De kern van dit artikel is als eerste: de energieinstraling door de zon wint het van alle andere bronnen. En als tweede: slechts een klein stukje woestijn (het rode vierkantje) is voldoende voor de hele wereld. Dit zie je in onderstaande figuur, die verderop in het artikel word toegelicht bij figuur 2 en 3.
In dit artikel gaan we ervan uit dat je al kennis hebt over het versterkte broeikaseffect, dat veroorzaakt wordt door de toename van CO2 in de atmosfeer van de aarde. En dat daardoor de aarde steeds warmer wordt. Hieronder een korte samenvatting.
Versterkte broeikaseffect
Zonder de beschermende atmosfeer rond de aarde zou het hier zéér koud zijn, gemiddeld 15 graden onder nul. Er zou geen menselijk leven mogelijk zijn. Maar dit broeikaseffect is de laatste eeuw flink veel sterker geworden. Dat komt omdat het gebruik van fossiele brandstoffen enorm is toegenomen, in machines in fabrieken, transport en verwarming van woningen. Daardoor is het gehalte aan CO2, dat vrijkomt bij iedere verbranding, sterk toegenomen, zoals te zien in figuur 1.
Ieder van ons stoot voortdurend -indirect- CO2 uit. Of je nou in een auto rijdt of in een bus of een trein, of dat je nou de verwarming thuis aanzet of onder de warme douche staat, of je een stukje vlees eet, zelfs als je nieuwe kleren koopt of andere spullen. Voortdurend gebruik je, zonder dat je het ziet, fossiele energie. Daardoor gaat er voortdurend ergens het broeikasgas CO2 de lucht in. Sommigen zeggen daarom dat wij lijden aan fossiele verslaving.
De temperatuur van de aarde is inmiddels gemiddeld bijna 1,5 graad gestegen. Dat lijkt weinig, maar het heeft overal op aarde enorme gevolgen: extreme droogte en bosbranden, stijgende zeespiegel, vaker heftige regenval, overstromingen en orkanen. Op sommige plaatsen op aarde ontstaat ondraaglijke hitte waardoor daar geen mensen meer kunnen wonen. Kortom, het klimaat op aarde verandert. Er moeten ingrijpende maatregelen genomen worden om de gevolgen te beperken.
Over de hele wereld zijn vele studies gedaan door het IPCC, een onafhankelijk internationaal gezelschap van duizenden wetenschappers. Hun laatste rapport is duidelijk: de opwarming wordt veroorzaakt door de mens.
De Verenigde Naties hebben in 2015 afgesproken dat de uitstoot van CO2 uiterlijk in het jaar 2050, maar liever eerder, gestopt moet zijn. Dat kan alleen als het gebruik van de fossiele energiebronnen zoals kolen en olie en aardgas gestopt wordt. Fossiele bronnen zullen vervangen moeten worden door duurzame bronnen zoals zon en wind. Dit proces heet energietransitie. Op veel plaatsen op de wereld is dit aan de gang, maar het gaat niet snel genoeg.
Dit artikel laat zien dat er véél meer schone energie van de zon beschikbaar is dan we met zijn allen nodig hebben. Tenminste als we op de beste plekken gaan kijken, wat verder weg van Nederland. Woestijngebieden zijn heel geschikt.
Kijk voor meer informatie in dit artikel over het broeikaseffect. Of op deze site bij de filmpjes. Zoekterm: ‘broeikas’ en ‘alle onderwerpen’.
Welke energiebronnen zijn het meest geschikt?
Eerst kijken we welke energiebron het meest aanwezig is. Figuur 2 geeft de beschikbaarheid weer van veel energiebronnen. De grootte van een kubus stelt voor hoeveel energie er jaarlijks van die bewuste energiesoort beschikbaar is. Je ziet een aantal grotere en kleinere bronnen. Het oranje blokje vooraan geeft aan hoeveel er jaarlijks nodig is op de hele wereld.
Opvallend: de grote gele kubus stelt de jaarlijkse instraling van de zon voor. De zon is dus met stip de grootste beschikbare bron. De wind (paars) is een goede tweede, ongeveer 8x minder beschikbaar. Daarbij vergeleken leveren alle andere bronnen veel minder.
Zonne-energie in overvloed
Kunnen we in principe met energie van de zon het gebruik van vervuilende fossiele energie afschaffen? Is er eigenlijk wel genoeg? Daarvoor moeten we de hulp van een natuurkundig begrip inschakelen: de totale instraling van de zon per vierkante meter op aarde. Het antwoord is verbazend: de zonne-energie die in één uur de aarde bereikt is genoeg om de hele wereld een jaar (!) van energie te voorzien [1]. Er gaan bijna 9000 uren in een jaar. Er is dus een gigantische overvloed aan energie.
Opgave: Controleer zelf die overvloed.
