Woestijnen: duurzame energiecentrales en onuitputtelijke drinkwaterbedrijven voor de hele wereld

Global Conference on Renewable Energy Approaches for DEsert Regions [GCREADER]  Le Royal Hotel Amman, Jordan, 18­22 September 2006  

Woestijnen: duurzame energiecentrales en onuitputtelijke  drinkwaterbedrijven voor de hele wereld   Gerhard Knies  Trans­Mediterranean Renewable Energy Cooperation  TREC 

gerhard.knies@trec­eumena.org    Samenvatting   De   woestijnen   op   aarde   en   hun   kustlijnen   kunnen   een   oplossing   verschaffen   voor   de  wereldwijde   energie   en   waterproblemen.   De   woestijnen   ontvangen   overdag   grote  hoeveelheden energie van buiten de aarde en zij zenden deze energie dag en nacht terug de  ruimte   in   als   warmtestraling.   De   zon   straalt   ongeveer   1000   maal   zoveel   energie   naar   de  woestijnen op aarde als de mensheid gebruikt. Elke vierkante kilometer woestijn ontvangt  jaarlijks een hoeveelheid energie, gelijk aan 1,5 miljoen vaten olie. De hoeveelheid energie die  jaarlijks   wereldwijd   wordt   verbruikt   bereikt   de   woestijnen   op   aarde   gedurende   5,7   uur  zonneschijn. We hebben de technologie om minstens 50% hiervan om te zetten in bruikbare  energie,   zoals  hitte voor  stroomproductie, voor  krachtcentrales en voor  zeewaterontzilting.  Thermische   zonnecentrales   en   zoetwaterbedrijven   in   woestijnen   kunnen   in   elke   denkbare  vraag van de mensheid  naar schone energie en zoet water voorzien, als landen met veel zon  gaan samenwerken met landen waar technologie voorhanden is. Sunbelt en technologybelt  kunnen de energie, water en klimaatproblemen op aarde oplossen en kunnen de mensheid  weer in evenwicht brengen met Moeder Aarde, als ze gaan samenwerken alsof er geen grenzen  bestaan.  

1. De wereld energie problematiek

De discussies over de zekerstelling van energieverschaffing, over fossiele brandstof  reserves en over uitstoot van broeikasgassen nemen toe. Aanvaardbare oplossingen voor het  energieprobleem lijken moeilijk te bereiken of zelfs onmogelijk. De klimaatverandering stelt  onze beschaving en de primaire leefomstandigheden ter discussie. De Club van Rome heeft er  reeds in 1972 op gewezen dat de ontwikkeling van de mensheid de grenzen van de groei aan  het bereiken is. Zulke grenzen zouden op twee (of zelfs meer) manieren bereikt worden: Door  uitputting   van   hulpbronnen   en   door   vervuiling   van   het   milieu   op   een   schaal   die   het  herstelvermogen   overstijgt.   Uitputting   van   hulpbronnen   zal   diegenen   treffen   die   de  overexploitatie veroorzaken. Tekorten zullen reacties uitlokken om de problemen het hoofd te  bieden. De gevolgen van vervuiling zullen echter pas met een grote vertraging in tijd merkbaar  zijn, met gevolg dat we er te lang mee door gaan waardoor onherstelbare schade ontstaat en  het milieu niet langer in staat is het systeem in stand te houden (overshoot.) Het gevolg kan  een ineenstorting zijn van de systemen die het leven mogelijk maken. Herstel is wellicht niet  mogelijk. Om “overshoot” te voorkomen zijn preventieve maatregels nodig in plaats van actie  achteraf. Er is geen wereldomvattend orgaan dat verantwoordelijk is voor, of belast met de  ecologische veiligheid op aarde.

De problemen van uitputting en “overshoot” staan hoog op de agenda van de energiesector:  ­De uitputting van de ene bron van energie kan de introductie van alternatieven tot gevolg  hebben.  ­Klimaatverandering draagt in zich het gevaar van een dermate snelle verandering van de  leefomstandigheden, dat ontwikkelde natuurlijke en sociale systemen niet in staat zijn zich aan  te passen. Kan   zonne­energie   uit   de   woestijnen   een   oplossing   worden   voor   allebei   de   problemen.  Hiervoor moeten we drie vragen beantwoorden: 1. Is er genoeg   zonne­energie in de woestijnen om uitputting van hulpbronnen te  voorkomen en om terug te keren naar de toestand van een evenwichtig klimaat? 2. Kan zonne­energie uit de woestijnen stroom leveren op het moment dat er vraag  naar is? 3. Kan   de   energie   van   de   woestijnen   getransporteerd   worden   naar   gebieden   waar  voldoende vraag is. Zonne­energie is een buitenaards alternatief voor de beperkte bronnen op deze planeet. Ze  draagt niet bij aan de uitputting van aardse hulpbronnen noch aan vervuiling van het milieu op  aarde. Zonne­energie komt overdag uit de ruimte als zonlicht en keert dag en nacht terug als  warmtestraling – of we het gebruiken of niet. Waar zonlicht de drijvende kracht is voor al het  leven op aarde, is het milieu hier in natuurlijk evenwicht met zonnestraling.

2. De mogelijkheden van zonne­energie in de woestijnen. Zonnestraling   kan   worden   omgezet   in   bruikbare   energie     en   verschaft   zo   de  energiediensten, zoals elektriciteit, mobiliteit en warmte, waarvoor nu fossiele brandstoffen  worden gebruikt. De vraag is echter of er genoeg zonne­energie beschikbaar en toegankelijk  is. De   meest   effectieve   plaatsen   om   zonne­energie   te   verzamelen   zijn   de   woestijnen.   Het  potentieel aan zonne­energie in woestijnen kan worden geschat aan de hand van de grootte van  woestijnen en van de gemiddelde energie die zij jaarlijks ontvangen van de zon. Omdat er  verschil van mening is over de definitie van de afmeting van woestijnen hebben de volgende  bedragen een foutmarge van 10%. Maar omdat het aanbod van zonne­energie veel groter is  dan de vraag is een grotere nauwkeurigheid niet nodig.

