We schatten in hoe ons energieverbruik zich verhoudt tot een haalbare duurzame energieproductie. In de laatste drie hoofdstukken vonden we dat autorijden en vliegen méér verbruikt dan windkracht op het vasteland van het Verenigd Koninkrijk zou kunnen leveren.. Zou zonne-energie duurzame productie weer in de race kunnen brengen ?

Het bruto vermogen van zonlicht om 12 uur s’middags op een onbewolkte dag is 1000W per vierkante meter. Dat is 1000 W per m2 oppervlak dat op de zon is gericht, niet per m2 landoppervlak. Om het vermogen per m2 landoppervlak in Groot-Brittannië te bepalen, moeten we een aantal correcties aanbrengen. We moeten de hoek tussen de zonnestralen en het landoppervlak compenseren. Daardoor vermindert de intensiteit van de middagzon tot ongeveer 60% van zijn waarde op de evenaar(figuur 6.1). We verliezen ook omdat het niet altijd 12 uur is. Op een wolkvrije dag in maart of september is de verhouding van de gemiddelde intensiteit tot de 12 uur intensiteit ongeveer 32%. Ten slotte verliezen we vermogen vanwege bewolking. Op een typisch Britse locatie schijnt de zon slechts 34% van de daglichturen.

 

Het effect van deze drie factoren samen en, om het ingewikkelder te maken, de seizoenschommelingen is dat het gemiddelde vermogen van zonlicht per vierkante meter dak op het zuiden in Groot-Brittannië ongeveer 110 W / m2 bedraagt, en het gemiddelde vermogen van de zon per vierkante meter grondoppervlak ongeveer 100 W / m2 is. We kunnen dit vermogen op vier manieren in bruikbare energie omzetten:

• Zonnecollectoren: gebruik de zonstralen voor het verwarmen van gebouwen of water.
• Zonnepanelen : gebruik de zonnestralen om elektriciteit op te wekken.
• Zonne-biomassa: gebruik bomen, bacteriën, algen, maïs, sojabonen of oliezaden om energiebrandstoffen, chemicaliën of bouwmaterialen te maken.
• Voedsel: dezelfde produkten als bij zonne-biomassa, maar om mensen of dieren te voeden.

(In een later hoofdstuk zullen we ook een paar andere zonne-energietechnieken bespreken die geschikt zijn voor gebruik in woestijnen.) Laten we snel een paar ruwe schattingen maken van de maximale theoretische opbrengst die elk van deze methodes zou kunnen bieden. We zullen de economische kosten en de energiekosten voor de productie en het onderhoud van deze installaties verwaarlozen.

Thermische zonne-energie

De eenvoudigste zonne-energietechnologie is een paneel dat heet water maakt. Laten we ons voorstellen dat we alle daken op het zuiden bedekken met thermische zonnepanelen – dat zou ongeveer 10 m2 panelen per persoon zijn – en laten we aannemen dat deze 50% -efficiënt zijn in het omzetten van de 110 W / m2 van het zonlicht in warm water (figuur 6.3). Vermenigvuldigend 50% × 10 m2 × 110 W / m2 vinden we dat zonneverwarming 13 kWh per dag per persoon zou kunnen leveren.

Ik kleur deze productiebox wit in figuur 6.4 om aan te geven dat het om laagwaardige energie gaat – warm water is niet zo waardevol als de hoogwaardige elektrische energie die windturbines produceren. Warmte kan niet aan het elektriciteitsnet worden geleverd. Als men het niet nodig heeft, dan is het verspild. Ook zouden we ons moeten realiseren dat veel van deze energie niet op de juiste plaats wordt opgevangen. In steden, waar veel mensen wonen, hebben woningen minder dakoppervlak per persoon dan het nationale gemiddelde. Bovendien wordt deze energie niet uniform door het jaar heen geleverd. 

