Of het Middellandse-Zeegebied in de 21ste eeuw  een gebied van samenwerking of een van confrontatie wordt zal van strategisch belang zijn voor onze gemeenschappelijke veiligheid.

Joschka Fischer, Duitse minister van Buitenlandse Zaken, februari 2004

We hebben ontdekt dat het moeilijk is van fossiele brandstoffen af te komen door die te vervangen met duurzame energie uit eigen land. Kernenergie heeft ook zo zijn problemen. Dus wat kunnen we nog meer doen? Nou, kunnen we niet duurzame energie van iemand anders gebruiken? (Niet dat we recht hebben op de duurzame energie van iemand anders, natuurlijk, maar misschien is er iemand geïnteresseerd om die aan ons te verkopen.) De meeste middelen om duurzaam te leven zijn gerelateerd aan het landoppervlak dat ervoor beschikbaar is: als u zonnepanelen wilt gebruiken, heeft u land nodig om ze op te zetten; als u gewassen wilt laten groeien, heeft u weer land nodig.

VERMOGEN PER OPPERVLAKTE EENHEID
Wind	2 W/m2
Offshore wind	3 W/m2
Tidal pools	3 W/m2
Tidal stream	6 W/m2
Solar PV panels	5–20 W/m2
Plants	0.5 W/m2
Rain-water   (highlands)	0.24 W/m2
Hydroelectric   facility	11 W/m2
Solar chimney	0.1 W/m2
Concentrating solar   power (desert)	15 W/m2

Table 25.1 Installaties voor duurzame energie moeten op de schaal van een land gebouw worden, omdat alle vormen van duurzame energie zo diffuus zijn.

Jared Diamond, in zijn boek Collapse, merkt op dat, hoewel veel factoren bijdragen aan de ineenstorting van beschavingen, een gemeenschappelijk kenmerk van alle ineenstortingen is dat de menselijke bevolkingsdichtheid te groot werd. Gebieden zoals Groot-Brittannië en Europa hebben het moeilijk omdat ze hoge bevolkingsdichtheden hebben, en alle hernieuwbare energiebronnen diffuus zijn – zij hebben een kleine vermogensdichtheid (tabel 25.1). Bij het zoeken naar hulp, zouden we moeten zoeken naar landen die aan 3 voorwaarden voldoen: (a) een lage bevolkingsdichtheid; b) een groot oppervlak; en c) de beschikbaarheid van hernieuwbare energie met een hoge vermogensdichtheid.

Regio	Bevolkingsgrootte	Oppervlakte (km2)	Bevolkingdichtheid (personene per km2)	Oppervlak per  persoon (m2)
Libie	5 760 000	1 750 000	3	305000
Kazakhstan	15 100 000	2 710 000	6	178 000
Saudi Arabie	26 400 000	1 960 000	13	74 200
Algerije	32 500 000	2 380 000	14	73 200
Soedan	40 100 000	2 500 000	16	62 300
World	6 440 000 000	148 000 000	43	23 100
Schotland	5 050 000	78 700	64	15 500
Europese Union	496 000 000	4 330 000	115	8 720
Wales	2 910 000	20 700	140	7 110
Verenigd Koninkrijk	59 500 000	244 000	243	4 110
England	49 600 000	130 000	380	2 630

Tabel 25.2 Enkele landen die in aanmerking komen. De bevolkingsdichtheid van Libië is bijvoorbeeld 70 keer kleiner dan die van Groot-Brittannië en het oppervlak is wel 7 keer groter. Andere landen met veel ruimte zijn Kazachstan, Saoedi-Arabië, Algerije en Soedan.

Voor al deze landen denk ik dat de meest veelbelovende duurzame energie zonne energie is, en meer in het bijzonder het concentreren van zonne-energie, waarbij gebruik wordt gemaakt van spiegels of lenzen om zonlicht te focussen. Concentrerende zonnecentrales zijn er in verschillende smaken, de bewegende spiegels kunnen in verschillende patronen worden gerangschikt, en verschillende energieconversie technologieën kunnen gebruikt worden – Stirlingmotoren, stoom, of gesmolten zout, bijvoorbeeld – maar ze leveren allemaal redelijk vergelijkbare gemiddelde vermogens per oppervlakte-eenheid, van rond de 15 W / m2.