Tabel 1: Jaarlijks zonne­energie potentieel van de woestijnen op aarde Woestijngrootte  volgens UNEP 33 miljoen km2

Gemiddelde jaarlijkse  energieopbrengst per  vierkante meter 2,4 MWh (thermisch),  gelijk aan ­0,3 ton steenkool ­0,24 m3 olie, of een laag  van 24cm. diepte ­1,5 vat olie

Totale jaarlijkse energieontvangst in  woestijnen 80 miljoen TWh 10.000 miljard (giga) ton steenkool 50.000 miljard vaten olie 300.000 Exajoules

3. Het probleem van de uitputting van fossiele hulpbronnen De stijgende olieprijzen tonen aan dat de uitputting van olie reeds zichtbaar wordt. Ook de  reserves aan aardgas, steenkool en producten voor kernsplitsing zijn begrensd. Fig.1  /BGR  2005/  toont   de   nu   bekende   (bewezen)   reserves,   de   huidige   productie­consumptie   en   de  vermoedde reserves aan fossiele hulpbronnen gebaseerd op geologische overwegingen. Bij  vergelijking met  de mogelijkheden van zonne­energie ( tab.1) springen twee resultaten in het  oog ( tab.2). 1. De totale nu bekende reserves van fossiele energie komen overeen met slechts 47  dagen zonne­energie in de woestijnen. 2. De wereldwijde consumptie van fossiele energie in 2004 van 13,1 Gtoe (= 380EJ)  komt overeen met ½ dag (5,7 uren) zonneschijn in de woestijnen.   

  Figuur 1:Productie, reserves en bronnen van de afzonderlijke niet-duurzame brandstoffen in 2004, in Gigaton steenkool equivalent: 1Gtce = 29EJ = 8,140 TWhthermisch.

Tabel 2: Fossiele reserves, hulpbronnen, productieniveaus, uitputtingstijd en levertijd bij zonne­energie

Fossiele energiebron

Totaal Olie (conventioneel) Olie (non­conv.) Aadgas  (conv.) Aardgas (non­conv.) steenkool en bruinkool Uranium, Thorium

Overeenkomstige zonnelevertijd in Statische woestijnen Productie uitputtings­ Bewezen reserve niveau tijd Bew. reserve Jaarlijkse  (Vermoedde res) (Reserve/P) (vermoedde res.) productie in uren in jaren In dagen 1279  (6224) 13,1 98 47  (227) 5,7 233    (118) 5,5 42 8,5  (4,3) 2,4 96      (361) 196    (230) 3,0 65 1,3 2        (1687) 697   (3541) 4,1 170 1,8 56     (293) 0,5 101 0,2

Daar   10%   van   de   zonne­energie   kan   worden   omgezet   in   “bruikbare”   energie   zoals  elektriciteit, kunnen we vaststellen dat de huidige totale jaarlijkse vraag naar energie op aarde  in woestijnen kan worden opgewekt binnen 5 dagen. Dit werpt de vraag op: Waar ligt het  probleem van de energiebronnen? De bedragen in Tabel 2 voor  productie/consumptie van  energie   zullen  stijgen   met   het   groeien   van   de   bevolking.  In   fig.  2   tonen  we   het   scenario  “Exemplarische   Pfad”   zoals   aangeboden   door   de  Wissenschaftlicher   Beirat   der  Bundesregierung Globale Umweltveränderungen, WBGU, dat uitgaat van een stijging van  de wereldwijde primaire energievraag met een factor 4 tot 1600 EJ of 55Gtce, over de periode  2000 tot 2100. Dit is 0,55 % van de zonne­energie die de woestijnen bereikt. Nogmaals: Wat is  het probleem van uitputting?

Figuur 2: Ontwikkeling van de  wereldwijde primaire  vraag naar energie  volgens het scenario  “Exemplarische Pfad”  van de de  wetenschappelijke  adviescommissie  (WBGU) van de Duitse  regering

 

Wanneer uitputting van fossiel hulpbronnen dreigt, zou het geen probleem moeten zijn om  tekorten aan te vullen met zonne­energie in woestijnen. Dit is zelfs mogelijk als de huidige  energievraag   zou   stijgen   met   een   factor   10,   vooropgesteld   dat   de   technologie   om   zonne­ energie te winnen aanwezig is en geïnstalleerd is voor het tot uitputting komt. We kunnen dus met zekerheid stellen: Woestijnen kunnen energie leveren voor elke denkbare vraag van de mensheid.

4. Het probleem van vervuiling door fossiele brandstof – klimaat verandering Het andere probleem van het gebruik van fossiele energiebronnen is de toenemende vervuiling  van   de   atmosfeer.   Dit   is   onderdeel   van   een   algemener   probleem   van   de   groeiende  wereldbevolking: Het overstijgt het draagvermogen van het ecosysteem Aarde op verscheidene  manieren. Vandaar dat de Club van Rome in zijn 30 jarige herziening van 2004, van het  rapport   “Grenzen   aan   de   Groei”   wijst   op   het  overshoot   probleem.  Om   de   “Ecologische  Consumptie   op   Aarde”   te   kwantificeren   is   de   menselijke   voetafdruk,   “human   footprint”,  gedefinieerd   /Wackernagel.../. De ontwikkeling hiervan wordt getoond in Fig. 3.

De menselijke ecologische voetafdruk is een middel voor het beheersen van hulpbronnen dat  meet hoeveel oppervlakte land en water een bevolking nodig heeft om de hulpbronnen te  produceren   en   zijn   afval   te   absorberen   met   de   nu   beschikbare   technologie.   De   totale  menselijke voetafdruk volgt uit de gemiddelde individuele footprint die verkregen wordt uit  het consumptiepatroon en het totale bevolkingscijfer: Human Footprint = HF = ( individuele human footprint) maal ( wereldbevolking) Figuur 3. Het verband tussen de  de wereldvraag en de wereld­ biocapaciteit  per jaar, en hoe dit  verband in de tijd is veranderd.  Uitgedrukt in “number of planets”.  De biocapaciteit van de aarde is  steeds 1 ( de horizontale blauwe  lijn).

