Windenergie kan slechts 6 procent van wereldwijde energieverbruik leveren

Er is een herwerkte versie van dit artikel verschenen.

Deze oorspronkelijke versie is enkel bedoeld ter vergelijking.

-------------------------------------------------

Er is geen gebrek aan ambitieuze plannen voor de grootschalige inzet van windturbines. In eerdere artikels hebben we daar al een aantal vraagtekens bij geplaatst.

Een van de problemen is dat windturbines en windparken wind "stelen" van elkaar, met het gevolg dat ze veel verder uit elkaar zouden moeten worden geplaatst dan in die grootse plannen het geval is. Volgens recente onderzoeken speelt dat probleem nog veel meer op globaal niveau.

De berekeningen betreffende het globale potentieel van windenergie zijn grondig fout, omdat ze geen rekening houden met het feit dat de energie die de eerste windturbine uit de lucht haalt, niet meer door de tweede windturbine kan worden gebruikt. Gebeurt dat wel, dan blijkt het potentieel van windenergie wereldwijd veel kleiner: 1 terawatt volgens de eerste berekeningen, of zowat 100 keer minder dan wat tot nu toe als haalbaar werd beschouwd.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

De jongste jaren zijn een aantal wetenschappelijke studies uitgevoerd naar het wereldwijde potentieel van windenergie als bron van elektriciteitsproductie. Die zijn allemaal volgens dezelfde methode opgesteld. Als uitgangspunt nemen ze de windsnelheid in gebieden die geschikt zijn voor windturbines en combineren die informatie met de specificaties van bestaande, individuele windturbines.

Vervolgens wordt berekend hoeveel turbines er op die oppervlakte geïnstalleerd kunnen worden, rekening houdend met de turbulentie die elke machine veroorzaakt. Tot slot wordt het energetische potentieel van al die turbines opgeteld. De conclusie luidt onveranderlijk dat het potentieel van windenergie voor elektriciteitsproductie meer dan voldoende is voor het dekken van onze consumptie.

Optimistische rapporten

Een onderzoek uit 2008 (.pdf) komt bijvoorbeeld tot de conclusie dat windturbines een hoeveelheid energie kunnen leveren die 40 keer hoger ligt dan het wereldwijde elektriciteitsverbruik, en meer dan 5 keer hoger dan het globale primaire energieverbruik - en dat alleen met windturbines op land. Die resultaten liggen in de lijn van een eerder onderzoek uit 2005, dat het maximum potentieel van windenergie op land berekent op ongeveer 72 terawatt (TW), zowat 35 keer het globale elektriciteitsverbruik en 4,5 keer het globale primaire energieverbruik. Een onderzoek uit 2010 (.pdf) stelt dat het maximum praktisch haalbare potentieel van off-shore windenergie (op zee dus) 39 TW is.

Volgens deze studies, allemaal verschenen in vooraanstaande vakbladen, bedraagt het totale potentieel van windenergie (op zee + op land) dus ongeveer 110 TW. Dat is bijna 7 keer het huidige primaire energieverbruik.

Perpetuum mobile

Een studie uit 2010 ("The problem of the second wind turbine - a note on a common but flawed wind power estimation method"), gepubliceerd in het tijdschrift "Earth System Dynamics", bond de kat de bel aan. De Duitse wetenschappers, werkzaam bij het Max Planck Instituut, tonen aan dat de methode die in deze optimistische onderzoeken wordt gehanteerd, fout is. De kritiek is eenvoudig samen te vatten. De berekeningsmethode schendt de eerste wet van de thermodynamica, de wet van het behoud van energie.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

De gebruikelijke berekeningsmethode schendt elementaire natuurwetten

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Die natuurwet stelt dat energie niet kan worden gecreëerd of vernietigd, maar alleen kan worden omgezet van de ene in de andere vorm. In feite zijn de optimistische studies over het potentieel van windenergie gebaseerd op de illusie van het perpetuum mobile.

De gebruikelijke methode voor het berekenen van het potentieel van windenergie houdt voor de onderlinge afstand tussen de windturbines enkel rekening met de turbulentie die elke machine opwekt. Ze gaat voorbij aan het feit dat de wind die door de eerste windturbine uit de lucht wordt gehaald en wordt omgezet in elektriciteit (en een deel restwarmte), niet meer door de tweede windturbine kan worden gebruikt.

