Ik kom eigenlijk zeer zelden in dit deel van GoT, enkel om af en toe wat mee te lezen, maar onlangs heb ik een artikel op linkedin geplaatst over de energietransitie in Nederland richting 2050. @Yero (Jeroen Horlings) heeft mijn tijdens het schrijven van het artikel nog wat tips gegeven en het leek hem ook wel een goed idee om hier op GoT ook het artikel te plaatsen. Aangezien hier veel mensen zijn met een technische achtergrond, hoop ik op veel inhoudelijke feedback.
:no_upscale():strip_icc():fill(white):strip_exif()/f/image/k6ECkuMGCbPVuHYhczH9e71o.jpg?f=user_large)
Halen we 2050?
Een beschouwing van de energietransitie die Nederland in 2050 klimaatneutraal moet maken
In 2050 moet het zover zijn: een klimaatneutrale economie. Dat wil zeggen dat er onder de streep geen broeikasgassen uitgestoten mogen worden. De uitstoot zelf tot nul reduceren zal hoogstwaarschijnlijk niet lukken, maar wat er nog overblijft kan afgevangen en opgeslagen worden. Hiermee hopen we de klimaatverandering enigszins binnen de perken te houden.
In dit artikel bekijk ik de huidige plannen van de overheid voor 2050 en de technische mogelijkheden van nu en de nabije toekomst, om de hoeveelheid broeikasgassen tot bijna nul te reduceren. Hiervoor zullen de fossiele brandstoffen uit onze energiemix moeten verdwijnen. Alternatieven zijn er vandaag al genoeg, maar welke mix hebben we nodig om aan de vraag naar energie in de komende decennia te voldoen?
Energiegebruik
Als we spreken over energie dan worden er verschillende eenheden gebruikt. De joule (J) is officiële eenheid van energie, maar het is eigenlijk een zeer kleine hoeveelheid, vandaar dat er meestal over kWh gesproken wordt. 1 kWh is gelijk aan 3,6 miljoen joule. Vermogen is energiegebruik per seconde. 1 joule per seconde is 1 watt (W). In de praktijk gebruiken we kilowatt (kW, 1000 watt), megawatt (MW, 1000 000 watt) en gigawatt (GW, 1000 000 000 watt).
Momenteel gebruiken we in Nederland in totaal ongeveer 3000 petajoule (PJ) per jaar. Dit komt overeen met 833 miljard kWh. Dit is het totaal van alle vormen van energie. Dus elektrische energie, warmte, verlichting, beweging, etc. Hiervan wordt momenteel zo’n 15-20% duurzaam opgewekt door voornamelijk windmolens en zonnepanelen.
:fill(white):strip_exif()/f/image/8AkYbYX1zCwn5OnHrxpoOcYA.png?f=user_large)
In de afgelopen 30 jaar zien we een redelijk stabiel energiegebruik met zelfs de laatste jaren een lichte daling in het totale gebruik. Dit is niet omdat we minder doen met energie, maar omdat we zuiniger omgaan met energie. Een simpel voorbeeld is een elektrische auto. Met een verbruik van 150 Wh per km is een elektrische auto vier keer zo efficiënt als een benzine-auto die 15km per liter benzine rijdt. Een ander voorbeeld is het verwarmen van een huis met een warmtepomp, die drie tot vier keer meer warmte in het huis kan pompen per kWh verbruikte energie dan een verwarmingsketel die op aardgas werkt.
De verwachting is echter dat het totale energiegebruik in Nederland toch gaat stijgen. Met meer frequente warmere en langere zomers en de mogelijkheid om met een warmtepomp ook te koelen, gaan we hiermee juist meer energie gebruiken in huishoudens, bedrijfs- en overheidsgebouwen. Het is moeilijk te voorspellen wat het totale energiegebruik in 2050 gaat zijn, maar het TNO gaat uit van ongeveer 3600 PJ per jaar. Ongeveer 20% meer dan wat we nu gebruiken.
Energiebronnen
Om 3600 PJ per jaar zonder uitstoot van broeikasgassen op te wekken, zal er een enorme toename in wind- en zonne-energie moeten komen. En als het aan sommige partijen ligt, zal ook kernenergie nodig zijn. Er zijn door het kabinet verschillende plannen bedacht om aan onze energievraag van 2050 voldoen.
Windenergie
Er zijn ambitieuze plannen gemaakt voor windenergie op zee voor 2050. Eind december 2023 was er 4,7 GW capaciteit aan windmolens op zee geplaatst. Het plan is om dit uit te breiden naar 38 tot 72 GW. Dat is ongeveer een vertienvoudiging in 25 jaar. De capaciteit is wat er aan maximaal vermogen geleverd kan worden. Gedurende een jaar is het gemiddelde vermogen dat windmolens op zee leveren ongeveer 50% van het maximum (dit is de capaciteitsfactor). Dit zou in 2050 dus goed zijn voor 600 tot 1140 PJ opgewekte energie per jaar.
:no_upscale():strip_icc():fill(white):strip_exif()/f/image/tZ55jWa5lIQh8z8y8NOraYvP.jpg?f=user_large)
Er zijn geen concrete plannen voor de capaciteit van windmolens op land. In theorie is 30 GW op land realistisch te halen. De capaciteitsfactor voor wind op land ligt wat lager dan op zee en komt momenteel gemiddeld op 40% uit. Dit zou in 2050 potentieel 380 PJ per jaar opleveren.
Zonne-energie
Nederland had in 2023 per inwoner de grootste hoeveelheid zonnepanelen ter wereld opgesteld staan. Totaal stond er voor 24,4 GWp (gigawattpiek) opgesteld. Gemiddeld wordt er zo'n 0,88kWh per Whp opgewekt over een jaar, dus 24,4 GWp levert ongeveer 21,4 TWh op.
Ook hier zijn er geen concrete plannen voor 2050, maar er wordt door verschillende organisaties gesproken over 200 GWp, waarvan 70 GWp op het water moet komen liggen (25 GWp op binnenwater en 45 GWp op zee). 200 GWp komt overeen met ongeveer 630 PJ per jaar.
Aardwarmte
Als we aan aardwarmte denken, zal niet direct de associatie met Nederland naar boven komen, maar eerder een land als IJsland. Toch kan in Nederland veel warmte diep (vanaf 1000m) uit de grond gehaald worden en rechtstreeks voor de verwarming van huizen, kantoren en glastuinbouw zorgen.
In "Het Masterplan Aardwarmte" wil de geothermische sector de huidige productie van 3,6 PJ opvoeren naar 200 PJ per jaar in 2050.
:no_upscale():strip_icc():fill(white):strip_exif()/f/image/PSWQ8QYjpTzSxKX7NWXSJpLv.jpg?f=user_large)
Kernenergie
Alhoewel kernenergie niet duurzaam is; de voorraad bruikbare splijtstoffen (momenteel voornamelijk Uranium) is net als fossiele brandstoffen eindig, wordt er in een kerncentrale geen CO2 uitgestoten.
In de huidige plannen wordt gesproken over twee nieuwe kerncentrales die samen 24 TWh per jaar gaan opleveren. Aangezien de huidige kerncentrale in Borssele officieel in 2033 moet sluiten, met misschien wat uitstel tot de nieuwe centrales operationeel zijn, zal er totaal niet meer dan 24 TWh met kernenergie opgewekt worden.
Zeer recent is er een motie aangenomen om vier nieuwe centrales te plaatsen i.p.v. twee. Dit moet nog onderzocht worden en er is nog niets bekend over de locatie en de mogelijke energieopbrengst. Stel dat het totaal op 50 TWh per jaar komt, dan komt dit overeen met 180 PJ per jaar.
