Katrina. Patricia. Ike. Het zijn maar enkele voorbeelden van orkanen met verwoestende gevolgen. Er komen bij orkanen hoeveelheden energie vrij, die overeenkomen met het energiegebruik van de halve wereld. Atsushi Shimizu heeft nu een methode ontwikkeld om deze energie af te tappen.
Verwoestende explosie van energie
Orkanen zijn in staat om over een enorme gebied verwoestingen aan te richten. Dat komt door de enorme hoeveelheid potentiële energie in vochtige, oververzadigde lucht in een zware orkaan. Wat er bruto vrijkomt is 6,2 * 1014 watt, 620 terawatt. Dat is 40 maal het wereldenergieverbruik. Kortom: kunnen we dit verwoestende natuurverschijnsel temmen, dan zijn onze energieproblemen ook voor een groot deel opgelost.
Japan wordt geregeld geplaagd door zware orkanen, die weinig heel laten van in het westen ontworpen windmolens. Ook heeft het land nauwelijks inheemse energiebronnen. Geen wonder dus dat ingenieur Atsushi Shimizu nadacht over een manier om met het ene grote Japanse probleem, het andere probleem op te lossen. Met succes. Hij vond een type windmolen uit dat ook bij orkaankracht blijft functioneren. Dit ten koste van een lager rendement: 30% van de totale windkracht, in plaats van de 40% die klassieke windturbines opwekken.
De windmolens maken gebruik van het Magnuseffect: rotatie die wordt opgewekt via de Wet van Bernouilli.
Orkanen teisteren Japan meerdere keren per jaar. Alleen al in 2016 tot nu toe zes. Het hopen is nu op de volgende orkaan. De droom van Shimizu is dat zijn windturbines over heel Japan verspreid worden. De enorme piek aan elektriciteit moet dan om worden gezet in waterstof. Zo kan de enorme piek aan windenergie worden benut en kunnen de Japanners eindelijk iets positiefs halen uit deze natuurramp.
De Tunesische startup Saphon ontwikkelde een windturbine die 2,4 maal zo efficiënt windenergie omzet als een standaard windmolen. Dat zonder bewegende wieken, voor 45% minder kosten. Kan windenergie op land nu eindelijk doorbreken?
Problemen met windenergie
Windenergie is in winderige landen met weinig zon als Nederland, een aantrekkelijke bron van elektriciteit. De Nederlandse windmolens uit de Gouden Eeuw zijn een icoon voor het toerisme. Hun moderne opvolgers, de windturbines, zijn echter veel minder geliefd. Overal klagen omwonenden over de ‘wieken des doods’, die met hun roterende slagschaduwen het woongenot verminderen, vogels aan een voortijdig einde helpen en tot overmaat van ramp ook een aanzienlijk deel van de tijd stilliggen. Kortom: de windenergie-industrie snakt naar een technologie die deze problemen oplost. Deze technologie lijkt nu eindelijk te zijn uitgevonden.
Wiebelende schotel
Tunesië, dat op de plek ligt van het vroegere Carthaagse Rijk, is het meest ontwikkelde land van Noord-Afrika en het enige land waar de bloederige islamistische winter ook echt als een Arabische Lente uit heeft gepakt. De Tunesiërs beschikken niet over olie, maar overleven door handel en industrie. De huidige regering ziet creativiteit en innovatie als essentieel voor de toekomst. Kortom: een vruchtbare bodem voor een uitvinding als de Saphonian.
De Saphonian heeft een radicaal verschillend werkingsprincipe. De windturbine heeft geen draaiende onderdelen zoals wieken. Als de wind er langs blaast, beweegt de kap voortdurend in een soort achtvorm en wekt door deze beweging stroom op. De kapvorm heeft een luchtweerstandscoëfficiënt van 2,4 en vangt hiermee veel meer wind dan een conventionele windmolen. Een van de uitvinders met een prototype van de Saphonian.
De directeuren van Saphon, Hassine Labaied en Anis Aouini, claimen dat hun laatste prototype een efficiëntie heeft die 2,4 maal zo hoog ligt als van conventionele windturbines en 45% goedkoper te maken is. Dit, omdat dure onderdelen als de wieken en de versnellingskast ontbreken. In plaats van de versnellingskast maakt het systeem slim gebruik van hydraulica: water onder druk. Dit heen en weer bewegende water drijft een turbine aan. Hierdoor kan het systeem ook energie opslaan, wat een tweede netelig probleem voor de doorbraak van windenergie, energieopslag, voor een deel oplost.
