Hernieuwbare energie – Een overzicht

In www.dwarsliggers.eu verscheen een wetenschappelijk onderbouwd kritisch stuk dat van groot belang lijkt in het debat over onze energiebevoorrading. Nu het comité van energieministers tegen 2025 de kernenergie uit ons land wil en minister Tommelein stelt dat tegen 2050 onze energie hernieuwbaar moet zijn, rijst de vraag hoe dit alles moet.

In deze bijdrage, die wij graag overnemen, bieden wij aan de lezers van Doorstroming doordachte stof aan, bij wijze van afsluiting van het werkjaar 2017.

Jaak Peeters

December 2017

 

Met uitzondering van kernenergie en aardwarmte – deze laatste wordt waarschijnlijk ook door nucleaire processen gegenereerd – komt eigenlijk al onze energie van de zon. Die energie is dus in theorie hernieuwbaar. Ook fossiele brandstoffen zijn ontstaan uit planten die ooit door fotosynthese groeiden. Fotosynthese vereist zonlicht. Het proces om die planten tot fossiele brandstoffen om te vormen neemt echter miljoenen jaren in beslag. Dat is weliswaar voor de aarde niet zo heel lang, maar voor ons, eendagsvliegen, is het de eeuwigheid. Daarom zijn fossiele brandstoffen, vanuit menselijk standpunt gezien, helemaal niet hernieuwbaar.  

  
Hierboven ziet U de aandelen van de verschillende bronnen in het wereldwijd energieverbruik in 2015 en de overeenkomstige data voor België in 2013. Het opvallendste verschil is het hoge aandeel kernenergie. In de toekomst willen we geen fossiele brandstoffen meer gebruiken, en kernreactoren ook niet. We willen uitsluitend hernieuwbare energie. Dat geeft een plastisch beeld van de transitie die we zullen moeten doormaken.

Hernieuwbaar noemen wij die energievormen die door de zon worden geproduceerd en op korte termijn bruikbaar zijn. Er zijn er nogal wat. In 2015 leverden ze wereldwijd samen 13,6% van het totale energieverbruik. Hieronder ziet U hoe die 13,6% onderverdeeld zijn. Waterstof komt in de statistiek niet voor omdat het geen primaire energievorm is: het wordt gemaakt met behulp van hernieuwbare of ook niet hernieuwbare energie. Het biedt enkel een mogelijkheid voor opslag en transport van energie. Maar zelfs als het anders lag zouden we het desondanks niet merken: het aandeel van waterstof is daarvoor veel te klein.

De politiek geeft de doelstellingen aan. “Vlaams minister van Energie Bart Tommelein (Open VLD) wil 100 procent hernieuwbare energie, uiterlijk in 2050” schrijft Knack. Dat betekent concreet dat we, alvast in ons land, de hernieuwbare bronnen van de huidige 13,6% naar 100 moeten expanderen. Ik stel voor dat we ze een voor een afgaan om te kijken hoe ver we er mee kunnen geraken.

  

Biobrandstof.

Het grootste deel van die bronnen (71%) is biobrandstof en afval. Afval is slechts een gering deel daarvan en kan ook nooit een echt belangrijke rol gaan spelen. De rest komt van planten. Er zijn twee grote brokken: ethanol (dat wat wij in ons dagelijks spraakgebruik ‘alcohol’ noemen) en biomassa.

Ethanol kan uit suikers of zetmeel gewonnen worden en is mits geringe technische aanpassingen in automotoren inzetbaar. Dat gebeurt al vele jaren op grote schaal in Brazilië. Doordat ethanol maar ongeveer 65% van de verbrandingswarmte van benzine of diesel heeft, wordt de afstand die een voertuig met één tankvulling kan afleggen (de zogenaamde autonomie) drastisch verkleind.

Het is ook mogelijk ethanol met normale benzine te mengen. Tot 10% gaat dat zonder dat er met de motor enig probleem optreedt. In de Verenigde Staten wordt dat ook effectief in de praktijk omgezet. Daar wordt per jaar 60 miljard liter ethanol op die manier verbruikt. Door dat gebruik van ethanol in brandstof voor de mobiliteit komt biobrandstof aan dat vrij aanzienlijk deel van de wereldwijde energiebevoorrading.

