Elektriciteit

vr 4 jan
Geschreven door: Wij Maken Nederland

De elektriciteitsproductie van ons land wordt nu grotendeels geleverd door grote stoomturbines waarin hete stoom onder hoge druk doorheen wordt geleid en die de turbine in beweging brengt. De stoom in deze thermische centrales wordt nu geleverd door verbranden van kolen, gas of biomassa of voor een klein deel, het splijten van Uranium. Er zijn twee duurzame energievormen die eveneens stoom opleveren en via turbines stroom opwekken CSP en diepe geothermie. In Concentrated Solar Power installaties worden de zonnestralen geconcentreerd in parabolische reflecterende pijpen en wordt daarmee vloeistof opgewarmd waarmee weer stoom wordt opgewekt. In het brandpunt van een dergelijke installatie kunnen temperaturen van zo’n 10.000 oC worden bereikt. Een nieuwe doorbraak is het gebruiken van vloeibaar silicaat die door zijn enorme warmtecapaciteit ook opslagmedium is en er dus dag en nacht stroom geproduceerd kan worden. Deze techniek is voor onze noorderbreedte en de slechte zon-zekerheid niet toepasbaar. Dan moeten we ook nog ingaan op de mogelijke rol van geothermie. Hydrothermale stroomopwekking is in principe mogelijk met water vanaf 150 oC . Vooralsnog is stroomopwekking uit aardwarmte alleen economisch realiseerbaar in vindplaatsen waar relatief dicht aan het oppervlak hoge temperaturen zijn, zoals in IJsland. Deze ‘warmte anomalieën’ komen voort uit tektonische en vulkanische activiteit, Er is een nieuw en kansrijk procedé (ORC) waarmee al met water van ca 80 oC elektriciteit kan worden opgewekt.

Verbranding zal dus langzamerhand stappen terug doen ten opzichte van stromingsbronnen, zon, wind, waterkracht, geothermie, golf- en getijde-energie38. Innovaties en de schaal en hun interactie – de mission driven innovation – zorgen voor een spectaculaire prijsdalingen van de kWh prijzen.

Verbranding zal dus langzamerhand stappen terug doen ten opzichte van stromingsbronnen, zon, wind, waterkracht, geothermie, golf- en getijde-energie39. Kijken we naar de potentiekaarten voor stromingsbronnen in Europa40 dan is duidelijk dat we het in onze regio in de transitie vooral van windenergie en geothermie moeten hebben op enige afstand gevolgd door zonne-energie. Voor alle stromingsbronnen geldt dat ze decentraal energie ‘oogsten’ en dat de onttrekkingsruimte waar deze energie geoogst wordt dientengevolge grote oppervlakten beslaat De ruimtelijke impact is dus grotendeels afhankelijk van de mogelijkheden deze nieuwe infrastructuur te mengen en te combineren met bestaande vormen van ruimtegebruik. Voor de bewoners en gebruikers van die ruimte is het wel wennen: elektriciteitsopwekking was vroeger een rookpluim aan de horizon en zal nu overal zijn stempel drukken. De weerstand tegen dit veranderingsproces in het (stad)landschap is soms groot.

 

1. Wind

Met behulp van windmolens is de bewegingsenergie van lucht om te zetten in mechanische arbeid of in elektriciteit. De oude koren- en poldermolens deden het eerste, de huidige generatie windturbines doet het laatste. Windturbines zijn in de loop der tijd behoorlijk gegroeid. De beroemde windmolens van Kinderdijk hebben een spanwijdte (vlucht) van minder dan 30 meter, terwijl de rotordiameter van veel moderne windturbines 100 meter of meer bedraagt. De as-hoogte kan oplopen tot 135 meter en de tiphoogte tot zelfs 200 meter.

