Hernubare energie

Die term hernubare energie (ook hernieubare energie) (wat dikwels ook volhoubare, herwinbare of duursame energie genoem word) verwys na natuurlike en (byna) onuitputlike energiebronne soos son- en geotermiese krag, getye- en windkrag wat vir tegniese kragopwekking gebruik kan word en fossielbrandstowwe soos steen- en bruinkool, aardgas en ru-olie in toenemende mate begin vervang.

Drie alternatiewe kragbronne: Son, wind en biomassa

Waterkragsentrale in Oostenryk.

Omskrywing

Volgens die fisiese wette is die bogenoemde alternatiewe energiebronne streng gesproke nie "hernubaar" nie, maar kom voortdurend in natuurlike prosesse voor. Die straling van die son op die aarde word byvoorbeeld teruggestraal na die ruimte, vir 29% as lig en vir 71% as hitte. Die ontginning van hierdie duursame energiebronne beteken slegs dat 'n klein hoeveelheid energie vir die menslike gebruik benut word. Energieverbruik in die suiwer fisiese sin is nie denkbaar sonder dat die energie in die natuurlike prosesse teruggevoer word nie.

In teenstelling met die voortdurende natuurlike prosesse is die kragopwekking deur middel van fossielbrandstowwe geen duursame proses nie. Die groot voorrade kool, ru-olie en aardgas is oor 'n groot tydperk van enkele honderd miljoen jaar in 'n natuurlike proses deur die verrotting van biomassa gevorm, wat teoreties ook "hernubaar" sou kon wees. Tans het die verbruik van fossielbrandstowwe egter 'n peil bereik waar voorrade binne enkele dekades sal opraak of moet as gevolg van klimaatverwarming in die grond bly.

Selfs kernenergie in die vorm van kernsplitsing of kernversmelting is nie werklik hernubaar nie. Kernsplitsing benodig uraan of thorium as uitgangsmateriaal, waarvan die ontginbare voorrade beperk is. Sogenaamde kweekreaktors, wat in staat is om die hoeveelheid kloofbare materiaal te verhoog en in Frankryk en Rusland reeds in bedryf gestel is, sou 'n tydelike, maar dure en tegnologies ingewikkelde oplossing kon wees, tog is kernenergie in die meeste ontwikkelde lande weens die hoë koste wat die oprigting en onderhoud van 'n reaktor veroorsaak en die ongewenste byverskynsels soos radioaktiewe kernafval nou 'n tegnologie van die verlede wat langsamerhand afgeskaal word. Kernversmelting, wat die grondslag van 'n natuurlike kosmiese proses soos sonkrag vorm, is tans weens die moeilike handhawing van die plasmamengsel teen temperature van sowat 100 miljoen °C nog nie in die praktyk moontlik nie, aangesien 'n kragsentrale sommer net verniel word sodra die plasma per ongeluk met die materiaal van sy omgewing in aanraking kom. Die huidige teoretiese konsep van kernversmelting is egter ook nie denkbaar sonder litium as sy uitgangsmateriaal nie. Voorrade van hierdie grondstof sal vir 'n tydperk van sowat enkele duisend jaar beskikbaar wees, maar is nie onuitputlik nie.

Biomassa is 'n goeie voorbeeld van hernubare energiebronne. Die son fungeer hier as die energiebron vir die meeste natuurlike prosesse in die biosfeer, sodat biomassa as 'n duursame energiebron beskou word. Monokultuurverbouing van tipiese bioenergetiese gewasse soos suikerriet of raap behels egter 'n groot aantal vraagstukke in verband met omgewingsbewaring.