Gebruik gegevens uit BINAS (Tabel 32C, instraling van de zon, de zonneconstante, en tabel 6D, totaal energieverbruik wereldwijd in 2023 circa 500 EJ (EJ = Exa Joule = 1018 Joule), oftewel 5 • 1020 Joule.
Groots plan
Rond 2008 kwam een grote groep Duitse wetenschappers en bedrijven bij elkaar met een ambitieus plan. Ze wilden op grote schaal duurzame elektriciteit produceren met de energie van de zon. Energie in overvloed, zo was berekend. Hun idee: we kiezen ervoor om centrales te bouwen op de plek waar de zon het felst schijnt. Want daar is de overvloed van energie van de zon het grootst. Kijk nog even naar het kaartje helemaal bovenaan dit artikel: in de rode gebieden is op een heldere dag de instraling van de zon per m2 ongeveer 1000 Joule per seconde. Gemiddeld veel meer dan in Nederland. Rond de Middellandse zee zijn veel geschikte woestijnachtige gebieden. Een extra voordeel is dat in de woestijn vaak weinig menselijke activiteit is. De gedachte was: als we veel zonnecentrales bouwen in de woestijn, in het zuiden dus, en die centrales met een netwerk van kabels verbinden met West-Europa in het noorden, dan slaan we twee vliegen in één klap:
1. De zuidelijke landen profiteren van deze elektriciteit en van de werkgelegenheid die de bouw het en onderhoud opleveren. In die landen zal dit kunnen zorgen voor meer welvaart.
2. In het noorden, bijvoorbeeld bij ons in West-Europa, zal veel groene, duurzame, elektriciteit beschikbaar komen.
Anders gezegd: zowel de producenten in het zuiden als de consumenten in het noorden profiteren van overvloedige duurzame energie. Ze noemden dit raamplan Desertec = energie uit de woestijn. Het plan leek te mooi om waar te zijn en het duurde een paar jaar voor het begon te werken. Waar moest het geld vandaan komen? Hoe maak je goede afspraken met zo veel verschillende landen? En hoe oogst je energie van de zon zo goedkoop mogelijk? Hoe transporteer je de elektriciteit? Inmiddels heeft het plan geleid tot tientallen initiatieven voor de bouw van dergelijke zonnecentrales, met name in de zogenoemde MENA-landen rond de Middellandse Zee.
Is er genoeg ruimte?
Ook is uitgerekend hoeveel oppervlakte aan woestijngrond nodig zou zijn om de hele wereld van energie te voorzien. Zie de landkaart in figuur 3. Het blijkt dat het rode vierkantje van de woestijn bij de pijlpunt voldoende is! Als vuistregel hanteert men: de helft van de oppervlakte van Spanje is voldoende, maar dan natuurlijk verdeeld over woestijngebieden op de hele wereld.
Opgave: Reken ook deze verbazingwekkende conclusie na.
Ga uit van een benadering. De instraling is: iedere seconde 1000 Joule op iedere m2. De wereldbehoefte aan energie 5 • 1020 Joule per jaar (In 2023). Ruimte die strikt genomen nodig is: 5 • 1020 / 1000 • 3600 • 24 • 365 = 5 • 1020 / 3,2 • 1010 = 1,5 • 1010 vierkante meter. Dat komt overeen met 15.000 vierkante kilometer, een gebied van 150 x 100 km.
Hoe oogst je de overvloedige zonne-energie?
Drie systemen zijn inmiddels ontwikkeld en uitvoerig getest: de eerste twee werken met grote spiegels die de straling van de zon samenbundelen. Concentrated Solar Power (afgekort CSP) is de verzamelnaam van deze technieken. In figuur 4 zie je het zogenoemde trog-model. Een grote lange gebogen spiegel, in de vorm van een parabool, een trog. Als deze gericht wordt op de zon, worden de stralen gebundeld in het brandpunt. In dit geval is dat een lange buis, die daardoor zeer heet wordt. Door die buis wordt een speciale vloeistof gepompt. De stromende vloeistof neemt de warmte mee, en die warmte wordt gebruikt om stoom te maken, zoals dat in alle elektriciteitscentrales gebeurt. Deze CSP-techniek is zeer betrouwbaar, en al een halve eeuw in gebruik in California in Noord-Amerika.
Figuur 5 hieronder bevat het CSP-torenmodel. De top van de 100 meter hoge toren wordt via een groot aantal spiegels bestraald met de hitte van de zon. De spiegels moeten natuurlijk wel voortdurend meedraaien met de zon. De top van de toren wordt zeer heet. Zie tekst in de figuur. Een deel van de warmte wordt voor gebruik tijdens de nacht opgespaard in grote tanks onderaan de toren, zie verderop.
