Windenergie kan slechts fractie van wereldwijde energieverbruik leveren

Er is geen gebrek aan ambitieuze plannen voor de grootschalige inzet van windturbines. In eerdere artikels hebben we daar al een aantal vraagtekens bij geplaatst. 

Een van de problemen is dat windturbines en windparken wind “stelen” van elkaar, met het gevolg dat ze veel verder uit elkaar zouden moeten worden geplaatst dan in die grootse plannen het geval is. Volgens recente onderzoeken speelt dat probleem nog veel meer op globaal niveau.

De berekeningen betreffende het globale potentieel van windenergie zijn grondig fout, omdat ze geen rekening houden met het feit dat de energie die de eerste windturbine uit de lucht haalt, niet meer door de tweede windturbine kan worden gebruikt. Gebeurt dat wel, dan blijkt het potentieel van windenergie wereldwijd veel kleiner: hoogstens een kwart tot de helft van wat tot nu toe als haalbaar werd beschouwd. Maar zelfs die hoeveelheid energie kunnen we niet oogsten omdat we het klimaat grondig zouden verstoren.

——————————————————————————————————–

// http://pagead2.googlesyndication.com/pagead/show_ads.js // http://pagead2.googlesyndication.com/pagead/show_ads.js

——————————————————————————————————–

De jongste jaren zijn een aantal wetenschappelijke studies uitgevoerd naar het wereldwijde potentieel van windenergie als bron van elektriciteitsproductie. Die zijn allemaal volgens dezelfde methode opgesteld. Als uitgangspunt nemen ze de windsnelheid in gebieden die geschikt zijn voor windturbines en combineren die informatie met de specificaties van bestaande, individuele windturbines.

Vervolgens wordt berekend hoeveel turbines er op die oppervlakte geïnstalleerd kunnen worden, rekening houdend met de turbulentie die elke machine veroorzaakt. Tot slot wordt het energetische potentieel van al die turbines opgeteld. De conclusie luidt onveranderlijk dat het potentieel van windenergie voor elektriciteitsproductie meer dan voldoende is voor het dekken van onze consumptie.

Optimistische rapporten

Een onderzoek uit 2008 (.pdf) komt bijvoorbeeld tot de conclusie dat windturbines een hoeveelheid energie kunnen leveren die 40 keer hoger ligt dan het wereldwijde elektriciteitsverbruik, en meer dan 5 keer hoger dan het globale primaire energieverbruik – en dat alleen met windturbines op land. Die resultaten liggen in de lijn van een eerder onderzoek uit 2005, dat het maximum potentieel van windenergie op land berekent op ongeveer 72 terawatt (TW), zowat 35 keer het globale elektriciteitsverbruik en 4,5 keer het globale primaire energieverbruik. Een onderzoek uit 2010 (.pdf) stelt dat het maximum praktisch haalbare potentieel van off-shore windenergie (op zee dus) 39 TW is.

Volgens deze studies, allemaal verschenen in vooraanstaande vakbladen, bedraagt het totale potentieel van windenergie (op zee + op land) dus ongeveer 110 TW. Dat is bijna 7 keer het huidige primaire energieverbruik.

Perpetuum mobile

Een studie uit 2010 (“The problem of the second wind turbine – a note on a common but flawed wind power estimation method“), gepubliceerd in het tijdschrift “Earth System Dynamics”, bond de kat de bel aan. De Duitse wetenschappers, werkzaam bij het Max Planck Instituut, tonen aan dat de methode die in deze optimistische onderzoeken wordt gehanteerd, fout is. De kritiek is eenvoudig samen te vatten. De berekeningsmethode schendt de eerste wet van de thermodynamica, de wet van het behoud van energie.

——————————————————————————————————–

De gebruikelijke berekeningsmethode schendt elementaire natuurwetten

——————————————————————————————————–

Die natuurwet stelt dat energie niet kan worden gecreëerd of vernietigd, maar alleen kan worden omgezet van de ene in de andere vorm. In feite zijn de optimistische studies over het potentieel van windenergie gebaseerd op de illusie van het perpetuum mobile.

De gebruikelijke methode voor het berekenen van het potentieel van windenergie houdt voor de onderlinge afstand tussen de windturbines enkel rekening met de turbulentie die elke machine opwekt. Ze gaat voorbij aan het feit dat de wind die door de eerste windturbine uit de lucht wordt gehaald en wordt omgezet in elektriciteit (en een deel restwarmte), niet meer door de tweede windturbine kan worden gebruikt.

