Geenstijl

GeenStijl ontving een wetenschappelijk geschreven klimaat-betoog in vijf delen. Dit is deel 3. Deel 1 staat hier, deel 2 daar.

Schrijven over energiegebruik en energiebehoefte wordt razend ingewikkeld gemaakt doordat voor iedere vorm van energie aparte eenheden gebruikt worden, kubieke meters of kubieke voeten als het over gas gaat, joule of kWh als het over elektriciteit gaan, liters of gallons als het over vloeistoffen gaat en zo zijn er nog veel meer eenheden. Er zijn ook nog algemene maten zoals de BTU, British Thermal Unit, of de MMBTU, dat is een miljoen BTU. Daarnaast hebben we ook nog te maken met verschillende maatsystemen, Engelse maten, Amerikaanse maten, Europese maten. Maar gelukkig weet iedereen wel hoeveel energie een kilowattuur of kWh is en wat men er zo ongeveer mee kan doen. Daarom wordt in het vervolg een hoeveelheid energie steeds omgerekend naar kWh of naar MWh, dat is 1000 kWh.

Het totaalverbruik in Nederland, alle energiebronnen meegerekend, aan aardolie, gas, steenkool, bruinkool, hout, kernenergie plus alle hernieuwbare bronnen, was in 2018 volgens het CBS 3100 PJ (22). Dat is afgerond 861 miljard kWh per jaar (berekening 3). 

Daarvan was 8,7% hernieuwbare energie. Hoewel ruim de helft daarvan energie uit biomassa is (23), en alleen daadwerkelijk hernieuwbaar als het niet allemaal in één keer wordt opgestookt, wordt in dit verhaal alle “hernieuwbare energie” als zodanig meegenomen. Resteert 786 miljard kWh. 

Dit zijn cijfers van 2018, maar de trend is dat de energiebesparingen de stijging in activiteiten redelijk bijhouden en zelfs – af en toe – overtreffen, dus de cijfers zullen in 2021 niet veel anders zijn, afgezien van Covid-19 gerelateerde effecten. Bovendien moeten de getallen in de hierna volgende hoofdstukken gelezen worden als orde van grootte schattingen, niet als precieze berekeningen. 

Op zoek naar de goedkoopste energievorm komt eerst de meest gebruikte vorm, aardolie, aan de beurt. Aardolie is een delfstof die op veel verschillende manieren ontstaan kan zijn en daarom geen vaste samenstelling heeft. Vaten olie kunnen dus een verschillende energie-inhoud hebben. Om toch in olie te kunnen handelen heeft de Amerikaanse Internal Revenue Service de “Barrel of Oil Equivalent” of BOE gedefinieerd (24) voor de energie-inhoud van een standaard vat ruwe olie. Die is gelijk aan 1699,4 kWh – en dat wordt bijna altijd afgerond naar 1700 kWh. 

Om de prijs van aardolie te berekenen wordt hier uitgegaan van de gemiddelde wereldmarktprijs voor West Texas Intermediate Crude Oil in 2019 (2020 is door Covid-19 geen standaard jaar). Die prijs bedroeg $57 per BOE (25). In berekening 4 wordt uitgerekend dat bij deze prijs voor ruwe aardolie de prijs van dieselolie aan de uitgang van de raffinaderij € 0,038 per kWh bedraagt en de prijs van benzine € 0,046 per kWh. Per liter is dit voor dieselolie € 0,38 en voor benzine € 0,41. 

Dat zijn behoorlijk hoge prijzen in vergelijking met de prijs van aardgas of LNG (liquid natural gas). Voor LNG bestaat ook een wereldmarktprijs (26):

De prijs varieert, maar het gemiddelde is iets in de buurt van $10 per MMBTU. In berekening 5 wordt dat omgerekend naar € 0,029 per kWh energie. 

