Firming weather dependent renewable generation yields single digit system level energy returns

Stel je voor dat je een enorme, bruisende stad probeert van stroom te voorzien. Je hebt een vloot aan zonnepanelen en windturbines, die fantastisch zijn in het opwekken van elektriciteit wanneer de zon schijnt en de wind waait. Maar hier is de crux: de zon schijnt niet 's nachts, en de wind waait niet altijd, vooral niet tijdens die lange, donkere winterweken. Om 24/7 het licht aan te houden, heb je een "back-up plan" nodig dat kan bijspringen wanneer de natuur een pauze neemt. Dit is de wereld van de Energy Return on Investment (EROI). Denk aan EROI als een "winstmarge" voor energie. Als je 1 eenheid energie uitgeeft om een elektriciteitscentrale te bouwen, en die centrale levert gedurende zijn leven 10 eenheden energie terug, dan is je EROI 10. Dat is een geweldige deal! Maar als je 1 eenheid uitgeeft om slechts 1,1 eenheden terug te krijgen, is je EROI 1,1, wat nauwelijks genoeg is om de lichten aan te houden, laat staan om ziekenhuizen, scholen of ruimteschepen te bouwen. De grote vraag waar wetenschappers zich mee bezighouden is: wanneer we al die extra zaken toevoegen die nodig zijn om zon en wind betrouwbaar te maken (zoals gigantische batterijen of back-up gascentrales), verdwijnt de "winst" dan?

Dit artikel, geschreven door Hans Peter Beck, duikt diep in precies die vraag. Het fungeert als een enorme boekhoudkundige grootboek voor een toekomstig energiesysteem. In plaats van alleen naar een enkel zonnepaneel op een dak te kijken, bouwt de auteur een "vloot"-model — een massief, denkbeeldig elektriciteitsnet voor Centraal-Europa dat voor 80% op wind en 20% op zon vertrouwt. De studie stelt vervolgens de vraag: "Wat gebeurt er met onze energiewinst wanneer we de zware arbeid toevoegen die nodig is om dit weerafhankelijke vermogen betrouwbaar te maken?" Het artikel concludeert dat hoewel zonnepanelen op zichzelf geweldig lijken, de energiewinst drastisch daalt op het moment dat je de noodzakelijke "firming" (back-up) systemen toevoegt om het licht te laten branden tijdens winterstormen. Sterker nog, de meest betrouwbare back-up opties die zijn getest (zoals waterstofopslag of gascentrales) krimpen de energiewinst tot enkel cijfers, of zelfs bijna tot nul. Het artikel suggereert dat zonder een hoog energieoverschot, onze moderne, complexe samenleving moeite zal hebben om te overleven, laat staan te floreren.

De eenzame droom van het zonnepaneel

Laten we beginnen met de held van ons verhaal: het zonnepaneel. Op zichzelf is een zonnepaneel een beetje een rockster. Als je alleen naar de installatie kijkt — het paneel, de draden en de omvormer — heeft het een fantastische energiewinst. In de zonnige delen van Centraal-Europa geeft het voor elke eenheid energie die wordt gebruikt om het te bouwen, misschien wel 15 tot 20 eenheden terug over zijn levensduur. Dat is alsof je een kaartje koopt voor $1 en $20 wint. Het klinkt als een winnende loterij!

Maar hier komt de plotwending: een zonnepaneel is een "vriend voor mooie dagen". Het werkt alleen als de zon schijnt. Als je een hele stad wilt laten draaien, kun je niet alleen vertrouwen op vrienden voor mooie dagen. Je hebt een back-up plan nodig voor de regenachtige dagen, de bewolkte nachten en die angstaanjagend lange winterperiodes waarin de zon nauwelijks te zien is en de wind doodstil staat. Wetenschappers noemen deze behoefte aan een back-up "firming". Het is het verschil tussen het hebben van een picknickkleed (zon) en het hebben van een volledige tent met een verwarming (vaste stroom).

De kosten van het back-up plan

Het artikel bouwt een massieve simulatie van een elektriciteitsnet om te zien wat er gebeurt als we proberen die "vriend voor mooie dagen" te veranderen in een "betrouwbare huisgenoot". De auteur creëert een scenario waarbij 80% van het vermogen uit wind komt en 20% uit zon. Deze mix is goed omdat de wind vaak waait wanneer de zon niet schijnt, maar zelfs deze combinatie heeft een zwakte: soms nemen zowel de wind als de zon tegelijkertijd een dutje. Dit worden "Dunkelflautaute"-gebeurtenissen genoemd (een chic Duits woord voor "donkere loomheid").

Om deze donkere periodes te overleven, test het artikel drie verschillende back-up strategieën, en de resultaten zijn een schok.

1. De Batterijbank (De kortetermijnoplossing)
Stel je voor dat je probeert het probleem op te lossen met een gigantische batterij. Batterijen zijn geweldig om energie te verschuiven van de middag naar de avond, zoals het verplaatsen van een paar appels van een volle mand naar een lege mand. Maar wat als de mand een hele week leeg is?
Het artikel berekent dat als je probeert genoeg energie in batterijen op te slaan om 24 uur vol te houden, de energiewinst instort. In plaats van 15 eenheden terug te krijgen, krijg je er misschien slechts 0,7 tot 2,3 terug. Waarom? Omdat het maken van die enorme batterijen een enorme hoeveelheid energie kost. Het is alsof je een rugzak vol bakstenen probeert te dragen om naar de winkel te gaan; hoe zwaarder de rugzak, hoe minder energie je overhoudt om daadwerkelijk boodschappen te kopen. Zelfs een 4-urige batterij brengt de winst terug naar een bereik van 3,4 tot 7,6. Het artikel suggereert dat batterijen nuttig zijn voor korte dutjes, maar te zwaar en te duur zijn om ons door een lange winter te dragen.

