Icon left Vorige Icon up Overzicht Volgende Icon right

Energiebronnen van de toekomst

Onderwerp: Arbeid en energie

Begrippen: Energie

Het klimaatakkoord van Parijs uit 2015 betekent dat het energiesysteem zal gaan veranderen. Rond 2050 zal wereldwijd de energieproductie op basis van gas, olie en kolen sterk verminderd moeten zijn. Daartoe schakelen we van deze traditionele bronnen over op andere.

Het doel van deze energietransitie is om de uitstoot van CO2 sterk te reduceren. Dat kunnen we uiteraard bereiken door als eerste zuiniger om te gaan met energie en als tweede door uitgestoten CO2 op te slaan. Maar vrijwel emissieloos maken van ons energiesysteem betekent vooral dat we nieuwe energiebronnen moeten vinden.

Energiebronnen

De afgelopen decennia zijn er veel alternatieve energiebronnen bedacht en ontwikkeld. Sommige hiervan passen we al breed toe, zoals zonne- en windenergie, andere bevinden zich nog in een ontwikkelfase (denk aan kernfusie en groene waterstof).

Uit historisch onderzoek blijkt dat de ontwikkeling van nieuwe technologieën in het algemeen een sterke wetmatigheid volgt. Uit deze wetmatigheid kunnen we beoordelen op welk moment de technologieën op de markt komen, of in ons geval: wanneer de nieuwe energiebronnen gaan bijdragen aan het energiesysteem.

Die wetmatigheid noemen we het groeimodel dat beschrijft hoe energiebronnen groeien en volwassen worden. Onder volwassen verstaan we dat een bepaalde energiebron een substantiële bijdrage levert (meer dan ongeveer 5-10%) van de totale energievraag.

Groeimodel

In het groeimodel zijn drie fases te onderscheiden. De eerste fase is de investerings- of ontwikkelfase. Vanaf het eerste idee van een nieuwe technologie tot een oplossing die operationeel ingevoerd kan worden, zal er veel werk verricht moeten worden. In die tijd levert de technologie nog geen bijdrage. Vanaf het moment dat de eerste installaties nuttige energie produceren, groeit de industrie wereldwijd snel. Deze fase verloopt exponentieel, dat wil zeggen dat het aandeel energie dat deze technologie oplevert, ongeveer iedere drie jaar verdubbelt. Omdat het begin van deze groei typisch vanuit een nichemarkt plaatsvindt, is de bijdrage aanvankelijk laag. Het duurt tientallen jaren voor er een merkbare bijdrage wordt bereikt.

Deze eerste fase gaat niet ongecontroleerd door, op een gegeven moment vertraagt de groei. Het is vooral een economische wetmatigheid die dat bepaalt. Exponentiële groei is principieel nog steeds mogelijk, maar zou betekenen dat in korte tijd de behoefte ver wordt overstegen. Dus om het benodigde verzadigingsniveau te bereiken, vertraagt de groei. We komen dan in de tweede fase.

Dat is de bestendigings- of implementatiefase. De betreffende energiebron is uitontwikkeld en heeft de meeste kinderziektes overwonnen. Er is voldoende productiecapaciteit beschikbaar om de technologie breed in te voeren. Voor bijvoorbeeld windenergie bekent dit dat de productie van windmolens op grote schaal gebeurt. Deze groei verloopt niet meer exponentieel maar is lineair.

De exponentiële en lineaire fase onderscheiden zich verder hierin dat de industrie als geheel ook winstgevend wordt. In de exponentiële tijd wordt er meer (geld, energie) geïnvesteerd in de groei en is de technologie in feite nog geen ‘bron’ op globale schaal. In beide fases is er wel sprake van productie (op lokale schaal).

Uiteindelijk zal de groei zo goed als tot stilstand komen in de derde fase, de verzadiging- of vervangingsfase. Hier is de benodigde capaciteit voor energieproductie aanwezig en zal er hoofdzakelijk vervanging van defecte of verouderde onderdelen of installaties plaatsvinden. De productiecapaciteit uit de implementatiefase zal zorgen voor deze vervanging.

Dit groeimodel is overigens niet alleen van toepassing op energiebronnen, maar geldt ook bijvoorbeeld voor de ontwikkeling en introductie van nieuwe mobiele telefoons of zoiets simpels als tandenborstels. Het verschil zit hem in de verschillende tijden, zowel de ontwikkeltijd als de implementatietijd van telefoons is beduidend korter dan die van energiebronnen. Dat laatste omdat de levensduur van telefoons veel korter is dan van energie-installaties.

Groei van energiebronnen

Het groeimodel van energiebronnen is wiskundig te beschrijven, maar is ook te vinden door te kijken naar de ontwikkeling van energiebronnen in het verleden, bijvoorbeeld de ontwikkeling van kernsplijting en zonne- en windenergie. In figuur 1 zijn historische data te zien van de ontwikkeling van deze drie bronnen. Let op dat de verticale as (het totale vermogen) logaritmisch is weergegeven. Dat betekent dat een exponentiële groei (de ontwikkelfase) een stijgende rechte lijn laat zien (er lineair uitziet) en dat een lineaire groei (de implementatiefase) een gebogen lijn laat zien. De verzadigingsfase is bereikt als de lijn (vrijwel) horizontaal loopt.

 

Figuur 1: Historische gegevens van de bijdrage van verschillende nieuwe energiebronnen aan de totale energiebehoefte. Hier staan niet alle energiebronnen aangeven. Bron: Lopes Cardozo, Lange, Kramer, NTvN 2017, historische data IEA.

Aan de linkerkant van de figuur is te zien dat kernsplijting zich momenteel in de verzadigingsfase bevindt, de techniek is voldoende uitontwikkeld en levert wereldwijd een substantiële bijdrage. Wind- en zonne-energie bevinden zich in de implementatiefase (zonne-energie is aangegeven met PV, van photovoltaic). Dit betekent dat ook deze technieken voldoende volwassen en betrouwbaar zijn en dat door opschaling deze echt zullen gaan bijdragen aan de energiebehoefte.

In de figuur is tevens een verwacht eindniveau opgenomen. Uit de figuur blijkt dat het verwachte eindniveau van zonne-energie het hoogst ligt, maar ook dat geen van de beschreven bronnen aan de totale behoefte zal kunnen voldoen.

Aan de rechterkant van de figuur is te zien wat de toekomst is van kernfusie. Kernfusie bevindt zich nog in de experimentele fase (zie dit artikel). De testreactor ITER die nu in aanbouw is, zal geen bijdrage leveren aan de energieproductie. Dat mogen we pas op bescheiden schaal verwachten van de opvolgers van ITER, de DEMO-reactoren. Als we het groeimodel volgen, betekent dit dat kernfusie niet voor de eeuwwisseling van 2100 een substantiële bijdragen kan leveren. En dat terwijl de energietransitie over doelen in 2050 praat.

 

Dit artikel is tot stand gekomen met medewerking van ir. Guido Lange – Technische Universiteit Eindhoven