De mate waarin van de menselijke voetafdruk de ecologische capaciteit van de aarde ( EEC)  overstijgt wordt getoond in fig. 3. Hij laat zien hoe het netto gebruik van de biocapaciteit van  deze planeet is gestegen van de helft van de capaciteit in 1961 tot 1,2 maal de capaciteit in  2002. De belangrijke boodschap is dat HF de EEC heeft overstegen rond 1980 en nu ongeveer  25%   hoger   is.   Dit   zal   leiden   tot   aantasting   en   uiteindelijk   ineenstorting   van   natuurlijke  systemen. Het reeds zichtbare begin van een klimaatverandering zegt ons dat het overshoot concept niet  slechts theorie is. Klimaatverandering  is een werkelijkheid met gevaarlijke implicaties omdat  het de wereld biocapaciteit zal verkleinen. Het klimaat is de belangrijkste factor die natuurlijke  leefomstandigheden   mogelijk   maakt.   Klimaatverandering   zal   ons   “tehuis”   op   aarde  veranderen   of   vernietigen.   Snelle   klimaatverandering   zal   ons   “dakloos”   kunnen   maken.  Potentiële gevolgen van een ineenstorting zijn het grootschalige smelten van ijskappen aan de  polen   en   een eind aan de Golfstroom  circulatie in de  Noord­Atlantische Oceaan. Om het  evenwicht van de natuurlijke leefomstandigheden te herstellen moet de  overshoot  ongedaan  worden gemaakt. Hiertoe moet de footprint worden gereduceerd met tenminste 25%, terwijl  de wereldbevolking blijft groeien. Figuur 4. laat de diverse onderdelen van de menselijke footprint zien als hectaren gemiddelde  bioproductiviteit die elk persoon vraagt. Die bedraagt 2,2 hectaren;  1,2 hectaren voor fossiele  energie, waarvan weer 89% nodig is voor het absorberen van CO2, 7% voor kernenergie en  4% voor productie van hout als brandstof.

Figuur 4: Aantal hectaren, nodig voor de  verschillende bestanddelen van de  gemiddelde Ecologische Footprint per  persoon. 

Tabel 3: Hoe kunnen wij bijdragen aan een reductie van de human footprint Oppervlak in  gebruik als:

Beschikbaar voor HF reductie

Reden

1

Landbouw

Nee

Bevolkingsgroei

2

Veeteelt

Nee

Bevolkingsgroei

3

Visserij

Nee

Bevolkingsgroei

4

Bosbouw

Nee

Ontbossing

5

Hout als brandstof ?

6

Kernenergie

Ja

7

CO2 absorptie

Ja

8

Bewoond gebied

Nee

Vervangen door buitenaardse bron: Zonne­energie uit woestijnen Vervangen door buitenaardse bron: Zonne­energie uit woestijnen Bevolkingsgroei

De fossiele energieën, brandstof en kernenergie, zijn voor meer dan 50% verantwoordelijk  voor de ecologische footprint. Kernenergie draagt voor 7% bij aan de energie footprint, maar  volgens fig.1 voor slechts 3,8% aan de primaire energie.  Vandaar dat  het vervangen van  fossiele energie door kernenergie geen reductie oplevert van de ecologische footprint. De vraag naar voedsel (items 1­3 in Tabel 3) en naar gebouwen (item 4,8) kan per persoon  niet veel verlaagd worden. Hout als brandstof maakt een te klein deel uit voor het verlagen van  de   footprint   en   kan   ook   niet   eenvoudig   vervangen   worden.   Veruit   de   grootste   en   snelst  groeiende bijdrage aan het verbruik van de capaciteit op aarde wordt veroorzaakt door de  sector fossiele energie (6,7). De noodzakelijke reductie van de totale footprint met (tenminste)  25% zou bereikt kunnen worden met een 50% reductie van de energie footprint. In tegenstelling tot fossiele brandstoffen, die door delven  aan de aarde worden onttrokken en  na verbranding worden gedumpt in de biosfeer als langdurige vervuilers, CO2 in de atmosfeer  en radioactief afval in vele opslagplaatsen, draagt zonne­energie niet bij aan de menselijke  ecologische footprint, aangezien zonnestraling de aarde sowieso bereikt. Zijn “restjes” in de  vorm   van   immateriële   warmte   zullen   precies   hetzelfde   zijn   als   die   van   de   anders 

“ongebruikte”   zonne­energie.   Dit   is   waar   het   bij   ecologie   om   draait:  Het   gebruik   en   de  opslag   van   zonne­energie   en   zonnestroom   hebben   geen   invloed   op   de   wereld  energiebalans. Als 50% van het huidige gebruik van fossiele brandstof aanvaardbaar is voor de footprint,  volgt uit de gegevens van fig. 1 dat het gebruik van fossiele brandstof   zou moeten worden  gereduceerd tot een hoeveelheid van ten hoogste 6 gigaton per jaar aan steenkool equivalent,  wat overeenkomt met  ongeveer 12 gigaton CO2. Dezelfde grens is opgemaakt uit overwegingen van klimaatbehoud: om bv. de grens aan de  gemiddelde temperatuurstijging te stellen op 2 graden (Kelvin) en om de CO2 concentratie in  de atmosfeer onder 450 ppm te houden, moet de CO2 uitstoot in de atmosfeer worden beperkt  tot 13 gigaton per jaar /WBGU/, wat overeenkomt met 6,5 Gtce fossiele energie per jaar. Dit  houdt in dat van de te verwachten totale consumptie van 55 Gtce in 2100 ongeveer 50 Gtce  zou moeten komen uit schone duurzame bronnen. Dit is geen probleem gezien de 10.000 Gtce  aan zonne­energie die naar de woestijnen worden gestraald. Het enige probleem zou kunnen  ontstaan uit een tekort aan materialen voor de constructie van geschikte woestijntechnologie.