Steenkool is de goedkoopste fossiele brandstof en tevens de meest vervuilende in termen van CO2 uitstoot. Een ton steenkool levert tussen 3000 en 7000 kWh energie op, gemiddeld 5000 kWh, en kost momenteel op de wereldmarkt $ 68,50 (27), € 0,012 per kWh dus. De meeste steenkool wordt in centrales omgezet in elektriciteit, en daarbij treden grote verliezen op. De modernste kolencentrales halen een rendement van 46%, maar de overgrote meerderheid van de bestaande kolencentrales heeft een rendement tussen 37% en 40%. Dat brengt de prijs per kWh elektriciteit naar € 0,030. Steenkool is lastiger en dus duurder te transporteren en te verhandelen. In de detailhandel is steenkool te koop tegen prijzen van de orde € 500 per ton, € 0,10 per kWh.

De klassieke energiedragers zijn vaste stoffen, vloeistoffen en gassen die allemaal koolstof bevatten en dus CO2 uitstoot opleveren als ze verbrand worden. Energiedragers die geen CO2 uitstoot opleveren zijn er niet zoveel: waterkracht, windkracht, geothermische energie, kernenergie en zonne-energie.

Het is lastig om al deze energievormen met elkaar te vergelijken qua bruikbaarheid en kosten. Daarom is er een hulpmiddel bedacht, de “Levelized cost of energy” of LCOE (28). De LCOE wordt berekend door alle kosten van een energieproject tijdens de hele levensloop van dat project in te schatten en op te tellen, en dat bedrag te delen door het totaal aantal geproduceerde of te produceren megawatturen. Hieruit volgt dus een prijs per MWh voor het energieproject.

Lazard Ltd, de grootste onafhankelijke investeringsbank ter wereld, produceert al 14 jaar lang ieder jaar een gezaghebbend rapport (29) over de kosten van methoden om energie op te wekken, en gebruikt voor de vergelijking de LCOE. Hieronder staat een grafiek uit versie 14 van hun rapport (2020), een vergelijkingstabel voor ongesubsidieerde energieopwekking in de Verenigde Staten:

Noten bij bovenstaande afbeelding:
(1) De lage waarde is voor een enkelassig volgsysteem, de hoge voor een vaste opstelling.
(2) Offshore wind bij kapitaalkosten van de orde van $ 2600 – $ 3675 per kW vermogen
(3) Peaking: draait alleen in de piekuren. Aanname gasprijs € 0,01 per kWh.
(4) Zonder opruimkosten, zonder onderhoudsgerelateerde kapitaalkosten en zonder subsidie.
(5) Marginale kosten (kosten bij uitbreiding van capaciteit) per MWh.
(6) 90% afvangen van CO2. Bevat geen kosten voor opslag en transport van het CO2.
(7) en (8) diverse bij-mengingen van “blauw” en “groen” waterstof.

De tabel bevat een vergelijking van de kosten van verschillende manieren om energie op te wekken. De bovenste vijf regels gaan over zonnepanelen, PV of PhotoVoltaic. Voor de kleinverbruiker op de eerste regel is dat het duurst, want die moet de panelen kopen in de detailhandel en de installatie is kleinschalig en dus relatief duur; onder die condities bedroeg de prijs in 2020 minimaal € 0,13 per kWh. De volgende twee regels betreffen kleinschalige installaties voor bedrijfjes en groepen burgers. Daar zijn voordelen van de iets grotere schaal terug te zien in de lagere kosten per MWh. Interessant wordt het daarna – grootschalige installaties met twee typen zonnepanelen, klassieke silicium zonnepanelen en zonnepanelen met dunne laagjes (microns) van materialen als bijvoorbeeld CdTe, CadmiumTelluride, maar er worden veel meer materialen gebruikt. Momenteel blijkt dat de techniek te zijn met de laagste kosten per MWh, op wind na. Die kosten bedragen € 0,025 per kWh voor een opstelling met beweegbare panelen die de zon volgen en € 0,032 per kWh bij panelen die vast opgesteld staan. 

Solar Thermal Towers zijn installaties waar beweegbare spiegels het zonlicht concentreren in een centrale hotspot, waar de straling opgevangen wordt en omgezet in elektriciteit. Geothermische installaties brengen warmte uit de diepte (in NL enige km) naar de oppervlakte. In IJsland wordt bijvoorbeeld 90+% van de woningen daarmee verwarmd. Windenergie is energie opgewekt met behulp van windturbines, en dat blijkt in deze tabel momenteel de goedkoopste vorm van alternatieve energie te zijn. Gas peaking betreft met aardgas aangedreven elektriciteitscentrales t.b.v. het opvangen van piekbelasting op het elektriciteitsnet, nuclear betreft kerncentrales, coal betreft steenkoolcentrales, waarbij 90% van het CO₂ afgevangen wordt, en de gas combined cycle betreft met aardgas aangedreven elektriciteitscentrales waar de afvalwarmte van de gasturbines wordt hergebruikt om stoom te maken.