De derde mogelijkheid is een centrale die gebruikmaakt van grote hoeveelheden zonnepanelen zoals we die ook in Nederland kennen. Het gaat hier om panelen die direct zonlicht omzetten in elektriciteit, zogenoemde photo-voltaïsche of PV-panelen.
Als laatste zie je in figuur 7 een satellietfoto van een grote centrale in de woestijn van Marokko. Deze maakt gebruik van alle drie de technieken. Het totale gebied meet ongeveer 2,5 x 8,5 km. Boven, in het noorden, zie je het torenmodel (150 m hoog) met daaromheen de cirkels met spiegels. Midden in de cirkels de toren die vanaf grote afstand te zien is als een lichtend punt. Daaronder twee grote velden met trog-spiegels en rechtsonder een veld met PV-panelen. Sinds 2016 leveren deze vier centrales samen 580 MW.
Opslag voor de nacht
“Mooi hoor, die zonne-energie, maar wat doe je dan in de nacht?” Dat hoor je vaak in discussies. Om te voorkomen dat de centrale stopt als de zon ondergaat, is al sinds jaren een prima werkende oplossing ontwikkeld zoals weergegeven in figuur 8.
Vaak worden twee zoutkoepels toegepast, grote tanks met een mengsel van heet, vloeibaar zout, bijvoorbeeld 40% KNO3 en 60% NaNO3. Gedurende de dag wordt een deel van de geoogste warmte opgeslagen in de hete tank links. De temperatuur loopt daar wel op tot 500 oC. Na zonsondergang laat men de hete tank langzaam leeglopen via de warmtewisselaar (de heat exchanger) naar de ‘koele’ tank (300 oC). Het hete zoutmengsel stroomt dus via de pijlen van links naar rechts, en geeft warmte af die in de avond en nacht weer gebruikt wordt in de stoomturbine om elektriciteit op te wekken. Gedurende het hele etmaal, de hele week door (24/7) levert zo’n centrale tegenwoordig elektriciteit.
Transport van elektriciteit
Hoe transporteer je de elektriciteit over duizenden kilometers naar West-Europa? Ook met de oplossing voor dit probleem is inmiddels veel ervaring opgedaan. Men gebruikt dikke zogenoemde HVDC-kabels. HVDC staat voor High-Voltage-Direct-Current, oftewel hoge spanning, gelijkstroom. De elektrische vermogens die moeten worden getransporteerd zijn weliswaar hoog, maar de gelijkspanning is ook zeer hoog, tot wel 1.000.000 V. Daardoor blijft de stroom in de kabel ‘laag’ en zijn de verliezen relatief klein. Dergelijke kabels liggen al tientallen jaren op de bodem van de zee en verbinden de landen rond de Noordzee met elkaar. In de praktijk blijkt het verlies slechts 3% per duizend kilometer te zijn.
In het zuiden van Marokko is op dit moment een Engels bedrijf (Xlink) bezig om een grote centrale van liefst 10 GW te bouwen. Een 3800 km(!) lange kabel moet de elektriciteit transporteren naar Engeland, waar ongeveer 7 miljoen huishoudens zullen profiteren, zie figuur 9. Ook Marokko zelf profiteert mee, er is werkgelegenheid voor duizenden mensen, en een deel van de opgewekte elektriciteit blijft in het land zelf.
Het grootste project op dit gebied is nu in China. In de woestijn bij Changji in het westen is een enorme zonnecentrale in bedrijf. Hier wordt 12.000 MW aan elektriciteit getransporteerd naar de grote steden in het oosten, met een dergelijke kabel van ruim 3000 km lang, bij een spanning van ruim 1.000.000 volt. Goed voor miljoenen mensen.
Grote kansen voor zuidelijke landen
Landen in tropische gebieden kunnen dus profiteren van de aanwezigheid van de energie van de zon. Sommigen praten daarom tegenwoordig over Solar Dollars, waar vroeger de olielanden superrijk werden van de oliedollars. Deze elektriciteit kan een grote stimulans zijn voor de economie van ontwikkelingslanden en van groot belang zijn voor armoedebestrijding aldaar. Ook kan betrouwbaar drinkwater gewonnen worden, door zeewater met elektriciteit te ontzilten. Voorwaarde is natuurlijk dat de landen en bedrijven die de kennis en het geld hebben om zo’n centrale op te bouwen, dat op een fatsoenlijke, rechtvaardige manier doen. Op dit moment zijn er tientallen plannen in allerlei Afrikaanse landen, bijvoorbeeld in het genoemde Marokko, in Mauretanië, in Namibië, Egypte, Tunesië en met Midden-Oosten. In Zuid-Amerika heeft onder andere Brazilië grote plannen, evenals in landen in het nabije oosten in de voormalige Sovjet-Unie. Ook de Europese Unie heeft in Afrika grote investeringsplannen, met een omvang van liefst 80 GW.
Arnoud Pollmann - in samenwerking met Vereniging zonnekrachtcentrales
