Kunnen geïndustrialiseerde landen grotendeels of volledig op hernieuwbare energie draaien? Nee, want daar is niet genoeg plaats voor. Het nieuwste boek van Vaclav Smil maakt brandhout van de toekomstscenario’s van veel wetenschappers en milieuorganisaties. Om hernieuwbare energieproductie een realiteit te maken, moet het energieverbruik met minstens een factor 10 tot 100 omlaag.
Foto: een zonnecentrale in Oekraïne.
——————————————————————————————————–
|
// http://pagead2.googlesyndication.com/pagead/show_ads.js // http://pagead2.googlesyndication.com/pagead/show_ads.js |
——————————————————————————————————–
Vermogensdichtheid
De vermogensdichtheid van een energiebron is de hoeveelheid vermogen die ze per vierkante meter landoppervlak kan leveren (in watt per m2). De variabele duidt niet alleen op het landgebruik van de energiecentrale zelf, maar ook op het plaatsgebruik van alle activiteiten die daarbij horen.
Bijvoorbeeld een gasgestookte elektriciteitscentrale heeft ook ruimte nodig voor gasboringen, voor gasopslag, voor pijpleidingen, voor elektriciteitstransmissie, en voor de wegeninfrastructuur die bij al die onderdelen hoort.
De vermogensdichtheid van een energiebron omvat ook alle bijkomende infrastructuur. Op de foto een olieraffinaderij in Koeweit. Bron: Lokanta, Wikipedia Commons.
Als onderzoekers of milieuorganisaties toekomstscenario’s over de energievoorziening maken, dan wordt de vermogensdichtheid meestal genegeerd of als onbetekend beschouwd. Een mooi voorbeeld is het recente rapport van de milieuorganisaties BBL, WWF en Greenpeace, dat stelt dat zelfs een klein en dichtbevolkt land als België tegen 2030 al 54% van alle elektriciteit via hernieuwbare energiebronnen kan opwekken. Daarvoor zijn 13.000 MW zonnepanelen, 7.500 MW windmolens op land, 3.800 MW windmolens op zee, en 1.300 MW biomassaplantages nodig.
In zijn nieuwste boek Power Density (“vermogensdichtheid”) maakt Vaclav Smil komaf met dit soort utopische scenario’s. Smil is niet de eerste de beste. Hij schreef een dertigtal boeken over energie en geldt wereldwijd als een autoriteit. Zijn vorige boek, Harvesting the biosphere: what we have taken from nature, bracht de ontginning van grondstoffen en biomassa uitvoerig in kaart. Power Density is een 300 pagina’s tellende, nauwgezette berekening van de vermogensdichtheid van alle verschillende energiebronnen.
——————————————————————————————————–
Milieuorganisaties negeren vermogensdichtheid bij het opstellen van hun toekomstscenario’s
——————————————————————————————————–
Als we de resultaten uit het boek toepassen op het toekomstscenario voor België, dan blijkt dat er voor al die hernieuwbare energiecentrales (exclusief de windmolens op zee) maar liefst 11.400 km2 plaats nodig is, één derde van de totale landoppervlakte. Dan hebben we het alleen over (de helft van) de elektriciteitsproductie, niet over het energieverbruik van bijvoorbeeld transport, verwarming en chemische industrie, dat veel groter is dan het elektriciteitsverbruik. Het zal niet verbazen dat er in het rapport met geen woord over landgebruik wordt gerept.
Ruimtegebruik: een verschil van vijf grootteordes
De belangrijkste conclusie van Smil’s boek is het enorme verschil in vermogensdichtheid tussen enerzijds fossiele brandstoffen en uranium, en anderzijds hernieuwbare energiebronnen zoals wind, zon en biomassa. (Waterkrachtcentrales zijn een verhaal apart en laten we hier verder buiten beschouwing).
Fossiele brandstoffen en uranium produceren warmte en elektriciteit met een vermogensdichtheid die twee tot vijf grootteordes hoger is dan de exploitatie van hernieuwbare energiebronnen. Om evenveel energie te leveren, hebben hernieuwbare energiebronnen dus 100 tot 100.000 meer ruimte nodig.