Problematiek

Hout is een van die oudste bekende bronne van hernubare energie (Foto: Christoph Neumüller)

Die kernkragsentrale Three Mile Island in Harrisburg (Pennsilvanië)

Oor 'n tydperk van sowat 500 000 jaar of 20 000 generasies het mense slegs gebruik gemaak van hernubare energie, waarby die tradisionele vuurplek lig en warmte opgelewer het. Kragopwekking deur middel van vuur is 'n uitvinding van slegs sowat 220 jaar gelede – die stoommasjien het destyds die nuwe tydperk van die nywerheidsomwenteling ingelui. Alhoewel die energie-verbrandingsproses oorwegend nie meer in ons eie huis plaasvind nie, is die konvensionele vuur nog steeds die belangrikste energiebron – al brand dit nou in kragsentrales of in enjins.

Die brandstowwe, wat ons ter beskikking het, is gestoorde sonenergie: Jaarliks word sowat 200 miljard ton koolstof, wat as natuurlike bestanddeel van die lug voorkom, organies as koolhidrate gestoor. Na ramings is daar tans sowat 20 000 miljard ton koolstof geologies gestoor as kool, ru-olie en aardgas (en hiervan is net 'n klein gedeelte ontginbaar) – dit wil sê ons aarde het in 1 000 miljard jaar se koolhidraatproduksie net dié hoeveelheid sonenergie gestoor wat die son in 100 jaar oplewer. Nogtans verbrand ons jaarliks 'n hoeveelheid fossielbrandstowwe wat 'n stoortyd van meer as 'n half miljoen jaar benodig het.

Die verbranding van fossiele energiebronne, maar ook van hout, het al dekades lank nadelige uitwerkings op die klimaat, wat as gevolg van die verhoogde kooldioksiedkonsentrasie grootskaals begin verander het, op die flora en fauna en selfs op historiese geboue, wat in nywerheidslande deur verbrandingsgasse ernstig beskadig is. Verbrandingsgasse bedreig ook die gesondheid en lewens van mense.

Ná die Tweede Wêreldoorlog is die kommersiële gebruik van kernenergie as 'n moontlike alternatief vir die konvensionele vuur beskou, tog het die bydrae van die kernkragsentrales tot die kragopwekking in die meeste lande – met uitsondering van Frankryk en Litaue – steeds relatief klein gebly.

Terwyl selfs die mees gevorderde lande soos Frankryk en Duitsland probleme het met die tegniese beheersing van kernkrag in die geval van ongewenste insidente, het 'n aantal ongelukke in nywerheidslande tot 'n negatiewe herwaardering van kernenergie in baie Westerse lande gelei: In 1979 het die Amerikaanse reaktor in die kernkragsentrale Three Mile Island in Harrisburg (Pennsilvanië) twee dae lank feitlik buite beheer geraak. In 1986 het die ergste denkbare ongeluk in verband met kernenergie in die kernkragsentrale van Tsjernobil in die destydse Sowjetunie gebeur. Ná 'n reeks eksperimente, waarvoor die reaktor tegnies heeltemal nie geskik was nie, het dit onhanteerbaar geraak en ontplof. Die ontploffings en brande, wat gevolg het, het die kernkragsentrale in puin gelê en radioaktiwiteit dwarsoor Europa vrygesit. Sonder die onmiddellike maatreëls, wat getref is – die vuur in die reaktor is met sand en beton geblus –, sou die uitwerkings nog rampspoediger gewees het. Nogtans het duisende mense as gevolg van die ramp gesterf.

Stygende oliepryse en twyfel oor die politieke en ekonomiese betroubaarheid van belangrike verskafferlande lei teen die begin van die 21ste eeu ook tot 'n herwaardering van konvensionele energiebronne soos ru-olie en gas. Danksy die tegniese vooruitgang en dalende pryse vir elektrisiteit, wat met alternatiewe metodes opgewek is, styg die aandeel van hernubare energiebronne in lande soos Duitsland, Spanje en die Verenigde State vinnig.

