Technieken voor winning van hernieuwbare energie

Hernieuwbare energie

De wereld gaat in toenemende mate over op de winning van energie uit hernieuwbare energiebronnen. De inzet van hernieuwbare energiebronnen is een van de opties om de uitstoot van kooldioxide te verminderen. Zonne-energie is een hernieuwbare bron omdat zonne-energie naar menselijke maatstaven onuitputtelijk is. Zonne-energie is altijd duurzaam omdat het gebruik van zonne-energie geen milieubelasting oplevert. Biomassa in de vorm van hout is hernieuwbaar omdat voor verstookt hout weer nieuw hout kan worden aangeplant. Het verbranden van hout hoeft niet duurzaam te zijn. Als hout wordt gestookt in een slecht trekkende open haard komen er schadelijke stoffen vrij, die niet goed zijn voor het milieu. Op deze manier gebruikt is hout geen duurzame energiebron, maar nog steeds een hernieuwbare energiebron. Ook het gebruik van waterkracht is in sommige gevallen niet duurzaam omdat het aanzienlijke consequenties heeft voor het milieu en voor de bevolking in het gebied waar het stuwmeer komt. Duurzame energie houdt dus in: milieuvriendelijke en hernieuwbare energie. Energie uit de verschillende hernieuwbare energiebronnen wordt, met behulp van allerlei technieken, omgezet in bruikbare hernieuwbare energie in de vorm van elektriciteit, warmte, gas of een vloeibare (transport)brandstof.

Technieken voor energiewinning uit hernieuwbare bronnen

De meeste technieken, om hernieuwbare energie te genereren, maken direct of indirect gebruik van de energie afkomstig van de zon. Technieken voor de directe conversie van zonlicht, in een bruikbare vorm van energie, zijn:

zonnepanelen (fotovoltaïsche cellen, zonnecellen),
zonnecentrales,
zonnecollectoren,
warmtepompen,
warmtewisselaars,
warmte/koude-opslagsystemen.

Zonnepanelen zetten zonlicht direct om in elektriciteit. Zonnecentrales concentreren zonlicht op een plaats. Op die plaats wordt vervolgens water tot stoom verhit. Met deze stoom wordt, via een stoomturbine, elektriciteit opgewekt. Zonnecollectoren zetten zonlicht direct om in warm water. Zonnewarmte wordt aan de bovenste lagen van de aarde onttrokken. Via warmtewisselaars en warmtepompen wordt deze warmte gebruikt voor het verwarmen van gebouwen of in warmte/koude-opslagsystemen opgeslagen voor later gebruik.

Technieken voor conversie van de indirecte zonne-energie, in een bruikbare vorm van energie, zijn:

waterkrachtcentrales,
windturbines,
oceaan thermische centrales,
osmotische centrales,
golfenergie centrales,
biomassacentrales.

Het achter stuwdammen opgevangen regen- en smeltwater wordt in waterkrachtcentrales, via waterturbines, omgezet in elektriciteit. Door zonlicht wordt de aarde verwarmd. Daardoor ontstaan luchtdrukverschillen die luchtstromingen veroorzaken ofwel wind. Deze windenergie wordt, via windturbines, omgezet in elektriciteit. Ongeveer 15 procent van de totale zonne-energie die op de oceanen valt, wordt vastgehouden als thermische energie en opgeslagen als warmte in de bovenste lagen van de oceaan. Het temperatuurverschil in een kolom water kan, in de tropen, meer dan 25 ^oC bedragen, tussen water op 20 meter en op 1000 meter diepte. Met behulp van verschillende oceaanthermische energieconversiesystemen (OTEC: Ocean Thermal Energy Conversion) kan de temperatuurgradiënt, tussen het relatief warme oppervlaktewater en het koudere diepe water, worden benut om elektriciteit op te wekken. Osmotische centrales maken gebruik van het verschil in de zoutconcentratie tussen zoet en zout water om elektriciteit op te wekken. De wind over zeeën en oceanen leidt tot golfslag. De energie in een golf wordt in golfenergiecentrales in elektriciteit omgezet. Biomassa wordt verstookt in elektriciteitscentrales voor het opwekken van elektriciteit en in ketels voor het opwekken van warmte [WEC].

Naast de biomassacentrale zijn er ook technieken die biologische afvalstromen verwerken tot hernieuwbare energie;

afvalverbrandingsinstallaties,
stortplaatsen,
rioolwaterzuiveringsinstallaties,
mestvergistingsinstallaties,
afvalwaterzuiveringsinstallaties,
bioraffinaderijen.

