Energiebronnen

Soorten energiebronnen

De mensheid gebruikt al van oudsher verschillende energiebronnen. Vroeger waren dat vooral duurzame bronnen in de vorm van:

  • spierkracht,
  • hout,
  • windenergie,
  • waterkracht.

De laatste eeuw zijn dat vooral fossiele energiebronnen als:

  • aardolie,
  • aardgas,
  • steenkool.

Ze worden fossiel genoemd omdat aardolie, aardgas en steenkool miljoenen jaren geleden zijn gevormd uit plantenresten en in de aardkorst liggen opgeslagen.

Een andere belangrijke, maar omstreden, energiebron is:

  • uranium

Uranium komt als delfstof op aarde voor en wordt voornamelijk gebruikt in kerncentrales om elektriciteit op te wekken.

De op termijn belangrijkste energiebron, die hierboven al genoemd is, is:

  • duurzame of hernieuwbare energie

Hernieuwbare of duurzame energiebronnen zijn op termijn de belangrijkste energiebronnen, omdat ze onuitputtelijk zijn naar menselijke maatstaven. Ze kunnen niet opraken of ze kunnen zichzelf vernieuwen. Bij verstandig gebruik zijn ze niet schadelijk voor het milieu. Omdat deze bronnen onuitputtelijk zijn of omdat ze zichzelf kunnen vernieuwen wordt duurzame energie bij voorkeur hernieuwbare energie genoemd. Alle hernieuwbare energie is niet altijd duurzaam, denk bijvoorbeeld aan het stoken van hout in een open haard. Dit kan de nodige luchtvervuiling kan opleveren bij verkeerd stookgedrag. Hout is in dat geval wel een hernieuwbare energiebron maar geen duurzame. Een belangrijke hernieuwbare en ook duurzame energiebron is zonlicht.


Zonne-energie

Alhoewel zonne-energie niet in de energiestatistieken voorkomt is zonne-energie verreweg de belangrijkste en ook de grootste energiebron op aarde. Deze bron is onuitputtelijk naar menselijke maatstaven gemeten. De zon straalt een ontzaglijke hoeveelheid energie uit waarvan maar een fractie de aarde bereikt in de vorm van zonlicht.

Grafiek van de gemiddelde dagelijks zonne-energie op aarde en in Nederland

De figuur geeft de zonne-energie die de aarde gemiddeld per dag per vierkante meter oppervlak ontvangt. In Nederland is dat, gezien de geografische ligging, wat minder.

De hoeveelheid zonne-energie die Nederland jaarlijks op zijn oppervlak ontvangt wordt in onderstaande figuur gegeven.

Grafiek van de gemiddelde jaarlijkse zonne-energie en het energieverbruik in Nederland

Het totale jaarlijkse energieverbruik van de diverse energiebronnen in Nederland ligt rond 3400 PJ (PJ = Peta Joule = 1015 Joule). De energie die Nederland jaarlijks aan zonne-energie ontvangt ligt in de orde van EJ (EJ = Exa Joule = 1018 Joule). De ontvangen zonne-energie is dus aanzienlijk groter dan het huidige verbruik aan energie in de vorm van primaire brandstoffen en hernieuwbare energie. Het probleem is de winning van deze zonne-energie op een technisch/economisch verantwoorde wijze.


Belangrijkste fossiele energiebronnen

Nu worden nog hoofdzakelijk fossiele energiebronnen voor de energievoorziening gebruikt. Een fossiele energiebron is in feite ook zonne-energie. Deze zonne-energie is miljoenen jaren geleden vastgelegd in planten. Nadat de planten zijn bedolven onder andere bodemlagen lopen druk en temperatuur op. Onder de hogere druk en temperatuur zijn de plantenresten vervolgens omgezet in fossiele energie en opgeslagen in de vorm van steenkool, aardolie en aardgas. De voorraden fossiele energie zijn eindig. Van de belangrijkste fossiele energiebronnen geeft onderstaande tabel aan, voor de situatie in 2011, in welke mate ze wereldwijd beschikbaar zijn, hoeveel er momenteel geproduceerd wordt en over hoeveel jaar deze bronnen uitgeput zijn bij de genoemde productiehoeveelheden [WEC].

