Gastblog van David Dirkse
Intro
Zonne-energie is aan een behoorlijke opmars bezig in Nederland. Naast panelen op daken verschijnen er steeds meer zonneparken in het landschap als bijdrage aan het klimaatbeleid. Maar hoe zinvol is dat? Hoeveel energie wekken zonnepanelen op jaarbasis eigenlijk op en hoe verhoudt zich dat tot ons energiegebruik?
Ons verleden
Tot in de middeleeuwen was land de enige energiebron. De zon deed daarop planten en bomen groeien. Bezit van land was bezit van energie, dus van macht. De brandstof was hout. Het paard de biomotor. Een paard heeft voor zijn voer 1,5 ha. land nodig.
In 1500 was, met minder dan één miljoen inwoners, ons land al grotendeels ontbost.
Turf hield de huizen warm. De latere inpolderingen moesten het verlies van landbouwgrond door turfsteken compenseren. 70% van de bevolking werkte in landbouw en visserij. In de Gouden Eeuw leverde een grote windmolen netto zo’n 15 kW, dat is 20 pk, zodat per molen 30 hectare landbouwgrond werd uitgespaard.
Vooruitgang
De stoommachine betekende het einde van dit tijdperk. Hiermee kon al snel 20 tot 200 pk vermogen worden opgewekt, waarmee pompen, schepen en treinen werden aangedreven. De industriële revolutie was het gevolg. Steenkool leverde overvloedig energie en ontkoppelde ook landbezit en macht. De bedienden en landarbeiders konden hun kinderen naar school sturen. Een breed toegankelijk onderwijssysteem ontstond waardoor iedereen zijn talenten kon ontwikkelen, een historische prestatie.
Verbrandingsmotoren leveren weer meer vermogen per volume. Dat maakte vliegverkeer mogelijk. Een opstijgende Jumbo ontwikkelt 120.000 pk.
Vooruitgang komt steeds weer neer op verminderde afhankelijkheid van land en natuur: huisvesting, wegen, bruggen, tunnels en kanalen, transport- en communicatiesystemen, medische zorg en machines voor zwaar, gevaarlijk en saai werk.
Dankzij fossiele brandstoffen heeft ons dichtbevolkte land ook weer veel mooie natuur.
Eén tractor vervangt 2000 landarbeiders. Voor elke tractor die stilstaat, moet een grote scholengemeenschap de deuren sluiten om de handen op het veld te leveren. Dankzij goedkope energie van kolen, olie en gas kennen wij een hoog ontwikkelde samenleving, waarin ruimte is voor voetballen en vioolspelen. Dat is leuker dan met de hand kanalen graven.
Hernieuwbaar en duurzaam
Evenals turf zijn de voorraden kolen, olie en gas eindig al is er nog wel voorraad voor enkele eeuwen. Met “hernieuwbare energie” bedoelen wij energiebronnen die niet eindig zijn, zoals wind en zon. “Duurzaam” betekent dat de toepassing ervan gedurende vele generaties is vol te houden.
De zon schijnt gigantische hoeveelheden energie op de aarde. Daarbij verbleken de menselijke activiteiten. Energie van de zon gebruiken lijkt daarom een prima idee.
Zonnepanelen
Op een zomerse dag schijnt de zon met maximaal 1 kW vermogen op een vierkante meter, dat levert 4,5 kWh energie per dag. In de winter is dat maar 0,5 kWh per dag, een factor negen minder.
Zonnepanelen zetten 17 tot 25% van de invallende straling om in elektrische energie, voor de meest toegepaste panelen geldt 18%. Het maximaal leverbare vermogen per paneel is dan 1000*1,65*0,18 = 300Watt, een waarde die wordt aangegeven met Wp (Watt piek). Omdat het zonlicht sterk fluctueert bedraagt het gemiddeld geleverde vermogen ongeveer 11% van het maximale vermogen.
