Energiebronnen

Soorten energiebronnen

De mensheid gebruikt, al van oudsher, verschillende energiebronnen. In het verleden waren dat vooral duurzame bronnen in de vorm van:

• spierkracht,
• hout,
• windenergie,
• waterkracht.

Vanaf de 20^e eeuw zijn dat vooral fossiele energiebronnen als:

• aardolie,
• aardgas,
• steenkool.

Ze worden fossiel genoemd omdat aardolie, aardgas en steenkool, miljoenen jaren geleden zijn gevormd uit plantenresten.

Een andere belangrijke energiebron is:

• uranium

Uranium komt als delfstof op aarde voor en wordt, als brandstof, voornamelijk gebruikt in kerncentrales om elektriciteit op te wekken.

De op termijn belangrijkste energiebron, die hierboven al genoemd is, is:

• duurzame of hernieuwbare energie

Hernieuwbare of duurzame energiebronnen zijn op termijn de belangrijkste energiebronnen, omdat ze, naar menselijke maatstaven, onuitputtelijk zijn. De bronnen kunnen niet opraken of ze kunnen zichzelf vernieuwen. Bij verstandig gebruik zijn ze niet schadelijk voor het milieu. Omdat deze bronnen onuitputtelijk zijn of omdat ze zichzelf kunnen vernieuwen wordt duurzame energie bij voorkeur hernieuwbare energie genoemd.

Zonne-energie

Hoewel zonne-energie niet in de energiestatistieken voorkomt is zonne-energie verreweg de belangrijkste en ook de grootste energiebron op aarde. Deze bron is onuitputtelijk naar menselijke maatstaven gemeten. De zon straalt een ontzaglijke hoeveelheid energie uit, waarvan maar een fractie de aarde bereikt in de vorm van zonlicht. Op de plaats van de aarde in het heelal ligt de intensiteit van het zonlicht rond de 1360 W/m².

De figuur geeft de zonne-energie die de aarde gemiddeld, per jaar, per vierkante meter oppervlak, ontvangt. In Nederland is dat, gezien de geografische ligging, wat minder.

De hoeveelheid zonne-energie die Nederland jaarlijks op zijn oppervlak ontvangt wordt in onderstaande figuur gegeven. Deze energie ligt in de orde van 145 EJ (EJ = exa Joule = 10¹⁸ Joule).

Het totale jaarlijkse energieverbruik, van de diverse energiebronnen in Nederland, ligt in 2020 rond 3000 PJ (PJ = peta Joule = 10¹⁵ Joule) [CBS Statline]. De ontvangen zonne-energie is dus aanzienlijk groter dan het huidige verbruik aan energie in de vorm van primaire brandstoffen en hernieuwbare energie. Het probleem is de winning van deze zonne-energie op een technisch/economisch verantwoorde wijze.

Fossiele energiebronnen

Nu worden nog hoofdzakelijk fossiele energiebronnen voor de energievoorziening gebruikt. Een fossiele energiebron is in feite ook zonne-energie. Deze zonne-energie werd miljoenen jaren geleden vastgelegd in planten. Nadat de planten werden bedolven onder andere bodemlagen liepen druk en temperatuur op, waardoor de plantenresten werden omgezet in fossiele energie en opgeslagen in de aardkorst. De belangrijkste fossiele bronnen zijn steenkool, aardolie en aardgas. De voorraden fossiele energie zijn eindig. Van de belangrijkste fossiele en nucleaire energiebronnen geeft onderstaande tabel aan, voor de situatie in 2015, in welke mate ze wereldwijd beschikbaar zijn, hoeveel er momenteel geproduceerd wordt en over hoeveel jaar deze bronnen uitgeput zijn bij de genoemde productiehoeveelheden [WEC].

In de tabel is onder de kop 'Voorraad' de energie genoemd die op dit moment, met bestaande technieken, economisch kan worden gewonnen. De voorraad brandstoffen is groter maar deze voorraad kan (nog) niet om economische of technische redenen worden gewonnen. Voor aardolie, aardgas en uranium zijn de bronnen binnen 100 jaar uitgeput. Schaarste aan energie komt tot uiting in stijgende energieprijzen. Stijgende energieprijzen hebben tot gevolg dat energievoorraden, die eerst niet economisch konden worden gewonnen, dan wel voor winning beschikbaar komen. De economisch winbare voorraad wordt dan groter dan in de tabel aangegeven. Hernieuwbare energie zal komende jaren de rol van fossiel overnemen.

Volgens het Internationaal Energie Agentschap (IEA) piekt de vraag naar kolen in dit decennium; aardgas piekt rond 2030 en rond 2050 zal de vraag naar olie pieken, daarna is het fossiele tijdperk snel voorbij. Volgens het IEA is sinds 2020 maar liefst 40% meer geïnvesteerd in hernieuwbare energie, vooral in zonne-energie. IEA ziet wereldwijd het elektrische vervoer met auto's en bussen groeien, waardoor de vraag naar benzine en diesel daalt. In Europa groeit het aandeel in de zonne-energie snel en er wordt minder elektriciteit geproduceerd in gascentrales door het wegvallen van het Russische aardgas. IEA ziet structurele verschuivingen in de economie van China waar de nadruk minder op de zware industrie komt te liggen. Verder wordt in China veel elektriciteit met zonnepanelen en kernenergie geproduceerd [Volkskrant].

Naast de hierboven genoemde fossiele bronnen, zijn er nog een aantal andere fossiele energiebronnen:

• turf,
• schaliegas (kleisteengas),
• schalieolie (kleisteenolie),
• teerzanden en zeer zware olie,
• methaanhydraten.

Turf. Er is wereldwijd ongeveer 500 miljard ton turf aanwezig, in dezelfde orde van grootte als de steenkoolvoorraad. In de belangrijkste landen die turf winnen wordt de voorraad geschat op 5 miljard ton. Turf wordt behalve als energiebron steeds meer in de land- en tuinbouw gebruikt als groeimedium en als organische component in chemische producten zoals actief kool, harsen, was en medicinale producten. Daarnaast is er een tendens om veengebieden te behouden voor de biodiversiteit, voor wateropslag en als koolstofput [WEC], [Volkskrant].

Schaliegas is gas dat zit opgesloten in kleine poriën in kleisteenlagen. Kleisteen of schalie wordt gevormd als klei onder druk wordt gezet. Schalie is een veel voorkomend gesteente in de aardbodem. Leisteen wordt op zijn beurt gevormd uit kleisteen en is compacter dan kleisteen of schalie. Het gewone aardgas zit in poreuze zandsteenlagen die zeer doorlatend zijn voor gas. Dit gas kan zonder veel extra maatregelen worden gewonnen. Het gas in kleisteen- of schalielagen kan moeilijker aan de steenlaag worden onttrokken. Dit gas wordt gewonnen door eerst verticaal en daarna horizontaal een put in de schalielaag te boren. Via de horizontale boorput wordt vervolgens, met een boorvloeistof bestaande uit water, zand en chemicaliën, een dusdanig hoge druk op de schalielaag gezet dat deze open barst en het gas vrijkomt (fracken). Om een schalielaag volledig te exploiteren zijn vrij veel boorputten nodig; ongeveer om de 2 tot 4 km. Naast het gas komt ook boorvloeistof naar boven, verontreinigt met materiaal uit het gesteente, waaronder radioactieve stoffen. Het gas wordt gescheiden van de boorvloeistof, de vloeistof moet worden opgevangen en verwerkt. Er is wereldwijd een grote hoeveelheid schaliegas in de bodem aanwezig, naar schatting ongeveer 215.000 miljard kubieke meter. De schaliegasvoorraad ligt dus in dezelfde orde van grootte als de aardgasvoorraad.

Vooral in de Verenigde Staten wordt veel schaliegas gewonnen. Dankzij schaliegas zijn de Verenigde Staten zelfvoorzienend geworden voor gas. Door de schaliegasproductie zijn de gasprijzen wereldwijd sterk gedaald. In Nederland wordt de schaliegasvoorraad geschat op enkele honderd miljard kubieke meter. Bezorgdheid om het milieu heeft tot gevolg dat er in Nederland aarzeling is om boorvergunningen naar schaliegas af te geven. Er is veel water nodig om het gas te winnen. De boorvloeistof en het gas kunnen in aardlagen doordringen waaruit drinkwater wordt gewonnen. Daarnaast moet de opgevangen boorvloeistof met verontreinigingen op verantwoorde wijze worden verwerkt om milieuschade, schade aan de leefomgeving of schade aan de drinkwatervoorziening te voorkomen. Als laatste is er een kans op aardbevingen als gevolg van de winning [WEC], [Volkskrant].

Uit oliekleisteen kan een olieachtig product worden gewonnen; schalieolie ook wel kleisteenolie genoemd. De voorraden schalieolie zijn groter dan de aardolievoorraden. Geschat wordt dat er minstens 830 miljard ton schalieolie in de bodem aanwezig is. De winning is echter veel moeilijker dan van aardolie. Om schalieolie uit een schalielaag te kunnen winnen moet de olie tot een hoge temperatuur (ongeveer 500 ^oC) worden verhit of de schalielaag moet worden gebroken (fracken), net als bij schaliegaswinning. Bij de winning komen, naast olie, onder andere zwavel en allerhande mineralen mee. Alles bij elkaar is het een aanzienlijke hoeveelheid restmateriaal die op de een of andere manier milieuverantwoord verwerkt en opgeslagen moet worden.

De productie van olie uit schalie was aanvankelijk weinig aantrekkelijk door de hoge kosten van de winning. Door de hogere energieprijzen is dat de laatste jaren echter sterk veranderd. In de Verenigde Staten bijvoorbeeld wordt veel schalieolie gewonnen [WEC], [Volkskrant].

Teerzanden bevatten veel bitumen. Bitumen lijkt op zware petroleum. Ongeveer 85% van de wereldenergievoorraad aan bitumen komt voor in Canada. Het meeste bitumen wordt bovengronds gewonnen, getransporteerd en verwerkt tot een synthetische olie. Andere voorraden bitumen worden gewonnen door stoom te injecteren in de bodem, het bitumen wordt dan vloeibaar en kan gewonnen worden. Jaarlijks wordt in Canada ongeveer 36 miljoen ton olie geproduceerd uit bitumen. Ondanks de duurdere productiemethode is winning van olie uit teerzanden rendabel, zolang olie duurder is dan 30 dollar per vat. De totale voorraad aan olie uit teerzanden is ongeveer 460 miljard ton. Daarnaast zijn er ook voorraden zeer zware olie. De totale wereldwijde voorraad aan zeer zware olie wordt geschat op 300 miljard ton [WEC].

Methaanhydraat is een op ijs gelijkende stof waarin methaangas opgesloten zit; het is een methaanmolecuul opgesloten in een kooi van ijs (ongeveer 6 moleculen water op één molecuul methaan). Methaanhydraat worden ook wel vloeibaar ijs, methaanclathraat of clathraat-hydraat genoemd. Methaanhydraten kunnen worden gevonden in permafrostgebieden en op de bodem van oceanen. De grootste energiereserves aan methaanhydraten liggen op de oceaanbodem. Geschat wordt dat de voorraad methaanhydraat in de oceanen ongeveer even groot is als de totale voorraad aardgas. De gevolgen van winning, van methaangas uit methaanhydraten, op het milieu, zijn nog niet duidelijk. Eveneens onduidelijk is of het methaan op technisch/economisch verantwoorde wijze kan worden gewonnen uit het gashydraat. Japan is er begin 2013 voor het eerst in geslaagd om op kleine schaal methaangas vrij te maken uit gashydraten op de bodem van de oceaan, op ongeveer een kilometer diepte onder de waterspiegel. Technisch gezien lijkt winning dus mogelijk. Onderzocht wordt nu of de winning van het methaangas op grotere schaal mogelijk is en of dit op economisch verantwoorde wijze, rekening houdend met het milieu, kan gebeuren [WEC], [Volkskrant].

Methaanhydraten kunnen ook een bijdrage aan het broeikasgaseffect geven als het bij hogere temperaturen, methaan spontaan uit het ijs vrijkomt. Een gevaar bij winning van methaan uit methaanhydraten is dat het gas ongecontroleerd vrijkomt en in de atmosfeer wordt opgenomen. Methaan is een veel krachtiger broeikasgas dan kooldioxide.

Gevolgen gebruik fossiele brandstoffen. Het gebruik van fossiele brandstoffen gaat gepaard met de uitstoot van kooldioxide. Dat versterkt het broeikasgaseffect, verhoogt de temperatuur op aarde en heeft schadelijke gevolgen voor de menselijke samenleving. Op de klimaattop in Glasgow, in 2021, is afgesproken dat de opwarming van de aarde onder de 1,5^oC moet blijven. Momenteel ligt de aarde op koers voor een opwarming van ongeveer 2,7^oC. Dat is ruim boven de grens van 1,5^oC die de internationale gemeenschap heeft aangemerkt als gevaarlijk. De reden is dat de 15 landen, die de meeste fossiele brandstoffen produceren, olie, gas en steenkool uit de grond blijven halen om aan de vraag te voldoen. Dat gaat ertoe leiden dat die landen in 2030 drie keer teveel steenkool delven, 17% te veel gas en 50% te veel olie oppompen om de temperatuurstijging onder de 1,5^oC te houden [United Nations], [Volkskrant].

Uranium

Natuurlijk uranium erts bestaat voornamelijk uit het isotoop U-238 en voor een klein deel, 0,7%, uit het splijtbare isotoop U-235. U-238 heeft drie neutronen meer in de kern maar is chemisch verder identiek aan U-235. Voor gebruik als brandstof, in een kernreactor om elektriciteit op te wekken, moet het uranium worden verrijkt. Dat wil zeggen dat het aandeel U-235 omhoog moet. Het uraniumerts wordt daarvoor gezuiverd en vermalen tot uraniumoxide (U₃O₈), dit oxide wordt omgezet in het gas uraniumhexafluoride (UF₆). In een verrijkingsinstallatie worden de twee isotopen van uranium, U-235 en U-238, gescheiden. Het lichtere U-235 wordt verrijkt tot maximaal 5%. Het verrijkte uraniumhexafluoride wordt terug omgezet in uraniumoxide. Dit poeder wordt samengeperst tot pellets die in de splijtstofstaven van een kerncentrale worden gebruikt. Wereldwijd draaiden er in 2022 in 32 landen 440 kerncentrales, met een totaal vermogen van 383 GW. Hiermee werd in 2022 ongeveer 2.740 TWh aan elektriciteit werd opgewekt; dat is 11% van de wereldwijd opgewekte elektriciteit en 5% van het wereldwijde energieverbruik [WEC], [Volkskrant].

Het nucleaire aandeel in de elektriciteitsopwekking nam de laatste jaren langzaam af maar is nu weer aan het stijgen. Het gebruik van kerncentrales nam af om twee hoofdredenen:

• het afval van kerncentrales blijft tien- tot honderdduizenden jaren radioactief,
• de veiligheid van kerncentrales.

In een kernreactor ontstaat radioactief afval. Dit afval blijft tienduizenden jaren radioactief, gebruikte splijtstof zelfs honderdduizenden jaren. Dit afval moet vele tienduizenden jaren goed bewaard worden. Komende generaties worden opgezadeld met het veilig bewaren van het afval, wat nu geproduceerd wordt. De veiligheid van kerncentrales is niet altijd gegarandeerd. In het verleden hebben er een aantal grote kernrampen plaatsgevonden; onder andere in Harrisburg, Tsjernobyl en Fukushima. Wereldwijd hebben er zich in kerncentrales acht (gedeeltelijke) kernsmeltingen voorgedaan; twee in Amerika, twee in Europa en vier in Japan inclusief Fukushima. Gemiddeld is dat eens in de 2000 reactorjaren. Uitgaande van het bovengenoemde aantal kernreactoren is de kans groot dat dit, binnen afzienbare tijd, weer een keer gebeurt [Volkskrant].

Bij de Tsjernobylcentrale in de Oekraïne was een gebied van 3000 km² jarenlang ontoegankelijk vanwege radioactieve besmetting. De stad Tsjernobyl is sinds 1986 een spookstad, pas onlangs is deze stad weer veilig voor mensen verklaard, groente en fruit uit dit gebied zijn echter nog steeds niet eetbaar. De radioactieve besmetting van Tsjernobyl heeft naar schatting 5000 gevallen van kanker veroorzaakt, vooral schildklierkanker, het kunnen er echter ook 36.000 geweest zijn. Bij de laatste kernramp, in 2011 in Fukushima in Japan, is een gebied met een straal van 20 kilometer rondom de centrale onbewoonbaar verklaard als gevolg van radioactieve besmetting. Ruim 160.000 mensen werden noodgedwongen uit het gebied geëvacueerd [Volkskrant].

In Duitsland heeft de ramp in Fukushima in 2011 een ommekeer in het energiebeleid veroorzaakt. Acht van de zeventien kerncentrales werden van het net gehaald. In 2023 werden de laatste drie kerncentrales stilgelegd. Ook Zwitserland wil helemaal van kernenergie af. De eerste van vijf reactoren gingen in 2019 dicht, de laatste wordt in 2034 gesloten. In Japan is het besluit genomen om na 2030 te stoppen met kernenergie. Door de oorlog in Oekraïne en door zorgen over de betrouwbaarheid van energielevering uit Rusland, wordt getwijfeld aan het doorzetten van deze plannen en worden de nog draaiende centrales langer in gebruik gehouden.

Onder invloed van het streven om de CO₂ uitstoot te verminderen neemt de belangstelling voor kernenergie de laatste jaren weer toe. Er worden er in de komende jaren meer kerncentrales gebouwd. Nederland overweegt om twee grote kerncentrales bouwen. Zeker 15 landen hebben plannen om in totaal 53 centrales te bouwen met een totaal vermogen van ruim 57 GW. In Finland heeft een nieuwe kerncentrale in april 2023 de eerste stroom geleverd. Frankrijk gaat zeker zes en mogelijk 14 nieuwe kerncentrales bouwen. Zweden wil het aantal kerncentrales fors uitbreiden. Uiterlijk in 2035 moeten er twee nieuwe kerncentrales in bedrijf zijn en in 2045 moet de opwekcapaciteit zijn vergroot tot tien kerncentrales. Ook Groot Brittannië zet concrete stappen om het aantal kerncentrales uit te breiden. De vraag naar uranium stijgt daardoor. De bouwers van de kerncentrales kampen met grote kostenoverschrijdingen doordat tijdens de bouw de veiligheidseisen zijn opgevoerd als gevolg van de ramp in Japan in 2011. Kerncentrales op zich zijn relatief duur, nog afgezien van de kosten van het veilig opslaan en langdurig bewaken van het radioactieve afval [Volkskrant].

Een nieuwe ontwikkeling is de zogenaamde SMR (Small Modular Reactor). Dit is een relatief kleine kerncentrale waarvan de reactor in een fabriek wordt gebouwd. De reactor wordt op de plaats van bestemming geassembleerd. De reactor heeft meestal een beperkt vermogen van enkele tientallen tot enkele honderden megawatt. Een SMR kan in serie geproduceerd kunnen worden, waarmee de kosten omlaag gaan. Een SMR is modulair, er kunnen dus reactoren bijgeplaatst worden als de vraag naar elektriciteit stijgt. De SMR's produceren ook restwarmte die gebruikt kan worden om gebouwen in de omgeving van warmte te voorzien. De kosten van dit type reactoren zijn echter nog hoog en ze zijn nog in ontwikkeling. Pas in het begin van de jaren dertig zal bekend worden of SMR's goed werken. Dat betekent dat de eerste centrales pas na 2045 kunnen gaan draaien [Volkskrant].

Een alternatief voor uranium, als brandstof, is thorium. Een thoriumreactor is veiliger dan de huidige kerncentrales en levert minder langlevend radioactief afval op. De halfwaarde van het radioactieve afval is ongeveer 30 jaar waardoor het afval na 300 jaar niet meer schadelijk is. Een klein deel van het afval moet nog wel duizenden jaren worden opgeborgen. Dat is nog steeds lang, maar minder lang dan de vele tienduizenden jaren dat hoog radioactief afval uit gewone centrales moet worden bewaard. Thorium is in overvloed beschikbaar. Thorium kan worden opgelost in zout wat bij hoge temperaturen vloeibaar wordt en door de reactor kan stromen. Om de kernreactie op gang te brengen is wel een klein beetje verrijkt uranium of plutonium nodig. Een gesmolten zoutreactor is passief veilig. De verwachting is dat de eerste commerciële gesmolten zoutreactoren rond 2040 in bedrijf komen.

Geografische verdeling energiebronnen

Een belangrijke oorzaak van een deel van de huidige politieke spanningen in de wereld is het feit dat de beschikbare energiebronnen niet gelijk over de wereld zijn verdeeld. Onderstaande figuur geeft, voor 2015, het voorkomen van de belangrijkste bronnen over acht werelddelen [WEC].

In de figuur is te zien dat de steenkoolvoorraden, geografisch gezien, vrij goed gespreid zijn. Uit de figuur blijkt ook dat de aardolievoorraden niet geografisch goed gespreid zijn en hoofdzakelijk voorkomen in het Midden-Oosten. De geografische spreiding van aardgas is iets beter met grote voorraden in het Midden-Oosten, Oost-Europa en Centraal-Azië. Nederland beschikt over ongeveer 1% van de gasvoorraad. De voorraden uranium zijn ook vrij goed gespreid over de aarde.

Onderstaande figuur geeft de totale energievoorraad, in EJ (10¹⁸ J), voor de verschillende werelddelen [WEC].

Duidelijk is dat de meeste energievoorraden aanwezig zijn in Oost-Europa, Noord-Amerika en Azië.

Onderstaande figuur geeft, voor 2015, de top vijf van brandstof producerende landen, voor ieder van de vier brandstoffen; steenkool, aardolie, aardgas en uranium. Deze landen zijn gezamenlijk goed voor ongeveer 50 tot 80 procent van de energieproductie van de brandstof [WEC].

Uit de figuur blijkt dat China het grootste steenkool producerende land is, op ruime afstand gevolgd door de Verenigde Staten, India, Australië en Indonesië. Saudi Arabië, de Verenigde Staten en Rusland produceren de meeste olie, op afstand gevolgd door Canada en China. Verreweg de grootste producent van aardgas is de Verenigde Staten, gevolgd door Rusland en op afstand gevolgd door Iran, Qatar en Canada. Het meeste uranium wordt gewonnen in Kazakhstan op afstand gevolgd door Canada, Australië, Niger en Namibië.

Hernieuwbare energiebronnen

Op den duur zal de energie grotendeels geproduceerd worden uit hernieuwbare of duurzame bronnen. De meeste hernieuwbare energiebronnen zijn direct of indirect afkomstig van de zon. Zonlicht wordt direct gebruikt om hernieuwbare elektriciteit en hernieuwbare warmte op te wekken. Indirect levert zonlicht biomassa, windenergie, waterkracht en golfenergie op, die ook in bruikbare energie kunnen worden omgezet, vaak in de vorm van elektriciteit en warmte. Andere hernieuwbare energiebronnen, niet op zonlicht gebaseerd, zijn getijden en geothermische energie. De zwaartekracht van de maan veroorzaakt getijden in zeeën en oceanen. Deze getijde-energie wordt meestal in elektriciteit omgezet. Door het thermisch verval van radioactieve isotopen is het binnenste van de aarde warm. Hoe dieper onder het aardoppervlak, hoe hoger de temperatuur van de aarde wordt. Deze geothermische energie kan aan de aarde worden onttrokken voor warmte- en elektriciteitslevering.

Door de prijsstijgingen van fossiele energie en om de afhankelijkheid van, met name Russische, fossiele energie te verminderen, is er een versnelling van de ontwikkeling van wind- en zonneparken. De verwachting is dat er komende jaren 2400 GW aan vermogen bijkomt. De sterkste groei vindt plaats in China waar komende jaren bijna de helft van alle nieuwe groene opwekcapaciteit wordt gebouwd [Volkskrant].