Wikisage is op 1 na de grootste internet-encyclopedie in het Nederlands. Iedereen kan de hier verzamelde kennis gratis gebruiken, zonder storende advertenties. De Koninklijke Bibliotheek van Nederland heeft Wikisage in 2018 aangemerkt als digitaal erfgoed.
- Wilt u meehelpen om Wikisage te laten groeien? Maak dan een account aan. U bent van harte welkom. Zie: Portaal:Gebruikers.
- Bent u blij met Wikisage, of wilt u juist meer? Dan stellen we een bescheiden donatie om de kosten te bestrijden zeer op prijs. Zie: Portaal:Donaties.
Wereldenergievoorziening met wind, water en zon: verschil tussen versies
Geen bewerkingssamenvatting |
|||
Regel 1: | Regel 1: | ||
'''Wereldenergievoorziening met wind, water en zon''' is een plan van [[Mark Jacobson|Mark Z Jacobson]] en Mark A Delucchi om de wereld te voorzien van schone duurzame energie in 2030-2050. Het plan is gepubliceerd in de ''Scientific American'' in 2009<ref name=wws>{{Cite journal |first1=Mark Z. |last1=Jacobson |first2=M.A. |last2=Delucchi |url=http://www.stanford.edu/group/efmh/jacobson/Articles/I/sad1109Jaco5p.indd.pdf |format=PDF |title= A Path to Sustainable Energy by 2030 |journal=Scientific American |volume=301 |issue=5 |pages=58–65}}</ref> en in ''Energy Policy'' in 2011.<ref>[http://web.stanford.edu/group/efmh/jacobson/Articles/I/JDEnPolicyPt1.pdf Providing all global energy with wind, water, and solar power, Part I: Technologies, energy resources, quantities and areas of infrastructure, and materials.]</ref><ref>[http://web.stanford.edu/group/efmh/jacobson/Articles/I/DJEnPolicyPt2.pdf Part II: Reliability, system and transmission costs, and policies.]</ref> | '''Wereldenergievoorziening met wind, water en zon''' is een plan van [[Mark Jacobson|Mark Z Jacobson]] en Mark A Delucchi om de wereld te voorzien van schone duurzame energie in 2030-2050. Het omvat de productie, het transport en de opslag van deze energie, en de afstemming van het aanbod op de energievraag. Het plan is een wetenschappelijke bijdrage aan de discussie over de transitie van fossiele naar duurzame energie. Het is gepubliceerd in de ''Scientific American'' in 2009<ref name=wws>{{Cite journal |first1=Mark Z. |last1=Jacobson |first2=M.A. |last2=Delucchi |url=http://www.stanford.edu/group/efmh/jacobson/Articles/I/sad1109Jaco5p.indd.pdf |format=PDF |title= A Path to Sustainable Energy by 2030 |journal=Scientific American |volume=301 |issue=5 |pages=58–65}}</ref> en in ''Energy Policy'' in 2011.<ref>[http://web.stanford.edu/group/efmh/jacobson/Articles/I/JDEnPolicyPt1.pdf Providing all global energy with wind, water, and solar power, Part I: Technologies, energy resources, quantities and areas of infrastructure, and materials.]</ref><ref>[http://web.stanford.edu/group/efmh/jacobson/Articles/I/DJEnPolicyPt2.pdf Part II: Reliability, system and transmission costs, and policies.]</ref> | ||
In 2015 hebben Jacobson en Delucchi met Mary Cameron en Bethany Frew met computersimulatie (LOADMATCH) nagegaan hoe dit systeem de energievraag kan volgen, rekening houdend met de variabiliteit en onzekerheid van zon en wind. Dit bleek gedurende 5 jaar mogelijk te zijn in de USA.<ref>Jacobson, M.Z., M.A. Delucchi, M.A. Cameron, and B.A. Frew, ''A low-cost solution to the grid reliability problem with 100% penetration of intermittent wind, water, and solar for all purposes'', Proc. Nat. Acad. Sci., 112, doi: 10.1073/pnas.1510028112. | In 2015 hebben Jacobson en Delucchi met Mary Cameron en Bethany Frew met computersimulatie (LOADMATCH) nagegaan hoe dit systeem de energievraag kan volgen, rekening houdend met de variabiliteit en onzekerheid van zon en wind. Dit bleek gedurende 5 jaar mogelijk te zijn in de USA.<ref>Jacobson, M.Z., M.A. Delucchi, M.A. Cameron, and B.A. Frew, ''A low-cost solution to the grid reliability problem with 100% penetration of intermittent wind, water, and solar for all purposes'', Proc. Nat. Acad. Sci., 112, doi: 10.1073/pnas.1510028112. |
