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. Hernieuwbare energie wordt ook wel duurzame energie genoemd; dit zijn echter twee verschillende energievormen; niet alle hernieuwbare energie is duurzaam. 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 die 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.

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.

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. Om dat in dezelfde tijd te compenseren is een groot nieuw bos nodig, met als nadeel dat op deze grond geen voedsel meer kan worden geteeld. Een grote vraag naar biomassa kan niet worden bijgebeend met het aanplanten van bomen. Er komt dus meer CO₂ in de lucht terecht. Het stoken van hout is daarnaast minder efficiënt dan het stoken van kolen of gas. 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. In 2021 is de Renewable Energy Directive (RED) van de Europese Unie in dat opzicht aangepast. In de nieuwe RED zijn aanvullende eisen opgenomen voor de hernieuwbaarheid van biomassa [CBS, Hernieuwbare energie in Nederland, 2021], [Volkskrant].

Waterstof als hernieuwbare energiebron

Waterstof was tot voor kort geen energiebron. Tot voor kort werd gedacht dat waterstof niet in de natuur voorkwam en niet hieruit kon worden gewonnen. Dat waterstof niet in de bodem te vinden is, werd in 2012 gelogenstraft, toen bleek dat een waterbron in Mali grote hoeveelheden waterstof bevatte. Tot nu toe moet waterstof echter gemaakt worden uit een andere energievorm en daarvoor is energie nodig. Waterstof is dan geen energiebron maar een energiedrager. Waterstof is alleen een hernieuwbare energiedrager als het uit hernieuwbare bronnen wordt geproduceerd. Door de industrie wordt de zogenaamde zwarte of grijze waterstof geproduceerd. Zwarte waterstof wordt geproduceerd door het vergassen van steenkool, daarbij komt zeer veel CO₂ vrij. Grijze waterstof wordt geproduceerd uit aardgas. Blauwe waterstof is grijze waterstof waarvan de kooldioxide wordt opgevangen en ondergronds wordt opgeslagen. Turquoise waterstof wordt ook bereid uit aardgas maar daarbij wordt vaste koolstof gevormd en wordt geen koolstofdioxide uitgestoten. Groene waterstof wordt geproduceerd door elektrolyse van water met groene elektriciteit. Bijvoorbeeld met elektriciteit geproduceerd met zon- en windenergie. Bij dit proces komt, naast de waterstof, alleen zuurstof vrij. Gouden waterstof tenslotte is geologische waterstof die in de natuur wordt gewonnen [New Scientist].

Waterstof is een veel belovende energiedrager. Het kan op veel manieren worden gebruikt; als brandstof voor industriële processen, cv-ketels en zware vrachtwagens, als opslagmedium voor energie en als grondstof voor de industrie.

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 vermalen is 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, als brandstof, is 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].

Het ijzer kan ook als opslagmedium worden gebruikt door, in tijden van teveel aan elektriciteit, waterstof te produceren en daarmee roest om te zetten in puur ijzer. Dat is beter te bewaren en over langere afstanden te vervoeren dan waterstof. Het ijzer kan dan gebruikt worden in plaats van aardgas in fabrieken met een hoge warmtevraag, bijvoorbeeld in glas-, keramiek-, of steenfabrieken [Volkskrant].