Zelfs dagbouw, een vorm van mijnbouw waarbij steenkool aan de oppervlakte worden afgegraven, heeft veel minder plaats nodig dan hernieuwbare energie. Foto: wikipedia commons.
Terwijl het gasveld in Groningen of een gemiddeld olieveld in Saoedie-Arabië een vermogensdichtheid hebben van respectievelijk 16.000 en 23.000 W/m2, haalt de best scorende hernieuwbare energiebron (de zonneboiler) een waarde van 40 tot 110 W/m2, afhankelijk van het klimaat.
Hoeveel plaats nodig voor zonnepanelen?
Terwijl een steenkoolcentrale, een gascentrale of een atoomcentrale elektriciteit leveren met een vermogensdichtheid van ongeveer 1.000 tot 4.000 W/m2 (inclusief ontginning, bewerking en transport van de energiebron), halen fotovoltaïsche zonnepanelen — de best scorende hernieuwbare bron van elektriciteit — een vermogensdichtheid van slechts 3 tot 15 W/m2.
Zonnepanelen hebben dus minstens 100 keer meer ruimte nodig dan fossiele brandstoffen of kernenergie. In deze vergelijking wordt bovendien geen rekening gehouden met het transport van elektriciteit, wat zonne-energie bevoordeelt omdat ze ook meer transmissielijnen nodig heeft.
Een zonnecentrale. Foto: wikipedia commons.
Zonnepanelen op daken van gebouwen scoren het best, met waarden van 10 tot 15 W/m2 (het gemiddelde in Duitsland is 12 W/m2). Bovendien kan je stellen dat ze in feite (net als zonneboilers) geen extra ruimte innemen.
Voor grotere zonnecentrales, waar de panelen op het land worden geïnstalleerd, bedraagt de vermogensdichtheid slechts 3 tot 7 W/m2 in gematigde gebieden en 7 tot 11 W/m2 in zonnige regio’s. De panelen moeten immers verder uit elkaar worden geplaatst om elkaar niet te overschaduwen. Bovendien zijn er wegen en facilitaire gebouwen nodig voor onderhoud en schoonmaak.
Hoeveel plaats nodig voor windturbines?
Windturbines in winderige kustgebieden scoren ongeveer even goed als zonnecentrales, maar omdat veel windmolenparken in het binnenland staan opgesteld ligt de gemiddelde vermogensdichtheid van een windmolenpark een grootteorde lager (0,6 W/m2 in de EU, 0,96 W/m2 in de VS). Biobrandstoffen scoren het slechtst van alle energiebronnen met een vermogensdichtheid van 0,1 tot 0,2 W/m2. Dat is minstens 1.000 keer lager dan de vermogensdichtheid van benzine of diesel.
——————————————————————————————————–
Zonnepanelen hebben 100 tot 1.000 keer meer ruimte nodig dan fossiele brandstoffen of kernenergie
——————————————————————————————————–
Al deze waarden zijn gemiddelden. Sommige energiecentrales halen veel lagere vermogensdichtheden, en dat geldt ook voor klassieke energiebronnen. Zo kan de vermogensdichtheid van steenkoolontginning tot beneden de 200 of zelfs 50 W/m2 zakken als er bergtoppen worden opgeblazen, een controversiële techniek in bepaalde Amerikaanse regio’s. Sommige uranium- of steenkoolmijnen hebben ook lagere vermogensdichtheden omdat de concentratie of de kwaliteit van de ertsen laag is. In het algemeen is het verschil met hernieuwbare energiebronnen echter klaar en duidelijk.
Dubbel ruimtegebruik: koeien en windmolens
De vermogensdichtheid kent ook belangrijke kwalitatieve verschillen, die niet in het cijfer vervat zitten. Niet alle energiebronnen gebruiken het land op dezelfde manier. Een energiebron kan het oppervlak volledig in beslag nemen of transformeren, zoals in het geval van een biomassaplantage of een opslagplaats van mijnbouwafval. Maar vaak blijven andere activiteiten mogelijk.