2. De Waterstoftank (De langetermijnoplossing)
Vervolgens kijkt het artikel naar waterstof. Dit is als het omzetten van elektriciteit in een gas, het opslaan in een enorme ondergrondse tank, en het weer omzetten in elektriciteit wanneer dat nodig is. Het is de ultieme langetermijnopslag, in staat om energie weken of maanden vast te houden.
Echter, het proces is zeer inefficiënt. Het is alsof je een emmer probeert te vullen met een lekkende slang. Je moet veel water (elektriciteit) erin pompen om een klein beetje in de emmer te laten staan. Vanwege deze verliezen moet je méér zonnepanelen en windturbines bouwen, alleen maar om de tank te vullen. Het artikel vindt dat zelfs met deze "superopslag", de energiewinst daalt naar een bereik van 3,4 tot 7,7. Het is beter dan de 24-urige batterij, maar het zit nog steeds in de "enkelcijferige" zone, wat een gevaarlijke plek is voor een moderne samenleving.

3. De Gas-back-up (De fossiele brandstof kruk)
Ten slotte kijkt het artikel naar het stand-by houden van gascentrales. Deze centrales hebben geen opslag nodig; ze verbranden gewoon gas wanneer de wind en de zon wegvallen.
Het resultaat hier is nog schrijnder. Omdat je deze enorme gascentrales gebouwd en gereed moet houden (zelfs als ze het grootste deel van de tijd stilstaan), en omdat je de brandstof moet verbranden om ze te laten draaien, stort de energiewinst in tot 1,2 tot 2,6 voor pijpleidinggas, en zelfs lager (1,0 tot 2,2) voor vloeibaar aardgas (LNG).
Het artikel legt uit dat bij een EROI van 2, je de helft van je totale energieproductie uitgeeft aan het draaiend houden van de centrales. Het is als een bedrijf waar de helft van de omzet direct naar de huur gaat, waardoor er heel weinig overblijft voor iets anders. Bij een EROI van 1 ben je net quitte, en onder de 1 maak je verlies. Het artikel suggereert dat het vertrouwen op gas-back-up misschien het licht aan de praat houdt, maar dat er bijna geen "overschot" aan energie overblijft om scholen te bouwen, ziekten te genezen of de ruimte te verkennen.

De "Alpiene" Illusie

Je denkt misschien: "Wat als we zonnepanelen op de besneeuwde bergen plaatsen? De sneeuw reflecteert licht, dus ze zouden beter moeten werken!" Het artikel controleert dit ook. Het blijkt dat hoewel panelen in de bergen inderdaad wat meer zon krijgen, de kosten voor het bouwen van wegen, zware montages en elektriciteitskabels in de bergen alle extra winst opeten. De energiewinst voor bergzonnepanelen is uiteindelijk net zo laag als die van gewone zonnepanelen wanneer je de back-up vereisten toevoegt. Het artikel suggereert dat het plaatsen van panelen op moeilijk terrein het fundamentele probleem van de noodzaak voor een massaal back-up systeem niet oplost.

Het Grotere Plaatje: Waarom dit ertoe doet

Dus, wat is de les van dit enorme energieboekhoudkundige verslag? Het artikel suggereert dat we naar zon en wind hebben gekeken in isolatie, zoals het beoordelen van een auto op zijn motor zonder rekening te houden met de brandstof, de banden en de bestuurder. Wanneer je naar het volledige systeem kijkt dat nodig is om een stad betrouwbaar te laten draaien, krimpt de "winst" van hernieuwbare energie aanzienlijk.

De auteur betoogt dat een moderne, industriële samenleving een hoge energiewinst nodig heeft (een EROI van ten minste 7 tot 10) om zaken zoals gezondheidszorg, onderwijs en wetenschappelijk onderzoek te ondersteunen. Als het energiesysteem zo inefficiënt is dat het het grootste deel van zijn eigen energie moet besteden aan het bouwen en onderhouden van zichzelf, blijft er weinig over voor de rest van de samenleving. Het artikel suggereert dat hoewel zon en wind belangrijk zijn, ze niet de enige oplossing kunnen zijn als we willen dat onze complexe wereld zonder tekort aan energieoverschot blijft functioneren. Het hint erop dat we mogelijk andere soorten energie nodig hebben die "vast" zijn (altijd aan) en een hoge energiewinst hebben, zoals kernenergie of waterkracht, om het gat te vullen.

Kortom, het artikel waarschuwt ons dat de weg naar een groene toekomst niet alleen gaat over het plakken van meer panelen op daken. Het gaat om het begrijpen van de zware kosten van betrouwbaarheid. Als we de kosten van de back-up negeren, kunnen we onszien met een hoop groene energie die net niet genoeg is om de wereld te voeden waarin wij leven.