Huidige stand van sake

Statistieke

Volgens die Global Status Report, wat in November 2005 vrygestel is, het hernubare energiebronne in 2004 in 17 persent van die wêreld se energiebehoeftes voorsien. Tans word veral biomassa op 'n nie-kommersiële basis vir plaaslike huishoudelike energieopwekking ingespan. Die tweede belangrikste bron van hernubare energie is waterkrag, alhoewel dikwels slegs kleiner waterkragsentrales tot by 10 MW as hernubare energiebronne beskou word aangesien die ekologiese en sosiale uitwerkings van groot damprojekte omstrede is.

Die sogenaamde "nuwe hernubare energiebronne" - die moderne gebruik van biomassa, biobrandstowwe, "klein" waterkrag, windenergie, sonenergie, geotermiese energie en getye-kragsentrales – voorsien tans slegs in sowat 2 persent van die wêreld se energiebehoeftes, alhoewel hulle jaarlikse groei sedert 1990 jaarliks byna 20 persent beloop het.

Volgens die Global Status Report was daar in 2004 wêreldwyd

• beleggings ter waarde van 30 miljard VSA-$ in hernubare energie;
• 160 gigawatt van opwekvermoë in hernubare energie-aanlegtes (wat gelykstaan aan 4 persent van die totale opwekvermoë van kragsentrales);
• sowat 1,7 miljoen regstreekse werkgeleenthede in die hernubare energiebedryf en
• 48 lande wat reeds politieke maatreëls ter bevordering van hernubare energie ingestel het.

Grootskaalse projekte

In Februarie 2008 is die hoeksteen van Masdar City, 'n ekologiese modelstad met 'n beplande toekomstige bevolking van 50 000 mense sowat veertig kilometer buite die hoofstad van die Arabiese emiraat Abu Dhabi, gelê. Die stad, wat onder leiding van die Britse sterargitek Sir Norman Foster ontwerp is en ten 'n beraamde koste van 22 miljard VSA-$ binne 'n tydperk van tien jaar opgerig sal word, sal volgens sy ambisieuse konsep uitsluitlik gebruik maak van hernubare energiebronne soos sonenergie.

Fisiese en tegniese potensiaal

Hierdie beeld wys die teoretiese oppervlakte aan wat benodig sou word om alle krag, wat wêreldwyd, in die Europese Unie of Duitsland benodig word, met sonkragsentrales op te wek.

Die inkomende sonstraling se energie is sowat 10 000 keer hoër as die huidige wêreldwye energieverbruik. Geotermiese en getye-energie kan in vergelyking hiermee net 'n klein, maar nogtans noemenswaardige bydrae lewer. In fisiese opsig staan meer energie ter beskikking as in die afsienbare toekoms benodig sal word.

'n Aantal modelprojekte soos die nul-energie-huis en die bio-energiedorp het al die bewys gelewer dat die benodigde energie desentraal met hernubare energieë opgewek kan word. Maar ook grootskaalse desentrale projekte op die basis van hernubare energiebronne is denkbaar. Ondersoeke van die Duitse Sentrum vir Lug- en ruimtevaart (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) het getoon dat slegs min as 0,3 persent van alle beskikbare woestyngebiede in Noord-Afrika en in die Midde-Ooste benodig sal word om alle krag en drinkwater, wat in hierdie streke en Europa in die toekoms benodig sal word, deur middel van sonkragsentrales aan verbruikers te voorsien. Die Trans-Mediterranean Renewable Energy Cooperation (TREC), 'n internasionale netwerk van wetenskaplikes, politici en deskundiges uit die energiebedryf pleit vir 'n sodanige koöperatiewe ontginning van sonenergie wat deur windkragsentrales in die suide van Marokko – 'n gebied waar passatwinde waai – aangevul sou word.

In 2009 het die Scientific American 'n aksieplan gepubliseer om 100 persent van die planeet met herbruikbare energie te voorsien, sien Mark Z. Jacobson. Dit verklaar dat hernubare energie soos wind, water en sonkrag moontlik is om die groeiende energiebehoeftes van die wêreld teen 'n billike prys te voorsien en sodoende die afskaffing van die gebruik van fossiel- en/of kernenergie te bespoedig.

Nadele van hernubare energiebronne

Steenkoolkragsentrale in Gelsenkirchen (Duitsland).

Die meeste hernubare energiebronne word deur 'n lae energiedigtheid gekenmerk wat lei tot 'n ongunstige verhouding tussen die tegniese en finansiële hulpbronne wat ingespan moet word en die resultate wat behaal word. Projekte soos waterkrag- en windkragsentrales berokken steeds groot ekologiese skade, en die meeste hernubare energiebronne is daarnaas afhanklik van dagtye, seisoene, klimatiese en geologiese besonderhede. Dikwels word op 'n bepaalde tydstip meer energie opgewek as wat verbruik word, en die stoor of akkumulering van energie word dus 'n groot tegniese probleem.

Die grootskaalse gebruik van hernubare energiebronne was behalwe vir plaaslike projekte beperk tot die verbranding van hout en ander biomassa en die oprigting van waterkragsentrales. Laasgenoemde word net soos windkragsentrales veral in nywerheidslande ingespan, terwyl sonenergie in die noordelike klimaatsones net vanweë staatsubsidies mededingend kan wees.

Die mees ekonomiese gebruik is plaaslike hernubare kragopwekking in swak geïndustrialiseerde streke met beperkte elektrisiteitsverbruik of in ontwikkelende lande wat nie oor 'n voldoende infrastruktuur beskik nie. Son- en windenergie is hier baie geskik om byvoorbeeld ekologiese rampe soos ontbossing te voorkom.

Daar is tans min hoop dat hernubare energiebronne 'n groter bydrae sal kan lewer om die globale koolstofdioksiedproduksie in termiese kragsentrales en die gepaardgaande versnelling van die kweekhuiseffek en aardverwarming te verminder – die meeste groot ontwikkelende lande soos Sjina, Indië en Brasilië is nog steeds besig om hulle termiese kragopwekking uit te bou. Ondanks die onlangse prysverhogings is fossielbrandstowwe soos steenkool, ru-olie en aardgas nog steeds goedkoop genoeg om hulle gebruik te bevorder, en die oprigting van termiese kragsentrales veroorsaak laer koste as dié van hernubare energiebronne. Elektrisiteitsopwekking deur wind- en sonenergie het (oor) die afgelope paar jaar aansienlik goedkoper geword en kan nou selfs met steenkool- en gasaanlegte meeding.

Verskillende tipes van hernubare energie

Heliostats by die Kaliforniese kragsentrale Solar Two, wat solare termiese energie opwek

Die sogenaamde "sonoond" in Odeillo, Suid-Frankryk

Geotermiese kragsentrale in Krafla-vulkaangebied, Ysland

Getyekragsentrale in Saint-Malo, Frankryk

Windkragsentrale in Duitsland

Tans is daar 'n aantal bronne van hernubare energie en tegniese metodes vir hulle benutting beskikbaar:

• Bioenergie met biomassa soos hout, suikerriet en raap as uitgangsmateriaal:
  • Biodiesel-brandstof: 'n Aantal plante soos die Brasiliaanse dende lewer olie op wat dieselbrandstof kan vervang. Gewoonlik word dieselbrandstof en plantolie vermeng, maar indien enjins aangepas word, kan ook suiwer olie gebruik word. Die mees belowende plante in hierdie verband is naas dende sonneblomme, wat ook goed in droë grond aard. Sonneblomsaadolie is in die Verenigde State en Suid-Afrika reeds dekades gelede as brandstof vir landboumasjiene getoets.
  • Biogas, 'n metaanryke gas wat ontstaan tydens die anaërobosie ontbinding van plantreste en ander organiese materiale.
  • Brandstof wat van plantaardige olies vervaardig word
• Sonenergie
  • Fotovoltaïese energie: Fotovoltaïese selle is oorspronklik 'n neweproduk van navorsing in verband met transistors en is in 1954 deur die Amerikaanse Bell Laboratories bekend gestel. Die selle kan sonlig onmiddellik in elektriese energie omsit en is nou 'n belangrike energiebron in die ruimtevaart. Die selle benodig feitlik geen onderhoud nie en is geskik vir kleine aanlegtes of groot kragsentrales. Die energie-effektiwiteit by die omskakeling van sonenergie na elektrisiteit was oorspronklik beperk tot sowat vier persent, maar het intussen beduidend gestyg, terwyl die pryse vir selle aansienlik gedaal het. Die wêreldwye fotovoltaïese krag was in 2017 400 gigawatt, hoofsaaklik in China, Japan, Duitsland en die Verenigde State. Hierdie 400 GW was slegs 1,7% van die totale elektriese krag in die wêreld, maar dit groei vinnig: dit het oor drie jaar verdubbel en dit sal in die volgende vyf jaar verdriedubbel.
  • Termiese energie vanaf die son: Sonversamelaars en sonverwarmingstelsels absorbeer die warmte van die son en stoor dit met behulp van water of ander stoormediums. Klein sonverwarmingstelsels met passiewe sonkragpanele is geskik vir gebruik in privaathuise en verlaag die koste van warmwater duidelik. Kragsentrales gebruik 'n groot aantal rekenaarbeheerde spieëls, sogenaamde heliostats, wat die loop van die son volg en die sonlig in die rigting van 'n sentrale kollektor reflekteer. Die sonlig word gebruik om water te verhit, en die stoom dryf turbines aan. Die stoomkonsep is dieselfde soos in konvensionele kool- en kernkragaangedrewe kragsentrales. Een van die grootste kragsentrales van hierdie soort is Solar One (tans vergroot tot Solar Two) in die Mojavewoestyn van Kalifornië (Verenigde State), wat aanvanklik oor 1 818 heliostats met 'n totale spieëloppervlak van 72 600 vierkante meter en 'n toring met 'n hoogte van 86 meter beskik. Dit lewer 10 megawatt elektrisiteit op. 'n Sonkrag-aangedrewe oond in die Suid-Franse dorp Odeillo het reeds temperature van sowat 4 000 °C opgelewer, maar benodig 'n onbewolkte hemel om effektief te kan werk. Sonskoorstene maak ook gebruik van die kweekhuisverskynsel om lug deur die son te verhit en die konveksiestroom te gebruik om krag op te wek.
  • Sonchemie
  • Termiese energie (termiese kragsentrales)
• Waterkrag: Waterkragsentrales skakel die waterkrag – dit wil sê die energie van vloeiende of opgegaarde water – na elektrisiteit om. Die water word deur middel van pype of 'n waterloop na turbines gelei, wat elkeen 'n generator aandryf.
  • Damme
  • Getykrag: Die getye is in feite 'n kombinasie van solare en lunare invloede, aangesien hulle deur die aantrekkingskragte van die son en die maan bewerk word. Eenvoudige, maar doeltreffende "getyemeule" of "blou meule" is al vroeg in die Noordwes-Franse gewes Bretagne gebruik om koring te maal. 'n Moderne weergawe van hierdie historiese meule in die vorm van 'n getyekragsentrale is in 1966 in die monding van die rivier La Rance naby Saint-Malo opgerig. Tydens die vloed stroom seewater in die monding. Tydens die eb dryf die water, wat terugvloei na die see, die turbines van die kragsentrale aan.