 

Fotovoltaïsche zonne-energie

Fotovoltaïsche panelen (PV) zetten zonlicht om in elektriciteit. Typische zonnepanelen hebben een efficiëntie van ongeveer 10%; dure exemplaren presteren met 20%. (Fundamentele fysische wetten beperken de efficiëntie van fotovoltaïsche systemen tot maximaal 60% met perfect concentrerende spiegels of lenzen en 45% zonder concentratie. Een massaproductie pv paneel met een efficiëntie van meer dan 30% zou heel opmerkelijk zijn.) Het gemiddelde vermogen geleverd door op het zuiden gerichte 20% efficiënte fotovoltaïsche panelen is in Groot-Brittannië :

20% × 110 W / m2 = 22 W / m2.

Afbeelding 6.5 toont gegevens om dit getal te onderbouwen. Laten we elke persoon 10 m2  20% -efficiënte dure zonnepanelen geven en alle op het zuiden gerichte daken bedekken.

Deze zullen 5 kWh per dag per persoon leveren.

Aangezien het totale oppervlak van alle daken op het zuiden 10 m2 per persoon is, is er niet genoeg ruimte op onze daken voor zowel deze PV panelen en de zonnecollectoren uit de voorgaande sectie. Dus moeten we kiezen zonne-electriciteit of zonne-warmwater. Maar ik zal ze toch allebei op de duurzame productiestapel zetten. Overigens zijn, vandaag de dag, de kosten voor het installeren van dergelijke fotovoltaïsche panelen ongeveer vier keer de kosten van het installeren van thermische zonnepanelen, terwijl ze slechts de helft minder energie leveren, zij het hoogwaardige energie (elektriciteit). Dus ik zou een gezin dat in zonneenergie wil investeren aanraden eerst de thermische zonne-optie ( zonne collectoren ) te onderzoeken. De slimste oplossing, in ieder geval in zonnige landen, is om gecombineerde systemen te maken die zowel elektriciteit als warm water levereren uit één enkele installatie. Heliodynamics is een pionier met deze aanpak, die de totale kosten van hun systemen vermindt door kleine, hoogwaardige fotovoltaïsche galliumarsenide eenheden te omringen met arrays van langzaam bewegende platte spiegels; de spiegels richten het zonlicht op de fotovoltaïsche eenheden, die zowel elektriciteit als warm water leveren; het warme water wordt gegenereerd door water langs de achterkant van de fotovoltaïsche eenheden te pompen.

De conclusie tot nu toe: thuis op het naar het zuiden gerichte dak kunnen PV panelen een behoorlijk deel van uw persoonlijk elektriciteitsverbruik leveren; maar daken zijn niet groot genoeg om een grote impact op ons totale energieverbruik te maken. Om meer te doen met PV, we moeten afdalen naar de vaste grond. De zonnestrijders in figuur 6.6 laten zien hoe.

Dagdromen : zonne-landbouw

Als een doorbraak van zonnetechnologie optreedt en de kosten van fotovoltaïek genoeg naar beneden gaan zodat we panelen over het hele land kunnen inzetten, wat is dan de maximaal denkbare productie? Nou, als we 5% van het Verenigd Koninkrijk zouden vol zetten met 10% efficiënte panelen, dan zouden we de volgende opbrengst kunnen hebben :

10% × 100 W / m2 × 200 m2 per persoon≈ 50 kWh / dag / persoon.

Ik ging trouwens uit van slechts 10% -efficiënte panelen, omdat ik me voorstel dat zonnepanelen alleen op zo’n grote schaal in serie geproduceerd zouden worden als ze erg goedkoop zijn, en het zijn de panelen met lagere efficiëntie die het eerst goedkoop zullen worden.

De vermogensdichtheid (het vermogen per oppervlakte-eenheid) van zo’n zonneboerderij zou

10% × 100 W / m2 = 10 W / m2 zijn.