Biologisch afval, zoals huishoudafval, industrieel afval en mest, wordt in energie omgezet door het te verbranden, te vergassen of te vergisten en vormt daarmee een bron van hernieuwbare energie. In afvalverbrandingsinstallaties wordt afval verbrand dat voor ongeveer de helft van biogene oorsprong is. Ongeveer de helft van de energieproductie door afvalverbrandingsinstallaties telt daarom als hernieuwbare energie. Stortgas is biogas uit stortplaatsen. Het meeste afgevangen stortgas wordt omgezet in elektriciteit. Stortgas wordt ook omgezet in een gas met eigenschappen die sterk lijken op die van aardgas. Dit groene gas wordt in het aardgasnet geïnjecteerd. Daarnaast wordt er nog stortgas gebruikt voor warmtetoepassingen. In grote rioolwaterzuiveringsinstallaties wordt zuiveringsslib vergist tot biogas. In mestvergistingsinstallaties wordt mest, samen met andere plantaardige materialen, vergist voor de productie van biogas (co-vergisting van mest). In afvalwaterzuiveringsinstallaties van de voedingsmiddelenindustrie wordt biogas uit natte biomassastromen gewonnen via anaerobe vergisting. Deze natte biomassastromen zijn bijvoorbeeld afvalwater en afval uit de voedingsmiddelenindustrie aangevuld met groente-, fruit-, en tuinafval. Het gewonnen biogas wordt gebruikt voor de opwekking van elektriciteit en/of proceswarmte. Biologisch afval wordt ook omgezet in een brandbaar gas of omgezet in transportbrandstoffen, zoals bio-ethanol en biodiesel. In bioraffinaderijen worden dierlijke afvalvetten, zoals afgewerkt frituurvet en andere reststoffen uit de voedsel- en cosmetica-industrie, omgezet in biobrandstoffen [CBS Statline].

De grootste bioraffinaderij van Europa is van het bedrijf Neste. Jaarlijks worden 1,4 miljoen ton hernieuwbare brandstoffen en chemische producten geproduceerd uit dierlijke afvalvetten, zoals afgewerkt frituurvet en andere reststoffen uit de voedsel- en cosmetica-industrie. De capaciteit wordt uitgebreid naar 2,7 miljoen ton, waarvan 1,2 miljoen ton biokerosine voor de luchtvaart. In de toekomst wil Neste de productie langzaam verschuiven van diesel naar biokerosine [Volkskrant].

De volgende technieken maken gebruik van de zwaartekracht of van de warmte gegenereerd door radioactieve processen in de aarde.

getijden centrales,
geothermische energie.

De hoogteverschillen tussen eb en vloed, die door de zwaartekracht van de maan worden veroorzaakt in zeeën en oceanen, worden in getijdencentrales via waterturbines omgezet in elektriciteit. Ook de stromingen, die de getijden veroorzaken, worden via waterturbines omgezet in elektriciteit. Beiden zijn een vorm van waterkracht. Daarnaast is er geothermische energie die gebruikt maakt van de warmte van de aarde. Hoe dieper onder het aardoppervlak, hoe hoger de temperatuur van de aarde wordt door thermisch verval van radioactieve isotopen. Geothermische energie is warmte, die op enige kilometers diep, aan de aarde wordt onttrokken via geothermische centrales. De warmte wordt gebruikt voor warmtelevering of wordt gebruikt om elektriciteit op te wekken.

Hernieuwbare energie, het elektriciteitsnet en opslag van energie

De hoeveelheid hernieuwbare elektriciteit groeit de laatste jaren snel. In 2020 groeide het aandeel hernieuwbare elektriciteit met 40 procent. Een kwart van de Nederlandse elektriciteit wordt nu opgewekt met zon, wind of biomassa, vorig jaar was dat nog maar 18 procent. Deze snelle groei veroorzaakt problemen, het elektriciteitsnet is vaak niet berekend op de hoeveelheid hernieuwbare elektriciteit en dreigt overbelast te raken. Het elektriciteitsnet moet sneller verzwaard worden om de groei bij te kunnen benen. Een ander probleem is dat de opbrengst, van bijvoorbeeld windturbines en zonneparken, fluctueert met het weer. Conventionele centrales vangen dat tot nu toe op. Het elektriciteitsnet wordt aangepast aan de groei van hernieuwbare elektriciteit.