Een technologie die voldoende kan leveren

“Alle voor de wereld benodigde energie kan worden geleverd met één vierkant van 100 km bij 100 km in de Sahara.” Is dit waar? Het concentreren van zonne-energie in woestijnen levert een gemiddeld vermogen per oppervlakte-eenheid van ongeveer 15 W / m2. Dus, als er niets anders gedaan wordt in zo’n vierkant, dan zou het geleverde vermogen 150 GW zijn. Dit is niet hetzelfde als het huidige energieverbruik van de wereld. Het komt zelfs niet in de buurt van het huidige wereldwijde elektriciteitsverbruik, dat 2000 GW is. Het totale energieverbruik in de wereld komt vandaag de dag overeen met een vermogen van 15.000 GW. Dus de juiste uitspraak over energie uit de Sahara is dat het huidige energieverbruik geleverd zou kunnen worden door een gebied van 1000 km op 1000 km in de woestijn, helemaal vol te zetten met concentrerende zonne-energie installaties. Dat is vier keer het oppervlak van het VK. En als wij geïnteresseerd zijn om in een rechtvaardige wereld te leven, dat zouden we waarschijnlijk als doel moeten hebben om meer dan het huidige energieverbruik te produceren. Om elke persoon in de wereld te voorzien van een hoeveelheid energie die overeenkomt met het gemiddelde Europees energieverbruik (125 kWh / d), zijn er twee vierkanten van 1000 km bij 1000 km in de woestijn nodig.

Gelukkig is de Sahara niet de enige woestijn, dus misschien is het relevanter om de wereld op de delen in regios, en voor iedere regio de vraag te stellen welk oppervlak nodig is in de lokale woestijn. Dus, als we kijken naar op Europa, “welk gebied is in de Sahara nodig om iedereen in Europa en Noord-Afrika te voorzien van het gemiddelde Europees energieverbruik?” Voor de bevolking van Europa en Noord-Afrika samen nemen we 1 miljard, en dan daalt het oppervlak van het vereiste gebied naar 340 000 km2, wat overeenkomt met een vierkant van 600 km bij 600 km. Dit gebied is gelijk aan één Duitsland, 1,4 keer het Verenigd Koninkrijk, of 16 keer Wales. Het aandeel van het VK in dit gebied van 16 keer Wales gebied zou één Wales zijn: 145 km bij 145 km – dit gebied in de Sahara zou het huidige primaire energieverbruik van het VK kunnen leveren. Deze vierkanten worden getoond in figuur 25.5. Merk dat op terwijl het gele vierkant “klein” lijkt ten opzichte van Afrika, het even groot is als Duitsland.

Het DESERTEC-plan

Een organisatie genaamd DESERTEC [www.desertec.org] promoot een plan om zonne-energie uit Mediterrane landen, via hoogspanningsgelijkstroom (HVDC) transmissielijnen (figuur 25.7) te leveren aan meer bewolkte noordelijke gebieden. HVDC-technologie is sinds 1954 in gebruik om elektriciteit zowel via bovenleidingen als via onderzeese kabels te transporteren (zoals de interconnector tussen Frankrijk en Engeland). Het wordt al gebruikt voor het overbrengen van elektriciteit over afstanden van 1000 kilometer Zuid-Afrika, China, Amerika, Canada, Brazilië en Congo. Een typische  500 kV-lijn kan een vermogen van 2 GW transporteren. Twee HVDC-lijnen in Brazilië transporteren een vermogen van 6,3 GW.

HVDC heeft de voorkeur boven hoogspanningslijnen, omdat minder materiaal nodig is, minder land gebruikt wordt en de vermogensverliezen van HVDC kleiner zijn. De vermogensverliezen van een 3500 km lange HVDC-lijn, inclusief conversie van AC naar DC en terug, zouden ongeveer 15% zijn. Een verder voordeel van HVDC-systemen is dat ze helpen de elektriciteit te stabiliseren in de netwerken waarmee ze verbonden zijn.

