwijde energieverbruik zou leveren, veel minder dan de honderden miljoenen tonnen die uiteindelijk nodig zullen zijn om de ammoniak- en staalproductie koolstofvrij te maken. Het koolstofvrij maken van de cementproductie  door gebruik te maken van afvalmaterialen en biomassa kan daarentegen slechts tot op zekere hoogte worden gerealiseerd; nieuwe processen zullen noodzakelijk zijn. Op dezelfde manier is er geen eenvoudige manier om de productie van plastic koolstofvrij te maken : de maatregelen hiertoe zullen variëren van plantaardige grondstoffen tot meer recyclage en vervanging door andere materialen.

Nieuwe materiaalafhankelijkheden

Naast deze vier materiaalpijlers ontstaan er nieuwe en zeer energie-intensieve materiaalafhankelijkheden. Het beste voorbeeld hiervan zijn elektrische auto's. Een typische lithiumbatterij van ongeveer 450 kilo bevat ongeveer 11 kilo lithium, bijna 14 kilo kobalt, 27 kilo nikkel, meer dan 40 kilo koper, 50 kilo grafiet en ongeveer 181 kilo staal, aluminium en kunststoffen. Opdat er met deze materialen één auto kan gebouwd worden, moet er ongeveer 40 ton erts worden verwerkt. De lage concentratie in de ertsen van vele van de genoemde materialen maakt echter dat er in totaal maar liefst 225 ton grondstof moet worden gewonnen en verwerkt. En een doorgedreven elektrificatie van het wegverkeer zou al snel een jaarlijkse vermenigvuldiging met tientallen miljoenen eenheden vereisen!

Moderne economieën zullen altijd gebonden zijn aan grote materiaalstromen : 

• ammoniak houdende meststoffen om de nog steeds groeiende wereldbevolking te voeden
• kunststoffen, staal en cement die nodig zijn voor nieuwe gereedschappen, machines en infrastructuur 
• nieuwe inputs die nodig zijn om zonnecellen, windturbines, elektrische auto's en accu's te produceren

En totdat alle energie die wordt gebruikt om deze onmisbare materialen te winnen en te verwerken afkomstig is van duurzame energiebronnen, zal de moderne beschaving fundamenteel afhankelijk blijven van fossiele brandstoffen. Noch artificiële intelligentie, noch apps, noch allerhande beweringen over een komende "dematerialisatie" zullen dat veranderen. 

Als je dit een interessant artikel vond, deel het dan even via bvb. de sociale media. Dank !