Wereldenergievoorziening met wind, water en zon

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 en in Energy Policy in 2011.

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.

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 broeikasgasuitstoot van fossiele brandstof in 2030 80% minder zijn en 100% in 2050.

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 in alle regio’s mogelijk.

In 2021 publiceerde Jacobson zijn leerboek 100% Clean, Renewable Energy and Storage for Everything.

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.

Energie wordt geproduceerd met windturbines, waterkrachtcentrales en zonnepanelen (WWZ), en in mindere mate met golfkracht en getijdenturbines, geconcentreerd zonlicht centrales en aardwarmte.

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.

Fossiele brandstof wordt vervangen door elektriciteit of, als dat niet kan, door elektrolytisch geproduceerde waterstof.

Transportmiddelen zijn voornamelijk batterij-elektrische voer-, vlieg- en vaartuigen voor korte afstand. Zwaar lange-afstandtransport gaat met waterstof-brandstofcelvoertuigen (HFC) en hybride BEV-HFC met samengeperste waterstof. Voor lange afstand gebruiken schepen hybride batterij-waterstof brandstofcelsystemen, en vliegtuigen vloeibare waterstof. HFC wordt niet gebruikt voor elektriciteitsopwekking wegens inefficiëntie en kosten.

Water- en luchtverwarming voor gebouwen met behulp van WWZ 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.

Elektrische energie wordt opgeslagen voor later gebruik in stuwmeren bij waterkrachtcentrales, of als dat niet kan, in accu’s, als waterstof, of als samengeperste lucht ondergronds.

Betrouwbaarheid versus kosten

Een groot probleem bij wind- en zonne-energie is of deze betrouwbaar elektriciteit kunnen leveren. In de huidige elektriciteitsvoorziening wordt automatische controle (frequentieregeling) 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 piekproductie-eenheden om uurvariatie te compenseren. Alleen de laatste voorziening, piekeenheden, 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-aanbodmanagement 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,
• zonnewarmte opslaan in zonneboiler en 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.

Het programma krijgt als invoer reeksen, elke halve minuut gedurende 3 jaar, 2050-2052, van

• de energievraag
• het intermitterende wind- en zonne-energie aanbod gesimuleerd met een 3D wereldwijd klimaat/weer model GATOR-GCMOM
• 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 management systeem.

Het programma wordt 10-15 keer uitgevoerd met steeds aangepaste invoer voor de opslagcapaciteiten, tot een oplossing is gevonden waarin de energievraag gevolgd werd, per halve minuut gedurende 3 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 management 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-aanbodmanagement 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 vinden de conclusies van Jacobson et al. (2015) over o.a. kosten, energie-opslag en het elektrificeren van eindgebruik agressief. In hun reactie 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. 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 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". Het plan kreeg hierdoor meer bekendheid.

WWZ voorziening in jaargemiddelde energievraag

Jacobson heeft in zijn boek voor 144 landen het jaargemiddelde energie eindgebruik in 2050 geschat, uitgaande van data voor 2016 van het Internationaal Energieagentschap IEA, geëxtrapoleerd tot 2050 volgens het BAU (business as usual) scenario van de US Energy Information Administration, en dan gereduceerd door de transitie van BAU naar WWZ. Het wereldenergiegebruik groeit niet van 12.6 TW tot 20.3 TW BAU maar daalt tot 8.7 GW WWZ.^{section 7.3}

In de tabel staan voor 29 landen met het meeste eindgebruik, en Nederland en België, het gemiddeld WWZ gebruik in 2018 en eerste schattingen van procentuele bijdragen van WWZ voorziening in het jaargemiddelde gebruik in 2050.^{Table 7.6} Het kan per land ook met minder zon en meer wind of omgekeerd.

