Energiedichtheid en menselijk DNA bepalen de toekomst van energie

Hoewel ze worden aangeprezen als energiebronnen van de volgende generatie, zijn zonne- en windtechnologieën alleen via overheidsbevelen en subsidies in elektriciteitsnetten mogelijk. Hun falen om vrijelijk door investeerders en consumenten te worden overgenomen, ligt in de ontoereikende energiedichtheid van zonnepanelen en windturbines.

Energiedichtheid wordt gedefinieerd als de hoeveelheid energie die is opgeslagen in een bepaalde eenheid van massa of volume — een metriek die cruciaal is bij het bepalen van de levensvatbaarheid van energiebronnen. Het wordt doorgaans gemeten in joules per kilogram (J/kg) voor massa, of joules per kubieke meter (J/m³) voor volume. Vaak is de uitdrukking in miljoenen joules, of megajoules (MJ).

Hout, dat veel werd gebruikt vóór de introductie van steenkool, heeft een energiedichtheid van slechts 16 MJ/kg. De gretige acceptatie van fossiele brandstoffen door de maatschappij komt voort uit hun aanzienlijk hogere concentraties energie: steenkool is ongeveer 24 MJ/kg; olie, 45 MJ/kg; en aardgas, 55 MJ/kg. In een heel andere klasse heeft kernbrandstof, afhankelijk van het type, een energiedichtheid van ongeveer 4 miljoen MJ/kg en zal zeker uitgebreid worden gebruikt naarmate de maatschappij vordert in de 21ste eeuw en in de volgende.

De lithium-ionbatterij wordt als belangrijk beschouwd om de verschrikkelijk slechte betrouwbaarheid van wind- en zonne-energie te compenseren. De meeste commerciële batterijen hebben echter een energiedichtheid van minder dan 1 MJ/kg, ordes van grootte minder dan hout.

Waterstof, een zogenaamd futuristische brandstof, heeft slechts een derde van de energiedichtheid van hout.

Zoals je zou verwachten, schieten zon en wind tekort in vergelijkingen van vermogensdichtheid, wat een maat is voor hoeveel energie er wordt geproduceerd. In termen van landgebruik leveren zon en wind 5-20 en 2-3 watt per vierkante meter landoppervlak, terwijl een aardgascentrale 1.000 watt genereert.

De superieure potentie van fossiele brandstoffen maakte een kwantumsprong in de menselijke productiviteit mogelijk, wat de koers van de beschaving fundamenteel veranderde. Deze eigenschap maakte de creatie mogelijk van compacte, draagbare en zeer efficiënte energiesystemen die alles van kleine motoren tot enorme productiecomplexen van stroom voorzagen. Industriële processen die intense hitte of grote hoeveelheden energie in korte tijd vereisten, konden worden geaccommodeerd.

Transport, productie, landbouw — vrijwel alle aspect van het moderne leven — werden getransformeerd. Steden werden groter en complexer, de wereldhandel breidde zich exponentieel uit en technologische innovatie versnelde in een ongekend tempo. Uiteindelijk bracht het vermogen om grote hoeveelheden elektriciteit op aanvraag te genereren, in combinatie met de ontwikkeling van uitgebreide distributienetwerken, miljarden mensen van stroom, waardoor de levensstandaard over de hele wereld drastisch verbeterde.

Fossiele brandstoffen zijn met name cruciaal voor energie-intensieve industrieën zoals staal- en cementproductie. Deze sectoren vereisen niet alleen grote hoeveelheden warmte, maar ook specifieke chemische eigenschappen die fossiele brandstoffen bieden.

Energie en vermogensdichtheid vertellen niet het hele verhaal. Relatieve overvloed en gemak van extractie en verwerking zijn belangrijke factoren die fossiele brandstoffen aantrekkelijker maken dan andere bronnen.

Een andere is de capaciteitsfactor van een elektriciteitscentrale, of de verhouding van de werkelijke output tot de potentiële output als deze continu op volledige nominale capaciteit zou werken. Kolencentrales benaderen een capaciteitsfactor van 50% en aardgasgestookte gecombineerde-cycluscentrales overschrijden 55%. Kerncentrales bereiken een verbazingwekkende gemiddelde capaciteitsfactor van 93%.

De capaciteitsfactoren voor wind en zon zijn echter respectievelijk minder dan 35% en 25%, vanwege hun afhankelijkheid van weersomstandigheden en de hoeveelheid zonlicht. Dit betekent dat wind en zon niet altijd aangezet kunnen worden wanneer hun energie nodig is. Ook kunnen ze de output niet snel aanpassen aan veranderingen in de vraag. Met andere woorden, ze produceren energie wanneer bronnen beschikbaar zijn in plaats van wanneer ze nodig zijn.

Vijay Jayaraj.

Fossiele brandstoffen zijn van vitaal belang, niet alleen om ontwikkelingslanden in staat te stellen snel op te schalen, maar ook voor rijke landen die economische groei moeten volhouden en energie tegen een betaalbare prijs moeten blijven leveren aan industrieën en huishoudens. Zelfs Tesla’s Elon Musk gebruikt een op olie gebaseerde brandstof — kerosine van raketkwaliteit — voor de SpaceX Falcon-raket.

Oproepen om kolen, olie en aardgas te verlaten, zouden de maatschappij honderden jaren terugbrengen, terwijl het in de menselijke natuur ligt om vooruit te gaan — zelfs omhoog naar andere werelden. Het zit gewoon niet in ons DNA om toe te geven aan zulke onzin.

***

Dit commentaar werd voor het eerst gepubliceerd in BizPac Review op 16 juli 2024.

Vijay Jayaraj  is Research Associate bij de  CO2 Coalition , Arlington, Virginia. Hij heeft een masterdiploma in milieuwetenschappen van de University of East Anglia, VK, en een postdoctorale graad in energiebeheer van de Robert Gordon University, VK