Bij Lelystad staat de grootste batterij van Nederland, 12 megawatt. Deze batterij van Gigastore dient onder andere om de fluctuaties in de opbrengst van hernieuwbare elektriciteit op te vangen. Er zijn plannen om meer batterijen neer te zetten. Corre Energy wil energie opslaan via perslucht in een zoutholte onder de provincie Groningen. Bij veel energieaanbod wordt elektriciteit omgezet in luchtdruk en ondergronds opgeslagen. Als er weinig aanbod is wordt deze druk weer gebruikt om elektriciteit op te wekken. De opzet is om met perslucht ongeveer drie dagen lang een derde van de energieproductie van een gasgestookte elektriciteitscentrale te kunnen leveren. Al deze opslagsystemen worden opgeladen als de elektriciteit goedkoop is en er wordt weer elektriciteit geleverd bij hogere prijzen. Vattenfall gaat op een andere manier inspelen op lage energieprijzen. Het bedrijf gaat een grote elektrische boiler bouwen met een vermogen van 150 MW. Daarmee kunnen twintigduizend woningen van warmte worden voorzien. De boiler wordt verwarmd met hernieuwbare elektriciteit, vooral op die momenten wanneer er veel elektriciteit van windmolens en zonnepanelen beschikbaar is tegen een lage prijs [Volkskrant].

Windenergie op zee

De Noordzee ontwikkelt zich tot een kolossaal wingebied voor groene elektriciteit uit windenergie. Er staan nu zeven actieve windparken op de Nederlandse Noordzee met een totaal vermogen van 2450 MW. Tot 2031 staat er nog 20 GW aan windvermogen in de planning. Negen landen, verenigd in de Noordzee Energiecoöperatie (NSEC), willen tot 2050 260 GW aan windvermogen op zee bouwen. De negen landen zijn Nederland, België, Luxemburg, Frankrijk, Duitsland, Denemarken, Zweden, Noorwegen en Ierland. Op de Noordzee worden stopcontacten aangelegd die de elektriciteit van een windpark moeten verzamelen. Vanaf deze stopcontacten wordt, via een kabel, de elektriciteit naar land getransporteerd. Inmiddels staan er vijf stopcontacten op zee met een gezamenlijk vermogen van 700 MW. In de komende jaren worden er nog meer stopcontacten gebouwd [Rijksdienst voor Ondernemend Nederland], [Volkskrant].

Grote energieconcerns als BP en Shell zetten steeds meer in op stroomproductie op zee. Shell gaat voor de kust van Schotland twee reusachtige drijvende windparken bouwen. In Nederland investeert Shell in een aantal windparken, die onder meer elektriciteit gaan genereren voor de productie van groene waterstof. Ook het energieconcern RWE is van plan op de Noordzee groene waterstof te produceren met een windpark van 300 tot 500 MW. Voor de kust van Ierland moet een groot windmolenpark verrijzen voor de productie van waterstof. Het park krijgt een vermogen van 4 GW. De investering in een het park is ongeveer 9 miljard euro [Volkskrant].

Zonneparken op boerenland

Aan de zonneparken op boerenland kleven nadelen. Onder een normaal zonnepark kan geen akkerbouw plaatsvinden omdat de panelen de zon op de grond wegnemen. De kwaliteit van de grond daalt en de biodiversiteit neemt af. Een mobiel zonnepark kan beide belangen dienen, opwekken van elektriciteit en akkerbouw. De gewassen kunnen groeien op de akkers waar een zonnepark rijdt, omdat dit zich voortdurend over het land verplaatst. Het eerste rijdende zonnepark ter wereld rijdt in Zeeland. Het mobiele zonnepark kan ook uitgerust worden met extra functies voor bijvoorbeeld irrigatie, monitoring van gewassen en het verwijderen van onkruid [Volkskrant].

Biomassa als hernieuwbare energiebron

Er worden steeds meer vraagtekens gezet bij het gebruik van hout uit bossen als hernieuwbare brandstof. Uit onderzoeken van het Europese Joint Research Centre blijkt dat verbranding van hout, afkomstig van bomen, niet leidt tot minder CO₂, maar juist tot meer uitstoot van broeikasgassen. Om biomassa te verkrijgen worden bomen gekapt, de in de bomen opgeslagen koolstof komt daarmee in de atmosfeer terecht. Een boom doet er tientallen jaren over om deze koolstof weer tijdens de groei vast te leggen. Het kappen van een boom en daarna verbranden geeft dus op de korte termijn meer uitstoot van CO₂. Verder tast het kappen van bos ecosystemen aan en leidt het tot verlies aan biodiversiteit. Daarnaast is houtverbranding ook een grote bron van de uitstoot van (ultra)fijnstof en andere stoffen die schadelijk zijn voor de gezondheid. De Europese Commissie wil daarom de regels, voor het gebruik van hout als brandstof, aanscherpen [Volkskrant].