Oplossing voor overlast door windmolens
Speciaal voor de Nederlandse context is de Saphonian denk ik de uitvinding waar iedereen op zit te wachten. Geluidsoverlast door de wieken en de bedreiging die de snel ronddraaiende structuren vormen voor vogels en vleermuizen, worden hiermee opgelost. Een hydraulisch systeem maakt energieopslag in bijvoorbeeld een stuwmeer erg interessant. Een rijtje Saphonians langs de Afsluitdijk of andere zeedijken, zou een aanzienlijk deel van de Nederlandse elektriciteitsproductie voor haar rekening kunnen nemen. Op dit moment kost het opwekken van windenergie ongeveer € 0,07 per kWh. Als de getallen van beide heren kloppen, dan dalen deze kosten met meer dan de helft tot drie cent per kWh of minder. Hiermee wordt zelfs de goedkoopste elektriciteitsbron op dit moment, de zeer vervuilende kolen, met afstand geklopt. De Saphonian slaat de Betz-limiet – en daarmee andere windturbines- met stukken.
Enige scepsis is altijd op zijn plaats bij “revolutionaire” technologie. het is niet ondenkbaar dat het hier om de zoveelste energie-scam gaat. De website metabunk.org blijft sceptisch[2]. Het is niettemin goed denkbaar dat de uitvinders niet willen dat hun techniek uitlekt. Op zich garandeert dit revolutionair nieuwe ontwerp wel dat de Betz-limiet niet opgaat. Microsoft, niet een bedrijf dat bekend is als starry-eyed idealisten, stapt ook in[3]. Per saldo lijkt dit dus toch een serieuze techniek.
We leven in een spannende tijd, sommige mensen zeggen dat we ons in het centrum van een paradigma verschuiving bevinden. Anderen claimen zelfs dat we ons momenteel in niets minder dan een Shift of Ages bevinden waarbij 2012 het kantelpunt vormde en we sinds vele honderden jaren ons in een situatie bevinden waarin de positieve oftewel integratieve energie een beetje groter is dan de negatieve, of segregatieve energie.
Stel dat dit waar is en we overgaan van het oude tijdperk wat voornamelijk op competitie, bezit van, en schaarste is gebaseerd naar een nieuw tijdperk waarin coöperatie, toegang tot, en overvloed het dominante paradigma gaat worden. In deze serie artikelen een verkenning hoe we zo goed mogelijk vorm kunnen geven aan dit nieuwe paradigma.
Dit huis vangt simpelweg de zon die er al vanaf het begin der tijden op schijnt op en zet dat om in elektriciteit voor de bewoner. De zon is overal en daarmee is zonne-energie in potentie aanwezig in een overweldigende overvloed.. – Gazzat, Wikipedia
Na het eerste artikel wat het thema voedsel had nu een verkenning wat voor rol hernieuwbare energie in dit nieuwe paradigma kan gaan spelen. Het is inmiddels alweer een paar jaar geleden dat zonne-energie in Nederland door het break-even point heen ging voor consumenten. Vanaf dat moment werd het goedkoper om zelf zonnepanelen neer te leggen en je eigen energie op te wekken, dan het kopen van energie bij een grote energiecentrale.
In Nederland zie je inmiddels in rap tempo telkens meer daken verschijnen met mooie vierkante blauwe panelen die de zon die hier altijd al op viel nu voor het eerst om weten te zetten in elektriciteit. Voor mensen die zelf nog vragen hebben over zonnepanelen is het dossier zonne-energie zeer interessant. Ze geven veel informatie en praktische tips over hoe je zelf zonnepanelen aan kunt schaffen.
Voor de mensen die zelf niet een geschikt dak hebben of inmiddels het eigen dak al vol hebben liggen en nog meer willen investeren in zonnepanelen of andere vormen van hernieuwbare energie, zijn er inmiddels verschillende coöperaties opgezet. Waarvan de windvogel.nl wellicht de meest bekendste is. Deze coöperatie houdt zich zowel met zonne- als windenergie bezig en hoe mensen dat gezamenlijk kunnen financieren en er ook de vruchten van kunnen plukken. Hernieuwbare energietechnologie oogst energie die er altijd al is geweest maar we altijd verloren hebben laten gaan. Ondertussen hebben we de afgelopen 100 jaren de meest bloedige strijd onderling gevoerd over fossiele energievoorraden die schaars zijn en waar dus competitie om heerst.
