Waarheen met energie: wat is het plan?

Sinds een tijdje maak ik grafiekjes van hoe Nederland aan z’n elektriciteit komt. En soms ben ik daar dan enthousiast over, zeker als de wind waait en de zon goed schijnt. Het blijkt dat we nu soms voldoende groene elektriciteit hebben om onszelf een paar uur geheel groen te bedruipen. En vaak hebben we dan ook nog hele gigawatten over om te exporteren naar het buitenland:

Mijn enthousiasme leidt dan weleens tot de vraag “maar wat nou als het donker is”. En dat is een terechte vraag, want als het plaatje voor hernieuwbare energie niet compleet is komt het misschien nogal zinloos over.

Dus hier een uitleg wat we aan het doen lijken te zijn. En ik zeg ‘lijken’ want er ligt inderdaad geen concreet plan voor de komende 20 jaar. Dat heeft wel een reden. We weten het namelijk gewoon nog niet helemaal. Desondanks gebeuren er al dingen die sowieso een goed idee zijn. En we kunnen niet wachten.

Op deze pagina probeer ik in grote lijnen duidelijk te maken wat er nu aan het gebeuren is. Er zijn ook mooie en grote rapporten met heel veel detail voor wie meer wil weten.

Het onderstaande verhaal komt grotendeels overeen met het recent gepubliceerde REPowerEU plan van de Europese Commissie. Dit plan is gemaakt om zo snel mogelijk van Russisch gas af te komen. Omdat gas en energie in het algemeen nu factoren duurder zijn dan voor de barbaarse Russische oorlog zijn allemaal milieuvriendelijke oplossingen ineens relatief heel betaalbaar. Hou dit ook in gedachten als je pre-2022 pagina’s leest over groene energie.
Ook wil ik graag de meerdere energieprofessionals bedanken die zinvolle feedback en correcties voor deze pagina geleverd hebben. Reacties en opmerkingen zijn blijvend welkom op bert@hubertnet.nl!

Verder focust deze pagina zich voor de getallen op Nederland, maar oplossingen zijn wereldwijd. Voor de behapbaarheid begin ik even hier.

Noodzaak

We moeten naar 0 uitstoot van CO₂. En sterker nog, dat zal vermoedelijk niet genoeg blijken. We zullen denk ik ook actief broeikasgassen uit de atmosfeer moeten gaan verwijderen.

Om met het begin te beginnen, het klopt dat zonnepanelen en windmolens het niet doen zonder zon en wind. Maar het is een vergissing om te denken dat groene energie pas zin heeft als 100% van je energie groen is.

Iedere kuub gas of kilo kolen die we nu niet gebruiken is al winst. En hoe eerder je dat verbranden en verwerken voorkomt, hoe meer het (opgeteld) effect heeft, want die CO₂ blijft anders nog tijden hangen.

Energie en elektriciteit

Nederland gebruikt gemiddeld 400 petajoule (PJ) aan elektriciteit per jaar (denken we). De inschatting is dat we in totaal ongeveer 3000 PJ aan energie gebruiken per jaar. Daar zit dan alles in, verwarming, auto’s laten rijden, spullen maken van koolwaterstoffen, onze industrie etc.

Het is heel belangrijk om het verschil te zien - elektriciteit is dus echt maar een zevende van de totale hoeveelheid energie. Als iemand nu meldt dat 100% van onze elektriciteit groen werd opgewekt voor een paar uur, dan ging dat dus maar over ongeveer 14% van onze totale energiebehoefte.

In dit plaatje is de cirkel in het midden ruwweg “de energie-, olie- en gas-industrie”. Hier gaan een boel energiedragers naar binnen: uranium, olie, gas, kolen, maar ook zonlicht, wind en biomassa.

Ook komt er van alles uit de cirkel: warmte, ons elektriciteitsnet, aardgas aan huis, benzine, kerosine, diesel. Cruciaal is ook het pijltje “stuff/chemicals”: er wordt ook een hoop gemaakt van die energiedragers, dingen als plastic, kunstmest en verf, bijvoorbeeld.

Een petajoule (PJ) is overigens 278 Gigawatt-uur, of een jaar lang 32 MW. Best veel.

Hoe ver zijn we nu?

