In de mondiale energie-ranglijsten springt één land eruit. China is ‘s werelds hongerigste verbruiker van energie – het eiste vorig jaar het energetische equivalent van bijna 3,3 miljard ton olie. Sinds 2011 heeft het meer steenkool verstookt dan alle andere landen samen. En de afhankelijkheid van deze fossiele brandstof loopt de spuigaten uit: China stoot ongeveer een kwart van de broeikasgassen in de wereld uit, het grootste aandeel van alle landen.

Maar deze cijfers zijn slechts een deel van het verhaal: China is ook ‘s werelds meest productieve producent van windenergie, met de capaciteit om meer dan twee keer zoveel te produceren als de op een na grootste producent, de Verenigde Staten. En het heeft ongeveer een derde van de zonne-energiecapaciteit van de wereld, en bouwde vorig jaar meer systemen dan enig ander land.

De snelle groei van zijn bevolking en economie gedurende decennia, gecombineerd met een enorme verwerkende industrie en massale migratie naar straatverlichte, centraal verwarmde steden, hebben van China een energiehongerige natie gemaakt. De Chinese regering is zich bewust van deze honger en van de schade die een langdurige afhankelijkheid van fossiele brandstoffen zou veroorzaken, en heeft plannen gemaakt om in de energiebehoeften van het land te voorzien. En wetenschap en technologie – op gebieden als batterijtechnologieën, fotovoltaïsche energie en energiebeheer – vormen de kern van die plannen.

Een vermindering van de netto-energievraag maakt geen deel uit van het beleid, zelfs niet nu de energiemix van China verschuift. Volgens het energiebedrijf BP was China in 2018 goed voor 24% van het wereldwijde energieverbruik. De firma schat dat China in 2040 nog steeds bovenaan de lijst zal staan, en 22% van het wereldwijde verbruik voor zijn rekening zal nemen.

Het land heeft massaal geïnvesteerd in hernieuwbare energie, door in 2015 0,9% van zijn bruto binnenlands product (bbp) in de sector te storten – het op twee na hoogste bedrag wereldwijd na Chili en Zuid-Afrika, die elk 1,4% van het bbp investeerden. Toch is slechts 23% van de energie die China verbruikt, afkomstig van “schone” bronnen (waaronder aardgas), terwijl in 2019 bijna 58% afkomstig was van steenkool – de meest vervuilende van de opties die wereldwijd nog steeds op grote schaal worden gebruikt. (Een groot deel van de rest van China’s energie komt uit olie en uit kernenergie.)

Actie op vervuiling

Het verbranden van steenkool en andere niet-hernieuwbare energiebronnen om de honger naar energie van het land te stillen, is een zichtbaar probleem geworden, met grote steden zoals Beijing vaak gehuld in een dikke smog. In 2013 werd de luchtvervuiling in delen van China zo erg dat de media het een luchtpocalyps noemden, waarbij de burgers te maken kregen met fijnstofniveaus die tot 30 keer hoger lagen dan de waarden die door de Wereldgezondheidsorganisatie als veilig worden beschouwd. En ondanks inspanningen om het probleem te bestrijden, staan 48 Chinese steden nog steeds in de top 100 van meest vervuilde steden ter wereld.

Deze niveaus van vervuiling hebben tot verdere maatregelen gedwongen. In december 2016 introduceerde de Chinese regering een ontwikkelingsplan voor hernieuwbare energie als aanvulling op haar overkoepelende 13e vijfjarenplan voor sociale en economische ontwikkeling, voor de periode 2016-20, dat eerder dat jaar was vrijgegeven. Het plan bevatte een verbintenis om het aandeel van hernieuwbare energie en energie uit andere dan fossiele brandstoffen tegen 2030 op te trekken tot 20%. Deze belofte, beloofde Premier Li Keqiang, zou zware klappen uitdelen aan de gezamenlijke problemen van lucht- en watervervuiling die het gevolg zijn van de afhankelijkheid van het land van steenkool.