  • Seestroming (seestromingskragsentrales)
  • Golfstroming (golfstromingskragsentrales)
  • Termiese energie uit die see sal in die toekoms 'n rol kan speel. Hierdie metode benut die temperatuurverskille van die see, wat op 'n diepte van sowat 1 000 meter of meer benede die seevlak sowat 25 °C kan wees. 'n Kragsentrale wek krag met 'n siklus op, waarby eers koue water in 'n warmtewisselaar gepomp word. Hier word dit gebruik om ammoniak te verdamp en te kondenseer. Uiteindelik dryf die ammoniak turbines aan, wat elektrisiteit genereer.
  • Osmosekragsentrales (blou energie) (wat die verskillende soutgehalte van sout- en varswater vir kragopwekking gebruik)
• Windenergie: Wind en golwe word deur die uitwerking van sonstrale op die atmosfeer opgewek. Sonstrale verwarm die lugmassas bo-oor die land- en wateroppervlakke. Hoe meer die lug verwarm word, hoe meer styg dit na bowe. Die lugbeweging of wind sorg vir 'n ewewig tussen gebiede met verskillende lugdruk. Windenergie kan dus as 'n soort "tweedehandse sonenergie" beskou word. Windmeule is sedert die antieke tydperk gebruik om graan te maal en water te pomp. Vandag lewer windkragsentrales veral in kusgebiede, op eilande en in uitgestrekte vlaktes elektrisiteit. Alhoewel windenergie teoreties in die wêreld se totale elektrisiteitsbehoefte sou kon voorsien, word die effektiewe gebruik van windkragsentrales deur die beskikbaarheid van die benodigde windspoede beperk. Dwarsdeur die jaar is 'n gemiddelde windsnelheid van vyf meter per sekonde (of 18 kilometer per uur) noodsaaklik. Omgewingsbewustes is nie almal oortuig van windenergie nie. Die onvermydelike geraas van die rotors en nadelige uitwerkings op die fauna, veral seevoëls, bly problematies. Teen die einde van 2017 is 539 gigawatt windkrag in die wêreld geïnstalleer. Hierdie kapasiteit het amper verdubbel in 5 jaar. Van die 539 GW was 188 GW in China, 169 GW in die Europese Unie en 89 GW in die Verenigde State. Windplase het 1120 TWh gegenereer, wat 4,4% van die totale elektrisiteitsopwekking in die wêreld was.
• Geotermiese energie: Ondergrondse warmte, wat as gevolg van gravitasionele botsings, atomiese reaksies en radioaktiewe splyting in die magma ontstaan, kan as energiebron benut word. Die temperatuur styg gemiddeld met 1 °C per duisend kilometer diepte, maar daar is uitsonderings. Plek-plek styg die temperatuur op 'n diepte van twee kilometer tot 360 °C. Hierdie verskynsel tree byvoorbeeld in Ysland, Italië, Nieu-Seeland, Kenia en die Verenigde State op. Kragopwekking deur middel van geotermiese stoom is vir die eerste keer in 1904 in die Italiaanse dorp Larderello suksesvol getoets, en sedert 1913 lewer 'n geotermiese kragsentrale elektrisiteit. Geotermiese krag kan egter ook naby die aarde se oppervlakte ontgin word. Alhoewel die klimaat in baie gebiede deur aansienlike lugtemperatuurskommelings tussen byvoorbeeld somer en winter gekenmerk word, verander die temperature in die boonste laag van die aardkors minder sterk. Vanuit die wiskundige standpunt bekyk lyk die temperatuurskommelings op 'n soort harmoniese trilling. Teen 'n diepte van sowat vyf tot tien meter kom die temperatuur, wat in die grond gemeet word, min of meer ooreen met die jaarlikse gemiddelde temperatuur. Hierdie warmte word deur middel van spesiale borings na die oppervlak gepomp en veral vir die verwarming van geboue ingespan. In die somer kan aardhitte egter ook vir koeling en lugreëling gebruik word.

Sien ook

• Geotermiese krag
• Waterstof se kleure

Bronne

• Der Fischer Weltalmanach 2006. Frankfurt am Main: Fischer Taschenbuch Verlag 2005
• Furtado, Peter (uitgewer): The Power of Technology. Oxford: Equinox Ltd. 1989
• Müller, Werner: Des Feuers Macht. Frankfurt am Main: Heitkamp 1986

Hierdie artikel is in sy geheel of gedeeltelik vanuit die Duitse Wikipedia vertaal.