Op zonnige en/of winderige dagen kunnen we een paar uur per dag geheel in onze eigen elektriciteitsbehoefte voorzien, en wekken we in piek minstens 15 GW groen op. Dat is vaak ruim meer dan we op dat moment elektrisch nodig hebben. Daarbij lopen we ook al tegen sterke begrenzingen aan - op dat soort dagen staat een flink deel van de windmolens en grote zonneparken uit omdat we de elektriciteit niet kwijt kunnen (!).

Bovenstaand een schets van hoe onze elektriciteitssituatie eruit ziet op een typische dag in juni 2022 met veel zon. Zelfs zonder windenergie in aanmerking te nemen voorzien we ’s middags dan (bijna) in onze totale elektriciteitsbehoefte alleen al op basis van zonlicht. Mooi nieuws.

Heeft het dan zin nog meer molens/panelen neer te zetten?

Als we nu de groene capaciteit vergroten gebeuren er twee dingen. In piek hebben we dan inderdaad een steeds groter elektriciteitsoverschot, waar we iets mee zullen moeten doen.

Maar tegelijkertijd vergroten we zo het aantal uren per dag dat we elektrisch gezien geheel kunnen leven van zon en wind. Ook met minder zon en wind is er dan al snel genoeg elektriciteit, ook al doen we niets met het overschot:


Voorbeeldscenario, in het echt waait het niet alleen ’s nachts!

In de bovenstaande grafiek staan verschillende scenario’s: wat als we vier keer meer vermogen aan windenergie hebben? En twee of drie keer zoveel zon? Je ziet dat we dan heel vaak veel meer elektriciteit opwekken dan we nodig hebben. Tegelijkertijd, als het ’s nachts niet waait, of in de winter, dan moeten we onze elektriciteit nog steeds ergens anders vandaan halen.

Als omringende landen ook meer zon- en windvermogen neerzetten zal het overigens vaker zo zijn dat we gebruik kunnen maken van verschillen in het weer - als het hier bewolkt is schijnt de zon misschien wel in Polen, om maar iets te noemen. Of omgekeerd. We zullen de transportcapaciteit voor elektriciteit dus stevig moeten vergroten.

Desondanks zijn we er zo niet: door de capaciteit enorm uit te breiden hebben we afwisselend enorme overschotten aan elektriciteit, en daarna nog steeds regelmatig een tekort. Overigens is dat geen ramp, dan moeten we alleen (nu nog) onze stroom uit gas-, kolen- of kerncentrales halen, of uit het buitenland.

Het overschot

Zouden we iets kunnen met een elektriciteitsoverschot? Bedenk dat van onze totale energiebehoefte slechts een klein deel nu elektriciteit is. Er is veel meer behoefte nog aan warmte, zowel voor huishoudens in de winter, als permanent voor de industrie. Ook gebruikt de industrie veel koolwaterstoffen om er dingen van te maken.

Het blijkt mogelijk om elektriciteit efficiënt om te zetten in waterstof. Dat waterstof kan vervolgens gebruikt worden als grondstof voor de industrie, of om dingen direct mee te verwarmen. Ook is het mogelijk de waterstof (milieuvriendelijk) weer om te zetten in elektriciteit, al is dat niet superefficiënt.

Op die manier zouden we het overschot van onze zonne- en windproductie effectief kunnen gebruiken. Dit niet alleen om later elektriciteit mee op te wekken, ook al is er weken geen wind. We zouden er ook onze industrie mee kunnen voeden.

Verhouding elektriciteit en energie

We maken nu 400 PJ aan elektriciteit per jaar. Als we enorm uitbreiden met zon en wind gaat dat getal natuurlijk flink omhoog. Maar de totale behoefte van 3000 PJ aan energie en (kool)waterstoffen is echt wel heel veel. Je zou kunnen proberen die geheel groen op te wekken, maar je kan ook proberen gewoon minder energie nodig te hebben.

Energie en elektriciteit zijn niet helemaal hetzelfde. Zo zet een elektrische auto elektriciteit vrijwel 100% om in beweging. Een benzineauto komt hier niet eens in de buurt. Mijn elektrische auto heeft bijvoorbeeld 17kWh nodig om 100 kilometer te rijden. Mijn vorige benzine auto zou daar 6,5 liter benzine voor nodig gehad hebben, wat neerkomt op 60kWh - 3,5 keer zoveel!

Als je dus al je transport elektrisch maakt (en die elektriciteit efficiënt/groen opwekt), dan is er netto veel minder energie nodig. Zo wordt de ‘taart’ van 3000 PJ kleiner.

Hetzelfde geldt iets complexer voor het verwarmen van gebouwen. Warmtepompen kunnen warmte van buiten (ook al is het daar koud) naar binnen verhuizen. Een warmtepomp klinkt als fraude, maar hij kan makkelijk 8kW aan warmte (energie) leveren en maar 2kW elektriciteit gebruiken.

Iedere keer dat een CV-ketel (grotendeels) door een warmtepomp wordt vervangen wordt de 3000 PJ taart dus weer kleiner.

We zouden dan kunnen eindigen in dit plaatje:


Hierbij doen we vrijwel al ons vervoer (op de grond) elektrisch, en verwarmen we alles met warmtepompen of waterstof. Ook draait de industrie dan op waterstof.

Andere vormen van opslag/verplaatsing

Zoals boven geschetst kunnen we als de zon schijnt of de wind waait waterstof maken, en die kan je dan later weer verbranden in een elektriciteitscentrale. Maar heel efficiënt is dat niet. Zijn er ook nog andere oplossingen?

“Gewoon batterijen gebruiken” is niet mogelijk voor onze hele energiebehoefte. Maar op kleinere schaal kan het wel, en dan is het al snel nuttig. Zelfs vrij geringe opslagcapaciteit vergroot de tijd dat je geheel groen kan draaien.

Een andere manier is om er voor te zorgen dat we tijdens piekmomenten gewoon veel meer gebruiken - het verplaatsen van elektriciteitsbehoefte. Dit kan bijvoorbeeld door auto’s slim te laten laden. Ook energie-intensieve industrieën kunnen hun verbruik aanpassen en zo soms zelfs geld verdienen door stroom te verbruiken:

Elektriciteitsprijs in Nederland op 28 mei 2022. Negatief van ongeveer 9:00 tot 18:00 uur

Ook is het mogelijk elektrische auto’s omgekeerd in te zetten - op piekmomenten leveren ze dan een gedeelte van hun lading terug aan het net.

Wat meer over waterstof

Waterstofgas is bijzonder spul. Je kunt het maken van water, en dat kan ook nog best efficiënt. Als je waterstofgas daarna (met wat zorg) weer verbrandt levert het geen CO₂ of milieuvervuiling op.

Het is dus mogelijk om zodra je een elektriciteitsoverschot hebt heel veel waterstof te gaan maken. Je zet zo zon en wind direct om in waterstofgas. We weten in theorie hoe dit moet, maar het is nog nooit op deze schaal (“tientallen GW”) gedaan. Shell heeft net een project van 400 MW aangekondigd, samen met Thyssenkrupp.

Een deel van de 3000 PJ energiebehoefte van Nederland is direct met waterstofgas in te vullen, want de industrie gebruikt waterstof, bijvoorbeeld om kunstmest mee te maken.

Een groot stuk van de overige energiebehoefte kan ook door waterstof vervuld worden. Het vervangt dan voor een deel aardgas, bijvoorbeeld. Ook kan waterstof gebruikt worden voor iedere toepassing die veel hitte nodig heeft.

Je kan waterstofgas zelfs gebruiken om er in een centrale weer elektriciteit mee te maken. Dit proces van met elektriciteit water omzetten in waterstofgas om er daarna weer elektriciteit van te maken is niet heel efficiënt, maar misschien hoeft dat ook niet. Als er maar voldoende opgewekt wordt.

Er zitten wel grote nadelen aan waterstof. Per kilo bevat het heel veel energie, maar die kilo is wel erg groot. Het is mogelijk auto’s op waterstof te laten rijden, maar het is wel gedoe. Transport en opslag van waterstof vallen niet mee namelijk. Vliegtuigen en vrachtwagens op waterstof zijn voorstelbaar, maar er is nog een hoop uit te zoeken.

Waterstof kan ook omgezet worden in ammoniak, wat de opslag een stuk makkelijker maakt. De verbranding van ammoniak kan ook schoon gebeuren, maar het is wat meer werk. Er is verder een grote industriële behoefte aan ammoniak.

Er zijn ook landen met een enorm overschot aan zon (denk aan noordelijk Afrika) waar men waterstof zou kunnen maken om per boot aan de rest van de wereld te leveren.