Hoewel deze tabel een prachtig uitgangspunt biedt voor vergelijkingen, moet er wel voorzichtig mee worden omgegaan. De energievormen zijn namelijk echt verschillend in hun bruikbaarheid en betrouwbaarheid – geothermische energie, gas, kernenergie en steenkool leveren een continue, regelbare stroom energie en kunnen dus altijd voldoen aan de vraag, ook als die wisselend is, terwijl zonne-energie en windenergie sterk variëren met de omstandigheden. Een windturbine levert alleen stroom als de wind waait en een zonnepaneel alleen als de zon boven de horizon staat. Daarbij komt dat deze energievormen ook nog eens sterk wisselende opbrengsten leveren. Het verschil tussen de opbrengst van een zonnepaneel op een sombere dag en op een daarop volgende zonnige dag kan zomaar een factor 2 zijn en gedurende een jaar kan de opbrengst over een hele dag gemeten in Nederland meer dan een factor 20 variëren (30). Voor wind geldt hetzelfde – het kan dagenlang windstil zijn en dagenlang stormen, dus die variatie is misschien nog wel groter.

Een tweede opmerking is dat het voor de klassieke energiebronnen niet echt veel uitmaakt op welke plek ze worden toegepast, maar dat juist die locatie voor wind en zon zeer belangrijk is. De tabel bevat data die gelden voor de VS, maar de intensiteit van de zonnestraling varieert over het grondgebied van de VS (zonder Alaska en Hawaii) met een factor 2, van ~1000 tot ~2000 kWh per m2 en per jaar (31). Die factor 2 verschil betekent ook ruwweg een factor 2 verschil in de kosten, want bijna alle kostenposten zijn evenredig met het aantal zonnepanelen, en die factor 2 is in de gegevens die getoond worden niet terug te vinden. Een blik op versie 8 van het Lazard rapport uit 2014 (32) verduidelijkt dat. Daarin worden de kosten in verschillende delen van de VS berekend en is te zien dat de genoemde kosten voor zonne-energie en windenergie het gemiddelde zijn van de kosten in vijf regio’s van de VS, noordoost, zuidoost, middenwesten, Texas en het zuidwesten. Dat betekent een gemiddelde instraling in de VS van rond 1800 kWh per m2 per jaar.

Hetzelfde geldt voor windturbines – Lazard versie 8.0 geeft de volgende lijst voor de prijs per MWh van windenergie in 2014:

De enige variabele die echt verschillend is voor deze locaties is de gemiddelde windsnelheid (33, 34). Die is in het middenwesten en Texas vergelijkbaar met de wind aan zee in Nederland, aan de kust van de Atlantische Oceaan iets lager. Het hoogst is de windsnelheid voor de kust van Maine (niet in de tabel), waar de windsnelheid vergelijkbaar is met die op de Noordzee. 

Het probleem met de vergelijkbaarheid van de verschillende energiebronnen ten gevolge van de wispelturigheid van zon en wind kan opgelost worden door de elektriciteit om te zetten in gas. Voor lezers die niet onderlegd zijn in scheikunde – het is mogelijk om energie op te slaan in chemicaliën en die energie later weer vrij te maken uit die chemicaliën. Een voorbeeld van zo’n chemische verbinding is water, H₂O, waarvan iedere molecule bestaat uit twee waterstof (H) atomen en één zuurstof (O) atoom. Waarschijnlijk heeft ieder kind wel eens geprobeerd om met behulp van een batterijtje, twee koperdraadjes en water met wat azijn erin dat water te ontleden in waterstof en zuurstof. Dat werkt prima, binnen een paar seconden ziet men de gasbelletjes opstijgen, belletjes met waterstof erin aan de ene kant en belletjes met zuurstof erin aan de andere kant. De meeste kinderen gaan niet zo ver om de belletjes op te vangen en ze later tot ontbranding te brengen, maar dat kan ook. En dat is precies wat er ook op grotere schaal zou kunnen gebeuren – de stroom van zonnepanelen en windturbines kan worden gebruikt om waterstofgas vrij te maken uit water en dat op te slaan voor later gebruik als een brandbaar gas. 

