Mark Jacobson

Mark Zachary Jacobson (geboren 1965) is hoogleraar civil and environmental engineering aan de Stanford University (VS) en directeur van het Atmosphere en Energy Program daar. Jacobson ontwikkelt computermodellen over de effecten van de verschillende energietechnologieën en hun uitstoot op luchtvervuiling en klimaatverandering. Volgens Jacobson is een snelle overgang naar schone hernieuwbare energie vereist om de mogelijke versnelling van de opwarming van de aarde, met gevolgen zoals het verdwijnen van de Noordpoolijs, te verminderen. Deze overgang zal per jaar wereldwijd ook 2,5 à 3 miljoen sterfgevallen elimineren die verband houden met luchtvervuiling, en de verstoring in verband met fossiele brandstoftekorten verminderen.

Jacobson stelt dat wind, water en zonne-energie kosten-effectief kan worden opgeschaald om te voldoen aan onze energiebehoefte en om de menselijke samenleving te bevrijden van de afhankelijkheid van zowel fossiele brandstoffen als kernenergie. In 2009 hebben Jacobson en Mark A. Delucchi een plan in Scientific American gepubliceerd om de hele planeet te voorzien van duurzame energie. Het artikel is gericht op een aantal zaken, zoals de wereldwijd nodige ruimte voor windparken, de beschikbaarheid van schaarse materialen die nodig zijn voor de productie van nieuwe systemen, het vermogen om betrouwbare energie te produceren op aanvraag, en de gemiddelde kosten per kilowattuur. Een meer gedetailleerde en actuele technische analyse is gepubliceerd als een tweedelig artikel in het tijdschrift Energy Policy.

Analyse

Omdat het tientallen jaren duurt voor nieuwe technologieën volledig toegepast worden, worden 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 per eenheid product 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 onbepaalde tijd worden verlengd of recycleerbaar zijn.

Dus niet alleen kernenergie, maar alle fossiele brandstof, ook kolen met kooldioxide-afvang wordt niet beschouwd. Zelfs biobrandstof valt af omdat de bereiding teveel luchtvervuiling veroorzaakt. De analyse is beperkt tot energievoorziening; het gebruik van kolen in hoogovens voor staalproductie en aardolie als grondstof voor asfalt, smeermiddellen en petrochemische producten komt niet ter sprake.

Jacobson en Delucchi analyseren alleen WWZ (wind-water-zon)-technologie die elektriciteit opwekt. Daarmee wordt waterstof geproduceerd door elektrolyse van water, voorzover dat nodig is voor transport of warmte. Lichte transportmiddelen zijn voornamelijk batterij-elektrische voertuigen (BEV), zwaar transport gaat met waterstof-brandstofcelvoertuigen (HFCV) en hybride BEV-HFCV met samengeperste waterstof. Schepen gebruiken hybride batterij-waterstof brandstofcelsystemen, en vliegtuigen vloeibare waterstof. Water- en luchtverwarming van gebouwen met behulp van WWS kan met warmtepompen die warmte onttrekken aan grond en buitenlucht, en met elektrische weerstandkachels. Energie voor hoge temperaturen voor industriële processen wordt geleverd door verbranding van elektrolytische waterstof.

Het vermogen dat nu nodig is om te voldoen aan al het wereldwijd eindgebruik is ongeveer 12,5 terawatt (TW) (verliezen in de productie en transmissie niet meegerekend). De geleverde elektriciteit is iets meer dan 2 TW van het totale eindgebruik. De EIA 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 30% 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 2030 zal minder dan 12 TW-jaar zijn. Wind en zon kunnen elk jaar vele malen meer opwekken op geschikte plaatsen, maar niet continu. Voor een elke minuut beschikbare elektriciteitsvoorziening is ook waterkracht nodig en geothermische centrales hoewel die procentueel weinig bijdragen. De energievoorziening zou er dan als volgt uit kunnen zien.

• 50% met 3,8 miljoen 5MW windturbines
• 20% met 49 duizend 300 MW geconcentreerd zonlicht centrales
• 14% met 40 duizend 300 MW PV centrales
• 6% met 1,7 miljard 3 kW PV systemen op daken
• 4% met 5350 100 MW geothermische centrales
• 4% met 900 1300 MW waterkracht centrales
• 1% met 720 duizend 0,75 MW golfsystemen
• 1% met 490 duizend 1MW getijde turbines

Dit hele WWZ-systeem beslaat 1% van het landoppervlak van de wereld. Er zijn waarschijnlijk voldoende grondstoffen voor WWZ. Sommige zeldzame materialen, zoals neodymium (in elektrische motoren en generatoren), platina (in brandstofcellen) en lithium (in batterijen), moeten worden gerecycled of eventueel vervangen door minder schaarse materialen, tenzij aanvullende middelen gevonden worden. De kosten van recycling of vervanging van neodymium of platina is waarschijnlijk niet van merkbare invloed op de economie van het WWS systeem, maar de kosten van grootschalige recycling van lithium-accu’s is onbekend. Van lithium is Chili is nu de grootste producent en Bolivia heeft de helft van de nu bekende reserves in de wereld.

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 niet-variabele energiebron zoals waterkracht gebruiken om een tijdelijke kloof tussen vraag en wind- of zonne-energie aanbod op te vullen,
• met slim vraag-aanbod management flexibele vraag verschuiven zodat die beter overeenkomt met de beschikbaarheid van WWS 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.

Ook WWZ is gecompliceerd. Analyse geeft wel vertrouwen maar geen zekerheid over de betrouwbaarheid van het systeem. Daarvoor is ervaring met proefprojecten en uitgebreide computersimulatie nodig om het systeem te optimaliseren.

Bronvermelding

Bronnen, noten en/of referenties:

  Intertaalkoppelingen via Wikidata (via reasonator)