China is de grootste producent van zonnepanelen. Die panelen worden met de energie van fossiele brandstoffen geproduceerd, wel steeds efficiënter. De schatting is dat thans een paneel drie à vier jaar stroom moet leveren om de energie van de fabricage terug te verdienen. Zolang de fabricage echter afhankelijk is van fossiele energie zijn zonnepanelen niet volledig duurzaam. De verwachte levensduur van een zonnepaneel is 30 jaar.
Het elektriciteitsnet
Elektriciteit is geen energie maar een overbrengingsmechanisme zoals een fietsketting. Zodra de generator in de centrale stopt houdt ook uw boormachine, stofzuiger of wasmachine er meteen mee op. Ons elektriciteitsnet kan geen energie opslaan, het gasnet daarentegen wel. De netbeheerder (TenneT) is verantwoordelijk voor de exacte afstemming van vraag en aanbod. Bij te weinig stroom gaat het licht uit en bij teveel slaan de stoppen door.
Centrales houden de netspanning constant door meer of minder kolen of gas te verbranden. Dat levert een “vraaggestuurd” net. Op elk moment van de dag beschikt de gebruiker via een stekkertje in het stopcontact over 3 pk om koffie te zetten, zijn brood te roosteren of haren te föhnen.
En hier doemt een levensgroot probleem op. Zonne-energie is er maar enkele uren per etmaal en bovendien varieert de zonnestraling sterk met de seizoenen. Er zijn voor de oplossing van dit probleem drie mogelijkheden:
Off grid
Zonnestroom niet aan het net toevoegen maar gebruiken voor niet tijdkritische processen. Onze voorouders gebruikten hun windmolens aldus voor het pompen van water, malen van tarwe of het zagen van hout.
Backup
Zonnestroom gaat direct naar het net maar centrales vallen in bij bewolking of duisternis, dus de zonnepanelen vervangen geen centrale.
Met kolen, olie, gas en uranium zijn strategische reserves aan te leggen, met zon en wind niet. Deze optie is dus niet duurzaam en er is ook geen transitie. Wel kan brandstof worden bespaard, maar het opvangen van fluctuaties verlaagt het rendement. Van één op één brandstofbesparing is geen sprake.
Zonnestroom levert ook een economisch probleem op want centrales leveren minder energie en lopen inkomen mis. In het uiterste geval zullen ze gesubsidieerd moeten worden omdat ze onmisbaar zijn.
Buffers
Stel eens dat u voor uw watervoorziening afhankelijk bent van een bron die gemiddeld 3 liter water per dag levert wat gebaseerd is op 1000 liter per jaar. Genoeg voor één mens. Een opslagtank is dan van levensbelang want de ene dag kan misschien 10 liter worden opgepompt en de vijf dagen erna niets. Een mens kan hoogstens drie dagen zonder water.
Een moderne maatschappij kan geen moment zonder stroom. Door bij overvloed energie op te slaan en bij tekort weer te leveren kan aanbod en gebruik worden afgestemd. Dat is echte energietransitie.
Energiebuffers kunnen zijn: stuwmeren, gewichten, vliegwielen, batterijen, vloeistoffen (methanol) of gassen (waterstof, methaan). Stuwmeren zijn voor ons vlakke land geen optie.
- mechanische opslag.
Een koekoeksklok krijgt zijn energie van omhoog getrokken gewichten.
We graven een 100 meter diep gat in de grond en hangen daarin een gewicht van 1 miljoen kilo. Bij overvloedige zonneschijn hijst een motor het gewicht op en bij duisternis daalt het gewicht waarbij de motor als dynamo werkt.
Hiermee bufferen we 270 kWh. evenveel als 30 liter benzine. Nederland verbruikt totaal 250KWh per huishouden per dag (zie KADER), zodat bijna één zo’n buffer per huishouden nodig is, ongeveer 7 miljoen. Mechanische energie opslag valt af.
2. batterijen
Na een reeks stroomstoringen in Zuid-Australië zijn door de firma Tesla grootschalig batterijen geïnstalleerd om de fluctuerende opbrengst van windmolens op te vangen. Het betreft een buffer van 129 MWh (megawattuur) en de kosten bedragen €80 miljoen.
