Hernieuwbare energie in de praktijk

Hernieuwbare energie

De energievoorziening verkeert in een energietransitie, er wordt overgegaan op technieken om energie op te wekken uit hernieuwbare energiebronnen. In 2023 werd de helft van de Nederlandse elektriciteit hernieuwbaar opgewekt, vooral door zonnepanelen en windturbines. Zonnepanelen zijn nu verantwoordelijk voor 17,6% van alle elektriciteit, daarna volgen windturbines op het land 15,1%, windparken op zee 9,9% en biomassacentrales 7,3%. De andere helft van de elektriciteit werd op conventionele wijze opgewekt met gas- en kolencentrales. De verwachting is dat de groene stroom de komende jaren alleen maar verder toeneemt. In de praktijk worden veel verschillende technieken gebruikt om de hernieuwbare energie, elektriciteit en warmte, op te wekken.

Zonne-energie

De kracht van de zon

Zonne-energie is verreweg de belangrijkste en ook de grootste energiebron op aarde. De zon straalt een ontzaglijke hoeveelheid energie uit, waarvan maar een fractie de aarde bereikt in de vorm van zonlicht. Maar een deel van dit zonlicht bereikt de aarde, op het aardoppervlak ligt de intensiteit van het zonlicht rond de 165 W/m². Hieronder worden voorbeelden gegeven van technieken die in de praktijk zonlicht direct omzetten in energie. Dat zijn zonnepanelen, zonnecollectoren en zonnecentrales.

Zonnepanelen

Zonnepanelen maken gebruik van fotovoltaïsche cellen, die zonlicht direct omzetten in elektriciteit. Begin 2023 waren er ongeveer 2,5 miljoen kleinverbruikers (huishoudens of kleine bedrijven) met zonnepanelen. Bij een kwart van de huishoudens liggen er zonnepanelen op het dak, in totaal zijn dat meer dan 60 miljoen zonnepanelen. De levensduur van de panelen is zeker 25 jaar. De sterke toename van zonne-energie is het gevolg van het steeds goedkoper worden van zonnepanelen. Kostte deze in 2009 nog 359 dollar/MWh, in 2024 is dat 40 dollar/MWh. Onderstaande figuur geeft een beeld van zonnepanelen op een woning voor het opwekken van elektriciteit.

In 2022 was in Nederland het totale vermogen aan zonne-energie 19.143 MWp. Op 13 juli 2023 werd in Nederland 140 GWh uur opgewekt door zonnepanelen, dat is genoeg elektriciteit voor een jaar voor 56.000 huishoudens. In heel 2023 werd 17,6% van alle elektriciteit met zonnepanelen opgwekt. De grote hoeveelheid elektriciteit uit zonnepanelen leidt, samen met de elektriciteit uit windenergie, regelmatig tot negatieve elektriciteitsprijzen of tot overbelasting van het elektriciteitsnet [RVO].

Zonneparken. Een groot aantal panelen bij elkaar geplaatst wordt een zonnepark genoemd. De panelen kunnen zijn geplaatst op land, op water of op grote daken van landbouw- en bedrijfsgebouwen. Echter vanaf 1 januari 2024 mogen geen zonneparken meer op landbouwgrond geplaatst worden. Zonneparken moeten zoveel mogelijk worden aangelegd op daken en gevels van gebouwen, langs wegen en spoorlijnen, op industrieterreinen, op stortplaatsen en boven parkeerplaatsen. Alleen in uitzonderlijke gevallen mag dit nog op landbouwgrond, bijvoorbeeld als de panelen worden gecombineerd met landbouwactiviteiten [Volkskrant].

Zonnecentrales

Bij zonnecentrales wordt zonlicht door spiegels geconcentreerd op een plaats. De hoge temperatuur die met het geconcentreerde zonlicht wordt bereikt wordt gebruikt om water in stoom om te zetten. De stoom drijft een stoomturbine aan die op zijn beurt een elektrische generator aandrijft die de energie omzet in elektriciteit. Onderstaand foto geeft een beeld van een dergelijke installatie in Spanje bij Sevilla.

