Vanuit de tuin op het dak van de flat kijk je naar de horizon. De lucht is schoon en fris en zo helder dat het woud van windmolens ver weg zich duidelijk aftekent tegen de hemel. Onder je zoeft het verkeer geruisloos voorbij op elektriciteit en waterstof, en als je je klein- of achterkleinkinderen vertelt over het lawaai en de rook die vroeger in de stad heersten, kijken ze je glazig aan. Welkom in het jaar 2050.
Vervanging van fossiele brandstoffen als steenkool, olie en gas door duurzame energie van zon, wind en water is om vele redenen een noodzaak. Luchtverontreiniging en klimaatverandering zijn er slechts twee van. Economie is een derde.
We schetsen hierboven een droombeeld, maar de groene overstap is niet alleen een droom. Een internationale onderzoeksgroep heeft nu een concreet plan uitgewerkt om de wereld in enkele decennia groen te krijgen.
In een artikel in het tijdschrift Joule beschrijven onderzoekers onder leiding van ingenieur Mark Z. Jacobson van Stanford University in detail hoe de meeste landen op aarde 100 procent hernieuwbare energie kunnen bereiken in 2050. De bemoedigende conclusie is dat elk land groen kan gaan – niet alleen als het gaat om stroom uit het stopcontact, maar het geldt voor alle energieverslindende sectoren, zoals woningen, vervoer, landbouw en industrie.
En het kan zonder kernfusie en andere nieuwe vormen van energie, met alleen de groene technologieën die we al hebben. Uiteindelijk zal het veel goedkoper uitpakken dan doorgaan met fossiele brandstoffen.
Windturbines betalen zichzelf snel terug
Mark Z. Jacobson en zijn collega’s keken naar alle 139 landen die cijfers van hun energiesector hebben gepubliceerd. Verrassend genoeg komt het er voor de meeste landen op neer dat zij in 2050 per persoon minder energie zullen moeten produceren dan nu het geval is – niet omdat mensen minder energie-intensieve producten en diensten gebruiken, maar omdat groene technologieën meer uit energie halen.
PRODUCTIE: Zon, wind en water kunnen de aarde aandrijven
Zon levert energie in de subtropen
Waar: In de subtropen, waar de zon het hele jaar door hoog aan de hemel staat en er veel zonuren zijn.
Hoe: Zonnestraling wordt omgezet in stroom in een zonnecel of in warmte door bijvoorbeeld zout te verhitten.
Uitdagingen: Voor zonnecellen is een halfgeleidertechnologie op basis van zeldzame metalen nodig.
Wind wordt benut in gematigde streken
Waar: Het meest effectief in de zogeheten westenwindgordels van de gematigde zones op aarde, waar het voortdurend waait.
Hoe: Windenergie wordt opgevangen door de bladen van de windturbine en drijft een generator aan.
Uitdagingen: Windturbines nemen veel plaats in de natuur in en hun gezoem kan hinderlijk zijn.
Waterkracht wordt gewonnen langs rivieren
Waar: Vereist een gestage, massieve waterstroom, zoals bij grote rivieren op aarde.
Hoe: De energie in stromend water wordt omgezet in elektriciteit door een turbine en een generator.
Uitdagingen: Dammen veranderen de natuurlijke loop van de rivier en daarmee de natuur.
Het installeren van windturbines en zonnecellen is ook veel energiezuiniger dan het bouwen van nieuwe energiecentrales. Het rendement van een energiebron (EROI) geeft aan hoeveel energie deze produceert ten opzichte van wat er wordt verbruikt voor de aanleg ervan. De EROI wordt ook wel de koolstofschuld genoemd.
Voor windturbines bedraagt de EROI-verhouding 44:1, volgens een studie onder leiding van ingenieur Michaja Pehl van het Potsdam Institute for Climate Impact Research. De turbine produceert in totaal dus 44 keer zo veel energie als het kost om hem te bouwen. Met een verwachte levensduur van 20 jaar verdient hij zich dus in nog geen zes maanden terug – dan is zijn CO2-schuld afbetaald.
Voor zonnepanelen is de verhouding 26:1, voor kerncentrales 20:1 en voor kolencentrales 9:1 – de CO2-uitstoot van het stoken van de kolen niet meegerekend.
44 keer zo veel energie als wordt gebruikt om een windturbine te bouwen, levert de turbine uiteindelijk op. Een kolencentrale verdient de energie maar negen keer terug.
Maar zelfs als het energieverbruik per persoon daalt wanneer de wereld op groene energie draait, is de totale behoefte enorm. De wereldbevolking blijft groeien: volgens de laatste ramingen van de VN uit 2019 zijn we in 2050 waarschijnlijk met 9,74 miljard mensen.
Met dat cijfer en het geraamde energieverbruik van elke burger hebben de Stanford-onderzoeker en zijn team berekend wat er nodig zou zijn om in de energiebehoeften van elk land te voorzien.