Energie uit het niets

Met een rekenvoorbeeld tonen de Duitse onderzoekers aan dat een opstelling van 150 windturbines in een windtunnel van 100 kilometer lang volgens de gebruikelijke berekeningsmethode 150 megawatt (MW) energie kan halen uit een initieel windvermogen van 100 MW – een duidelijke schending van de wet van het behoud van energie, want de windturbines creëren 50 MW energie uit het niets. De wetenschappers berekenen vervolgens het potentieel van dezelfde opstelling windturbines rekening houdend met de energieverliezen en komen aan een resultaat van 78 MW uit 100 MW – bijna de helft van de energie die volgens de nu gehanteerde methode kan worden geproduceerd.

De hoeveelheid energie die een individuele windturbine uit de onderste luchtlagen haalt is – rekening houdend met de verspreidde plaatsing van de machines – relatief klein, zodat de klassieke methode nauwelijks afwijkende resultaten oplevert als ze wordt gebruikt voor een relatief kleine verzameling windturbines.

Maar dat wordt totaal anders als het windpotentieel op globale schaal wordt berekend. Al die kleine verliezen lopen namelijk flink op als er honderdduizenden windturbines in het spel zijn.

Met een gelijkaardige berekening laten de Duitsers zien dat één van de optimistische rapporten een totale hoeveelheid windenergie impliceert van 242.000 TW in de atmosfeer (en dat enkel tot op een hoogte van 1 kilometer). Dat is meer dan de totale hoeveelheid zonne-energie die de planeet absorbeert (122.000 TW), wat onmogelijk is aangezien wind een product is van zonne-energie.

Berekeningsmethode omdraaien

De fundamentele conclusie van de wetenschappers: de maximum hoeveelheid windenergie die we kunnen oogsten wordt bepaald door de beschikbare instroom van kinetische energie (= de wereldwijd beschikbare windenergie in de atmosfeer), en niet door het aantal turbines, hun eigenschappen, of hun plaatsing. Als we er bijvoorbeeld in zouden slagen om windturbines 10 keer dichter op elkaar te plaatsen ten gevolge van een revolutionair design, dan besparen we weliswaar veel plaats, maar we zullen daardoor niet meer windenergie uit de atmosfeer kunnen halen – zoals in dit persbericht verkeerdelijk wordt geconcludeerd. 

Wat is dan het globale potentieel van windenergie?

Een berekening van het maximale global potentieel van windenergie moet dus “top-down” worden uitgevoerd, vertrekkende vanuit de beschikbare windenergie in de atmosfeer, en niet “bottom-up”, vertrekkende van de capaciteit van individuele windturbines. Een team wetenschappers van de Universiteit van Valladolid in Spanje nam de handschoen op en voerde een berekening uit volgens de nieuwe methode. Dat onderzoek, “Global wind power potential: physical and technological limits” (kostprijs 20 dollar – hier een samenvatting), verscheen eind juni 2011 in het vaktijdschrift “Energy Policy”.

——————————————————————————————————–

Het aantal turbines, hun eigenschappen en hun plaatsing heeft geen enkele invloed op het potentieel van windenergie

——————————————————————————————————–

Een belangrijke vraag bij de top-down benadering is natuurlijk hoeveel kinetisch vermogen aan wind er globaal in de atmosfeer aanwezig is. De Duitse wetenschappers uit het vorige onderzoek schuiven het cijfer van 900 TW naar voren, terwijl de Spaanse onderzoekers uit deze studie stellen dat de schattingen uiteen lopen van 340 tot 3600 TW. Als uitgangspunt nemen ze de tussenliggende waarde van 1200 TW. Zoals we zullen zien, maakt het precieze cijfer niet zo heel veel uit, omdat al deze waarden zich binnen één orde van grootte bevinden.

Van 900 TW naar 20 TW

Van die 900 TW is slechts een klein deel beschikbaar op een hoogte van minder dan 200 meter: 100 TW stellen de onderzoekers, wat min of meer overeenkomt met de waarden uit de optimistische studies. Maar deze 100 TW houdt nog geen rekening met het feit dat lang niet elke plaats op aarde geschikt is om er een windturbine neer te poten, bijvoorbeeld omdat het om bebouwde oppervlakte of scheepvaartroutes gaat, omdat het water te diep is, of omdat de weersomstandigheden te extreem zijn. Volgens de auteurs blijft er slechts 20 TW over als die factor in rekening wordt gebracht (de diepzee neemt nu eenmaal het grootste deel van de aarde in).

