Duurzame bronnen

December 12. 2019 • Categorie: duurzame energie | Duurzaam versus fossiel | Fossiele verbranding

Het fundament van onze samenleving is gebaseerd op de beschikbaarheid van goedkope energie. Fossiele energie is goedkoop, maar vervuilt de aarde. In dit gedeelte bekijken wij duurzame bronnen. We kijken daarbij naar de mogelijkheden en de kosten , waarbij ook de kosten van opslag worden meegenomen van duurzamen bronnen

Fossiele verbranding

Bij de omzetting in energie bij alle fossiele bronnen met koolwaterstof verbindingen gaat het om een reactie met zuurstof. Dit levert energie koolzuurgas (CO₂)en water plus restverbindingen, zoals bijvoorbeeld koolmonoxide (CO), zwavelverbindingen en roet.

figuur35

Rendementen

Bij volledige verbranding worden alle koolstofverbindingen omgezet in CO2. Het water komt vrij in de vorm van waterdamp. Koelen we de waterdamp ook weer af tot de omgevingstemperatuur dan oogsten we de maximale hoeveelheid energie uit een brandstof. De hoeveelheid energie die maximaal vrij kan komen noemen we de bovenste verbrandingswaarde (bovenwaarde). In de praktijk wordt de condensatiewarmte vaak niet teruggewonnen dan spreken we van de stookwaarde of de onderste verbrandingswaarde (onderwaarde). Aardgas heeft op onderwaarde een verbrandingswaarde van 8,8 kWh per m³. (verbrandingswaardes van brandstoffen).

In elektriciteitscentrales is de verbranding vaak uitstekend geregeld en worden hoge rendementen behaald, echter met de condensatiewarmte kunnen we geen stoom maken daarom wordt de energie slechts benut tot de maximale onderwaarde. Van de hitte wordt stoom gemaakt, met die stoom worden turbines aangedreven, die op hun beurt weer generatoren aandrijven. Gascentrales halen de hoogste rendementen maximaal 56% op onderwaarde. Maar produceren CO2.
De theoretische efficiency van energieconversie in apparaten waarbij fossiele brandstoffen worden verbrand is eenvoudig vast te stellen door de Carnot-cyclus. waarbij de maximale efficiency = (T1 − T2) /T1 , waarbij T1 de maximale temperatuur van het medium is in het apparaat waarin het medium wordt vrijgelaten. Alle temperaturen zijn uitgedrukt in Kelvin. (K = 273 + temp in graden Celsius). De temperatuur T2 is meestal 290 K. Voor stoom turbines die functioneren met een stoom temperatuur van 450 ^oC, waarbij het waterdampmengsel de installatie verlaat met 50 ^o bedraagt de Carnot Efficiency ( 723− 323)/ 723= 0,553 = 55,3%.
Bij kolencentrales en aardolieketels liggen de Carnot-verhoudingen ongunstiger, omdat te laag afgekoelde rookgassen zwavelzuur bevatten, die de levensduur zeer nadelig beïnvloeden.

Opslag en accu’s

Duurzame bronnen als wind en zon produceren elektriciteit zonder de nadelige uitstoot van CO2. Echter deze kunnen nooit fossiele energie vervangen als er geen opslag is om de productiegaten op te vangen.

In de Europese scenario’s voor duurzame energie wordt vooral Biogas ingezet als oplossing om de productiegaten te vullen. Wij zien Biogas echter niet als duurzaam, zeker niet als gebruik wordt gemaakt van hout, het kappen van bos en speciaal daarvoor aangelegde aanplant. Per saldo wordt er dan meer CO2 geproduceerd dan bijvoorbeeld met aardgascentrales.

Organsaties als Tennet lossen nu het probleem van opslag op met een special biedsysteem om de productiegaten te vullen. Hierbij kunnen leveranciers van flexibel vermogen hoge prijzen bedingen voor de geleverde stroom. Wij zien dit als een administratieve oplossing en niet als een duurzame fysieke oplossing.

Bij opslag gaat het om de totale hoeveelheid die in een jaar opgeslagen moet worden en afgegeven aan het net. Is de productie grillig en met veel productiegaten zoals bijvoorbeeld bij zon dan heb je grote accucapaciteit nodig. Accu’s zijn erg kostbaar.

Voor één zonnepaneel van 300 Wattpiek, heb je bijvoorbeeld € 10.000 nodig om een baseload te maken als je uitgaat van de kWh-prijs van Li-ion van € 100 per kWh. (om een baseload te maken bedraagt bij zonnepanelen is de opslag 62% van de jaarproductie met een accucapaciteit van 33%;- bij wind liggen die verhoudingen gunstiger, maa bedrat de accucapaciteit afhankelijk van de de locatie 12 - 16% van de jaarproductie)

Schermafbeelding 2019-12-16 om 13.10.32

Bij opslag gaat het om 2 grootheden:
De grote van de opslagcapaciteit (accu) en de hoeveelheid die op jaarbasis via de accu weer teruggegeven met worden aan het net.

Baseloadkosten bekende technieken voor stroom opwekking

In onderstaande tabel hebben we uitgerekend wat de kosten zijn van elke vorm van elektriciteit opwekking. Bij zon, wind hebben wij de opslag berekend met waterstoftechnologie (stroom-> elektrolyse - waterstof -> brandstofcel - stroom) en getijden energie (Dynamic Tidal Power - DTP). Van DTP hebben wij de opslagkosten met Li-ion batterijen berekend met (cyclus verlies 10%; kosten batterij € 100/kWh).

LCOE baseload productie Elektriciteit

Productiegaten in de combinatie zon en wind

Vaak wordt beweerd dat zon en wind complementair zijn en elkaars productiegaten grotendeels opvullen. Dat is maar zeer ten dele het geval. Voor Nederland hebben wij dat voor het referentie jaar 2017 bepaald uit 8760 data-punten bepaald. Hieruit blijkt dat bij de combinatie van zon en wind in de verhouding 20% zonne-energie en 80% wind-energie een optimum ontstaat.

Schermafbeelding 2019-12-10 om 03.02.41

Beleidsmatig zou op land gestuurd moeten worden op 20% zon en 80% wind. Dat levert de laagste kosten voor opslag.

Opslag technieken

Zwaartekracht (gravitricity)

Gravitricity - fast, long-life energy storage from Neil Davidson on Vimeo.