ER ZIJN SLECHTS 2 MILIEUPROBLEMEN

In het licht van de zon is ons energieverbruik te verwaarlozen

Prof.dr.ir. Taeke M. de Jong 2001-12-27

Voor een ecoloog bestaan slechts twee milieuproblemen: de bedreiging van menselijke gezondheid en die van mondiale biodiversiteit. Alle andere ‘milieuproblemen’ zijn ecologisch alleen een probleem voor zover zij aan die twee primaire problemen bijdragen. Het ‘opraken’ van grondstoffen is zo bijvoorbeeld meer een industrieel probleem dan een ecologisch probleem. Grondstoffen raken niet op, zij degraderen. Zij kunnen regenereren, zij het met veel energie, bijvoorbeeld zonne-energie. Uitputting van grondstoffen is zo bezien een energieprobleem. De beschikbaarheid van energie kan echter op haar beurt op de lange duur ook geen probleem zijn. In de jaren ’80 werd ik daarvan overtuigd door de perspectieven die prof. Brahms mij omtrent de fusie-energie schetste. In de jaren ’90 leek echter de grootste fusiereactor die wij in de buurt hebben binnen bereik te komen: de zon. Dat werd mij duidelijk toen in 1993 het Worldwatch Institute (Brown, Kane et al. 1993) een grafiek van Paul Maycock, PV Energy Systems als onderstaand publiceerde. Ter oriëntatie heb ik een indicatie van de kostprijs van fossiele brandstoffen toegevoegd.

Afnemende kostprijs van photovoltaische cellen

Inmiddels is de prijs van Photovoltaische cellen het economisch rendement van fossiele brandstoffen zo dicht genaderd, dat aandeelhouders van oliemaatschappijen zich terecht zorgen mogen maken.

Elke middelbare scholier kan uitrekenen dat wij in Nederland inclusief zijn Continentaal Plat gemiddeld ongeveer 100 keer zoveel energie aan zonlicht ontvangen als de hoeveelheid die wij bruto verbruiken (zeg 3 EJ/jaar of 0,1 TW dwz. 1W/m², terwijl wij ongeveer 100 W/m² ontvangen). Energiedeskundigen doen dat soort rekenwerk te weinig omdat het hun brood kost. Ik zal als ecoloog een lekenpoging wagen met ronde getallen, merendeels gebaseerd op de nog altijd niet verouderde (Myers 1985). Ik neem het oppervlak van Nederland aan de ruime kant: 100 000 km², daarvan zijn andere oppervlakken zoals het 40 000km² beschikbare landoppervlak en hun evenredige consekwenties gemakkelijk als percentages af te leiden. Met een rendement van 10% (van de beschikbare 100W/m²) zouden wij ongeveer 10% (10 000 km²) van ons oppervlak nodig hebben om ons huidige energieverbruik te dekken en die komt juist vrij door de verminderende afzet en verhogende produktiviteit van de landbouw (al kunnen we beter de Sahara benutten en waterstof invoeren).

AKZO bouwt nu met Shell een fabriek om kilometers Photovoltaische cellen op folie van de rol te laten komen met een procédé dat volgens TU-deelnemers aan de ontwikkeling[a] al binnen 3 jaar het economisch rendement van fossiele brandstoffen kan passeren.