	WWZ (GW) 2018	WWZ (GW) 2050	Windturbines		Waterkracht	Zonnepanelen			CSP
			op land	op zee		op woningen	op andere gebouwen	in zonneparken
Wereld	860	8693	31%	15%	6%	11%	14%	19%	4%
China	244	2314	35%	14%	6%	12%	13%	14%	5%
Verenigde Staten	92	939	31%	16%	4%	11%	15%	16%	5%
India	31	926	37%	6%	2%	12%	16%	22%	5%
Rusland	23	233	40%	13%	9%	11%	12%	13%	1%
Brazilië	52	279	36%	9%	16%	8%	17%	9%	4%
Japan	21	178	10%	32%	6%	12%	7%	32%	0%
Iran	2	178	29%	13%	3%	15%	15%	22%	5%
Indonesië	35	175	16%	15%	1%	13%	29%	15%	5%
Saoedi Arabië	0	175	43%	4%	0%	11%	15%	22%	5%
Canada	48	152	33%	9%	24%	8%	15%	9%	0%
Duitsland	21	155	41%	20%	1%	8%	8%	20%	0%
Zuid-Korea	2	155	4%	37%	2%	9%	5%	37%	5%
Mexico	9	131	39%	10%	4%	9%	19%	10%	5%
Thailand	2	123	4%	19%	1%	22%	16%	33%	5%
Frankrijk	13	112	40%	13%	8%	11%	12%	13%	2%
Zuid Afrika	2	105	42%	14%	0%	12%	12%	14%	5%
Arabische Emiraten	0	105	7%	12%	0%	4%	2%	69%	5%
Australië	5	94	27%	15%	4%	9%	16%	23%	5%
Vietnam	9	91	1%	25%	8%	22%	14%	25%	5%
Verenigd Koninkrijk	9	89	20%	33%	1%	5%	4%	33%	0%
Italië	18	83	37%	14%	8%	12%	9%	14%	8%
Pakistan	5	82	24%	11%	4%	15%	17%	25%	5%
Egypte	2	84	42%	11%	2%	9%	21%	11%	5%
Maleisië	3	77	3%	25%	4%	22%	16%	25%	5%
Turkije	23	71	35%	2%	16%	8%	17%	16%	4%
Nigeria	1	68	13%	0%	1%	14%	32%	34%	5%
Spanje	14	66	37%	12%	11%	10%	12%	12%	4%
Singapore	0	67	0%	93%	0%	1%	0%	1%	0%
Argentinië	4	57	39%	10%	8%	9%	19%	10%	5%
Nederland	2	40	10%	43%	0%	2%	1%	43%	0%
België	1	29	8%	23%	0%	2%	2%	66%	0%

CSP, zie geconcentreerd zonlicht centrale.

De bijdrage van aardwarmte in bovenstaande landen is zeer gering behalve in Singapore (5%) Indonesië (4%) Mexico (3%).

WWZ voorziening die de energievraag elke minuut volgt

	Wereld	China	VS	Europa	Afrika
Aanbod 2018	860	244	92	169	24
Aanbod 2050	12040	3223	1400	1157	580
Ongebruikt aanbod	2215	598	336	84	40
Transmissie verlies	807	221	98	77	37
Overig verlies	325	76	24	56	22
Eindgebruik	8693	2327	939	940	482
Opslag (TWh)		1279	321	664	109

Om de vraag elke minuut betrouwbaar te volgen moeten o.a. extra zonne- en windparken en extra hoogspanningslijnen opgesteld worden, zie de sectie Betrouwbaarheid versus kosten. Overdimensionering (ook in BAU) zorgt dat de vraag in piekuren gevolgd kan worden, maar ook voor teveel aanbod in daluren. In een WWZ systeem leidt meer energie uitwisseling tussen gebiedsdelen tot meer transmissie verlies.

De tabel toont het WWZ aanbod, ongebruikt aanbod, verliezen en eindgebruik, in GW gemiddeld vermogen om de wereld en vier grote landen / regio’s betrouwbaar van energie te voorzien in 2050. Zie Table 8.10; energie in TWh is gedeeld door 26.3 kh (1000 uur) om vermogen in GW te krijgen. De onderste rij is de opslagcapaciteit van pompcentrales (Table 8.7).

De WWZ voorziening in de wereld moet dus nog voor meer dan 90% opgebouwd worden. In sommige landen is elektriciteit al duurzaam. Noorwegen, Albanië, Tadzjikistan, Paraguay en Bhutan wekken elektriciteit voor meer dan 95% op met waterkracht. In IJsland, Costa Rica, Kenia en Uruguay is de elektriciteit ook (bijna) geheel duurzaam maar met grote bijdragen van wind en aardwarmte.^{Table 8.1} In Schotland was in 2020 elektriciteit 97% duurzaam. Maar ook in deze landen moet nog veel fossiele brandstof door elektriciteit vervangen worden.

Kosten, banen en schone lucht

De WWZ kosten per kWh in 2050, gemiddeld over de 143 landen, worden geschat op 9 cent (USD 2013) voor opwekking, transmissie, distributie en opslag. Dit is veel minder dan BAU-kosten als daar ook gezondheids- en klimaatkosten geschat worden.^{Table 8.9}

WWZ in 143 landen zal ca. 55 miljoen banen scheppen voor constructie en exploitatie. Dat is twee maal zoveel als de banen die in de conventionele energiesector verloren gaan.^{Table 8.13}

De WWZ energievoorziening zal voorkomen dat miljoenen mensen per jaar voortijdig sterven door luchtvervuiling.

Zie ook

• http://www-assets.vermontlaw.edu/Assets/iee/Economic_and_Institutional_Foundations_of_the_Paris_Agreement.pdf Mark Cooper, The economic and institutional foundations of the Paris Agreement on Climate Change, section III, January 2016.
• Mark Diesendorf, Ben Elliston, The feasibility of 100% renewable electricity systems: A response to critics, Renewable and Sustainable Energy Reviews 93 (2018) 318–330
• 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

Bronnen, noten en/of referenties