De zon is een energiebron die tot aan het einde der dagen van de aarde volop hernieuwbare energie kan leveren. – Wikimedia Commons
De overstap naar hernieuwbare energie kan hele groepen mensen toegang geven tot een overvloed aan schone energie en het coöperatieve hierin zit onder meer ook in de kennis en technologieontwikkeling. Als we open source de technologie rond hernieuwbare energie gaan delen dan schiet iedereen daar flink wat mee op. Immers een 5% verbetering kan de energieoogst overal ter wereld doen toenemen. Daarbij ontwikkeld technologie voortdurend waardoor deze vormen van energie telkens beter oogstbaar worden en dus telkens goedkoper kunnen worden. Hoe opener deze kennis en technologie onderling gedeeld gaat worden hoe sneller de rendementen omhoog gaan, hoe sneller de technologische kosten naar beneden gaan en hoe groter de totale oogst wordt.
Hoe kan onze wereld eruit gaan zien als we de overstap maken van schaarse fossiele energie waar nu flinke competitie over wordt gevoerd in onder meer oorlogen met miljoenen slachtoffers, naar hernieuwbare energievormen die overal op locatie te oogsten zijn en conflicten hierom dus volkomen overbodig worden en samenwerken en technologie delen juist wordt beloond?
Hoe denken mensen hier hierover en zijn er nog meer goede initiatieven die in deze paradigma shift de aandacht verdienen wanneer het aankomt op hernieuwbare energie? Meningen en tips zijn van harte welkom!
De Britten beschikken over een derde van het totale windpotentieel van Europa. Een probleem: deze wind bevindt zich voor het grootste deel in diepe zee. Drijvende windmolenparken rond Brittannië en voor de Amerikaanse kust beloven gigawatts aan vermogen op te gaan leveren, voldoende voor een groot deel van het Europese energiegebruik.
Deze Noorse Hywind drijvende windturbine vormt mogelijk de blauwdruk voor grootschalige drijvende windmolenparken. Bron: Statoil.
Drijvend windmolenpark
De VS en het Verenigd Koninkrijk kondigden in april 2012 op de Clean Energy Ministerial, plannen aan om enorme offshore drijvende windmolenparken aan te leggen, die in diepe kustwateren en open zee drijven. Op dit moment kunnen er geen windmolens in zee dieper dan 60 meter worden gebouwd. Vrijwel de gehele Atlantische Oceaan en het noordelijk deel van de Noordzee zijn (veel) dieper dan zestig meter, waardoor in feite alleen drijvende windmolens praktisch zijn. Niet alleen vergroot dit de zeeoppervlakte waarop wind kan worden geoogst dramatisch, ook zijn de winden op volle zee veel sneller en constanter. Ook betekent het plaatsen van windmolens op volle zee, dat ze uit het zicht van klagende kust- en eilandbewoners kunnen worden geplaatst. En zeevogels? Wel, die klagen niet als ze massaal in bloederige smurrie veranderen. Wel prettig aan windmolens op zee is dat vissers uit de buurt blijven, waardoor er een soort onbedoelde visreservaten ontstaan. Dit heeft onmiddelijke positieve gevolgen op de visstand en het zeeleven, blijkt uit onderzoeken.
Meer dan voldoende windenergie
Het Angelsaksische voorstel is nogal wollig geformuleerd, maar zal in meer detail worden uitgewerkt als er meer geld beschikbaar komt. Het Engelse Energy Technologies Institute (ETI) heeft een soort prijsvraag uitgeschreven voor het ontwikkelen van een demonstratieproject van 30 miljoen euro. Bepaalde deelnemers worden uitgenodigd om concepten voor drijvende windturbines met tussen de 5 en 7 megawatt capaciteit aan te leveren. De winnaar zal worden gevraagd om een werkend prototype te produceren dat in 2016 wordt geïnstalleerd. Ondertussen gaat ETI op zoek naar plaatsen waar de drijvende windmolenparken kunnen worden geplaatst. Omdat windmolens nu overal kunnen worden geplaatst, betekent dit dat er honderden gigawatt aan extra windenergiecapaciteit ter beschikking komt. Om een indruk te geven: in Nederland staat op dit moment zo’n 15 gigawatt aan elektriciteitscentrales opgesteld. In de Britse territoriale wateren bevindt zich naar schatting ongeveer 2200 GW aan af te tappen windvermogen, dat is ongeveer honderdvijftig maal meer. Dit is een derde van alle windpotentieel in Europa en meer dan voldoende om het gehele Europese continent van duurzame energie te voorzien, inclusief de miljoenen elektrische auto’s die benzine- en dieselauto’s moeten gan vervangen. Vooral in combinatie met de Zuid-Europese zonne-energie omtstat zo een stabiele energiemix – de windsnelheden in de winter zijn doorgaans hoger dan in de zomer, als er meer zon is.