In de DESERTEC-plannen, zijn de eerste gebieden die ontwikkeld gaan worden kustgebieden omdat zonne-energiecentrales bij de kust ontzilt water als bijproduct kunnen leveren, een belangijke hulpbron voor menselijke consumptie en landbouw. Tabel 25.6 toont DESERTEC’s schattingen van het potentiële vermogen dat kan worden geproduceerd in Europa en Noord-Afrika. Het “economische potentieel ” is ruim voldoende om 125 kWh per persoon per dag te leveren dag aan 1 miljard mensen. Het totale “potentieel aan de kust” is voldoende om 16 kWh per dag per persoon aan 1 miljard mensen te leveren.

Country	Economisch potentieel (TWh/y)	Potentieel aan de  kust (TWh/y)
Algeria	169 000	60
Libya	140 000	500
Saudi Arabia	125 000	2 000
Egypt	74 000	500
Iraq	29 000	60
Morocco	20 000	300
Oman	19 000	500
Syria	10 000	0
Tunisia	9 200	350
Jordan	6 400	0
Yemen	5 100	390
Israel	3 100	1
UAE	2 000	540
Kuwait	1 500	130
Spain	1 300	70
Qatar	800	320
Portugal	140	7
Turkey	130	12
Total	620 000 (70 000 GW)	6 000 (650 GW)

Tabel 25.6. Potentieel aan zonne-energie in de buurt van Europa. Het “economische potentieel” is het vermogen dat kan worden opgewekt op geschikte plaatsen waar de directe normale instraling meer is dan 2000 kWh / m2 / jaar. Het “kustpotentieel” is het vermogen dat binnen 20 m (verticaal) van de zeespiegel kan worden gegenereerd; een dergelijke vermogen is vooral veelbelovend vanwege de mogelijke combinatie met ontzilting. Ter vergelijking: het totale vermogen dat nodig is om 125 kWh per dag aan 1 miljard mensen te geven, is 46 000 TWh / jaar (5 200 GW). 6000 TWh / jaar (650 GW) is 16 kWh per dag per persoon voor 1 miljard mensen.

Laten we proberen op een kaart aan te geven hoe een realistisch plan er uit kan zien. Stelt u zich zonne-energie installaties voor, elk met een oppervlakte van 1500 km2 – dat is ongeveer de grootte van Londen. (Groot-Londen heeft een oppervlakte van 1580 km2; De M25-ringweg rond Londen, ook wel “London Orbital” genoemd, omringt een gebied van 2300 km2.) Laten we iedere installatie een vlek noemen. Stelt u zich voor dat in elk van deze vlekken de ene helft bestemd is voor zonlicht concentrerende krachtcentrales met een gemiddeld vermogen per oppervlak van 15 W / m2, en de andere helft gebruikt wordt voor landbouw, gebouwen, spoorwegen, wegen, pijpleidingen en kabels. Rekening houdend met een transmissieverlies van 10% tussen de vlek en de consument levert ieder van deze vlekken een gemiddeld vermogen van 10 GW. Figuur 25.8 toont enkele blobs op schaalgrootte op een kaart. Om een idee te geven van de omvang van deze vlekken heb ik er ook een paar in Groot-Brittannië geplaatst. Vier van deze vlekken zouden een productie hebben die ruwweg gelijk is aan de totale elektriciteitsconsumptie van Groot-Brittannië (16 kWh / dag per persoon voor 60 miljoen mensen). Vijfenzestig vlekken zouden alle één miljard mensen in Europa en Noord-Afrika kunnen voorzien van 16 kWh / dag per persoon Figuur 25.8 toont 68 blobs in de woestijn.

PV panelen met licht concentratie

Een alternatief voor het concentreren van thermische zonne-energie in woestijnen zijn grootschalige fotovoltaïsche systemen met licht concentratie. Om deze te maken, zetten we een hoogwaardige elektriciteit producerende zonnecel in het centrum van een stelsel van lenzen en/of spiegels die het licht naar de zonnecel sturen. Faiman et al. (2007) zeggen dat “zonne-energie in de variant met licht concentratie, kan volledig concurrerend worden ten opzichte van fossiele brandstof [in woestijn staten zoals Californië, Arizona, New Mexico en Texas] zonder enige vorm van subsidie.”

Volgens de fabrikant Amonix, zou deze vorm van concentreren van zonne-licht een gemiddeld vermogen per oppervlakte-eenheid van 18 W / m2 hebben.