Windenergie kan worden gecombineerd met andere activiteiten zoals landbouw of veeteelt (maar dat laatste is ook niet zo duurzaam). Foto: Dirk Ingo Franke, Wikipedia Commons.
Het beste voorbeeld is windenergie. Omwille van de geluidsproductie kan er tussen de windturbines en in een bufferzone rondom een windmolenpark niet worden gebouwd. Maar die ruimte — minstens 95% van de totale oppervlakte van een windmolenpark — is wel prima geschikt voor landbouw of veeteelt. Als er alleen wordt gekeken naar de oppervlakte van de funderingen van de windmolens, dan bedraagt de vermogensdichtheid van windenergie 50 W/m2 of meer — hoger dan zonnepanelen.
Voor zonneparken is de transformatie van het land ingrijpender dan bij windenergie. De open ruimte tussen de panelen is veel kleiner (25-75% van de oppervlakte van een zonnecentrale bestaat uit zonnepanelen, terwijl slechts 1-5% van een windmolenpark uit windturbines bestaat) en de panelen overschaduwen het land waarop ze zijn geplaatst, waardoor de meeste plantengroei verdwijnt. Toch wordt het opwekken van zonne-energie soms gecombineerd met bijvoorbeeld het laten grazen van schapen.
Dubbel ruimtegebruik is ook mogelijk bij atoomcentrales. Die hebben meestal groene bufferzones waar de natuur haar gang kan gaan. Zo stijgt de vermogensdichtheid van de grootste kerncentrale in Japan van 1.900 naar 3.500 W/m2 als er geen rekening wordt gehouden met de groene bufferzone. Anderzijds zou een kernramp de vermogensdichtheid van een atoomcentrale vele malen kleiner maken. Ook olie- en gasvelden bestaan grotendeels uit lege ruimte, al wordt het gebied tussen de boorputten zelden voor andere doeleinden gebruikt.
Vermogensdichtheid van olie daalt
Ook de energiebronnen kennen kwalitatieve verschillen. Fossiele brandstoffen mogen dan een superieure vermogensdichtheid hebben, ze zijn niet onbeperkt voorradig. Zon en wind zullen er altijd zijn. De vermogensdichtheid van het gemiddelde olieveld in het Midden Oosten daalde van 25.000 W/m2 in 1972 tot 9.000 W/m2 in 2012. In de VS is de gemiddelde vermogensdichtheid van olieputten slechts 100 W/m2, omdat het om oudere olievelden gaat — de olieproductie in de VS piekte al in de jaren 1970.
De vermogensdichtheid van olieproductie daalt. Foto: een uitgeput olieveld in Azerbeidzjan. Bron: EnergyBC.
Langs de andere kant zijn fossiele brandstoffen makkelijk op te slaan en op afroep beschikbaar, terwijl het aanbod van windenergie en zonne-energie variëert doorheen de dag en doorheen de seizoenen. In onze streken leveren zonnepanelen ongeveer dertien keer minder energie op in december dan in juni. Dat vraagt dus energieopslag en/of een goed uitgebouwd elektriciteitsnetwerk waarlangs elektriciteit over een grotere regio kan worden verhandeld. Smil houdt daar in de berekening van de vermogensdichtheid geen rekening mee, zodat zijn resultaten te optimistisch zijn.
——————————————————————————————————–
In onze streken leveren zonnepanelen ongeveer dertien keer minder energie op in december dan in juni
——————————————————————————————————–
Een ander kwalitatief verschil is de koolstofintensiteit. De verbranding van fossiele brandstoffen produceert broeikasgassen, terwijl hernieuwbare energiebronnen dat niet doen. Maar er wordt wel CO2 geproduceerd tijdens de fabricatie van bijvoorbeeld zonnepanelen, windturbines of batterijen. Die uitstoot kan in bepaalde scenario’s de uitstoot van een gasgestookte elektriciteitscentrale benaderen of zelfs overtreffen, zeker als ook energieopslag in rekening wordt gebracht.
