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. De 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 energie uit hernieuwbare bronnen te genereren, maken direct of indirect gebruik van de energie afkomstig van de zon. Technieken voor de directe en indirecte 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. Zonlicht verwarmt de aarde. Deze omgevingsenergie wordt opgeslagen in de bodem, in de lucht en in oppervlaktewater. Omdat de temperatuur van deze omgevingsenergie vaak laag is worden meestal warmtepompen gebruikt om de energie aan de omgeving te onttrekken. Als de temperatuur hoog genoeg is kan eventueel een warmtewisselaar worden gebruikt. De onttrokken warmte wordt 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,
• biomassacentrales,
• biomassakachels en ketels,
• oceaan thermische centrales,
• osmotische centrales,
• golfenergie centrales.

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. Biomassa wordt verstookt in elektriciteitscentrales voor het opwekken van elektriciteit. De industrie gebruikt biomassa in ketels om warmte op te wekken. In onder andere huishoudens wordt biomassa, voornamelijk hout, gebruikt in houtkachels en open haarden voor warmte. 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. Het water van zeeën en oceanen, is zout; het water van rivieren is zoet. 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 [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 een gistingstank wordt rioolslib verwarmd, daarin produceren bacteriën biogas, dat wordt gebruikt om groene elektriciteit op te wekken. In 2021 was dit goed voor bijna de helft van het energieverbruik van de rioolwaterzuiveringsinstallaties. 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 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 in Europa

Wat is de stand van zaken met betrekking tot het gebruik van hernieuwbare energie in Europa? De onderstaande figuur geeft voor 2022 het aandeel hernieuwbare energie, in het totale primaire energieverbruik, van de 27 landen van de Europese Unie, aangevuld met het primaire energieverbruik van IJsland, Noorwegen, Turkije [Eurostat].

Het land binnen Europa wat de meeste hernieuwbare energie gebruikt is IJsland. Dat gebruikt vooral geothermische energie voor warmte en elektriciteit. Op veel plekken in IJsland is het grondwater, op een kilometer diep, heter dan 150 ^oC. Gebouwen worden verwarmd met de energie van geisers. Geisers worden ook gebruikt om elektriciteit op te wekken. Verder komt de stroom van stuwmeren en windmolens. Slechts twaalf procent van het energiegebruik in IJsland komt uit olie. Dat is vooral brandstof voor transport. Ook Noorwegen heeft een behoorlijk aandeel hernieuwbare energie vooral in de vorm van waterkracht. In andere bergachtige landen is waterkracht ook een belangrijk bron voor de energievoorziening. Het kopje 'Omgeving' in de figuur geeft het aandeel van hernieuwbare energie door de inzet van warmtepompen voor verwarming en warmte/koude-opslag. In veel landen wordt op grote schaal gebruik gemaakt van biomassa, vaak in de vorm van hout, voor de verwarming van woningen. Daarnaast wordt biogas ingezet, bijvoorbeeld afkomstig van het vergisten van biologisch afval. In afvalverbrandingsinstallaties wordt afval verbrand, een deel van dat afval is biologisch en wordt als hernieuwbaar aangemerkt (bio-afval). In Denemarken, Zweden, Portugal en Ierland wordt meer dan vijf procent van de energie opgewekt met windenergie. Het aandeel zonne-energie (warmte en elektriciteit) neemt snel toe, voornamelijk door het plaatsen van zonnepanelen voor het opwekken van elektriciteit. In Spanje staan een aantal zonnecentrales die elektriciteit opwekken via geconcentreerde zonnewarmte. Nederland bleef aanvankelijk achter bij de rest van Europa. De laatste jaren neemt het aandeel hernieuwbaar in Nederland echter sterk toe, vooral door de toename van wind- en zonne-energie. In 2021 was er in de Europese Unie een omslagpunt; er werd meer elektriciteit opgewekt uit hernieuwbare bronnen (38%) dan uit fossiele brandstoffen (37%) [Volkskrant].

Hernieuwbare energie in Nederland

De stand van hernieuwbare energie in Nederland wordt in onderstaande figuur geschetst. De figuur geeft aan in hoeverre de verschillende bronnen van hernieuwbare energie bijdragen aan hernieuwbare energie in Nederland en hoe deze bronnen zich in de afgelopen tijd, van 1990 tot en met 2022, hebben ontwikkeld. In de figuur is het bruto energetisch eindverbruik van hernieuwbare energie gegeven zoals dat wordt gedefinieerd in EU-Richtlijn Hernieuwbare Energie uit 2009 [CBS, Hernieuwbare energie in Nederland, 2022].

Het aandeel hernieuwbare energie in 2022, in de vorm van het bruto energetisch eindverbruik in Nederland, is 15% van het totale bruto eindverbruik. De grootste bijdrage in 2022 in Nederland aan hernieuwbare energie wordt geleverd door windenergie (28%), gevolgd door zonne-energie (23%) en biomassa (21%). Worden het biogene afval van afvalverbrandingsinstallaties, biogas en de biotransportbrandstoffen meegerekend dan levert bio-energie 40% van de hernieuwbare energie in 2022. Uit de figuur blijkt dat de opwekking van hernieuwbare energie sterk toeneemt, vooral door de toenamen van wind- en zonne-energie [CBS, Hernieuwbare energie in Nederland, 2022].

Zonne-energie heeft een stijgend aandeel in het bruto energetisch eindverbruik. Dit is vooral het gevolg van de sterke toename van het aantal geplaatste zonnepanelen, dankzij het feit dat de prijs daarvan sterk is gedaald. In 2000 was de prijs 600 dollar per MWh, nu is dat minder dan 50 dollar per MWh. Zonnepanelen worden geplaatst op daken van woningen en (bedrijfs)gebouwen en in zonneparken. Zonnepanelen leveren groene elektriciteit (22,2%). Daarnaast wordt in zonnecollectoren, met zonne-energie, warmte opgewekt (0,4%). Windenergie levert groene elektriciteit opgewekt via windturbines, zowel op land als op zee. Wind op zee was in 2022 goed voor 39% van de totale Nederlandse elektriciteitsproductie uit wind [Volkskrant].

Onder biomassa vallen een aantal verschillende bronnen. Bij elektriciteitscentrales het (bij)stoken van biomassa voor het opwekken van elektriciteit (8,1%), bij bedrijven het verbranden van biomassa voor elektriciteits- en warmteopwekking (6,8%), bij huishoudens het stoken van hout in open haarden en kachels voor warmte (5,8%). In totaal is het aandeel biomassa dan 21% in 2022. Het gebruik van biomassa toont een daling in 2022 ten opzichte van 2021. Dat komt vooral omdat er minder biomassa wordt meegestookt in elektriciteitscentrales. Dit kwam omdat kolencentrales in 2022 iets minder hebben bijgedragen aan de totale elektriciteitsproductie als gevolg van een hogere beschikbaarheid aan elektriciteit afkomstig uit zon- en windenergie. Biogas heeft een aandeel van 2,8% in hernieuwbare energie. Onder biogas valt stortgas opgevangen uit vuilstortplaatsen (0,1%), biogas dat vrijkomt in rioolwaterzuiveringsinstallaties bij vergisten van zuiveringsslib (0,8%), biogas dat wordt geproduceerd bij het vergisten van mest al of niet samen met plantaardige materialen (1,0%) en biogas dat wordt gewonnen bij anaerobe zuivering van afvalwater en natte biomassastromen (1,0%). Het verbranden van biogeen afval in afvalverbrandingsinstallaties levert een bijdrage van 6,6% in 2022. Biotransportbrandstoffen (9,6%) zijn biobenzine (3,8%) en biodiesel (5,5%) die bijgemengd worden aan normale benzine en diesel. In 2022 en 2023 hoort ook biokerosine (0,3%) tot de groep biobrandstoffen [CBS, Hernieuwbare energie in Nederland, 2021].

De overige bronnen, buitenluchtwarmte, geothermische energie, bodem warmte/koude en waterkracht dragen in totaal 10% bij aan het hernieuwbaar bruto energetisch eindverbruik in 2022. Buitenluchtwarmte is warmte die via een warmtepomp onttrokken wordt aan de buitenlucht en wordt gebruikt voor verwarming (5,2%). Het gebruik van buitenluchtwarmte met warmtepompen is de laatste jaren flink toegenomen. In 2022 werden 394 duizend installaties geplaatst met een totaal vermogen van 2375 megawatt. Vergeleken met 2021 nam het bijgeplaatste aantal buitenluchtwarmtepompen met 14 procent toe en het vermogen met 26 procent. Geothermische energie is aardwarmte, op een diepte van meer dan 500 meter, afkomstig van processen in het binnenste van de aarde, die via een geboorde put wordt gewonnen (2,5%). Bodemwarmte/koude is warmte en/of koude onttrokken aan de bodem, al of niet gebruik makend van een warmtepomp (2,2%). Deze warmte/koude wordt gebruikt om gebouwen te verwarmen of te koelen. Waterkracht wekt groene elektriciteit op met waterturbines geplaatst in rivieren (0,1%) [CBS, Hernieuwbare energie in Nederland, 2021].

Nieuwe hernieuwbare bronnen zijn in ontwikkeling. Onder andere de 'blauwe' energiecentrale (osmotische centrale) in de Afsluitdijk. Een andere nieuwe techniek maakt gebruik van algen, die kunnen licht omzetten in elektrische stroom. Ook planten kunnen elektrische energie opwekken [Volkskrant].

Dat Nederland wat achter blijft met hernieuwbare energie, vergeleken met de rest van Europa, komt voor een deel doordat we hier nauwelijks waterkracht hebben. Daarnaast heeft Nederland een eigen aardgasvoorraad waardoor bijna alle huishoudens een aardgasaansluiting hebben. In het buitenland ontbreekt die vaak, waardoor er veel hout gestookt wordt door huishoudens. Echter ook vergeleken met landen die geen waterkracht hebben en weinig hout stoken blijft Nederland achter. Vergelijk bijvoorbeeld de situatie van Nederland met Denemarken, Duitsland en Spanje. Dat komt omdat in die landen de overheid hernieuwbare energie heeft gestimuleerd wat in Nederland pas in de laatste jaren van de grond is gekomen. De laatste jaren neemt hernieuwbare energie daardoor sterk toe, vooral door de toename wind- en zonne-energie en het toepassen van warmtepompen. In 2022 heeft Nederland met ongeveer 15% een relatief laag aandeel hernieuwbare energie vergeleken met de rest van de Europese Unie. Met 15% ligt dat onder het gemiddelde aandeel hernieuwbare energie van 19% in het Europa van de Europese gemeenschap (EU-27) in 2022. In de EU-Richtlijn Hernieuwbare Energie uit 2009 was vastgelegd dat, in Nederland, in 2020, 14 procent van het bruto energetisch eindverbruik van energie afkomstig moest zijn van hernieuwbare energiebronnen. Dit doel is niet gehaald; het aandeel hernieuwbare energie in het bruto energetisch energieverbruik in 2020 in Nederland was 11%. Om aan de doelstelling te voldoen heeft Nederland duurzame energie ingekocht van Denemarken. Dit land produceert meer duurzame energie dan voor de Deense doelstelling nodig is. In totaal werd 16 terawattuur aan hernieuwbare energie ingekocht, voldoende om de Nederlandse doelstelling van 14% te halen [CBS Statline].

De laatste jaren vindt een inhaalslag plaats. In Nederland steeg het aandeel wind en zon in hernieuwbare energie van 2015 tot en met 2022 van 25 naar meer dan 50%. Nederland staat nu samen met Spanje en Luxemburg in de topdrie van Europese landen die de meeste zonne-energie produceren. Per hoofd van de bevolking staat Nederland wereldwijd op plaats twee (zie een van bovenstaande figuren). In het voorjaar van 2022 werd, een aantal malen, meer dan de helft van de elektriciteit in Nederland geproduceerd via hernieuwbare bronnen. Bovendien werd voor, het eerst, enkele uren meer groene stroom opgewekt, dan wat totaal aan elektriciteit nodig was. Dat is sindsdien nog enkele keren gebeurd. Door het grote aanbod van groene stroom werd de elektriciteitsprijs maar liefst 17 uur negatief. Veel zonne- en windparken werden daardoor op deze momenten stilgezet. Over heel 2022 kwam 40% van de totale elektriciteitsproductie uit hernieuwbare bronnen, het aandeel uit fossiele brandstoffen daalde naar 65% [Volkskrant], [CBS Statline].