Vervolgens hebben ze de energiebehoeften vergeleken met de hernieuwbare energiebronnen per land, zodat IJsland bijvoorbeeld vooral aardwarmte gebruikt, Nederland windenergie en Saoedi-Arabië zonne-energie.
Aangezien de productie van hernieuwbare energie variabel is, denken de onderzoekers dat regio’s en landen – misschien zelfs alle landen – samen zullen doen met een elektriciteitsnet waarin energiebronnen elkaar aanvullen.
DISTRIBUTIE: Groene energie heeft meer aansluitingen nodig
Hoe groter de gebieden die groene energiebronnen delen, hoe beter de energie wordt benut. Regio’s en landen – misschien wel alle landen – moeten door hoogspanningsleidingen worden verbonden. De uitdaging is groot in de VS, waar meerdere elektriciteitsnetten zijn.
1. Groene energie kan het hele land voorzien
Het elektriciteitsnet moet aan de vraag kunnen voldoen. Daarvoor moeten energiebronnen gelijkmatig produceren. De VS heeft het potentieel voor wind (blauw) in het noorden, zonne-energie (geel) in het zuiden en waterkracht (stippen) langs de rivieren.
2. Stroomnet valt uiteen in drieën
De VS kennen momenteel drie onafhankelijke stroomnetten in het oosten, het westen en in Texas, een staat met een eigen net. De verbindingen ertussen zijn te zwak voor alle stroom die een groen net op de piekmomenten produceert.
3. Noord-zuidlijn vraagt om samenwerking
Als de VS in de buurt willen komen van 100 procent hernieuwbare energie, moeten ze noord en zuid met elkaar verbinden met meer hoogspanningskabels. Door energie uit te wisselen kunnen de windkracht in het noorden en zonne-energie in het zuiden elkaar ondersteunen.
4. Oost-westlijn egaliseert belasting
Verbindingen tussen oost en west wisselen energie uit door de vier tijdzones van Amerika heen. Hierdoor worden piekbelastingen, zoals in de lokale ochtenduren, afgevlakt. Zonnecellen in Florida zijn al operationeel voordat de inwoners van Los Angeles uit bed komen.
Uit berekeningen blijkt dat er voor de overstap naar een groene energieproductie geen nieuwe energiebronnen nodig zijn, en ook hoeven bestaande bronnen niet op de schop. Alleen voor golf- en getijdenenergie, die nog slechts in zeer beperkte mate worden gebruikt, zijn er nog doorbraken nodig.
Bekende technologie lost de problemen op
Wat het verbruik betreft neigen de onderzoekers ook hoofdzakelijk naar groene energie van bekende technologieën. Verwarming met aardgas of olie kan bijvoorbeeld worden vervangen door elektrische radiatoren, warmtepompen of warm water uit de grond.
Veel vervoer over land is ook vrij goed te vervangen door elektrische voertuigen of door voertuigen op basis van waterstof, dat kan worden geproduceerd door watermoleculen te splitsen met duurzame energie.
OPSLAG: Waterstof slaat groene stroom op
1. Overtollige stroom maakt waterstof
De elektriciteitsproductie van windturbines varieert naar gelang van de windsterkte.
Bij overproductie kan het overschot aan elektriciteit worden gebruikt om water (H2O) in zuurstof en waterstof te splitsen in een proces dat elektrolyse wordt genoemd.
2. Zuurstof vangt CO2 uit de industrie af
De waterstof (H2) kan gemakkelijk worden opgeslagen in tanks en vormt zo een energievoorraad. De zuurstof (O2) kan worden gebruikt in een proces dat CO2 afvangt van bijvoorbeeld de cementproductie, die veel CO2 uitstoot.
3. Waterstof wordt omgezet in aardgas
De waterstof (H2) kan worden omgezet – gemethaniseerd – in aardgas (CH4) met behulp van het CO2 dat wordt afgevangen bij de cementproductie of in biogasinstallaties. Het synthetische aardgas kan rechtstreeks in het gasnet worden gepompt.
4. Waterstof wordt brandstof en stroom
Waterstof kan ook worden gebruikt als schone brandstof in auto's en worden omgezet in vliegtuigbrandstof. Of het kan weer in elektriciteit worden omgezet door het elektrolyseproces om te keren.
De overgang brengt echter ook grote uitdagingen met zich mee. Mark Z. Jacobson wijst er zelf op dat de ontwikkeling van elektrische vliegtuigen of vliegtuigen met alternatieve brandstofcellen veeleisend zal zijn. Schepen en vrachtwagens kunnen ook niet direct overstappen op elektriciteit. En luchtvaart, scheepvaart en langeafstandsvrachtvervoer stoten samen 6 procent van alle CO2 uit.