De gemiddelde stroomvraag in Nederland is 12 GW (1 giga = 1 miljard). Zo’n buffer kan dus gedurende 36 seconden de Nederlandse stroom leveren. Batterijen zijn een extreem duur middel om zeer korte perioden te overbruggen. Ze zijn soms nuttig voor netstabilisatie, wellicht soms voor dag-opslag, maar zeker niet voor seizoensopslag, zoals noodzakelijk bij zonne-energie.
Milieu organisaties bepleiten stroomopslag in auto accu’s. Een Tesla model S heeft een accu van 100KWh. Voor één dag opslag van de landelijke energie zijn per huishouden meer dan 2 Tesla’s nodig.
3. Gas
Met de stroom van zonnepanelen kan water worden ontleed in waterstof en zuurstof. Het rendement van deze waterstofproductie is 75%. Brandstofcelcentrales kunnen daaruit weer stroom opwekken. Het rendement hiervan is 60%. Daarnaast zijn er nog transport- en compressieverliezen.
De buffering stroom → gas → stroom heeft daarmee een rendement van plm. 40%. Bij omzetting van waterstof naar methaan of methanol treden hogere verliezen op.
Alleen met gas (of vloeistoffen) is langdurige opslag mogelijk. Op dit terrein vinden talloze experimenten plaats. De economische haalbaarheid van opschaling is onzeker. Inpassen van wisselvallige energie in een vraaggestuurd net is moeilijk en vraagt verdrievoudiging van technologie: opwekking, opslag en terugwinning.
Een zonnepaneel van 300Wp levert 0,11*0,4*300 = 13W vraaggestuurd vermogen. Zes panelen samen evenveel als één kaarsvlam.
Bij levering van waterstof wordt dit cijfer iets beter. Het zonnepaneel heeft dan 300*0,11*0,75 = 25 W vraaggestuurd vermogen.
Ruimtebeslag
Aan beleving van de natuur hechten wij grote waarde. Om de natuur te sparen zullen zonnepanelen bij voorkeur op daken worden geplaatst. Die ruimte is echter beperkt tot een paar honderd km2. Momenteel zijn dan ook talloze locaties in ontwikkeling voor zogenaamde zonneweiden of -parken. Dat zijn wel eufemismen want onder zonnepanelen groeit vrijwel niets meer.
Het Chinese bedrijf Chint bouwt een groot zonnepark bij de Groningse plaats Sappemeer. Op 117 ha. grond komen 316.000 panelen met een totaal vermogen van 103 MWp (megawattpiek).
Dat is gemiddeld 103*10^6*24*0,11 = 272 MWh (megawattuur) energie per dag. Volgens opgave gaan die stroom leveren aan 32.000 huishoudens. Dat komt neer op 8,5 kWh stroom per huishouden per dag. Dat is inderdaad bijna het eigen elektriciteitsgebruik van de huishoudens.
Maar hoeveel vraaggestuurde stroom is dat?
Er van uitgaand dat in slechts 10% van de tijd direct stroom wordt geleverd en de overige tijd uit een waterstofbuffer / brandstofcel centrale vraagt dat (9 + 9*9/0,4)/10 = 21 kWh per dag. Daarmee worden 272*10^6/21*10^3 = 13000 huishoudens voorzien. Maar er is ook verwarming nodig, dat vraagt nu gemiddeld nog 40KWh. Als waterstof die warmte levert dan stijgt de energievraag naar 75KWh per dag zodat nog 3625 huishoudens worden bediend.
Huishoudens kunnen niet zonder industrie, transport, landbouw en dienstverlening. Er is landelijk 250 kWh per huishouden per dag nodig (zie KADER). Het zonnepark bedient dan echt 1090 huishoudens, een factor 30 minder dan de opgave.
Als landelijk 50% van de energie als gas en 50% als stroom wordt geleverd dan vraagt dat per huishouden 125/0,75 + 125 (0,1 + 0,9/0,4) = 460 kWh per dag.
