En toen doofde de mens het vuur (Deel 2/6)

Hoeveel energie halen we weg uit ons mondiaal systeem, uit de wereldeconomie, uit de industrie en samenleving wanneer we vanaf 2050 geen steenkool, petroleum en aardgas meer verbruiken?

In dit tweede deel overlopen we alle groene en hernieuwbare methoden waarmee de wereldeconomie zichzelf vandaag van elektriciteit voorziet. We bekijken hoeveel elektriciteit iedere hernieuwbare modaliteit (wind, zon,…) vandaag oplevert en de hoeveelheid elektriciteitsproductie aan die methode wordt toegekend in de toekomst. Dit Deel 2 gaat over ‘hernieuwbaar’. In deel 3 komen de fossiele brandstoffen aan bod.

1. wind (1.408TWh)

Windenergie en windturbines worden de absolute ruggengraat van de wereldwijde productiegrid. Ingewijden geloven dat wind de ‘baseload’ garandeert die de nodige energiezekerheid biedt.

In het jaar 2050 zal windenergie moeten instaan voor ongeveer de helft van alle elektriciteitsproductie, ofwel zo’n 84.000TWh per jaar. Hierboven ziet u hoe het mondiale windturbinepark eruit zal zien in het jaar 2030. Hoewel totaal ontoereikend, is zelfs die inspanning onvoorstelbaar groot. In 2030 zullen we naar schatting zo’n 3.754TWh aan windenergie produceren. Die theoretische 3.754TWh is grofweg 15.000TWh minder dan nodig, om het groeipad van die illustere 84.000TWh tegen 2050 te halen.

Om de vooropgestelde jaarproductie van 84.000TWh uit windenergie te produceren, moet het mondiale park in 60-voud worden uitgebreid. We hebben theoretisch dus zestigmaal meer windparken en turbines nodig dan wat vandaag aan geïnstalleerd vermogen werd opgesteld. Maar dat is niet alles… die 60-voudige uitbreiding volstaat niet. Dat komt door de wispelturigheid die eigen is aan weerfenomenen.

Wispelturigheid of ‘intermittancy’ blijft een kernprobleem. Windturbines op land presteren slechts 25% van hun maximale lasturen. Op zee stijgt die ratio naar 35%. De problematiek is simpel… indien we extreem afhankelijk worden van windenergie, dan worden langdurige windstille perioden ronduit problematisch. Grote variaties kunnen zich voordoen gedurende weken of zelfs maanden.

Hieronder 2 typische herfstmaanden in Noord-Europa die variaties of schokken vertonen tot 48%. De elektriciteit uit gasturbines en kerncentrales in tal van Europese landen, kan onderling worden verhandeld en uitgewisseld. Zo garanderen we vandaag de baseload op het net. Wordt het aandeel gas en nucleair ingeperkt, dan verdwijnt daarmee ook de baseload die ons toelaat om wispelturige zonne- en windenergie op het distributienet toe te laten. De grafiek hieronder geeft weer hoe alle betrokken landen tegelijk het slachtoffer zijn van éénzelfde windstille fase die de productie uit windturbines in heel Noord-Europa gelijktijdig stil legt. Omdat heel Noord-Europa grofweg hetzelfde weertype heeft.

Willen we de helft van onze elektriciteit genereren uit windenergie, dan moeten we een overcapaciteit van factor 3 installeren, louter om de windstille perioden op te vangen en om te vermijden dat koelcellen, operatiezalen of de lift in uw appartementsgebouw zonder elektriciteit valt. M.a.w. driemaal meer productiecapaciteit dan het theoretische geïnstalleerd vermogen om die illustere 84.000TWh te gaan produceren. Dat betekent een geïnstalleerd vermogen van om en bij de 110.000GW. Ja, gigawatt, niet megawatt. En dat is niet alles. Want om energiezekerheid in te bouwen, moeten we die fenomenale overcapaciteit opslaan in batterijsystemen. Alleen zo biedt windenergie die nodige energiezekerheid. Die batterijcapaciteit of buffer is hét discussiepunt onder experten.

Sommigen beweren dat een buffer van 8 uur volstaat. Anderen beweren dat 48 uur volstaat. Nog anderen dringen aan op een minimale buffer van 28 dagen. Wanneer we niet langer fossiele brandstoffen gebruiken, dan moet een buffer van 28 dagen over de theoretische capaciteit van 10.000TWh à 15.000TWh beschikken. Dat is heel veel opslag.

2. Zon (695TWh)

De Zon,… aanbeden door oude beschavingen, culturen en natuurvolkeren. Begrijpelijk, want het is onze enige energiebron. Alle gas, steenkool, uranium, olie of mineralen werden gedurende miljoenen jaren gecreëerd door zonne-energie. Ook winden ontstaan door de zonne-energie die de ongelijke opwarming en afkoeling veroorzaakt van luchtlagen en aardoppervlak. Sinds kort capteren we de energiepakketjes die de zon aan 299.792.458 m/s op ons afvuurt.

