Figuur 30.1 toont het energieverbruik van veel landen en regio’s, in vergelijking met hun bruto binnenlands product (BBP). Een wijdverbreide veronderstelling is dat menselijke ontwikkeling en groei goede dingen zijn, dus bij het schetsen van de plannen voor duurzame energie ga ik ervan uit dat alle landen met een laag BBP per hoofd van de bevolking in figuur 30.1 naar rechts gaan. En naarmate hun BBP toeneemt, is het onvermijdelijk dat hun energieverbruik ook zal toenemen. Het is niet duidelijk voor welk consumptieniveau we een plan zouden moeten maken, maar ik denk dat het gemiddelde Europese niveau (125 kWh per dag per persoon) een redelijke aanname is; als alternatief zouden we kunnen veronderstellen dat de efficiëntie maatregelen, zoals die in de schets van het VK in de hoofdstukken 19-28 worden aangegeven, alle landen een Europese levensstandaard laat bereiken met een lager stroomverbruik. In het verbruiksplan op p 204, daalde het energieverbruik in het VK  tot ongeveer 68 kWh / d / p. Met in gedachten dat schetsmatig Groot-Brittannië geen industriële activiteit heeft, zou het misschien verstandig zijn om een iets hoger doelwit aan te nemen, zoals dat van Hongkong 80 kWh / d / p.

De berekeningen voor Europa

Kan Europa met hernieuwbare energie leven?

De gemiddelde bevolkingsdichtheid in Europa is ruwweg de helft van die van Groot-Brittannië. Er is dus meer land om enorme duurzame energie faciliteiten te plaatsen. Het oppervlak van de Europese Unie is ongeveer 9000 m2 per persoon. Echter, veel van de hernieuwbare energiebronnen hebben een lagere vermogensdichtheid in Europa dan in Groot-Brittannië: het grootste deel van Europa heeft minder wind, minder golfslag en minder getijden. Sommige delen hebben meer waterkracht (Scandinavië en Centraal-Europa); en sommige hebben meer zonne-energie. Laten we wat ruwe schattingen uitwerken.

Wind

Het hart van continentaal Europa heeft lagere typische windsnelheden dan de Britse eilanden – in een groot deel van Italië zijn de windsnelheden bijvoorbeeld minder dan 4 m / s. Laten we aannemen dat een vijfde van Europa voldoende windkracht heeft voor economische windparken, met een vermogensdichtheid van 2 W / m2, en vervolgens op die regio’s dezelfde behandeling toepassen als we op Groot-Brittannië in hoofdstuk 4 hebben toegepast: op 10% van het oppervlak windparken plaatsen. Het gebied van de Europese Unie is ongeveer 9000 m2 per persoon. Dus wind geeft

1/5 × 10% × 9000 m2 × 2 W / m2 = 360 W

dat is 9 kWh / dag per persoon.

Waterkracht

De waterkrachtcentrales in Europa produceren in totaal 590 TWh / jaar of 67 GW; verdeeld over 500 miljoen Europeanen, is dat 3,2 kWh / dag per persoon. Deze productie wordt gedomineerd door Noorwegen, Frankrijk, Zweden, Italië, Oostenrijk en Zwitserland. Als ieder land zijn vermogen aan waterkracht zou verdubbelen – waarvan ik denk dat het moeilijk zou zijn – dan zou waterkracht 6,4 kWh / d per persoon opleveren.

Golven

Als we de hele Atlantische kustlijn nemen (ongeveer 4000 km) en vermenigvuldigen met een veronderstelde gemiddelde energieopbrengst van 10 kW / m, dan krijgen we 2 kWh / d per persoon. De Baltische en mediterrane kustlijnen hebben geen golfenergie die het waard is om over te praten.

Getijden

Verdubbeling van het vermogen aan getijdenenergie rond de Britse eilanden (11 kWh / dag per persoon, uit hoofdstuk 14), om rekening te houden met het potentieel aan getijdenenergie in Frankrijk, Ierland en Noorwegen, en vervolgens dit vermogen delen door een bevolking van 500 miljoen, geeft 2,6 kWh / d per persoon. De Baltische en mediterrane kustlijnen hebben geen getijden potentieel waard om over te praten.

