De Kern van het Klimaatprobleem, deel 1: Waarom zonne-en-windenergie niet voldoende zijn

De strijd voor het socialisme is ook de strijd tegen klimaatverandering, maar hoe bestrijden we klimaatverandering effectief? In deze artikelenreeks beargumenteert Andrew Ammerlaan dat enkel inzetten op zonnepanelen en windmolens, zoals alle linkse partijen op het moment doen, onvoldoende en onrealistisch is. Hij bepleit daarom als alternatief het gebruik van onder andere kernsplijtingsenergie.

Deel 1: Waarom zonne-en-windenergie niet voldoende zijn

De schijnoplossing van zonnepanelen

De efficiëntie van Silicium zonnecellen is gestaag toegenomen sinds dat deze voor het eerst ontwikkelt zijn. Echter, is deze efficiëntie langzaam zijn fundamentele thermodynamische limiet aan het bereiken. De efficiëntie van een enkele zonnecel is namelijk gelimiteerd door de Shockley-Queisser limiet ¹, voor een Silicium zonnecel (lees: alle commercieel verkrijgbare zonnecellen) is deze limiet 29.43% ². Echter, in de praktijk valt efficiëntie uiteraard altijd lager uit. Moderne (mono-crystalline) commerciële zonnepanelen hebben doorgaans een efficiëntie van 24%, en benaderen daarmee dus al aardig de limiet³. 

Hoe dan verder? Om nog meer efficiëntie te behalen is het dus nodig om zonnecellen van een ander materiaal dan Silicium te maken. De maximale efficiëntie, onafhankelijk van het materiaal, is namelijk 33.77%, een betere materiaalkeuze kan dus nog leiden tot een hogere efficiëntie⁴. Hoge efficiëntie zonnepanelen voor applicaties in de ruimtevaart, waar gewicht belangrijker is dan prijs, worden bijvoorbeeld vaak al gemaakt van Galliumarsenide, met 29.1% efficiëntie houd Galliumarsenide dan ook het wereldrecord voor hoogste-efficiëntie single-junction zonnecel ⁵.

Een tweede manier om efficiëntie op te schalen is door over te gaan op multi-junction zonnecellen⁶. Dat wil zeggen dat je verschillende materialen combineert in een zonnecel. Op deze manier is het mogelijk om de Shockley-Queisser limiet te overstijgen, elk materiaal is individueel nog gebonden aan deze limiet, maar de combinatie van materialen die verschillende golflengtes uit het zonnespectrum halen is dit niet⁷. Een veelbelovende tandem zonnecel bestaat uit Silicium gecombineerd met een perovskite materiaal. Perovskite refereert naar de kristalstructuur van zo’n materiaal, vaak wordt een combinatie van een organisch en anorganisch materiaal gebruikt, meestal gebaseerd op Lood of Tin met een haliden (haliden zijn de elementen in de op één na meest rechtse kolom van het periodiek systeem: Fluor, Chloor, Broom, Jodium en Astaat). Zo’n tandem zonnecel behaalt in de praktijk al een efficiëntie van 29.1%⁸. Het wereldrecord voor een multi-junction zonnecel werd vorig jaar gezet op maar liefst 47.1% door een zonnecel die bestond uit zes verschillenden junctions⁹.

Echter, een zonnecel is alleen rendabel als deze gedurende zijn gebruik meer energie oplevert dan het koste om deze te produceren. En over het algemeen, hoe meer efficiëntie, hoe meer moeite en energie het kost om het paneel te produceren. Zonnepanelen gebaseerd op Silicium hebben het gigantische voordeel dat ze a) relatief eenvoudig te produceren zijn en b) dat Silicium heel erg veel voorkomt op aarde, en het relatief eenvoudig is om te winnen. De vraag is dus niet zozeer of we hoge(re) efficiëntie zonnepanelen kunnen maken (want het antwoord daarop is ja), maar of we hoog  efficiëntie zonnepanelen kunnen maken op een rendabele manier.

Samenvattend, de groei in efficiëntie van Silicium zonnepanelen loopt tegen zijn limiet aan. Om nog hogere efficiëntie zonnepanelen te maken moet worden overgestapt op complexere en/of hybride materialen. Het is nog maar de vraag hoe lang het duurt voordat dit op een rendabele manier kan. In de tussentijd is het te verwachten dat de ontwikkelingen in efficiëntie van (consumenten) zonnepanelen (tijdelijk) stagneert. Naar alle waarschijnlijkheid zullen we dus de klimaatcrises moeten overwinnen met zonnepanelen van de huidige efficiëntie.

