Bron: www.piqsels.com

Duurzame energie heeft zich de afgelopen jaren kunnen verheugen op grote belangstelling. In Nederland bestaat die duurzame poot van de energieproductie uit (vooral) biomassacentrales, zonnepanelen en windmolens. De biomassacentrales liggen terecht onder vuur. Dat heeft vooral te maken met het feit dat het stoken van alleen maar snoeihout een leugen blijkt te zijn. Er worden her en der op aarde massaal bossen gekapt om aan de lucratieve vraag naar biomassa in de EU te kunnen voldoen. Bovendien is het stoken van hout verre van ‘CO2-neutraal’, integendeel, de uitstoot van CO2 bij de productie van elektriciteit is groter dan bij het gebruik van steenkool. Bovendien duurt het 30 tot 60 jaar voordat deze CO2 weer opgenomen is door groeiende bomen. Om nog maar te zwijgen over milieuproblemen rond de biomassacentrales, die als paddenstoelen uit de lucht lijken te schieten dank zijn de lucratieve subsidies van de overheid.

Foto: Hans Hillewaert

De belangstelling in ons land voor de productie van windenergie is aan het afnemen. De afname van de vraag naar elektriciteit als gevolg van de coronamaatregelen eist nu zijn tol. Hierdoor daalde de elektriciteitsprijs naar een dieptepunt. Op een flink aantal dagen was de elektriciteitsprijs zelfs even negatief, wat betekent dat leveranciers afnemers betalen in plaats van andersom. Zonder zware subsidies blijkt het niet rendabel om grote windparken op zee aan te leggen. De bouw van enorme windmolenparken voor de Nederlandse kust wordt hierdoor risicovoller. Subsidieloos bouwen is “een tijdelijk feestje”, denkt de industrie. Met andere woorden: subsidie is volgens de bedrijven nodig om windparken rendabel te houden.

Bron: www.rijksoverheid.nl/

Momenteel wordt voor de Zeeuwse kust een windmolenpark aangelegd van 171 molens. Dit eerste grote windpark wordt nog gesubsidieerd. Een tweede park voor de Zuid-Hollandse kust en een derde park voor de Noord-Hollandse kust worden zonder subsidie gebouwd. Vattenfall het Duitse ENBW  zijn al afgehaakt voor de bouw van een park voor de Noord-Hollandse kust, alleen Shell/Eneco en Orsted gaan voorlopig door. Van Oord bouwt voor Shell en Eneco de helft van windpark Borssele en legt de kabels voor de andere helft. Subsidieloos bouwen is niet meer te doen. Die subsidies zijn volgens de bedrijven nodig om windparken op zee rendabel te houden.

Op land heeft windenergie ook last van tegenwind: bij de aanleg van windmolens op het land stuiten molenbouwers in toenemende mate op weerstand bij de bevolking. Blijft dan over de zonne-energie. Veel mensen zijn blij met de zonnepanelen op hun dak, en minder blij met het feit dat de salderingsregeling vanaf 2023 afgebouwd wordt. Die salderingsregeling is in feite een flinke subsidie voor particulieren. Zonder die regeling wordt het financieel nauwelijks nog interessant om zonnepanelen aan te schaffen. Bovendien is er het probleem van een ruimtelijk gespreide elektriciteitsopwekking die andere eisen stelt aan het hoofdleidingennet dan de conventionele elektriciteitsopwekking in een beperkt aantal centrales.

Bron: wpf

Er bestaat – wellicht mede als gevolg van de malaise in de aanleg van windmolenparken- een toenemende belangstelling voor de aanleg van zogenaamde zonneakkers. Dat zijn over het algemeen percelen met een landbouwbestemming die vol gelegd worden met zonnepanelen. Afgezien van kwesties als landschapsvervuiling en vermindering van voedselproductie is er een derde aspect dat nauwelijks belicht wordt, namelijk de invloed van dergelijke grootschalige projecten op de luchttemperatuur.

