Op 1 augustus 2018 vierde Wikisage, de vrije encyclopedie van de tweede generatie, haar 10-jarig jubileum!

Wikisage is op 1 na de grootste internet-encyclopedie in het Nederlands. Iedereen kan de hier verzamelde kennis gratis gebruiken, zonder storende advertenties.

  • 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

Uit Wikisage
Ga naar: navigatie, zoeken

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.

Het programma wordt 10-15 keer uitgevoerd met steeds aangepaste invoer voor de opslag capaciteiten, tot een oplossing is gevonden waarin de energievraag gevolgd werd, per halve minuut gedurende 5 jaar, met lage kosten.

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.

Kritiek

John E Bistline en Geoffrey J Blanford [16] vinden de conclusies van Jacobson et al. (2015) over o.a. kosten, energie-opslag en het elektrificeren van eindgebruik agressief. In hun reactie[17] 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.[18] 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[19] 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. Jacobson voelde zich aangetast in zijn reputatie en begon een rechtszaak tegen Clack, die hij later weer "vrijwillig verwierp zonder vooroordeel".[20] Het plan kreeg hierdoor meer bekendheid.[21]

Energievoorziening per land

In 2017 heeft het WWZ team 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 deze regio's bestaat de nodige energie opslag grotendeels uit stuwmeren bij waterkracht centrales, met een capaciteit gelijk aan het waterkracht vermogen vermenigvuldigd met ca 4000 uur. Zie WWZ per regio tabel S4 case C.[7]

In 2017 stond 188 GW windturbinevermogen in China, 169 GW in de Europese Unie en 89 GW in de Verenigde Staten.[22] Het wereldwijd vermogen van zonnepanelen (PV) was in 2017 400 GW, grotendeels in China, Japan, Duitsland en de Verenigde Staten.[23] Het grootste deel van het wind- en PV vermogen moet dus nog opgesteld worden.

WWZ nu

Costa Rica, IJsland, Noorwegen, Paraguay en Uruguay wekken elektriciteit geheel of bijna geheel op met waterkracht, dus met weinig zon en wind.

Tenminste 10 landen wekten 15% of meer van hun elektriciteit met zon en wind op in het jaar 2017, en veel landen zelfs veel meer gedurende korte periodes. De landen met het grootste aandeel zonne- en windstroom waren Denemarken (bijna 53%), Uruguay (20%) en Duitsland (26%); voor Ierland, Portugal en Spanje was het ook meer dan 20%.[24]

Sommige regio's zijn al ver gevorderd met PV en windstroom. In 2017 genereerde Schotland 68% van zijn elektriciteitsgebruik met duurzame bronnen.[25] Volgens de energieplannen van het Schotse bestuur zal 100% van het elektriciteitsgebruik duurzaam opgewekt worden in 2020, en 50% van het totale energiegebruik (inclusief verwarming en transport) in 2030.[26][27] Mecklenburg-Vorpommern en Schleswig-Holstein in Duitsland wekken alle elektriciteit op met zon en wind.

Het Internationaal Energieagentschap verwacht dat tussen 2017 en 2022 het duurzame elektrische vermogen in de wereld met 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 plaatsvinden, 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.[28]

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

Bronnen, noten en/of referenties

Bronnen, noten en/of referenties
  1. º A Path to Sustainable Energy by 2030 (PDF). Scientific American 301 (5): 58–65.
  2. º Providing all global energy with wind, water, and solar power, Part I: Technologies, energy resources, quantities and areas of infrastructure, and materials.
  3. º Part II: Reliability, system and transmission costs, and policies.
  4. º 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. http://web.stanford.edu/group/efmh/jacobson/Articles/I/CombiningRenew/CONUSGridIntegration.pdf
  5. 5,0 5,1 5,2 5,3 WWZ per land
  6. º http://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(17)30012-0
  7. 7,0 7,1 7,2 7,3 WWZ per regio
  8. º https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960148118301526?via%3Dihub
  9. º Jacobson, M.Z., 2007. Effects of ethanol (E85) versus gasoline vehicles on cancer and mortality in the United States. Environmental Science and Technology I 41, 4150–4157.
  10. º Mark Z. Jacobson, W. G. Colella, D. M. Golden: Cleaning the Air and Improving Health with Hydrogen Fuel-Cell Vehicles. In: Science 308, No. 5730, (2005), 1901-1905, DOI:10.1126/science.1109157.
  11. º Coenen, R.M., 2009. A proposal to convert air transport to clean hydrogen (CATCH). International Journal of Hydrogen Energy 34, 8451–8453.
  12. º Energy Information Administration, International Energy Outlook 2008, DOE/EIA-0484(2008). U.S. Department of Energy, Washington, D.C.
  13. º Christina L. Archer, Mark Z. Jacobson: Evaluation of global wind power. In: Journal of Geophysical Research 110, Issue D12, (2005), 16-22, DOI:10.1029/2004JD005462.
  14. º Mark Z. Jacobson: Review of solutions to global warming, air pollution, and energy security. In: Energy and Environmental Science 2, (2009), 148–173, DOI:10.1039/b809990c.
  15. º http://web.stanford.edu/group/efmh/jacobson/GATOR/GATOR-GCMOMHist.pdf
  16. º Proc Natl Acad Sci USA July 2016 113(28)E3988
  17. º PNAS, 113(28)E3989-E3990
  18. º Proc Natl Acad Sci USA, 114(26)6722-6727
  19. º PNAS, 114(26)E5021-E5023
  20. º https://retractionwatch.com/2018/02/23/stanford-prof-plans-to-drop-10m-suit-against-pnas-and-critic/
  21. º Huffpost Jan 2017, Denying the truth
  22. º http://gwec.net/wp-content/uploads/2018/04/Global-Installed-Wind-Power-Capacity-MW-%E2%80%93-Regional-Distribution-1.jpg
  23. º IEA Global PV
  24. º REN21 2018 p.26
  25. º Schotse duurzame energie (in en-gb).
  26. º Duurzame energie statistiek voor Schotland (September 2014).
  27. º The future of energy in Scotland (in en).
  28. º IEA Renewables 2017
rel=nofollow