PV zonne-energie en thermische panelen op daken

De meeste plaatsen in Europa zijn zonniger dan in het VK, dus zonnepanelen leveren meer stroom in continentaal Europa. 10 m2 op het dak PV fotovoltaïsche panelen zou ongeveer 7 kWh / d leveren op alle plaatsen ten zuiden van het VK. Evenzo zou 2 m2 aan panelen voor waterverwarming gemiddeld 3,6 kWh / d laagwaardige thermische warmte kunnen leveren. (Meer dan 2 m2 per persoon aan water verwarmingspanelen installeren heeft niet veel zin, aangezien deze capaciteit al genoeg zou zijn om aan de typische vraag naar warm water te voldoen.)

Wat nog meer?

Het totaal tot nu toe is 9 + 6.4 + 2 + 2.6 + 7 + 3.6 = 30.6 kWh / d per persoon. De enige bronnen die tot nu toe niet genoemd zijn, zijn geothermische energie en grootschalige zonne-energie parken ( met spiegels,

panelen of biomassa).

Geothermische energie zou kunnen werken, maar het bevindt zich nog in de onderzoeksfase. ik stel voor het als fusie-energie te behandelen: een goede investering, maar er niet op rekenen dat het een substantiele bijdrage gaat leveren.

En zonne-energie parken?

We kunnen ons voorstellen dat 5% van Europa wordt gebruikt (450 m2 per persoon) voor fotovoltaïsche zonne-energie parken zoals die in Beieren uit figuur 6.7 (met een vermogensdichtheid van 5 W / m2). Dit zou een gemiddelde vermogen van 5 W / m2 × 450 m2 = 54 kWh / d per persoon opleveren.  PV-zonneparken zouden daarom een wezenlijke bijdrage kunnen leveren. Het grootste probleem met PV panelen is hun prijs. De elektriciteitsproductie in de winter is ook een probleem!

Energie-gewassen ?

Planten vangen slechts 0,5 W / m2 op (figuur 6.11). Aangezien Europa zichzelf moet kunnen voeden, kan het vermogen uit energiegewassen in Europa nooit enorm zijn. Ja, er zal hier wat koolzaad en daar wat bosbouw zijn, maar ik kan me niet voorstellen dat de totale non-food bijdrage van planten meer dan 12 kWh / dag per persoon zou kunnen worden.

Conclusie

Laten we realistisch zijn. Net als Groot-Brittannië kan Europa niet op eigen hernieuwbare energie leven. Omdat het doel is om van fossiele brandstoffen af te komen, heeft Europa kernenergie of zonne-energie in andermans woestijnen nodig (zoals besproken in hoofdstuk 24), of beide.

De berekeningen voor Noord-Amerika

De gemiddelde Amerikaan gebruikt 250 kWh per dag. Kunnen we dat doel halen met duurzame energie? Stel dat we schokkende efficiëntie maatregelen opleggen (zoals efficiënte auto’s en hogesnelheidstreinen), zodat de Amerikanen in de ellende terecht komen van het leven op slechts 125 kWh / dag van de Europese of Japanse burger?

Wind

Een onderzoek door Elliott et al. (1991) beoordeelde het potentieel aan windenergie van de VS. De meest windrijke plekken zijn in North Dakota, Wyoming en Montana. Ze berekenden dat, over het hele land, 435.000 km2 windrijk land zou kunnen worden benut zonder al teveel problemen te veroorzaken, en dat de hoeveel gegenereerde elektriciteit 4600 TWh per jaar zou zijn, wat 42 kWh per dag per persoon is indien gedeeld door 300 miljoen mensen. Hun berekeningen gingen uit van een gemiddelde vermogensdichtheid van 1,2 W / m2, overigens – kleiner dan de 2 W / m2 die we aannamen in hoofdstuk 4. Het oppervlak van deze windparken, 435.000 km2, is ruwweg hetzelfde als dat van Californië. De totale capaciteit aan windparken (uitgaande van een belastingsfactor van 20%) zou ongeveer 2600 GW moeten zijn, wat overeenkomt met een 200-voudige toename van de huidige windenergie capaciteit in de VS.