Als we de stralingsbalans bezien is al een idee te krijgen welke factoren een rol zullen spelen aan het aardoppervlak:

Bron: Trenberth

Bij het binnenvallend zonlicht is de gemiddelde hoeveelheid energie die na de weg door de dampkring op aarde valt 184 W/m2.  Daarvan reflecteert 23 W/m2 zodat er netto gemiddeld 161 W/m2 overblijft om de aarde te verwarmen. Dus aan het aardoppervlak is de gemiddelde reflectie 12,5% van wat er op aarde valt.  Die reflectie is de albedo en wordt uitgedrukt in een schaal van 0 tot 1.  Die 12,5% reflectie aan het aardoppervlak is dus een albedo van 0,125.  De totale reflectie, dus aan het aardoppervlak plus reflectie in de lucht (wolken!) wordt geschat op 0,3.

Willen we weten wat een zonneakker voor effect heeft op de albedo, dan moeten we eerst weten wat de albedo was vóór dat de zonnepanelen geïnstalleerd werden. Zonneakkers worden in ons land vrijwel uitsluitend op landbouwgrond aangelegd. Gelukkig (nog) niet in bosgebieden, maar je weet maar nooit in deze tijden van massale boskap ten behoeve van de biomassacentrales. In onderstaand tabelletje is de albedo weergegeven van diverse soorten van bodembedekking:

De waarden zijn gemiddelden bij een hoek van instraling tot 60°. Wordt de hoek groter dan neemt de reflectiewaarde snel toe tot het maximum van 1. Dat is het geval aan het begin en einde van de dag. De reflectiewaarde van zonnepanelen is klein door het toepassen van speciale coatings, die tot een invalshoek van 60° de albedo zeer laag houden. In onderstaande figuur is het verloop van de albedo van een zonnepaneel weergegeven, alsmede de albedowaarden van akkerland en grasland.

De albedo van een zonnepaneel is over een lang traject van de invalshoek van zonlicht nagenoeg 0. Bij een hoek van 60° is de albedo ongeveer 0,05.  Vergelijk dat met de albedo van akkerland en grasland. Wat betekent dat? Dat de reflectie van zonlicht bij zonnepanelen veel kleiner is dan bij akker- en grasland, en dus een groter deel van het zonlicht het aardoppervlak bereikt (en geabsorbeerd wordt door de zonnepanelen).  Dat kan oplopen tot meer dan 30% extra zonne-energie aan het aardoppervlak.

Je zou kunnen denken dat er daardoor in elk geval wel meer elektriciteit kan worden opgewekt. Dat is inderdaad zo, daarvoor wordt die coating natuurlijk toegepast. Maar laten we eens kijken naar het energetisch rendement. De opbrengst van zonnepanelen in Nederland wordt momenteel geschat op 120 (duurzameinstallateur) a 150 kWh per jaar per m2 (VoltaSolar). Laten we uitgaan van die 150 kWh/m2/jaar.

Bron: RVO

Het kaartje komt uit een brochure van het RVO over grondgebonden zonneparken. In die brochure staat overigens nog veel meer informatie over zonne-akkers, maar niets over mogelijke opwarmingseffecten. De gemiddelde waarde van het zonaanbod in ons land is ongeveer 1000 kWh/m2/jaar. Omdat de albedo van zonnepanelen een groot deel van de dag vrijwel 0 is reken ik verder met die 1000 kWh/m2/jaar. Dan is een energetisch rendement van zonnepanelen 15%. Die overige 850 kWh/m2/jaar wordt dan omgezet in warmte.

Gaan we uit van een gemiddelde albedo van akkerland en grasland van 0,25 dan wordt bij een gemiddeld aanbod van zonne-energie van 1000 kWh/m2/jaar 250 kWh gereflecteerd en blijft er 750 kWh/m2/jaar over. Daarvan wordt een klein deel gebruikt door de planten voor fotosynthese. Als we naar de binnenkomende energie kijken, dan zorgen zonne-akkers dus voor een extra opwarming van minstens 100 kWh/m2/jaar !