Deze vermogensdichtheid is twee keer zo groot als die van het Bavaria Solarpark (figuur 6.7). Zouden deze zonnepanelen tussen een leger van windmolens, voorgesteld in hoofdstuk 4, kunnen staan? Ja, geen probleem: windmolens werpen weinig schaduw, en zonnepanelen op de begane grond hebben een verwaarloosbaar effect op de wind. Hoe gewaagd is dit plan? De benodigde zonne-energiecapaciteit om deze 50 kWh per dag per persoon te leveren in het Verenigd Koninkrijk is meer dan 100 keer alle fotovoltaïsche energie in de hele wereld. Dus moet ik de PV-boerderij opnemen in mijn duurzame productiestapel? Ik heb twee overwegingen. Aan het begin van dit boek zei ik dat ik wilde onderzoeken wat de wetten van de fysica zeggen over de grenzen van duurzame energie, ervan uitgaande dat geld geen probleem is. Om die reden zou ik zeker door moeten gaan, met het industrialiseren van het platteland en de PV-boerderij op de stapel zetten. Tegelijkertijd wil ik mensen helpen erachter te komen wat we zouden moeten doen tussen nu en 2050. En vandaag, elektriciteit van zonnepanelen zouden vier keer zo duur zijn als de markprijs. Dus ik voel me een beetje onverantwoordelijk, aangezien ik deze schatting opneem in de duurzame productiestapel in figuur 6.9 – het met zonnepanelen bestraten van 5% van het VK lijkt niet erg aannemelijk om meerdere redenen. Als we serieus zouden overdenken om zoiets te doet, dan is het waarschijnlijk beter om de panelen in een land met twee keer zoveel zonneschijn te plaatsen en een gedeelte van de energie via electriciteitsleidingen naar huis te brengen. We komen hierop terug in hoofdstuk 25.

 

 

Misverstanden en onjuistheden

De productie van een zonnepaneel verbruikt meer energie dan het ooit zal opleveren.

Fout. De energieopbrengstverhouding (de verhouding tussen de energie geleverd door een systeem tijdens zijn levensduur, en de energie die nodig is om het systeem te maken) van een op het dak gemonteerd pv systeem aangesloten op het electriciteitsnetwerk in Centraal Noord-Europa is 4, voor een systeem met een levensduur van 20 jaar (Richards en Watt, 2007); en meer dan 7 in een zonniger plek zoals Australië. (Een energieopbrengstverhouding groter dan één betekent dat een systeem, qua energie een goede zaak is.) Windturbines met een levensduur van 20 jaar hebben een energieopbrengstratio van 80.

Worden PV panelen niet efficienter met de technologische ontwikkeling ?

Ik weet zeker dat fotovoltaïsche panelen goedkoper worden; Ik ben er ook zeker van dat zonnepanelen steeds minder energie-intensief geproduceerd zullen gaan worden waardoor hun energierendementsverhouding verbetert. Maar het beeld van dit hoofdstuk is dat de schattingen niet worden beperkt door de economische kosten van de panelen, noch door de energiekosten van hun vervaardiging. Dit hoofdstuk gaat over het maximaal denkbare vermogen dat geleverd kan worden. PV panelen met 20% efficiëntie liggen al dicht bij de theoretische limiet (zie de eindnoten van dit hoofdstuk). Het zal me verbazen als de schatting van dit hoofdstuk voor op het dak geplaatste PV panelen ooit een aanzienlijke opwaartse herziening nodig heeft.

Zonne-biomassa

Plotseling, weet u, kunnen we in de energie business stappen door gras op de boerderij te laten groeien! En dat vervolgens te laten oogsten en om te zetten in energie. Dat is wat er bijna gebeurt. George W. Bush, februari 2006

Alle beschikbare bio-energieoplossingen omvatten eerst het laten groeien van planten, en er dan iets mee doen. Hoeveel energie kan er met die groene materie verzameld worden? Er zijn vier manieren om energie uit biologische systemen op zonne-energie te halen:

1. We kunnen speciaal gekozen planten kweken en verbranden in een centrale die electriciteit, warmte of allebei produceert. We zullen dit «kolen substitutie» noemen.
2. We kunnen speciaal gekozen planten (koolzaad, suikerriet, maïs, soja bijvoorbeeld) verbouwen, die omzetten in ethanol of biodiesel en dat dan in auto’s, treinen of vliegtuigen gebruiken of op andere plaatsen waar dergelijke chemicaliën nuttig zijn. Of we kunnen genetisch gemanipuleerde bacteriën, cyanobacteriën of algen kweken die direct waterstof, ethanol of butanol produceren, of zelfs elektriciteit maken. We zullen al deze benaderingen “olie substitutie” noemen.
3. We kunnen bijproducten uit andere landbouwactiviteiten nemen en ze verbranden in een krachtcentrale. De bijproducten kunnen variëren van stro (een bijproduct van Brinta) tot kippenmest (een bijproduct vanMcNuggets). Het verbranden van bijproducten is weer kolenvervanging, maar dan met gewone gewassen, niet de planten met de hoogste energieopbrengst. Een krachtcentrale die agrarische bijproducten verbrandt levert niet zoveel vermogen per vierkante meter landbouwgrond als een geoptimaliseerd biomassa systeem, maar heeft als voordeel dat het land tegelijkertijd ook voor voedselgewassen gebruikt wordt. Het verbranden van methaangas uit stortplaatsen is een vergelijkbare manier om energie te krijgen, maar dat is alleen duurzaam onder de voorwaarde dat we een duurzame bron van rotzooi hebben om op de vuilnisbuilt te storten. (Het meeste methaan van de stortplaats komt van verspild voedsel; mensen in Groot-Brittannië gooien per dag per persoon 300 g voedsel weg) Het verbranden van huishoudelijk afval is een andere manier om stroom te produceren van zonne-energie biomassa.
4. We kunnen planten laten groeien en die te eten geven aan mensen en andere dieren die energie nodig hebben.

Voor al deze energie omzettingsprocessen is de eerste tussenstap in een groene plant de aanmaak van een chemisch molecuul zoals een koolhydraat . We kunnen daarom de energie die kan worden verkregen uit al deze stappen schatten door de hoeveel energie te bepalen die op de eerste halteplaats passeert. Alle volgende stappen met betrekking tot tractoren, dieren, chemische installaties, stortplaatsen of energiecentrales kunnen alleen maar energie verliezen. Dus de energie die beschikbaar komt in die eerste fase is een bovengrens voor het beschikbare vermogen van alle biomassa systemen. Dus laten we eenvoudig het vermogen schatten bij de eerste halteplaats. (In hoofdstuk D zullen we dieper ingaan op de maximale bijdrage van elk proces.) Het gemiddelde vermogen van zonlicht in Groot-Brittannië is 100 W / m2. De meest efficiënte planten in Europa hebben ongeveer een 2% -efficiënt in het omzetten van zonne-energie in koolhydraten, wat zou suggereren dat planten 2 W / m2 kunnen opleveren; hun efficiëntie daalt echter bij hogere lichtniveaus en de beste prestaties van alle energiegewassen in Europa liggen dichter bij de 0,5 W / m2. Laten we 75% van het land bedekken met planten. Dat is 3000 m2 per persoon bestemd voor bio-energie. Dit is hetzelfde als het Britse landoppervlak dat momenteel voor landbouw gebruikt wordt. Dus het maximaal beschikbare vermogen, als we de verliezen in alle stappen ( verbouwen, oogsten en verwerken ) negeren, is

0,5 W / m2 × 3000 m2 per persoon = 36 kWh / dag per persoon.