5. Technologie voor woestijnen als duurzame energiecentrale Een simpele manier om zonne­energie in de woestijnen om te zetten in bruikbare energie voor  de   wereld   is   door   het   opwekken   van   elektriciteit   die   direct   kan   worden   verzonden   over  duizenden kilometers naar de gebieden waar de vraag groot is. Om aan de vraag van het  moment te kunnen voldoen moet elektriciteit worden geleverd als er vraag is, om kostbare  inspanningen voor energieopslag te vermijden. Extreme schommelingen in de vraag kunnen  worden gladgestreken door management aan de vraagkant waardoor in enige mate vraag en  aanbod   kunnen   worden   gecoördineerd.   Anderzijds   zou   de   mogelijkheid   van   vraaggerichte  productie toestaan de productie aan te passen aan de vraag. De technologie van zonthermische  centrales biedt hiervoor de beste mogelijkheden. Hiertoe moet zonlicht worden geconcentreerd  om hitte te produceren van voldoende hoogte (meer dan 300 graden Celsius), die vervolgens  wordt  gebruikt om stoom te creëren om stoomturbines aan te drijven. De zonnecollectors  moeten het zonlicht daarom concentreren met een factor 40 of meer. De bundeling kan in 1  richting (parabolische trogspiegels, Fresnel installaties) of tweedimensionaal ( zonnetorens,  zonneschotels). Figuur 5. Parabolische  trogspiegel   bij  Kramer   Junction,  Californië, VS.

Voor deze zg. Concentrated Solar Power (CSP) technologie zijn locaties nodig met een flinke  portie direct zonlicht en beschikbaar ongebruikt land voor reeksen collectors. Zulke locaties  zijn ruim voorhanden in de woestijnen. Onder de stralingscondities die gelden in Noord Afrika  en het Arabisch schiereiland kunnen CSP centrales op een locatie van 1 km2 ongeveer 0.25  TWh/jaar opwekken. Natuurlijk wordt het inzetten van collectors in woestijnen beperkt door  zandduinen en ook door berghellingen. Hun locaties zijn echter wel bekend.

Energieopslag Energieopslag   van   dag   naar   nacht   zou   zonne­energie  24   uur   beschikbaar   maken.  Dit   kan  mogelijk worden dmv. warmte opslag, in vloeibaar zout of in grote blokken beton. Overdag  leveren extra collectors stoom voor deze opslaginstallaties en verhitten ze tot 400­500 graden  Celsius.   ’s   Nachts   wordt   stoom   opgewekt   in   de   hete   opslag.   Dit   maakt   overdag   ook  stroomproductie naar vraag mogelijk.  Als er meer zonnestoom is opgewekt dan nodig wordt  de overtollige stoom de opslag in gevoerd, en als er minder is wordt energie uit de opslag  gebruikt om extra stoom op te wekken.

Hybride bedrijfsvoering Als   er   verscheidene   dagen   of   zelfs   weken   geen   zon   is   kan   de   centrale   doordraaien   door  fossiele branders te gebruiken om stoom op te wekken. Zo heeft  een CSP centrale niet ergens  anders een   fossiele reservecentrale nodig. De extra’s van warmteopslag en hybride werking  zorgen dat CSP centrales altijd voldoende kunnen leveren.

Zeewater ontzilting door warmtekracht

Er is een bijzonder interessante mogelijkheid om gebruik te maken van “afval” warmte van de  koeling van de thermische centrale voor ontzilting. Als centrales zich in de buurt van de kust  bevinden kan de koeling van de stoomturbines geschieden mbv. zeewater, waarbij verdamping  ontzilte waterdamp oplevert. In warmtekracht multi­effect distillation ( MED) installaties kan  de   afvalwarmte   dienen   voor   ontzilting   op   een   bijzonder   efficiënte   manier.   De   MED  ontziltinginstallatie vervangt de condensor van de centrale. Met de afvalwarmte van 1 kWh  elektrische stroom kan 40 liter zoet water worden geproduceerd.

6. De prijs van “zonne brandstof” De prijs van “zonnestoom” voor centrales van parabolische trogcollectors is het bedrag  waar   alles   om   draait   bij   de   concurrentie   met   fossiele   brandstof.   Ze   hangt   af   van   diverse  factoren als kapitaalkosten, jaarlijkse hoeveelheid zonnestraling en de prijs per vierkante meter  collector. De laatste zal dalen in de nabije toekomst met het groeien van de productievolumes  van   dit   soort   collectors   en   zal   de   prijs   van   zonnestoom   omlaag   brengen.   De   verwachte  kostenreductie wordt getoond in fig. 6. Reeds nu kan “zonnebrandstof” concurreren met olie  van 50$ per vat, of elke andere fossiele brandstof van 3,2 $cent per kWh­thermisch. In het jaar 2025, wanneer rond 400 km2 geïnstalleerd kan zijn, zal zonnestroom naar  verwachting 1,3 $cent/kWh­therm. kosten. Aangezien de fysieke levensduur van de collector 40 jaar kan zijn, zal de zonnestoom na 20  jaar minder dan 0,5 $cent/kWh­therm. Daar er aan geen van de materialen, die nodig zijn voor  de   bouw   van   collectors   schaarste   is,   voornamelijk   glas   en   staal,   zal   zo’n   uitbreiding   van 

collectors   mogelijk   zijn   zonder   de   prijs   van   glas   en   staal   op   te   drijven   of   tekorten   te  veroorzaken. Voor zonne­energie van CSP kunnen we derhalve voortdurend dalende kosten  verwachten en onbegrensde uitbreiding. Figuur 6: Prijs van het 

equivalent van 1vat olie  (1580 kWh­therm) aan  zonne­energie van een  parabolische trogcollector,  op een locatie met 2500  kWh/m2/jaar direct  zonlicht. Centrale wordt  afgeschreven in 20 jaar en  de discontovoet bedraagt  5%/jaar. De kromme toont  de verwachte prijs van  zonnestoom bij vergroting  van de capaciteit zoals te  zien in het histogram.

De kosten van het transporteren van stroom van MENA naar Europa zijn niet schrikbarend  hoog. Ze worden hieronder behandeld (Tab. 5 en Fig. 12). De grotere zonnestraling in Noord  Afrika compenseert ruimschoots de transportkosten en verliezen.

1. Woestijnen als duurzame centrales

De   diverse   duurzame   energiebronnen   die   voorhanden   zijn,   als   aangegeven   in   fig.7   zijn  beoordeeld op hun economisch potentieel in de studies MED­CSP en TRANS­CSP. Een   technisch   RE   (renewable)   potentieel,   dat   met   een   bepaalde   technologie   kan   worden  gewonnen,  wordt als economisch haalbaar  beschouwd als de productiekosten voor 1 kWh  kunnen dalen tot 5 cent in 2050 ( we gaan ervan uit dat 1 $cent = 1 €cent), en als het voordelig  in een distributie systeem kan worden ingepast. Het blijkt dat juist het economisch potentieel van zonnestroom uit CSP een factor 1000 groter  is   dan   enig   ander   economisch   potentieel   voor   duurzame   energie.   In   fig.   8   worden   deze  potentiëlen vergeleken met vraag naar stroom in Europa en MENA zoals die was in 2000 en  de te verwachten vraag in 2050. 

Fig. 7: De 50 landen in  Europa, het Midden­ Oosten en Noord Afrika  die zijn geanalyseerd in de  MED­CSP en TRANS­ CSP studies. 

Tabel 4. Economische duurzame energiebronnen in Europa en MENA, in TWh/jaar Duurzame hulpbron

Waterkracht

Geothermisc h

Jaarlijkse  MENA capaciteit  Europa TWh EUMENA

300

380

170

630.500

290

190

0

790 1090

370 750

720 890

1.450 632.000

1.450 1.700

140 330

140 140

biomassa

CSP

Wind

PV

Golf/Getijde

Figuur 8: Duurzame  economische potentiëlen  uit tabel 4, en de vraag in  Europa en MENA. De  linker staaf voor RE  potentiëlen is afgebroken  omdat hij 40 maal hoger  zou zijn dan het histogram.  Voor meer details zie:  www.dlr.de/tt/med­csp   www.dlr.de/tt/trans­csp

 

(Bedarf = vraag)

    Het resultaat is dat de potentiëlen van wind, biomassa, golf/getij, geothermisch en waterkracht  elk kleiner zijn dan de vraag terwijl het potentieel van CSP ongeveer 100 maal groter is. Hier  zal investeren in de verbetering van CSP technologie het meeste opleveren. Het verwachte  wereldwijde   stroomverbruik   van   ong.   35.000   TWh/jaar   in   2050   is   slechts   6   %,   en   de   te  verwachten 8000 TWh/jaar in EU­MENA slechts 1,3 % van het economisch CSP potentieel in  MENA.

Deze mooie feiten maken CSP een bijzonder aantrekkelijke technologie: 1. Ze kan gegarandeerd stroom leveren tegen een lage prijs en zonder vervuiling. 2. Ze zal nooit op een grens aan hulpbronnen stuiten – nog van zonnestraling, nog van  vestigingslocaties nog van materialen (staal, glas) voor de constructie van collectors.  Opslagcapaciteit voor afval is niet nodig. Elke technische verbetering zal “voor altijd”  van nut blijven. 3. Door middel van HVDC transport kunnen de sunbelts van het Noordelijk en Zuidelijk  Halfrond stroom leveren aan meer dan 90% van de wereldbevolking.

8. Woestijnen als onuitputtelijke zoetwaterbedrijven Zoals   eerder  aangestipt,  kan  de   stroomproductie   worden  gecombineerd  met  ontzilting  van  water, volgens het “warmtekracht” principe door overtollige warmte in te zetten als energie  voor   thermische   ontzilting   en   door   stroom   te   gebruiken   voor   “reverse   osmosis”(RO)  ontzilting. 40   kWh­therm.   aan   warmte,   die   vrij   komt   bij   de   productie   van   25   kWh   elektriciteit,   is  voldoende  voor  het ontzilten van 1 m3 zeewater  met de Multi Effect Distallation (MED)  methode. Daarnaast kan met 4 kWh elektrische stroom 1 m3 zeewater worden ontzilt met de  RO methode. De RO methode verdient de voorkeur voor water met een laag zoutgehalte. Bij  een hogere saliniteit en hogere watertemperatuur zoals in de Perzische Golf en de Rode Zee is  de MED methode meer geschikt. Het resterende zoutgehalte is minder dan 30 ppm bij MED  en   200   tot   500   ppm   bij   RO.  Met   deze  uitontwikkelde   ontzilting   methodes   kan  zoetwater  worden geproduceerd voor elke zoutwatertoestand, en voor elke toepassing, van drinkwater tot  irrigatie   met   hun   verschillende   eisen   wat   betreft   restsaliniteit.   Ontziltingscapaciteit   van  miljarden   m3/jaar   zijn   mogelijk.   Hierdoor   wordt   waterproductie   mogelijk   voor   miljoenen  mensen, tegen een prijs van rond de 1 $/m3. Ontziltingsbedrijven moeten zich in de redelijke  nabijheid van de kust bevinden. In het geval van MED ontzilting volgens het warmtekracht  principe moeten ook de centrales zich daar bevinden. Door de sterk groeiende bevolking, van 370 miljoen in 2000 tot naar verwachting 740 miljoen  in 2050, zal de vraag naar water in MENA aanzienlijk toenemen. Waterconsumptie is nu al  boven een in stand te houden (aan te vullen) niveau. In niet­duurzame levering wordt voorzien  door   het   pompen   uit   grondlagen,   grondwater   en   fossiele   hulpbronnen.   Pompen   in  kustgebieden heeft het gevaar van verlagen van de grondwaterspiegel tot beneden het nabije  zeeniveau   waardoor  het   zeewater  gaat  binnendringen  en  het   grondwater  bederft.  Dit  is   al  waargenomen   in   diverse   kustgebieden   van   het   Arabische   schiereiland   en   met   name   bij  Gazastad. De groeiende noodzaak van ontzilting is gigantisch in de MENA­landen. Fig. 9a laat zien wat  we tot 2050 kunnen verwachten: Het vraagoverschot boven de in stand te houden (aan te  vullen) levering zal stijgen van 40 miljard m3/jaar naar rond 170 miljard m3/jaar. De groei van 

