jouw wetenschapsgids in de hoofdstad

jouw wetenschapsgids in de hoofdstad

België klimaatneutraal: een energieplan – Deel 3: Hoe kunnen we genoeg hernieuwbare energie opwekken?

De energieproductie in België is vandaag hoofdzakelijk gebaseerd op de verbranding van fossiele brandstoffen. Onze energievoorziening moet in de toekomst klimaatneutraal worden en moet daarom uitsluitend uit hernieuwbare bronnen komen. Hubert Rahier en Willy Baeyens lichtten enkele weken terug al kort toe hoe België deze overstap kan maken. In deze reeks behandelen ze dit onderwerp in meer detail. In het eerste deel namen ze de huidige energieproductie van ons land onder de loep en in het tweede deel gingen ze in op onze huidige en toekomstige energiebehoefte. In deel drie ontleden ze de gigantische uitdaging waarvoor we nu staan: het omschakelen van alle verbrandingsprocessen naar hernieuwbare energie.

Ook al zorgen we ervoor dat onze huidige elektriciteitsopwekking 100% groen wordt, dan nog gebruiken we fossiele brandstoffen voor transport, verwarming van gebouwen en industrie. Als we al deze sectoren omschakelen van verbrandingsprocessen naar 100% elektriciteit, zullen we onze elektriciteitsopwekking dus ook sterk moeten laten toenemen. Wind en zon zullen de belangrijkste energiebronnen zijn, maar bestaande technologieën zoals warmte-krachtkoppeling en nieuwe technologieën zoals de opvang van CO2 en omzetting naar biobrandstof kunnen helpen om het vooropgestelde doel te bereiken.

Wind: De windmolens die nu al in België staan, leveren 8 TWh/j. De capaciteit op zee zal de komende jaren nog verdubbeld worden zodat er tegen 2025 16 TWh/j beschikbaar wordt. Gezien de oppervlakte in zee die nog beschikbaar is voor uitbreiding van windenergie zou men makkelijk tot 40 TWh/j kunnen gaan, maar dit zal vermoedelijk niet gebeuren omdat men de Noordzee ook voor andere doeleinden zoals visserij of toerisme wil gebruiken. De maximum elektriciteitsproductie via wind zal dus rond 30 TWh/j liggen en dat cijfer kan haalbaar zijn tegen 2030. Het is realistisch om te verwachten dat er na 2030 ook drijvende windmolens zullen zijn die de capaciteit nog doen toenemen. Als we ook kleine windmolens op onze daken zouden installeren dan kunnen we nog zo’n 5-10 TWh/j extra produceren. Een mooi voorbeeld hiervan is de ridgeblade, die onopvallend op een dak kan  geïnstalleerd worden.

Kleine windenergiecentrales zoals de systemen van Ridgeblade kunnen relatief onopvallend op daken geïnstalleerd worden.

Zon: Om onze huidige (totale) elektriciteitsproductie te halen, volstaat het om 3% van onze landoppervlakte te bedekken met foto-voltaische (PV) panelen. Deze 3% komt overeen met de daken van huizen, parkings enz. Met de toenemende efficiëntie van zonnepanelen, zou er op 3% van de Belgische oppervlakte al snel 120 TWh/j of meer kunnen opgebracht worden.

Het is relatief goedkoop voor particulieren om zonnepanelen te plaatsen: ze winnen de investering al snel terug dankzij besparingen op hun elektriciteitsfactuur. Omdat het niet alle dagen even zonnig is, moeten we energie-overschotten kunnen opslaan of omzetten naar groene brandstoffen en daar knelt voorlopig het schoentje: de technische mogelijkheden daartoe zijn nog te beperkt. Over-of onderproductie van zonne-energie kan ook opgevangen worden met internationale uitwisseling: zo kan elektriciteit verkocht worden aan het buitenland wanneer we er te veel produceren, of aangekocht worden wanneer het bewolkt is.

Zonnepanelen terugverdienen?

Zonnepanelen terugverdienen?

