In een recent rapport las ik dat voor de productie van één batterijpakket van een elektrische auto ongeveer 225 ton delfstoffen moet worden gewonnen. Alle energie producerende machines moeten worden vervaardigd uit materialen die uit de aardkorst zijn gewonnen. Dat betekent dat geen enkel energiesysteem ‘hernieuwbaar’ is: alle energie producerende machines vereisen immers voortdurende winning en verwerking van miljoenen tonnen grondstoffen. Bovendien is er door productie, onderhoud en afdanken van die machines sprake van een voortdurende en in omvang toenemende stroom afval. Vergeleken met het opwekken van energie op basis van fossiele brandstoffen gebruiken ‘groene’ energiemachines een veelvoud van de hoeveelheden grondstoffen die worden gewonnen en verwerkt om dezelfde hoeveelheid energie te produceren. Ook de Verenigde Naties zijn wakker geworden omtrent de grondstoffenbehoefte van “groene energie”.
Fig. 1 Bron: Manhattan Institute
Maar er is naast het hoge grondstoffengebruik van veel ‘groene’ energiemachines nog een andere kant van het verhaal, namelijk de hoeveelheid energie die voor het produceren en onderhouden van ‘groene’ energiemachines nodig is. Het delven, verwerken, raffineren en transporteren van al deze grondstoffen vereist energie. Daarnaast vereist onderhoud van “groene” energiebronnen ook energie. Het is dus van belang te bepalen wat de verhouding is tussen de energiebehoefte om een energiebron in productie te brengen, en de hoeveelheid energie die de bron dan (netto) oplevert. In dit bericht gaat het over die verhouding, de Energy Profit Ratio (EPR).
Om een energiebron te kunnen gebruiken moet een infrastructuur aangelegd worden: mijnen, haventerminals, chemische fabrieken, een netwerk van kabels voor elektriciteit, benzinestations voor de eindgebruiker, etc. De ontwikkeling van deze infrastructuur, het gereed maken voor gebruik van een energiebron, en het onderhoud van alle noodzakelijke infrastructuur kost energie, en deze energie moet in mindering worden gebracht op de bruto energieafgifte van een energiebron. In de praktijk wordt meestal de zogenaamde “Energy Profit Ratio” (EPR) gebruikt, dat is de verhouding tussen netto energieopbrengst en de vereiste energie om de energiebron te gebruiken.
Parameters als EPR zijn niet simpel om te berekenen, omdat het gaat om een ingewikkelde ketenanalyse. Het Japanse Central Research Institute for the Electric Power Industry (CRIEPI) doet al jarenlang onderzoek naar de Energy Profit Ratio van alternatieve energiebronnen. Uit de CRIEPI News Letter 439 stamt figuur 2, waarin de EPR wordt gegeven voor elektriciteitsproductie met verschillende technieken in de Japanse situatie.
Fig. 2 Data: CRIEPI
De grafiek laat een aantal interessante dingen zien. De EPR voor “groene” energiebronnen is substantieel lager dan voor fossiele brandstoffen, met uitzondering van waterkracht en aardwarmte. De EPR voor “zon (geconcentreerd)” is zelfs kleiner dan 1. Met andere woorden: een dergelijke installatie kost méér energie om te bouwen en exploiteren dan hij oplevert (in de Japanse situatie). Maar ook op andere plaatsen met meer zon dan in Japan is de exploitatie van dergelijke zonnecentrales riskant vanwege de hoge kosten en het lage rendement. Onlangs heeft de jonge zonne-energiecentrale van Tonopah in Nevada (figuur 3) faillissement aangevraagd. Blijkbaar was het hoge aantal zonuren in Nevada niet voldoende om de centrale rendabel te krijgen, ondanks de meer dan $ 700 miljoen aan leningen van de Amerikaanse overheid (lees: belastingbetaler).
Fig. 3 Bron: Heartland
De technieken met de laagste EPR zijn zonnewarmte, golfenergie, getijdenenergie, en energie uit de temperatuurverschillen van zeewater. Windenergie scoort relatief goed, maar de EPR is nog altijd slechts de helft van de fossiele brandstoffen steenkool en olie.
Met het toepassen van de cijfers van Japan op de Nederlandse situatie dient enige voorzichtigheid betracht te worden. Zo zijn de enige “hoogwaardige” groene energiebronnen in figuur 2, waterkracht en aardwarmte, in Nederland niet (aardwarmte) en nauwelijks (waterkracht) beschikbaar. Wat hydro-elektriciteit betreft: ik weet dat er 3 lagedrukcentrales zijn, namelijk in de Maas bij de stuw van Linne en Lith en in de Neder-Rijn bij de stuw van Maurik. Het zijn zogenaamde reactieturbines die gebruik maken van het drukverschil voor en achter de stuw. Het nominaal vermogen van deze centrales is 35 MW. In de praktijk leveren ze vaak (aanzienlijk) minder doordat de omstandigheden zelden optimaal zijn. Deze waterkrachtcentrales leveren een fractie van de stroom die in Nederland opgewekt wordt.