Dat zou het hele probleem van de onbetrouwbaarheid oplossen – waterstofgas kan worden opgeslagen en naar behoefte gebruikt. Maar die omzetting is niet gratis. Scheikundige reacties zijn onderhevig aan thermodynamische wetten. Er komt warmte bij vrij, en dat is een type energie dat moeilijk op te vangen is. Vaak gaat alle warmte verloren. Bij de elektrolyse van water zijn de energieverliezen van de orde 20 – 30% 35), in hoofdstuk 4 wordt echter een recente vinding vermeld waarbij het verlies nog slechts 1,3% is.

Wordt vervolgd.

22) https://www.cbs.nl/nl-nl/nieuws/2019/16/energieverbruik-gedaald-in-2018
23) https://www.cbs.nl/nl-nl/publicatie/2020/40/hernieuwbare-energie-in-nederland-2019
24) https://nl.wikipedia.org/wiki/BOE_(eenheid)
25) https://en.wikipedia.org/wiki/Price_of_oil
26) https://www.refinitiv.com/perspectives/market-insights/lng-market-turning-2019/
27) https://markets.businessinsider.com/commodities/coal-price
28) https://en.wikipedia.org/wiki/Levelized_cost_of_energy
29) https://www.lazard.com/perspective/levelized-cost-of-energy-and-levelized-cost-of-storage-2020
30) https://geothermie.nl/images/bestanden/Masterplan_Aardwarmte_in_Nederland_ENG.pdf
31) https://www.nrel.gov/gis/assets/images/nsrdb-v3-ghi-2018-01.jpg
32) https://www.lazard.com/media/1777/levelized_cost_of_energy_-_version_80.pdf
33) https://www.toddklassy.com/montana-blog/mean-average-wind-speed-across-the-united-states
34) https://www.geminiwindpark.nl/about-gemini-wind-park.html
35) https://en.wikipedia.org/wiki/Electrolysis_of_water
59) https://en.wikipedia.org/wiki/Barrel_(unit)
60) https://www.voltaoil.com/what-makes-up-retail-price-for-gasoline
61) https://www.engineeringtoolbox.com/energy-content-d_868.html

**Berekening 3. Omrekening van het energieverbruik in Nederland
**PJ of petajoule is een energiemaat. Een Joule aan energie is gelijk aan 1 Watt gedurende 1 seconde, en Peta betekent 1.000.000.000.000.000, met 15 nullen dus. Joule per jaar wordt omgerekend naar kWh per jaar door te delen door 3.600, het aantal seconden in een uur, en door 1000 om van Wh naar kWh te gaan. 

3100.000.000.000.000.000 / 3.600.000 = 861 miljard, afgerond. 

**Berekening 4. Prijs van een kWh in dieselolie of benzine aan de uitgang van de raffinaderij
**Uitgangspunt is hier de gemiddelde wereldmarktprijs van West Texas Intermediate in 2019 (2020 en 2021 zijn door Covid-19 geen standaard jaren). Hier worden de kosten aan de uitgang van de raffinaderij vóór distributie uitgerekend. De wereldmarktprijs bedroeg in 2019 gemiddeld $57 per vat (25). Een vat is gelijk aan 42 gallon 59). Per gallon is dit dus $1,36. De raffinage kosten voor dieselolie bedragen $0,49 per gallon (60). De totaalkosten van dieselolie na raffinage bedragen dus $1,85 per gallon. 

De energie-inhoud van een gallon dieselolie is 139000 (61) BTU ofwel 41,7 kWh (zie berekening 5). 

De prijs van 1 kWh in dieselolie bedraagt dus bij de uitgang van de raffinaderij $0,044. Bij een koers van € 0,85 per $ wordt dit € 0,038 per kWh. De raffinage kosten voor benzine bedragen $0,60 per gallon (60). De totaalkosten van benzine na raffinage bedragen dus $1,96 per gallon. 