Versie van 28 apr 2018 16:50
Wereldenergievoorziening met wind, water en zon is een plan van Mark Z Jacobson en Mark A Delucchi om de wereld te voorzien van schone duurzame energie in 2030-2050. Het omvat de productie, het transport en de opslag van deze energie, en de afstemming van het aanbod op de energievraag. Het plan is een wetenschappelijke bijdrage aan de discussie over de transitie van fossiele naar duurzame energie. Het is gepubliceerd in de Scientific American in 2009[1] en in Energy Policy in 2011.[2][3]
In 2015 hebben Jacobson en Delucchi met Mary Cameron en Bethany Frew met computersimulatie (LOADMATCH) nagegaan hoe dit systeem de energievraag kan volgen, rekening houdend met de variabiliteit en onzekerheid van zon en wind. Dit bleek gedurende 5 jaar mogelijk te zijn in de USA.[4]
Sinds 2016 wordt het plan door een team van 27 onderzoekers uitgewerkt voor 139 landen. Om de opwarming van de atmosfeer tot 1,5 C te begrenzen moet de broeikasgas uitstoot van fossiele brandstof in 2030 80% minder zijn en 100% in 2050.[5][6]
In 2018 hebben Jacobson en Delucchi met Mary Cameron en Brian Mathiesen LOADMATCH resultaten gepubliceerd voor 20 regio's waarin de 139 landen verdeeld zijn. Betrouwbare energievoorziening met wind-water-zon is mogelijk in alle regio's.[7][8]
Wind-water-zon
Omdat klimaatverandering, luchtvervuiling en energie-onzekerheid grote problemen zijn zodat eigenlijk onmiddellijk fundamentele verandering van de wereldenergievoorziening nodig is, zijn alleen technologieën beschouwd die minstens in proefprojecten aangetoond zijn,
- die kunnen worden opgeschaald als onderdeel van een wereldwijd energiesysteem zonder verdere belangrijke technologische ontwikkeling,
- die praktisch geen uitstoot van broeikasgassen en luchtverontreinigende stoffen hebben over de gehele ’levenscyclus’ van het systeem,
- die een lage impact op fauna, watervervuiling, en land hebben,
- die geen significante afvalverwerking of daarmee samenhangende terrorismerisico’s hebben, en
- die gebaseerd zijn op primaire middelen die voor onbeperkte tijd beschikbaar zijn of hergebruikt kunnen worden.
Dus niet alleen kernenergie, maar alle fossiele brandstof, ook kolen met kooldioxide-afvang wordt niet beschouwd. Zelfs biobrandstof valt af; het is wel duurzaam maar eist veel land en water en veroorzaakt veel luchtvervuiling.[9] De analyse is beperkt tot energievoorziening; het gebruik van kolen in hoogovens voor staalproductie en aardolie als grondstof voor asfalt, smeermiddellen en petrochemische producten wordt niet beschouwd.
Jacobson en Delucchi analyseren vooral WWZ (wind-water-zon)-technologie die elektriciteit opwekt. Daarvan wordt ca 7% gebruikt om waterstof te produceren door elektrolyse van water, voor transport of warmte of om energie op te slaan.
Lichte transportmiddelen zijn voornamelijk batterij-elektrische voertuigen (BEV) en ook vlieg- en vaartuigen voor korte afstand. Zwaar transport gaat met waterstof-brandstofcel voertuigen (HFC[10]) en hybride BEV-HFC met samengeperste waterstof. Voor lange afstand gebruiken schepen hybride batterij-waterstof brandstofcelsystemen, en vliegtuigen vloeibare waterstof[11]. HFC wordt niet gebruikt voor elektriciteitsopwekking wegens inefficiency en kosten.