Wind op zee

Als we aannemen dat ondiepe wateren in zee met een oppervlakte gelijk aan de som van Delaware en Connecticut (20 000 km2, zijnde een aanzienlijk deel van de ondiepe wateren aan de oostkust van de VS) vol gezet worden met windparken met een vermogensdichtheid van 3 W / m2, dan behalen we een gemiddeld vermogen van 60 GW. Dat is 4,8 kWh / dag per persoon als het wordt gedeeld door 300 miljoen mensen. De vereiste capaciteit aan windturbines die geinstalleerd zou moeten worden zou 15 keer de huidige capaciteit aan windturbines in de VS zijn.

Geothermie

Ik noemde het MIT-onderzoek naar geothermie (Massachusetts Institute of Technology, 2006) in hoofdstuk 16. De auteurs zijn optimistisch over de potentie van geothermische energie in Noord-Amerika, vooral in de westelijke staten waar er meer heet gesteente is. “Met een redelijke investering in R & D kunnen verbeterde geothermische systemen tegen concurrerende kosten zorgen voor 100 GW (e) of meer aan productiecapaciteit in de komende 50 jaar. Bovendien bieden geothermische systemen een veilige energiebron voor de lange termijn.” Laten we aannemen dat ze gelijk hebben. 100 GW elektriciteit is 8 kWh / d per persoon wanneer gedeeld tussen 300 miljoen.

Waterkracht

De waterkrachtcentrales van Canada, de VS en Mexico genereren ongeveer 660 TWh per jaar. Gedeeld tussen 500 miljoen mensen, komt dat neer op 3,6 kWh / dag per persoon. Kan de hydro-elektrische productie van Noord-Amerika verdubbeld worden? Als dat zo is, dan zou hydro 7,2 kWh / d per persoon opleveren.

Wat nog meer?

Het totaal tot nu toe is 42 + 4.8 + 8 + 7.2 = 62 kWh / dag per persoon. Niet genoeg, zelfs voor een Europees bestaan! Ik zou verschillende andere opties kunnen bespreken zoals het duurzaam verbranden van Canadese bossen in elektriciteitscentrales. Maar in plaats door te modderen, laten we gaan voor een technologie die werkelijk aantikt: het concentreren van zonne-energie. Figuur 30.3 toont het gebied binnen Noord-Amerika dat iedereen (500 miljoen mensen) een gemiddeld vermogen van 250 kWh / d zou kunnen leveren.

Conclusie

Noord-Amerika’s niet-solaire duurzame energie is niet genoeg voor Noord-Amerika om mee te leven. Maar wanneer we een enorme uitbreiding van zonne-energie opnemen, is er genoeg. Dus Noord-Amerika heeft zonne-energie nodig in zijn eigen woestijnen, of nucleair vermogen, of beide.

De berekeningen voor de wereld

Hoe kunnen 6 miljard mensen de energie verkrijgen die nodig is voor een Europese levensstandaard – van laten we zeggen 80 kWh per dag per persoon?

Wind

De uitzonderlijke plekken in de wereld met krachtige en constante winden zijn de centrale staten van de VS (Kansas, Oklahoma); Saskatchewan, Canada; De zuidelijke uiteinden van Argentinië en Chili; Noordoost-Australië; noordoost en noordwest China; noordwest Soedan; zuid Zuid-Afrika; Somalië; Iran; en Afghanistan. En overal wind op zee, behalve voor een tropische strook van 60 graden breed rond de evenaar. Laten we voor onze globale schatting uitgaan van de cijfers van Greenpeace en de European Wind Energy Association: “de wereldwijd totale beschikbare bronnen aan windenergie worden geschat op 53.000 TWh per jaar. ” Dat is 24 kWh / d per persoon.