Amerikaanse plannen
Ook het Amerikaanse ministerie van Energie heeft 180 miljoen dollar uitgeloofd voor vier offshore demonstratieprojecten. Het Amerikaanse potentiële windvermogen is met 4150 GW bijna het dubbele van dat van de Britten, maar de VS heeft vijf keer zoveel inwoners, dus het belang is uiteraard veel kleiner. Drijvende windmolenparken hebben als groot voordeel dat klagende en rechtszaak-trigger happy (Amerikanen zijn dol op het aanspannen van rechtszaken) kustbewoners worden omzeild. Er bestaan al drijvende windturbines, maar in dit geval moeten werkelijk monumentale drijvende machines worden gebouwd. De reusachtige Enercon 7.5MW E-126 landturbine, bijvoorbeeld, heeft een rotordiameter van 126 meter. Dat is veel hoger dan de Domtoren. De grootste drijvende windturbine is nu de Noorse 2,3 MW Hywind, die een rotor diameter van 82 meter heeft. Dit prototype kostte rond de 45 miljoen euro om te ontwikkelen en bouwen. De vraag is dus of het mogelijk is een drijvende rotor met de dubbele capaciteit voor een vergelijkbaar bedrag te ontwikkelen.
Hywind gebruikt een (diepe, langwerpige) sparboei om de windmolen te laten drijven. Bron: Statoil.
Technologie Sparboeien
Sparboeien, dat zijn langwerpige, verticale boeien met een grote massa, vormen een stabiele ondergrond en zijn hiermee een interessante technologie om de drijvende windmolenparken realiteit te maken. Deze worden nu al veel gebruikt voor olieplatforms. De boeien worden vastgelegd met verzwaarde hangkabels. Het Hywind project past dit principe ook toe en plant in de volgende fase 5 MW turbines te ontwikkelen, die in water van 320 m diep zullen drijven. Ook Noorwegen hebben namelijk veel windenergie-potentieel en de Noorse staatsoliemaatschappij Statoil is van plan hiermee de daling van de olieproductie goed te maken.
Tension legs
Een alternatieve methode is een zogeheten tension leg systeem. Hiermee wordt door middel van ankerkabels het platform naar beneden getrokken. Dit systeem is erg populair voor diepzee-oliewinning. Onderzoek van de Amerikaanse Massachusetts Institute of Technology en het National Renewable Energy Laboratory wijst uit dat 5 MW turbines mogelijk zijn tot op een diepte van 200 meters (voldoende om de gehele Noordzee te bestrijken).
Windenergie na Fukushima
Na de kernramp in Fukushima wordt ook in Japan steeds serieuzer gekeken naar windenergie. Het Fukushima Recovery Floating Wind Farm Project, dat nu definitief doorgaat, zal bestaan uit een 2 MW turbine, gevolgd door twee 7 MW turbines in 2016. In 2020 zal het bedrijf Marubeni een 1 gigawatt drijvend windmolenpark bouwen voor de winderige Japanse noordkust. Duidelijk is dus dat drijvende windmolenparken nu in hoog tempo zullen oprukken. Dat geldt ook voor stationaire windturbines. De ondiepe Doggersbank voor de Engelse oostkust, in het Pleistoceen nog land, zal worden bebouwd met een 9 GW offshore windmolenpark.
Hernieuwbare energie is overal om ons heen. Zon, wind, water, bodem en de zee: overal kunnen we energie uit opwekken. Een groot nadeel van hernieuwbare energie is echter dat het bijna direct na de opwekking gebruikt moet worden. Dit zorgt ervoor dat we momenteel vooral fossiele energie gebruiken in Nederland omdat dit verbrand kan worden wanneer de vraag er is.
Dit probleem kan echter opgelost worden als je een enorme opslagcapaciteit zou hebben in de vorm van goedkope batterijen. Dan kan namelijk alle energie uit hernieuwbare bronnen altijd opgeslagen worden en kan de energie eruit gehaald worden op de momenten dat we het nodig hebben. Grote goedkope batterijen zijn kortom de missing link in de oplossing van ons huidige energieprobleem. Donald Sadoway van de MIT zegt precies hiervoor een oplossing te hebben gevonden. Hieronder zijn inspirerende verhaal op TED.
Wanneer zouden de containers met vloeibare batterijen in Nederland in het straatbeeld verschijnen in combinatie met lokale zonne-energie en windmolens?
Olie is vervuilend en wordt schaars en duur. Overschakelen op alternatieve energiebronnen stuit volgens een MIT-onderzoek echter op een andere bottle neck: de zeldzame aardmetalen die nodig zijn voor bijvoorbeeld permanente magneten.
Zeldzame metalen voor wind
Windenergie is na waterkracht (die al bijna volledig benut wordt), althans op dit moment nog, de alternatieve energiebron met de hoogste EROEI. Dat wil zeggen, dat als je een joule energie in windenergie stopt, je er twintig joule voor terugkrijgt. Geen wonder dat je dus vooral in gematigde streken met veel wind, steeds meer windmolenparken vindt. Helaas is een onmisbaar onderdeel van windturbines, een permanente magneet met het zeldzame aardmetaal neodymium. Het element dysprosium is een essentieel element voor veel typen elektromotoren, zoals in sommige elektrische auto’s. Beide elementen zijn afkomstig uit zeer milieuonvriendelijke mijnbouwoperaties in China en lijken komende jaren schaars te worden. Analisten hopen overigens dat een grote mijn in Canada die nu wordt aangelegd soelaas kan bieden.
Er zal een klein wonder moeten gebeuren wil de productie van zeldzame aardmetalen de exploderende vraag bijhouden
Zware tekorten
In de studie werd gekeken naar tien “zeldzame aarden”, die op zich overigens niet heel erg zeldzaam zijn. De zeventien “zeldzame aarden” behoren tot dezelfde chemische groep, de zogeheten lanthaniden – die raadselachtige lange reeks vreemde elementnamen onderaan de periodieke systeemtabel -en worden gebruikt in bepaalde high-tech apparatuur, onder meer voor duurzame energievormen. Van deze tien zullen de twee genoemde, dysprosium en neodymium – ernstige tekorten vertonen. Dysprosium gaat de grootste problemen opleveren: de vraag gaat naat schatting met factor 26 toenemen in de komende kwart eeuw. De vraag naar neodymium zal met zevenhonderd procent stijgen. De reden: de buitengewone magnetische eigenschappen van beide materialen, waardoor er sterke lichtgewicht permanente magneten en batterijen mee kunnen worden geproduceerd. Een grote 3,5 MW windturbine bevat ongeveer 600 kg zeldzame aarden. Een benzineauto gebruikt ongeveer een halve kilogram aan zeldzame aarden, voornamelijk in de kleine elektrische motoren die bewegende onderdelen aandrijven, maar een elektrische auto met zijn accu’s en zware elektronotor factor tien meer.
Chinees monopolie
China produceert 98 procent van alle zeldzame aarden. Voor geen enkele andere commerciële grondstof is de aanvoer zo geconcentreerd. Historisch gezien groeide de productie nooit meer dan met twaalf procent per jaar, maar willen we snel op grote schaal over op elektrisch vervoer, dan is een veelvoud van deze groei nodig, zie grafiek. China beschikt over ongeveer de helft van de wereldreserves, ook de VS beschikt over aanzienlijke voorraden. Door de strenge milieu-eisen in de VS stopte de mijnbouw hier. In China is, zoals bekend, voor het regime het milieu niet echt een belangrijke overweging – waarvoor de Chinese bevolking een afschuwelijke tol betaalt – wat China in staat stelde met goedkope, milieuonvriendelijke mijnbouwmethoden de Amerikaanse concurrentie van de markt te drukken. Door de schaarste en verbeterde mijnbouwtechnieken zal hier nu toch verandering in komen. Wat de zaak compliceert is dat zeldzame aarden doorgaans bijproducten zijn van andere metaalwinning. De productie is dan ook laag – van dysprosium bijvoorbeeld honderd ton per jaar.
Meer recycling
Wie het nieuws een beetje volgt, weet dat koper in bijvoorbeeld standbeelden nu al in hoog tempo wordt gerecycled door criminelen. De onderzoekers denken dat dit ook met de zeldzame aarden moet gebeuren. Op dit moment is recycling van zeldzame aardmetalen eerder uitzondering dan de regel. Deze luxe kunnen we ons niet meer permitteren, aldus de schrijvers van het rapport. Ook zullen we op zoek moeten gaan naar nieuwe bronnen voor het metaal. Op zich zit er voldoende erts in de grond voor decennia. De kunst is alleen de mijnbouwoperaties zo op te schalen dat we op tijd over dit metaal kunnen beschikken. Dat kost veel tijd, rond een jaar of tien, en veel energie. Dan kunnen we bijvoorbeeld minder energie aan ambtenaren, bonussen voor Goldman Sachs managers en bedenkers van slimme lease-constructies besteden. De beste oplossing is uiteraard een compacte vervanger te vinden voor de zeldzame aarden. Wellicht kan door een slimme rangschikking van atomen uit alledaagse materialen een vervanger voor dysprosiummagneten worden ontwikkeld.
In de straalstromen die de aarde omcirkelen beweegt de wind zeer snel. Dit betekent dat er heel veel windenergie aan te onttrekken is. Dit heeft de nodige klimaatgevolgen, waarvan enkele de opwarming van de polen kunnen tegengaan…
Voortdurende storm op 10 km hoogte
Windmolens zoals we die allen kennen tappen windenergie af op een hoogte van ongeveer 100 meter. Echter: windsnelheden nemen toe al naar gelang je hoger in de atmosfeer komt. In de vier jetstreams die de aarde omcirkelen op een hoogte van tien kilometer, zijjn windsnelheden boven de 100 km/uur gebruikelijk.
Skywindpower.com ontwikkelde deze turbine. Jetstreams beloven overvloedige energie. Helaas veroorzaken we zo wel een ijstijd.
Honderd maal de wereldenergiebehoefte
Eenvoudig is het niet deze jet streams af te tappen. Ze veranderen namelijk voortdurend van plaats en vorm. Toch werken verschillende groepen nu aan technieken om dit toch te doen. De meeste komen neer op windturbines aan kabels of vliegers die generatoren op de grond aandrijven. Volgens sommige -omstreden- schattingen bevatten de jet streams 100 maal zoveel windenergie als de wereldenergiebehoefte.
‘Jetstreams aftappen leidt tot ijstijd’ Niet al deze energie kan echter veilig af worden getapt. Volgens simulaties van de in een eerder artikel al genoemde Cristina Archer van de University of Delaware in Newark (vlak bij New York City) and Ken Caldeira van Stanford University in California, kan onze huidige wereldenergievraag, 16 terawatt, zonder gevaar uit de jetstreams geplukt worden zonder merkbare invloed op het klimaat. Dit rooskleurige verhaal wordt snel anders bij hogere onttrekkingen. Als 1000 terawatt wordt onttrokken aan de straalstromen,dat is 60 maal ons huidige energieverbruik, zou de gemiddelde oppervlakte temperartuur met bijna tien graden dalen, de regenval dalen met 35% en de hoeveelheid zee-ijs verdubbelen. Kortom: een ijstijd. (Energies, vol 2, p 307).
‘Warmtetransport lamgelegd’
De reden: als de winden op grote hoogten worden afgeremd, wordt het warmtetransport van de evenaar naar de polen geblokkeerd. Hierdoor wordt de evenaar warmer en de polen koeler, waardoor er meer zeeijs ontstaat. Het helwitte ijs weerkaatst zonlicht. Het eindresultaat is daardoor dat de streek rond de evenaar iets opwarmt, maar dat de polen sterk afkoelen.
Kunstmatige ijstijd stopt opwarming
Dit is uiteraard een gewenst effect als je bang bent dat het broeikaseffect de poolkappen laat smelten. Inderdaad blijkt uit onderzoeken dat het arctische gebied snel warmer aan het worden is en zeeijs verliest. Zouden we dit effect bewust op kunnen wekken, m.a.w. als een vorm van geoengineering? Caldeira wil deze vraag in de toekomst gaan beantwoorden.
‘Jetstreams aftappen rampzalig idee’
Axel Kleidon en Lee Miller van het Max Planck Institut für Biogeochemie in het Duitse Jena stellen dat Archer en Caldeira de hoeveelheid energie die kan worden gewonnen uit jetstreams enorm overschat hebben. Ze denken dat de hoge windsnelheden in jetstreams niet het gevolg zijn van een voortdurende toevoer van energie, maar van een gebrek aan wrijving. In dat geval zou zelfs een kleine onttrekking al enorme gevolgen hebben: volgens hun schatting kan slechts 7,5TW vermogen (iets minder dan de helft van de wereldenergiebehoefte) worden onttrokken en zelfs dit zal enorme impact hebben op het klimaat. (Earth System Dynamics, vol 2, p 201).
‘Geoengineering d.m.v. jetstreams realistisch, maar riskant’
Jammer voor hen die dromen van overvloedige duurzame energie, maar geo-enhgineering wordt op deze manier wel veel makkelijker. Volgens hun model zou de aarde slechts 0,5 graden koeler worden, met het noordpoolgebied twee graden kouder, maar Antarctica twee graden warmer, naast andere effecten. Miller waarschuwt terecht dat we de effecten op het aardse klimaat eerst veel beter moeten begrijpen dan nu, voordat we woeste geo-engineering projecten gaan starten.
Windenergie is minder onschuldig dan het lijkt. Grootschalige toepassing van windenergie heeft waarschijnlijk ingrijpende gevolgen op het klimaat. In enkele gevallen zijn deze effecten echter juist gewenst.
Nachten warmer, dagen kouder In 2010 ontdekte meteoroloog Somnath Baidya Roy van de universiteit van Illinois Urbana-Champaign dat windmolenparken het lokale klimaat veranderen. Lange-termijn gegevens van een windmolenpark te San Gorgonio in Californië bevestigden zijn eerdere voorspellingen: de oppervlaktetemperaturen achter de windturbines waren hoger dan voor gedurende de nacht en tot vier graden lager gedurende de dag.
De verklaring volgens Roy: de turbulentie die de windmolens veroorzaken trekt lucht uit hogere luchtlagen aan. Deze is overdag koeler dan de hete lucht aan de oppervlakte. ’s Nachts is deze lucht juist warmer dan de lucht aan de grond. Deze effecten kunnen worden geminimaliseerd door windmolenparken alleen in gebieden met veel turbulentie te plaatsen. Helaas zijn dit ook gebieden met veel obstakels die wind vangen of sterk wisselende winden.
Belgische windmolens op de Thornton Bank. Bron: Hans Hillewaert/Wikimedia Commons
‘Windmolens kunnen nachtvorst voorkomen’
De vraag is ook of je dit in alle gevallen wilt. Een hogere temperatuur ’s nachts, bijvoorbeeld, is erg handig om nachtvorst te voorkomen. Ook kunnen veel gewassen in zeer hete klimaten slecht tegen zeer hoge piektemperaturen overdag. In feite worden windmachines al gebruikt door boeren om nachtvorst te voorkomen. Waarom niet tegelijkertijd ook energie winnen?
Beïnvloeden mensen de windsnelheid al?
Er zijn sterke aanwijzingen dat de mens al een sterk effect op de wind heeft. De windsnelheden op de oppervlakte van oceanen nemen de laatste jaren toe, terwijl de windsnelheden op land aan de oppervlakte in Europa, Azië en Noord-Amerika sinds 1979 met gemiddeld 15 procent gedaald zijn. Minstens de helft van de veranderingen in windsnelheid wordt geweten aan veranderingen in landgebruik, zoals de bouw van meer hoge gebouwen, maar vooral het toenemende aantal bomen (Nature Geoscience, vol 3, p 756).
Hoeveel windenergie kunnen we veilig oogsten?
Volgens een studie uit 2004 aan de universiteit van Calgary in Alberta, Canada, worden de klimaateffecten van windkracht mogelijk al zichtbaar bij een opgesteld vermogen van 2 TW. Volgens Axel Kleidon en Lee Miller van het Max Planck Instituut voor Biogeochemie in het Duitse Jena hangen de gevolgen van winenergie af van hoe hoog het percentage is dat we onttrekken van alle windenergie. Hiertoe berekenden ze alle potentieel beschikbare windenergie, afgeleid van de hoeveelheid zonnestraling. De zonnestraling creëert luchtdrukverschillen in de atmosfeer, de oorzaak van winden. Hun eerste schattingen waren met 68 TW maximaal te onttrekken vermogen nog vrij optimistisch. Vervolgstudies aan het model wezen uit dat slechts 18 TW beschikbaar was – veel lager dan eerder geschat. Overigens ligt dit in de orde van grootte van het totale jaarlijkse wereldenergieverbruik nu (rond de 16-17 TW).
‘Gevolgen even erg als verdubbeling CO2‘
Het team claimt ook dat het oogsten van alle beschikbare windenergie grote veranderingen in temperatuur en neerslag veroorzaakt. Zo zullen gebieden ver landinwaarts verdrogen. Volgens hun model kunnen de lokale klimaatgevolgen overeenkomen met die van een verdubbeling van het kooldioxidegehalte in de atmosfeer. Ze vertegenwoordigen hiermee bepaald niet een universeel standpunt onder klimaatdeskundigen. De meesten noemen de conclusies te extreem. Op dit moment is slechts 0,2 TW windvermogen opgesteld, zelfs volgens de ergste pessimisten ver onder de grens waar zich merkbare veranderingen gaan voordoen.
Of toch niet?
Collega’s Christina Archer en Mark Jacobson hebben daadwerkelijke metingen uitgevoerd aan windsnelheden en gaan dus niet uit van modellen, zoals Kleidon en Miller. Volgens hun schatting is er op aarde op honderd meter hoogte maar liefst 1700 TW aan windkracht beschikbaar, waarvan tussen de 72 en 170 TW zonder hoge kosten kan worden geoogst (tussen de vier en tien maal het wereldenergieverbruik). Volgens het model van Jacobson en zijn team betekent het oogsten van 11,5 TW dat de bewegingsenergie in de wind op 100 m hoogste slechts 1% afneemt. De effecten op temperatuur en neerslag zijn zo klein dat ze niet kunnen worden onderscheiden van natuurlijke variatie, aldus Jacobson.
Voorzichtigheid verstandig
Of ze gelijk hebben is de vraag. Wind zorgt voor het transport van water naar de kernen van continenten. Verzwakt de wind, dan zal zich dit direct manifesteren als minder neerslag. In marginale gebieden als de Sahel, het Amerikaanse Midden Westen (dat nu al in hoog tempo het grondwater opmaakt) en Centraal-Azië, inclusief Siberië en Binnen-Mongolië, zou dit een ramp betekenen. Het is verstandiger zeer goed onderzoek te doen naar de klimaateffecten en voorlopig de lagere schatting van Kleidon en Miller aan te houden. Ook dan is er voldoende ruimte om tientallen procenten van onze wereldenergiebehoefte uit wind te halen, een vervijftigvoudiging ten opzichte van nu.
Aanhangers van alternatieve energiebronnen prijzen graag windenergie en golfslagenergie aan als DE oplossing van onze afhankelijkheid van fossiele, vervuilende energiebronnen. Maar hebben ze wel gelijk? Nee, zegt een natuurkundige. We putten zo namelijk de schaarse vrije energie op aarde uit.
Vrije energie en totale energie
Niet alle joules zijn gelijk geschapen. Alleen met bepaalde vormen van energie is nuttige arbeid te verrichten. De energieinhoud van een tropische oceaan is bijvoorbeeld enorm, maar kan pas afgetapt worden als er een koudereservoir in de buurt is. Vandaar dat natuur- en scheikundigen onderscheid maken tussen totale energie en vrije energie. Vrije energie is het deel van alle energie dat om te zetten is in een andere vorm van energie. Elektriciteit en beweging zijn een goede voorbeelden van pure vrije energie. Alle bewegingsenergie of elektrische energie is namelijk af te tappen zonder dat er warmte vrijkomt.
Windenergie en golfslagenergie tappen vrije energie af
De redenatie van Axel Kleidan van het Max Planck Instituut voor Biogeochemie in het Duitse Jena, is als volgt.
Er bestaat ook peak wind, zegt klimaatfysicus Axel Kleidan.
Wind ontstaat door luchtdrukverschillen. Deze op hun beurt worden weer veroorzaakt door ongelijkmatige verhitting van het aardoppervlak. Zo zal een watermassa de temperatuursschommelingen matigen een een onbegroeide woestijn sterk opwarmen en afkoelen. Golfslag is dan weer het gevolg van winden. Stel, we zouden alle wind- en golfslagenergie op aarde af gaan tappen. Dat zou namelijk nodig zijn, willen we ons fossiele energieverbruik (op dit moment 17 terawatt, TW) vervangen door wind en golfslagenergie. 17 TW is veel: meer vrije energie dan er bijvoorbeeld wereldwijd uit vulkanen en geisers vrijkomt.
Dan zou dit betekenen dat er minder vrije energie beaschikbaar is in de atmosfeer. Op dit moment wordt die vrije energie benut om lucht of water te mengen. Dit mengingsproces zal stil komen te liggen met als gevolg een deken van verstikkende, stilstaande lucht en een zee waarin onvoldoende menging plaatsvindt (met als mogelijk gevolg dode zones).Op dit moment wordt maar een kleine fractie van het potentieel aan windenergie (enkele tientallen TW) geoogst. Zou dit echter toenemen tot een aanzienlijk deel van de totale hoeveelheid wind, dan voorziet Kleidan moeilijkheden. De totale hoeveelheid wind zou afnemen, wat ook de efficiëntie van windmolens af zou doen laten nemen.
Zonne-energie: wel een oplossing
Kleidan ziet twee bronnen van alternatieve energie die wel op grote schaal toepasbaar zijn. Om te beginnen: zonne-energie. Vooral in de woestijnen worden grote hoeveelheden vrije energie (de zonnestraling) rechtstreeks omgezet in warmte. Het massaal plaatsen van zonnepanelen in de woestijn zou hiermee een goede manier zijn om vrije energie te onttrekken zonder dat dit klimaatconsequenties heeft. Wel zullen deze panelen efficiënter moeten zijn dan die nu worden gebruikt. Ook moeten we niet vergeten dat alle vrije energie uiteindelijk eindigt als warmte. We kunnen ook indirect zonne-energie benutten door de woestijnen vol te zetten met groene planten. Ook dit zou de hoeveelheid vrije energie vergroten zonder dat die wordt onttrokken aan de rest van hete ecosysteem, integendeel zelfs.
Een probleem is wel dat voor moderne zonnepanelen schaarse metalen nodig zijn als selenium, indium en tellurium. Zonne-energie onderzoekers moeten zich, stellen diverse onderzoekers, dan ook richten op zonnecelontwerpen waar veel voorkomende elementen zoals ijzer, koper of silicium in verwerkt worden.