Wow. Dat is niet veel, gezien de waanzinnig genereuze aannames die we net gemaakt hebben, om te proberen een groot getal te krijgen. Als u biobrandstoffen voor auto’s of vliegtuigen van het land wilt halen, dan zouden alle andere stappen in de ketting van boerderij tot verbrandingkamer onvermijdelijk inefficiënt zijn. Ik denk dat het optimistisch is om te hopen dat de totale verliezen in de verwerkingsketen slechts 33% zouden zijn. Zelfs hout verbranden in een goede houtketel verliest 20% van de opwarming via de schoorsteen. Dus zo zeker als wat, het potentiele vermogen uit biomassa en biobrandstoffen kan niet groter zijn dan 24 kWh / d per persoon. En vergeet niet dat we een deel van het groen willen gebruiken voor ons eten en dat van onze huisdieren.

Zou genetische manipulatie planten kunnen produceren die zonne-energie efficiënter omzetten in chemicaliën? Het is denkbaar; maar ik heb geen wetenschappelijke publicatie gevonden die voorspelt dat planten in Europa een netto vermogensopbrengst van meer dan 1 W / m2 kunnen bereiken. Ik stop 24 kWh / d per persoon op de groene stapel, er nadrukkelijk op wijzend dat ik denk dat dit aantal een overschatting is. Ik denk dat het werkelijke maximale vermogen dat we uit biomassa kunnen halen kleiner is door de verliezen die in de landbouw en de verwerking optreden.

Ik denk dat één conclusie duidelijk is: biobrandstoffen kunnen niet voldoen, ten minste niet in landen zoals Groot-Brittannië, en niet als vervanging van alle transportbrandstoffen. Zelfs afgezien van de belangrijkste tekortkomingen van biobrandstoffen – hun productie concurreert met voedselproductie, en de extra inputs die nodig zijn voor landbouw en verwerking anuleren vaak het grootste deel van de geleverde energie (figuur 6.14) – gemaakte biobrandstoffen van planten, in een Europees land zoals Groot-Brittannië, ik denk niet dat het de moeite waard is om erover te praten.

Aantekeningen en verdere lectuur

Compenseren voor de invalshoek van het zonlicht en het land. De breedtegraad van Cambridge is θ = 52 °; de intensiteit van het middagzonlicht wordt vermenigvuldigd met cos θ ≈ 0.6. De precieze factor is afhankelijk van de tijd van het jaar en varieert tussen cos (θ + 23 °) = 0,26 en cos (θ – 23 °) = 0,87.

Op een typisch plaats in het Verenigd Koninkrijk schijnt de zon gedurende een derde van de daglichturen. De Hooglanden krijgen 1100 uur per jaar – een zonnigheid van 25%. De beste plekken in Schotland krijgen 1400 uur per jaar – 32%. Cambridge: 1500 ± 130 uur per jaar – 34%. Zuidkust van Engeland (het zonnigste deel van het Verenigd Koninkrijk): 1700 uur per uurjaar – 39%. [2rqloc] Cambridge-gegevens van [2szckw]. Zie ook figuur 6.16.

Het gemiddelde bruto vermogen van zonneschijn per vierkante meter zuidgericht dak in Groot-Brittannië is ongeveer 110 W / m2, en van vlakke grond, ongeveer 100 W / m2. bron:NASA Surface Meteorology and Solar Energy [5hrxls]. Verrast dat er een klein verschil is tussen een dak op het zuiden en een horizontaal dak? Dat was ik. Het verschil is eigenlijk slechts 10% [6z9epq].

«… dat zou ongeveer 10 m2 panelen per persoon zijn.» Ik schatte het op het zuiden gerichte dakoppervlak per persoon, door het grondoppervlak van gebouwen per persoon (48 m2 in Engeland – tabel I.6), te vermenigvuldigd met ¼ voor de zuidzijde van het dak en weer te verhogen met 40% om rekening te houden met de dakhelling. Deze berekening geeft 16 m2 per persoon. Panelen komen meestal in ongemakkelijke rechthoeken en daardoor wordt een gedeelte van het dak niet bedekt; vandaar 10 m2 panelen.