Waterkracht

Wereldwijd is het vermogen van waterkracht op dit moment ongeveer 1,4 kWh / d per persoon. Van de website www.ieahydro.org, “The International Hydropower Association en het International Energy Agency schatten het potentieel aan technisch haalbare waterkracht in de wereld op 14 000 TWh / jaar [6,4 kWh / d per persoon op de wereld],  daarvan wordt ongeveer 8000 TWh / jaar [3,6 kWh / dag per persoon] als momenteel economisch haalbaar beschouwd. Het ontwikkelingspotentieel voor waterkracht bevindt zich voornamelijk in Afrika, Azië en Latijns-Amerika.”

Getijden

Er zijn verschillende plaatsen in de wereld met getijde bronnen op hetzelfde schaal als het estuarium van de Severn (figuur 14.8). In Argentinië zijn er twee sites:San Jos’e en Golfo Nuevo; Australië heeft de Walcott Inlet; de Verenigde Staten en Canada delen de Bay of Fundy; Canada heeft Cobequid; India heeft de Golf van Khambat; de VS heeft Turnagain Arm en Knik Arm; en Rusland heeft Tugur.

En dan is er de grootste getijden locatie van de wereld, op een plaats in Rusland die Penzhinsk heet met een potentieel vermogen van 22 GW – tien keer zo groot als de Severn! Kowalik (2004) schat dat wereldwijd, 40-80 GW aan getijdenenergie kan worden gegenereerd. Gedeeld door 6 miljard mensen, komt dat neer op 0,16-0,32 kWh / dag per persoon.

Golven

We kunnen het totale extraheerbare vermogen van golven schatten door de lengte van de blootgestelde kustlijnen (ongeveer 300 000 km) te vermenigvuldigen met het typische vermogen per lengte-eenheid van de kustlijn (10 kW per meter): het ruwe vermogen is dus ongeveer 3000 GW. Aangenomen dat 10% van deze onbewerkte kracht wordt onderschept door systemen die 50% -efficiënt zijn bij het omzetten van stroom naar elektriciteit, zou golfenergie 0,5 kWh / dag per persoon kunnen leveren.

Geothermie

Volgens D.H. Freeston van het Auckland Geothermal Institute, bedroeg in 1995 het geo-thermische vermogen wereldwijd ongeveer 4 GW, dit is 0.01 kWh / d per persoon. Als we aannemen dat de auteurs van MIT op p 234 gelijk hebben, en als we aannemen dat de hele wereld op Amerika lijkt, dan biedt geothermische energie een potentieel van 8 kWh / d per persoon.

Energie-gewassen

Mensen raken helemaal opgewonden over energiegewassen zoals jathropa, waarvan wordt beweerd, dat het niet met voedsel hoeft te concurreren voor landbouwgrond, omdat het kan worden gekweekt in woestenijen. Mensen moeten naar de cijfers kijken voordat ze enthousiast worden.

De cijfers voor jathropa staan op p284. Zelfs als heel Afrika compleet was bedekt met jathropa-plantages, dan zou het geproduceerde vermogen, gedeeld tussen zes miljard mensen, 8 kWh / d per persoon zijn (dat is slechts een derde van het wereldwijde olie verbruik van vandaag).  U kunt uw olieverslaving niet genezen door over te schakelen op jathropa!

Laten we een schatting maken van het vermogen dat energiegewassen kunnen leveren aan de hele wereld, volgens dezelfde methode die we in hoofdstuk 6 op Groot-Brittannië toepasten: stelt u zich voor om alle landbouwgrond te gebruiken voor energiegewassen. 18% van het land van de wereld is momenteel akkerland of weideland – een gebied van 27 miljoen km2. Dat is 4500 m2 per persoon, indien verdeeld over 6 miljard. Met de aanname van een vermogensdichtheid van 0,5 W / m2, en 33 % verliezen in verwerking en landbouw, dan vinden we dat als energiegewassen alle landbouwgrond zouden gebruiken, dat 36 kWh / d per persoon zou opleveren. Nu is dit misschien een onderschatting, in figuur 6.11 (p43) zagen we dat Braziliaans suikerriet een vermogensdichtheid kan leveren van 1,6 W / m2, drie keer groter dan ik net aannam. Oke, misschien hebben energiegewassen uit Brazilië een toekomst. Maar ik zou graag doorgaan naar de laatste optie.