Op wereldschaal zijn de cijfers nog veelbetekender. Er is ruim 6000 maal zoveel zonnevermogen beschikbaar als het huidige energieverbruik van de hele mensheid. De aarde heeft immers een straal van ruim 6 mln meter (Mm) en dus een doorsnede die zon vangt van ongeveer 127 mln km² (Mm²). De zonneconstante buiten de atmosfeer bedraagt 1353 W/m² (voor Nederland onder gemiddeld 52^o: 833 W/m²). Daarvan wordt 30% teruggekaatst, 21% door de waterkringloop en 2% door wind in beweging omgezet en uiteindelijk in warmte, voordat 47% van de hoogwaardige straling zonder veel vertraging direkt vanaf het aardoppervlak infrarood wordt teruggestraald. Er zou dus ongeveer de helft voor lucratieve vertraging door mensen beschikbaar zijn. Slechts ongeveer 0,02% wordt door andere organismen omgezet in koolhydraten en slechts een klein deel daarvan wordt sinds enkele miljarden jaren in de aarde opgeslagen als fossiele brandstoffen. Dat proces heeft er overigens wel voor gezorgd dat de atmosfeer een voor andere organismen leefbare samenstelling en temperatuur heeft gekregen. Zonder leven zou het op aarde gemiddeld 290^oC inplaats van 13^oC zijn, terwijl er nauwelijk zuurstof en stikstof zou zijn, maar wel een warme deken van 98% koolzuurgas in plaats van de 0,03% nu. Door de opgeborgen koolstof in snel tempo weer tot CO₂ naar de atmosfeer te oxideren brengen we, als de algen van de oceanen ons niet bijhouden, het klimaat van Mars en dus onze warmtedood dichterbij. Bush is ongeveer de laatste die dat nog niet begrijpt.

Ingestraald vermogen
		Aarde		Nederland
straal	Mm	6
doorsnede	Mm²	127
oppervlak	Mm²	509	0,10	0,02%

zonneconstante	TW/Mm²	1353	832,99	61,57%[b]
zoninstraling	TW	172259	33,83	0,02%
waarvan beschikbaar
zon 47%, 100W/m2	TW	80962	10,00[c]	0,01%
wind 2%	TW	3445	0,68	0,02%
fotosynthese 0,02%	TW	34	0,01	0,02%

Ons huidige energieverbruik valt in het niet bij de beschikbare zonne-energie.Tegen deze achtergrond en die van de grafiek van Maycock doen de inspanning om wind te vangen en het pleidooi om biomassa te gebruiken vreemd aan. De berekeningen van de ecologische footprint door ons energieverbruik te vertalen in de oppervlakte die noodzakelijk is ons energieverbruik uit biomassa te winnen, vind ik ecologisch verwerpelijk. Grote oppervlakken monocultures voor energievoorziening zoals productiebossen of voederbieten (rendement 2%) zijn ecologisch een ramp.

Energieverbruik[d]
		Aarde	Nederland
kolen	TW	3	0,02	0,45%
olie	TW	4	0,03	0,77%
gas	TW	2	0,05	2,14%
electriciteit	TW	2	zie fossiel
traditioneel	TW	1
totaal	TW	13	0,10	0,73%

Voor een eerste gevoel van verhoudingen, zonder acht te slaan op rendementsverliezen, zou de ecologische footprint van Nederland op grond van fotosynthese dus 10 bedragen, maar berekend naar beschikbare wind 1/7 en naar zon 1/100. Over de rendementen die deze factoren nog aanzienlijk veranderen, zullen we ons hierna zorgen maken.

Om de bekende voorraden fossiele brandstoffen te vergelijken met deze vermogens in terawatt, kunnen ze worden uitgedrukt in het vermogen dat vrijkomt wanneer we ze in één jaar (a = annum) zouden verbranden:

Voorraad
		Aarde	Nederland
kolen	TWa	1137	0,65	0,06%
olie	TWa	169	0,03	0,02%
gas	TWa	133	1,60	1,20%
totaal	TWa	1439	2,28	0,16%

Onze wereldgemeenschap kan dus bij het bovenstaande energieverbruik blijkens de onderste regel met deze voorraden nog ruim 100 jaar vooruit. De ecologische consekwentie is echter het voortduren van het massaal uitsterven van soorten die de klimaatveranderingen niet kunnen bijhouden omdat zij niet tijdig met het klimaat meeverhuizen in de poolrichting, terwijl andere ‘van de aarde afvallen’.

Het energieverbruik van Nederland nadert 0,1 TW ofwel 100 000 MW (CBS 2001)[e].