Het gemiddelde vermogen geleverd door PV panelen …

Er is een mythe die zegt dat zonnepanelen bijna evenveel produceren in bewolkte omstandigheden als in de volle zon. Dit is gewoon niet waar. Op een heldere maar bewolkte dag, zetten fotovoltaïsche zonnepanelen en planten energie nog wel om, maar veel minder: de fotovoltaïsche productie daalt met een factor 10 wanneer de zon achter de wolken verdwijnt, omdat de lichtintensiteit 10 keer minder wordt. Zoals figuur 6.15 laat zien, is het geleverde vermogen van fotovoltaïsche panelen precies evenredig aan de intensiteit van het zonlicht – tenminste, als de panelen een temparatuur hebben van 25 ° C. Om het wat ingewikkelder te maken, hangt het geleverde vermogen ook af van de temperatuur – warmere panelen produceren minder vermogen (meestal 0,38% vermogensverlies per ° C) – maar als u gaat kijken naar de opbrengst van bestaande installaties, bijvoorbeeld op www.solarwarrior.com, dan kunt u het belangrijkste punt bevestigen: Op een bewolkte dag is de opbrengst véél minder dan op een zonnige dag. Dit probleem wordt versluierd door enkele aanhangers van zonnepanelen die bespreken hoe de “efficiëntie” varieert met het zonlicht. “De panelen zijn efficiënter in bewolkte omstandigheden”, zeggen ze; dit kan waar zijn, maar moet niet verward worden met het geleverde vermogen.

Typische zonnepanelen hebben een efficiëntie van ongeveer 10%; dure ongeveer 20%. Zie figuur 6.18. Bronnen: Turkenburg (2000), Sunpower www.sunpowercorp.com, Sanyo www.sanyo-solar.eu, Suntech.

Een apparaat met een efficiëntie van meer dan 30% zou best opmerkelijk zijn. Dit is een citaat van Hopfield en Gollub (1978), die over panelen schreven zonder spiegels of lenzen om zonlicht te concentreren. De theoretische limiet voor een standaard “Single-junction” zonnepaneel zonder concentrators, de Shockley-Queisser limiet, zegt dat maximaal 31% van de energie in zonlicht in elektriciteit kan worden worden omgezet (Shockley en Queisser, 1961). De belangrijkste reden voor deze limiet is dat een standaard zonnemateriaal een eigenschap heeft die band-gap wordt genoemd. die definieert de energie van fotonen die het materiaal het meest efficient omzet naar electriciteit. Zonlicht bevat fotonen met veel verschillende energieën; fotonen met een enegieniveau onder de bandbreedte worden helemaal niet gebruikt; fotonen met een grotere energie dan de bandbreedte kunnen worden gevangen, maar al hun energie boven de bandbreedte is verloren. Concentrators (lenzen of spiegels) kunnen zowel de kosten (per watt) als de efficiency van fotovoltaïsche systemen verhogen. De Shockley-Queisser-limiet voor zonnepanelen met concentratoren is 41% efficiëntie. De enige manier om de Shockley-Queisser-limiet te passeren is om zonnecellen te maken die het licht opsplitsen in verschillende golflengten en elk golflengtebereik met zijn specifieke band-gap te verwerken. Deze worden multiple-junction fotovoltaïek genoemd. Onlangs is van multiple-junction fotovoltaïek met optische concentrators gerapporteerd dat ze ongeveer een 40% efficiënt hebben. [2tl7t6], www.spectrolab.com. In juli 2007, rapporteerde de Universiteit van Delaware een 42,8% efficiëntie met 20-voudige concentratie [6hobq2], [2lsx6t]. In augustus 2008 rapporteerde NREL een efficiëntie van 40,8% met 326-voudige concentratie[62ccou]. Vreemd genoeg worden beide resultaten wereldrecord efficiëntie genoemd. Wat doen de multiple-junction panelen op de markt? Uni-solar verkoopt een triple-junction dunne film 58 W (piek) paneel met een oppervlakte van 1 m2. Dat impliceert een efficiëntie, in de volle zon, van slechts 5,8%.