Wereldwijde energievoorraden, jaarlijkse productie en levensduur bron
Wereldvoorraden Voorraad Jaarproductie Levensduur
Steenkool 892 miljard ton 7.520 miljoen ton 119 jaar
Aardolie 163 miljard ton 3.797 miljoen ton 43 jaar
Aardgas 209.742 miljard m3 3.518 miljard m3 60 jaar
Uranium 4.505 duizend ton 54 duizend ton 84 jaar

In de tabel is onder de kop 'Voorraad' de energie genoemd die op dit moment met bestaande technieken economisch kan worden gewonnen. De voorraad fossiele brandstoffen is groter maar deze voorraad kan (nog) niet om economische of technische redenen worden gewonnen. Voor aardolie, aardgas en uranium zijn de bronnen binnen 100 jaar uitgeput. Schaarste aan energie komt tot uiting in stijgende energieprijzen. Stijgende energieprijzen hebben tot gevolg dat energievoorraden, die eerst niet economisch konden worden gewonnen, nu wel voor winning beschikbaar komen. De economisch winbare voorraad wordt dan groter dan in de tabel aangegeven.


Andere fossiele energiebronnen

Naast de hierboven genoemde bronnen, zijn er nog een aantal andere fossiele energiebronnen:

  • turf,
  • schaliegas (kleisteengas),
  • schalieolie (kleisteenolie),
  • teerzanden en zeer zware olie,
  • methaanhydraten.

Er is wereldwijd ongeveer 500 miljard ton turf aanwezig, in dezelfde orde van grootte als de steenkoolvoorraad. In de belangrijkste landen die turf winnen wordt de voorraad geschat op 5 miljard ton. Turf wordt behalve als energiebron steeds meer in de land- en tuinbouw gebruikt als groeimedium en als organische component in chemische producten zoals actief kool, harsen, was en medicinale producten [WEC].

Schaliegas is gas dat zit opgesloten in kleine poriën in kleisteenlagen. Kleisteen of schalie wordt gevormd als klei onder druk wordt gezet. Schalie is een veel voorkomend gesteente in de aardbodem. Leisteen wordt op zijn beurt gevormd uit kleisteen en is compacter dan kleisteen of schalie. Het gewone aardgas zit in poreuze zandsteenlagen die zeer doorlatend zijn voor gas. Het gas kan zonder veel extra maatregelen worden gewonnen. Het gas in kleisteen- of schalielagen kan niet zonder maatregelen aan de steenlaag worden onttrokken. Het schaliegas wordt gewonnen door eerst verticaal en daarna horizontaal een put in de schalielaag te boren. Via de horizontale boorput wordt vervolgens, met een boorvloeistof bestaande uit water, zand en chemicaliën, een dusdanig hoge druk op de schalielaag gezet dat deze open barst en het gas vrijkomt (fracken). Om een schalielaag volledig te exploiteren zijn vrij veel boorputten nodig; ongeveer om de 2 tot 4 km. Naast het gas komt ook boorvloeistof naar boven, verontreinigt met materiaal uit het gesteente, waaronder radioactieve stoffen. Het gas wordt gescheiden van de boorvloeistof, de vloeistof moet worden opgevangen en verwerkt. Er is wereldwijd een grote hoeveelheid schaliegas in de bodem aanwezig, naar schatting ongeveer 190.000 miljard kubieke meter. De schaliegasvoorraad ligt dus in dezelfde orde van grootte als de aardgasvoorraad.

Vooral in de Verenigde Staten wordt veel schaliegas gewonnen. Dankzij schaliegas zijn de Verenigde Staten zelfvoorzienend geworden voor gas. Door de schaliegasproductie zijn de gasprijzen wereldwijd sterk gedaald. In Nederland wordt de schaliegasvoorraad geschat op enkele honderd miljard kubieke meter. Bezorgdheid om het milieu heeft tot gevolg dat er in Nederland aarzeling is om boorvergunningen naar schaliegas af te geven. Er is veel water nodig om het gas te winnen. De boorvloeistof en het gas kunnen in aardlagen doordringen waaruit drinkwater wordt gewonnen. Daarnaast moet de opgevangen boorvloeistof met verontreinigingen op verantwoorde wijze worden verwerkt om milieuschade, schade aan de leefomgeving of schade aan de drinkwatervoorziening te voorkomen. Als laatste is er een kans op aardbevingen als gevolg van de winning [WEC], [Volkskrant].