Daarvoor zijn ruim 12680 zonneparken nodig, 14800km2, 39% van onze landoppervlakte.
Bij volledige elektrificatie stijgt dat, door hogere conversie verliezen, tot 18.900 km2, bijna de helft van onze landoppervlakte.
De toekomst
Synthetische brandstoffen produceren kost zeer veel energie.
Zal in de komende decennia het vliegverkeer verdubbelen of halveren? Aanjagers van de energiebehoefte kunnen nieuwe transportmiddelen zijn zoals drone-taxi’s en hyperloops, fabrieken van kweekvlees, groententeelt onder LED verlichting, meer lokale maakindustrie of een koudeperiode. Energiereductie is mogelijk met geothermie, warmtenetten die conversie verliezen opvangen en ook door de-industrialisering. Rijden auto’s straks op batterijen, waterstof of methanol? Geen mens weet het nog.
Besef
In onze maatschappij vervult de overheid zorgtaken. De eerste zorg betreft de beschikbaarheid van voldoende energie voor iedereen. Want zonder energie staat alles stil. Onvoldoende energieaanbod zal de maatschappelijke ongelijkheid vergroten met opstand als gevolg. De natuur is ook verliezer want illegale houtkap wordt dan misdrijf nummer één.
Leven is mogelijk door adaptatie. De mens doet dat met werktuigen, machines en energieopwekking.
Conclusie
Door het gigantische ruimtebeslag alsmede een noodzakelijke verdrievoudiging (opwekking, opslag, teruglevering) van technologie is grootschalige toepassing van zonne-energie in ons dichtbevolkte land niet te verwachten. Daarnaast is opslag met batterijen onbetaalbaar. Omzetting van stroom naar synthetisch gas is nog in de experimentele fase. Brandstofcelcentrales bestaan nog niet.
Nuttige toepassing van zonne-energie kan wel gevonden worden in de recreatieve sector zoals campings en volkstuinen.
David Dirkse (1945) studeerde HTS elektrotechniek, werkte 25 jaar bij computerfabrikant CDC om daarna docent wis- en natuurkunde te worden op diverse scholen. Sinds 2008 is hij met pensioen en schrijft hij over tal van onderwerpen op zijn website davdata.nl. Hij volgt de klimaatdiscussie al jaren op de voet.
KADER
Gevoel voor grootheden
Energie is warmte en beweging, dus actie en vrijheid. Eenheden van energie zijn de calorie en de joule. Calorie is een oude eenheid, nog in gebruik bij voedingsmiddelen.
Eén calorie is de hoeveelheid energie die nodig is om 1 gram water 1 graad Celsius te verwarmen. De nieuwe energie-eenheid is de joule, 1 calorie = 4,186 joule. De hoeveelheid energie per tijdseenheid heet vermogen (Engels power). De eenheid van vermogen is de watt. Eén watt = 1 joule per seconde.
Een mens heeft voor zijn lichaamsverwarming een vermogen nodig van ongeveer 100 watt, dat is evenveel als de warmte van een kaarsvlammetje. Daarnaast kan een mens met spierkracht 150 watt vermogen leveren. Wandelen vraagt een vermogen van 75 watt. Eén pk (paardenkracht) is 746 watt.
Eén watt is een erg klein vermogen, daarom wordt gerekend met kilowatt (1 kW = 1000 watt). Eén kilowatt vermogen gedurende één seconde is nog steeds erg weinig energie, daarom rekenen we niet in seconden maar uren (1 kWh (kilowattuur) = 1000 x 3600 = 3,6 MJ (megajoule). Een stofzuiger in bedrijf heeft een vermogen van zo’n 1 kW. Vijftien minuten stofzuigen verbruikt dus een energie van 0,25 kWh.
In de media worden de begrippen energie en vermogen geregeld door elkaar gehaald. Zo vermeldt men bij zonnepanelen en windmolens graag het geïnstalleerde vermogen. Dat levert dan een onrealistisch groot getal op omdat er maar een gedeelte van de dag energie wordt geleverd.