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 plan 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.[4]
In 2016 is het plan door een team van 27 onderzoekers uitgewerkt voor 139 landen.[5]
Wind-water-zon
Omdat klimaatverandering, luchtvervuiling en energie-onzekerheid grote problemen zijn zodat 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.[6] 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 vooral WWZ (wind-water-zon)-technologie die elektriciteit opwekt. Daarmee wordt waterstof geproduceerd door elektrolyse van water, voorzover dat nodig is voor transport of warmte of om energie op te slaan. Lichte transportmiddelen zijn voornamelijk batterij-elektrische voertuigen (BEV), zwaar transport gaat met waterstof-brandstofcelvoertuigen (HFCV[7]) en hybride BEV-HFCV met samengeperste waterstof. Schepen gebruiken hybride batterij-waterstof brandstofcelsystemen, en vliegtuigen vloeibare waterstof[8]. Water- en luchtverwarming voor 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.
Elektriciteit opwekking
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[9] 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 2030 zal minder dan 12 TW-jaar zijn. Wind[10] en zon kunnen elk jaar vele malen meer opwekken op geschikte plaatsen[11], 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 (Referentie WWZ per land Table 2).
- 23% met 1,7 miljoen 5MW windturbines op land
- 14% met 900 duizend 5MW windturbines op water
- 21% met 250 duizend 50 MW PV centrales
- 15% met 1,9 miljard 5 kW PV systemen op daken
- 11% met 75 miljoen 100 kW PV systemen op andere gebouwen
- 10% met 21 duizend 100 MW geconcentreerd zonlicht centrales
- 4% met 800 1300 MW waterkracht centrales
- 0,7% met 1000 100 MW geothermische centrales
- 0,6% met 400 duizend 0,75 MW golfsystemen
PV, zie Zonnepaneel
Beslag op land en grondstoffen
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.
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. Theoretische analyse geeft wel vertrouwen maar geen zekerheid over voldoende betrouwbaarheid bij aanvaardbare kosten van het systeem. Daarvoor is ervaring met proefprojecten en uitgebreide computersimulatie 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 water (zonneboiler) en grond
nog ontbrak in de analyse van betrouwbare WWZ voorziening.
Het programma krijgt als invoer reeksen, elke halve minuut gedurende 6 jaar, 2050-2055, van
- de energievraag
- het intermitterende wind- en zonne-energie aanbod voorspeld met een 3D wereldwijd klimaat/weer model
- 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.
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 pompcentrales, fase-verandering materiaal in geconcentreerd zonlicht centrales (CSP), en waterstof, met behulp van waterkracht alleen als laatste middel, en het gebruik van vraag-aanbod managemant in periodes van piek belasting. Uit bijkomende simulaties 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.
Energievoorziening per land
Het WWZ team heeft voor 139 landen de infrastructuur gespecificeerd die in 2050 de gehele energievoorziening kan verzorgen. De energieovergang naar WWZ kan in 2030 voor 80% een feit zijn.
In de tabel staan de landen met het meeste eindgebruik, samen ..% van het wereldgebruik, en mogelijke percentages om daar met WWZ in te voorzien (zie Table S6 en Table S8 in de referentie WWZ per land). Het is niet de enige mogelijkheid - het kan ook met minder zon en meer wind of omgekeerd, enz.
| 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% |
| Argentnië | 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 is in bovenstaande landen gering behalve in Taiwan (27%).
Zie ook
Bronnen, noten en/of referenties
|