Hoe werken zonne-, wind- en geothermische systemen voor energieopwekking?

Zonne-energie kan op twee fundamentele manieren worden benut: thermisch en via directe omzetting naar elektriciteit. Thermische zonne-energiesystemen omvatten vlakkeplaatcollectoren en geconcentreerde zonlichtcollectoren. Vlakkeplaatcollectoren worden gebruikt voor toepassingen zoals ruimteverwarming en warmwatervoorziening, en maken gebruik van metalen buizen of vacuümbuizen. De laatste optie verhoogt de efficiëntie aanzienlijk door warmteverliezen door convectie en straling te minimaliseren.

Geconcentreerde zonnesystemen daarentegen richten zonnestraling op een klein oppervlak, waardoor temperaturen bereikt kunnen worden die geschikt zijn voor het aandrijven van thermische turbines. Deze systemen worden vooral toegepast in grootschalige zonnethermische centrales (CSP-systemen). In beperkte mate kunnen ze ook worden gebruikt voor zonnekoeling, waarbij thermische energie wordt omgezet in koude voor airconditioning of koeling.

De directe omzetting van zonlicht in elektriciteit gebeurt met behulp van fotovoltaïsche (PV) cellen. Deze technologie maakt gebruik van het fotovoltaïsch effect in halfgeleiders: wanneer zonlicht op een halfgeleider valt, worden ladingsdragers (elektronen en gaten) gegenereerd. Door een ingebouwd elektrisch potentiaalverschil tussen p- en n-gedopeerde lagen worden deze ladingsdragers gescheiden, wat resulteert in een elektrische stroom in een extern circuit. Dit principe ligt ten grondslag aan toepassingen van zonnepanelen op daken tot aan grootschalige zonneparken die elektriciteit leveren aan nationale netwerken.

De efficiëntie van windturbines wordt verder beïnvloed door de kenmerken van het terrein. Ruw terrein veroorzaakt turbulentie en verlaagt de gemiddelde windsnelheid, wat leidt tot lagere energieopbrengsten. Om deze reden wordt windenergie vooral geëxploiteerd op vlakke, obstakelvrije terreinen of op zee. De windsnelheid neemt toe met de hoogte boven het maaiveld en kan worden gemodelleerd met behulp van logaritmische of machtswetten. Echter, wind is een intermitterende energiebron, wat betekent dat de beschikbare energie sterk varieert over tijd. Hierdoor is de capaciteitsfactor – de verhouding tussen werkelijke en theoretische energieopbrengst – relatief laag. Alleen langdurige monitoring op de geplande installatielocatie kan betrouwbare schattingen geven van het jaarlijkse energiepotentieel.

Geothermische energie is afkomstig van warmte uit het binnenste van de aarde. De kern van de aarde bereikt temperaturen tot 5500 °C, en deze hitte zorgt ervoor dat de mantel een temperatuur heeft van ongeveer 1000 °C. De gemiddelde aardkorst, met een dikte van circa 30 km, vertoont een temperatuurgradiënt van ongeveer 30 °C per kilometer. Hoewel dit niet voldoende is voor het direct aandrijven van warmtemotoren, kan deze warmte wel benut worden via verschillende methoden.

Elektriciteitsopwekking met geothermische energie gebeurt via drie hoofdtechnieken, afhankelijk van de temperatuur van de bron en de aard van het medium. Naast elektriciteit wordt geothermie ook veelvuldig gebruikt voor directe verwarming, zoals in geothermische stadsverwarming (GeoDH). Een andere toepassing is het gebruik van grondgebonden warmtepompen (GSHP's) die lage-temperatuur warmte uit ondiepe aardlagen benutten voor verwarming en koeling van gebouwen.

De oceaan biedt ook verschillende vormen van potentiële energie, maar de meeste technologieën bevinden zich nog in een experimenteel stadium. Tot nu toe hebben alleen getijdenenergie (met behulp van stuwdammen) en golfenergie – via systemen zoals oscillerende waterkolommen of het Pelamis-golfsysteem – enige belofte getoond. Oceanische thermische energieomzetting (OTEC), die temperatuurverschillen tussen oppervlaktelagen en diep zeewater benut, blijft technisch uitdagend en commercieel beperkt.