Hoe ver kunnen deze zonnepanelen ons brengen? Een studie uit 2019 schat dat zo’n 25% van het huidige energieverbruik in de Europese Unie kan worden opgewekt door zonnepanelen op daken¹⁰. Aangezien in datzelfde jaar slechts zo’n 4% van de elektriciteit opgewekt in de Europese unie van de zon kwam, is er dus nog veel ruimte voor meer zonne-energie¹¹.

De wind in de zeilen van de klimaattransitie?

Op het eerste gezicht is de werking van een windmolen relatief simpel. Het wordt echter vrij snel een stuk complexer wanneer men zoveel mogelijk efficiëntie uit een windturbine wilt halen. De efficiëntie van een windmolen is namelijk afhankelijk van veel factoren, zoals bijvoorbeeld: de vorm en grote van de wieken, de sterkte en stabiliteit van de wind, de verliezen in de generator en het transmissiemechanisme, en andere turbines en obstakels in de omgeving¹². 

De maximale efficiëntie van een windturbine is gegeven door de wet van Betz, vanwege behoud van massa en impuls voor en na de turbine, stelt deze wet dat maximaal 59.3% van de bewegingsenergie in de wind kan worden omgezet in elektrische energie. Zoals met elk theoretisch maximum, ligt het maximum dat in de praktijk behaald wordt een stuk lager, deze piek-efficiëntie  ligt namelijk tussen de 44.5% en 47.4%¹³.

Windenergie behaalt zijn ware potentie op zee. Op zee is de wind namelijk sterker en constanter, en bij een constante en stabiele wind haalt een windturbine tot 16% meer efficiëntie¹⁴. Daarnaast maken de turbines een klein beetje geluid (tot 45 dB op 300 meter, niet iets harder dan een koelkast¹⁵ en produceren ze slagschaduw wat tot overlast kan leiden op het land.

Verder is het combineren van meerdere windturbines in een groot windmolenpark voordelig voor het transporteren van de energie naar het vaste land, er is dan immers maar een grote kabel nodig. Echter, leidt dit er wel toe dat de turbines in elkaars ‘wind-schaduw’ staan. Nadat de wind door een turbine is geweest, is de wind zachter en turbulenter, deze turbulentie leidt tot een reductie in efficiëntie tot 20% voor turbines in het midden van het windmolenpark vergeleken met die aan de rand¹⁶. Op 12 februari 2008 leidde zeldzame weersomstandigheden in de Noordzee bij Denemarken ertoe dat deze ‘wind-schaduw’ en turbulentie gevisualiseerd werd door de mist die vormde na de windmolens, zoals te zien in Figuur 2.

Een studie uit 2009 van het Europees Milieu Agentschap claimt dat er in de Europese Unie genoeg wind en bruikbare grond is om Europa zo’n 10 keer van energie te voorzien met windmolens¹⁷. Deze studie lijkt het effect van nabijgelegen windmolenparken op elkaar (turbulentie en reductie in windsnelheid) niet mee te nemen, een effect dat wel degelijk relevant wordt bij het implementeren van windenergie op deze gigantische schaal¹⁸. Desalniettemin, toont dit wel dat er ook nog veel potentie in windenergie zit, in 2017 werd immers slechts 11.6% van de gebruikte elektriciteit opgewekt met wind¹⁹.

Opslag en het belang van een stabiel, robuust, flexibel en divers energienet

“Wat te doen als de zon niet schijnt en de wind niet waait?” Deze klassieke tegenwerping tegen zonnepanelen en windmolens wordt, vooral vanuit rechts, vaak gebruikt om plannen van links als onrealistisch te bestempelen. Het antwoord op deze tegenwerping is op het eerste gezicht simpel: Energie opslag! Echter zou het te kort door de bocht zijn om deze tegenwerping daarom meteen als opportunistisch en/of pessimistisch weg te zetten. 

Bij opslag van energie wordt altijd elektrische energie die er te veel is, tijdelijk omgezet in een andere vorm van (potentiële) energie. Dit kun je bijvoorbeeld doen met batterijen (chemische energie), vliegwielen (mechanische energie), water bassins (gravitatie energie), of door elektriciteit te verbruiken voor het maken van een brandstof zoals Waterstof (uit water) of Methaan (uit water en koolstofdioxide)²⁰.

De verschillende opslag technieken hebben elk hun voordelen en nadelen. Echter allen hebben zij een ding gemeen: verliezen. Thermodynamica en weerstand gooien, zoals gebruikelijk, roet in het eten. Conversies tussen verschillende vormen van energie zijn namelijk nooit 100% efficiënt, en elke vorm van opslag bevat ten minste twee energie conversies, en dus leidt opslag inherent tot significante verliezen. Hoeveel verlies dit precies is, hangt sterk af van welke opslag techniek er gebruikt wordt, dit kan variëren van zo’n 5% tot 60%²¹.