duurzame aanvoer tot 2050 in fig. 7a wordt veroorzaakt door het efficiënt gebruik van water te  verbeteren. Door verminderde beschikbaarheid van fossiele brandstof voor ontzilting en door  daling van de huidige waterproductie uit fossiele watervoorraden (zoals in de Sana’a regio)  kan  de  niet­duurzame  levering niet  doorgaan tot 2050. Hiervoor  is nodig dat 170 miljard  m3/jaar, dit is de aanvoer van 3 maal de Nijl, wordt ontzilt door zonne­energie of andere  duurzame  energie, tenzij  andere duurzame bronnen van water  beschikbaar  worden, of  het  gebruik van water voor de landbouw ( zie fig. 9b) aanzienlijk wordt beperkt. Tot 50% snijden  in de productie van water voor de landbouw zou het ontbrekende water vrijmaken – maar dit  lijkt niet realistisch in een tijd waarin de bevolking verdubbelt. Fig.   9a:  Verwachte   vraag   naar  water   in   de   MENA   landen  volgens   de   MED­CSP   studie.  De   groei   van   de   duurzame  levering wordt veroorzaakt door  groeiend hergebruik van water.

Fig.   9b:  Opsplitsing   van  waterbehoefte   naar   groepen  gebruikers, volgens een scenario  met   grote   technologische  ontwikkeling   en   een   steeds  efficiënter gebruik van water en  hergebruik.  

9. Klimaatbehoud door groene stroom uit de woestijnen Om   de   vervuiling   door   fossiele   brandstoffen   de   stoppen   moeten   de   duurzame   energieën  worden samengevoegd tot een mix die in staat is om stroom te produceren voor de vraag zoals  die zich voordoet op elk moment van de dag. In de TRANS­CSP studie is een scenario voor  de vorming van zo’n mix tot in detail bestudeerd. De resulterende stroomvoorziening van zo’n  zich ontwikkelend mengsel van capaciteit, die kan voldoen aan de te verwachten vraag in Zuid  Europa en MENA tot 2050, is te zien in fig. 10a.

Fig.10b laat de CO2 uitstoot van deze mix zien. Zelfs hoewel de stroomproductie groeit van  1300 tot 4100 TWh/jaar, dwz. meer dan verdriedubbelt, daalt de uitstoot van 750 naar 500 Mt  CO2/jaar, een afname tot 2/3. Dit is een reductie van de “specifieke CO2 uitstoot” door de  stroomsector van 0,58 tot 0,12 kg/kWh. Met de specifieke uitstoot van 0,12 Mt CO2/TWh zou  de   te   verwachten   productie   van   35.000   TWh   in   2050   een   uitstoot   van   4,2   Gt   CO2  veroorzaken. Vergelijk dit met 12 Gt CO2/jaar die wereldwijd moet worden bereikt voor een  klimaat   in   evenwicht   /WBGU2003/.    Zo’n   overgang   brengt   het   doel   van  een  evenwichtig  klimaat reeds binnen handbereik. Verdere vervanging van fossiele door zonnebrandstof kan en  moet worden bereikt na 2050, daar meer zonne­energie nodig zal zijn om brandstof voor het  vervoer te produceren en stroom voor verwarming en productiewarmte. De conclusie is dat we met stroom uit de woestijnen de wereldwijde energieproblemen,  in de vorm van de opdoemende uitputting van fossiele brandstofreserves en van de  reeds lopende klimaatverandering, kunnen elimineren, vooropgesteld dat de politieke  wil er is. De hulpbronnen en de technologieën zijn binnen handbereik. De transitie zou onmiddellijk  kunnen starten. We roepen hiertoe op tot een gecoördineerde EU­MENA wijde inspanning,  met   dezelfde   vastberadenheid   en   hetzelfde   ambitieuze   karakter   waarmee   het   Apollo  ruimteprogramma een man op de maan zette. Figuur 10a: Stroomproductie  in MENA en Zuid Europa ( Cyprus, Turkije, Griekenland,  Malta, Italië, Spanje en  Portugal).

Figuur 10b: CO2 uitstoot in  MENA en Zuid Europa. De  vermeden uitstoot is berekend  voor een elektriciteitmix die  overeenkomt met die van het  jaar 2000 (BAU, business as  usual).