Als je vandaag een groene lening aangaat om zonnepanelen te installeren, dan betaal je minder af dan de elektriciteitsfactuur die je anders zou moeten betalen. Het prosumententarief dat je moet betalen komt ongeveer overeen met de winst die je maakt op je elektriciteitsfactuur zodat het een nul-operatie wordt. Na de afbetaling geniet je bovendien nog zo’n 15 jaar van gratis elektriciteit. Foto: Ben Schonewille via Shutterstock.com

Het potentieel van de zon is trouwens groter dan alleen maar elektriciteitsproductie. Een zonneboiler heeft een grotere efficiëntie dan fotovoltaische panelen en slaat meer energie op onder de vorm van warmte in water (of lucht, olie,…). Hoewel de energie voor sanitair warm water slechts een fractie uitmaakt van onze totale energiebehoefte (3TWh, dus ongeveer 1%), is het zeker voor de particulier een interessante optie. De integratie van een zonneboiler in een PV paneel is mogelijk en biedt het voordeel dat de PV panelen afgekoeld worden en dus een hoger rendement hebben, terwijl het geheel minder ruimte inneemt dan de afzonderlijke systemen.

Ook voor industrieel gebruik kan zonnewarmte interessant zijn. Uitgaande van een rendement van 50% kunnen we op 300 km2, of 1% van de oppervlakte in België, al 150  TWh/j realiseren. Daarmee stijgt het totale oppervlak dat we nodig hebben voor PV panelen wel tot 4%. Niet alleen de nodige oppervlakte, maar vooral ook het probleem van opslag speelt ons hier parten: zonneënergie is er alleen wanneer de zon schijnt, dus we moeten manieren zoeken om ze op te slaan voor wanneer er geen zon is. Bovendien moeten sommige industriële processen, zoals het smelten van glas, bij zeer hoge temperatuur uitgevoerd worden. Het is weinig waarschijnlijk dat dit ooit op grote schaal via zonnewarmte zal kunnen. Een deel van de energieproductie zou  ook in de Sahara kunnen plaatsvinden. Niet alleen is de intensiteit van de zon daar hoger, er zijn ook minder wolken en het verschil tussen de seizoenen is kleiner. Dan blijven we natuurlijk nog steeds botsen op het opslagprobleem.

Met zonne-energie kunnen we tenslotte ook rechtstreeks waterstof en zuurstof produceren uit water. Dit gebeurt door foto-katalyse. Het rendement hiervan is vandaag echter nog te laag en de kost te hoog voor grootschalige toepassingen. Dit kan echter over 5 tot 10 jaar opgelost zijn. Ook andere brandstoffen zouden via ‘kunstmatige fotosynthese’ uit zonlicht, CO2 en H2O kunnen geproduceerd worden, maar dat zal eerder voor tegen 2050 zijn.

Biomassa: zijn planten en dieren die uiteindelijk (bijna) allemaal afhangen van zonne-energie. Biomassa kan verbrand worden om warmte en elektriciteit op te wekken. De wereldwijde jaarlijkse productie op het land (172 Gt) is ongeveer 7% van de totale massa aan planten op het land (2400 Gt). Er is dus een groot oppervlak nodig om voldoende biomassa te kunnen vormen. Het voordeel van biomassa is dat het kan opgeslagen worden, wat nog moeilijk gaat met elektriciteitsproductie uit wind of zon. Een ander voordeel is dat planten tijdens hun groei CO2 omzetten in plantaardig materiaal zodat het voor lange tijd wordt vastgehouden. Momenteel gebruiken we al hout voor elektriciteitsproductie (4TWh/j) en voor de verwarming van onze huizen. In de toekomst zullen we hopelijk de CO2 die door de verbranding vrijkomt opvangen, zodat die niet meer bijdraagt aan de klimaatwijziging. De hoeveelheid biomassa die we gebruiken, kan toenemen, maar we zijn bijna volledig afhankelijk van aanvoer uit het buitenland en de vraag rijst of we hier zwaar moeten op inzetten. We mogen daarbij niet vergeten dat verbranding nog andere schadelijke effecten heeft.