Uiteraard spelen ook andere factoren een rol. In de figuur van de stralingsbalans is aangegeven hoe de aarde zijn energie weer kwijtraakt. Dat gaat op drie manieren: verdamping, convectie en uitstraling. Gemiddeld voor de aarde is verdamping de belangrijkste factor ( 80 W/m2), gevolgd door straling (infrarood, 63 W/m2) en als laatste convectie (17 W/m2). Op een akker of grasland is de verdamping aanzienlijk vanwege het plantendek, op een zonne-akker zeker lager. Verdampen kost warmte dus koelt vegetatie de omringende lucht. Daar staat weer tegenover dat de convectie op een zonneakker waarschijnlijk groter zal zijn omdat de zonnepanelen sterker opgewarmd worden. Ook de ir-straling zal daardoor groter zijn, maar is nu juist deze straling die de onderste luchtlagen opwarmt.

Dat alles is tamelijk ingewikkeld, maar het lijkt aannemelijk dat het netto-effect van zonneakkers opwarming is. Men heeft, zoals vaak gebeurt in deze tijd, het probleem in modellen proberen te vangen. Maar modellen vormen geen empirisch bewijs en zijn vaak bewezen slecht. Daarom was ik benieuwd naar metingen aan zonneparken. Studies op basis van modellen zijn er genoeg,  op basis van metingen zijn wat schaarser.

Uit een recente veldwerkstudie van A. Barron-Gafford et al. , gepubliceerd in 2016 in Nature, is deze figuur afkomstig:

Bron:  Barron-Gafford et al. 2016

Te zien is dat de installatie van zonnepanelen de energiestromen sterk doet veranderen. Binnen de begroeide omgeving vermindert vegetatie de warmte-opslag in de bodem (oranje pijlen). Geïnfiltreerd water en de  vegetatie koelen door verdamping de omringende lucht af en voeren de warmte af naar boven (blauwe pijlen). Deze latente warmtefluxen worden drastisch verminderd op zonne-akkers, wat leidt tot grotere voelbare warmtestromen (rood pijlen). De bruine pijlen geven de ir-straling weer van de zonnepanelen, de paarse pijl geeft de elektriciteitsproductie weer. De auteurs kwamen op een ‘heat island effect’  van 3- 4 °C ’s nachts op de zonne-akker.

Fhtenakis et al (2013) kwamen op een verhoging van de jaarlijkse temperatuur  tot 1,9 °C. In een studie van Yang et al (2017) werden ‘s zomers temperatuurverschillen gemeten van meer dan 1 °C.  De studies naar de klimatologische effect van zonneakkers werden verricht in (semi)-aride gebieden, omdat grootschalige zonneparken daar vooral te vinden zijn. Dat heeft natuurlijk te maken met de hoeveelheid beschikbare zonne-energie per jaar. Uiteraard zijn de omstandigheden in dergelijke gebieden anders dan in Nederland. Zo zijn de in- en uitstraling in aride gebieden groter, maar anderzijds is de verdamping er veel kleiner, evenals  de warmtefluxen van en naar de bodem.

Ondanks het ontbreken van onderzoek naar de effecten van grootschalige zonne-akkers op de temperatuur in ons eigen land denk ik dat het aannemelijk is dat dergelijke installaties ook hier temperatuurverhogend werken. Met alle aandacht momenteel voor het vergroenen van stedelijke gebieden om zomerhitte te verminderen lijkt me opwarming door zonneakkers zeker ongewenst. En dan heb ik het nog niet eens over andere redenen om er van af te zien, zoals landschapsbederf, dalende voedselproductie en de relatief geringe elektriciteitsopbrengst.

Wellicht ten overvloede: elke kWh elektriciteit opgewekt door wind en zon moet een 100% backup hebben van conventionele elektriciteitscentrales. Als de zon niet schijnt (ongeveer de helt van het jaar) en als de wind niet echt hard waait zullen we toch de boel draaiende moeten houden. Anderzijds, als de zon flink schijnt en het waait stevig, zoals de afgelopen weken, ontstaat er al snel een teveel aan elektriciteitsproductie overdag en zakt de vraag naar 0. De elektriciteitsproducenten kunnen dan alleen maar van het teveel af door het proberen te slijten in het buitenland. Omdat de ons omringende landen dan logisch tegelijk hetzelfde probleem hebben raak je je overtollige stroom alleen met bijbetaling kwijt.