“Het ontwikkelen van goedkope zonne- en windenergie ter vervanging van fossiele energie is de kernstrategie van China op energiegebied geworden om de luchtvervuiling te verminderen,” zegt Hong Li, een onderzoeker die werkt aan lithiumbatterijen in vaste vorm aan het Key Laboratory for Renewable Energy in Beijing, onderdeel van het Institute of Physics van de Chinese Academie van Wetenschappen. Hong Li, die betrokken is bij de ontwikkeling van landelijke plannen voor nieuwe energietechnologieën, wijst er ook op dat de niveaus van elektriciteit die wordt opgewekt door hernieuwbare bronnen – die variëren met de hoeveelheid zon of wind – minder consistent kunnen zijn dan die van fossiele energiecentrales.

“Het is moeilijker om zonne- en windenergie samen te voegen met het elektriciteitsnet” dan om op kolen gebaseerde energie op te nemen, zegt Hong Li. Hernieuwbare energie is “minder betrouwbaar en dat kan het net onstabiel maken zonder geavanceerde controlesystemen”.

In 2017 werd bijvoorbeeld meer dan 30% van de hernieuwbare energie die in de zonnige, winderige provincies Xinjiang en Gansu in het noordwesten van China werd geproduceerd, nooit gebruikt. Dat kwam omdat het niet kon worden geleverd aan waar het nodig was: de dichtbevolkte megasteden van Oost-China, zoals Shanghai en Beijing, duizenden kilometers verderop (zie ‘Minder energieverspilling’).

Het is een dilemma dat de Chinese regering ertoe heeft gebracht miljarden dollars te investeren in hoogspanningslijnen om stroom die wordt opgewekt in zonnige, winderige gebieden te transporteren over de uitgestrektheid van China. Dit omvat een 22,6 miljard yuan (3,2 miljard US-dollar), 1600 kilometer lange lijn van Qinghai in West-China, die in mei werd voltooid. Hij loopt door Gansu, helemaal naar de provincie Henan in het centrum van het land.

Een andere manier om ervoor te zorgen dat hernieuwbare energie beschikbaar is wanneer dat nodig is, is de capaciteit voor de opslag ervan te vergroten. Dit kan worden bereikt met behulp van technologieën zoals batterijen, pompaccumulatie van waterkracht en thermische opslag, zegt Yuki Yu, oprichter van het adviesbureau voor schone energie Energy Iceberg in Hongkong.

“Batterijen kunnen overtollige stroom opslaan en deze later weer vrijgeven. Ambtenaren en wetenschappers in China zijn begonnen de implicaties hiervan te beseffen voor het stabiliseren van onze elektriciteitsnetten, “zegt Xianfeng Li, die de energie-opslagdivisie leidt aan het Dalian Institute of Chemical Physics (DICP).

In 2017 bracht China zijn eerste nationale beleidsdocument over energieopslag uit, waarin de noodzaak werd benadrukt om goedkopere, veiligere batterijen te ontwikkelen die meer energie kunnen vasthouden, om het vermogen van het land om de stroom die het produceert op te slaan verder te vergroten (zie ‘China’s batterijboost’). De technologieën omvatten lithium-ionbatterijen – het type dat in elektrische voertuigen wordt gebruikt – en grootschalige, stationaire batterijsystemen die zijn geïntegreerd met wind- en zonne-energievoorzieningen.

In hun plannen hebben beleidsmakers duidelijk gemaakt dat de wetenschappers en ingenieurs van het land effectievere energieopslagtechnologieën moeten ontwikkelen om deze doelstellingen te halen (zie ‘Groei in groen onderzoek’).

Power storage in action

De stad Dalian in de provincie Liaoning, in het noordoosten van China, telt ongeveer zeven miljoen inwoners en is een testlocatie voor het werk van Xianfeng Li. De wintertemperaturen kunnen er dalen tot -20 °C, waardoor het elektriciteitsnet van de stad onder druk komt te staan om plotselinge intense uitbarstingen te leveren wanneer de bewoners hun verwarming hoger zetten, zegt hij.