Naast vaste biobrandstof bestaat er ook vloeibare of gasvormige biobrandstof. Uit biomassa kunnen we verschillende soorten brandstoffen afleiden via conventionele chemische processen of vergisting. Het probleem is dat voor de teelt van die biomassa (zie ook het punt hiervoor) grote landbouwoppervlakten nodig zijn die ook nodig zijn voor de productie van voedsel. Zoals in een vorig deel reeds aangehaald hebben we enkel al voor biodiesel de oppervlakte van België nodig. Eén mogelijkheid die we vandaag hebben om biobrandstof op grote schaal te produceren, is door veeteelt grotendeels te vervangen door energieteelt. Het landbouwareaal dat voor de productie van vee wordt gebruikt is vandaag namelijk meer dan de helft van het totale landbouwareaal.

We kunnen ook restfracties van voedselteelt, zoals stro, gebruiken voor energieopwekking. Dit noemen we dan tweede generatie brandstoffen. Hier wordt heel wat onderzoek naar gevoerd, vooral voor de omzetting van vaste naar vloeibare brandstof. Een goed voorbeeld is bio-ethanol, ter vervanging van o.a. benzine, uit cellulose. Men verwacht dat dit binnenkort commercieel beschikbaar wordt. De derde generatie biobrandstoffen kan uit algen gewonnen worden. Het zal echter nog even duren voor dit commercieel toepasbaar wordt.

Afval: Vandaag en zeker nog tot 2030 halen we ook een beetje energie uit de verbranding van afval. Het gaat hier weer over een beperkte bijdrage en het kan zeker niet de bedoeling zijn meer afval te produceren om hieruit meer energie te kunnen halen.

Hydro: Hydroënergie is energie uit waterkracht. Aangezien België – en zeker Vlaanderen – nogal vlak en volgebouwd is, hebben we weinig grote hydrocentrales. In 2018 werd ongeveer 1,4 TWh opgewekt via hydroënergie. Er is slechts een lichte toename te verwachten de komende jaren, vooral dan in de vorm van bijkomende stuwmeren en slechts beperkt onder de vorm van watermolens of andere systemen die gebruik maken van waterkracht van rivieren of de zee. Misschien kan er in de toekomst energie gehaald worden uit de stroming op zee of rivieren, uit getijdenwerking enz. De huidige technologie is nog niet voldoende vergevorderd om dit rendabel te maken.

Voor energieopwekking door waterkracht zijn er niet zo veel mogelijkheden in het vlakke en volgebouwde Vlaanderen. Foto door Gary Saxe via Shutterstock.com

Geothermie: De mogelijkheden in België zijn beperkt. In combinatie met het gebruik van warmte, naast elektriciteitsproductie is dit misschien wel een economisch haalbaar alternatief. Volgens een studie van o.a. VITO zou een centrale van zo’n 400 MW in Limburg haalbaar zijn. Aangezien deze continu zou kunnen draaien kan deze 3 TWh/j leveren.

Cogeneratie van warmte en elektriciteit (warmte-kracht koppeling): deze technologie bestaat reeds lang en bestaat erin om alle installaties die ofwel elektriciteit produceren vanuit verbranding ofwel warmte genereren (bijvoorbeeld om gebouwen of zwembaden te verwarmen) te vervangen door installaties die elektriciteit produceren en het overschot aan warmte gebruiken om te verwarmen. Je koppelt dus in 1 installatie warmte- en elektriciteitsproductie. Dit wordt steeeds vaker toegepast. Een probleem kan natuurlijk zijn dat men de elektriciteit niet nodig heeft op het moment dat men de warmte nodig heeft (bijvoorbeeld ‘s nachts of in de winter), dus moet er vaak ook een combinatie gemaakt worden met opslagcapaciteit van warmte (bijvoorbeeld een grote boiler, vloerverwarming, zwembad,…). Deze technologie, in combinatie met CCU (Carbon Capture and Use – opvang en gebruik van CO2) is zeker nuttig om de kloof te dichten tot we voldoende HEN hebben.