Bij windenergie stammen de zorgen over de ruimtelijke impact eigenlijk al van het begin van het nieuwe windtijdperk, vanaf het moment dat, eind jaren 70, de eerste boeren een 10 kW twee-wieker van Lagerwey bij de boerderij plaatsen, klinken er meteen bezorgde geluiden over ‘horizonvervuiling’41. De discussie is niet verflauwd nu deze, in moderne ogen piepkleine, molens snel zijn geëvolueerd van windmolens tot windturbines tot elektriciteitscentrales met een vermogen van tussen de 2,5 en 5 MW. De groei van de turbines wordt verklaard door een blik op de formule voor opbrengst van windenergie (1/2 . ρ . v3 . A . c . t) laat zien dat de windsnelheid v, er tot de derde macht in zit, en hoe hoger in de lucht , hoe harder (en constanter) het waait. ‘A’ staat in de formule voor de oppervlakte van de rotor (πr2) dus de rotor diameter telt kwadratisch mee. Op een gegeven moment zal er wel een soort optimum worden bereikt wanneer je de opbrengst afzet tegen de bouwkosten. Maar de turbines groeien nog steeds. De visuele impact van windenergie is daardoor groot.

Een paar kengetallen. Voor het voorzien van 1 miljoen huishoudens van elektriciteit (3.397 GWh) ‘volstaat’ een opstelling van drie rijen van grote turbines (5MW) langs de rand van de Wieringermeer42 . Bij windenergie is de verhouding tussen de feitelijke oppervlakte en de ‘onttrekkingsruimte’ het meest spectaculair. Voor het voorzien in 3.397 GWh is slechts zo’n 16 ha direct ruimtebeslag voor de turbinevoeten, nog eens 72 ha voor de ontsluitingsweggetjes maar is de onttrekkingsruimte zo’n 23.600 hectare (zie tabel 1). Windturbines zijn relatief makkelijk en snel te ontmantelen. Een belangrijk gegeven voor iedere vorm van energieopwekking is de energie die je moet investeren om energie te produceren. Dit wordt uitgedrukt in een verhoudingsgetal ENROI. Bij windenergie is dat, afhankelijk van de locatie, tussen de 16-18, d.w.z. je moet 1MW investeren om 16(-18) MW op te wekken. Windenergie heeft verder een redelijke tolerantie voor andere vormen van ruimtegebruik.

Ook met de windenergie doen zich spectaculaire prijs-ontwikkelingen voor. Het Deense Dong Energy gaat het windpark Borssele voor de Zeeuwse kust aanleggen. Van de 38 partijen die meededen aan de aanbesteding voor het grootste windpark van Europa kwam het Deense bedrijf met de laagste prijs voor de aanleg en exploitatie. Daardoor wordt Borssele naar verwachting voor € 2,7 miljard (!) minder subsidie gebouwd dan waarmee eerder rekening werd gehouden. Een kWh prijs €0,09, inclusief aansluitkosten door de netbeheerder, bleek mogelijk.

De ruimtelijke impact wordt vooral veroorzaakt door effecten als geluid van de turbinebladen (swoesj) en stroboscopisch effect (flak-flak-flak) op zonnige dagen. Daarom worden er strikte regels gesteld aan nabijheid van (geconcentreerde) bebouwing. Aan deze bezwaren wordt in de inspraak nog wel toegevoegd dat de onroerendgoedprijzen in de omgeving zouden dalen. Als dit al zo is dan kan daarop worden geantwoord dat er waarschijnlijk nog zoveel windturbines zullen worden toegevoegd dat alle onroerendgoedprijzen in het gehele land op democratische wijze mee zullen zakken. Maar al met al is windenergie een hoofdpijn-dossier voor lokale bestuurders. Het is een eindeloze zoektocht naar flinterdun draagvlak in lege gebieden, restruimtes en ruimtelijke overhoekjes waar de minste tegenstand te verwachten is. Ongeveer het tegendeel van een zelfbewuste koers voor 21ste eeuwse energielandschappen. Dat is makkelijk gezegd natuurlijk. De besluitvorming rond energie-transitie projecten is voor een bestuurder te vergelijken met een zware bergetappe in de Tour. Cols van de eerste en tweede categorie gevolgd door een finish op een berg van de buitencategorie. Het ene project is nog net afgerond of het volgende dient zich alweer aan. Er zijn een aantal manieren om hier een wat meer positieve wending aan te geven:

  • Laat lokale gemeenschappen mee profiteren van een project door bijvoorbeeld een lagere energierekening. Of mee-investeren via aandelen of obligatieleningen. Het Nederlandse beleid is zeer top down gestructureerd waardoor je een discussie krijgt van ‘jullie hebben die molens daar neergezet en wij zitten met de gebakken peren’ terwijl het Duitse voorbeeld laat zien dat lokale betrokkenheid een gevoel geeft van ‘de turbines draaien voor ons’;
  • Zwak de NIMBY- reacties af en ontkracht ook de daaruit volgende ‘elders-planologie’ door de context te geven dat de meeste windenergie op de Noordzee terecht komt. En dat zelfs bij een zeer grootschalige uitrol door alle Noordzeelanden, door 25.000 turbines van 10MW die in 2050 1.200 TWh/j produceren, en zelfs als we een energiebesparing van 30% tot 2050 zouden halen er toch nog steeds een forse taakstelling op land overblijft van 1.400 TWh/j voor de Noordzee landen door warmte, zon, biomassa maar ook door windprojecten43.
  • Laat stad en ommeland niet tegen elkaar uitspelen. Het landelijk gebied kan zich er niet makkelijk van af maken door triomfantelijk te stoppen bij 100% zelfvoorzienend – er is meer nodig – en het stedelijk gebied kan zich niet verschuilen achter het woud van regeltjes en voorschriften die voor hele andere situaties bedoeld zijn maar in stelling worden gebracht als obstakel in het plaatsten van wind projecten. Daar zal met een stofkam doorheen moeten worden gegaan.
  • Baat maximaal uit dat een turbinepark met andere vormen van grondgebruik combineerbaar is. Kijk in het voortraject naar bondgenoten met flinke grondeigendommen. Niet alleen naar agrarisch gebruik maar ook natuur NGO’s en particuliere boseigenaren bijvoorbeeld en maak onverwachte combinaties: Stichting wind in bos.
  • Laat zien dat het meer omvat dan een palenplan super-poneren over een landschap. Maak van de gehele zoektocht een ontwerpexercitie44 en denk na over het onderscheid tussen concentratiegebieden en (nationale of regionale) vides waar je geen turbines ziet. Maak ook op projectniveau zien dat ook het ontvangende landschap mee ontworpen kan worden45.
  • Adresseer de angsten en ongerustheden serieus en wees er wel van bewust dat die niet alleen met horizonvervuiling of hinder van het onderhavige project van doen hebben maar vaak gelaagd zijn en dieper gaan en er verschillende vormen van ‘gewenning’ kan optreden46.

 

2. Innovatiepaden wind

De stap voor stap innovaties van de afgelopen decennia hebben voor een deel te maken gehad met verbeteringen onder de ‘motorkap’. Het elimineren van onnodige wrijving in de overbrengingen en het minder complex maken van de tandwieloverbrengingen hebben een grote mechanische efficiency verbetering gebracht. Specialisatie in de vormgeving van turbine bladen: bredere bladen en kleinere generatoren bij laag windaanbod en smallere bladen en grote generatoren bij hoog windbod bijvoorbeeld. Ook het onderhoudsregime is – learning-by-doing – geoptimaliseerd, tot een 98% bedrijfszekerheid. In de offshore was de Ampelmann die een stabiele loopbrug kan maken vanaf een stampend en rollend schip naar de turbinevoet de doorbraak die onderhoud op zee gemakkelijker maakte. Technische innovaties zijn nu te verwachten naar drijvende turbines die ook in (veel) dieper water kunnen worden geplaatst. Innovaties zullen zich ook richten te maken met het oplossen van de bouwkundige problemen die beginnen op te treden boven de 10 MW. De bijbehorende enorme lengte van de turbine bladen – die letterlijk weer en wind van extreme situaties moeten weerstaan – leiden tot een dimensionering die uiteindelijk te zwaar worden. Een doorbraak lijkt te zijn verricht door onderzoek aan de University van Virginia waar het concept van een omgekeerde rotor (dat wil zeggen benedenwinds) verder is doorontwikkeld. In deze constructie – die geïnspireerd is door de veerkracht van palmbomen in een tropische storm – vouwen de bladen samen. Zo kunnen ze ook bij grote rotordoorsnede licht worden uitgevoerd en blijven draaien tijdens een storm. De turbine reageert dus op fluctuaties in windsnelheid. Met deze technologie zou een 50 MW turbine tot de mogelijkheden behoren47. Op grote hoogte wind oogsten door zeppelins, vliegers en andere constructies blijft nog verre toekomstmuziek.