De ontwikkeling van het Nederlandse energiegebruik 1988-1998

De ecologische footprint van dit energieverbruik op grond van bijna 7 maal meer beschikbare wind leek gunstig, maar het is de hoogste tijd nader te bekijken hoe bruikbaar de minstens 680 000 MW (0,68 TW) die over ons land waait eigenlijk is. De energie uit wind kan principieel niet voor 100% benut worden: in dat geval zou de lucht achter de windturbines immers stilstaan. Tenminste 60% moet beschikbaar zijn om de lucht achter de turbine snel genoeg af te voeren: het technische rendement (R1) is zo maximaal 40% en in de praktijk 20%. Er zijn echter nog andere reducties. Zij brengen de beschikbare windenergie boven Nederland samen met een factor 0,03 terug tot hoogstens 1/10 van het huidige verbruik. Als men de Nederlandse kust van Vlaanderen tot de Dollard zou volzetten met een scherm van turbines en daarachter opnieuw enzovoort tot in Zuid Limburg, dan zou men deze schermen toch maar voor 80% kunnen vullen met rotoren (R2). Als men de rotoren vervolgens niet op enige afstand van elkaar zet (R3), ontstaan wervelingen die de wind een hogere route doen kiezen. Dat doet de wind boven een ruwer wordend landschap toch wel, zodat men achter de windturbine tot het volgende scherm in verhouding tot de gekozen hoogte enige afstand moet houden (R4). Hoe hoger de windturbine, deste hoger ook de energie-opbrengst, maar men zal niet overal zulke hoge torens dulden (R5). Gelukkig kan men dat horizontaal enigszins compenseren (R6), al zijn ook daar bezwaren tegen (R7) die wij hier laten voor wat ze zijn omdat ze moeilijker zijn in te schatten.

Reducties op het theoretisch windpotentieel.
R1 technisch rendement	0,20	R5 vertikale beperking	0,30
R2 vullingsreductie	0,80	R6 horizontale compensatie	2,50
R3 afstand	0,25	R7 horizontale beperking	P.M.
R4 afstand windrichting	0,85	PRODUKT TOTAAL	0,03

Hierdoor blijkt de ecologische footprint op basis van wind niet 1/7, maar minstens 5.

Voor de reducties bij zonne-energie kan voor vergelijking worden uitgegaan van 10% technisch rendement, er zijn geen andere locatiegebonden reducties zoals bij wind. De ecologische footprint op grond van zonne-energie is daarmee ook 10%. In beide gevallen komen daar nog wel rendementsverliezen bij als gevolg van opslag, transformatie en transport, maar deze zijn voor beide gelijk in het perspectief van een all-electric society. De ecologische footprint op grond van biomassa hangt af van de locatiegebonden bodemgesteldheid en de rendementsverliezen van transformatie, bijvoorbeeld naar electriciteit. Het zonnerendement van voederbieten haalt op het droge grondgebied van Nederland de 2%, maar wereldwijd is het bruto rendement van fotosynthese ongeveer 0,02%. We gaan voor Nederland inclusief Continentaal Plat gemakshalve optimistisch uit van 1%.

Vergelijking Wind, zon en biomassa
			W/m²
afgerond totaal Nederlands verbruik	100000	MW	1,00
afgerond gebruik electrisch	10000	MW	0,10

WIND
over Nederland waait minstens	680000	MW	6,80
na reductie met 0,03	17340	MW	0,17
benodigd oppervlak	577%

ZON
op Nederland valt	10000000	MW	100
na reductie	1000000	MW	10
benodigd oppervlak	10%

BIOMASSA
op Nederland valt	10000000	MW	100
na reductie	100000	MW	1
benodigd oppervlak	100%

Wat kost ons dat? In onderstaande tabel is voor de drie alternatieven alleen de benodigde oppervlakte weergegeven. Voor de steenkool, uranium en zwaar waterstof zijn de milieukosten berekend (Jong, Moens et al. 1996), de benodigde oppervlakte is verwaarloosbaar. De milieukosten van zon, wind en water zijn nog niet stabiel. De (milieu)kosten van nieuwe technologie zijn in het begin altijd hoger dan later.

	totaal		per inw.
Huidig verbruik Nederland	95890	MW	5993	W
op te wekken met
zon (photovoltaisch)	10	x 1000 km2	0,06	ha
wind	564	x 1000 km2	3,53	ha
biomassa	96	x 1000 km2	0,60	ha
oppervlakte Nederland inclusief Continentaal Plat	100	x 1000 km2	0,63	ha

Huidig gebruik electrisch	10432	MW	652	W
restwarmte	26080	MW	1630	W
op te wekken met
steenkool	20864	mln kg steenkool	1304	kg steenkool
afval	62592	mln kg CO2	3912	kg CO2
afval	835	mln kg SO2	52	kg SO2
afval	209	mln kg NOx	13	kg NOx
afval	1043	mln kg as	65	kg as
uranium	8346	kg uranium	0,001	kg uranium
afval	3452992	kg radio-actief	0,216	kg radio-actief
zwaar waterstof (fusie)	10432	kg z.waterstof	0,001	kg z.waterstof
afval	10432	kg helium	0,001	kg helium

De milieukosten van olie en gas zijn lager dan die van kolen, maar op het vlak van CO2-produktie vergelijkbaar: ons totale verbruik is nu ongeveer 30kg per persoon per dag!

Het is duidelijk dat we van het gebruik van fossiele brandstoffen af moeten.

De ontwikkeling van de bijdrage van ‘duurzame’ bronnen

tussen 1990 en 1999 (CBS 2001)

Al is de bijdrage van niet-fossiele bronnen aanzienlijk gestegen, het is nog geen 1000 van de jaarlijks verbruikte 100 000 MW. De groei van 0,5% naar 0,8% is voornamelijk te danken aan afval, waaronder biomassa, dat anders onbenut blijft.

De groei van de bijdrage van wind, warmtepompen en zon daaraan is op zichzelf indrukwekkend, maar de bijdrage zelf is ondanks alle subsidies nog geen promille van het totale energieverbruik.

De bijdrage van wind, zon en wamtepompen

tussen 1990 en 1999 (CBS 2001)

Waarom gaat met name de ontwikkeling van zonne-energie zo langzaam als er zoveel energie te winnen valt terwijl photovoltaische cellen nu al 15x goedkoper zijn dan 25 jaar geleden?

Ik moet U zeggen dat ik het niet begrijp. De aanvankelijk snelle prijsdaling in de grafiek van Maycock zou voornamelijk te danken zijn aan rendementsverbeteringen in de randapparatuur. Juist voor het passeren van het economisch rendement van fossiele brandstoffen zouden de fundamentele barrières in het zicht zijn. Welke barrières zijn dat? Voor een leek als ik, gaat het om het ordelijk in plakjes snijden van zand of het op folie dampen van silicium met wisselende verontreinigingen.

Shell heeft octrooien verzameld en studeert. Shell-scenario’s gaan nog steeds uit van een kleine bijdrage van zonne-energie in 2030. De ontwikkeling van de stoommachine heeft veertig jaar geduurd. Dit duurt misschien langer, maar de consekwenties zijn ook groter dan die van de industriële revolutie. Energie, grondstoffen, mobiliteit zouden geen milieuproblemen meer zijn.

De werkelijk ecologische problemen blijven over: van de 1,5 mln bekende soorten zij er al 100 000 spoorloos en van de menselijke populatie is slechts 20% gezond. De invloed van (stede)bouwkunde daarop is mijn vak. Laat ik mij maar bij mijn leest houden.

Literatuur

Brown, L. R., H. Kane, et al. (1993). Vital Signs The trends that are shaping our future. (London), Earthscan Publications Ltd.

CBS (2001). http://statline.cbs.nl/statweb/index.stm.

Jong, T. M. d., R. Moens, et al. (1996). Energie, water en mineralen. (Delft), TUDelft Faculteit Bouwkunde.

Myers, N. (1985). Spectrum atlas van de aarde. (Utrecht), Het Spectrum.

[a] Mondelinge mededeling Dr. R. Zeman, DIMES TUDelft

[d] De Nederlandse cijfers zijn recenter dan de mondiale.

[e] Om een PJ/jaar (10¹⁵ joule per jaar) als gewoon bij het CBS in MW (10⁶ joule per seconde) om te zetten moet men vermenigvuldigen met 31,7 dwz. onder meer delen door het aantal seconden per jaar: 10¹⁵/(10⁶*365*24*60*60).