Om aan deze behoefte te helpen voldoen, is Rongke Power, een bedrijf dat is afgesplitst van het DICP, van plan om dit jaar een energieopslagfaciliteit van 400 megawattuur (MWh) in Dalian te openen. Het is de eerste fase van een project om tegen 2023 een faciliteit van 800 MWh te bouwen, en zal gebruik maken van vanadiumbatterijen – enorme herlaadbare apparaten die vloeibare elektrolyt opslaan in enorme tanks. De uiteindelijke capaciteit zou moeten voldoen aan ongeveer 0,5% van de totale stroomvraag van Liaoning, waar Dalian de op een na grootste stad is.

Xianfeng Li zegt dat het project in staat zal zijn om bij te dragen aan een ononderbreekbare stroomvoorziening voor de stad, terwijl het de levering van energie aan het net opslaat en reguleert voor de hele provincie, die 16,2% van zijn stroom uit hernieuwbare energiebronnen ontvangt. Provincies verschillen sterk in het aandeel van hernieuwbare energiebronnen in hun energievoorziening: in de zuidelijke Chinese provincie Jiangsu is dat bijvoorbeeld 2,7%, maar in het zonnige, dunbevolkte Binnen-Mongolië is dat 30,1%. Van de buurlanden van Liaoning haalt Jilin 8% van zijn energie uit niet-fossiele brandstoffen, en Hebei 9,1%.

Vanadiumbatterijen van het type dat Xianfeng Li in Dalian test, hebben enkele voordelen boven standaard lithium-ionbatterijen voor grootschalige toepassingen zoals netstroom: omdat de vanadiumelektrolyt in een tank wordt opgeslagen, kan deze veel goedkoper worden opgeschaald dan discrete lithium-ionbatterijen. Vanadiumbatterijen kunnen ook minder snel in brand vliegen en hebben een ongeveer tien keer langere levensduur dan lithium-ionbatterijen.

Xianfeng Li zegt dat hij de afgelopen jaren de financiering voor zijn werk aan vanadiumbatterijen sterk heeft zien toenemen, samen met de belangstelling van bedrijven om met zijn team samen te werken. Hij zegt dat het DICP momenteel samenwerkt met ongeveer 30 bedrijven die zijn afgesplitst van het instituut.

“Bedrijven zijn nu geïnteresseerd in het ontwikkelen van deze technologie, omdat ze weten dat de overheid zich erop richt en zich dus zeker voelen om te investeren,” zegt hij.

Yu zegt dat lokale overheden nu graag bedrijven willen ondersteunen om batterij-opslagfaciliteiten te bouwen. “In een tijd waarin beleidsmakers op zoek zijn naar nieuwe manieren om de groei in hun regio’s te stimuleren, ziet de batterij-fabricage-industrie er veelbelovend uit, dus overheden zijn gemotiveerd om dit soort investeringen aan te moedigen.”

Driving change

Het vijfjarenplan voor 2016-20 benadrukte ook de noodzaak voor onderzoekers om door te gaan met het ontwikkelen van batterijtechnologie, zodat elektrische auto’s verder kunnen worden gereden op één lading. Het best verkochte elektrische voertuig in China, de Tesla Model 3, heeft een actieradius van ongeveer 400 kilometer (de meeste moderne elektrische voertuigen hebben een actieradius van 160-600 km).

“Het ontwikkelen van elektrische voertuigen is een andere belangrijke strategie om de vervuiling te verminderen, vooral wanneer die elektriciteit afkomstig is van schone energie. Daarom moeten we batterijtechnologie voor elektrische voertuigen ontwikkelen,” zegt Hong Li, die zegt dat hij in 2012 een toename van onderzoeksfinanciering voor energieopslag, elektrische voertuigen en andere technologieën in China heeft opgemerkt. Hij wijst er echter op dat het land nog steeds een achterstand heeft op het gebied van de basiswetenschap van energieopslag in vergelijking met toonaangevende laboratoria in de Verenigde Staten en Europa, die uitblinken in het begrijpen van fundamentele scheikunde en materiaalkunde. Desondanks, zegt hij, is China actiever in het toepassen van deze kennis om innovatie in geavanceerde batterijsystemen te creëren. En de schaal van de onderzoeksomgeving van het land, van universiteiten tot bedrijfsteams, heeft wetenschappers in China geholpen om tot een alomvattend begrip te komen van de manier waarop materialen en apparaten voor de echte wereld kunnen worden ontwikkeld.

Toekomstplanning

China heeft enkele van de goedkoopste elektriciteitsprijzen in de ontwikkelde wereld (zie ‘Elektriciteitsprijzen dalen’). De kosten worden vastgesteld door lokale overheden en goedgekeurd door het energiebureau van de Nationale Ontwikkelings- en Hervormingscommissie, die toezicht houdt op het macro-economisch beleid. De prijzen worden laag gehouden om de economische groei te stimuleren.

Maar ondanks dit streven is het land begonnen met de geleidelijke afschaffing van sommige subsidies voor schone brandstoffen: zo zal het na dit jaar stoppen met de subsidies voor windenergie op het vasteland. China’s leiders hopen dat hernieuwbare energiebronnen in de nabije toekomst economisch zullen kunnen concurreren met fossiele brandstoffen. Het antwoord ligt in de ontwikkeling van een sterkere infrastructuur voor energieopslag.

Hong Li is adviseur bij China’s nationale planningscomité voor de ontwikkeling van energieopslag. Samen met ingenieurs en beleidsmakers werkt het comité aan een vijfjarig onderzoeks- en ontwikkelingsplan dat volgend jaar van start gaat. Het zal onder andere wetenschappers aanmoedigen om energie-opslagtechnologieën voor het elektriciteitsnet te ontwikkelen die intrinsiek veiliger, goedkoper en met een langere levensduur zijn.

Zonne-energieonderzoeker Xianglei Liu, aan de School of Energy and Power Engineering aan de Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, zegt dat er financiering beschikbaar is voor wetenschappers op zijn gebied om China’s schone energieproductie te verbeteren. “Het ambitieuze doel van de regering om meer schone energie te gebruiken, betekent dat er veel financiering is,” zegt Liu. Vorig jaar won Liu bijvoorbeeld een subsidie van 1,3 miljoen yuan van de National Natural Science Foundation of China, de belangrijkste subsidieverstrekker van het land, om de warmteopslagcapaciteit te verbeteren van materialen die worden gebruikt in thermische zonne-energiecentrales, die stroom opwekken uit de warmte van de zon, in plaats van uit het licht ervan zoals fotovoltaïsche panelen doen. Bij het 5-jarige project zijn ongeveer 40 wetenschappers van 6 academische instituten uit heel China betrokken. Liu werkt sinds kort ook samen met het bedrijf Nanjing Jinhe Energy Materials aan de ontwikkeling van een materiaal met een grote energieopslagdichtheid en een hoog warmtegeleidingsvermogen.

Yi Jin, directeur onderzoek en ontwikkeling bij Nanjing Jinhe Energy Materials, zegt dat, omdat de regering van plan is de subsidies aan bedrijven die duurzame energie opwekken te verlagen, de bedrijven die groene energiecentrales exploiteren graag technologie willen kopen of erin willen investeren die hun productie zal verhogen en de productiekosten zal verlagen.

“Onze technologie verbetert de stabiliteit van duurzame energie en verlaagt zo de kosten voor elektriciteitscentrales, doordat ze efficiënter worden,” zegt Jin.

Over het geheel genomen is Hong Li optimistisch dat overheidsinvesteringen en wetenschappelijke vooruitgang zullen zegevieren. “Zolang we het juiste beleid en de juiste technologieën ontwikkelen om ze te ondersteunen,” zegt hij, “kunnen we onze afhankelijkheid van steenkool geleidelijk verminderen.”