Belangrijke research moet ook gedaan worden op het raakvlak tussen ecologie en windenergie. Voor grootschalige offshore windenergie moet de interactie met het marine ecosysteem onderzocht worden en gezocht worden naar mogelijkheden hoe deze relatie kan worden geoptimaliseerd: toevoegen hard substraat, visserij luwe zones, rekening houden met trekvogels en vleermuizen, et cetera.

 

3. Zon

Er zijn twee veelbelovende manieren om zonne-energie rechtstreeks te oogsten: door haar om te zetten in warmte of in elektriciteit.

De eerste techniek is Concentrated Solar Power (CSP). Hierbij wordt het zonlicht door middel van spiegels en lenzen geconcentreerd op zonnecollectoren. In het brandpunt van de installatie worden temperaturen bereikt tot 10.000 °C. Deze hitte produceert stoom, waarmee een turbine wordt aangedreven. Een nieuwe doorbraak is het gebruiken van vloeibaar silicaat die door zijn enorme warmtecapaciteit ook opslagmedium is en er dus dag en nacht stroom geproduceerd kan worden. Zonnecollectoren die heet water leveren voor huiselijk gebruik behoren in feite tot dezelfde familie.

De tweede techniek is de zonnecel, of fotovoltaïsche cel (PV). Energie ontstaat hier door blootstellen van een halfgeleider aan licht. Door invangen van fotonen komt in atomen opgeslagen energie als elektrische arbeid beschikbaar. De meeste cellen hebben silicium als basismateriaal. De beste cellen halen een rendement van 10 tot 20%, wat ver uitsteekt boven het rendement van de fotosynthese van planten, die 0,5 tot 1% van de zonne-energie omzetten naar biomassa. Zowel de rendementen als de productiekosten zijn volop in ontwikkeling, waardoor decentrale zonne-energie langzaamaan concurrerend wordt.

Een nadeel van zonne-energie is dat er per opgeleverde hoeveelheid energie veel geld en ook veel energie in moet worden geïnvesteerd. Het energierendement (EROEI) is relatief laag maar groeit gestaag. Dat is overigens een steeds minder belangrijk struikelblok voor de grootschalige toepassing van zonne-energie.

Een paar kengetallen: Van de twee genoemde technieken heeft de CSP-centrale een kleiner ruimtebeslag. Om voldoende elektrische energie voor één miljoen huishoudens te leveren (3.387 GWh) heeft de CSP-centrale 339 hectare nodig. Zoals gezegd, dit type installatie is voor onze zonsituatie (nog) niet toepasbaar. Bij de huidige PV-techniek is daarvoor een oppervlakte van ca. 2.350 hectare nodig. Dat kan (deels) op daarvoor geschikte daken worden gerealiseerd en/of in veldopstellingen, de zogenaamde zonneakkers. Er moet in Nederland flink wat zonnestroom worden opgewekt. Van vitaal belang voor de energietransitie naar hernieuwbare bronnen is het verzorgen van een intelligente balanceer-act tussen wind en zon. Dus zelfs als ‘zon’ op onze noorderbreedte niet optimaal kan presteren is het nog van belang dat er in dezelfde regio ruwweg evenveel wind als zonne-energie wordt opgesteld. (Zie ook verderop bij ‘Opslag en transport’)

