Huidige energiebronnen

Vormen van energiebronnen

Het blad Wat is energie geeft de verschillende vormen van energie. De mensheid gebruikt, al van oudsher, verschillende energievormen. In het verleden waren dat vooral hernieuwbare bronnen in de vorm van:

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

Het blad Energietransitie liet zien welke vormen van energie in de loop van de tijd werden gebruikt. Deze pagina gaat in op de vormen van energie die nu worden gebruikt voor de energievoorziening. Vanaf de 20^e eeuw zijn dat vooral vormen van energie uit fossiele energiebronnen als:

• aardolie,
• aardgas,
• steenkool.

Ze worden fossiel genoemd omdat aardolie, aardgas en steenkool, miljoenen jaren geleden zijn gevormd uit plantenresten.

Een andere belangrijke hedendaagse energiebron is:

• uranium

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

Een vrij recent ontdekte energiebron, die op aarde kan worden gewonnen, is:

• waterstof

Sinds kort is ontdekt dat waterstof gevormd kan worden in ijzerhoudend gesteente.

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, naar menselijke maatstaven, onuitputtelijk zijn. De bronnen 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.

Zonne-energie

Hoewel 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. Op de plaats van de aarde in het heelal ligt de intensiteit van het zonlicht rond de 1360 W/m².

De figuur geeft de zonne-energie die de aarde gemiddeld, per jaar, 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. Deze energie ligt in de orde van 145 EJ (EJ = exa Joule = 10¹⁸ Joule).

Het totale jaarlijkse energieverbruik, van de diverse energiebronnen in Nederland, ligt in 2020 rond 3000 PJ (PJ = peta Joule = 10¹⁵ Joule) [CBS Statline]. 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.

Fossiele energie en uranium

Steenkool, aardolie, aardgas en uranium, voorraden en productie

Nu worden nog hoofdzakelijk fossiele energiebronnen voor de energievoorziening gebruikt. Een fossiele energiebron is in feite ook zonne-energie. Deze zonne-energie werd miljoenen jaren geleden vastgelegd in planten. Nadat de planten werden bedolven onder andere bodemlagen liepen druk en temperatuur op, waardoor de plantenresten werden omgezet in fossiele energie en opgeslagen in de aardkorst. De belangrijkste fossiele bronnen zijn steenkool, aardolie en aardgas. Daarnaast zijn er voorraden uranium voor het opwekken van nucleaire energie. De voorraden fossiele en nucleaire energie zijn eindig. Van de belangrijkste fossiele en nucleaire energiebronnen geeft onderstaande tabel aan, voor de situatie rond 2021, in welke mate ze wereldwijd beschikbaar zijn, hoeveel er momenteel geproduceerd wordt en over hoeveel jaar deze bronnen uitgeput zijn bij de genoemde productiehoeveelheden [IEA], [Our World in Data].

In de tabel worden, onder de kop 'Voorraad', de bewezen reserves van de energiebron genoemd. Onder de kop 'Winbare voorraad' wordt de hoeveelheid genoemd die op dit moment, met bestaande technieken, economisch kan worden gewonnen. De voorraad brandstoffen is groter maar deze voorraad kan (nog) niet om economische of technische redenen worden gewonnen. Voor aardolie en aardgas 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, wel voor winning beschikbaar komen. De economisch winbare voorraad wordt dan groter dan in de tabel aangegeven. Hernieuwbare energie zal komende jaren echter de rol van fossiel overnemen.

Volgens het Internationaal Energie Agentschap (IEA) piekt de vraag naar kolen in dit decennium; aardgas piekt rond 2030 en rond 2050 zal de vraag naar olie pieken, daarna is het fossiele tijdperk snel voorbij. Volgens het IEA is sinds 2020 maar liefst 40% meer geïnvesteerd in hernieuwbare energie, vooral in zonne-energie. IEA ziet wereldwijd het elektrische vervoer met auto's en bussen groeien, waardoor de vraag naar benzine en diesel daalt. In Europa groeit het aandeel in de zonne-energie snel en er wordt minder elektriciteit geproduceerd in gascentrales door het wegvallen van het Russische aardgas. IEA ziet structurele verschuivingen in de economie van China waar de nadruk minder op de zware industrie komt te liggen. Verder wordt in China veel elektriciteit met zonnepanelen en kernenergie geproduceerd [IEA].