Hernieuwbare energie neemt dus niet alleen veel plaats in, er is in verhouding tot de geleverde energie ook meer materiaal en energie nodig om de energiecentrales te produceren. Zou de energie voor de productie van hernieuwbare energiecentrales geleverd worden door andere hernieuwbare energiecentrales in plaats van door fossiele brandstoffen, dan is er uiteraard nog meer land nodig en zou de vermogensdichtheid verder afnemen.
De vermogensdichtheid van een stad
Ondanks de kwalitatieve verschillen blijft het naakte cijfer van de vermogensdichtheid fundamenteel belangrijk. Zo moeten windturbines nu eenmaal op afstand van elkaar worden geplaatst om energie te kunnen leveren, en moeten kerncentrales op een afstand van woonzones worden gebouwd omwille van veiligheidsoverwegingen. En terwijl zonnepanelen of zonneboilers op daken van gebouwen in feite geen extra plaats innemen, is de totale (geschikte) dakoppervlakte natuurlijk niet oneindig.
Kortom, als we willen weten hoeveel plaats er nodig is om de moderne maatschappij met hernieuwbare energie aan te drijven, dan kunnen we met de louter kwantitatieve waarde van vermogensdichtheid heel veel te weten komen.
Interessant is dat Smil ook de vermogensdichtheid berekent van ons energieverbruik. Die bedraagt bijvoorbeeld 3 W/m2 voor het volledige grondgebied van Nederland (het Nederlandse energieverbruik verdeeld over het volledige grondgebied), 20 W/m2 voor een gemiddelde moderne stad, 100 W/m2 voor stedelijke centra, en 1.000 W/m2 voor commerciële hoogbouw. Dit zijn gemiddelde waarden die kunnen vertienvoudigen als de vraag naar energie piekt.
De gemiddelde vermogensdichtheid van stadscentra bedraagt 100 W/m2. Commerciële hoogbouw haalt 1.000 W/m2 of meer. Tijdens piekmomenten vertienvoudigen deze waarden. Decentrale energieproductie is op die manier onmogelijk. Foto: Den Haag, Wikipedia Commons.
Dat betekent dat de vermogensdichtheid van klassieke energiebronnen altijd hoger ligt dan de vermogensdichtheden van moderne steden, zelfs als de vraag piekt. Alleen moderne hoogbouw en sommige industriële processen hebben tijdens piekmomenten een hogere vermogensdichtheid dan die van klassieke energieproductie.
In het geval van hernieuwbare energiebronnen ligt de vermogensdichtheid echter meestal één tot drie grootteordes lager dan de vermogensdichtheid van het verbruik. Bijgevolg zou bijvoorbeeld de energievoorziening van een stad 10 tot 1.000 keer meer plaats innemen dan de stad zelf. Die verhouding zet vraagtekens bij het idee van decentrale energieproductie in stedelijke gebieden — er is gewoonweg niet genoeg plaats in de stad om dat te realiseren.
——————————————————————————————————–
De reeds geïnstalleerde hernieuwbare energiebronnen nemen nu al meer plaats in dan klassieke energiebronnen, ook al leveren ze 110 keer minder energie
——————————————————————————————————–
Smil berekent dat landen zoals Duitsland of het Verenigd Koninkrijk hun totale landoppervlak moeten volbouwen met energiecentrales als volledig naar hernieuwbare energie zou worden overgeschakeld. Voor Nederland volstaat zelfs het volledige grondgebied niet. Deze resultaten zijn gebaseerd op een grootschalige elektrificatie van onder meer transport en verwarming. Wordt er daarentegen voor biobrandstoffen gekozen, dan verdubbelt de benodigde ruimte nog eens. Alleen een groot land als de VS heeft net voldoende land beschikbaar om massaal hernieuwbare energie in te zetten.
Moderne hernieuwbare energiebronnen (exclusief waterkrachtcentrales) hadden in 2014 bijna 270.000 km2 land nodig om 130 GW vermogen te leveren, wat neerkomt op een gemiddelde vermogensdichtheid van 0,5 W/m2. De combinatie van fossiele brandstoffen, uranium en waterkrachtcentrales leverde daarentegen op een kleiner oppervlak (230.000 km2) 14 TW vermogen op — dat is 110 keer meer, met een globale vermogensdichtheid van 60 W/m2.