Een andere manier om een gevoel te krijgen voor de hoeveelheid materiaal die nodig is, is personaliseren. één van de “25 kW” (piek) collectoren getoond in figuur produceert ongeveer 138 kWh per dag; de Amerikaanse levensstijl gebruikt momenteel 250 kWh per dag per persoon. Dus om de VS te verlossen van fossiele brandstoffen met behulp van zonne-energie, is ongeveer een vierkant van 15 meter bij 15 meter aan collectoren per persoon nodig.

Vragen

Ik ben in de war! In hoofdstuk 6 zei u dat de beste pv panelen gemiddeld 20 W / m2 leveren, op een plaats met Britse zonneschijn. Waarschijnlijk zouden dezelfde panelen in de woestijn 40 W / m2 opleveren. Dus waarom leveren concentrerende zonnecentrales dan slechts 15-20 W / m2? Het concentreren van zonne-energie zou zelfs beter moeten zijn dan gewone flatpanels?

Goede vraag. Het korte antwoord is nee. Het concentreren van zonne-energie levert niet meer vermogen per oppervlakte-eenheid dan platte panelen. Het apparaat dat het licht concentreert moet de zon volgen, anders komt het zonlicht niet op de juiste plek; Zodra u zonnepanelen plaatst die met de zon mee bewegen, moet u er meer ruimte tussenin laten; veel zonlicht valt dan tussen de panelen door en is verloren. De reden dat mensen toch concentrerende zonnepanelen maken is dat vandaag de dag zonnepanelen erg duur zijn, en concentrerende systemen goedkoper. Het doel van de mensen die zonlicht concentreren is niet om systemen met veel vermogen per landoppervlakte te maken. Land is goedkoop (nemen ze aan). Hun doel is om veel vermogen per dollar te leveren.

Maar als platte pv panelen een grotere vermogensdichtheid hebben, waarom bespreekt u dan niet om die in de Sahara toe te passen? Omdat ik praktische opties probeer te bespreken voor duurzame grootschalige energieproductie voor Europa en Noord-Afrika in 2050. Mijn gok is dat tegen 2050 spiegels nog steeds goedkoper zullen zijn dan fotovoltaïsche panelen, dus het concentreren van zonne-energie is de technologie waarop we ons moeten concentreren.

Hoe zit het met zonneschoorstenen?

De zonne schoorsteen of thermische schoorsteen gebruikt de zonne-energie op een zeer simpele wijze.. Een enorme schoorsteen is gebouwd in het midden van een gebied bedekt met een transparant dak van glas of plastic; omdat hete lucht opstijgt, suist warme lucht gecreëerd in deze broeikasachtige warmtecollector door de schoorsteen naar boven, en zuigt daardoor koelere lucht van de buitenrand van de warmtecollector naar binnen. Energie wordt gewonnen door turbines in de luchtstroom aan de voet van de schoorsteen. Zonne schoorstenen zijn vrij eenvoudig te bouwen, maar ze leveren niet een zeer indrukwekkend vermogen per oppervlakte-eenheid. Een proeffabriek in Manzanares, Spanje, werkte zeven jaar lang tussen 1982 en 1989. De schoorsteen had een hoogte van 195 m en een diameter van 10 m; de collector had een diameter van 240 m en zijn dak had 6000 m2 glas en 40.000 m2 doorzichtig plastic. Het genereerde 44 MWh per jaar,wat overeenkomt met een vermogen per oppervlakte-eenheid van 0,1 W / m2. Theoretisch gezien, hoe groter de collector en hoe hoger de schoorsteen deste hoger het vermogen per oppervlakteeenheid van een zonneschoorsteen wordt. De ingenieurs achter Manzanares rekenden uit dat, met een zonnestraling van 2300 kWh / m2 per jaar (262 W / m2),een 1000 m hoge toren omgeven door een collector met een diameter van 7 km, 680 GWh per jaar zou kunnen genereren, een gemiddeld vermogen van 78 MW. Dat is een vermogen per oppervlakte van 1,6 W / m2, wat vergelijkbaar is met het vermogen per oppervlakte-eenheid van windmolenparken in Groot-Brittannië, en een tiende van wat zonlicht concentrerende energiecentrales kunnen leveren. Er wordt beweerd dat zonne-energie schoorstenen elektriciteit zouden kunnen opwekken tegen een vergelijkbare prijs als die van de conventionele elektriciteitscentrales. Ik stel voor dat landen die genoeg ruimte en zon over hebben om te exporteren, een grote bak competitie tussen zonneschoorstenen en zonlicht concentrerende energiecentrales gaan houden, die gefinancierd zal wordt door de landen die olie produceren en consumeren.