Behalve in Spanje staan dergelijke zonnecentrales onder andere ook in Marokko, de Verenigde Staten en Chili. De rond de toren opgestelde spiegels verwarmen een reservoir gesmolten zout, bovenin de toren, tot ongeveer 550 ^oC. Met deze warmte wordt elektriciteit opgewekt. De centrale wekt 210 MW aan elektriciteit op [Volkskrant], Wikipedia.

Zonnecollectoren

Zonnecollectoren zetten zonlicht direct om in warm water. Onderstaande figuur geeft een beeld van zonnecollector op een woning voor de warmwatervoorziening.

Het bedrijf Suncom bouwt zonnecollectoren gebaseerd op het principe van een zonnecentrale maar dan op kleinere schaal. Dit systeem wekt warmte op die in industriële processen gebruikt kan worden [Volkskrant].

Omgevingswarmte

Onder omgevingswarmte vallen allerlei technieken gegeven die gebruik maken van warmte uit de omgeving. Ook geothermische energie wordt hieronder behandeld.

Warmtepompen. De warmte in de omgeving wordt gebruikt om woningen te verwarmen met warmtepompen, warmtewisselaars en warmte/koude-opslagsystemen. Een warmtepomp haalt warmte uit de omgeving en geeft dat bij hogere temperatuur af in een woning. De warmtepomp wordt meestal aangedreven door elektriciteit. Warmtepompsystemen kunnen de warmte zowel uit de lucht als uit de bodem halen. In het laatste geval kan direct grondwater worden opgepompt en is het water de bron van de warmte in de installatie. Als oppompen van grondwater niet wenselijk of niet mogelijk is kunnen bodemwarmtewisselaars worden gebruikt om de warmte aan de bodem te onttrekken. De bodemwarmtewisselaar vormt een gesloten buizencircuit waar een antivriesmengsel in rond wordt gepompt dat de warmte aan de bodem onttrekt. Meer informatie over verwarmen met warmtepompen, en de verschillende systemen daarvoor, wordt gegeven in Wikipedia.

Warmte/koude-opslagsystemen en warmtewisselaars. Warmte/koude-opslagsystemen slaan in de zomer warmte op, bijvoorbeeld door een woning te koelen. In de winter wordt de warmte gebruikt om de woning te verwarmen. Warmte/koude-opslagsystemen zijn meestal uitgerust met warmtepompen. Een warmtewisselaar haalt ook warmte uit de omgeving of uit een lucht- of waterstroom en geeft dat bij een iets lagere temperatuur af aan de woning. Meer informatie over verschillende systemen voor warmte/koude-opslag wordt gegeven in CBS, Hernieuwbare energie in Nederland, 2021 en Wikipedia.

Geothermische energie. De temperatuur in het middelpunt van de aarde ligt om en de nabij de 7000 ^oC. De temperatuur aan het aardoppervlak ligt gemiddeld rond de 15 ^oC. Dat betekent dat de bodemtemperatuur met de diepte toeneemt. In Nederland bedraagt deze toename ongeveer 3,0 á 3,5 graden per 100 meter. Onder Nederland ligt, op een diepte van 2 kilometer meter, de aardtemperatuur rond de 60 á 70 ^oC; op een diepte van 4 kilometer rond de 100 ^oC. Met een bodemwarmtewisselaar kan deze warmte worden gewonnen en worden gebruikt voor verwarmen of voor elektriciteitsopwekking. Lage temperatuur warmte wordt meestal gebruikt voor verwarming en hoge temperatuur (> 150 à 200 ^oC) warmte voor elektriciteitsopwekking. Het aandeel geothermische energie voor het verwarmen van tuinbouwkassen en gebouwen neemt de laatste jaren sterk toe. In 2022 waren er in totaal 23 projecten gerealiseerd en waren er 13 projecten in ontwikkeling. Meer informatie over geothermische energie en het gebruik in Nederland wordt gegeven in CBS, Hernieuwbare energie in Nederland, 2021 en Wikipedia