Water- en luchtverwarming voor gebouwen met behulp van WWS kan met warmtepompen die warmte onttrekken aan grond en buitenlucht, en met elektrische weerstandkachels. Koken gaat met elektrische inductie. Voor hoge-temperatuur industriële processen worden vlamboogovens, inductieovens en diëlektrische kachels gebruikt.
Elektriciteit en warmte opwekking
In 2012 was het wereldwijd eindgebruik 12 terawatt (TW) (verliezen in de productie en transmissie niet meegerekend). Daarvan was 2,4 TW geleverde elektriciteit. De EIA[12] voorziet dat in het jaar 2030 de wereld bijna 17 TW nodig heeft in het eindgebruik van energie. Ze verwachten ook dat de verdeling in termen van primaire energie in 2030 vergelijkbaar zal zijn met nu — sterk afhankelijk van fossiele brandstoffen, en dus vrijwel zeker onhoudbaar.
Een WWZ-wereld zal ongeveer 40% minder vermogen in het eindgebruik nodig hebben. Elektromotoren zijn bijvoorbeeld veel efficiënter dan motoren die brandstof gebruiken. Verwarming van gebouwen met elektrische warmtepompen is efficiënter dan met brandstof. De energiebehoefte in 2050 zal minder dan 12 TW-jaar zijn. Wind[13] en zon kunnen elk jaar vele malen meer opwekken op geschikte plaatsen[14], maar niet continu. Voor een elke minuut beschikbare elektriciteitsvoorziening is ook waterkracht nodig en geothermische centrales hoewel die procentueel weinig bijdragen. De opwekking van elektriciteit zou er dan als volgt uit kunnen zien (zie Table S2 in [5]) maar een andere verdeling tussen zon en wind is ook mogelijk.
- 23% met 1,7 miljoen 5MW windturbines op land
- 14% met 960 duizend 5MW windturbines op water
- 21% met 250 duizend 50 MW PV centrales
- 15% met 1,9 miljard 5 kW PV systemen op woningen
- 11% met 75 miljoen 100 kW PV systemen op andere gebouwen
- 10% met 21 duizend 100 MW CSP centrales met opslag
- 4% met 1100 1300 MW waterkracht centrales
- 0,7% met 960 100 MW geothermische centrales
- 0,6% met 400 duizend 0,75 MW golfsystemen
PV zie Zonnepaneel, CSP zie Geconcentreerd zonlicht centrale.
Bij computersimulatie bleek dat extra warmte opwekking en opslag nodig is om de continuiteit van de voorziening te waarborgen:
- 13 duizend 100 MW CSP centrales met opslag
- 84 duizend 50 MW zonnewarmte met opslag (ondergronds)
Dit hele WWZ-systeem beslaat 0,3% van het landoppervlak van de wereld. De nodige ruimte tussen windturbines op land, die bruikbaar blijft voor landbouw en veeteelt, is 1,5%.
Betrouwbaarheid vs kosten
Een groot probleem bij wind- en zonne-energie is of deze betrouwbaar elektriciteit kunnen leveren. In de huidige elektriciteitsvoorziening wordt automatische controle (frequentie regeling) gebruikt om te reageren op variatie in de orde van seconden tot een paar minuten, draaiende reserve om te reageren op variatie in de orde van minuten tot een uur, en piek-productie-eenheden om uur variatie te compenseren. Alleen de laatste voorziening, piek-eenheden, is duur.
Er zijn vele opties bij ontwerp en bedrijf van een WWZ energiesysteem om te zorgen dat het betrouwbaar de vraag volgt en geen grote, zelden gebruikte capaciteit heeft:
- geografisch verspreide variabele energiebronnen onderling verbinden,
- een regelbare energiebron zoals waterkracht gebruiken om een tijdelijke kloof te overbruggen tussen vraag en wind- of zonne-energie aanbod,
- met slim vraag-aanbod management flexibele vraag verschuiven zodat die beter overeenkomt met de beschikbaarheid van WWZ vermogen,
- elektrische energie opslaan voor later gebruik in pompcentrales, in accu's, als waterstof, of als samengeperste lucht ondergronds,
- WWZ piek capaciteit overdimensioneren om de tijden van WWZ tekorten te minimaliseren en om te voorzien in reservevermogen om waterstof te produceren,
- weersvoorspelling om de energievoorziening beter te plannen.