Biomassa
Nederland heeft relatief weinig ruimte om bossen te plaatsen die gebruikt worden om biomassa te produceren. Deze biomassa wordt verbrand om er vervolgens warmte en elektrische energie mee op te wekken.
Hierbij komt weliswaar CO2 vrij, maar door de relatief korte cyclus van opname van CO2 uit de atmosfeer tijdens het groeien van de bomen en het weer uitstoten bij het verbranden van deze bomen, is er netto geen CO2-uitstoot. In een gunstig scenario kan er ongeveer 250 PJ per jaar opgewekt worden met de verbranding van biomassa.
Totaal in 2050
:no_upscale():strip_icc():fill(white):strip_exif()/f/image/VUI7SmaqhGvjtrxdJcGjFrZv.jpg?f=user_large)
tabel
Als we de huidige plannen volgen, halen we de doelstelling om in 2050 CO2-vrij energie te produceren niet. We komen tot een totaal van ongeveer 2780 PJ per jaar (tabel), terwijl we volgens schattingen 3600 PJ nodig hebben. Dit staat nog los van het goed kunnen opvangen van pieken en dalen en regionale verschillen in vraag en aanbod. Uiteraard kan er energie uit het buitenland geïmporteerd worden. Aangezien Nederland een klein maar dichtbevolkt land is, is het niet zo vreemd dat de energiebehoefte per km2 erg hoog ligt. De zon schijnt hier ook beduidend minder lang (en onder een kleinere hoek) dan in Zuid-Europa en ons land is enorm vlak wat hydrocentrales ook niet echt zinnig maakt. En zo zijn er nog meer beperkingen in Nederland.
Wanneer we alles zelf willen opwekken, zal er ruim 800 PJ per jaar extra geproduceerd moeten worden. Meer windenergie gaat lastig worden. Op zee is veel ruimte, maar er moeten ook vaarroutes opengehouden worden en ook niet ieder stuk van de Noordzee is even geschikt om windmolens te plaatsen. Op land is in theorie meer ruimte dan waar nu mee gerekend is, maar er zijn reële bezwaren tegen nog meer windmolens. Afgezien van wat mensen van windmolens vinden, produceren ze ook geluidsoverlast.
Zonne-energie zou verder uitgebreid kunnen worden dan waar nu mee gerekend is. In oktober 2023 is een voorkeursvolgorde voor de opwek van zonne-energie vastgelegd, waarin staat dat landbouwgrond hiervoor pas gebruikt mag worden als er geen andere optie is. Als we wat vooruit lopen op de gevolgen van de stikstofreducering, komt er mogelijk veel landbouwgrond vrij.
In 2023 wordt ongeveer 2,2 miljoen hectare (22 000 km2) gebruikt voor landbouw. Per vierkante kilometer kan er in Nederland 50-100 GWh zonne-energie per jaar opgewekt worden. Stel dat we het tekort van 900 PJ per jaar volledig willen opvangen met zonnepanelen op landbouwgrond, is er 2500-5000 km2 nodig. Dit is in het ongunstige geval minder dan een kwart van de huidige landbouwgrond.
Kernfusie
Er is een mogelijke toekomstige redding in de vorm van kernfusie. Dit is een vorm van kernenergie die grootschalig (enorm understatement) toegepast wordt in sterren zoals onze zon voor miljarden jaren. Hierbij worden lichte elementen, zoals (speciaal) waterstof en helium onder extreme druk en temperatuur samengesmolten tot zwaardere elementen. Hierbij komt enorm veel energie vrij. Er komt ook nog nauwelijks radioactieve straling bij vrij (komt niet verder dan de reactorwand in een kernfusiecentrale) en zelfs in de meest extreme rampscenario's is het zo veilig, dat de reacties onmiddellijk stoppen en het gevaar direct geweken is. Ook zijn de grondstoffen nagenoeg onuitputtelijk op aarde te vinden.
:no_upscale():strip_icc():fill(white):strip_exif()/f/image/WKBbqJ2n4jFvqHXOIxUJ5rfl.jpg?f=user_large)
Er is enkel een groot probleem: wetenschappers zijn al 70 jaar bezig om te bedenken hoe het onder controle te krijgen en er meer energie uit te halen dan erin gestopt wordt. Al 50 jaar wordt gezegd dat het nog zo'n 20 jaar duurt. De meest veelbelovende kernreactor die gebouwd wordt, is ITER. Dit is nog steeds een proefreactor, die enkel als opstap zal dienen naar een mogelijke werkzame kernfusiecentrale die op het elektriciteitsnet aangesloten kan worden.
Dunkelflaute en energiebuffers
De benodigde energie opwekken is maar een deel van de uitdagingen. Het andere deel is het opvangen van de energietekorten en overschotten. Kolen-, gas-, olie- en kerncentrales hebben als groot voordeel dat het opgewekte vermogen heel aardig te reguleren is. Als de vraag naar energie even wat groter is, wordt er meer opgewekt.
Bij zonnepanelen en windmolens werkt dat niet zo. Het is mogelijk ze stil te leggen, maar meer energie laten opwekken, is helaas niet mogelijk. Men spreekt dan van "dunkelflaute": een periode waarin er geen energie opgewekt wordt met zonnepanelen en windmolens.
Dit betekent dat er energie opgeslagen moet worden bij een overschot, zodat er energie genoeg is voor een later moment als er juist te weinig energie opgewekt wordt, om aan de vraag te voldoen. Dit is een energiebuffer. De grootte hiervan bepalen, is niet eenvoudig, maar het KNMI spreekt van een maximale energiebuffer die overeenkomt met het energiegebruik in 8 dagen.
:no_upscale():strip_icc():fill(white):strip_exif()/f/image/xBJeoxvEuwPV5SlGFa2KYYC2.jpg?f=user_large)
Accu's
Met een energievraag van 3600 PJ per jaar, levert een dunkelflaute van 8 dagen waarin nauwelijks zonne- en windenergie wordt opgewekt, al een tekort op van ongeveer 80 PJ. Deze hoeveelheid is niet met accu's op te vangen. We hebben dan het equivalent van meer dan 220 miljoen Tesla's met het grootste accupakket (100 kWh) nodig. Momenteel heeft het grootste accupark ter wereld een capaciteit van 3 GWh, wat overeenkomt met ongeveer 0,011 PJ.
Waterstof
Met het opslaan van 80 PJ in groene waterstof (elektrisch opgewekte waterstof) is een gastank van 14 miljoen m3 nodig onder een druk van 700 bar. Dat is een bol net zo hoog als de Eiffeltoren. In de praktijk is bijna het dubbele nodig, omdat de omzetting van waterstof naar elektrische energie met een rendement gaat van 50-70%. Het maken van groene waterstof van water en elektrische energie gaat met een rendement van ongeveer 70-75%, wat inclusief het opwarmen van het benodigde water is. Voor het comprimeren van waterstof tot een druk van 700 bar gaat er nog ongeveer 10% energie verloren.
Het totale proces van omzetten naar waterstof en weer terug naar elektrische energie gaat met een rendement van 32-48% als er geen waterstof verloren gaat. Helaas gaat er ook wat waterstof verloren, omdat waterstof een enorm vluchtig gas is en zelfs door de wanden van een vat kan weglekken. Ironisch is dat waterstofgas 11,6 maal zo potent is als broeikasgas als CO2. Het betekent dat, wanneer waterstof als buffer gebruikt gaat worden, er 150-200 PJ opgevangen moet worden.