Van 20 TW naar 2,25 TW

Daarbij komt dat een windturbine niet alle wind opvangt – slechts 30 procent van de kinetische energie interageert met de wieken van de turbines, schrijven de onderzoekers, zodat het potentieel zakt naar 6 TW. Vervolgens kan niet alle wind worden benut omdat het niet op alle plaatsen voldoende waait om de plaatsing van een windturbine rendabel te maken. Gebieden met relatief weinig wind dus.

Allemaal samen vertegenwoordigen die gebieden natuurlijk wel een aanzienlijke hoeveelheid verloren windenergie. Resultaat: het potentieel daalt van 6 naar 3 TW. Daarbij komt dat windturbines niet functioneren bij alle windsnelheden. Onder een bepaalde snelheid leveren ze niets, en boven een bepaalde windsnelheid moeten ze worden stilgelegd. Het potentieel daalt daarmee, zelfs rekening houdend met toekomstige technologische verbeteringen, naar 2,25 TW.

Van 2,25 TW naar 1 TW

Tot slot is een windturbine niet 100 procent efficiënt in het omzetten van kinetische windenergie in elektriciteit. Uitgaande van een verdubbeling van de efficentie tegenover de huidige generatie windturbines bij de omzetting van mechanische energie naar elektrische energie (15 procent in plaats van de nu gangbare 30 procent), komen de onderzoekers zo aan een eindwaarde van 1,12 TW, of 6 procent van het wereldwijde energieverbruik.

Dat is ongeveer 100 keer minder dan het potentieel dat tot nu toe als haalbaar werd beschouwd, en “slechts” 22 keer meer dan de (effecctieve) capaciteit die nu staat opgesteld. Als de huidige groei van de sector zich verderzet, zo rekenen de Spanjaarden voor, bereiken we de limiet in minder dan 15 jaar. Let op: het gaat hier om het effectieve vermogen. Het opgestelde vermogen is 4 keer groter omdat windturbines niet altijd draaien.

Als het uitgangspunt van de Spaanse onderzoekers fout zou blijken te zijn, en de totale instroom aan kinetische energie zou overeenkomen met de maximale schatting van 3600 TW (een cijfer dat vrijwel niemand hanteert), verandert dat relatief weinig aan het resultaat. Windenergie voor elektriciteitsproductie zou dan maximaal 4 TW in plaats van 1 TW kunnen leveren, nog altijd 25 keer minder dan wat nu wordt vooropgesteld. 

Kritiek: er is ook interactie met bovenste luchtlagen

Zowel het Duitse als het Spaanse onderzoek lokten kritiek uit. De onderste luchtlagen (tot 200 meter) zijn immers niet te vergelijken met een windtunnel, stellen de critici. Er is interactie met de hogere luchtlagen in de atmosfeer, zodat een deel van de door de windturbines opgesoupeerde energie opnieuw wordt aangevuld. De Spaanse onderzoekers erkennen die kritiek niet – ze stellen dat de uitwisseling te traag verloopt om een betekenisvol effect te hebben (zie de samenvatting van hun onderzoek).

——————————————————————————————————–

Twee verschillende onderzoeken komen tot twee totaal verschillende resultaten

——————————————————————————————————–

De Duitse onderzoekers die de basis legden voor de alternatieve berekening, erkennen echter wel dat hun studie te simplistisch is opgesteld en doen hun huiswerk over. Dat resulteert in een nieuwe studie, die in 2011 in hetzelfde tijdschrift wordt gepubliceerd: “Estimating maximum global land surface wind power extractability and associated climatic consequenses“.

In dit onderzoek houden ze wel rekening met de interactie tussen hogere en lagere luchtlagen, en berekenen ze op basis van hun bevindingen meteen ook hoeveel windenergie er dan wel op wereldschaal geoogst kan worden (op land). Ze komen aan een resultaat van 18 tot 34 TW mechanische energie (wat bij een omzettingsverlies van 15 procent neerkomt op 15,3 tot 29,1 TW elektrische energie). Dat is nog altijd slechts een kwart tot de helft van wat tot nu toe als haalbaar werd beschouwd, maar het staat wel gelijk aan één tot twee keer het (huidige) wereldwijde energieverbruik.