10. Een Apollo WOESTIJN Programma  voor water, energie en klimaatbehoud Er zijn een aantal bedreigingen voor de wereldwijde, internationale, nationale, economische,  ecologische, sociale en individuele veiligheid. Klimaatverandering en ineenstorting van de  energie en watervoorziening zullen bijna alle sectoren van bovengenoemde veiligheid raken en  nog andere bedreigingen laten ontstaan, bijvoorbeeld nieuwe ziekten. Zonder water, energie en  klimaatbehoud kunnen geen van de 10 Millennium Development Goals worden bereikt. Water,  energie en klimaatbehoud (WEC) ligt aan de wortel van ons bestaan. WEC onveiligheid houdt  niet op aan de landsgrens. Het   herstellen   WEC   behoud   en   het   tot   staan   brengen   van   de   overshoot   door   de  menselijke   footprint   van   het   ecologische   draagvermogen   op   aarde   zou   voor   de  mensheid het veiligheidsdoel met de hoogste prioriteit moeten zijn.  Tijdens het Wereld Energie Dialoog op de Industrie Tentoonstelling 2006 te Hannover heeft  Prins Hassan bin Talal van Jordanië, in zijn functie van president van de Club van Rome, een  pleidooi gehouden voor samenwerking tussen de technologielanden en de landen in zonrijke  gebieden om dit doel te bereiken: „Kan de sunbelt samen met de  technology belt  er voor zorgen dat zonne­energie de brandstof   wordt   voor   onze   beschaving   en   de   basis   voor   een   veilig,   betaalbaar   en   verkrijgbaar   energiesysteem?… Meer dan 40 jaar geleden lanceerde President Kennedy het US Apollo Ruimte Programma  om de oude droom, een mens in de ruimte, werkelijkheid te laten worden. Vandaag hebben we een grotere droom, het herstellen van het evenwicht tussen de mens en  zijn Moeder Aarde.  Ik  nodig  u  allen uit uw woestijnen met andere ogen te bekijken:  als een overvloedige en   onuitputtelijke bron van schone energie en zoetwater. Ik daag u uit om technologie ( het werk   van de mens) en de woestijnen ( het werk van God) ten dienste te stellen van de mensheid en  

de natuur. Miljarden mensen, dieren en plantensoorten zouden beter worden van een stabiel   klimaat. Ik daag de Europese industrie uit om actie te ondernemen en deze visie werkelijkheid  te laten worden. Als president van de Club van Rome stel ik voor dat Europa, het Midden  Oosten en Noord Afrika een  EUMENA Apollo Woestijn Programma lanceren,  waarbij de  Club van Rome bereid is de eerste stappen te helpen organiseren”. Zo’n programma zou onmiddellijk van start kunnen gaan. Het omvat technische, financiële en  politieke onderdelen. 

Het technische deel

Het technische deel is uit en te na bestudeerd. Alle nodige stappen zijn mogelijk als EU en  MENA  landen samenwerken alsof  er  geen grenzen. Naast de eerder  genoemde technische  onderdelen is een Trans­Mediterraan Stroom Net (TMPG) nodig zoals geschetst in figuur 11. Deze   TMPG   is   de   infrastructuur   voor   energiezekerheid   voor   EUMENA   en   voor  wereldwijd klimaatbehoud. Figuur 11: schets van  een Trans­Mediterraan  Stroomnet (TMPG) als  infrastructuur voor  duurzaamheid en voor  veilige energie,  gebruikmakend van  Hoogspanning  Gelijkstroom transport  (HVDC), met  stroomverlies van  MENA tot EU minder  dan 15% 1ste stadium  (fase 2 van het voorgestelde Apollo Desert  Programma, zie Tekst), En toekomstige  uitbreiding        

De uitvoering geschiedt in 3 fasen: 1. Inzetten van CSP centrales voor locale levering van stroom en water in MENA landen. 2. Installatie van transport leidingen zoals aangegeven door de doorlopende rode lijnen,  en meer centrales. 3. Uitbreiding van de TMPG naar het Zuiden.

Fase 1 is daadwerkelijk van start gegaan, maar moet zo snel mogelijk worden aangewakkerd  om kosten reductie te bereiken. Als de kosten van collectors worden gereduceerd tot 2/3 van  de huidige prijs, wat binnen 5 jaar  bereikt kan worden, zal een aardverschuiving in gang  worden   gezet.   Zonne­energie   zou   op   een   groeiend   aantal   locaties   goedkoper   worden   dan  fossiele energie. Door de goedkoopste optie te worden zou de conventionele marktwerking een  aardverschuiving   veroorzaken   van   CSP   toepassingen,   daar   de   locale   vraag   naar   nieuwe  capaciteit groot is in MENA landen. Fase 2  is ook al gestart. Er is reeds een onderzeese HVDC   kabel die stroom van fossiele  centrales   in   Spanje   naar   Marokko   brengt.   Er   is   overeenstemming   over   het   inzetten   van  transportlijnen van Algerije naar Spanje. Meer Noord Afrikaanse landen zijn geïnteresseerd in  zulke verbindingen. Een politiek partnerschap tussen EU en MENA landen voor WEC behoud  zou zeer helpen bij het mogelijk maken van planning en installatie van een volwaardig TMPG,  en voor het zekerstellen van de benodigde investeringen. Fase 1 en 2 zijn het onderwerp van 2 CSP studies. Fase 3 is nog niet onderzocht.

Het onderdeel financiën Het  is  oneindig veel goedkoper   en beter   om  een  water  en energie  crisis  in  EUMENA   te  voorkomen  en de klimaatverandering te stoppen, dan ze te laten gebeuren als gevolg van  “business as usual”, of zelfs oorlogen te gaan voeren om oprakende energie en waterbronnen.  Rampen als gevolg van klimaatverandering, militaire uitgaven om de toegang tot olie en gas te  “verzekeren” en uitbreiding van bevoegdheid tot gebruik van kernwapens als uitvloeisel van  kernenergie technologie, brengen kosten mee in de orde van honderden miljarden dollars per  jaar. Met 1% van deze kosten als startgeld zouden de overstelpende “rand”voordelen van het  voorgestelde   Apollo   DESERT   programma   beschikbaar   gemaakt   kunnen   worden.   Om   de  aardverschuiving op gang te brengen moet het hoofdproduct, zonnestroom voor MENA en  voor   transport   naar   Europa,   economisch   kunnen   concurreren   met   plaatselijke   fossiele  productie en met Europese stroomproductie voor de Europese markten. Verwachte kosten voor  geïmporteerde zonnestroom zijn berekend in de TRANS­CSP studie voor een uitbreidings­ scenario in 7 fasen. Tabel 5 laat de resultaten zien voor de betrokken investeringen en het  gemiddelde transport naar Europa, en figuur 12 laat zien hoe over een langere periode de prijs  van geïmporteerde zonnestroom in Spanje en Duitsland zich verhoudt met de prijs van stroom  die wordt opgewekt in nieuwe centrales, gebouwd volgens de huidige mix (paarse lijn) en  volgens de huidige mix maar zonder kerncentrales (blauwe lijn). De rode lijn toont de prijs  van   een   mix   in   overgang   naar   duurzame   productie,   als   aangenomen   in   het   TRANS­CSP  scenario, en de gele lijn toont de prijs van geïmporteerde CSP.   De berekeningen tonen dat  zonnestroom duidelijk goedkoper is dan de Spaanse mix en zelfs de Duitse mix. CSP kan zelfs  de   goedkoopste   optie   worden   voor   grootschalige   stroomlevering   aan   Duitsland   en   ander  Europese landen en kan helpen een eind te maken aan prijsstijgingen van stroom in Europa.  Zonnestroom uit Noord Afrika biedt grote mogelijkheden op de Europese stroommarkten.  Gepaste   financiële   ondersteuning   voor   fase   1   moet   beschikbaar   komen.   Investering   in   de  volgende fases kan men herfinancieren met verkoop van zonnestroom.