Hoe evolueert het ruimtegebruik van hernieuwbare energiebronnen?
De vermogensdichtheid van hernieuwbare energiebronnen stijgt jaar na jaar omwille van efficiëntieverbeteringen, maar hoe dan ook blijven dezelfde grootteordes gelden. Zo verwacht Smil dat de vermogensdichtheid van fotovoltaïsche zonne-energie in zonnige gebieden zal stijgen van maximaal 15 W/m2 vandaag tot meer dan 30 W/m2 in 2050. Nieuwe technieken (zoals 3D zonne-energie) zouden mogelijk 50 W/m2 kunnen halen.
Daarmee blijft zonne-energie ver verwijderd van de 1.000 tot 4.000 W/m2 van door fossiele brandstoffen of uranium opgewekte elektriciteit. De vermogensdichtheid van klassieke energiebronnen neemt weliswaar jaar na jaar af, maar die trend gaat veel te traag om binnen afzienbare tijd een verschil te maken.
Uitwijken naar zee is een oplossing. Maar daarmee gaan de kosten flink omhoog. Foto: Miss Hyper, Wikipedia Commons.
Het landgebruik van hernieuwbare energie kan gedeeltelijk worden opgevangen door de energieproductie naar de zee te verplaatsen, bijvoorbeeld door middel van offshore windparken of het oogsten van energie uit golven en zeestromingen. Probleem van offshore windenergie is dat de kosten daarvan een stuk hoger liggen dan op land, en dat de aansluiting van een windmolenpark op het netwerk zeer moeizaam verloopt. Bovendien is er ook op zee een gebrek aan ruimte.
Energie oogsten uit golven en oceaanstromingen zit na vele jaren onderzoek nog steeds in een experimentele fase. Een groot probleem bij energiewinning op zee is de corrosieve omgeving. Dat vraagt dure installaties, wat niet rendabel is door de zeer lage energieopbrengst.
Een wereldwijde handel in hernieuwbare energie is een andere manier om het nationale landgebruik te beperken — op wereldschaal is er immers veel meer ruimte beschikbaar. Maar het globaal verhandelen van hernieuwbare energiebronnen is veel minder vanzelfsprekend dan in het geval van fossiele brandstoffen, die veel compacter zijn en veel efficiënter over langere afstanden kunnen worden getransporteerd.
Er blijft maar één oplossing over als we de geïndustrialiseerde wereld willen aandrijven met hernieuwbare energie: het energieverbruik met minstens een factor 10 tot 100 omlaag brengen. Maar dat hoor je voorlopig geen enkele milieuorganisatie zeggen.
Kris De Decker
——————————————————————————————————–
Nog niet geabonneerd op de vernieuwde nieuwsbrief? Het kan via deze link.
Verwante artikels:
- Zit er te veel of te weinig olie in de grond? “peakoil” of “global warming”, wat is nu eigenlijk het probleem?
- Hoeveel olie kost de productie van olie? netto energie analyse
- Moeten we energie rantsoeneren? Een sociaal alternatief voor hogere energieprijzen
- Het dubbele dividend van lokale energie
- Europeanen vervuilen vooral in het buitenland: import en export van CO2
- Hernieuwbare energie op grote schaal: zijn er genoeg grondstoffen?
- Oorlog om windenergie? windparken “stelen” wind van elkaar
- Windenergie kan slechts fractie van wereldwijde energieverbruik leveren: als we tenminste het klimaat niet willen ontregelen
- Duizend jaar fossiele brandstoffen: de vergeten geschiedenis van turf en steenkool
- Zonnepanelen: steeds goedkoper, maar ook minder duurzaam
- Batterijen maken van zonne-energie een CO2-intensieve energiebron
——————————————————————————————————–
|
// http://pagead2.googlesyndication.com/pagead/show_ads.js |
www.lowtechmagazine.be 
Geef een reactie op Marjolein Reactie annuleren