Waarom geen energie uit IJsland, waar geothermische energie en hydro-elektriciteit zo overvloedig zijn?

Inderdaad, IJsland exporteert al met succes energie door industrieën van stroom te voorzien die energie-intensieve producten maken. IJsland produceert bijna één ton aluminium per burger per jaar, bijvoorbeeld! Dus voor IJsland zijn er nog grote winsten te maken. Maar kan IJsland Europa redden? Het zou me verbazen als de elektriciteitsproductie van IJsland zou kunnen worden opgeschaald tot een omvangrijke export produkt, zelfs al was het alleen maar naar Groot-Brittannië.  Om dit idee te toetsen, laten we het vergelijken met de Engeland-Frankrijk Interconnector, die tot 2 GW kan leveren via het Engelse kanaal. Dat maximale vermogen komt overeen met 0,8 kWh per dag per persoon in het VK, ongeveer 5% van het Britse gemiddelde elektriciteitsverbruik. Het gemiddelde vermogen van geothermische elektriciteit in IJsland is slechts 0,3 GW, wat minder is dan 1% van het gemiddelde elektriciteitsverbruik in het VK. De gemiddelde elektriciteitsproductie van IJsland is 1,1 GW. Dus om een interconnect te creëren die gelijk is aan de capaciteit van de Franse connector, zou IJsland zijn elektriciteitsproductie moeten verdrievoudigen. Om ons te voorzien van 4 kWh per dag per persoon ( een hoeveelheid die het VK van z’n eigen kerncentrales krijgt ), zou de elektriciteitsproductie van IJsland met een factor 10 verhoogd moeten worden. Het is waarschijnlijk een goed idee om interconnectoren met IJsland te bouwen, maar verwacht niet dat die meer dan een kleine bijdrage zullen leveren.

Aantekeningen en verdere literatuur

In de woestijn zorgt geconcentreerde zonne-energie voor een gemiddeld vermogen per eenheid landoppervlak van ongeveer 15 W / m2. Mijn bronnen voor dit cijfer zijn twee bedrijven die zonnekrachtcentrales in woestijnen produceren.

www.stirlingenergy.com zegt een van zijn gerechten met een Stirling-motor van 25 kWin zijn focus kan 60.000 kWh / j op een favoriete woestijnlocatie genereren. Zij zouden kunnen worden gepositioneerd met een dichtheid van één schaal per 500 m2. Dat levert een gemiddeld vermogen van 14 W / m2. Ze zeggen dat in termen van geleverde energie zonneschotels met Stirlingmotor het beste gebruik maken van het landoppervlak,.

www.ausra.com gebruikt vlakke spiegels om water tot 285 ° C te verhitten en een stoomturbine aan te drijven. Het verwarmde, onder druk staande water kan worden opgeslagen diep onder de grond in met metaal beklede grotten om stroomopwekking gedurende de nacht mogelijk te maken. In hun beschrijving van een “240 MW (e)” fabriek voorgesteld voor Australië (Mill en Lièvre, 2004), beweren de ontwerpers dat 3,5 km2 aan spiegels 1,2 TWh (e) zou kunnen leveren; dat is 38 W / m2 spiegel. Om het vermogen per landoppervlak te bepalen, moeten we rekening houden met de ruimte tussen de spiegels. Ausra zegt dat ze 153 km bij 153 km in de woestijn nodig hebben om alle Amerikaanse elektriciteit te leveren(Mills en Morgan, 2008). Het totale Amerikaanse elektriciteitsverbruik is 3600 TWh / dag, dus ze claimen een vermogen per eenheid landoppervlak van 18 W / m2. Deze technologie wordt compacte lineaire fresnel reflector genoemd (Mills en Morrison, 2000; Mills et al., 2004; Mills en Morgan, 2008). Overigens in plaats van “het concentreren van zonne-energie,” gebruikt het bedrijf Ausra het liefst de term thermische zonne-energie (STE); ze benadrukken de voordelen van de energieopslag, dit in tegenstelling tot het concentreren van fotovoltaïek, dat geen natuurlijke opslag optie heeft.