Zonnepanelen zetten zonlicht om in elektriciteit via fotovoltaïsche cellen, waarbij fotonen in het zonlicht elektronen in het paneel losmaken, wat resulteert in energie onder de vorm van elektrische stroom.

Als zon en wind tegen 2050 samen 76% van onze elektriciteitsproductie uitmaken, hoeveel zonneparken hebben we dan nodig?

Net zoals voor windenergie zal ook zonne-energie met factor 60x moeten worden uitgebreid om de theoretische 43.000TWh per jaar te gaan produceren. Zonne-energie is nog gevoeliger voor ‘intermittancy’ dan windenergie. Onze zonnepanelen produceren slechts 11% van hun theoretische vollast. Bewolking, duisternis en de scherpere aanvalshoek naarmate men verwijderd is van de evenaar, halen het aantal lasturen en capaciteitsbenutting snel naar beneden. Daardoor is de theoretische overcapaciteit voor zonne-energie nog groter dan voor windenergie… dat is tenminste, wanneer we aan zonne-energie dezelfde buffercapaciteit toekennen om ook tijdens donkere jaargetijden en doorheen de nacht de grid van elektriciteit te voorzien. Ja, baseload is hét kernwoord.

U leest het af hierboven… Onze productie van 695TWh uit 2019, zal tegen 2050 zo’n 43.000TWh moeten gaan bedragen. Alleen dan kunnen we ons veroorloven om een hedendaags energieverbruik te handhaven zonder fossiele brandstoffen.

Het bakken van de ‘silicium wafers’ die het hart vormen van een zonnepaneel, gebeurt aan 2.200°C. Dat is een formidabele hoeveelheid energie waarvoor men vandaag steenkool gebruikt. Hoe men deze ‘steenkool’ uit de ‘hernieuwbare’ zonne-energie wil gaan halen, blijft een raadsel. Zon en wind zijn hernieuwbaar. Dat klopt. Zon en wind zijn gratis. Dat Klopt. Maar zonne-panelen en windturbines zijn niet hernieuwbaar en niet gratis. Turbines en panelen moeten steeds weer opnieuw gebouwd worden. Om de 20 jaar zullen we het wereldwijde park aan turbines en zonne-panelen weer moeten afbreken, ontmantelen, recycleren en opnieuw moeten produceren, plaatsen en aankoppelen. Om de 20 jaar.

3. Biomassa (598TWh)

Hernieuwbaar in meest letterlijke zin. Biomassa kan men seizoen na seizoen weer oogsten. De natuur doet al het werk. Geholpen door zware landbouwmachines en industriële installaties uiteraard. De hoeveelheid fossiele brandstof die biomassa vandaag vereist, is aanzienlijk. Omdat tractoren op diesel rijden en biomassa moet worden geoogst, vermalen, gedroogd, geloogd en vervoerd.

Het opzet is eerlijk en eerbaar. Koolstofverbindingen die verloren gaan in de vrije natuur kunnen net zogoed worden aangewend om te worden verbrand in industriële processen. En men kan die brandstof jaar na jaar weer inzaaien, oogsten en verbranden. Denk hierbij aan restpartijen uit de agro-industrie en landbouw, restpartijen uit de bosbouw en papierindustrie, bio-ethanol, biodiesel of organisch slib uit waterzuivering. Maar bedenk dat biobrandstoffen en biomassa worden geproduceerd a.d.h.v complexe installaties en energie-intensieve processen. Naarmate energie schaarser, onzeker en duurder wordt, loont het om afval en ‘verliezen’ uit bestaande productieketens te recupereren als brandstof.

4. nucleair of kernenergie (2.746TWh)

De goedgeïnformeerde lezer zal begrijpen dat dit een moeilijk en delicaat onderdeel is. Dit hoofdstuk laat kernfusie, thorium-reactoren en SMR’s volledig buiten beschouwing. Wij kijken naar de 410 kernreactoren die vandaag operationeel zijn. Ze kunnen worden opgedeeld in leeftijd, vermogen of type : fast breeder reactor, pressurized water reactor, boiling water reactor, gas-cooled reactor, light water graphite reactor en pressurized heavy water reactor.

Samen met steenkool en gascentrales vormt kernenergie vandaag de ruggengraat van onze baseload. Baseload op het net verwijst naar de continue en stabiele hoeveelheid elektriciteitsproductie om aan de basisvraag te voldoen. Dit wordt geleverd door centrales met een constant vermogen zoals kerncentrales, kolencentrales of grote waterkrachtcentrales.

Frequentie is het aantal oscillaties per seconde in een wisselstroomnetwerk, gemeten in hertz (Hz). In het geval van baseloadcentrales is frequentieregeling van groot belang voor het handhaven van de stabiliteit van het elektriciteitsnet. Als de vraag naar elektriciteit de productie overschrijdt, daalt de frequentie, en als de productie de vraag overstijgt, stijgt de frequentie. Een stabiele frequentie is cruciaal voor het handhaven van het evenwicht tussen vraag en aanbod en voor het voorkomen van storingen in het netwerk. Alleen met voldoende baseload, kan men de frequentie wisselingen van zonne- en windenergie toelaten op het net.