Bij zonne-energie is het essentieel om te begrijpen dat PV-systemen een lage capaciteit per oppervlakte-eenheid hebben, wat betekent dat grootschalige implementatie aanzienlijke ruimte vereist. Voor thermische systemen geldt dat ze efficiëntie verliezen bij diffuus zonlicht of bij schommelende temperaturen. Windenergie vraagt om een infrastructuur die bestand is tegen extreme weersomstandigheden en die harmonieert met lokale ecologische systemen.

Bij geothermie zijn de initiële boringskosten en risico’s relatief hoog, maar wanneer eenmaal aangelegd, leveren deze systemen stabiele en betrouwbare energie. De combinatie van duurzaamheid, lage operationele kosten en onafhankelijkheid van weersomstandigheden maakt geothermie bijzonder aantrekkelijk op de lange termijn, mits het lokale geologische profiel dit toelaat.

Hoe werkt geothermische energieopwekking en waarom blijft het wereldwijd beperkt?

Geothermische energie maakt gebruik van de warmte die diep in de aardkorst wordt opgeslagen. Deze warmte bereikt het oppervlak via ondergrondse reservoirs van heet water of stoom, die ontstaan in vulkanische gebieden of langs tektonische breuklijnen zoals de beruchte Pacific Ring of Fire. In deze regio’s bedraagt het temperatuurverval vaak tussen de 40 °C en 100 °C per kilometer – een cruciale voorwaarde voor efficiënte energieopwekking via geothermische centrales.

Toepassingen van geothermische energie zijn niet beperkt tot elektriciteitsopwekking. In feite gaat het grootste deel – in 2021 was dat 87% – naar verwarming en koeling. Systemen zoals grondgebonden warmtepompen (GSHP’s) maken gebruik van de constante temperatuur van de ondiepe ondergrond om warmte te leveren of juist te onttrekken aan gebouwen. Deze technologie is vooral in de Verenigde Staten wijdverspreid voor residentieel gebruik.

Een grootschaligere toepassing is geothermische stadsverwarming, vooral in Europa bekend als GeoDH (Geothermal District Heating). Hierbij worden diepe bronnen van geothermische warmte benut om hele stadswijken te verwarmen via een ondergronds distributienetwerk. Twee schuin geboord gaten – tot wel 3500 meter diep – functioneren respectievelijk als productie- en injectieput. De warmte wordt via warmtewisselaars overgedragen op een secundair circuit dat de gebouwen bereikt. In landen als Frankrijk, Duitsland en Hongarije zijn zulke systemen al jaren in ontwikkeling en integreren ze zich steeds meer in het stedelijk energiebeleid.

Hoewel de technologie volwassen is, blijft het aandeel van geothermische energie in de wereldwijde elektriciteitsproductie verwaarloosbaar. In 2021 was slechts 0,18% van de wereldwijde geïnstalleerde elektriciteitscapaciteit afkomstig uit geothermische bronnen – een fractie vergeleken met zonne-energie (10,3%) of wind (2,2%). De Verenigde Staten zijn koploper met 3,7 GW aan geïnstalleerde capaciteit, gevolgd door Indonesië, de Filipijnen en Turkije. Europa speelt een bescheiden rol, met IJsland als uitzondering waar geothermie een essentieel onderdeel vormt van de nationale energievoorziening.

De trage groei van geothermische elektriciteitsopwekking kan worden toegeschreven aan meerdere factoren: hoge initiële investeringskosten, geografische beperkingen – niet elke regio beschikt over economisch winbare bronnen – en lange doorlooptijden voor ontwikkeling. Daarnaast zijn er technologische uitdagingen in het beheer van reservoirs en in het minimaliseren van seismische risico’s die kunnen optreden bij diepe boringen.

Wat niet mag worden onderschat, is de potentie van geothermie als betrouwbare baseload-energiebron – iets wat zon en wind vanwege hun variabele karakter niet zonder grootschalige opslag kunnen bieden. Bovendien vereist geothermie weinig ruimte aan het oppervlak, heeft het een zeer lage uitstoot van broeikasgassen en kan het lokaal worden ingezet, waardoor het de afhankelijkheid van energie-import vermindert.