Energie uit het niets

Met een rekenvoorbeeld tonen de Duitse onderzoekers aan dat een opstelling van 150 windturbines in een windtunnel van 100 kilometer lang volgens de gebruikelijke berekeningsmethode 150 megawatt (MW) energie kan halen uit een initieel windvermogen van 100 MW - een duidelijke schending van de wet van het behoud van energie, want de windturbines creëren 50 MW energie uit het niets. De wetenschappers berekenen vervolgens het potentieel van dezelfde opstelling windturbines rekening houdend met de energieverliezen en komen aan een resultaat van 78 MW uit 100 MW - bijna de helft van de energie die volgens de nu gehanteerde methode kan worden geproduceerd.

De hoeveelheid energie die een individuele windturbine uit de onderste luchtlagen haalt is - rekening houdend met de verspreidde plaatsing van de machines - relatief klein, zodat de klassieke methode nauwelijks afwijkende resultaten oplevert als ze wordt gebruikt voor een relatief kleine verzameling windturbines.

Maar dat wordt totaal anders als het windpotentieel op globale schaal wordt berekend. Al die kleine verliezen lopen namelijk flink op als er honderdduizenden windturbines in het spel zijn.

Met een gelijkaardige berekening laten de Duitsers zien dat één van de optimistische rapporten een totale hoeveelheid windenergie impliceert van 242.000 TW in de atmosfeer (en dat enkel tot op een hoogte van 1 kilometer). Dat is meer dan de totale hoeveelheid zonne-energie die de planeet absorbeert (122.000 TW), wat onmogelijk is aangezien wind een product is van zonne-energie.

Berekeningsmethode omdraaien

De fundamentele conclusie van de wetenschappers: de maximum hoeveelheid windenergie die we kunnen oogsten wordt bepaald door de beschikbare instroom van kinetische energie (= de wereldwijd beschikbare windenergie in de atmosfeer), en niet door het aantal turbines, hun eigenschappen, of hun plaatsing. Als we er bijvoorbeeld in zouden slagen om windturbines 10 keer dichter op elkaar te plaatsen ten gevolge van een revolutionair design, dan besparen we weliswaar veel plaats, maar we zullen daardoor niet meer windenergie uit de atmosfeer kunnen halen - zoals in dit persbericht verkeerdelijk wordt geconcludeerd.

Wat is dan het globale potentieel van windenergie?

Een berekening van het maximale global potentieel van windenergie moet dus "top-down" worden uitgevoerd, vertrekkende vanuit de beschikbare windenergie in de atmosfeer, en niet "bottom-up", vertrekkende van de capaciteit van individuele windturbines. Een team wetenschappers van de Universiteit van Valladolid in Spanje nam de handschoen op en voerde een eerste berekening uit volgens de nieuwe methode. Dat onderzoek, "Global wind power potential: physical and technological limits" (kostprijs 20 dollar - hier een samenvatting), verscheen eind juni in het vaktijdschrift "Energy Policy".

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Het aantal turbines, hun eigenschappen en hun plaatsing heeft geen enkele invloed op het potentieel van windenergie

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Een belangrijke vraag bij de top-down benadering is natuurlijk hoeveel kinetisch vermogen aan wind er globaal in de atmosfeer aanwezig is. De Duitse wetenschappers uit het vorige onderzoek schuiven het cijfer van 900 TW naar voren, terwijl de Spaanse onderzoekers uit deze studie stellen dat de schattingen uiteen lopen van 340 tot 3600 TW. Als uitgangspunt nemen ze de tussenliggende waarde van 1200 TW. Zoals we zullen zien, maakt het precieze cijfer niet zo heel veel uit, omdat al deze waarden zich binnen één orde van grootte bevinden.

Van 900 TW naar 20 TW

Van die 900 TW is slechts een klein deel beschikbaar op een hoogte van minder dan 200 meter: 100 TW stellen de onderzoekers, wat min of meer overeenkomt met de waarden uit de optimistische studies. Maar deze 100 TW houdt nog geen rekening met het feit dat lang niet elke plaats op aarde geschikt is om er een windturbine neer te poten, bijvoorbeeld omdat het om bebouwde oppervlakte of scheepvaartroutes gaat, omdat het water te diep is, of omdat de weersomstandigheden te extreem zijn. Volgens de auteurs blijft er slechts 20 TW over als die factor in rekening wordt gebracht (de diepzee neemt nu eenmaal het grootste deel van de aarde in).

Van 20 TW naar 2,25 TW

Daarbij komt dat een windturbine niet alle wind opvangt - slechts 30 procent van de kinetische energie interageert met de wieken van de turbines, schrijven de onderzoekers, zodat het potentieel zakt naar 6 TW. Vervolgens kan niet alle wind worden benut omdat het niet op alle plaatsen voldoende waait om de plaatsing van een windturbine rendabel te maken. Gebieden met relatief weinig wind dus.