Zonneboilers, PV zonne-energie en het concentreren van zonne-energie

Thermische warmwaterboilers zijn een vanzelfsprekendheid. Ze zullen bijna overal op de wereld werken. China is wereldleider in deze technologie. Er is meer dan 100 GW aan zonneboiler capaciteit wereldwijd, en meer dan de helft daarvan is in China.

PV zonne-energie is technisch haalbaar voor Europa, maar ik oordeel dat dit te duur is. Ik hoop dat ik het mis heb, natuurlijk. Het zal geweldig zijn als de kosten van PV energie op dezelfde manier zullen dalen als de kosten van computervermogen in de afgelopen veertig jaar gedaald zijn. Ik vermoed dat in veel regio’s de beste zonnetechnologie voor elektricteitsproductie de geconcentreerde zonne-energie zal zijn waar we het over hebben gehad op de paginas 178 en 236. Op die pagina’s hebben we aangegeven dat een miljard mensen in Europa en Noord-Afrika van energie kunnen worden voorzien door zonne-energie installaties op grote schaal in woestijnen in de buurt van de Middellandse Zee; en dat een half miljard mensen in Noord-Amerika kan worden voorzien van energie door faciliteiten met het oppervlak van Arizona in de woestijnen van de VS en Mexico. Als een oefening laat ik het aan de lezer om passende woestijnen te vinden voor de overige 4,5 miljard mensen op de wereld.

Conclusie

Zonder zonne-energie vinden we het volgende potentieel aan duurzame energie. Wind: 24 kWh / d / p; waterkracht: 3,6 kWh / d / p; getijden-energie: 0,3 kWh / d / p; golf energie: 0,5 kWh / d / p; geothermie: 8 kWh / d / p – een totaal van 36 kWh / d / p. Ons doel was een post-Europees energieverbruik van 80 kWh / dag per persoon. We hebben een duidelijke conclusie: Duurzame energiebronnen exclusief zonne-energie kunnen “enorm” zijn, maar ze zijn niet groot genoeg. Voor een plan dat klopt, moeten we gebruik maken van een of meerdere vormen van zonne-energie. Of kernenergie gebruiken. Of allebei.

Aantekeningen en verdere lectuur

Noord-Amerikaanse wind op zee windbronnen.www.ocean.udel.edu/windpower/ResourceMap/index-wn-dp.html

Noord-Amerika heeft zonne-energie in zijn eigen woestijnen nodig, of kernenergie, of beide. Voor het lezen van Google’s  2008-plan voor een fossiele brandstofreductie van 40% in de VS, zie Jeffery Greenblatt’s artikel Clean Energy 2030 [3lcw9c]. De belangrijkste kenmerken van dit  plan zijn efficiency maatregelen, elektrificatie van transport en elektriciteitsproductie met duurzame energiebronnen.

Hun productieplan voor elektriciteit omvat

10.6 kWh / d / p aan windenergie,

2,7 kWh / d / p fotovoltaïsche zonne-energie,

1,9 kWh / d / p met het concentreren van zonne-energie,

1,7 kWh / d / p met biomassa, en

5,8 kWh / d / p met geothermische energie

tegen 2030. Dat is een totaal van 23 kWh / d / p nieuwe duurzame energiebronnen. Ze gaan ook uit van een kleine toename in kernenergie van 7,2 kWh / d / p tot 8,3 kWh / d / p, en geen verandering in hydro-elektriciteit. Aardgas zou nog steeds worden gebruikt, een bijdrage van 4 kWh / d / p.

Het totale potentieel aan waterkracht in de wereld …Bron: www.ieahydro.org/faq.htm.

Het globale potentieel aan golfenergie wordt geschat op 3000 GW. Zie Quayle en Changery (1981).

Geothermisch vermogen in 1995. Freeston (1996).

Energiegewassen. Zie Rogner (2000) voor schattingen die vergelijkbaar zijn met de mijne.

Verder lezen: Nature magazine heeft een artikel van 8 pagina’s waarin wordt besproken hoe u de wereld van energie kan voorzien (Schiermeier et al., 2008).