Daarnaast, is er het niet onbelangrijke vraagstuk van hoe veel opslag er nodig is? Hoe meer variabele energiebronnen (lees: bronnen die afhankelijk zijn van, bijvoorbeeld, het weer), hoe meer opslag er nodig is om het eventueel wegvallen van die bron op te vangen. Vergeleken met windenergie heeft vooral zonne-energie, op het korte termijn, veel opslag nodig om het energienet stabiel te houden. Een studie uit 2018 toont dat er afhankelijk van de verhoudingen tussen windenergie en zonne-energie, zo’n 15% tot 140% energieopslag nodig is om volledig over te gaan op zonne-energie en windenergie²². Echter benadrukt deze studie ook de grote onzekerheid in deze voorspellingen, doordat deze sterk afhankelijk zijn van de flexibiliteit en (lokale) transport capaciteit van het energienet.

Diversiteit, flexibiliteit en robuustheid

Zelfs als, en dat is gezien het huidige tempo nog maar zeer de vraag, we de gehele Europese Unie van elektriciteit kunnen voorzien met slechts zonnepanelen, windmolens en de daarbij behorende opslag dan blijft de vraag of dit wenselijk is²³. De huidige klimaatproblematiek toont namelijk als geen andere de nadelen van een energienet dat volledig afhankelijk is van slechts een aantal bronnen. 

Wanneer je energienet afhankelijk is van slechts een aantal bronnen, bijvoorbeeld alleen fossiele brandstoffen, dan leidt dit automatisch tot hele grote problemen wanneer, om wat voor een reden dan ook, die bron niet of minder toegankelijk is. Het energienet, pre-klimaattransitie, was vrijwel volledig afhankelijk van fossiele brandstoffen (olie, kolen en gas), in 2018 waren deze bronnen gezamenlijk nog steeds verantwoordelijk voor 70.2% van de energieopwekking²⁴. Het is daarom logisch dat de omvorming van het energienet langzaam gaat, bij zo’n ‘één-bron-energienet’ vereist dit namelijk ook meteen de omvorming van het gehele energienet.

Een energienet dat volledig gebaseerd is op zonne-en-windenergie leidt net zozeer aan een gebrek aan diversiteit. Wat nou als de efficiëntie van de zonnepanelen voor langere tijd ver onder het gemiddelde valt, bijvoorbeeld door een grote vulkaanuitbarsting die wijdverspreid de panelen bedekt met een laagje as²⁵? Wat als een flink aantal windmolenparken buiten werking zijn, door bijvoorbeeld een flinke langdurige storm. Een eerste oplossing voor dit soort problemen is redundantie, in andere woorden: overcapaciteit, en nog meer opslag. Echter, blijkt het nu al moeilijk genoeg om de klimaat doeleinde te halen en de opwarming van de aarde te beperken, de extra behoefte aan zonnepanelen, windmolens en opslag om aan de noodzakelijkheid van redundantie te voldoen maakt het probleem alleen maar groter en moeilijker.

Een betere, duurzamere, en langere termijn oplossing is een divers energienet. Dat wil zeggen, een energienet gebaseerd op een zo groot mogelijke hoeveelheid verschillende soorten bronnen. Dit maakt het makkelijker om het eventueel wegvallen van een of een aantal bronnen te compenseren, door bijvoorbeeld een andere bron tijdelijk op te schalen. Deze diversiteit betekent flexibiliteit, wat het geheel robuuster en dus stabieler maakt. Nu inzetten op enkel zonne-en-windenergie, is naast dat het op het huidige tempo onhaalbaar lijkt, enorm kortzichtig. We zouden dan de absolute afhankelijkheid van fossiele brandstoffen vervangen met een absolute afhankelijkheid van het weer. Juist nu, nu we de gehele energievoorziening moeten herzien, is het belangrijk om in te zetten op een lange termijn oplossing: een duurzaam, en dus divers, energienet. In zo’n divers energienet speelt zonne-en-windenergie en de daarbij behorende opslag uiteraard een belangrijk rol, maar ook andere (minder bekende) niet-fossiele bronnen moet op worden ingezet, zoals: Waterkracht²⁶ centrales, Geothermische²⁷ bronnen, Getijdenenergie²⁸, Golfenergie²⁹, en ja dus ook Kernenergie³⁰, zoals we in deel 2 en 3 zullen zien.

Het Communistisch Platform verschaft kameraden uit alle hoeken van de socialistische beweging de mogelijkheid van communisme.nu gebruik te maken om discussie te voeren. Tenzij anders vermeld zijn gepubliceerde artikelen en brieven daarom niet per se representatief voor de opvattingen van het Communistisch Platform.