Andere fossiele bronnen

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

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

Turf. De voorraad turf ligt in dezelfde orde van grootte als de steenkoolvoorraad. Er is wereldwijd ongeveer 500 miljard ton turf aanwezig. 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. Daarnaast is er een tendens om veengebieden, waaruit turf wordt gewonnen, te behouden voor de biodiversiteit, voor wateropslag en als koolstofput [Volkskrant].

Schaliegas is gas dat zit opgesloten in kleine poriën in kleisteenlagen. Er is wereldwijd een grote hoeveelheid schaliegas in de bodem aanwezig, naar schatting ongeveer 215.000 miljard kubieke meter. De schaliegasvoorraad ligt dus in dezelfde orde van grootte als de aardgasvoorraad. Het gas in deze kleisteen- of schalielagen kan moeilijker aan deze lagen worden onttrokken vergeleken met aardgas in poreuze zandsteenlagen. Vooral in de Verenigde Staten wordt veel schaliegas gewonnen. Dankzij schaliegas zijn de Verenigde Staten zelfvoorzienend geworden voor gas [WEC], [Volkskrant].

Schalieolie. 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 830 miljard ton schalieolie in de bodem aanwezig is. De winning is echter veel moeilijker dan van aardolie. In de Verenigde Staten wordt veel schalieolie gewonnen [WEC], [Volkskrant].

Teerzanden bevatten veel bitumen. Bitumen lijkt op zware petroleum. Ongeveer 85% van de wereldenergievoorraad aan bitumen komt voor in Canada. Jaarlijks wordt in Canada ongeveer 36 miljoen ton olie geproduceerd uit bitumen. 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. 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 ongeveer even groot is als de totale voorraad aardgas. Methaanhydraten kunnen ook een bijdrage aan het broeikasgaseffect geven als het bij hogere temperaturen, methaan 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 [WEC].

Gevolgen gebruik van fossiele bronnen

Gevolgen gebruik fossiele brandstoffen. Het gebruik van fossiele brandstoffen gaat gepaard met de uitstoot van kooldioxide. Dat versterkt het broeikasgaseffect, verhoogt de temperatuur op aarde en heeft schadelijke gevolgen voor de menselijke samenleving. Op de klimaattop in Glasgow, in 2021, is afgesproken dat de opwarming van de aarde onder de 1,5^oC moet blijven. Momenteel ligt de aarde op koers voor een opwarming van ongeveer 2,7^oC. Dat is ruim boven de grens van 1,5^oC die de internationale gemeenschap heeft aangemerkt als gevaarlijk. De reden is dat de 15 landen, die de meeste fossiele brandstoffen produceren, olie, gas en steenkool uit de grond blijven halen om aan de vraag te voldoen. Dat gaat ertoe leiden dat die landen in 2030 drie keer teveel steenkool delven, 17% te veel gas en 50% te veel olie oppompen om de temperatuurstijging onder de 1,5^oC te houden [United Nations], [Volkskrant].

Uranium

Natuurlijk uraniumerts wordt verrijkt en vervolgens in de splijtstofstaven van kerncentrales gebruik om elektriciteit op te wekken. Wereldwijd draaiden er in 2022 in 32 landen 440 kerncentrales, met een totaal vermogen van 383 GW. Hiermee werd in 2022 ongeveer 2.740 TWh aan elektriciteit werd opgewekt; dat is 11% van de wereldwijd opgewekte elektriciteit en 5% van het wereldwijde energieverbruik. Het nucleaire aandeel in de elektriciteitsopwekking nam de laatste jaren langzaam af om twee hoofdredenen:

• het afval van kerncentrales blijft tien- tot honderdduizenden jaren radioactief,
• de veiligheid van kerncentrales.

In een kernreactor ontstaat radioactief afval. Dit afval blijft tienduizenden jaren radioactief, gebruikte splijtstof zelfs honderdduizenden jaren. Dit afval moet vele tienduizenden jaren goed bewaard worden. Komende generaties worden opgezadeld met het veilig bewaren van het afval, wat nu geproduceerd wordt. De veiligheid van kerncentrales is niet altijd gegarandeerd. In het verleden hebben er een aantal grote kernrampen plaatsgevonden; onder andere in Harrisburg, Tsjernobyl en 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. Uitgaande van het bovengenoemde aantal kernreactoren is de kans groot dat dit, binnen afzienbare tijd, weer een keer gebeurt [WEC], [Volkskrant].

De ramp in Fukushima in 2011 heeft in verschillende landen een ommekeer in het energiebeleid veroorzaakt. In Duitsland werden acht van de zeventien kerncentrales van het net gehaald. In 2023 werden de laatste drie kerncentrales stilgelegd. Ook Zwitserland wil helemaal van kernenergie af. De eerste van vijf reactoren gingen in 2019 dicht, de laatste wordt in 2034 gesloten. In Japan is het besluit genomen om na 2030 te stoppen met kernenergie. Echter door de oorlog in Oekraïne en door zorgen over de betrouwbaarheid van energielevering uit Rusland, wordt getwijfeld aan het doorzetten van deze plannen en worden de nog draaiende centrales langer in gebruik gehouden [Volkskrant].

Onder invloed van het streven om de CO₂-uitstoot te verminderen neemt de belangstelling voor kernenergie de laatste jaren weer toe. In verschillende landen worden er nieuwe kerncentrales gebouwd, andere landen overwegen de bouw van nieuwe kerncentrales. Daardoor stijgt de vraag naar uranium. De bouwers van de kerncentrales kampen met grote kostenoverschrijdingen doordat tijdens de bouw de veiligheidseisen zijn opgevoerd als gevolg van de ramp in Japan in 2011. Kerncentrales op zich zijn relatief duur, nog afgezien van de kosten van het veilig opslaan en langdurig bewaken van het radioactieve afval [Volkskrant].

Er zijn nieuwe ontwikkelingen in de bouw van kerncentrales. Er worden kleine modulaire kernreactoren ontwikkeld, de zogenaamde SMR (Small Modular Reactor). Dit is een relatief kleine kerncentrale waarvan de reactor in een fabriek wordt gebouwd. De reactor wordt op de plaats van bestemming geassembleerd. Een alternatief voor uranium als brandstof is thorium. Een thoriumreactor is passief veilig en levert minder langlevend radioactief afval op. De verwachting is dat de eerste commerciële gesmolten zoutreactoren rond 2040 in bedrijf komen [Volkskrant].

Geografische verdeling energiebronnen, fossiel en nucleair

Een belangrijke oorzaak van een deel van de huidige politieke spanningen in de wereld is het feit dat de beschikbare fossiele energiebronnen niet gelijk over de wereld zijn verdeeld. In bovenstaande tabel worden de voorraden gegeven in tonnen of in kubieke meter. Het blad Energie-inhoud brandstoffen geeft aan wat de energie-inhoud van de voorraden brandstoffen is. Onderstaande figuur geeft de totale energievoorraad, in EJ (10¹⁸ J), in de verschillende werelddelen [IEA].

Duidelijk is dat de meeste energievoorraden aanwezig zijn in Azië Oost-Europa, Noord-Amerika en het Midden Oosten.

Onderstaande figuur geeft, voor 2022, het voorkomen van de fossiele en nucleaire energiebronnen over de zeven werelddelen in EJ (10¹⁸ Joule) [IEA], [OECD-NEA].

In de figuur is te zien dat de steenkoolvoorraden, geografisch gezien, redelijk gespreid zijn, alleen Afrika, Midden- en Zuid-Amerika en de Cariben hebben weinig steenkoolvoorraden. Uit de figuur blijkt dat de aardolievoorraden niet geografisch goed gespreid zijn, ze komen hoofdzakelijk voor in het Midden-Oosten. De geografische spreiding van aardgas is iets beter met grote voorraden in het Midden-Oosten, Oost-Europa en Centraal-Azië. Nederland beschikt over ongeveer 1% van de gasvoorraad. De voorraden uranium zijn ook redelijk gespreid over de aarde.

Onderstaande figuur geeft, voor 2022, de top vijf van brandstof producerende landen, voor ieder van de vier brandstoffen; steenkool, aardolie, aardgas en uranium. Deze landen zijn gezamenlijk goed voor ongeveer 50 tot 80 procent van de energieproductie van de brandstof [IEA], [OECD-NEA], [Our World in Data].

Uit de figuur blijkt dat China het grootste steenkool producerende land is, op ruime afstand gevolgd door India, Australië en Indonesië. De Verenigde Staten produceren de meeste olie, gevolgd door Rusland en Saudi Arabië. Verreweg de grootste producent van aardgas is de Verenigde Staten, op afstand gevolgd door Rusland en Iran. Het meeste uranium wordt gewonnen in Kazakhstan op afstand gevolgd door Canada, Australië, en Namibië.

Waterstof

Waterstof wordt normaal door de industrie geproduceerd uit kolen of aardgas. Dat waterstof niet in de bodem te vinden is werd in 2012 gelogenstraft toen bleek dat een waterbron in Mali grote hoeveelheden waterstof bevatte. Deze geologische waterstof heeft een natuurlijke oorsprong, het ontstaat door natuurlijke processen onder de grond. Sinds deze ontdekking wordt er wereldwijd gezocht naar deze nieuwe brandstof. Er zijn ondergrondse waterstofreservoirs aangetroffen in onder meer Frankrijk, Spanje, de Verenigde Staten en Australië. Volgens een schatting van het U.S. Geological survey kan er wereldwijd meer dan 5 miljard kilogram aan waterstof in de bodem opgeslagen zitten, genoeg om de mensheid 10.000 jaar van energie te kunnen voorzien. Het is echter nog onduidelijk hoe geologische waterstof precies ontslaat, hoe groot de daadwerkelijke waterstofvoorraad is en hoeveel van deze waterstof daadwerkelijk gewonnen kan worden. De grote oliemaatschappijen vinden het zoeken naar waterstof op dit moment niet interessant en richten zich uitsluitend op het zoeken naar fossiele brandstoffen [New Scientist], [Volkskrant].

Het meest voor de hand liggende ondergrondse proces waarmee geologische waterstof kan worden geproduceerd is het zogenaamde serpentinisatie-proces. Daarbij reageert grondwater met ijzerrijke mineralen, waarbij ijzeroxide en waterstof ontstaan. Veel bedrijven zoeken nu vooral naar waterstofbronnen in ijzerrijke gesteenten. Andere bedrijven kijken naar de mogelijkheden om het gas gestimuleerd te produceren in deze gesteenten. In Oman zijn er plannen om een eerste boorput ter wereld, voor de productie van de gestimuleerde geologische waterstof, tot stand te brengen in een ijzerrijk peridotietgesteente [New Scientist].

Hernieuwbare energiebronnen

Op den duur zal de energie grotendeels geproduceerd worden uit hernieuwbare of duurzame bronnen. De meeste hernieuwbare energiebronnen zijn direct of indirect afkomstig van de zon. Zonlicht wordt direct gebruikt om hernieuwbare elektriciteit en hernieuwbare warmte op te wekken. Indirect levert zonlicht biomassa, windenergie, waterkracht en golfenergie op, die ook in bruikbare energie kunnen worden omgezet, vaak in de vorm van elektriciteit en warmte. Andere hernieuwbare energiebronnen, niet op zonlicht gebaseerd, zijn getijden en geothermische energie. De zwaartekracht van de maan veroorzaakt getijden in zeeën en oceanen. Deze getijde-energie wordt meestal in elektriciteit omgezet. Door het thermisch verval van radioactieve isotopen is het binnenste van de aarde warm. Hoe dieper onder het aardoppervlak, hoe hoger de temperatuur van de aarde wordt. Deze geothermische energie kan aan de aarde worden onttrokken voor warmte- en elektriciteitslevering.

Door de prijsstijgingen van fossiele energie en om de afhankelijkheid van, met name Russische, fossiele energie te verminderen, is er een versnelling van de ontwikkeling van wind- en zonneparken. De verwachting is dat er komende jaren 2400 GW aan vermogen bijkomt. De sterkste groei vindt plaats in China waar komende jaren bijna de helft van alle nieuwe groene opwekcapaciteit wordt gebouwd [Volkskrant].