Allemaal samen vertegenwoordigen die gebieden natuurlijk wel een aanzienlijke hoeveelheid verloren windenergie. Resultaat: het potentieel daalt van 6 naar 3 TW. Daarbij komt dat windturbines niet functioneren bij alle windsnelheden. Onder een bepaalde snelheid leveren ze niets, en boven een bepaalde windsnelheid moeten ze worden stilgelegd. Het potentieel daalt daarmee, zelfs rekening houdend met toekomstige technologische verbeteringen, naar 2,25 TW.

Van 2,25 TW naar 1 TW

Tot slot is een windturbine niet 100 procent efficiënt in het omzetten van kinetische energie in elektriciteit. Uitgaande van een verdubbeling van de efficentie tegenover de huidige generatie windturbines, komen de onderzoekers zo aan een eindwaarde van 1,12 TW, of 6 procent van het wereldwijde energieverbruik. Dat is ongeveer 100 keer minder dan het potentieel dat tot nu toe als haalbaar werd beschouwd, en "slechts" 22 keer meer dan de totale capaciteit die nu staat opgesteld. Als de huidige groei van de sector zich verderzet, bereiken we de limiet in minder dan 15 jaar.

Oppassen voor foute conclusies

Als het uitgangspunt van de Spaanse onderzoekers fout zou blijken te zijn, en de totale instroom aan kinetische energie zou overeenkomen met de maximale schatting van 3600 TW, verandert dat relatief weinig aan het resultaat. Windenergie voor elektriciteitsproductie zou dan maximaal 4 TW in plaats van 1 TW kunnen leveren, nog altijd 25 keer minder dan wat nu wordt vooropgesteld. Al zijn er natuurlijk ook nog bijkomende fouten mogelijk in de berekening - de onderzoekers beklemtonen meermaals dat het om een verkennende studie gaat en dat er meer onderzoek nodig is. Maar het lijkt er in elk geval op dat het potentieel van windenergie momenteel veel te rooskleurig wordt ingeschat.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Nucleaire energie en "schone" fossiele brandstoffen botsen tegen gelijkaardige grenzen aan als ze worden opgeschaald

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Uiteraard zullen voorstanders van nucleaire energie en "schone" fossiele brandstoffen dit onderzoek aangrijpen om hun gelijk te onderstrepen. Maar dat is ongepast. Ten eerste botsen deze energiebronnen tegen gelijkaardige grenzen aan als ze worden opgeschaald - bijvoorbeeld omwille van een tekort aan beschikbare brandstoffen voor nucleaire centrales, of een tekort aan ondergrondse ruimten voor CO2-opslag. Ten tweede betekenen de naar beneden bijgestelde maximale waarden voor het potentieel van windenergie niet dat de capaciteit van hernieuwbare energie te klein is om serieus te nemen.

Zo komt een (effectief) vermogen van 1 TW overeen met 8.760 TWh, ongeveer de helft van het wereldwijde elektriciteitsverbruik (17.100 TWh). Dat is niet niks, en het zou al over 15 jaar realiteit kunnen zijn. Als de kinetische energie in de atmosfeer het dubbele bedraagt van de schatting die de Spaanse onderzoekers hanteren, zouden windturbines tegen die tijd zelfs het volledige (huidige) elektriciteitsverbruik kunnen dekken. Daarbij komt uiteraard het enorme potentieel van energiebesparing. Zoals al vaak vermeld, vormt geen enkele energiebron een oplossing als we niet tegelijk ons energieverbruik terugschroeven. Windenergie zou ook rechtstreeks kunnen worden omgezet in mechanische energie voor het aandrijven van bepaalde industriële processen, wat efficiënter is dan een omweg te maken via elektriciteit.

Zonne-energie

Tot slot is deze herberekening enkel van toepassing op windenergie. Hoewel een soortgelijke correctie ook kan worden uitgevoerd voor energie uit oceaanstromingen en golfslag, is dat niet zo voor de "moeder" van alle hernieuwbare energiebronnen: de zon. Het is de zon die met haar input van 122.000 TW de luchtlagen in de beweging brengt. Zonne-energie kent geen soortgelijke beperkingen: de energie die door één zonnepaneel wordt opgevangen, heeft geen negatieve invloed op de energie die het tweede zonnepaneel ontvangt. Bovendien kan de zon ook rechtstreeks thermische energie leveren, terwijl windturbines dat niet kunnen.

Kris De Decker

De tekeningen zijn van NASA en louter illustratief.

Verwante artikels: