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
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]
In 2021 publiceerde Jacobson zijn leerboek 100% Clean, Renewable Energy and Storage for Everything.[9]
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.[10]
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-afstand transport gaat met waterstof-brandstofcel voertuigen (HFC[11]) en hybride BEV-HFC met samengeperste waterstof. Voor lange afstand gebruiken schepen hybride batterij-waterstof brandstofcelsystemen, en vliegtuigen vloeibare waterstof[12]. HFC wordt niet gebruikt voor elektriciteitsopwekking wegens inefficiency 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 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,
- 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.[4]
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[13]
- 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 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 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 [14] vinden de conclusies van Jacobson et al. (2015) over o.a. kosten, energie-opslag en het elektrificeren van eindgebruik agressief. In hun reactie[15] 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.[16] 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[17] 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".[18] Het plan kreeg hierdoor meer bekendheid.[19]
WWZ voorziening in jaargemiddelde energievraag
Davidson heeft in zijn boek voor 144 landen WWZ gemiddeld vermogen geschat dat in 2050 kan voorzien in het jaargemiddelde energie eindgebruik.[9]Table 7.6 In de tabel staan voor 29 landen met het meeste eindgebruik, en Nederland en België, eerste schattingen van procentuele bijdragen van dit WWZ vermogen. Het kan per land ook met minder zon en meer wind of omgekeerd.
| Land | Totaal GW |
Windturbines | Water-kracht | Zonnepanelen | CSP | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| op land | op zee | op woningen | op andere gebouwen | in zonne-parken | ||||
| Wereld | 8693 | 31% | 15% | 6% | 11% | 14% | 19% | 4% |
| China | 2285 | 35% | 14% | 6% | 12% | 13% | 14% | 5% |
| Verenigde Staten | 939 | 31% | 16% | 4% | 11% | 15% | 16% | 5% |
| India | 926 | 37% | 6% | 2% | 12% | 16% | 22% | 5% |
| Rusland | 233 | 40% | 13% | 9% | 11% | 12% | 13% | 1% |
| Brazilië | 279 | 36% | 9% | 16% | 8% | 17% | 9% | 4% |
| Japan | 178 | 10% | 32% | 6% | 12% | 7% | 32% | 0% |
| Iran | 178 | 29% | 13% | 3% | 15% | 15% | 22% | 5% |
| Indonesië | 175 | 16% | 15% | 1% | 13% | 29% | 15% | 5% |
| Saoedi Arabië | 175 | 43% | 4% | 0% | 11% | 15% | 22% | 5% |
| Canada | 152 | 33% | 9% | 24% | 8% | 15% | 9% | 0% |
| Duitsland | 155 | 41% | 20% | 1% | 8% | 8% | 20% | 0% |
| Zuid-Korea | 155 | 4% | 37% | 2% | 9% | 5% | 37% | 5% |
| Mexico | 131 | 39% | 10% | 4% | 9% | 19% | 10% | 5% |
| Thailand | 123 | 4% | 19% | 1% | 22% | 16% | 33% | 5% |
| Frankrijk | 112 | 40% | 13% | 8% | 11% | 12% | 13% | 2% |
| Zuid Afrika | 105 | 42% | 14% | 0% | 12% | 12% | 14% | 5% |
| Arab. Emiraten | 105 | 7% | 12% | 0% | 4% | 2% | 69% | 5% |
| Australië | 94 | 27% | 15% | 4% | 9% | 16% | 23% | 5% |
| Vietnam | 91 | 1% | 25% | 8% | 22% | 14% | 25% | 5% |
| Ver. Koninkrijk | 89 | 20% | 33% | 1% | 5% | 4% | 33% | 0% |
| Italië | 83 | 37% | 14% | 8% | 12% | 9% | 14% | 8% |
| Pakistan | 82 | 24% | 11% | 4% | 15% | 17% | 25% | 5% |
| Egypte | 84 | 42% | 11% | 2% | 9% | 21% | 11% | 5% |
| Maleisië | 77 | 3% | 25% | 4% | 22% | 16% | 25% | 5% |
| Turkije | 71 | 35% | 2% | 16% | 8% | 17% | 16% | 4% |
| Nigeria | 68 | 13% | 0% | 1% | 14% | 32% | 34% | 5% |
| Spanje | 66 | 37% | 12% | 11% | 10% | 12% | 12% | 4% |
| Singapore | 67 | 0% | 93% | 0% | 1% | 0% | 1% | 0% |
| Argentinië | 57 | 39% | 10% | 8% | 9% | 19% | 10% | 5% |
| Nederland | 40 | 10% | 43% | 0% | 2% | 1% | 43% | 0% |
| België | 29 | 8% | 23% | 0% | 2% | 2% | 66% | 0% |
CSP, zie geconcentreerd zonlicht centrale.
De bijdrage van geothermie in bovenstaannde landen is zeer gering behalve in Singapore (5%) Indonesië (4%) Mexico (3%).
WWZ voorziening die de energievraag elke minuut volgt
| China | Ver.Staten | Europa | Afrika | |
|---|---|---|---|---|
| Aanbod | 3223 | 1400 | 1157 | 580 |
| Ongebruikt aanbod | 598 | 336 | 84 | 40 |
| Transmissie verlies | 221 | 98 | 77 | 37 |
| Overig verlies | 76 | 24 | 56 | 22 |
| Eindgebruik | 2328 | 939 | 940 | 482 |
Om de vraag elke minuut betrouwbaar te volgen moeten o.a. extra zonne- en windparken en extra hoogspannngslijnen opgesteld worden, zie de sectie Betrouwbaarheid vs kosten. Deze overdimensionering maakt dat de vraag in piekuren gevolgd kan worden, maar dat het aanbod in daluren niet geheel gebruikt kan worden, en veroorzaakt meer transmissie verlies.
De tabel toont het WWZ aanbod, ongebruikt aanbod, verliezen en eindgebruik, in GW om vier grote regio's betrouwbaar van energie te voorzien in 2050.[9]Table 8.10 In de tabel is energie in TWh gedeeld door 26.3 (1000 uren) om vermogen in GW te krijgen.
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%.[20]
Sommige regio's zijn al ver gevorderd met PV en windstroom. In 2017 genereerde Schotland 68% van zijn elektriciteitsgebruik met duurzame bronnen.[21] 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.[22][23] 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.[24]
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
- 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