Een tweede belangrijke pijler is de zogenaamde biomassa en die werkt hoofdzakelijk met houtpellets. Men kan houtafval industrieel tot houtcilindertjes van enkele millimeter diameter en ongeveer een centimeter lengte verwerken. Die zijn dan vrij eenvoudig pneumatisch verplaatsbaar. Dat kan als brandstof gebruikt worden, zowel in privéhuishoudens als in elektrische centrales. De technologie is ongeveer dezelfde die we bij het behandelen, stockeren en verbranden van steenkool gebruiken. De gevaren (stofexplosie) zijn dat ook.

Natuurlijk is er nooit voldoende houtafval om een energieproductie mogelijk te maken die de statistiek zelfs maar haalt. Daarom worden de meeste houtpellets die verbrand worden direct van bomen gemaakt die bij voorbeeld in Canada groeien. Zo gebeurt het ook hier bij ons. Die pellets worden dan geïmporteerd. Dat is uiteraard een duur proces dat onmogelijk met fossiele brandstoffen kan concurreren, en het kan dus zonder aanzienlijke subsidies niet overleven.

Geen enkele vorm van biobrandstof is ethisch verdedigbaar.

Even recapituleren. Bomen worden met behulp van aanzienlijke openbare financiële steun ‘gehakseld’ en verbrand om elektriciteit te genereren, en dat onder daverend applaus van de ecologisten? Inderdaad, en wie daar op een gereduceerde manier tegenaan kijkt vindt dat zelfs nog rationeel ook. Bij het verbranden ontstaat weliswaar CO2 – en zelfs niet minder dan bij de verbranding van steenkool – maar dat is precies dezelfde hoeveelheid CO2 die de planten nodig hadden om te groeien. Indien men dus zijn denken over de wereld tot een CO2 -vraagstuk reduceert is alles best in orde. Maar voor de plantages waar het hout voor die pellets groeit, of de mais of het suikerriet waaruit ethanol gemaakt wordt, is natuurlijk landbouwgrond nodig. En dat in een wereld waar miljoenen mensen niet voldoende te eten hebben en er niet genoeg landbouwgrond is om ze te voeden. Biobrandstoffen staan dus in directe concurrentie met voedsel. Eigenlijk komt het erop neer dat ik met een gerust geweten – want ik ben CO2-neutraal –  met mijn auto kan rijden als daarvoor een paar mensen verhongeren. Ik erger me regelmatig aan het nogal lichtvaardig gebruik van grote woorden in het klimaat- en energiedebat. Tegensprekers worden iets te gemakkelijk ‘immoreel’ genoemd wanneer ‘niet akkoord’ of ‘sceptisch’ betere omschrijvingen zouden zijn. Maar voor biobrandstoffen vind ik het woord ‘crimineel’ zonder meer passend. Ik wil dat niet, en indien U het wel wil moet U ook bereid zijn dat luid en duidelijk te zeggen. Dan weten we minstens waar we staan.

Het is kenschetsend, zowel voor het energiedebat als voor onze maatschappij in het algemeen, dat men vandaag zoiets aan het publiek verkocht krijgt zonder dat iemand er dieper over nadenkt.

Waterkracht

Met 18% van het totaal is waterkracht de volgende grote brok, maar voor ons in België van vrijwel geen betekenis. Om waterkracht te kunnen gebruiken moet het landschap meewerken. Er zijn rivieren met een hoog debiet en een zeer sterk verval in diepe dalen nodig, en die hebben we hier niet.

Waterkracht komt op een vrij directe manier van de zon. Zonne-energie verdampt water uit de oceanen en – eveneens door zonnewarmte veroorzaakte – winden voeren de wolken dan omhoog en ook landinwaarts. Waterdamp condenseert en valt als regen. Als dat water op een landschap valt dat op een aanzienlijke hoogte boven de zeespiegel ligt bevat het potentiële energie die in turbines en generatoren in stroom omgezet kan worden. Op een figuur die veel verder onder in de tekst staat (omdat we ze daar meer nodig hebben dan hier) kunt U zien hoe het werkt.

Deze technologie is uiteraard 100% hernieuwbaar, maar ze blijkt ook niet onomstreden omdat er aanzienlijke oppervlakten voor onder water gezet moeten worden. Bovendien is ze niet zo onschuldig en ongevaarlijk als men op het eerste zicht zou denken. Alleen al de dambreuk bij Fréjus in 1959 heeft 423 mensenlevens geëist, veel meer dan alle ongelukken met kerncentrales tot hiertoe samen. Zoals overigens ook kernenergie valt deze technologie wel veilig te beheersen op voorwaarde dat er niemand ergens korte bochtjes neemt. Dat was, bij voorbeeld, in Fréjus het geval. Daar werd door geldgebrek het geologisch onderzoek onvoldoende uitgevoerd.

Ik besteed aan dit thema enige aandacht omdat ook wij geen ernstig alternatief voor deze technologie hebben als we energie in grote hoeveelheden willen opstaan, zelfs al wil ons landschap niet echt mee. We zullen nog zien dat aan dat laatste geen weg voorbij voert Daarom is het belangrijk dat we het hier met een rijpe, gevestigde technologie te doen hebben. Ik heb in Kamloops (British Columbia, Canada) een centrale gezien met twee turbines van ieder één gigawatt (dat is dus 109 watt!). Maar daar hebben ze natuurlijk wel het landschap mee…

Geothermische energie

Hiervoor moet de ondergrond meewerken: de geologie. Bij ons doet ze dat niet en er zijn niet zo heel veel plaatsen in de wereld waar ze het wel doet. Dat geothermische energie desondanks het lijstje haalt en nog voor wind en zon uitkomt, ligt aan IJsland waar deze mogelijkheid overvloedig gegeven is en ook sterk benut wordt. Niemand weet echter wat het geforceerd afkoelen van de ondergrond uiteindelijk voor akelige gevolgen kan hebben. We weten überhaupt heel weinig, buiten het feit dat ons leven een fragiele aangelegenheid op een gevaarlijke plek is. De IJslanders, gewend aan vulkanen en aardbevingen, zijn ondanks hun poëtische literatuur nuchtere mensen en zien dat nogal gelaten: ze laten zich niet zo gemakkelijk de boom injagen. Dat kan er ook een beetje aan liggen dat er op heel IJsland geen ernstig te nemen boom aan te treffen is. Hier is dat helemaal anders, maar het probleem is er bij ons gelukkig niet.

Getijdenenergie

Theoretisch kunnen de getijden zeer aanzienlijke hoeveelheden energie leveren. De hoogte van de getijden is over de globe zeer divers. Hier bij ons ligt ze om en bij de vier meter. Dat opent al mogelijkheden want daar zijn enorme energiehoeveelheden mee gemoeid. Die energie ‘oogsten’ is echter niet zo eenvoudig want dan moet de geografie nog meewerken. Als men een heel grote baai heeft met een nauwe ingang die men kan afdammen is het mogelijk twee keer per etmaal enkele uren stroom te genereren. Die paar uren gaan slechts af en toe toevallig met de momenten van ons piekverbruik samenvallen. Dus moeten we de energie die we hiermee opwekken kunnen opslaan. Het zal slechts zeer uitzonderlijk gebeuren dat de situatie toelaat dat de hoge investeringen zich renderen. En alvast aan onze kust is dat nergens het geval.

Blijven dus nog wind en zon. Daar gaan we het mee moeten doen.

Wind en zon

Energiewinning uit wind en zon zijn technologisch totaal verschillend en hebben zo ieder hun eigen problemen waarop we in volgende afleveringen in meer detail zullen ingaan. Toch behandelen we ze hier samen, omdat het grootste probleem er een is dat ze beide delen.

Om dat probleem te zien kijken we best naar Duitsland. Daar zijn ze met hun ‘Energiewende’ tien jaar na ons begonnen en ze hebben nu vier jaar voorsprong (dit is jammer genoeg geen flauw grapje). Hieronder zien we de Duitse energiemix zoals verbruikt in 2016:

Ze hebben blijkbaar in dat jaar 4% van hun behoeften met wind- en zonne-energie gedekt. Dat lijkt zeer weinig, hoewel ze grote inspanningen gedaan hebben: hun geïnstalleerde capaciteit ligt iets boven de 40%. Van waar dat enorm verschil? De variabele kosten van wind- en zonne-energie zijn bijna verwaarloosbaar. Dus laat men die molens altijd zo hard mogelijk draaien.

Tegenwoordig is het in onze door en voor een urbane minderheid gevormde cultuur blijkbaar nodig het nog eens in herinnering te brengen: de zon schijnt niet altijd, en soms is er ook geen wind. Dat wist iedere landbouwer uit het neoliticum al. Dat is niet het enige zwaarwegend element dat in dit debat af en toe al eens ‘vergeten’ wordt. Waar dat toe leidt kunnen we duidelijk zien als we de historiek van de maand januari 2017 in Duitsland eens onder de loep nemen. Zie figuur hieronder.

Het aandeel van wind en zon in de totale energieproductie lag tussen 41,3% op 4 januari en 2,5% (dat is dus vrijwel verwaarloosbaar) op 24 januari. Op 4 januari scheen de zon én er waaide een stevige wind. Er zijn zo van die dagen, maar niet zo heel veel. Op 24 januari was er noemenswaardige zon noch wind. Dat komt in onze streken duidelijk vaker voor. In feite viel voor heel de periode tussen 16 en 25 januari zon en wind als energieleverancier gewoon weg. Als we daarvoor geen voorzorgen nemen zal de industrie stilvallen en ook onze privéhuishoudens kunnen we zoiets niet aandoen. Een industriestaat werkt enkel als de elektriciteit altijd beschikbaar is – einde debat.

Voorzorgen

Als we dus volledig op wind- en zonne-energie willen omschakelen moeten we voor dergelijke gevallen voorzorgen nemen. Hoe lang is de periode die we dan moeten kunnen overbruggen? Om dat met enige zekerheid te zeggen zouden we historische weerdata kunnen bestuderen. Dat is zeker mogelijk, maar ik heb het niet gedaan. Ik geloof echter dat we niet erg verkeerd zitten als ik voor de volgende overwegingen uit ga van twee weken.

De lichtjes zijn toen in Duitsland niet uitgegaan, hoewel het elektriciteitsnet in zijn voegen kraakte. De Duitsers hadden nog voldoende conventionele- en kerncentrales lopen waar ze nog iets meer konden uit halen. Bovendien hebben ze een aantal gasgestookte centrales en ook gasturbines in reserve staan. Die kunnen ze allemaal op korte termijn starten – de turbines praktisch met een vingerknip. En alles liep dus goed af.

Deze mogelijkheid – het is de enig werkbare – staat voor ons niet ter beschikking, want de heer Tommelein heeft gezegd “100 procent hernieuwbaar”. Nu is de heer Tommelein niet de eerste de beste zwetser. Hij is de Vlaamse minister verantwoordelijk voor energie. We kunnen –  neen moeten – dus aannemen dat hij weet wat hij zegt en het ook ernstig meent als hij zijn mond opendoet. Wat nu? Dat moeten we eventjes in cijfertjes bekijken. Ik beleef er geen genoegen aan U daarmee te kwellen, maar als we het domein van het vrijblijvend gezwets willen verlaten voor steviger grond gaat het niet anders.

Eerst de randvoorwaarden:

Ik calculeer geen elektrische auto’s in. Indien ik dat zou doen wordt het helemaal troosteloos. Er zijn trouwens nog veel indicatoren die me zeggen dat elektromobiliteit (gelukkig) niet voor morgen is. Die komen in toekomstige bijdragen in detail aan bod.

De Belgische centrales hebben in 2015 ongeveer 80 TWh (terrawattuur: 1012 wattuur of 109 kWh) geproduceerd. Dat komt overeen met een gemiddelde capaciteit van 9,13 GW.

Als we dus een voorraad voor twee weken willen aanleggen hebben we

9,13 ● 14 ● 24 = 3.086 GWh opslagcapaciteit nodig. Hoe gaan we dat aanpakken?

Batterijen

Simpel toch? Even Elon Musk bellen! Die heeft toch net Zuid-Australië in een dergelijke situatie gedepanneerd! Zozo, laten we dat eens kwantitatief bekijken: dat helpt bij hallucinaties meestal vrij goed. Hier zien we een foto van het systeem. Indrukwekkend, niet?

Die batterij heeft een capaciteit van 130 MWh.

Wij hebben 3.086 GWh of 3.086.000 MWh nodig.

Dus is dat speeltje van mijnheer Musk precies 23.604 keer te klein.

We mogen niet weten wat het gekost heeft, maar 21 miljoen $ is een goede, betrouwbare schatting. Bij schaalvergroting stijgen de kosten ongeveer lineair.

De batterij die wij nodig gaan hebben zal dus ongeveer 495 miljard $ kosten. Dat is maar net iets minder dan ons bruto binnenlands product van een jaar. De Belgen (niet de Belgische staat) zijn rijk, heel rijk. Maar zoveel hebben we dan ook weer niet op ons spaarboekje staan.

Bovendien gaat die batterij maar twee, hoogstens drie jaar mee. Dus moeten we minimum 165 miljard per jaar afschrijven. Dat geld gaan ze op de een of andere manier, uiteraard zo ondoorzichtig mogelijk, uit uw zakken moeten troggelen, jaar in jaar uit. Daarvoor bestaat wel geen alternatief. Ik neem aan dat mijnheer Tommelein voor dat zakkenrollen al een methode bedacht heeft: anders zou hij toch zijn voorstel niet doen!

Over het immens energieverbruik dat voor de productie van die batterij nodig is willen we nog niet eens hebben. Het vermoeden dat we, summa summarum, op die manier helemaal geen energiespaareffect meer hebben (zoals trouwens ook voor Tesla auto’s geldt) ligt wel voor de hand.

Ik geloof dat ook de meest milieubewuste klimaatactivist op dit punt zal inzien dat dit geen bijzonder beloftevolle piste is. Wat nu?

Er zullen zeker de nodige fantasten zijn die met oplossingen komen opdraven. Zoals bij voorbeeld een gigantische elektrische condensator of een al even onwerkbaar vliegwiel, of persluchtketels of misschien zelfs gewichten, zoals bij grootmoeders klok. Hier komt mijn kleinmenselijke zwakheid weer boven. Ik weiger ieder van die ideeën in detail ad absurdum te voeren, omdat ik weet dat het toch nooit ophoudt. Het perpetuum mobile laat de mensheid nooit echt los. Maar, waarde medeburgers, laat ons liever van dat soort spelletjes afstand nemen. Dit is bloedige ernst. De vraag is niet minder dan of we een toekomst hebben of niet.

Uiteraard bestaat er wel een elegante en beproefde methode, en slechts één, om op grote schaal overschot elektriciteit op te slaan. We kunnen water naar hoger gelegen bekkens pompen, en als we de energie nodig hebben dat water doorheen turbines in een lagergelegen bekken laten stromen. Daarbij kunnen we met een vrij hoog rendement elektriciteit maken. Dit is de technologie die we bij hydro-elektrische centrales gebruiken. Ze is een eeuw oud, commercieel beschikbaar en betrouwbaar. Op de figuur hieronder kunt U zien hoe het werkt.

Deze techniek wordt ook voor het opslaan van overtollige elektriciteit vandaag al courant gebruikt, zij het op een vrij kleine schaal, in het Groothertogdom Luxemburg en in Wales. Klinkt toch beloftevol, of niet?

Even kijken wat het betekent als we deze techniek gebruiken om onze broodnodige reserve te vormen. Ik probeer de redenering zo te maken dat iedereen ze kan begrijpen en controleren. Gelieve me dus voor enige langdradigheid te verontschuldigen, vooral indien U zich uw natuurkundeonderricht uit het middelbaar onderwijs nog herinnert. Dan is het volgende bijna beledigend triviaal. Voor alle anderen: indien U de moeite doet om hier met mij door te wandelen gaat U verbaasd zijn hoe eenvoudig het eigenlijk is!

De potentiële energie van het water in het bovenste bassin tegenover het onderste is:

EH = m ● g ● H (1) waarbij

  • EH :potentiële energie in joule
  • m :massa van de hoeveelheid water in kg
  • g :versnelling van het zwaartekrachtveld dus 9,81 m/sec2
  • H :het hoogteverschil tussen de twee wateroppervlakken in meter

Ik stel voor de we voor H 50 meter aannemen. Dat geeft ons 5 bar druk op de turbine, en daarmee kunnen we voor het turbine-generatoraggregaat van een rendement (ῃ) van 85% uitgaan. We kunnen die hoogte uiteraard een beetje variëren.

Ik stel ook voor dat we in m3 (of ton) water rekenen. Dat is iets handiger.

Voor één ton dus is (zie 1)

E50 = 1.000 ● 9,81 ● 50 = 492.103 joule (of ook watt.sec)

Rekenen in wattuur is iets comfortabeler. Laten we dat maar doen. Delen door 3600 (seconden in een uur) volstaat.

E50 = 136 wattuur

Van ons batterijenavontuur herinneren we ons nog welke energiehoeveelheid we in reserve moeten hebben: 3.086 GWh (gigawattuur)

Enodig = 3,086.1012 wattuur en dus is nu heel gemakkelijk te berekenen hoeveel ton (of kubieke meter) water we nodig hebben:

V =  = 22,56.109 m3   

Als we aannemen dat we 10 meter waterspiegelschommeling hebben om mee te werken, dus tussen 45 en 55 meter hoogteverschil, geeft dat de oppervlakte van ons stuwmeer (volume gedeeld door hoogte):

S = 2,256.109 m2 of 2.256 km2.

Helemaal correct is dat nog niet. We zouden ook nog het rendement van de operatie (~ 0,85) in rekening moeten brengen, waardoor de oppervlakte nog iets vergroot. Maar ik denk dat het welletjes is.

We kunnen het uitgewerkte water uiteraard niet gewoon naar de zee laten lopen: zoveel water hebben we hier niet. We moeten het verzamelen om het later, als we elektriciteit in overschot hebben, terug omhoog te pompen. Daarvoor is dus nog eens een bekken van dezelfde grootte nodig. Maakt samen 4.500 km2. Ter vergelijking: de oppervlakte van Belgie is ongeveer 30.000 km2. Het is dus wel immens veel, maar misschien niet overkomelijk. We moeten ook mee inrekenen dat die enorme meren een grote recreatieve waarde zullen hebben.

Doenbaar is dat – theoretisch – in ieder geval. De techniek is perfect gekend. We kunnen al de nodige spullen gewoon kopen of bouwen: daarvoor is geen spatje onderzoek meer nodig. De ecologisten zullen wel opwerpen dat een zeldzame soort groenblauwe ondergrondse mestkever hierdoor met uitroeiing bedreigd wordt, maar de zorgen die me ik maak zijn van een andere soort.

Die 55 meter zijn namelijk een probleem. De enige manier om dit te realiseren is alle diepe dalen van de Ardennen af te dammen en onder water te zetten. Jammer genoeg wonen daar nu net de mensen. Radicale Vlamingen zullen dat misschien als oplossing voor het Belgisch probleem zien. Zou dat de uiteindelijke bedoeling van minister Tommelein kunnen zijn? Foei! Ik ben het daar helemaal niet mee eens: ik heb daar vrienden wonen. Als het nu nog eens Brussel was…

Conclusie

Sorry, vrienden milieubewuste klimaatactivisten: jullie menen het zeker goed, en jullie ideeën zijn aantrekkelijk genoeg, maar ze kunnen niet werken. Dit land kan met alleen hernieuwbare energie niet leven, zelfs niet als we de auto’s verder op benzine en diesel laten rijden. Ooit gaan jullie dat zelf begrijpen, heel zeker. Maar dat zal dan vele jaren en nog meer miljarden verder zijn. Jammer, want die tijd en dat geld zouden we heel goed voor het ontwikkelen van echte oplossingen kunnen gebruiken, maar de tijdsgeest staat dat niet toe.

 

Uw Dwarsliggers

Advertenties

Een gedachte over “Hernieuwbare energie – Een overzicht

  1. Jan Van Puyvelde

    Misschien interessant om de cijfers van de Belgische spaarbekkencentrale te extrapoleren: https://nl.m.wikipedia.org/wiki/Waterkrachtcentrale_van_Coo-Trois-Ponts

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit / Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit / Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit / Bijwerken )

Google+ photo

Je reageert onder je Google+ account. Log uit / Bijwerken )

Verbinden met %s