Tabel 5: Stroomproductie en transportcapaciteit voor levering van zonnestroom in Europa  fase Jaar Capaciteit, GW Overdracht, TWh/jaar Omzet, G€/jaar Opp. Km, collectors Stroomnet  Investering, CSP TMPG (G€) Prijs Stroom €cent/kWh Transport

1 2020 1 5 0,3 5 * 5 0 5 0 5,5

2 2025 10 65 4 16 * 16 3120 * 0.1 40 3 5,1 1,4

3 2030 20 130 8 25 * 25 3110 * 0.1 75 8 4,9 1,8

4 2035

5 2040

30 195 12 30 * 30 4480 * 0.1 115 12 4,8 1,9

40 275 17 37 * 37 3800 * 0.2 175 17 4,7 1,3

6 2045 50 370 22 41 * 41 3110 * 0.2 220 24 4,6 1,6

7 2050 60 450 27 46 * 46 4480 * 0.2

250 30 4,5 1,7

Figuur   12a:  Gemiddelde   prijs   van  elektriciteit   van   nieuwe   centrales   in  het   CSP   scenario   op   grond   van   de  conservatieve   energiemix   van   2000,  vergeleken   met   import   uit   MENA   in  het voorbeeld van Spanje

Figuur 12b:  Zelfde als a) maar voor  het voorbeeld Duitsland

Het politieke deel Schone energie uit de woestijnen is voor alle landen in EUMENA een win­win situatie en een  kans om tot wederzijds voordeel samen te werken, bilateraal en multilateraal. Technologybelt  en sunbelt, EU en MENA, zijn de ideale spelers in een dream team voor duurzaamheid en  behoud van water, energie en klimaat. Naast WEC behoud zullen banen worden geschapen en  een goed nabuurschap tussen EU en MENA. Met name zou zo’n samenwerking een opleving  kunnen brengen van wetenschap en technologie in de Arabische wereld. Zonnestroom uit de woestijnen vervuld de 3 hoofddoelen van de GREEN PAPER voor een  nieuwe energiestrategie in de EU: 1. Duurzaamheid 2. Kunnen concurreren 3. Gegarandeerde levering  Energie   uit   de   woestijnen   en   synergie   tussen   de   sunbelt   en   technologybelt   zullen   een  belangrijke stap betekenen naar terugkeer tot een evenwicht met het ecosysteem aarde. Het   EU­MENA   kader   voor   samenwerking,   het   Barcelona   proces,   zou   een   perfect   kader  verschaffen voor de lancering van het Apollo DESERT programma. De oprichtingsverklaring  van het Barcelona proces uit 1995 benadrukt: “De   deelnemers   spreken   hun   overtuiging   uit   dat   vrede,   stabiliteit   en   veiligheid   in   het   Middellandse   Zee   gebied   een   algemene   aanwinst   zijn   die   zij   plechtig   beloven   te   zullen   promoten en versterken met alle middelen waarover ze beschikken.” Echter,   in   het nieuwe  FIVE YEARS WORK PROGRAM,  uitgegeven in december  2005 ter  gelegenheid van 10de  verjaardag van Barcelona, wordt duurzame energie als onderdeel van  Mediterrane   samenwerking   niet   eens   genoemd.   Hier   schiet   de   politiek   ernstig   tekort,  vermoedelijk grotendeels door een gebrek aan kennis van de mogelijkheden van duurzame  energie en hier ligt een grote uitdaging voor de toekomst. Om de duurzame energie op de agenda te zetten van het beleid in EU­MENA voor water,  energie   en   klimaatbehoud  is  de   Club  van  Rome  begonnen  met  de  voorbereiding  van  een  startconferentie: DESERTEC, een conferentie over Woestijnen en Technologie in dienst van wereldwijd water, energie en klimaatbehoud, als een gezamenlijke inspanning van sunbelt en technologybelt om hun eigen en wereldwijde problemen op te lossen. De   DESERTEC   zal   zich   bezighouden   met   technische   en   politieke   kwesties.   Ze   zal  gezamenlijk   worden   georganiseerd   door   de   Club   van   Rome,   het   Spaanse   Centrum   voor  Onderzoek van Energie, Milieu en Technologie (CIEMAT) en andere organisaties. Het plan is  nu   om   haar   in   voorjaar   2007   te   houden.   Deskundigen   op   het   gebied   van   wetenschap,  technologie, industrie, financiën en politiek zullen worden uitgenodigd.

Verantwoording De inzichten, opvattingen en resultaten voor duurzame energie, gepresenteerd in dit stuk zijn  het werk van veel mensen die betrokken zijn bij het TREC netwerk. Hoewel de bijdragen van  sommige leden van TREC bijzonder belangrijk zijn is het te arbitrair om slechts enige namen  te   noemen   en   niet   bijna   allemaal.   De   leden   van   TREC   kunnen   gevonden   worden   op  www.TRECers.net . Ik dank allen voor hun deelname en samenwerking Verwijzingen (t.b.d.)