Het is belangrijk dat lezers zich realiseren dat geothermie niet alleen een niche-oplossing is voor vulkanische gebieden, maar door technologische innovatie ook in niet-vulkanische regio’s met lagere temperatuurgradiënten kan worden toegepast – denk aan de inzet van Enhanced Geothermal Systems (EGS). Daarnaast verdient geothermie meer aandacht binnen beleid en publieke investeringen, gezien de uitzonderlijke combinatie van duurzaamheid, betrouwbaarheid en constante energieproductiecapaciteit die het kan bieden. Zonder actieve integratie in langetermijnplannen voor energietransitie blijft het potentieel grotendeels onaangeroerd.

Welke nationale energiebeleidstructuren zijn nodig om de overstap naar hernieuwbare energie en elektrische mobiliteit te ondersteunen?

De introductie van een elektrische voertuigenindustrie in een land vereist meer dan alleen marktinteresse of technologische beschikbaarheid; het vergt een doordacht en allesomvattend nationaal beleid. Om succesvol te zijn, moeten regeringen een samenhangende strategie opstellen die ondernemers aantrekt, kwaliteitsnormen vastlegt en tegelijkertijd de bredere energiedoelstellingen van het land ondersteunt. Cruciaal daarbij is het vastleggen van een duidelijke visie in wetgeving en praktische uitvoeringskaders.

Om ondernemerschap in de EV-sector te stimuleren, is het noodzakelijk om stimuleringsmaatregelen te verankeren in beleidsdocumenten. Denk hierbij aan fiscale voordelen, subsidies, of gerichte regulering die de marktontwikkeling versnellen. Tegelijkertijd moeten er ook technische en veiligheidsspecifieke normen worden ingevoerd om de kwaliteit en duurzaamheid van deze industrie te waarborgen. Australië’s Nationale EV-strategie is een voorbeeld van hoe zo’n aanpak concreet vorm krijgt: door het integreren van wetgevende, fiscale en infrastructurele instrumenten slaagt men erin een consistente en toekomstgerichte sector op te bouwen.

Deze vorm van beleid is echter slechts een deel van het bredere energiebeleid dat landen moeten ontwikkelen. Te vaak wordt energiebeleid gereduceerd tot instrumentele maatregelen zonder de fundamentele principes mee te nemen. Een integrale benadering vereist een erkenning van het belang van universele toegang tot energie, de milieu-impact van fossiele brandstoffen, en de noodzaak van efficiënt energiegebruik. Energiebeleid moet dus tegelijk utilitair én principieel zijn: het moet voorzien in directe economische en technologische behoeften, terwijl het zich ook richt op langetermijndoelstellingen zoals duurzaamheid, rechtvaardigheid en klimaatneutraliteit.

Een robuust nationaal energiebeleid omvat doorgaans een visiedocument, uitgewerkt in missie, doelen en uitvoeringsstrategieën. Dit gebeurt via wetgeving (parlementaire handelingen of decreten) en via reguleringen die het beleid op lokaal niveau implementeren. Binnen deze context is het nuttig om onderscheid te maken tussen enkele sleuteltermen. Een energieframework biedt een overkoepelend beleidskader, waarin visie en doelstellingen breed geformuleerd zijn. Het implementatieplan vertaalt deze naar uitvoerbare stappen, terwijl een energieroadmap specifieke doelstellingen en tijdspaden definieert.

Een goed voorbeeld hiervan is Duitsland, waar het energiebeleid zich sinds 2007 heeft ontwikkeld van een geïntegreerd klimaat- en energieprogramma naar een allesomvattend strategisch document: het Energiekonzept 2010. Dit beleid koppelde klimaatdoelstellingen, zoals het reduceren van broeikasgasemissies en het uitfaseren van kernenergie, aan economische en sociale doelstellingen zoals concurrentiekracht, energiezekerheid en milieubescherming. De doelen waren ambitieus: tegen 2050 moest 80% van de elektriciteit afkomstig zijn uit hernieuwbare bronnen, terwijl het primaire energieverbruik met 50% moest dalen.