Kernenergie is in staat om een enorme hoeveelheid energie op een constante basis op het net te brengen. Toch levert kernenergie vandaag slechts 1,7% van alle energie die we verbruiken. Tegen 2050 kan dit theoretisch oplopen tot 2,5%.

Voor een wereld die totaal geëlektrificeerd beloofd te worden, is het werkelijk bizar te merken hoe weinig gewicht, onderzoek en middelen worden toegekend aan nieuwe generaties van laag-radioactieve alternatieven ter vervanging van de huidige generatie kernreactoren.

5. Waterkracht en ‘Pumped Hydro’ (4.316TWh)

De kracht van water spreekt tot verbeelding. Water is in staat steden en bergketens weg te spoelen. Het is dé natuurkracht die aan de basis ligt van ons angstbeeld. Zelfs daarin is Nederland een gidsland. Nederlanders zijn de beste leerlingen van de klas omdat zij sedert eeuwen hebben geleerd in angst te leven voor de stijgende zeespiegel.
Nu de rest van wereld nog.

Als u zich afvraagt waarom de elektrische wagen nergens zoveel aantrek vindt als in Noorwegen, dan is dat dankzij waterkracht. Hydro. Noorwegen heeft een geïnstalleerd waterkracht vermogen van 28.000MW. Jawel. Dat is grofweg driemaal de capaciteit van alle Belgische kerncentrales samen, toen die nog operationeel waren.

Hydro en Pumped Hydro zijn niet hetzelfde. Hydro is het afdammen van een natuurlijke waterloop. De opgestapelde watermassa achter de stuwdam heeft de capaciteit van een batterij. Heeft de grid elektriciteit nodig, dan opent men eenvoudigweg de sluisdeuren die het water doorheen de turbines stuurt. De hoger gelegen reservoirs worden ieder jaar opnieuw aangevuld met smeltwater en neerslag.

‘Pumped Hydro’ is het complexe neefje van ‘Hydro’. In het geval van pumped hydro wordt overtollige elektriciteit aangewend om water naar hoger gelegen reservoirs te pompen. Zo slaat men de energie op in de hoger gelegen watermassa. Pumped hydro vereist een formidabele schaal en formidabele infrastructuurwerken onder de vorm van reservoirbouw (cement en beton), pompinstallaties, turbinehuizen én een enorme overcapaciteit aan elektriciteitsproductie om miljarden kubieke meters aan zoetwater bergopwaarts te pompen.

97% van alle opgeslagen energie, ofwel 97% van alle onze mondiale batterijcapaciteit, is onder de vorm van ‘hydro’. Hydro is het groenste en het schoonste batterijprincipe die de geologie en topologie ons biedt. Maar een voelbare uitbreiding ervan belooft een energie-intensief en diesel-verslindend monsterproject te worden.

In een studie uit 2019 werden werden 530.000 locaties in kaart gebracht die zich bij een eerste survey leenden tot hydro en/of pumped hydro. Gaat men met een vlooienkam door die data… ook dan ontbreekt het ons niet aan geschikte locaties om op termijn duizenden GW’s aan geïnstalleerd vermogen op te bouwen en duizenden TWh’s aan elektriciteit te gaan produceren.

Een ‘show-stopper’ is schaal. Hydro is altijd grootschalig. Het loont niet om in de Dijle-vallei of in de heuvels van de Vlaamse Ardennen kleine reservoirs op te bouwen die met zoetwater worden volgepompt door een lokale windturbine.

Hydro is een onverdachte productiemethode die men tot de meest groene onder de écht hernieuwbare methoden mag rekenen. Het is haast onverklaarbaar waarom in de ‘net-zero-ambitie-2050’ zo weinig gewicht wordt toegekend aan waterkrachtcentrales.

Afsluitend

Met deze 5 ‘hernieuwbare’ methoden produceren we jaarlijks 10.887TWh aan elektriciteit. Wanneer we tegen 2050 alle fossiele brandstoffen hebben afgeschaft, moet die 10.887TWh zijn uitgebreid naar 160.000TWh. Dat belooft nog wat te worden.
Maar vergis u niet… dit zijn de 5 technologieën.

Nic Balthazar, Net Zero America, het IEA en de Europese Commissie zijn ervan overtuigd dat het haalbaar is.

In Deel 3 ruilen we ‘hernieuwbaar’ voor ‘fossiel’. Daarin bekijken we hoeveel fossiele brandstoffen we vandaag werkelijk verbruiken bij de productie van elektriciteit en hoeveel olie, steenkool en gas we verbranden voor alle andere doeleinden samen. Denk hierbij aan hoogovens, de scheepvaart, cement productie, farmaceutica of meststoffen.


Reageren kan zoals altijd in de comments. Vindt u dit een interessante publicatie, dan u dat tonen met een hartje of door te ‘sharen’ met vrienden en kenissen.