Mark Jacobson

Mark Jacobson

Mark Zachary Jacobson (26 september 1965) is hoogleraar civil and environmental engineering aan de Stanford University (VS) en directeur van het Atmosphere en Energy Program daar.

Opleiding

Jacobson studeerde burgerlijke bouwkunde (civil engineering; civiele techniek) en economie aan de Stanford Universiteit, en behaalde hiervoor in 1988 een bachelordiploma. Na het behalen van zijn master in milieuingenieurswetenschappen (environmental engineering), zette hij zijn studies verder aan de universiteit van Californië, waar hij in 1991 een master in de atmosferische wetenschappen (atmospheric sciences) behaalde en in 1994 zijn doctoraatsdiploma behaalde. Daarna keerde hij terug naar de Stanford Universiteit. Van 1994 tot 2001 werkte hij daar als Assistant Professor (universitair docent) burgerlijke en milieutechniek en van 2001 tot 2007 als Associate Professor (universitair hoofddocent). Sinds 2007 bekleedt hij de leerstoel van deze afdeling (gewoon hoogleraar).

Onderzoek

Jacobson ontwikkelt computermodellen over de effecten van de verschillende energietechnologieën en hun uitstoot op luchtvervuiling en klimaatverandering. Hij is de auteur van boeken en tientallen artikelen die zeer veel geciteerd worden en waarvoor hij prijzen ontving van de American Meteorological Society en de American Geophysical Union.

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 het 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 kosteneffectief 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 schone duurzame energie. Het artikel is gericht op een aantal zaken, zoals de wereldwijd nodige ruimte voor windparken, de beschikbaarheid van schaarse materialen voor de productie van nieuwe systemen, het vermogen om betrouwbare energie te produceren op aanvraag, en de gemiddelde kosten per kilowattuur. Een meer technisch artikel is in 2011 gepubliceerd in twee delen in het tijdschrift Energy Policy.

Klimaatonderzoek

Jacobson begon in 1990 algoritmen te bouwen voor wat nu GATOR-GCMOM wordt genoemd (Gas, Aerosol, Transport, Radiation, General Circulation, Mesoscale and Ocean Model). Dit model, dat is ontwikkeld gedurende tientallen jaren, simuleert luchtvervuiling, weer en klimaat van lokale tot wereldwijde schaal. Het was het eerste volledig gekoppelde online-model dat alle belangrijke terugkoppelingen van belangrijke atmosferische processen op basis van eerste beginselen verklaart. Aanvankelijk berekende het programma hoe de concentraties van tientallen stoffen veranderen door honderden processen (chemische reacties en emissie en absorbtie van licht en warmte) op tienduizenden plaatsen in de atmosfeer. Dat kostte erg veel rekentijd. De algoritmen van Jacobson zijn codes die veel sneller de differentiaalvergelijkingen oplossen die al die processen beschrijven, omdat de codes geschikt zijn voor array processors. In latere jaren zijn nog veel meer atmosfeer (windsnelheid, zonlicht, luchtvervuiling enz) en oceaan processen toegevoegd aan het programma, grotendeels door Jacobson.

Een van de belangrijkste onderzoeksgebieden waar Jacobson aan heeft bijgedragen met GATOR-GCMOM is de preciese bepaling van hoeveel diffuse troposferische zwarte koolstof (roet) het klimaat beïnvloedt. De geabsorbeerde zonnestraling wordt omgezet in warmte, die weer wordt uitgestraald naar de atmosfeer. Onder andere omstandigheden reflecteert het zonlicht mogelijk weer de ruimte in. Daarom heeft roet als geheel invloed op de albedo van de planeet. Terwijl de meer bekende broeikasgassen de atmosfeer verwarmen door infrarode warmtestraling te vangen die wordt uitgezonden door het aardoppervlak, verwarmt zwarte koolstof de atmosfeer door zonlicht te absorberen en daarmee de lucht eromheen te verwarmen. Jacobson en anderen concludeerden uit deze modellen dat roet van dieselmotoren, kolencentrales en brandend hout een belangrijke oorzaak is van het snel smelten van het zee-ijs van de Noordpool. Jacobson's conclusie dat zwarte koolstof mogelijk de tweede belangrijkste oorzaak is van klimaatopwarming werd bevestigd in het uitgebreide overzicht van T. C. Bond et al (2013).