Wat hierbij essentieel is, is de aanwezigheid van monitoring- en evaluatiesystemen. Zonder duidelijke indicatoren en meetbare doelstellingen blijft beleid een intentieverklaring zonder effect. Even belangrijk is het onderkennen van het historisch en sociaal-economisch weefsel waarin beleid wordt ingebed. De Duitse ervaring toont dat energietransitie niet losstaat van maatschappelijke consensus, economische draagkracht en internationale context.

Vanuit deze brede blik moeten beleidsmakers beseffen dat energiebeleid meer is dan een technisch-institutionele aangelegenheid. Het is een politieke, economische en morele opdracht die diep ingrijpt in hoe samenlevingen functioneren. Daarbij is consistentie tussen beleid, wetgeving en uitvoering cruciaal. Zonder samenhang wordt beleid fragmentarisch, ondoorzichtig en uiteindelijk ineffectief.

Wat bepaalt de kosten van hernieuwbare energie en waarom zijn ze in de loop van de tijd gedaald?

De economische haalbaarheid van hernieuwbare energieprojecten hangt grotendeels af van de kosten van installatie en gebruik van de technologie. Het is belangrijk om zowel het perspectief van de producent als dat van de gebruiker te begrijpen. Vanuit het producentenperspectief is het doel om de technologie tegen de laagst mogelijke kosten te produceren, om zo de winst te maximaliseren. Vanuit het gebruikersperspectief wil men de technologie zo goedkoop mogelijk aanschaffen en gebruiken. Voor de commerciële haalbaarheid van een RET is het noodzakelijk om eerst de kosten per geproduceerde eenheid energie over de levensduur van het project te berekenen. Dit wordt vaak uitgedrukt als de Cost of Energy (COE). De COE is de gemiddelde kostprijs per eenheid energie over de levensduur van het project en wordt berekend door de totale levensduurkosten te delen door de totale energieproductie over diezelfde periode.

Een ander belangrijk financieel gegeven is de eenvoudige terugverdientijd (SPP), die aangeeft hoe lang het duurt voordat de initiële investering is terugverdiend. De SPP wordt berekend door de totale kosten van het project te delen door de jaarlijkse energieproductie vermenigvuldigd met de eenheidsprijs van de geproduceerde energie. Dit is een nuttige maatstaf, maar houdt geen rekening met de tijdswaarde van geld. Daarom worden voor meer nauwkeurige financiële analyses geavanceerdere berekeningen gebruikt, zoals de Levelized Cost of Energy (LCOE) en de Discounted Payback Period (DPP).

Naast deze gebruikelijke financiële indicatoren is voor ondernemers in hernieuwbare energie de Return on Investment (ROI) vaak een van de belangrijkste indicatoren van de levensvatbaarheid van een project. De ROI is de verhouding van het toekomstige voordeel van een investering ten opzichte van de totale investering, en wordt berekend als: ROI = [(winst uit de investering – kosten van de investering) / kosten van de investering] × 100%.

De mythes en misvattingen over de kosten van hernieuwbare energie zijn vaak ontstaan in de vroege stadia van de technologische ontwikkeling van zonne-energie en windenergie. In de beginjaren was de kostenstructuur van deze technologieën hoog, wat leidde tot de overtuiging dat hernieuwbare energie te duur zou blijven voor massale adoptie. Echter, in de afgelopen twee decennia zijn de kosten van hernieuwbare energie drastisch gedaald. De COE voor zonne-energie in 2022 was bijvoorbeeld minder dan 3,7 cent per kWh, terwijl de COE voor windenergie 4,1 cent per kWh was, wat lager is dan de COE voor fossiele brandstoffen zoals aardgas en steenkool.

Het belangrijkste punt dat hieruit te halen valt, is dat de aanvankelijke hoge kosten van een technologie geen obstakel hoeven te zijn voor investeringen, zolang de cumulatieve productie maar blijft groeien. Naarmate de productie toeneemt, dalen de kosten, waardoor hernieuwbare energie steeds competitiever wordt in vergelijking met fossiele brandstoffen.

Is nucleaire energie een haalbare optie voor Australië’s net-zero strategie?

De hervorming van het klimaatbeleid in Australië werd op 31 maart 2023 geïntroduceerd via de Safeguard Mechanism (Crediting) Amendment Act 2023. Deze wet verlaagt de emissiegrens jaarlijks met 4,9%, met als doel een vermindering van 43% tegen 2030 en een uitstoot van netto-nul tegen 2050. Een belangrijke wijziging in de wetgeving is de invoering van een strikte limiet voor 116 van de grootste vervuilers, die slechts een deel van hun reducties mogen compenseren met koolstofkredieten.

De strategie van de Albanese-regering maakt gebruik van verschillende hernieuwbare energiebronnen om de rol van kolencentrales te vervangen. Dit omvat wind-, zonne- en waterkrachtenergie, evenals energieopslag via pomphydraulische systemen en batterijopslag. In de transportsector worden batterij-elektrische voertuigen (BEV’s) en waterstofbrandstofcelvoertuigen (HFCEV’s) ingezet als alternatieven voor traditionele verbrandingsmotoren. Ook speelt groene waterstof een cruciale rol in de decarbonisatie van de staal- en cementindustrieën.

Ondanks de goedbedoelde ambities van het Albanese-beleid, zijn er kritiekpunten. De doelstelling van 43% emissiereductie tegen 2030 via een NEM met 82% hernieuwbare energie wordt door velen als onrealistisch beschouwd. Dit heeft geleid tot een technologische kloof tussen het uitfaseren van kolencentrales en de daadwerkelijke inzet van hernieuwbare energiebronnen. De beperkte set hernieuwbare technologieën die nu in de strategie worden ingezet – voornamelijk wind, zon, waterkracht en batterijopslag – sluit andere potentieel waardevolle technologieën uit die mogelijk bijdragen aan de vereiste doelstellingen.

Er is echter een andere veelbesproken optie voor Australië’s energietoekomst: nucleaire energie. De oppositie heeft nucleaire energie voorgesteld als een schone energiebron om de elektriciteitsnetten van het land te voorzien. Dit voorstel omvat de bouw van zeven nucleaire installaties op locaties waar kolencentrales zijn gesloten of gesloten zullen worden, met een mix van grote kerncentrales en kleinere, modulaire reactoren (SMR). De planning voorziet in de start van de elektriciteitsproductie tussen 2035 en 2037, afhankelijk van de keuze van reactoren.

Het voorstel van nucleaire energie in Australië moet zorgvuldig worden geëvalueerd, vooral door de wereldwijde situatie van kernenergie in overweging te nemen. Eind 2023 waren er wereldwijd 413 operationele kernreactoren in 31 landen, goed voor ongeveer 10% van de wereldwijde elektriciteitsvoorziening. De toonaangevende landen in kernenergieproductie zijn onder andere de Verenigde Staten, China, Frankrijk, Rusland en Zuid-Korea, waar kernenergie een aanzienlijk aandeel heeft in de nationale elektriciteitsmix.

Voor kernenergie om een haalbare optie te zijn binnen een net-zero strategie, moet het aan verschillende criteria voldoen. Ten eerste moet het in staat zijn om consistente en betrouwbare elektriciteit te leveren, zelfs wanneer hernieuwbare energiebronnen zoals wind en zon niet beschikbaar zijn. Kernenergie moet ook concurreren met andere hernieuwbare technologieën op het gebied van kosten en schaalbaarheid. Daarnaast moet het een minimaal effect hebben op het milieu, wat betekent dat de productie van nucleaire brandstoffen en het beheer van radioactief afval zorgvuldig beheerd moeten worden.

Nucleaire energie heeft dus potentieel als onderdeel van een gemengde strategie voor de overgang naar netto-nulemissies, maar het vereist aanzienlijke investeringen in infrastructuur en technologie om de veiligheid, duurzaamheid en kosteneffectiviteit te waarborgen. Australië zou moeten overwegen om niet alleen de technologieën die het nu gebruikt te verbeteren, maar ook om de verschillende technologische mogelijkheden, zoals kernenergie, grondig te evalueren als onderdeel van de bredere energietransitie.

De beslissing om kernenergie wel of niet op te nemen in het energiemix van Australië zal waarschijnlijk afhankelijk zijn van de maatschappelijke en politieke acceptatie van de technologie, evenals van de bereidheid van de overheid om te investeren in de noodzakelijke infrastructuur en veiligheidsmaatregelen.