Met electrolysers wordt op een duurzame manier waterstof gemaakt. Voor 2030 is het doel gesteld om 80 GW aan electrolysers te plaatsen. Om in een maand tijd een waterstofbuffer voor 8 dagen energie op te wekken, is een totaal vermogen van 90 GW nodig. Dit is bovenop de basisbehoefte aan waterstof voor de industrie en zwaar transport. Dus er zijn in 2050 veel meer electrolysers nodig dan de huidige geplande voor 2030. Het vermogen van 90 GW moet ook duurzaam opgewekt worden, maar dat is al meer dan de capaciteit van alle windmolenparken op zee die gepland zijn voor 2050. Uit de eerdere berekening is gekomen, dat er eigenlijk geen mogelijkheid is om nog meer windmolens en zonnepanelen te plaatsen. De enige manier om deze energie op te wekken is met kernenergie. Als we uitgaan van 200 PJ, dan kunnen de momenteel 4 geplande kerncentrales enkel gebruikt worden om waterstofbuffers te maken.
Waterkracht
Grootschalig en efficiënt energie opslaan kan gedaan worden met een "pompcentrale". Met een pompcentrale wordt water omhoog gepompt als er een energieoverschot is. Bij een tekort gaat het water weer naar beneden en wekt het elektrische energie op zoals een dynamo. Dit is niet alleen zeer eenvoudig in theorie, maar wordt ook al meer dan een eeuw in de praktijk toegepast. Het is een bewezen systeem met een totale efficiëntie van ongeveer 85%.
Omdat er in Nederland weinig hoogteverschillen zijn en ook onze oude mijnschachten verre van groot genoeg zijn om aan onze energievraag te voldoen, is de oplossing op zee te vinden.
Als er met dijken op de Noordzee (ongeveer 58 500 km2) een oppervlak van 5000 km2 wordt afgesloten (er is in Nederland ruim 7000 km2 drooggelegd) en we laten het water hierin 40 m stijgen en weer dalen, dan heeft dit een totale energiebuffer van bijna 20 PJ. Dat is dus genoeg energie voor 2 dagen. Nog verder opschalen kan in theorie, maar in de praktijk is dat lastiger. Grote delen van de Nederlandse Noordzee zijn niet bruikbaar als pompcentrale, omdat het er niet diep genoeg is, of het gaat om beschermde natuurgebieden.
:no_upscale():strip_icc():fill(white):strip_exif()/f/image/l68dCnPaPWufZAHookadomK5.jpg?f=user_large)
Gesmolten zout
Mogelijk de beste grootschalige buffer is het smelten van zout en verwarmen tot een temperatuur tegen 600 °C. Wanneer er een tekort aan energie is, kun je dit af laten koelen en de vrijgekomen warmte gebruiken om stoomturbines aan te drijven. Dit werkt in essentie niet anders dan een conventionele energiecentrale (fossiel of nucleair).
Met goede isolatie is het mogelijk een week lang de warmte in het zout op te slaan, zonder al teveel warmteverlies. Het meest geschikte zoutmengsel is een combinatie van natriumnitraat en kaliumnitraat in een 60:40 verhouding. Deze zouten zijn stabiel, zeer makkelijk en goedkoop te verkrijgen en relatief veilig (in geval van een lek). Ook is het mengsel in gesmolten toestand niet zo viskeus, wat het rondpompen makkelijker maakt en minder energie kost. Voor de productie van kunstmest worden deze zouten al veelvuldig gebruikt. Ter referentie: Nederland exporteert ongeveer 8 miljoen ton kunstmest per jaar.
Een totale hoeveelheid van 6,7 miljoen ton gesmolten zout is al genoeg om 70 PJ energie te bufferen. Dit past in een silo van 110 meter hoog en een diameter van 200 meter. Uiteraard moet dit niet in 1 silo opgeslagen te worden. Beter is het ook om vele kleinere silo's over het land te verspreiden en zo ook dichterbij de gebruikers te staan. De levensduur van huidige installaties is 30-50 jaar. Na deze periode zijn de zouten nog te hergebruiken voor bijvoorbeeld kunstmest.
Energiebuffers op verschillende niveaus
Naast enorme buffers die langdurige tekorten of overschotten kunnen opvangen, zijn er ook buffers nodig die tijdelijke pieken en dalen op de energienetwerken kunnen opvangen. Er zijn buffers op landelijk, regionaal en lokaal niveau nodig. Ik bespreek een aantal buffers die nodig zijn voor een stabiele energievoorziening over verschillende tijdspannen.
De eerder genoemde buffers zijn vooral bedoeld voor langere termijn, dus over meerdere dagen of zelfs weken. Deze zijn nodig om het wisselende aanbod van energie op te vangen. De vraag naar energie is meestal zelfs op uurniveau wisselend. Denk daarbij aan het moment dat mensen tussen 17 uur en 19 uur thuiskomen, de elektrische auto aan de lader hangen, de verwarming aanzetten en gaan koken. Dat zorgt voor grote pieken die de energievraag niet alleen veel groter maakt dan het aanbod, maar (daardoor) ook veel duurder.
Thuisaccu
Als alles in huishoudens op elektriciteit werkt; verlichting, (inductie)kookplaat, auto, warmtepomp voor de verwarming, boiler voor warm water, etc. dan is het meest logische om ook elektrische energie op te slaan in een accu. Separate thuisaccu's van bijvoorbeeld 20 kWh bevatten genoeg energie om een elektrisch huishouden een hele dag op te laten werken, afgezien van het opladen van de auto.
Wat nog interessanter is, is juist die elektrische auto. Momenteel wordt deze vaak nog gezien als de veroorzaker van de problemen op het elektriciteitsnetwerk. Met de mogelijkheid van "vehicle to grid" (v2g) kan een elektrische auto ook stroom terugleveren aan het net. De auto hoeft feitelijk maar een klein deel van zijn accucapaciteit beschikbaar te stellen om een heel huis op te warmen. Met voldoende elektrische auto's kan een hele wijk makkelijk de pieken en dalen in het netwerk opvangen. Het opladen van de elektrische auto wordt dan even uitgesteld tot een gunstiger moment, wanneer er juist meer elektrische energie wordt opgewekt dan gebruikt. Dit wordt ook "Slim laden" genoemd. Iets wat momenteel al op kleinere schaal gebruikt wordt door eigenaren van elektrische auto's. Denk bijvoorbeeld aan thuiswerkers met zonnepanelen op het dak die overdag de auto opladen. Maar ook op het werk is dit prima te doen.
Niet alleen huishoudens, maar ook het mkb (midden- en kleinbedrijf) kan perfect gebruikmaken van accu's en elektrische voertuigen om de pieken en dalen op te vangen gedurende een dag. In de toekomst zullen de meeste bedrijven zonnepanelen op hun dak plaatsen en ook meer met een lokale windmolen werken.
Vliegwiel
Een vliegwiel is niet meer dan een zware cilindervormige schijf die ronddraait op een as. Door middel van een elektromotor wordt met een overschot aan elektrische energie het vliegwiel versneld. Met de cilinder zwevend in een permanent magnetische veld en een bijna vacuüm behuizing kan het vliegwiel nagenoeg wrijvingsloos uren blijven doordraaien. Wanneer er elektrische energie nodig is, gaat de elektromotor als dynamo werken en wordt het vliegwiel vertraagd. Dit proces kan tienduizenden keren worden herhaald en gaat met een totale efficiëntie van bijna 90%.
:fill(white):strip_exif()/f/image/e87Lbzatgfetq3liVZqqud2S.png?f=user_large)
Een vliegwiel is het meest geschikt om kortstondig veel vermogen te leveren en daarna weer langzaam energie op te nemen. Omdat het verlies van energie over tijd (15% per uur) een stuk hoger ligt dan bijvoorbeeld bij een accu (0,16% per dag), is een vliegwiel minder geschikt om zonne- en windenergie gedurende een dag op te slaan. Wel is een vliegwiel geschikt om het starten van zware machines en het wegrijden van treinen mogelijk te maken. Of juist bij zonne- of windparken te plaatsen als de zon ineens doorbreekt of als het plotseling harder gaat waaien. Dit vermijdt een piekbelasting van megawatts op het net, waardoor de kosten van de aansluiting veel lager liggen en er ook minder problemen zijn om de netspanning stabiel te houden tijdens deze pieken.
Combinaties
In de praktijk zullen combinaties van verschillende energiebronnen en buffers dichtbij elkaar geplaatst worden. Windmolenparken en drijvende zonnepanelen op zee tussen dijken vol gigantische waterpompen. Aan de rand van zo'n energie-eiland komen de elektriciteitsdraden samen bij grote silo's met gesmolten zout. Het geheel zorgt dat het vaste land continu van de benodigde energie kan worden voorzien.
Op regionaal of stedelijk niveau kunnen kleine windmolenparken aangevuld worden met vliegwielen en gigantische accu's die rimpels uit de energiestroom halen. Speciale windmolenparken (op land en op zee) maken alleen maar waterstof met elektrolysers. Waterstof is vooral nodig voor de industrie; de chemische industrie voor de synthese van stoffen, de staalindustrie om ijzer te smelten, etc.
In woonwijken en binnensteden worden zonnepanelen, zonneboilers, thuisaccu's en elektrische auto's in microgrids geplaatst. Er is dan minder netwerkcapaciteit nodig om alle woningen van externe stroom te voorzien. Ze zijn bijna zelfvoorzienend.
Transport
Persoonlijk dagelijks gemotoriseerd vervoer zal in de komende 10-15 jaar volledig elektrisch worden. Denk hierbij aan auto's, scooters, bussen, trams, treinen; een deel hiervan is momenteel al 100% elektrisch en werkt zelfs al op duurzame opgewekte elektriciteit.
Vrachtwagens die soms duizenden kilometers moeten rijden, zijn anno 2024 nog niet elektrisch, al komt daar wel snel verandering in. Vrachtwagens en busjes die vooral in en tussen steden rijden, zien we wel al steeds meer in volledig elektrische variant.
Waar de uitdaging echt ligt, is bij vrachtschepen en vliegtuigen. Vrachtschepen zijn enorm groot en zwaar. Door accu's te gebruiken, worden ze nog groter en zwaarder of ze verliezen veel laadruimte. Vliegtuigen moeten licht zijn, anders stijgen ze niet op.
Een gesmoltenzoutreactor (MSR) kan een oplossing bieden voor grote vrachtschepen. Dit zijn kleine kernreactors die werken met een gesmolten zout waarin splijtstoffen zoals Uranium of Thorium bevinden. Ze zijn kleiner dan normale kernreactors en ook veiliger, omdat ze onder een lagere druk werken. Minder high-tech, maar juist old-skool is de inzet van grote zeilen op de vrachtschepen. Iets wat ons eeuwen geleden wereldwijd de oceanen liet trotseren, werkt natuurlijk nog steeds. En misschien duurt het dan wat langer om een boot van China naar Europa te krijgen, maar niet alles hoeft snel geleverd te worden. De trein kan ook meer ingezet gaan worden voor transcontinentaal goederentransport. Er gaan veel minder containers op een trein dan op een containerschip, maar je kunt veel meer treinen relatief kort achter elkaar laten rijden. Het gaat ook nog een stuk sneller dan een schip.
Vliegtuigen kunnen op waterstof of synthetische kerosine werken, maar de productie daarvan gebruikt enorm veel energie en is ook heel prijzig. Vliegtuigmaatschappijen maken graag reclame met SAF (Sustainable Aviation Fuel). Deze brandstof kan gemaakt worden van landbouwafval, frituurolie, of zelfs door CO2 en waterstof samen te voegen tot kerosine (dit is bijna het omgekeerde van de verbranding van kerosine en kost veel energie). De prijs kan nog wat zakken als er meer wordt geproduceerd, maar energie is, zoals we eerder hebben gezien, iets wat niet in overvloed aanwezig is. Beter is het om vooral korte vluchten te vervangen door hoge snelheids- en/of nachttreinen. De korte vluchten verbruiken ook verhoudingsgewijs veel kerosine, omdat met name het opstijgen veel energie kost. Eenmaal op hoogte verbruikt een vliegtuig weinig energie.
Verwarming
Decennialang heeft Nederland zijn aardgasbel in Groningen gebruikt om huishoudens, kantoren, scholen, bedrijven, etc. te verwarmen. Aardgas verbranden om warmte te creëren is behoorlijk efficiënt, vooral met hoogrendementsketels die een rendement halen van 97%. Theoretisch is de rendementslimiet van een energie-omzetting 100%. Je kunt immers ergens niet meer energie uithalen dan je erin stopt. Toch is het mogelijk dat een warmtepomp een rendement haalt van 400% tot 600%.
Een warmtepomp haalt namelijk warmte van buiten naar binnen, zelfs als het buiten kouder is dan binnen. Bij dit proces gebruikt de warmtepomp minder energie dan er warmte (ook een vorm van energie) naar binnen gepompt wordt. Het is feitelijk het omgekeerde van wat een airco doet. In de praktijk zie je dan ook vaak een combinatie van een airco en een waterpomp in één.
:no_upscale():strip_icc():fill(white):strip_exif()/f/image/sfU4GXA2avyd5aTPfKlFUerG.jpg?f=user_large)
Een warmtepomp lijkt dus perfect als vervanging van een normale cv-installatie: het is volledig elektrisch en je hebt veel minder energie nodig om dezelfde kamertemperatuur te bereiken. Het lastige is dat veel huizen niet zo goed geïsoleerd zijn, mede omdat veel aardgasgestookte ketels een vermogen hebben van 18 tot 24kW voor een eengezinswoning. Warmtepompen hebben een veel kleiner vermogen, dat vooral in de winter te laag is om een slecht geïsoleerd huis goed op te warmen.
Dus niet alleen moeten bestaande cv-installaties vervangen worden, ook moet de isolatie in orde zijn voor een warmtepomp.
Om uiteindelijk toch energiezuiniger te leven dan we nu doen, is het belangrijk dat we ook niet teveel de airco-functionaliteit gebruiken. Dit zorgt op dit moment in veel steden over de wereld, waar al jaren veel airco's gebruikt worden, voor een lokale temperatuurstijging van 3-5 °C tijdens de zomermaanden.
Hoe ziet Nederland er in 2050 uit
Er moet veel gebeuren om in 2050 netto geen CO2-uitstoot te produceren. Het Nederlandse landschap zal totaal veranderen. Koeien in de wei worden vervangen door zonnevelden en windmolenparken. De rode dakpannen op rijtjeshuizen zullen door alle zonnepanelen bijna onzichtbaar worden. De Noordzee zal enorme windmolenparken krijgen met daartussen vaarroutes, beschermde natuurgebieden en pompcentrales. Naast windparken en zonnevelden staan gesmolten zoutinstallaties, om de opgewekte energie op te slaan voor periodes dat de wind minder waait en/of de zon niet schijnt. Rokende en dampende schoorstenen zijn verleden tijd door de warmtepompen die overal geplaatst zijn. Ons vervoer is bijna volledig elektrisch. Enkel vliegtuigen en grote containerschepen zullen zich op een andere manier duurzaam voortbewegen. En heel misschien staat er ergens in Nederland een kernfusiecentrale.
:no_upscale():strip_icc():fill(white):strip_exif()/f/image/k6ECkuMGCbPVuHYhczH9e71o.jpg?f=user_large)
Halen we 2050?
Een beschouwing van de energietransitie die Nederland in 2050 klimaatneutraal moet maken
In 2050 moet het zover zijn: een klimaatneutrale economie. Dat wil zeggen dat er onder de streep geen broeikasgassen uitgestoten mogen worden. De uitstoot zelf tot nul reduceren zal hoogstwaarschijnlijk niet lukken, maar wat er nog overblijft kan afgevangen en opgeslagen worden. Hiermee hopen we de klimaatverandering enigszins binnen de perken te houden.
In dit artikel bekijk ik de huidige plannen van de overheid voor 2050 en de technische mogelijkheden van nu en de nabije toekomst, om de hoeveelheid broeikasgassen tot bijna nul te reduceren. Hiervoor zullen de fossiele brandstoffen uit onze energiemix moeten verdwijnen. Alternatieven zijn er vandaag al genoeg, maar welke mix hebben we nodig om aan de vraag naar energie in de komende decennia te voldoen?
Energiegebruik
Als we spreken over energie dan worden er verschillende eenheden gebruikt. De joule (J) is officiële eenheid van energie, maar het is eigenlijk een zeer kleine hoeveelheid, vandaar dat er meestal over kWh gesproken wordt. 1 kWh is gelijk aan 3,6 miljoen joule. Vermogen is energiegebruik per seconde. 1 joule per seconde is 1 watt (W). In de praktijk gebruiken we kilowatt (kW, 1000 watt), megawatt (MW, 1000 000 watt) en gigawatt (GW, 1000 000 000 watt).
Momenteel gebruiken we in Nederland in totaal ongeveer 3000 petajoule (PJ) per jaar. Dit komt overeen met 833 miljard kWh. Dit is het totaal van alle vormen van energie. Dus elektrische energie, warmte, verlichting, beweging, etc. Hiervan wordt momenteel zo’n 15-20% duurzaam opgewekt door voornamelijk windmolens en zonnepanelen.
:fill(white):strip_exif()/f/image/8AkYbYX1zCwn5OnHrxpoOcYA.png?f=user_large)
In de afgelopen 30 jaar zien we een redelijk stabiel energiegebruik met zelfs de laatste jaren een lichte daling in het totale gebruik. Dit is niet omdat we minder doen met energie, maar omdat we zuiniger omgaan met energie. Een simpel voorbeeld is een elektrische auto. Met een verbruik van 150 Wh per km is een elektrische auto vier keer zo efficiënt als een benzine-auto die 15km per liter benzine rijdt. Een ander voorbeeld is het verwarmen van een huis met een warmtepomp, die drie tot vier keer meer warmte in het huis kan pompen per kWh verbruikte energie dan een verwarmingsketel die op aardgas werkt.
De verwachting is echter dat het totale energiegebruik in Nederland toch gaat stijgen. Met meer frequente warmere en langere zomers en de mogelijkheid om met een warmtepomp ook te koelen, gaan we hiermee juist meer energie gebruiken in huishoudens, bedrijfs- en overheidsgebouwen. Het is moeilijk te voorspellen wat het totale energiegebruik in 2050 gaat zijn, maar het TNO gaat uit van ongeveer 3600 PJ per jaar. Ongeveer 20% meer dan wat we nu gebruiken.
Energiebronnen
Om 3600 PJ per jaar zonder uitstoot van broeikasgassen op te wekken, zal er een enorme toename in wind- en zonne-energie moeten komen. En als het aan sommige partijen ligt, zal ook kernenergie nodig zijn. Er zijn door het kabinet verschillende plannen bedacht om aan onze energievraag van 2050 voldoen.
Windenergie
Er zijn ambitieuze plannen gemaakt voor windenergie op zee voor 2050. Eind december 2023 was er 4,7 GW capaciteit aan windmolens op zee geplaatst. Het plan is om dit uit te breiden naar 38 tot 72 GW. Dat is ongeveer een vertienvoudiging in 25 jaar. De capaciteit is wat er aan maximaal vermogen geleverd kan worden. Gedurende een jaar is het gemiddelde vermogen dat windmolens op zee leveren ongeveer 50% van het maximum (dit is de capaciteitsfactor). Dit zou in 2050 dus goed zijn voor 600 tot 1140 PJ opgewekte energie per jaar.
:no_upscale():strip_icc():fill(white):strip_exif()/f/image/tZ55jWa5lIQh8z8y8NOraYvP.jpg?f=user_large)
Er zijn geen concrete plannen voor de capaciteit van windmolens op land. In theorie is 30 GW op land realistisch te halen. De capaciteitsfactor voor wind op land ligt wat lager dan op zee en komt momenteel gemiddeld op 40% uit. Dit zou in 2050 potentieel 380 PJ per jaar opleveren.
Zonne-energie
Nederland had in 2023 per inwoner de grootste hoeveelheid zonnepanelen ter wereld opgesteld staan. Totaal stond er voor 24,4 GWp (gigawattpiek) opgesteld. Gemiddeld wordt er zo'n 0,88kWh per Whp opgewekt over een jaar, dus 24,4 GWp levert ongeveer 21,4 TWh op.
Ook hier zijn er geen concrete plannen voor 2050, maar er wordt door verschillende organisaties gesproken over 200 GWp, waarvan 70 GWp op het water moet komen liggen (25 GWp op binnenwater en 45 GWp op zee). 200 GWp komt overeen met ongeveer 630 PJ per jaar.
Aardwarmte
Als we aan aardwarmte denken, zal niet direct de associatie met Nederland naar boven komen, maar eerder een land als IJsland. Toch kan in Nederland veel warmte diep (vanaf 1000m) uit de grond gehaald worden en rechtstreeks voor de verwarming van huizen, kantoren en glastuinbouw zorgen.
In "Het Masterplan Aardwarmte" wil de geothermische sector de huidige productie van 3,6 PJ opvoeren naar 200 PJ per jaar in 2050.
:no_upscale():strip_icc():fill(white):strip_exif()/f/image/PSWQ8QYjpTzSxKX7NWXSJpLv.jpg?f=user_large)
Kernenergie
Alhoewel kernenergie niet duurzaam is; de voorraad bruikbare splijtstoffen (momenteel voornamelijk Uranium) is net als fossiele brandstoffen eindig, wordt er in een kerncentrale geen CO2 uitgestoten.
In de huidige plannen wordt gesproken over twee nieuwe kerncentrales die samen 24 TWh per jaar gaan opleveren. Aangezien de huidige kerncentrale in Borssele officieel in 2033 moet sluiten, met misschien wat uitstel tot de nieuwe centrales operationeel zijn, zal er totaal niet meer dan 24 TWh met kernenergie opgewekt worden.
Zeer recent is er een motie aangenomen om vier nieuwe centrales te plaatsen i.p.v. twee. Dit moet nog onderzocht worden en er is nog niets bekend over de locatie en de mogelijke energieopbrengst. Stel dat het totaal op 50 TWh per jaar komt, dan komt dit overeen met 180 PJ per jaar.
Biomassa
Nederland heeft relatief weinig ruimte om bossen te plaatsen die gebruikt worden om biomassa te produceren. Deze biomassa wordt verbrand om er vervolgens warmte en elektrische energie mee op te wekken.
Hierbij komt weliswaar CO2 vrij, maar door de relatief korte cyclus van opname van CO2 uit de atmosfeer tijdens het groeien van de bomen en het weer uitstoten bij het verbranden van deze bomen, is er netto geen CO2-uitstoot. In een gunstig scenario kan er ongeveer 250 PJ per jaar opgewekt worden met de verbranding van biomassa.
Totaal in 2050
:no_upscale():strip_icc():fill(white):strip_exif()/f/image/VUI7SmaqhGvjtrxdJcGjFrZv.jpg?f=user_large)
tabel
Als we de huidige plannen volgen, halen we de doelstelling om in 2050 CO2-vrij energie te produceren niet. We komen tot een totaal van ongeveer 2780 PJ per jaar (tabel), terwijl we volgens schattingen 3600 PJ nodig hebben. Dit staat nog los van het goed kunnen opvangen van pieken en dalen en regionale verschillen in vraag en aanbod. Uiteraard kan er energie uit het buitenland geïmporteerd worden. Aangezien Nederland een klein maar dichtbevolkt land is, is het niet zo vreemd dat de energiebehoefte per km2 erg hoog ligt. De zon schijnt hier ook beduidend minder lang (en onder een kleinere hoek) dan in Zuid-Europa en ons land is enorm vlak wat hydrocentrales ook niet echt zinnig maakt. En zo zijn er nog meer beperkingen in Nederland.
Wanneer we alles zelf willen opwekken, zal er ruim 800 PJ per jaar extra geproduceerd moeten worden. Meer windenergie gaat lastig worden. Op zee is veel ruimte, maar er moeten ook vaarroutes opengehouden worden en ook niet ieder stuk van de Noordzee is even geschikt om windmolens te plaatsen. Op land is in theorie meer ruimte dan waar nu mee gerekend is, maar er zijn reële bezwaren tegen nog meer windmolens. Afgezien van wat mensen van windmolens vinden, produceren ze ook geluidsoverlast.
Zonne-energie zou verder uitgebreid kunnen worden dan waar nu mee gerekend is. In oktober 2023 is een voorkeursvolgorde voor de opwek van zonne-energie vastgelegd, waarin staat dat landbouwgrond hiervoor pas gebruikt mag worden als er geen andere optie is. Als we wat vooruit lopen op de gevolgen van de stikstofreducering, komt er mogelijk veel landbouwgrond vrij.
In 2023 wordt ongeveer 2,2 miljoen hectare (22 000 km2) gebruikt voor landbouw. Per vierkante kilometer kan er in Nederland 50-100 GWh zonne-energie per jaar opgewekt worden. Stel dat we het tekort van 900 PJ per jaar volledig willen opvangen met zonnepanelen op landbouwgrond, is er 2500-5000 km2 nodig. Dit is in het ongunstige geval minder dan een kwart van de huidige landbouwgrond.
Kernfusie
Er is een mogelijke toekomstige redding in de vorm van kernfusie. Dit is een vorm van kernenergie die grootschalig (enorm understatement) toegepast wordt in sterren zoals onze zon voor miljarden jaren. Hierbij worden lichte elementen, zoals (speciaal) waterstof en helium onder extreme druk en temperatuur samengesmolten tot zwaardere elementen. Hierbij komt enorm veel energie vrij. Er komt ook nog nauwelijks radioactieve straling bij vrij (komt niet verder dan de reactorwand in een kernfusiecentrale) en zelfs in de meest extreme rampscenario's is het zo veilig, dat de reacties onmiddellijk stoppen en het gevaar direct geweken is. Ook zijn de grondstoffen nagenoeg onuitputtelijk op aarde te vinden.
:no_upscale():strip_icc():fill(white):strip_exif()/f/image/WKBbqJ2n4jFvqHXOIxUJ5rfl.jpg?f=user_large)
Er is enkel een groot probleem: wetenschappers zijn al 70 jaar bezig om te bedenken hoe het onder controle te krijgen en er meer energie uit te halen dan erin gestopt wordt. Al 50 jaar wordt gezegd dat het nog zo'n 20 jaar duurt. De meest veelbelovende kernreactor die gebouwd wordt, is ITER. Dit is nog steeds een proefreactor, die enkel als opstap zal dienen naar een mogelijke werkzame kernfusiecentrale die op het elektriciteitsnet aangesloten kan worden.
Dunkelflaute en energiebuffers
De benodigde energie opwekken is maar een deel van de uitdagingen. Het andere deel is het opvangen van de energietekorten en overschotten. Kolen-, gas-, olie- en kerncentrales hebben als groot voordeel dat het opgewekte vermogen heel aardig te reguleren is. Als de vraag naar energie even wat groter is, wordt er meer opgewekt.
Bij zonnepanelen en windmolens werkt dat niet zo. Het is mogelijk ze stil te leggen, maar meer energie laten opwekken, is helaas niet mogelijk. Men spreekt dan van "dunkelflaute": een periode waarin er geen energie opgewekt wordt met zonnepanelen en windmolens.
Dit betekent dat er energie opgeslagen moet worden bij een overschot, zodat er energie genoeg is voor een later moment als er juist te weinig energie opgewekt wordt, om aan de vraag te voldoen. Dit is een energiebuffer. De grootte hiervan bepalen, is niet eenvoudig, maar het KNMI spreekt van een maximale energiebuffer die overeenkomt met het energiegebruik in 8 dagen.
:no_upscale():strip_icc():fill(white):strip_exif()/f/image/xBJeoxvEuwPV5SlGFa2KYYC2.jpg?f=user_large)
Accu's
Met een energievraag van 3600 PJ per jaar, levert een dunkelflaute van 8 dagen waarin nauwelijks zonne- en windenergie wordt opgewekt, al een tekort op van ongeveer 80 PJ. Deze hoeveelheid is niet met accu's op te vangen. We hebben dan het equivalent van meer dan 220 miljoen Tesla's met het grootste accupakket (100 kWh) nodig. Momenteel heeft het grootste accupark ter wereld een capaciteit van 3 GWh, wat overeenkomt met ongeveer 0,011 PJ.
Waterstof
Met het opslaan van 80 PJ in groene waterstof (elektrisch opgewekte waterstof) is een gastank van 14 miljoen m3 nodig onder een druk van 700 bar. Dat is een bol net zo hoog als de Eiffeltoren. In de praktijk is bijna het dubbele nodig, omdat de omzetting van waterstof naar elektrische energie met een rendement gaat van 50-70%. Het maken van groene waterstof van water en elektrische energie gaat met een rendement van ongeveer 70-75%, wat inclusief het opwarmen van het benodigde water is. Voor het comprimeren van waterstof tot een druk van 700 bar gaat er nog ongeveer 10% energie verloren.
Het totale proces van omzetten naar waterstof en weer terug naar elektrische energie gaat met een rendement van 32-48% als er geen waterstof verloren gaat. Helaas gaat er ook wat waterstof verloren, omdat waterstof een enorm vluchtig gas is en zelfs door de wanden van een vat kan weglekken. Ironisch is dat waterstofgas 11,6 maal zo potent is als broeikasgas als CO2. Het betekent dat, wanneer waterstof als buffer gebruikt gaat worden, er 150-200 PJ opgevangen moet worden.
Met electrolysers wordt op een duurzame manier waterstof gemaakt. Voor 2030 is het doel gesteld om 80 GW aan electrolysers te plaatsen. Om in een maand tijd een waterstofbuffer voor 8 dagen energie op te wekken, is een totaal vermogen van 90 GW nodig. Dit is bovenop de basisbehoefte aan waterstof voor de industrie en zwaar transport. Dus er zijn in 2050 veel meer electrolysers nodig dan de huidige geplande voor 2030. Het vermogen van 90 GW moet ook duurzaam opgewekt worden, maar dat is al meer dan de capaciteit van alle windmolenparken op zee die gepland zijn voor 2050. Uit de eerdere berekening is gekomen, dat er eigenlijk geen mogelijkheid is om nog meer windmolens en zonnepanelen te plaatsen. De enige manier om deze energie op te wekken is met kernenergie. Als we uitgaan van 200 PJ, dan kunnen de momenteel 4 geplande kerncentrales enkel gebruikt worden om waterstofbuffers te maken.
Waterkracht
Grootschalig en efficiënt energie opslaan kan gedaan worden met een "pompcentrale". Met een pompcentrale wordt water omhoog gepompt als er een energieoverschot is. Bij een tekort gaat het water weer naar beneden en wekt het elektrische energie op zoals een dynamo. Dit is niet alleen zeer eenvoudig in theorie, maar wordt ook al meer dan een eeuw in de praktijk toegepast. Het is een bewezen systeem met een totale efficiëntie van ongeveer 85%.
Omdat er in Nederland weinig hoogteverschillen zijn en ook onze oude mijnschachten verre van groot genoeg zijn om aan onze energievraag te voldoen, is de oplossing op zee te vinden.
Als er met dijken op de Noordzee (ongeveer 58 500 km2) een oppervlak van 5000 km2 wordt afgesloten (er is in Nederland ruim 7000 km2 drooggelegd) en we laten het water hierin 40 m stijgen en weer dalen, dan heeft dit een totale energiebuffer van bijna 20 PJ. Dat is dus genoeg energie voor 2 dagen. Nog verder opschalen kan in theorie, maar in de praktijk is dat lastiger. Grote delen van de Nederlandse Noordzee zijn niet bruikbaar als pompcentrale, omdat het er niet diep genoeg is, of het gaat om beschermde natuurgebieden.
:no_upscale():strip_icc():fill(white):strip_exif()/f/image/l68dCnPaPWufZAHookadomK5.jpg?f=user_large)
Gesmolten zout
Mogelijk de beste grootschalige buffer is het smelten van zout en verwarmen tot een temperatuur tegen 600 °C. Wanneer er een tekort aan energie is, kun je dit af laten koelen en de vrijgekomen warmte gebruiken om stoomturbines aan te drijven. Dit werkt in essentie niet anders dan een conventionele energiecentrale (fossiel of nucleair).
Met goede isolatie is het mogelijk een week lang de warmte in het zout op te slaan, zonder al teveel warmteverlies. Het meest geschikte zoutmengsel is een combinatie van natriumnitraat en kaliumnitraat in een 60:40 verhouding. Deze zouten zijn stabiel, zeer makkelijk en goedkoop te verkrijgen en relatief veilig (in geval van een lek). Ook is het mengsel in gesmolten toestand niet zo viskeus, wat het rondpompen makkelijker maakt en minder energie kost. Voor de productie van kunstmest worden deze zouten al veelvuldig gebruikt. Ter referentie: Nederland exporteert ongeveer 8 miljoen ton kunstmest per jaar.
Een totale hoeveelheid van 6,7 miljoen ton gesmolten zout is al genoeg om 70 PJ energie te bufferen. Dit past in een silo van 110 meter hoog en een diameter van 200 meter. Uiteraard moet dit niet in 1 silo opgeslagen te worden. Beter is het ook om vele kleinere silo's over het land te verspreiden en zo ook dichterbij de gebruikers te staan. De levensduur van huidige installaties is 30-50 jaar. Na deze periode zijn de zouten nog te hergebruiken voor bijvoorbeeld kunstmest.
Energiebuffers op verschillende niveaus
Naast enorme buffers die langdurige tekorten of overschotten kunnen opvangen, zijn er ook buffers nodig die tijdelijke pieken en dalen op de energienetwerken kunnen opvangen. Er zijn buffers op landelijk, regionaal en lokaal niveau nodig. Ik bespreek een aantal buffers die nodig zijn voor een stabiele energievoorziening over verschillende tijdspannen.
De eerder genoemde buffers zijn vooral bedoeld voor langere termijn, dus over meerdere dagen of zelfs weken. Deze zijn nodig om het wisselende aanbod van energie op te vangen. De vraag naar energie is meestal zelfs op uurniveau wisselend. Denk daarbij aan het moment dat mensen tussen 17 uur en 19 uur thuiskomen, de elektrische auto aan de lader hangen, de verwarming aanzetten en gaan koken. Dat zorgt voor grote pieken die de energievraag niet alleen veel groter maakt dan het aanbod, maar (daardoor) ook veel duurder.
Thuisaccu
Als alles in huishoudens op elektriciteit werkt; verlichting, (inductie)kookplaat, auto, warmtepomp voor de verwarming, boiler voor warm water, etc. dan is het meest logische om ook elektrische energie op te slaan in een accu. Separate thuisaccu's van bijvoorbeeld 20 kWh bevatten genoeg energie om een elektrisch huishouden een hele dag op te laten werken, afgezien van het opladen van de auto.
Wat nog interessanter is, is juist die elektrische auto. Momenteel wordt deze vaak nog gezien als de veroorzaker van de problemen op het elektriciteitsnetwerk. Met de mogelijkheid van "vehicle to grid" (v2g) kan een elektrische auto ook stroom terugleveren aan het net. De auto hoeft feitelijk maar een klein deel van zijn accucapaciteit beschikbaar te stellen om een heel huis op te warmen. Met voldoende elektrische auto's kan een hele wijk makkelijk de pieken en dalen in het netwerk opvangen. Het opladen van de elektrische auto wordt dan even uitgesteld tot een gunstiger moment, wanneer er juist meer elektrische energie wordt opgewekt dan gebruikt. Dit wordt ook "Slim laden" genoemd. Iets wat momenteel al op kleinere schaal gebruikt wordt door eigenaren van elektrische auto's. Denk bijvoorbeeld aan thuiswerkers met zonnepanelen op het dak die overdag de auto opladen. Maar ook op het werk is dit prima te doen.
Niet alleen huishoudens, maar ook het mkb (midden- en kleinbedrijf) kan perfect gebruikmaken van accu's en elektrische voertuigen om de pieken en dalen op te vangen gedurende een dag. In de toekomst zullen de meeste bedrijven zonnepanelen op hun dak plaatsen en ook meer met een lokale windmolen werken.
Vliegwiel
Een vliegwiel is niet meer dan een zware cilindervormige schijf die ronddraait op een as. Door middel van een elektromotor wordt met een overschot aan elektrische energie het vliegwiel versneld. Met de cilinder zwevend in een permanent magnetische veld en een bijna vacuüm behuizing kan het vliegwiel nagenoeg wrijvingsloos uren blijven doordraaien. Wanneer er elektrische energie nodig is, gaat de elektromotor als dynamo werken en wordt het vliegwiel vertraagd. Dit proces kan tienduizenden keren worden herhaald en gaat met een totale efficiëntie van bijna 90%.
:fill(white):strip_exif()/f/image/e87Lbzatgfetq3liVZqqud2S.png?f=user_large)
Een vliegwiel is het meest geschikt om kortstondig veel vermogen te leveren en daarna weer langzaam energie op te nemen. Omdat het verlies van energie over tijd (15% per uur) een stuk hoger ligt dan bijvoorbeeld bij een accu (0,16% per dag), is een vliegwiel minder geschikt om zonne- en windenergie gedurende een dag op te slaan. Wel is een vliegwiel geschikt om het starten van zware machines en het wegrijden van treinen mogelijk te maken. Of juist bij zonne- of windparken te plaatsen als de zon ineens doorbreekt of als het plotseling harder gaat waaien. Dit vermijdt een piekbelasting van megawatts op het net, waardoor de kosten van de aansluiting veel lager liggen en er ook minder problemen zijn om de netspanning stabiel te houden tijdens deze pieken.
Combinaties
In de praktijk zullen combinaties van verschillende energiebronnen en buffers dichtbij elkaar geplaatst worden. Windmolenparken en drijvende zonnepanelen op zee tussen dijken vol gigantische waterpompen. Aan de rand van zo'n energie-eiland komen de elektriciteitsdraden samen bij grote silo's met gesmolten zout. Het geheel zorgt dat het vaste land continu van de benodigde energie kan worden voorzien.
Op regionaal of stedelijk niveau kunnen kleine windmolenparken aangevuld worden met vliegwielen en gigantische accu's die rimpels uit de energiestroom halen. Speciale windmolenparken (op land en op zee) maken alleen maar waterstof met elektrolysers. Waterstof is vooral nodig voor de industrie; de chemische industrie voor de synthese van stoffen, de staalindustrie om ijzer te smelten, etc.
In woonwijken en binnensteden worden zonnepanelen, zonneboilers, thuisaccu's en elektrische auto's in microgrids geplaatst. Er is dan minder netwerkcapaciteit nodig om alle woningen van externe stroom te voorzien. Ze zijn bijna zelfvoorzienend.
Transport
Persoonlijk dagelijks gemotoriseerd vervoer zal in de komende 10-15 jaar volledig elektrisch worden. Denk hierbij aan auto's, scooters, bussen, trams, treinen; een deel hiervan is momenteel al 100% elektrisch en werkt zelfs al op duurzame opgewekte elektriciteit.
Vrachtwagens die soms duizenden kilometers moeten rijden, zijn anno 2024 nog niet elektrisch, al komt daar wel snel verandering in. Vrachtwagens en busjes die vooral in en tussen steden rijden, zien we wel al steeds meer in volledig elektrische variant.
Waar de uitdaging echt ligt, is bij vrachtschepen en vliegtuigen. Vrachtschepen zijn enorm groot en zwaar. Door accu's te gebruiken, worden ze nog groter en zwaarder of ze verliezen veel laadruimte. Vliegtuigen moeten licht zijn, anders stijgen ze niet op.
Een gesmoltenzoutreactor (MSR) kan een oplossing bieden voor grote vrachtschepen. Dit zijn kleine kernreactors die werken met een gesmolten zout waarin splijtstoffen zoals Uranium of Thorium bevinden. Ze zijn kleiner dan normale kernreactors en ook veiliger, omdat ze onder een lagere druk werken. Minder high-tech, maar juist old-skool is de inzet van grote zeilen op de vrachtschepen. Iets wat ons eeuwen geleden wereldwijd de oceanen liet trotseren, werkt natuurlijk nog steeds. En misschien duurt het dan wat langer om een boot van China naar Europa te krijgen, maar niet alles hoeft snel geleverd te worden. De trein kan ook meer ingezet gaan worden voor transcontinentaal goederentransport. Er gaan veel minder containers op een trein dan op een containerschip, maar je kunt veel meer treinen relatief kort achter elkaar laten rijden. Het gaat ook nog een stuk sneller dan een schip.
Vliegtuigen kunnen op waterstof of synthetische kerosine werken, maar de productie daarvan gebruikt enorm veel energie en is ook heel prijzig. Vliegtuigmaatschappijen maken graag reclame met SAF (Sustainable Aviation Fuel). Deze brandstof kan gemaakt worden van landbouwafval, frituurolie, of zelfs door CO2 en waterstof samen te voegen tot kerosine (dit is bijna het omgekeerde van de verbranding van kerosine en kost veel energie). De prijs kan nog wat zakken als er meer wordt geproduceerd, maar energie is, zoals we eerder hebben gezien, iets wat niet in overvloed aanwezig is. Beter is het om vooral korte vluchten te vervangen door hoge snelheids- en/of nachttreinen. De korte vluchten verbruiken ook verhoudingsgewijs veel kerosine, omdat met name het opstijgen veel energie kost. Eenmaal op hoogte verbruikt een vliegtuig weinig energie.
Verwarming
Decennialang heeft Nederland zijn aardgasbel in Groningen gebruikt om huishoudens, kantoren, scholen, bedrijven, etc. te verwarmen. Aardgas verbranden om warmte te creëren is behoorlijk efficiënt, vooral met hoogrendementsketels die een rendement halen van 97%. Theoretisch is de rendementslimiet van een energie-omzetting 100%. Je kunt immers ergens niet meer energie uithalen dan je erin stopt. Toch is het mogelijk dat een warmtepomp een rendement haalt van 400% tot 600%.
Een warmtepomp haalt namelijk warmte van buiten naar binnen, zelfs als het buiten kouder is dan binnen. Bij dit proces gebruikt de warmtepomp minder energie dan er warmte (ook een vorm van energie) naar binnen gepompt wordt. Het is feitelijk het omgekeerde van wat een airco doet. In de praktijk zie je dan ook vaak een combinatie van een airco en een waterpomp in één.
:no_upscale():strip_icc():fill(white):strip_exif()/f/image/sfU4GXA2avyd5aTPfKlFUerG.jpg?f=user_large)
Een warmtepomp lijkt dus perfect als vervanging van een normale cv-installatie: het is volledig elektrisch en je hebt veel minder energie nodig om dezelfde kamertemperatuur te bereiken. Het lastige is dat veel huizen niet zo goed geïsoleerd zijn, mede omdat veel aardgasgestookte ketels een vermogen hebben van 18 tot 24kW voor een eengezinswoning. Warmtepompen hebben een veel kleiner vermogen, dat vooral in de winter te laag is om een slecht geïsoleerd huis goed op te warmen.
Dus niet alleen moeten bestaande cv-installaties vervangen worden, ook moet de isolatie in orde zijn voor een warmtepomp.
Om uiteindelijk toch energiezuiniger te leven dan we nu doen, is het belangrijk dat we ook niet teveel de airco-functionaliteit gebruiken. Dit zorgt op dit moment in veel steden over de wereld, waar al jaren veel airco's gebruikt worden, voor een lokale temperatuurstijging van 3-5 °C tijdens de zomermaanden.
Hoe ziet Nederland er in 2050 uit
Er moet veel gebeuren om in 2050 netto geen CO2-uitstoot te produceren. Het Nederlandse landschap zal totaal veranderen. Koeien in de wei worden vervangen door zonnevelden en windmolenparken. De rode dakpannen op rijtjeshuizen zullen door alle zonnepanelen bijna onzichtbaar worden. De Noordzee zal enorme windmolenparken krijgen met daartussen vaarroutes, beschermde natuurgebieden en pompcentrales. Naast windparken en zonnevelden staan gesmolten zoutinstallaties, om de opgewekte energie op te slaan voor periodes dat de wind minder waait en/of de zon niet schijnt. Rokende en dampende schoorstenen zijn verleden tijd door de warmtepompen die overal geplaatst zijn. Ons vervoer is bijna volledig elektrisch. Enkel vliegtuigen en grote containerschepen zullen zich op een andere manier duurzaam voortbewegen. En heel misschien staat er ergens in Nederland een kernfusiecentrale.
Sony A7R III | Sigma MC-11 | Sigma 50mm f/1.4 Art | Sigma 135mm f/1.8 Art
Zeiss 21mm f/2.8 | Minolta Rokkor 58mm f/1.2 | Godox V860II