Jacobson heeft ook onafhankelijk het werk van Wereldgezondheidsorganisatie onderzoekers bevestigd, die eveneens schatten dat roet, dat ademhalingsziektes, hartaandoeningen en astma veroorzaakt, van fossiele brandstoffen en biobrandstoffen, jaarlijks minstens 1,5 miljoen vroegtijdige sterfgevallen veroorzaakt, vooral in ontwikkelingslanden waar hout en dierlijke mest worden gebruikt om te koken.

Duurzame-energieplan

Zie Wereldenergievoorziening met wind, water en zon voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

Jacobson en Delucchi betogen dat wanneer er in 2050 geen kolen, olie en gas meer gebruikt worden, de hele energievoorziening zoveel mogelijk afhankelijk wordt van elektriciteit, die dan grotendeels kan worden opgewekt met windturbines en zonnepanelen. Brandstofmotoren en verwarmingsketels kunnen vervangen worden door elektromotoren en warmtepompen en koken kan met Inductiekookplaat in plaats van gas. Deze elektrische apparaten hebben een beter rendement. Wat niet elektrisch kan, bijv. vliegen over afstanden van meer dan 1000 km, gaat met waterstof dat gemaakt wordt door elektrolyse van water, zie Waterstofvliegtuig.

Bovendien worden volgens het plan geografisch verspreide variabele energiebronnen onderling verbonden met het elektriciteitsnet zodat, als er ergens niet genoeg wind en zonlicht is, dat tekort aangevuld wordt uit een ander gebied waar wel zon en/of wind is, of uit een regelbare energiebron zoals waterkracht. Verder wordt elektrische energie opgeslagen voor later gebruik in waterkracht-pompcentrales, als warmte in geconcentreerd zonlicht centrales, in accu's, als waterstof, of als samengeperste lucht ondergronds. Ook slim vraag-aanbod management (smart grid) helpt om de flexibele vraag te verschuiven zodat die beter overeenkomt met de beschikbaarheid van duurzaam vermogen.

De auteurs concluderen dat het plan technisch en economisch uitvoerbaar is met wind, water en zon, aangevuld met kleine bronnen als aardwarmte, getijde- en golfenergie. Barrières zijn van sociale en politieke aard. Zonnepanelen die niet op daken liggen en windturbines zullen ongeveer 1% van het landoppervlak innemen en kunnen ook in ondiep water geplaatst worden.

In 2015 hebben Jacobson en Delucchi met Mary Cameron en Bethany Frew computersimulaties (LOADMATCH) meer in detail gepubliceerd hoe een duurzaam systeem de energievraag van minuut tot minuut kan volgen.

Het programma krijgt als invoer geschatte reeksen, per halve minuut gedurende 2050-2055, van

• de energievraag
• het intermitterende wind- en zonne-energie aanbod voorspeld met een 3D wereldwijd klimaat/weer model GATOR-GCMOM (zie Klimaatonderzoek)
• de waterkracht-, aardwarmte-, getijden- en golf-energie

en specificaties van

• de capaciteiten en maximale laad/ontlaad snelheden van de verschillende soorten opslag
• 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 opslag capaciteiten, tot een oplossing is gevonden waarin de energievraag gevolgd werd, per halve minuut gedurende 5 jaar, met lage kosten.

Discussie

Christopher T.M. Clack en twintig co-auteurs evalueerden dit artikel. en stelden dat plan een model is, dat nog onvoldoende empirisch geverifieerd is. De uitsluiting van kern-, bio-energie en fossiele brandstof met CO2-afvang en -opslag (CCS) is volgens hen onterecht. Ook zouden er fouten zitten In de berekeningen, o.a. in het vermogen van waterkracht.

In hun reactie stellen Jacobson, Delucci en hun co-auteurs dat duurzame energievoorziening zonder kernenergie of CCS mogelijk is tegen lage kosten; dat is bevestigd door ander onderzoek. Bovendien beweren zij dat er met betrekking tot waterkracht geen sprake is van een fout, maar dat het piekvermogen veel groter is dan het gemiddeld vermogen. Wel gaven ze toe dat de kosten van extra turbines en generatoren voor meer piekvermogen uit waterkracht, niet was meegenomen waardoor de totale kosten ca 3% hoger uitvallen.

Jacobson voelde zich door het kritische artikel aangetast in zijn reputatie en begon een rechtszaak tegen Clack en tegen het journal waarin het artikel van Clack gepubliceerd was. Deze actie kwam hem op veel kritiek te staan van wetenschappers en juristen. Toen begin 2018 duidelijk werd dat het niet tot een schikking zou komen, trok Jacobson de aanklacht in. Bij-effect van het gebeuren was wel dat het plan van Jacobson en Delucci hierdoor meer bekendheid kreeg bij het bredere publiek.