Ontregeling van het klimaat

Het slechte nieuws is dat de interactie tussen hogere en lagere luchtlagen, die ervoor zorgt dat een deel van de door de windturbines opgesoupeerde energie opnieuw wordt aangevuld, een wel heel erg ongewenst effect heeft: een ingrijpende ontregeling van het klimaat. Als de maximale 34 TW mechanische energie door windturbines uit de lucht wordt gehaald, zo concluderen de Duitse vorsers, dan worden er op een globaal niveau absolute veranderingen geregistreerd die even ingrijpend zijn als bij een een verdubbeling van de hoeveelheid CO2 in de atmosfeer (720 ppm). Het gaat onder meer om veranderingen in temperatuur, neerslag, wolkenvorming, windsnelheid en luchtdruk.

Die zijn het gevolg van het naar beneden sleuren van hogere luchtlagen, die een hogere potentiële temperatuur hebben. Wanneer die lucht zich mengt met de lucht uit de lagere luchtlagen, resulteert dat in een temperatuursstijging (kinetische energie wordt omgezet in warmte). Let wel: absolute verschillen zeggen niets over welke richting die variabelen op lokaal en globaal niveau uitgaan: het zou dus in principe kunnen dat miljoenen windturbines juist voor een globale temperatuurdaling zorgen. Het enige wat de simulaties laten zien, is dat een erg groot aantal windturbines (goed voor 34 TW mechanische energie) een grote invloed heeft op het klimaat. Hoe die invloed zou uitdraaien, is vooralsnog totaal onbekend.

——————————————————————————————————–

Computersimulaties tonen dat grote aantallen windturbines het klimaat ingrijpend beïnvloeden tot op duizenden kilometers afstand

——————————————————————————————————–

Het is niet het eerste onderzoek dat er op wijst dat grote aantallen windturbines het klimaat kunnen verstoren. De mechanismen achter de verstorende werking van windturbines werden gedetailleerd uit de doeken gedaan in studies uit 2008 (“On the impact of surface roughness anomalies“) en 2004 (“The influence of large-scale wind power on global climate“). Hoewel deze onderzoeken geen berekeningen maken voor de invloed van specifieke hoeveelheden windturbines, laten ze weinig twijfel over het feit dat er een groter dan verwachte invloed is.

Vooral het optreden van klimaatwijzigingen op duizenden kilometers afstand van de windparken baart de onderzoekers zorgen. Hoewel kinetische energie slechts 0,3 procent van de energiebalans van de aarde uitmaakt, heeft ze een relatief grote invloed op het klimaat omdat wind in grote mate verantwoordelijk is voor het transport van warmte en vochtigheid over de aarde. 

Hoe veel windenergie kunnen we dan oogsten zonder het klimaat te beïnvloeden? Voorlopig is er niemand die het weet. Maar het zou niet verbazen als de limiet uiteindelijk toch rond de waarde van 1 TW komt te liggen. Een onderzoek uit 2009 (“Potential climatic impacts and reliability of very large-scale wind farms“) stelde na het uitvoeren van computersimulaties dat een door windturbines geleverde elektriciteitsproductie van 4,4 TW (tien procent van het verwachte energieverbruik in 2100)  een temperatuurstijging veroorzaakt van 1 graad Celsius op de plaatsen waar windparken op land staan opgesteld. Bovendien werden er opnieuw ook op plaatsen ver weg van de windparken temperatuur-verschillen genoteerd, net als veranderingen in wolkenvorming en regenval.

Bij windparken op zee werd dan weer een gelijkaardige temperatuurdaling genoteerd (dit werd verder onderzocht in een recent gepubliceerde studie “Potential climatic impacts and reliabilty of large-scale offshore wind farms“). Hier bleken de klimaateffecten op andere plaatsen erg klein te zijn.

Onderzoek staat in de kinderschoenen

Als wetenschappers zodanig van mening verschillen dat de een uitkomt op een maximum potentieel van 1 TW (op zee en op land) en de ander op een maximaal potentieel van 15 tot 30 TW (alleen op land), dan is het duidelijk dat het onderzoek naar het effect van grootschalige elektriciteitsproductie uit windenergie in de kinderschoenen staat.