Afbeelding 6.5: PV-gegevens van de zon. Gegevens en foto’s verstrekt door Jonathan Kimmitt.

Heliodynamics – www.hdsolar.com. Zie figuur 6.19. Een soortgelijk systeem is gemaakt door Arontis www.arontis.se.

Het Solarpark in Muhlhausen, Beieren. Gemiddeld levert deze 25 hectare grote boerderij naar verwachting 0,7 MW (17 000 kWh per dag). Het metrostation Stillwell Avenue in New York heeft amorfe silicon thin-film fotovoltaïek in zijn dakluifel, levert 4 W / m2 (Fies et al.,2007). De Nellis zonne-energiecentrale in Nevada werd in december 2007 voltooid, op 140 hectare, en zal naar verwachting 30 GWh per jaar genereren. Dat is 6 W / m2[5hzs5y]. Serpa Solar Power Plant, Portugal (PV), « s’werelds krachtigste zonne-krachtcentrale, “[39z5m5] [2uk8q8] heeft bewegende panelen op 60 hectares, d.w.z. 600 000 m2 of 0,6 km2, en produceert naar verwachting 20 GWh per jaar, dat wil zeggen gemiddeld 2,3 MW. Dat is een vermogen per oppervlakte-eenheid van 3,8 W / m2.

Het benodigde zonne-energie vermogen om 50 kWh / d per persoon in het VK te leveren is meer dan 100 keer alle pv panelen in de hele wereld. Het leveren van 50 kWh / d per persoon in het VK zou een gemiddeld vermogen van 125 GW vereisen wat overeenkomt met 1250 GW aan capaciteit. Eind 2007 was het wereldwijd geïnstalleerde PV vermogen 10 GW piek; De toename is ongeveer 2 GW per jaar.

… 5% van dit land vol gooien met zonnepanelen lijkt buiten de grenzen van wat mogelijk is. Mijn belangrijkste reden hiervoor is dat de Britten hun platteland graag gebruiken voor landbouw en recreatie in plaats van zonnepaneelhouderij. Een andere reden kan de prijs zijn. Dit is geen boek over economie, maar hier zijn een paar cijfers. Op basis van het prijskaartje aan de Beierse zonneboerderij, zou de installatie om 50 kWh / dag per persoon te leveren € 91.000 per persoon kosten; als die krachtcentrale 20 jaar zonder verdere uitgaven zou draaien dan bedragen de groothandelskosten van die elektriciteit € 0,25 per kWh. Verder lezen: David Carlson, BP solar [2ahecp].

Mensen in Groot-Brittannië gooien ongeveer 300 g voedsel per dag weg. Bron: Ventour(2008).

Figuur 6.10. In de VS heeft Miscanthus geteeld zonder stikstof bemesting ongeveer 24 t / ha / j droge stof. In Groot-Brittannië zijn opbrengsten van 12-16 t / ha / j gerapporteerd. Droge Miscanthus heeft een calorische onderwaarde van 17 MJ / kg, dus de Britse opbrengst komt overeen met een vermogensdichtheid van 0,75 W / m2. Bronnen: Heaton et al.(2004) en [6kqq77]. De geschatte opbrengst wordt pas na drie jaar van ongestoorde groei verkregen.

De meest efficiënte planten zijn ongeveer 2% efficiënt; maar het geleverde vermogen per oppervlak is ongeveer 0,5 W / m2. Bij lage lichtintensiteiten zijn de beste Britse planten 2,4% efficiënt in goed bemeste velden (Monteith, 1977) maar bij hogere lichtintensiteiten, daalt hun conversie-efficiëntie. Volgens Turkenburg (2000)en Schiermeier et al. (2008), is de conversie-efficiëntie van zonne-energie naar biomassaenergie minder dan 1%. Hier zijn een paar bronnen om mijn schatting van 0,5 W / m2 voor bio vermogen in het VK te ondersteunen. De Royal Commission on Environmental Pollution heeft een schatting voor de potentiële geleverde vermogensdichtheid uit energiegewassen in Groot-Brittannië van 0.2 W / m2 (Royal Commission on Environmental Pollution, 2004). Op pagina 43 van het biobrandstoffen document van de Royal Society (Royal Society workgroup on biofuels, 2008) staat Miscanthus bovenaan de lijst en levert ongeveer 0,8 W / m2 chemisch vermogen.