WWZ is gecompliceerd. Proefprojecten en uitgebreide computersimulatie zijn nodig om het systeem te optimaliseren. Het optimale systeem - ontwerp en bedrijf - verschilt per land, maar zal in het algemeen de meest economische combinatie hebben van lange-afstand transmissie, energieopslag, en waterstof productie.
Netintegratie simulatie
Met Mary Cameron en Bethany Frew is een computerprogramma (LOADMATCH) geschreven om na te gaan dat een WWZ systeem de energievraag kan volgen, rekening houdend met de variabiliteit en onzekerheid van zon en wind. Bij dit onderzoek bleek dat de optie
- opslag van zonnewarmte in zonneboiler en ondergronds
nog ontbrak in de analyse van betrouwbare WWZ voorziening.
Het programma krijgt als invoer reeksen, elke halve minuut gedurende 5 jaar, 2050-2055, van
- de energievraag
- het intermitterende wind- en zonne-energie aanbod gesimuleerd met een 3D wereldwijd klimaat/weer model GATOR-GCMOM[15]
- de waterkracht, aardwarmte, getijdenenergie en golf energie
en specificaties van
- de capaciteiten en maximale laad/ontlaad snelheden van de verschillende soorten opslag, waaronder waterstof
- de verliezen als gevolg van opslag, transport, distributie en onderhoud
- een vraag-aanbod managemant systeem.
Oplossingen worden verkregen door voorrang te geven aan opslag van overtollige verwarming (in bodem en water), koeling (in koud water en ijs), en elektriciteit (in fase-verandering materiaal in geconcentreerd zonlicht centrales (CSP), pompcentrales en waterstof) en het gebruik van vraag-aanbod managemant in periodes van piek belasting. Opslag in stationaire accu's is niet nodig. Het blijkt dat de betrouwbaarheid van het netwerk wordt gehandhaafd zelfs zonder vraag-aanbod managemant door opwekking van meer elektriciteit, maar met iets hogere kosten.
In een simulatie voor de VS, uitgezonderd Alaska en Hawaï, in 2050-2055, is de opgewekte energie voor 94% elektriciteit en 6% warmte. Van de elektriciteit is 11% omgezet in waterstof, 77% is direct gebruikt of voor later gebruik opgeslagen bij pompcentrales of CSP, en 12% is verloren bij conversie, transmissie, distributie en onderhoud.
Energievoorziening per land
Het WWZ team heeft voor 139 landen de infrastructuur voorgesteld die in 2050 de gehele energievoorziening kan verzorgen. De energieovergang naar WWZ kan in 2030 voor 80% een feit zijn.
In de tabel staan voor 30 landen met het meeste eindgebruik, samen 85% van het wereldgebruik, en Nederland en België, mogelijke procentuele bijdragen van WWZ eenheden (zie Table S6 en Table S8 in [5]). Maar het kan per land ook met wat minder zon en meer wind of omgekeerd.
De extra warmte opwekking en opslag om de continuiteit van de voorziening te waarborgen staat niet in de tabel. Voor veel (kleine) landen is dat afhankelijk van de mogelijkheid energie uit te wisselen met naburige landen. In een volgende publicatie komen LOADMATCH resultaten voor 20 regio's waarin de 139 landen verdeeld zijn.