Duidelijk is wel dat er niet één maar minstens twee limieten zijn. Zelfs als er genoeg windkracht te rapen valt om al ons energieverbruik te dekken, dan valt het nog te bezien hoeveel daarvan we kunnen oogsten zonder het klimaat te ontregelen. Volgens de Spaanse wetenschappers is niet het klimaat maar de energievoorraad het probleem. Voor de Duitse onderzoekers is niet de energievoorraad maar het klimaat het probleem. Waar hebben we dat nog gehoord?

——————————————————————————————————–

Nucleaire energie en “schone” fossiele brandstoffen botsen tegen gelijkaardige grenzen aan als ze worden opgeschaald

——————————————————————————————————–

Uiteraard zullen voorstanders van nucleaire energie en “schone” fossiele brandstoffen deze onderzoeken aangrijpen om hun gelijk te onderstrepen. Maar dat is ongepast. Ten eerste botsen deze energiebronnen tegen gelijkaardige grenzen aan als ze worden opgeschaald – bijvoorbeeld omwille van een tekort aan beschikbare brandstoffen voor nucleaire centrales, of een tekort aan ondergrondse ruimten voor CO2-opslag. Ten tweede betekenen de naar beneden bijgestelde maximale waarden voor het potentieel van windenergie niet dat de capaciteit van hernieuwbare energie te klein is om serieus te nemen.

Stel dat we in het slechtste geval inderdaad maar 1 TW (effectief) vermogen kunnen opstellen, dan komt dat nog altijd overeen met 8.760 TWh, ongeveer de helft van het wereldwijde elektriciteitsverbruik (17.100 TWh). Dat is niet niks. Daarbij komt uiteraard het enorme potentieel van energiebesparing. Zoals al vaak vermeld, vormt geen enkele energiebron een oplossing als we niet tegelijk ons energieverbruik terugschroeven. Windenergie zou ook rechtstreeks kunnen worden omgezet in mechanische energie voor het aandrijven van bepaalde industriële processen, wat (gerekend aan de huidige omzettingsverliezen) dertig procent efficiënter is.

Bovendien zijn we nog ver verwijderd van de grote aantallen windturbines waarvan in al deze onderzoeken sprake is. In juni 2011 bedroeg het wereldwijd opgesteld vermogen 0,215 TW, wat neerkomt op een effectief vermogen van ongeveer 0,07 TW. Deze onderzoeken zijn dus geen reden om nu met de bouw van windturbines te stoppen. 

Zonne-energie

Tot slot is deze herberekening enkel van toepassing op windenergie. Hoewel een soortgelijke correctie ook kan worden uitgevoerd voor energie uit oceaanstromingen en golfslag, is dat niet zo voor de “moeder” van alle hernieuwbare energiebronnen: de zon. Het is de zon die met haar input van 122.000 TW de luchtlagen in de beweging brengt. Zonne-energie kent geen soortgelijke beperkingen: de energie die door één zonnepaneel wordt opgevangen, heeft geen negatieve invloed op de energie die het tweede zonnepaneel ontvangt. Bovendien kan de zon ook rechtstreeks thermische energie leveren, terwijl windturbines dat niet kunnen. 

Kris De Decker

De tekeningen zijn van NASA en louter illustratief. Dit artikel werd herschreven ten gevolge van reactie # 22. Het originele artikel staat hier.

Verwante artikels:

• De mechanische batterij: hernieuwbare energie opslaan met de zwaartekracht
• Oorlog om windenergie? windparken “stelen” wind van elkaar
• Zwevende windmolens: energie uit de wolken?
• Kitesurfing voor Electrabel: vliegers als alternatief voor kernenergie
• Windmolenparken op zee: hoe transporteren we de elektriciteit?
• Industriële windmolens: geschiedenis – en toekomst
• Bijna 40 kleine windturbines getest: veel geld voor weinig energie
• De Energy Ball: kost meer energie dan hij oplevert
• Zo lossen we de energiecrisis (nooit) op: er is meer nodig dan duurzame energie
• Hernieuwbare energie op grote schaal: zijn er genoeg grondstoffen?
• Zit er te veel of te weinig olie in de grond? “peakoil” of “global warming”, wat is nu eigenlijk het probleem?
• Draait de industrie straks op geconcentreerd zonlicht?

Startpagina.

——————————————————————————————————–

// http://pagead2.googlesyndication.com/pagead/show_ads.js