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?

Verbruik
Een Nederlands huishouden gebruikt per dag gemiddeld 9 kWh elektrische energie en 40 kWh in de vorm van gas. Daarnaast verbruiken wij collectief in de industrie, transport, landbouw en diensten nog eens 350 kWh per huishouden per dag. In totaal dus 400 kWh per huishouden per dag, het werk van bijna negentig paarden (zie kader “Gevoel voor grootheden”).

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.

Vooruitgang komt steeds weer neer op verminderde afhankelijkheid van land en natuur: betere 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% van de invallende lichtenergie om in elektrische energie. Een paneel meet 1 x 1,65 m2 zodat maximaal 0,17 x 1,65 x 1000 = 280 watt vermogen kan worden opgewekt. Dit maximaal te leveren vermogen wordt aangegeven met Wp (wattpiek).

Omdat er lang niet altijd voldoende zonlicht is, bedraagt het gemiddeld geleverde vermogen ongeveer 9% van het maximale vermogen.

De handel hanteert een omrekeningsfactor van 0,85 van Wp naar kWh/jaar. Een paneel van 280 Wp levert 0,85 x 280 kWh = 238 kWh energie per jaar. Vier zonnepanelen leveren samen een gemiddeld vermogen van 4 x 0,09 x 280 = 100 watt, evenveel als het vermogen van één kaars.

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. Elk moment levert de centrale evenveel energie als wordt afgenomen. 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 ontstaat brand.

De centrales regelen voortdurend bij door meer of minder kolen of gas te verbranden. Dat heet 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:

  1. 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.

  1. Backup

Zonnestroom gaat direct naar het net maar centrales vallen in bij bewolking of duisternis, dus de zonnepanelen vervangen geen vraaggestuurde 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 er zitten een paar adders onder het gras:

A. centrales kunnen niet snel op- en afregelen. Bij een opklaring, die de opbrengst van een zonnepaneel plotseling verdubbelt zal de centrale op vol vermogen blijven draaien. De overtollige stroom kan tot nu toe tegen lage prijs op het Europese net worden gedumpt. Dat houdt op als elk land over veel zonne-energie beschikt. Ook vermindert op- en afregelen het rendement van een centrale.

Hoeveel brandstofbesparing levert zonnestroom nu op? Dat is onbekend. Voorstanders van hernieuwbare energie melden euforisch de momenten waarop zon en wind een substantieel deel van de stroom leveren. Bij aanzienlijke gasbesparing zou ook zo’n positieve berichtgeving passen. De grafieken van zon-, wind- en fossiele stroomopwekking geven echter het brandstofverbruik van centrales niet aan. Die verliezen bij backup-centrales moeten we wel in ogenschouw nemen.

B. Behalve in technisch opzicht levert zonnestroom ook een economisch probleem op. Centrales leveren minder energie en lopen dus inkomen mis. In het uiterste geval zullen ze gesubsidieerd moeten worden omdat ze onmisbaar zijn.

In de landen met veel hernieuwbare energie (Duitsland, Denemarken) zien we de hoogste stroomprijzen, want uiteindelijk betaalt altijd de consument.

  1. Buffers

Stel dat u voor uw watervoorziening afhankelijk bent van een bron die gemiddeld 3 liter water per dag levert wat gebaseerd is op 90 liter per maand. 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 dag zonder stroom. Een buffer is zo’n opslagtank. Door bij overvloed energie op te slaan en bij tekort weer te leveren kan aanbod en gebruik  worden afgestemd. Dat maakt een echte energietransitie mogelijk.

Energiebuffers kunnen zijn: stuwmeren, gewichten, vliegwielen, batterijen, vloeistoffen (methanol) of gassen (waterstof, methaan). Stuwmeren zijn voor ons vlakke land geen optie.

A. 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.

Met dit systeem bufferen we 270 kWh aan energie. Dat is de elektrische energie van dertig huishoudens voor één dag. Hoewel … huishoudens hebben ook verwarming nodig en zijn afhankelijk van industrie, transport en landbouw.

Landelijk is per huishouden 400 kWh per dag energie nodig, zodat per huishouden meer dan één zo’n buffer nodig zou zijn. Mechanische opslag is dus ontoereikend.