Het klimaatplan gevisualiseerd. Mits grote inspanningen kunnen we in België voldoende groene energie produceren om klimaatneutraal te worden. Concept: Willy Baeyens en Hubert Rahier. Graphics: Wtnschp.be

Internationaal transport van energie zal helpen om periodes van overschot en van schaarste te overbruggen. Om die internationale energietransporten mogelijk te maken zal de capaciteit van het elektriciteitsnetwerk moeten toenemen. Anderzijds zal men in de toekomst ook meer waterstof produceren. Die waterstof kan dan internationaal verdeeld worden via pijpleidingen of schepen. Zo kan het aardgasnet, mits enkele aanpassingen, ook gebruikt worden om waterstof of zelfs een een mix van aardgas en waterstof te transporteren. Dat is zelfs helemaal niet zo nieuw: het vroegere stadsgas bevatte al 50% waterstof.

Naast de bovengenoemde vormen van energieopwekking zullen er nog veel andere vormen verschijnen, zoals het piezo-elektrisch effect dat kan gebruikt worden om elektriciteit op te wekken door te stappen. Het piezo-elektrisch element zit dan in je schoen of in de tegels waar je op stapt. Het gaat hierbij echter steeds om beperkte energieopwekking. Je kan de energie wel lokaal en op kleine schaal gebruiken zodat transport van over lange afstanden niet nodig is.

Besluit

Een totale productie van meer dan 150 TWh/j hernieuwbare energie is dus mogelijk. Tegen 2030 kunnen we de huidige elektriciteitsproductie (80TWh/j) zeker voorzien met wind- en zonne-energie. Om de volledige behoefte (270 TWh/j), inclusief de industrie (180 TWh/j), te dekken is echter nog meer nodig. Het potentieel van de zon is hiervoor groot genoeg, maar er stelt zich een gigantisch opslagprobleem. We beschikken nog over te weinig voordelige manieren om energie op te slaan. Batterijen zijn bijvoorbeeld nog te inefficiënt en te duur om de enorme energiereserves die nodig zullen zijn op te slaan. We zullen opslag in het volgende deel behandelen.

In de praktijk zal er vermoedelijk nog steeds internationaal transport van energie nodig zijn, maar als we de overgang naar HEN goed aanpakken, kunnen we minder afhankelijk worden van import dan we vandaag zijn. Het feit dat we niet echt in staat zijn om in onze eigen energiebehoefte te voorzien toont ook wel aan dat ons land overbevolkt is en dat we op veel te grote voet leven. Minder vlees eten bijvoorbeeld zou al ruimte vrijmaken om biomassa te telen voor energieopwekking – of om meer mensen te voeden.

Foto bovenaan: © T.W. van Urk via Shutterstock 

Over de auteurs

Willy Baeyens

Willy Baeyens

Willy Baeyens heeft zijn hele loopbaan gewijd aan milieu-onderzoek in de brede zin van het woord. Zijn onderzoek begon met de deelname aan het ‘Project Noordzee’ van 1970 tot 1975, een interdisciplinair marien project waarin hij het gedrag van nutriënten en polluenten en de relatie tussen voedingstoffen en planktongroei bestudeerde. Na een verblijf van enkele jaren bij het Mathematisch Model van de Noordzee waar hij wiskundige modellen van het marien ecosysteem ontwikkelde, keerde hij terug naar de VUB. In 1992 onderhandelde hij mee de teksten voor Duurzame Ontwikkeling in Rio. Om de stockering van nucleair afval in goede banen te leiden werd hij benoemd als ondervoorzitter van NIRAS. De laatste jaren bestudeert hij de mogelijkheden om CO2 te stockeren in de oceaan na opname door fytoplankton.

Hubert Rahier

Hubert Rahier

Hubert Rahier was al van kinds af aan een milieuactivist. Hij behaalde een Master in ingenieurswetenschappen, richting scheikunde met de bedoeling om scheikundige processen uit industrie te begrijpen en te verbeteren zodat ons leefmilieu minder vervuild zou worden. Hij doctoreerde op ‘niet traditionele cementen (geopolymeren)’ in 1995. Pas na zijn doctoraat kreeg dit onderwerp internationale belangstelling, vooral omdat het toelaat een cement te produceren die zeker 80% minder CO2 uitstoot en gebaseerd is op afvalstoffen zoals vliegassen. Naast cementen bestudeert hij ook zelf helende materialen en nanovezels, telkens met de bedoeling om betere materialen te maken met minder grondstoffen en minder milieulast.