In de World Energy Assessment gepubliceerd door de UNDP, schrijft Rogner (2000): “Uitgaande van een conversie-efficiëntie van 45% naar elektriciteit en opbrengsten van 15 ton per hectare per jaar (oven droog), zou 2 km2 plantage nodig zijn voor iedere megawatt aan electriciteitproductie capaciteit die 4.000 uur per jaar draait.” Dat is een vermogen per oppervlakte-eenheid van 0,23 W (e) / m2. (1 W (e) betekent 1 watt elektrisch vermogen.) Energy for Sustainable Development Ltd (2003) schat dat korte rotatie bosbouw meer dan 10 ton droog hout per hectare per jaar kan leveren, wat overeenkomt met een vermogensdichtheid van 0,57 W / m2. (Droog hout heeft een calorische waarde van 5 kWh per kg.) Volgens Archer en Barber (2004) kan de onmiddellijke efficiëntie van een gezond blad in optimale omstandigheden 5% benaderen, maar de langetermijn-energie-opslagefficiëntie van moderne gewassen is 0,5-1%. Archer en Barber suggereren dat door genetische modificatie het mogelijk kan zijn de opslagefficiëntie te verbeteren van planten, vooral C4-planten, die al van nature meer geëvolueerd zijn met een efficiënte fotosynthetische route. C4-planten komen vooral voor in de tropen en gedijen bij hoge temperaturen; ze groeien niet bij temperaturen onder de 10 ° C. Enkele voorbeelden van C4-planten zijn suikerriet, maïs, sorghum, vingergierst en vingergras. Zhu et al. (2008) berekenen dat de theoretische limiet voor de omzettingsefficiëntie van zonne-energie naar biomassa 4,6% is voor C3 foto-synthese bij 30 ° C en de huidige 380 ppm atmosferische CO2-concentratie, en 6% voor C4-fotosynthese. Ze zeggen dat de hoogste gerapporteerde rendementen van zonne-energie omzetting door C3- en C4-gewassen respectievelijk 2,4% en 3,7% zijn; en, onder verwijzing naar Boyer (1982), dat de gemiddelde conversie-efficiëntie van de belangrijkste gewassen in de VS 3 à 4 keer lager is dan die efficiëntie records (dat is ongeveer 1% efficiënt). Een reden dat planten de theoretische limiet niet halen is dat ze onvoldoende capaciteit hebben om alle inkomende straling van fel zonlicht te gebruiken. Beide papers (Zhu et al., 2008; Boyer, 1982) bespreken vooruitzichten voor genetische manipulatie van efficiëntere planten.

Afbeelding 6.12. De cijfers in deze figuur zijn afkomstig van Rogner (2000) (nettoenergieopbrengsten van hout, koolzaad, suikerriet en tropische plantages); BayerCrop Science (2003) (koolzaad tot biodiesel); Francis et al. (2005) en Asselbergset al. (2006) (jatropha); Mabee et al. (2006) (suikerriet, Brazilië); Schmer et al.(2008) (vingergras, marginaal akkerland in de VS); Shapouri et al. (1995) (mais naar ethanol); Koninklijke Commissie voor milieuverontreiniging (2004); Royal So-ciety werkgroep biobrandstoffen (2008); Energie voor duurzame ontwikkeling Ltd (2003); Archer en Barber (2004); Boyer (1982); Monteith (1977).

Zelfs het in brand steken van gedroogd hout in een goede houtketel verliest 20% van de warmte door de schoorsteen. Bronnen: Royal Society working group on biofuels (2008); Royal Commission on Environmental Pollution (2004).