B. 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. Strategische energiereserves kunnen hier niet mee worden aangelegd.

C. Gas

Met de stroom van zonnepanelen kan water worden ontleed in waterstof en zuurstof. Het rendement van deze waterstofproductie is 75%.

Door de waterstof (H2) aan kooldioxide (CO2) te koppelen ontstaat methaan (aardgas, CH4). Het rendement hierbij is 90%. Dit aardgas kan meteen in het bestaande gasnet worden gepompt. Centrales zetten aardgas met een rendement van  60% om in stroom.

De buffering stroom → gas → stroom heeft dus een rendement van 40%.

Hiermee is langdurige opslag mogelijk. Op dit terrein vinden talloze experimenten plaats. De kosten zijn onduidelijk, de economische haalbaarheid van opschaling is onzeker. Opvallend is steeds de hoge extra inzet van technologie en materialen om wisselvallige stroombronnen in te passen in een vraaggestuurd net.

Ruimtebeslag
Aan beleving van de natuur hechten wij grote waarde. Om de natuur te sparen zullen wij de zonnepanelen bij voorkeur op daken installeren. Die ruimte is echter beperkt. 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 430.000 panelen met een totaal vermogen van 103 MWp (megawattpiek). Volgens opgave gaan die stroom leveren aan 32.000 huishoudens. 103 MWp komt bij 32.000 huishoudens na omrekening neer op 7,5 kWh stroom per huishouden per dag. Dat is inderdaad bijna het eigen elektriciteitsgebruik van de huishoudens.

Landelijk is per huishouden echter 400 kWh/dag energie nodig voor onze levensstijl, zodat in werkelijkheid geen 32.000 maar (0,85 x 103 x 10^6)/(365 x 400) = 600 huishoudens worden bediend.

Het zonnepark wordt direct aan het net gekoppeld zodat er na zonsondergang geen  huishoudens van stroom worden voorzien. In de winter is de opbrengst ook vrijwel nul. Dit vereist, dat er in de zomermaanden stroom opgeslagen wordt om in de winter het licht te kunnen laten branden. Hiervoor is alleen gasopslag een optie. Die conversieslag heeft een rendement van 40%. Het werkelijk aantal duurzaam bediende huishoudens ligt dus eerder in de orde van 0,4 x 600 = 240.

Per huishouden is een grondoppervlakte van bijna 6000 m2 nodig en een investering van 450.000 euro aan zonnepanelen. Dit is exclusief de waterstof- en methaanfabrieken.

Nederland telt 7,5 miljoen huishoudens en daarvoor is na volledige transitie naar zonne-energie dus 45.000km2 land nodig. Dat is meer dan ons landoppervlakte.

Een praktijkgeval
Inpassing van zonne-energie in het landschap is niet eenvoudig. Een creatieve oplossing is de SolaRoad in het Noord-Hollandse dorp Krommenie. Het betreft een fietspad van 86 meter lengte dat uit zonnepanelen bestaat. De aanlegkosten waren €3,5 miljoen en het bedient drie huishoudens van stroom. Bij een levensduur van 30 jaar is de afschrijving per huishouden 3.500.000 / (3 x 30 x 12) = €3240,- per maand. TNO spreekt van een groot succes. Commentaar van krantenlezers laat echter andere geluiden horen.

Conclusies
Het aandeel van zonnepanelen in de landelijke energietransitie zal zich tot enkele procenten moeten beperken. Opslag met batterijen is onbetaalbaar. Omzetting van stroom naar synthetisch gas is nog in de experimentele fase. Nuttige toepassingen van zonne-energie kunnen wel gevonden worden in de recreatieve sector zoals op campings en in volkstuinen.

In onze maatschappij vervult de overheid zorgtaken. Een eerste zorg betreft de beschikbaarheid van voldoende betaalbare energie. Vertrouwen op ontoereikende technologie houdt het risico van energieschaarste in. Dan beschikken alleen de rijken nog over voldoende energie met als gevolg grote maatschappelijke ongelijkheid en instabiliteit. De natuur is ook verliezer want illegale houtkap wordt dan misdrijf nummer één.

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.