Uit oliekleisteen kan een olieachtig product worden gewonnen; schalieolie ook wel kleisteenolie genoemd. De voorraden schalieolie zijn groter dan de aardolievoorraden. Geschat wordt dat er minstens 700 miljard ton schalieolie in de bodem aanwezig is. De winning is echter veel moeilijker dan van aardolie. Om schalieolie uit een schalielaag te kunnen winnen moet de olie tot een hoge temperatuur (ongeveer 500 oC) worden verhit of de schalielaag moet worden gebroken (fracken). Bij de winning komen, naast olie, onder andere zwavel en allerhande mineralen mee. Alles bij elkaar is het een aanzienlijke hoeveelheid restmateriaal die op de een of andere manier milieuverantwoord verwerkt en opgeslagen moet worden.

De productie van olie uit schalie was aanvankelijk weinig aantrekkelijk door de hoge kosten van de winning. Door de hogere energieprijzen is dat de laatste jaren echter sterk veranderd. In de Verenigde Staten bijvoorbeeld wordt veel schalieolie gewonnen. De jaarlijkse productie ligt rond de 500 miljoen ton olie [WEC], [Volkskrant].

Teerzanden bevatten veel bitumen. Bitumen lijkt op zware petroleum. Ongeveer 85% van de wereldenergievoorraad aan bitumen komt voor in Canada. De meeste bitumen wordt bovengronds gewonnen, getransporteerd en verwerkt tot een synthetische olie. Andere voorraden bitumen worden gewonnen door stoom te injecteren in de bodem, de bitumen wordt dan vloeibaar en kan gewonnen worden. Jaarlijks wordt in Canada ongeveer 36 miljoen ton olie geproduceerd. Ondanks de duurdere productiemethode is winning van olie uit teerzanden rendabel, zolang olie duurder is dan 30 dollar per vat. De totale voorraad aan olie uit teerzanden is ongeveer 460 miljard ton. Daarnaast zijn er ook voorraden zeer zware olie. De totale wereldwijde voorraad aan zeer zware olie wordt geschat op 300 miljard ton [WEC].

Methaanhydraat is een op ijs gelijkende stof waarin methaangas opgesloten zit; het is een methaanmolecuul opgesloten in een kooi van ijs (ongeveer 6 moleculen water op een molecuul methaan). Methaanhydraat worden ook wel vloeibaar ijs, methaanclathraat of clathraat-hydraat genoemd. Methaanhydraten kunnen worden gevonden in permafrostgebieden en op de bodem van oceanen. De grootste energiereserves aan methaanhydraten liggen op de oceaanbodem. Geschat wordt dat de voorraad methaanhydraat in de oceanen veel groter is dan de totale voorraad fossiele brandstoffen. De gevolgen op het milieu van winning van het methaangas uit methaanhydraten zijn nog niet duidelijk. Eveneens onduidelijk is of het methaan op technisch/economisch verantwoorde wijze kan worden gewonnen uit het gashydraat. Japan is er begin 2013 voor het eerst in geslaagd om op kleine schaal methaangas vrij te maken uit gashydraten op de bodem van de oceaan, op ongeveer een kilometer diepte onder de waterspiegel. Technisch gezien lijkt winning dus mogelijk. Onderzocht wordt nu of de winning van het methaangas op grotere schaal mogelijk is en of dit op economisch verantwoorde wijze, rekening houdend met het milieu, kan gebeuren [Volkskrant].

Methaanhydraten kunnen ook een bijdrage aan het broeikasgaseffect geven als het bij hogere temperaturen spontaan uit het ijs vrijkomt. Een gevaar bij winning van methaan uit methaanhydraten is dat het gas ongecontroleerd vrijkomt en in de atmosfeer wordt opgenomen. Methaan is een veel krachtiger broeikasgas dan kooldioxide.


Geografische verdeling fossiele energiebronnen

Een belangrijke oorzaak van een deel van de huidige politieke spanningen in de wereld is het feit dat de beschikbare energiebronnen niet gelijk over de wereld zijn verdeeld. Onderstaande figuur geeft het voorkomen van de belangrijkste fossiele bronnen over acht werelddelen in 2011 [WEC].

Grafiek van de geografische verdeling van energievoorraden wereldwijd

In de figuur is te zien dat de steenkoolvoorraden geografisch gezien vrij goed gespreid zijn. Uit de figuur blijkt ook dat de aardolievoorraden niet geografisch goed gespreid zijn en hoofdzakelijk voorkomen in het Midden-Oosten. De geografische spreiding van aardgas is iets beter. Nederland beschikt over ongeveer 1% van de gasvoorraad. De voorraden uranium zijn ook vrij goed gespreid over de aarde.


Uranium

Uranium wordt in kernreactoren gebruikt om elektriciteit op te wekken. Uranium wordt gewonnen uit uraniumerts en daarna verrijkt in ultracentrifuges om het geschikt te maken als brandstof voor kerncentrales. Wereldwijd draaien er ongeveer 440 kerncentrales, waarmee in 2009 ongeveer 2600 GWh aan elektriciteit werd opgewekt; dat is 14% van de wereldwijd opgewekte elektriciteit [WEC]. Het nucleaire aandeel in de elektriciteitsopwekking neemt langzaam af. Het gebruik van kerncentrales is omstreden om twee hoofdredenen. De eerste reden is dat in een kernreactor radioactief afval ontstaat. Dit afval blijft duizenden jaren radioactief en moet vele duizenden jaren goed bewaard worden. Komende generaties worden opgezadeld met het veilig bewaren van het afval wat nu geproduceerd wordt. De tweede reden is dat kerncentrales niet altijd veilig zijn. In het verleden hebben er een aantal grote kernrampen plaatsgevonden; onder andere in Harrisburg, Tsjernobyl en recent in Fukushima. Wereldwijd hebben er zich in kerncentrales acht (gedeeltelijke) kernsmeltingen voorgedaan; twee in Amerika, twee in Europa en vier in Japan inclusief Fukushima. Gemiddeld is dat eens in de 2000 reactorjaren. Met het bovengenoemde aantal kernreactoren is de kans dus groot dat dit binnen afzienbare tijd weer een keer gebeurd [Volkskrant].

Bij de Tsjernobylcentrale in de Oekraine was een gebied van 3000 km2 jarenlang ontoegankelijk vanwege radioactieve besmetting. De stad Tsjernobyl is sinds 1986 een spookstad, pas onlangs is deze stad weer veilig voor mensen verklaard, groente en fruit uit dit gebied zijn echter nog steeds niet eetbaar. De radioactieve besmetting van Tsjernobyl heeft naar schatting 5000 gevallen van kanker veroorzaakt, met name schildklierkanker, het kunnen er echter ook 36.000 geweest zijn. Bij de laatste kernramp in 2011 in Fukushima in Japan is een gebied met een straal van 20 kilometer rond de centrale onbewoonbaar verklaard als gevolg van radioactieve besmetting. Ruim 160.000 mensen werden noodgedwongen uit het gebied geëvacueerd [Volkskrant].

In Duitsland heeft de ramp in Fukushima een ommekeer in het energiebeleid veroorzaakt. Acht van de zeventien kerncentrales werden van het net gehaald. In 2021 moeten alle kerncentrales zijn gesloten. Ook Zwitserland wil helemaal van kernenergie af. De eerste van vijf reactoren gaat in 2019 dicht, de laatste in 2034. In Japan zelf is het besluit genomen om na 2030 te stoppen met kernenergie [Volkskrant].

De ramp in Japan in 2011 heeft geleid tot het stellen van nieuwe veiligheidseisen aan kerncentrales. De vereiste maatregelen, nodig om een kerncentrale veiligheid te kunnen bedrijven, maken de elektriciteitsopwekking met uranium in kerncentrales relatief duur, nog afgezien van de kosten van het veilig opslaan en bewaken van het radioactieve afval. In Europa zijn drie kerncentrales in aanbouw. De bouwers van deze centrales kampen met grote kostenoverschrijdingen doordat tijdens de bouw de veiligheidseisen zijn opgevoerd [Volkskrant].


Hernieuwbare energiebronnen

Op den duur wordt de belangrijkste energiebron hernieuwbare of duurzame energie. De meeste hernieuwbare energiebronnen zijn direct of indirect afkomstig van de zon. Voorbeelden van directe toepassing van zonne-energie zijn:

  • fotovoltaische cellen (zonnepanelen, zonnecellen),
  • zonnecentrales,
  • zonnecollectoren.

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

Indirect wordt zonlicht ook gebruikt via:

  • windturbines,
  • golfgeneratoren,
  • waterkrachtcentrales,
  • biomassacentrales,
  • oceaancentrales.

Opwarming door de zon veroorzaakt luchtdrukverschillen waardoor het waait. Via windturbines wordt deze windenergie omgezet in elektriciteit. Op zee onstaan golven door de wind. Via golfgeneratoren wordt deze energie omgezet in elektriciteit. Zonlicht zorgt ook voor wolkvorming met regen als gevolg. De regen wordt achter stuwdammen in rivieren opgevangen. Met waterkrachtcentrales wordt daar vervolgens elektriciteit van gemaakt. Biomassa is een geconcentreerde vorm van zonlicht; gewassen als planten en bomen groeien door zonlicht. Hout is al sinds het begin van de mensheid een energiebron voor het maken van vuur. Biomassa wordt nu verstookt in elektrictieitscentrales of de biomassa wordt vergist of vergast tot een brandbaar gas. Biologisch afval, zoals bijvoorbeeld huishoudafval, mest en dergelijke, vormt eveneens een bron van hernieuwbare energie. Het afval wordt in energie omgezet door het te verbranden, te vergassen of te vergisten. Ook het verschil in warmte aan het oppervlak en in de diepte van een oceaan wordt gebruikt om energie op te wekken (OTEC: Ocean Thermal Energy Conversion).

Andere hernieuwbare energiebronnen zijn:

  • getijdecentrales,
  • geothermische energie,

De zwaartekracht van de maan veroorzaakt getijden in zeeën. In getijdencentrales wordt hiervan gebruikt gemaakt en wordt de getijde-energie omgezet in elektriciteit. 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. Geothermische energie is warmte die op enige kilometers diep aan de aarde wordt onttrokken. Deze energie wordt gebruikt voor warmtelevering of opwekking van elektriciteit.

Hernieuwbare energie is op elke plaats op aarde beschikbaar. Onderstaande figuur geeft een indruk van de beschikbaarheid over de werelddelen en van de stand van zaken van het gebruik van hernieuwbare energiebronnen.

Grafiek van de geografische verdeling van hernieuwbare energiebronnen wereldwijd

Uit de figuur is te zien dat waterkracht vooral in Europa, Noord- en Zuid-Amerika en in Oost- en Zuid-Azië (met name China) goed is ontwikkeld. In Europa wordt ongeveer de helft van het technisch potentieel aan waterkracht benut; in Noord- en Zuid-Amerika ongeveer een kwart, in Oost- en Zuid-Azië en in Oceanië ongeveer een vijfde. In Oost-Europa, Centraal Azië, Midden-Oosten en Afrika is het potentieel aan waterkracht nog nauwelijks ontwikkeld. Biomassa wordt vooral gebruikt in Afrika, Zuid-Amerika en Oost- en Zuid-Azië. Er is een behoorlijk potentieel aan biomassa voor gebruik als energiebron vooral in Zuid-Amerika (Brazilië, suikerriet en hout) en Azië, (India en China). Er worden verschillende technieken gebruikt om biomassa in energie om te zetten; bijstoken, verbranden, vergisten en vergassen. Zonnecellen worden vooral in Europa gebruikt voor het opwekken van elektriciteit. Europa is, net als bij zonnecellen, koploper in het toepassen van windenergie voor het opwekken van elektriciteit. Geothermische bronnen om elektriciteit te genereren worden vooral gebruikt in Europa, Noord-Amerika en Azië terwijl in Europa ook veel geothermische bronnen worden ingezet als warmtebron. In 2021 was er in de Europese Unie een omslagpunt, er werd meer elektriciteit opgewekt uit hernieuwbare bronnen dan uit fossiele brandstoffen [WEC], [Volkskrant].