Waterstof als hernieuwbare energiebron

Waterstof is geen energiebron. Waterstof komt niet in de natuur voor en kan niet hieruit worden gewonnen. Waterstof moet gemaakt worden uit een andere energievorm en daarvoor is energie nodig. Waterstof is daarom geen energiebron maar een energiedrager. Waterstof is alleen een hernieuwbare energiedrager als het uit hernieuwbare bronnen wordt geproduceerd. De zogenaamde grijze waterstof wordt nu door de industrie geproduceerd uit aardgas of kolen; het wordt grijs genoemd omdat bij dit proces CO₂ vrijkomt. Deze waterstof is daardoor niet hernieuwbaar. Bij blauwe waterstof wordt de CO₂ afgevangen en opgeslagen. Bij groene waterstof komt alleen zuurstof vrij. Groene waterstof wordt geproduceerd door elektrolyse van water. Daar is veel elektriciteit voor nodig, die kan als groene elektriciteit met windparken worden opgewekt. Waterstof kan ook worden gebruikt om een teveel aan windenergie op te slaan, voor gebruik op dagen met weinig wind. Waterstof is een veel belovende energiedrager. Het kan op veel manieren worden gebruikt; als brandstof voor zwaar transport, fabrieken en cv-ketels, als opslagmedium voor energie en als grondstof voor de industrie. Inmiddels zijn er trucks op de markt die door waterstof worden aangedreven. Groene waterstof draagt bij aan het verduurzamen van de industrie; waterstof kan bijvoorbeeld in de staalindustrie en in de kunstmestindustrie als energiebron worden gebruikt in plaats van steenkool en aardgas [Volkskrant].

Verschillende energiebedrijven hebben plannen om windmolenparken te bouwen voor de productie van waterstof. Deze windmolenparken genereren hernieuwbare elektriciteit waarmee waterstof wordt geproduceerd door elektrolyse van water. Bij harde wind kan de opgewekte stroom, in de vorm van waterstof, opgeslagen worden voor de dagen dat het minder hard waait. De waterstof kan ook omgezet worden in ammonia, dat veiliger kan worden vervoerd.

De energieconcerns RWE en Shell zijn van plan op de Noordzee windparken van 300 tot 500 MW te bouwen om groene waterstof te produceren. Shell wil de opgewekte groene elektriciteit van het windpark Hollandse Kust Noord, dat gedeeltelijk in handen is van Shell, gebruiken voor een grote fabriek van groene waterstof, in Rotterdam, die in 2025 moeten gaan draaien. De fabriek moet dan jaarlijks 20.000 ton waterstof produceren, gevoed met elektriciteit van het windpark op de Noordzee. Het bedrijf HyCC ontwikkelt elektrolyse projecten voor verschillende bedrijven. Met een 60 MW installatie wordt hernieuwbare methanol en biokerosine geproduceerd voor KLM. Voor Tata Steel wordt een 100 MW elektrolyser ontwikkeld voor duurzame staal productie. Voor de oliemaatschappij BP wordt een 250 MW elektrolyser ontwikkeld om groene waterstof te leveren. In Amsterdam moet, in samenwerking met het havenbedrijf, de grootste groene waterstoffabriek van Europa, met een capaciteit van 500 MW, gerealiseerd worden. Vopak, HES International en Gasunie willen een terminal bouwen voor de opslag van groene ammoniak. De ammoniak wordt omgezet in waterstof die, via een pijpleiding van de Gasunie, naar de afnemers wordt vervoerd [Volkskrant].

In Lochem is een woonwijk van een tiental huizen aangesloten op waterstof die aangevoerd wordt via de bestaande gasleidingen. De woningen worden met een waterstofketel verwarmd. Vooralsnog is dit niet duurzaam omdat gestookt wordt op grijze waterstof. Maar in de toekomst kan op groene waterstof worden overgegaan [Volkskrant].

IJzer als hernieuwbare energiebron

IJzer is ook geen energiebron. Maar net als waterstof kan ijzer als een hernieuwbare energiedrager worden gebruikt. IJzer heeft een hoge verbrandingswaarde mits het is vermalen tot een fijn poeder. Dit poeder verbrandt uitstekend als er zuurstof aan toe wordt gevoerd. Er ontstaat geen kooldioxide maar ijzeroxide (roest) als het ijzer verbrand. Dit roest is weer om te vormen tot ijzer door het roest te laten reageren met waterstof. Het ijzer kan dan opnieuw worden verbrand. IJzer en waterstof kunnen op deze manier een duurzame energiekringloop vormen, zonder kooldioxide-emissie, mits de waterstof duurzaam wordt geproduceerd. IJzer is als brandstof gemakkelijker te vervoeren dan waterstof. Roest kan vervoerd worden naar landen met veel zonne-energie waar waterstof wordt geproduceerd. Het roest kan daar, met waterstof, omgevormd tot ijzer en weer terug worden vervoerd als brandstof. Een eerste verbrandingsinstallatie, met een vermogen van 100 kW, met ijzervijlsel als brandstof draait op dit moment in Nederland om ervaring met de techniek op te doen [Volkskrant].