De energie-inhoud van een gallon benzine is 124000 61) BTU ofwel 36,3 kWh (zie berekening 5) 

De prijs van 1 kWh in benzine bedraagt dus bij de uitgang van de raffinaderij $0,054. Bij een koers van € 0,85 per $ wordt dit € 0,046 per kWh. 

**Berekening 5. Omrekening van de gasprijs
**MMBTU, Million British Thermal Units, is de internationale eenheid waarmee LNG wordt bemeten. 1 kWh staat gelijk aan 3412 BTU, British Thermal Units 61). Daaruit volgt dat 1 BTU = 1/3412 kWh = 0,0002931 kWh. 1 MMBTU is dus 293,1 kWh. 

$ 1.00 komt overeen met € 0,85, dus $ 10 per MMBTU * 0,85 / 293,1 = € 0,029 per kWh

Dit verhaal is geschreven om in het tijdperk van corona iets zinnigs te doen te hebben. Tijdverdrijf. Waarom warmt de aarde op? Is dat erg? Waarom wordt daar zo hysterisch over gedaan? Zijn er nog andere gevaren? Ik ben ooit opgeleid tot kernfysicus en deze materie speelt al een tijdje, dus ik zou dit eigenlijk allemaal moeten weten. Maar nee. Daarom ben ik op nul begonnen en heb ik geen verhalen gebruikt of overgenomen die ik niet begreep. Gelukkig zijn wetenschappelijke publicaties tegenwoordig vaak gewoon op internet te vinden, zeker als het doorbraken zijn. 

Maar toen werd het een verhaal met een verrassend positief einde, en nu wil ik het met iedereen delen. Er is een probleem, maar dat kan worden opgelost en veel eenvoudiger dan je zou denken. Bovendien kon het wel eens heel lucratief zijn. 

Eerst iets over mijzelf ter introductie. Lang geleden, in 1970, werd het door het Rapport van de Club van Rome zonneklaar dat er Grenzen aan de Groei zijn, en vooral grenzen aan het gebruik van fossiele brandstoffen. Maar er was in die tijd een lichtpunt: kernfusie zou een onuitputtelijke energiebron zijn. Het leek mij prachtig om daar mijn leven aan te wijden, en dat betekende een studie natuurkunde, specialiseren in kernfysica en verder specialiseren in de fysica van lichte kernen. 

Je moet nogal wat weten voordat je aan de finesses van deze processen toekomt dus pas na een jaar of vijf, zes werd het mij langzamerhand steeds duidelijker dat kernfusie op aarde een doodlopend spoor is. In kernsplijting geloof ik niet; omdat dat zo verschrikkelijk gevaarlijk is, is het ook verschrikkelijk duur. 

Na mijn promotie heb ik dan ook een heel ander beroep gekozen: programmeur. Per slot van rekening had ik tijdens mijn studie en promotie honderden programma's geschreven voor heel veel verschillende processoren en in een stuk of tien verschillende programmeertalen.

Vanwege mijn achtergrond heb ik me gespecialiseerd in technische en – af en toe –  wetenschappelijke programmatuur. Dat heeft geleid tot veel werk in het buitenland, voor tientallen bedrijven in Europa en Azië. Het is een goede keuze geweest - ik ben in mijn leven geen dag tegen mijn zin naar mijn werk gegaan.

Na mijn pensionering hebben we heel veel gereisd, maar toen corona kwam was er tijdenlang niets leuks te doen. Dat was het moment om terug te gaan naar een oude liefde. En wat blijkt? Kernfusie is toch de oplossing voor de problemen van de aarde, maar dan wel op de zon, op aarde gebruiken we alleen het product van de fusie – zonlicht.

Er moet nog één opmerking gemaakt worden over het verhaal. Alles is naar beste kunnen berekend, maar er is geen peer review geweest zoals bij echte wetenschappelijke artikelen altijd wel het geval is. Ik ben benieuwd of iemand fouten kan vinden en dat zou ik dan graag willen weten.

Dit verhaal is veel belangrijker dan ik ben. Ik ben een oude man die niet zit te wachten op publiciteit, daarom schrijf ik dit verhaal anoniem. Maar als er dan toch een naam gebruikt moet worden, noem me dan maar Optimist.

(Echte naam bij redactie bekend)