Fig. 4 Bron: Thermogis
Er is in Nederland wel geothermische energie beschikbaar in de ondergrond zoals figuur 4 laat zien. Maar vanwege de relatief lage temperaturen is die warmte ‘laagwaardig’ en daardoor ongeschikt voor elektriciteitsproductie. Wel is die laagwaardige warmte soms geschikt voor ruimteverwarming. De geothermische energie in de ondergrond van Japan is echter hoogwaardig: je kunt stoom gebruiken van meer dan 100° C en een paar bar druk. Daardoor is in Japan wel elektriciteitsproductie op basis van geothermie mogelijk. Die hoogwaardige geothermische energie is het gevolg van de geologische situatie in Japan, gelegen op een subductiezone met veel vulkanische activiteit.
Fig. 5 Bron: Wikipedia
Wat betreft zonne-energie moet men zich realiseren dat Nederland veel noordelijker ligt dan Japan, zie figuur 5. Zo ligt Tokyo op ongeveer 35° NB, vergelijkbaar met de breedteligging van het Griekse eiland Kreta. De gemiddelde hoeveelheid binnenvallende zonne-energie is daardoor aanmerkelijk hoger dan in Nederland. De EPR voor zonne-energie zal dus in NL zeker lager zijn dan in Japan, en voor Japan is de EPR van zonne-energie al niet bijster hoog, namelijk 2,0 (figuur 2).
Voor Nederland is dus windenergie de enige duurzame energiebron die uit oogpunt van de EPR enigszins verdedigbaar is. En dan hebben we het niet over het ruimtebeslag, de hinder, de onregelmatigheid van energieleverantie, en niet te vergeten de toenemende problemen met de afgedankte wieken die vanwege de samenstelling (grotendeels kunsthars met glasvezel) nauwelijks gerecycled kunnen worden. Productie- en serviceafval zijn momenteel het grootste probleem, maar het afval van afgedankte molenwieken neemt snel toe (figuur 6). Liu en Barlow berekenden dat in 2050 de totale afval van windmolenwieken bijna 3 miljoen ton zal bedragen.
Fig. 6 Bron: Liu en Barlow 2017
Tot slot valt op dat aardgas (LNG) het in de grafiek van CRIEPI niet goed doet. Dat komt omdat dit geïmporteerd aardgas betreft dat onder hoge druk vloeibaar is gemaakt. Japan heeft zelf geen aardgas. Ook het vervoer is lastig, want LNG wordt vervoerd in speciale LNG tankers die maar een beperkte hoeveelheid LNG kunnen vervoeren. De lage EPR voor LNG heeft dus te maken met de benodigde infrastructuur en de energie om LNG te comprimeren. In Nederland scoort aardgas waarschijnlijk een zeer hoge EPR want er ligt een uitgebreid pijpleidingennetwerk dat bovendien licht uitgevoerd kon worden vanwege de lage gasdruk. Daardoor zijn de infrastructuurkosten relatief laag. De energieverliezen voor transport zijn bovendien verwaarloosbaar. Hoe hoog precies de EPR van Nederlands aardgas is is niet bekend, maar het zou me niet verbazen als die in de orde van grootte is van die van nucleaire energie met ‘centrifuge’.
Conclusie: elektriciteitsproductie is vanuit vele invalshoeken te bestuderen. Eén daarvan is het energetisch rendement. Daarbij gaat het om de verhouding tussen de totale energie-input en energie-output. Om die totale energie-input te berekenen bekijkt men de totale energie die nodig is, zoals brandstofwinning, transport, constructie, exploitatie, onderhoud, afvalvoorzieningen, behandeling/verwijdering van afval, enz. Die verhouding wordt uitgedrukt in EPR, de Energy Profit Ratio. Van de in Nederland toepasbare vormen van ‘groene’ elektriciteitsopwekking in figuur 2 valt op dat de EPR daarvan veel lager is dan die van elektriciteitsopwekking met behulp van steenkool en olie. De minst slechte is wind, met een EPR die ongeveer de helft is van die van fossiele energie.
Energetische winnaar is de nucleaire energie. Voor het verrijken van isotopen bestaan verschillende mogelijkheden, in figuur 2 weergegeven met ‘gasdiffusie’, ‘centrifuge’ en ‘geavanceerd’. Het gasdiffusie-proces is een uiterst grootschalig en zeer energie- intensief proces. Het proces met ultracentrifuges gebruikt veel minder energie dan het gasdiffusieproces. URENCO in Almelo gebruikt ultracentrifuges. Met centrifuges gaat de EPR van kernenergie sterk omhoog, zoals in de figuur 2 te zien is aan de EPR van 28,2. Via het opwerken van splijtstof kan je de resterende nucleaire brandstof opnieuw gebruiken. Dat is dus een energiebron waarvoor je bijna geen energie hoeft te investeren, want het proces van opwerking van nucleaire brandstof is een relatief eenvoudig chemisch proces bij lage druk en temperatuur. ‘Geavanceerde’ kernenergie, met opwerken en hergebruik van plutonium, heeft een zeer hoge EPR van 40,6, dat wil zeggen dat er meer dan 40x zoveel energie wordt opgewekt dan er ingestopt moet worden.
De weg die de Nederlandse overheid ingeslagen is in de energietransitie, namelijk inzetten op wind- en zonne-energie (en biomassa) en het aardgasvrij maken van het land, is alleen al uit energetisch oogpunt bezien desastreus.
Met dank aan Wilfred van Rooijen voor de vertaling van het Japans naar het Nederlands, en nuttige aanwijzingen.