Trieb en Knies (2004), die sterke voorstanders zijn van het concentreren van zonne-energie, voorspellen dat de verschillende technologieën om zonne-energie te concentreren de volgende vermogens per landoppervlak zullen hebben:

parabolisch troggen, 14-19 W / m2;

lineaire fresnel verzamelaar, 19-28 W / m2;

toren met heliostatistieken, 9-14 W / m2;

stirling dish, 9-14 W / m2.

Er zijn drie Europese demonstratie-installaties voor het concentreren van zonne-energie. Andasol – gebruikt parabolische collectoren; Solúcar PS10, heeft een toren in de buurt van Sevilla; Solartres heeft een zonnetoren met gesmolten zout voor warmteopslag. De parabolische collectoren van Andasol afgebeeld in figuur 25.4 is voorspeld om 10 W / m2 te leveren. Solucar’s “11 MW” zonnetoren heeft 624 spiegels, elk 121 m2. De spiegels concentreren het zonlicht tot een stralingsdichtheid van maximaal 650 kW / m2. De ontvanger ontvangt een piekvermogen van 55 MW. De centrale kan 20 MWh aan thermische energie opslaan, wat genoeg energie is om door te gaan met elektriciteit te leveren gedurende een bewolkte periode van  50 minuten. Deze centrale werd verwacht om 24,2 GWh elektriciteit per jaar te genereren en de centrale beslaat 55 hectare. Dat is een gemiddeld vermogen per oppervlak van 5 W / m2. (Bron:Abengoa Jaarverslag 2003.) Solartres bezetten 142 hectare en zijn zal naar verwachting 96,4 GWh per jaar produceren; dat is een vermogensdichtheid van 8 W / m2. Andasol en Solartres zullen tijdens normaal bedrijf ook een kleine hoeveelheid aardgas gebruiken.

HVDC wordt al gebruikt voor het vervoer van elektriciteit over een afstand van meer dan 1000 km in Zuid-Afrika, China, Amerika, Canada, Brazilië en Congo. Bronnen: Asplund (2004), Bahrman en Johnson (2007). Meer informatie over HVDC: Carlsson (2002).

De verliezen op een 3500 km lange HVDC-lijn, inclusief conversie van AC naar DC en terug, zouden ongeveer 15% zijn. Bronnen: Trieb and Knies (2004); van Voorthuy-sen (2008).

Volgens Amonix zou het concentreren van fotovoltaïsche energie een gemiddelde vermogen per landoppervlakte hebben van 18 W / m2. De aannames van www.amonix.com zijn: de lens laat 85% van het licht door; 32% cel efficiëntie; 25% collector efficiency; en 10% extra verlies door beschaduwing. Diafragma / land verhouding van 1/3. Normale directe instraling: 2222 kWh / m2 / jaar. Ze verwachten dat elke kW piekcapaciteit  2000 kWh / jaar kan leveren (een gemiddelde van 0,23 kW). Een plant van 1 GW piekcapaciteit zou 12 km2 land beslaan en 2000 GWh per jaar leveren. Dat is 18 W / m2.

Zonneschoorstenen. Bronnen: Schlaich J (2001); Schlaich et al. (2005); Dennis(2006), www.enviromission.com.au, www.solarairpower.com.183

De gemiddelde geothermische elektriciteitsopwekking van IJsland is slechts 0,3 GW. De gemiddelde elektriciteitsproductie in IJsland is 1,1 GW. Dit zijn de statistieken voor 2006: 7,3 TWh hydro-elektriciteit en 2,6 TWh geothermische elektriciteit, met capaciteiten van respectievelijk 1,16 GW en 0,42 GW. Bron: Orkustofnun NationalEnergieautoriteit [www.os.is/page/energystatistics].

Verder lezen: Europese Commissie (2007), Duits lucht- en ruimtevaartcentrum (DLR)Instituut voor Technische Thermodynamica Sectie systeemanalyse en technologie Assessment (2006), www.solarmillennium.de.