Biobrandstoffen verplaatsen zware lasten
De huidige accu’s zijn niet efficiënt genoeg om vliegtuigen, schepen en vrachtwagens aan te drijven. Zo bevat een ton vliegtuigbrandstof 14 keer zo veel energie als een accu met datzelfde gewicht. Wel kunnen biobrandstoffen een deel van de op aardolie gebaseerde brandstof vervangen.
Traditionele biobrandstoffen worden grotendeels gewonnen uit planten als maïs, sojabonen, raapzaad en lijnzaad, waardoor de voedselproductie in het gedrang komt. Maar biobrandstoffen kunnen ook worden geproduceerd uit organisch afval, zoals zuiveringsslib.
In Europa is het Italiaanse energiebedrijf ENI ver gevorderd met de productie van biodiesel die als brandstof in schepen kan worden gebruikt zonder dat de motor hoeft te worden aangepast.
De biobrandstof kan ook verder worden geraffineerd tot een meer energiedichte brandstof die in vliegtuigen kan worden gebruikt. De restproducten, aardgas en schoon water, zijn recyclebaar.
Met name aardgas wordt gezien als een mogelijke overgangsbrandstof die het huidige energiesysteem zou kunnen verbinden met dat van morgen, wanneer duurzame technologieën het kunnen overnemen. Dat is een van de conclusies van een analyse uit 2019 van energiesystemen in Iran, Noorwegen, India en Groot-Brittannië door data-analist Amir Safari en zijn collega's van de universiteit van Zuidoost-Noorwegen.
Een voordeel van aardgas, dat nu 28 procent van het energieverbruik uit fossiele brandstoffen voor zijn rekening neemt, is dat het per eenheid energie het minst vervuilt en het klimaat het minst aantast van alle fossiele brandstoffen.
Miljoenen sterven door luchtvervuiling
De weg van het huidige energiesysteem naar een bijna 100 procent groene energievoorziening is dus duidelijk. En hoewel we onderweg zeker op hobbels en onaangename verrassingen zullen stuiten, zijn de kosten van op de oude voet doorgaan zo hoog dat de wereld eigenlijk geen alternatief heeft. Dat blijkt uit een studie van de Harvard University die in februari 2020 werd uitgebracht.
8,7 miljoen mensen sterven jaarlijks aan de vervuiling door fijne deeltjes uit fossiele brandstoffen.
In het project hebben de onderzoekers de vroegtijdige sterfgevallen wereldwijd onderzocht en vastgesteld dat deze verband houden met luchtverontreiniging door fijne deeltjes van de verbranding van fossiele brandstoffen. Het cijfer is schokkend: elk jaar sterven er 8,7 miljoen mensen aan.
De problemen zijn het grootst in Azië, met China en India als koplopers. Maar in veel steden op aarde worden de grenswaarden overschreden voor enkele van de meest schadelijke en ziekteverwekkende deeltjes, waaronder die van het verkeer.
Maar hoewel luchtverontreiniging miljoenen levens kost, is het bij lange na niet het grootste probleem van fossiele brandstoffen. Een ander punt is de klimaatverandering die wordt veroorzaakt door de broeikasgassen die samen met de gevaarlijke deeltjes vrijkomen.
Siden forbruget af fossile brændsler tog fart i 1800-tallet, er temperaturen steget ca. én grad. Hvis det fortsætter, kan Jorden blive 3,5 grader varmere i år 2100 med kostbare konsekvenser i form af fx oversvømmelser og tørke.
Zelfs met internationale overeenkomsten om de uitstoot van onder meer CO2 te beperken is de planeet – als de uitstoot niet snel fors daalt – nog op weg naar een temperatuurstijging van ten minste 3 °C en plaatselijk nog veel meer tegen 2100.
Omschakeling is te doen in 30 jaar
Volgens Mark Z. Jacobson en zijn team is de groene transitie vrijwel de enige manier om de zeer ambitieuze klimaatdoelstellingen te bereiken die de wereld zich in 2015 heeft gesteld op de COP21-top in Parijs. Daar waren politici en ambtenaren uit bijna alle landen van de wereld het erover eens dat de opwarming van de aarde onder de 2 °C en bij voorkeur rond de 1,5 °C moet blijven. En de eerste graad is al verbruikt.
Afgezien van de luchtkwaliteits- en klimaatproblemen zijn kolen, olie en gas eindige hulpbronnen. De olievoorraden zullen tegen 2070 uitgeput zijn. Bovendien zijn hulpbronnen steeds moeilijker te exploiteren omdat alle gemakkelijk toegankelijke bronnen al lang zijn uitgeput.
Als de kosten van de oliewinning stijgen, zal olie enige tijd voordat de planeet daadwerkelijk uitgeput is, al een onrendabele brandstof zijn.
Gelukkig is er nu het groene reddingsplan. Uit berekeningen blijkt dat de overgang van een zwarte naar een groene planeet in ongeveer 30 jaar kan worden gerealiseerd. Maar dan is er ook geen tijd te verspillen.