Ondanks dat het allemaal nog heel fris is lijkt waterstof enorme potentie te hebben om overtollige groene elektriciteit om te zetten in bewaarbare energie.

Cruciaal daarbij is dat onze industrie nu ook enorme hoeveelheden (kool)waterstoffen gebruikt als ingrediënt. Als we echt van fossiele brandstoffen af willen zullen we groene energie moeten gebruiken om waterstof (en andere chemicaliën) mee te maken.

Kernenergie?

Schreef ik eerder een stukje over. Hoewel het mooie technologie is (vind ik dan), gaan we niet binnen nu en 20 jaar nuttige hoeveelheden kernenergie kunnen opwekken met acceptabele leveranciers.

Dus wat is het plan?

Het plan lijkt te zijn om:

  • Zo veel mogelijk elektriciteit op te wekken met zon en wind, vaak veel meer dan we direct nodig hebben
  • De transportcapaciteit van elektriciteit nationaal en internationaal uitbreiden, zodat een overschot hier zo veel mogelijk ergens anders heen kan
    • En omgekeerd!
  • Zo veel mogelijk dingen elektrificeren (vervoer, verwarming met warmtepompen, industrie)
    • Vaak efficiënter, waardoor er netto minder energie nodig is
  • Bewoners en industrie zo veel mogelijk elektriciteit te laten gebruiken als we er een boel van hebben (als de zon schijnt en/of de wind waait)
    • Dynamisch auto opladen, industrie die gebruik maakt van negatieve elektriciteitsprijzen
  • De overtollige groene elektriciteit om te zetten in waterstof, wat we dan opslaan, voor gebruik door fabrieken die toch al waterstof kochten, of als (deel)vervanging voor aardgas

Om dit mogelijk te maken moeten ongekende hoeveelheden windmolens en zonnepanelen geplaatst worden. Ook moet de nog jonge technologie om waterstof te maken enorm snel opschalen.

Er is geen internationaal afgesproken plan, en een hoop vragen liggen nog open:

  • Hoe gaan we de waterstof maken?
  • Hoe slaan we het op?
    • Speelt ammoniak een grote rol?
  • Hebben we voldoende materialen en mensen om al die warmtepompen, elektrische auto’s, windmolens en zonnepanelen mee te maken?

Maar, ondanks de open vragen weten we wel hoe we moeten beginnen. Iedere stap is op zichzelf gezien namelijk al zinvol. Iedere Joule uit een windmolen hoeft niet met kolen gemaakt te worden namelijk. Iedere liter waterstof die je maakt is nu al een markt voor. Warmtepompen en elektrische auto’s zijn nu al efficiënter.

Naarmate we verder vorderen zal blijken wat de beste opties zijn, maar het is niet zinvol te wachten tot de technologie af is en het mogelijk is een plan te maken voor de komende 20 jaar.

Er zijn overigens genoeg mensen met belangen in de huidige wereld die altijd zullen pleiten voor wachten (“hoe ga je vliegtuigen oplossen dan?!"). Maar twijfel over stukjes van de oplossing zijn echt geen reden om dingen die nu al zinvol zijn te laten wachten.

Bonus content: Biomethaan

Het doel is om CO₂-neutraal te worden. Planten nemen CO₂ op uit de atmosfeer om te groeien. Als de plant of boom daarna sterft en gaat rotten of verteerd wordt komt die koolstof weer vrij, onder andere in de vorm van het krachtige broeikasgas methaan. Je kunt daarom wel CO₂ afvangen met bomen, maar dat werkt alleen zolang de boom nog groeit en blijft leven.

Wat je ook kan doen is biologisch restmateriaal gecontroleerd laten verteren en het gegenereerde methaan opvangen, om het te gebruiken als aardgas. Dit voorkomt dat het methaan in de atmosfeer komt. En hoewel bij verbranding weer CO₂ vrijkomt was dit CO₂ die recent uit de atmosfeer gehaald was.

Na het rotten blijft er verteerd materiaal over waarmee kunstmest gemaakt kan worden.

De EU landen wekken nu al 100 PJ/jaar aan biomethaan op, en het doel is om dit in 2030 op te schalen tot 1000 PJ/jaar. Dit is wel voor de hele EU, maar Nederland lijkt hier wel een grote rol in te gaan hebben. Desondanks gaat dit geen grote deuk slaan in de 3000 PJ behoefte hier.