Totaal GW |
Windturbines | Water-kracht | Zonnepanelen | CSP | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
op land | op zee | op woningen | op andere gebouwen | in zonne-parken | ||||
Wereld | 11840 | 24% | 14% | 4% | 15% | 12% | 21% | 10% |
China | 3292 | 24% | 12% | 4% | 14% | 9% | 25% | 11% |
Verenigde Staten | 1291 | 21% | 17% | 3% | 14% | 12% | 20% | 11% |
India | 996 | 35% | 3% | 2% | 25% | 15% | 9% | 12% |
Rusland | 473 | 39% | 33% | 5% | 6% | 6% | 10% | 2% |
Brazilië | 316 | 17% | 14% | 13% | 19% | 20% | 4% | 10% |
Japan | 251 | 2% | 7% | 4% | 6% | 3% | 77% | 0% |
Canada | 240 | 27% | 23% | 15% | 5% | 9% | 7% | 10% |
Indonesië | 227 | 12% | 13% | 1% | 17% | 31% | 7% | 11% |
Duitsland | 226 | 22% | 23% | 1% | 5% | 6% | 43% | 0% |
Iran | 231 | 22% | 9% | 2% | 18% | 11% | 26% | 12% |
Zuid-Korea | 194 | 3% | 12% | 0% | 6% | 3% | 64% | 12% |
Saoedi Arabië | 188 | 42% | 0% | 0% | 22% | 14% | 10% | 12% |
Mexico | 173 | 19% | 16% | 3% | 21% | 21% | 5% | 11% |
Nigeria | 159 | 6% | 0% | 1% | 22% | 24% | 35% | 12% |
Frankrijk | 158 | 31% | 26% | 5% | 10% | 8% | 8% | 11% |
Thailand | 155 | 3% | 16% | 1% | 26% | 14% | 28% | 12% |
Zuid Afrika | 142 | 42% | 6% | 0% | 17% | 9% | 11% | 12% |
Ver. Koninkrijk | 140 | 13% | 36% | 1% | 4% | 3% | 40% | 0% |
Italië | 135 | 25% | 1% | 5% | 16% | 6% | 35% | 11% |
Australië | 119 | 20% | 17% | 3% | 14% | 11% | 18% | 11% |
Arab. Emiraten | 108 | 7% | 12% | 0% | 4% | 2% | 63% | 12% |
Pakistan | 103 | 19% | 8% | 3% | 25% | 15% | 18% | 12% |
Egypte | 102 | 30% | 0% | 1% | 21% | 28% | 8% | 12% |
Taiwan | 100 | 2% | 22% | 1% | 11% | 5% | 31% | 0% |
Oekraine | 96 | 41% | 35% | 3% | 7% | 4% | 10% | 0% |
Spanje | 93 | 33% | 14% | 6% | 17% | 8% | 8% | 11% |
Maleisië | 84 | 2% | 19% | 3% | 25% | 14% | 25% | 12% |
Turkije | 82 | 27% | 0% | 13% | 18% | 25% | 7% | 10% |
Kazachstan | 81 | 46% | 0% | 1% | 17% | 13% | 11% | 12% |
Argentinië | 80 | 19% | 16% | 5% | 21% | 21% | 5% | 11% |
Nederland | 63 | 6% | 41% | 0% | 1% | 1% | 39% | 12% |
België | 38 | 5% | 18% | 0% | 1% | 1% | 75% | 0% |
CSP, zie geconcentreerd zonlicht centrale.
De bijdrage van geothermie in bovenstaande landen is gering behalve in Taiwan (27%).
Waterkracht centrales bestaan al, er hoeven geen nieuwe dammen gebouwd te worden. Tajikistan en Paraguay voorzien daarmee al grotendeels in hun energiegebruik.
Energievoorziening per regio
In 2018 zijn LOADMATCH resultaten gepubliceerd voor 20 regio's waarin de 139 landen verdeeld zijn.[7] Bij dit onderzoek bleek dat energiebesparing door toepassing van warmtepompen veel groter kan zijn dan oorspronkelijk[5] berekend, niet 42% maar 58%. In simulaties voor 14 regio's zijn zonneboilers en koud water/ijs opslag vervangen door warmtepompen. Ondergrondse warmteopslag is ook niet nodig voor betrouwbare energievoorziening en is dus niet gesimuleerd.
De tabel toont het WWZ vermogen in GW om 7 grote regio's betrouwbaar van energie te voorzien in 2050. De Totaal kolom geeft het jaargemiddelde vermogen dat de bronnen in de volgende 7 kolommen leveren. In deze 7 kolommen staan maximale vermogens. Aardwarmte, golf en getijde vermogen geven ook een kleine bijdrage. Zie in WWZ per regio[7] Table 2 en 4 Case C.