Waterkracht

Vormen van waterkracht

Al vanaf het begin van onze jaartelling wordt waterkracht gebruikt om mechanische energie te genereren met watermolens. Waterkracht wordt nu vooral gebruikt om elektrische energie op te wekken met turbines. Onder waterkracht worden hier allerlei technieken behandeld die op de een of andere manier te maken hebben met water. Naast de klassieke vorm van waterkracht met stuwdammen is er nu, door het streven naar meer hernieuwbare vormen van energie, ook aandacht voor andere vormen van waterkracht. Verschillende vormen van waterkracht zijn:

• waterkrachtcentrales,
• getijdencentrales
• energie uit golven,
• energie uit verschil in watertemperatuur
• energie uit verschil in zoutconcentratie

Waterkrachtcentrales

Moderne waterkrachtcentrales maken geen gebruik van schoepen of bakken zoals bij de vroegere watermolens. Er wordt gebruik gemaakt van turbines om de potentiële energie van het water om te zetten in mechanische energie. Onderstaande figuur geeft een globaal beeld het hele systeem van een waterkrachtcentrale. Links in de figuur ligt de stuwdam met het stuwmeer waarin het water wordt verzameld.

Het water wordt ingelaten bij de dam van het stuwmeer. Daar bevinden zich roosters om te voorkomen dat vuil de turbine ingaat. Verder bevat de inlaat meestal ook kleppen om de waterstroom te regelen. Het water stroomt door de inlaatpijp naar een spiraal rond de turbine en verlaat de turbine aan de onderzijde. De turbine drijft de generator aan die elektriciteit opwekt. Via een transformator wordt de opgewekte elektriciteit aan het hoogspanningsnet toegevoerd. Via het hoogspanningsnet wordt de energie getransporteerd naar de afnemers. De waterkrachtcentrale "La Grande Rivière" is een voorbeeld van een waterkrachtcentrale.

Getijdencentrales

De getijden, die door de maan in zeeën en oceanen worden veroorzaakt, kunnen op twee manieren worden gebruikt om energie op te wekken. Getijden geven hoogteverschillen waarmee waterbassins worden gevuld. De werking is dan ongeveer hetzelfde als bij een waterkrachtcentrale. Getijden veroorzaken ook stromingen. Door turbines in de stroming te plaatsen wordt dan energie opgewekt.

Hoogte-energie. Een getijdencentrale werkt op dezelfde manier als een waterkrachtcentrale achter een stuwdam, alleen de watervoorziening verschilt. Bij een getijdencentrale wordt tijdens vloed zeewater in een bassin gelaten. Bij eb is er dan een hoogteverschil tussen het waterbassin en het zeewater waarmee een waterturbine kan worden aangedreven. Het hoogteverschil tussen het zeewaterniveau en het bassinniveau kan zowel tijdens eb als vloed voor energieopwekking worden gebruikt. In het buitenland staan, op plaatsen waar een groot hoogteverschil is tussen eb en vloed, getijdencentrales die elektriciteit opwekken.

Stromingsenergie. Energie kan ook worden gewonnen uit de getijdenstromingen die ontstaan als gevolg van eb en vloed. Ten opzichte van getijdencentrales met een bassin is het voordeel dat er geen dam hoeft te worden gebouwd en dat de natuurlijke omgeving met zijn eb en vloed niet wordt aangetast. Bij energiewinning uit de getijdenstromingen worden propellers of turbines in de stroming geplaatst. De turbine zet de kinetische energie van de zeestroming om in mechanische energie die een generator aandrijft die elektrische energie opwekt. De elektriciteit wordt in feite op dezelfde manier opgewekt als bij een windturbine. Maar omdat de dichtheid van water groter is dan van lucht is de diameter van de rotor de helft kleiner voor hetzelfde vermogen. Ten opzichte van windenergie zijn er een aantal voordelen. De stroomsterkte is goed voorspelbaar, er zijn geen grote variaties in de stroomsterkten over langere tijd gezien. Daardoor kan de turbine voor de optimale stroomsterkte worden ontworpen en hoeft geen rekening te worden gehouden met extreme omstandigheden.

Energie uit golven

Golven ontstaan als wind over een wateroppervlak blaast. Bij golfenergie wordt gebruik gemaakt van het hoogteverschil tussen de golven. Vooral aan de kusten van de grote oceanen op de hogere zuidelijke en noordelijke breedtegraden is er een groot potentieel aan waterkracht uit golfenergie.

Energie uit verschil in watertemperatuur

Er is een temperatuurverschil tussen het water aan het oppervlak en in de diepte van een oceaan. In tropisch gebieden heeft het oppervlaktewater een temperatuur van 25 tot 30 ^oC, terwijl het water op een diepte van ongeveer 1000 meter een temperatuur van ongeveer 5 ^oC heeft. Dit temperatuurverschil wordt met een zogenaamde OTEC-installatie benut (OTEC: Ocean Thermal Energy Conversion) om elektriciteit op te wekken.

Energie uit verschil in zoutconcentratie

Energie wordt ook gewonnen uit het verschil in zoutgehalte tussen zee- en rivierwater, door gebruik te maken van membranen. Deze energievorm wordt ook wel 'Blauwe energie' genoemd. In praktijk kan er per kubieke meter zoet water één MW worden gegenereerd. In Nederland stroomt ongeveer 3.300 kubieke meter water per seconde naar de zee. Het potentieel aan elektrisch vermogen komt daarmee op 3.300 MW. Het technische potentieel wordt geschat op 2000 MW, hiermee kan 20,000 GWh ofwel ongeveer 16% van het Nederlandse elektriciteitsverbruik worden opgewekt. In de afsluitdijk bij Kornwerderzand is een eerste proefcentrale, met een vermogen van 50 kW, gebouwd door het bedrijf REDstack om ervaring met de techniek op te doen.

Windenergie

Net als met watermolens wordt al vanaf het begin van onze jaartelling windenergie gebruikt om mechanische energie te genereren via windmolens. Met windenergie wordt nu via windturbines vooral elektriciteit geproduceerd. In 2023 werd 25,0% van de elektriciteit in Nederland met windenergie opgewekt. De kosten van windenergie dalen, was de kostprijs in 2009 nog 140 dollar/MWh in 2024 is dat gedaald naar 40 per dollar/MWh [RVO].

De Noordzee ontwikkelt zich tot een kolossaal wingebied voor groene elektriciteit uit windenergie. Er staan nu acht 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 [RVO], [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].

Biomassa en bioafval als hernieuwbare energiebron

Biomassa in de vorm van hout wordt verstookt of bijgestookt in elektriciteitscentrales voor het opwekken van elektriciteit. De industrie wordt biomassa in de vorm van hout gebruikt om in ketels om warmte op te wekken. In onder andere huishoudens wordt biomassa in de vorm van hout gebruikt in houtkachels en open haarden voor warmte. Naast hout kan elk organisch materiaal als energiebron worden gebruikt. Er is bijvoorbeeld ook veel biomassa in de vorm van afval van biologische aard. Er zijn veel technieken die biologische afvalstromen verwerken tot hernieuwbare energie in afvalverbrandingsinstallaties, op stortplaatsen, in rioolwaterzuiveringsinstallaties, mestvergistingsinstallaties, afvalwaterzuiveringsinstallaties en bioraffinaderijen. Een voorbeeld van het gebruik van biomassa is het bedrijf BMC Moerdijk. Dit produceert groene elektriciteit door het verbranden van kippenpoep. Er wordt ongeveer 1200 tot 1400 ton per dag verstookt [Volkskrant], Wikipedia.

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. Het bedrijf Renewi produceert methaan uit voedingsmiddelen die in winkels worden weggegooid omdat ze over de datum zijn. De methaan wordt door vergisting van de etensresten geproduceerd, een deel van het methaan wordt omgezet biogas wat wordt verkocht als brandstof voor vrachtwagens. Een ander deel van het biogas wordt gebruikt om in de eigen warmtekrachtinstallatie warmte en elektriciteit op te wekken. De vaste resten worden verwerkt tot mestkorrels. Renewi werkt ook aan een installatie die het biogas geschikt moet maken om het te kunnen injecteren in het gasnet. Het bedrijf SCW systems produceert biogas uit afval via een proces dat superkritische watervergassing heet. In dit proces wordt afval in water onder zeer hoge druk (240 bar) en temperatuur (600 ^oC) omgezet in methaan, waterstof en kooldioxide. Het maakt nauwelijks uit waar de afval uit bestaat; rioolslib, etensresten, glycerine of plastic afval, alles kan worden omgezet. Superkritische vergassing levert 5 tot 20 keer meer energie op dan dat er in gaat. Het proces kan ook zo afgesteld worden dat er meer groene waterstof wordt geproduceerd. Er zijn nu vier installaties in bedrijf die gezamenlijk 16 miljard kuub groen gas produceren. De CO₂ die vrijkomt kan binnenkort worden opgevangen en omgezet worden in een vaste stof die als vervanger kan dienen van cement en beton. Daarmee wordt de CO₂ uit de atmosfeer, die daar door de planten is uitgehaald, verwijderd [Volkskrant].

Kerncentrales

De Nederlandse regering overweegt om twee kerncentrales te bouwen. Volgens het adviesbureau CE Delft zijn de kosten van een nucleair energiesysteem ruim 14 miljard euro per jaar uitgaande van een optimistische kostenraming voor de bouw van kerncentrales. Een energiesysteem gebaseerd op wind en zonne-energie vraagt ruim 12 miljard euro en is daarmee een stuk goedkoper dan een nucleair systeem. Terwijl de kosten van hernieuwbare energie dalen, stijgen de kosten van kernenergie. Van 2009 tot 2024 is de kostprijs van kernenergie gestegen van 125 naar 160 dollar/MWh. Kernenergiecentrales kunnen straks niet continu gebruikt worden omdat de stroom uit wind- en zonne-energie een stuk goedkoper is. Doordat de vaste kosten van een kerncentrale hoog zijn wordt een kerncentrale al snel onrendabel als deze niet 24 uur per dag kan draaien. De levering van elektriciteit, op dagen dat er geen zonne-energie is en het niet waait, kan over enkele jaren worden opgevangen door grote batterijen. Deze kunnen, op dagen van de een overvloed aan groene stroom, elektriciteit opslaan. Een overvloed aan elektriciteit kan ook gebruikt worden om waterstof te produceren die dan later in gascentrales kan worden gebruikt in tijden van een lagere productie van groene elektriciteit. Dit is een dure oplossing maar waarschijnlijk goedkoper dan kernenergie [Volkskrant].

Waterstof als hernieuwbare energiedrager

Waterstof is een veel belovende energiedrager. Waterstof kan via elektrolyse geproduceerd worden uit water. Wanneer de energie voor elektrolyse groene elektriciteit is wordt groene waterstof geproduceerd. De waterstof kan zowel dienen als opslagmiddel van energie en ook dienen als grondstof voor productieprocessen.

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. In het Noord Groningse dorpje Wagenborgen zijn eind 2023 de eerste van 33 rijtjeswoningen aangesloten op een waterstofnet voor verwarming van de huizen. De eerste tijd wordt de groene waterstof nog aangevoerd in tankwagens, vanuit België [Volkskrant].