De prijzen voor zonnepanelen dalen snel. Sommige analisten hebben al de analogie met de ‘Wet van Moore’48 gebruikt voor de snelheid waarmee efficiency van de panelen verbetert en de prijs daalt (75% in 5 jaar) waardoor er weer sprake is van grotere vraag en de gestedegen productie weer innoveert etc. Ramez Naam sprak op grond daarvan de verwachting uit dat voor de beste zonlocaties (Golfstaten, Sahara) in 2030 een prijs verwacht kan worden van $ 0,03/kWh en dan in minder zon-zekere streken (zoals Zuidelijk Europa) tegen die tijd voor $ 0,05 geproduceerd kan worden met overigens de aanname dat tegen die tijd 16% van de wereldvraag naar elektriciteit door zon is gedekt49 . Groot was dan ook de verbazing dat eind vorig jaar een aanbieder, in het hol van de leeuw, Dubai, in een openbare aanbesteding voor de elektriciteitsvoorziening met een zonne-energieproject met € 0,029 kWh, de prijs die pas in 2030 werd verwacht, goedkoper bleek te zijn dan de fossiele concurrenten. Dat soort kWh prijzen gelden weliswaar alleen voor zon-zekere landen en onder bijzondere omstandigheden50 maar toch, het is een indicatie voor de toekomst: hier kan geen andere technologie tegen op. De laagst bekende prijs voor CSP ligt rond de € 0,156/kWh51 in het Noor I en Noor II project in Marokko. Daar is voor deze duurdere technologie gekozen vanwege het dag en nacht kunnen leveren van elektriciteit. En als je de meest kosteneffectieve manier van energieopslag in de prijs meerekent € 0,20-€ 0,30/kWh, is het toch een goede prijs.

In Dubai is een tender uitgeschreven voor een 200 MW CSP installatie als eerste fase van een 1 GW installatie. De kosten zijn hoog omdat het aantal grote CSP projecten in de wereld relatief klein is. Met opschaling en stap-voor-stap technische ontwikkeling worden ook voor deze technologie veel lagere kWh prijzen verwacht.

De prijs voor zonnepanelen maken overigens minder dan de helft uit van de kosten van de installatie als we het tenminste over een veldopstelling hebben. De DC/AC omzetter, de arbeidskosten, glas en aluminium frames, de verbinding naar het net, grondaankoop.

Energiecoöperaties zijn een uitdrukking van een sociaal kantelpunt: burgers willen worden bevrijd uit de pure consumentenrol. Niet iedereen doet mee, maar zij die het wel doen, maken de corporate wereld aardig zenuwachtig. Energiecoöperaties zetten druk op het systeem en kunnen innovatie aanjagen.’52

 

4. Innovatiepaden zon

De innovaties bij zonne-energie zullen vooral betrekking hebben op het langs allerlei wegen verbeteren van het zonnerendement (nu 15%), het omlaag brengen van de productiekosten en het verbeteren van de toepasbaarheid. Vooral stappen worden gemaakt door ook andere kleuren van het lichtspectrum om te zetten in elektriciteit bijvoorbeeld door het opbrengen van een dunne laag molybdeen di-sulfide. Dat is een mes wat aan twee kanten snijdt: een hogere elektriciteitsproductie en koelere werktemperatuur voor de panelen. Niet benut deel van het spectrum wordt omgezet in warmte. Warme panelen werken slechter. (65 oC is 20% minder rendement)

Ook zijn er veelbelovende (laboratorium)proeven met nanotechnologie waar zeer kleine deeltjes op de glasplaat worden gebracht die het licht optimaal verstrooien. Onderzoekers verwachten hiermee een rendement van 70% (!) te kunnen bereiken. Kortom genoeg technologische innovatiemogelijkheden om inderdaad de wet van Moore als goede analogie voor de stormachtige ontwikkeling van zonnepanelen te zien.

Daarnaast zijn er ontwikkelingen die de toepasbaarheid sterk kunnen verhogen. Er zijn al voorbeelden van plastic, flexibele PV cellen, die je zelfs in kleding kunt verwerken. Ook de ontwikkeling van zeer dunne films en zelfs als verf gestreken PV cellen is niet ver weg meer.

Cruciaal voor het verder uitrollen van veldopstellingen in zonneakkers is het ecologische onderzoek. Wat zijn de gevolgen voor het (bodem)leven van het in de structureel in de schaduw zetten van biotopen. Kan er sprake zijn van meervoudig ruimtegebruik door de installaties hoger op te stellen, et cetera

Regelmatig updates ontvangen? Abonneer je op onze nieuwsbrief

0 Reacties

Geschreven door: Wij Maken Nederland
vr 4 jan

Meer inspiratie