Regio | Totaal | Windturbines | Water-kracht | Zonnepanelen | CSP | |||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
op land | op zee | op woningen | op andere gebouwen | in zonne-parken | ||||
China | 2600 | 4750 | 489 | 301 | 729 | 507 | 4200 | 603 |
VS en Canada | 1117 | 1158 | 612 | 158 | 452 | 449 | 1089 | 448 |
Europa | 910 | 1518 | 444 | 160 | 238 | 199 | 2141 | 63 |
India | 739 | 1844 | 32 | 49 | 744 | 450 | 669 | 254 |
Z-Amerika | 487 | 635 | 261 | 152 | 407 | 417 | 163 | 118 |
Afrika | 465 | 679 | 33 | 26 | 351 | 326 | 581 | 177 |
Rusland | 323 | 538 | 229 | 52 | 77 | 101 | 172 | 15 |
In 2016 stond 169 GW windturbinevermogen in China, 154 GW in de Europese Unie en 82 GW in de Verenigde Staten.[16] Het wereldwijd vermogen van zonnepanelen (PV) was in 2016 300 GW, grotendeels in China, Japan, Duitsland en de Verenigde Staten. [17] Meer dan 95% van het wind en PV vermogen moet dus nog opgesteld worden.
WWZ trend
Sommige regio's zijn al ver gevorderd met WWZ. In 2015 genereerde Schotland 59% van zijn elektriciteitsgebruik met duurzame bronnen.[18] Volgens de energieplannen van het Schotse bestuur zal 100% van het elektriciteitsgebruik duurzaam opgewekt worden in 2020, en 50% van het totale energiegebruik (inclusief transport) in 2030.[19][20]
Het Internationaal Energieagentschap verwacht dat tussen 2017 en 2022 het duurzame elektrische vermogen in de wereld 43% stijgt, dat is meer dan 920 GW, voor 80% door de groei van wind en PV capaciteit. De helft van deze groei zal in China gebeuren, vooral door meer PV. Ook in de VS en India groeit zonne- en windstroom sterk. De kosten van deze stroom zijn sterk gedaald zodat ze kan concurreren met kolenstroom. In de EU is minder groei door overcapaciteit. Denemarken gaat in 2022 elektriciteit voor 70% met variabele duurzame bronnen opwekken.[21]
Kritiek
John E Bistline en Geoffrey J Blanford [22] vinden de conclusies van Jacobson et al. (2015) over o.a. kosten, energie-opslag en het elektrificeren van eindgebruik agressief. In hun reactie[23] stellen Jacobson et al. dat het commentaar van Bistline en Blanford onjuist of ongefundeerd is.
Christopher T M Clack met 20 coauteurs evalueerden het WWZ plan in 2017.[24] Zij melden fouten in de analyse, o.a. in het vermogen van waterkracht. De uitsluiting van kern-, bio-energie en fossiele brandstof met CO2-afvang en -opslag (CCS) is onterecht want die bronnen kunnen de kosten verlagen van het ontkolen (Engels: decarbonizing) van de energievoorziening. LOADMATCH kent alle vraag en aanbod data, is dus deterministisch.
Mark Jacobson et al. stellen in hun reactie[25] dat de foutmeldingen van Clack et al. onjuist zijn. Bij waterkracht is er geen fout, piekvermogen is veel groter is dan gemiddeld vermogen. Dat ontkoling zonder kernenergie of CCS mogelijk is tegen lage kosten is juist en bevestigd door veel ander onderzoek. Tijdens de uitvoering kent LOADMATCH vraag en aanbod niet in de volgende minuut, en is dus niet deterministisch. Het conflict leidde tot een rechtszaak, door Jacobson aangespannen tegen Clack.[26]
Werkgelegenheid en schone lucht
De WWZ energiesector zal ca 50 miljoen banen scheppen voor constructie en explotatie. Dat is twee maal zoveel als de banen die in de conventionele energiesector verloren gaan.
De WWZ energievoorziening zal voorkomen dat miljoenen mensen per jaar voortijdig sterven door luchtvervuiling.
Zie ook
- Samenvattingen van 30 door collega's beoordeelde artikelen die het resultaat ondersteunen dat het elektriciteitsnet stabiel kan blijven met elektriciteit die wordt geleverd door 100% of bijna 100% duurzame energie https://web.stanford.edu/group/efmh/jacobson/Articles/I/CombiningRenew/100PercentPaperAbstracts.pdf
- Wereldenergievoorziening
Bronnen, noten en/of referenties
|