Recent onderzoek

In 2017 is het plan door een team van 27 onderzoekers verder uitgewerkt voor 139 landen. En in 2018 hebben Jacobson en Delucchi met Mary Cameron en Brian Mathiesen de LOADMATCH-resultaten gepubliceerd voor 20 regio's waarin 139 landen van de wereld verdeeld zijn. Een duurzaam systeem kan volgens dit onderzoek de vraag volgen in alle regio's.

De tabel toont het duurzaam vermogen in gigawatt (GW) om 7 grote regio's in 2050 van energie te voorzien. De totaalkolom geeft het jaargemiddelde vermogen dat de bronnen in de volgende 7 kolommen leveren. In deze 7 kolommen staan maximale vermogens. Aardwarmte, golf- en getijdevermogen geven ook een kleine bijdrage.

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

CSP is concentrated solar power, zie Thermische zonne-energie.

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.

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

Publicaties

Boeken

• Jacobson, M. Z., Fundamentals of Atmospheric Modeling. Cambridge University Press, New York, 656 pp., 1999.
• Jacobson, M. Z., Fundamentals of Atmospheric Modeling, Second Edition, Cambridge University Press, New York, 813 pp., 2005.
• Jacobson, M. Z., Atmospheric Pollution: History, Science, and Regulation, Cambridge University Press, New York, 399 pp., 2002.
• Jacobson, M. Z., Air Pollution and Global Warming: History, Science, and Solutions, Cambridge University Press, New York, 2011.

Tijdschriften (selectie)

• Strong radiative heating due to the mixing state of black carbon in atmospheric aerosols. In: Nature 409, (2001) 695-697.
• Streets et al: Recent Reductions in China’s Greenhouse Gas Emissions. In: Science 294, (2001), 1835–1837.
• Global direct radiative forcing due to multicomponent anthropogenic and natural aerosols. In: Journal of Geophysical Research 106, Issue D2, (2001), 1551–1568.
• Control of fossil-fuel particulate black carbon and organic matter, possibly the most effective method of slowing global warming. In: Journal of Geophysical Research 107, Issue D19, (2002), 16-22.
• with W. G. Colella and D. M. Golden: Cleaning the Air and Improving Health with Hydrogen Fuel-Cell Vehicles. In: Science 308, No. 5730, (2005), 1901–1905.
• with Christina L. Archer: Evaluation of global wind power. In: Journal of Geophysical Research 110, Issue D12, (2005), 16-22.
• Review of solutions to global warming, air pollution, and energy security. In: Energy and Environmental Science 2, (2009), 148–173, S. 155.
• with Mark A. Delucchi: Providing all global energy with wind, water, and solar power, Part I: Technologies, energy resources, quantities and areas of infrastructure, and materials. In: Energy Policy 39, Vol. 3, (2011), 1154–1169.
• with Mark A. Delucchi: Providing all global energy with wind, water, and solar power, Part II: Reliability, system and transmission costs, and policies. In: Energy Policy 39, Vol. 3, (2011), 1170–1190.
• with Christina L. Archer: Saturation wind power potential and its implications for wind energy. In: Proceedings of the National Academy of Sciences 109, No. 39, (2012), 15679–15684.
• Bond et al: Bounding the role of black carbon in the climate system: A scientific assessment. In: Journal of Geophysical Research 118, Issue 11, (2013), 5380–5552.
• Jacobson et al: 100% clean and renewable wind, water, and sunlight (WWS) all-sector energy roadmaps for the 50 United States. In: Energy and Environmental Science 8 (2015) 2093-2117.
• Jacobson et al., 100% Clean and Renewable Wind, Water, and Sunlight All-Sector Energy Roadmaps for 139 Countries of the World. In: Joule 1 (2017) 1-14.
• with Mark A. Delucchi, Mary A. Cameron, Brian V. Mathiesen: Matching demand with supply at low cost in 139 countries among 20 world regions with 100% intermittent wind, water, and sunlight (WWS) for all purposes. In: Renewable Energy 123 (2018) 236-248.

Zie ook

Wereldenergievoorziening met wind, water en zon ‎

Externe links

• Website van de Stanford-universiteit
• Biografie
• Levensloop

Bronvermelding

Bronnen, noten en/of referenties: