Put hoop uit de meest demotiverende grafiek over energieverbruik

Pablo Heimplatz, via Unsplash Public Domain

De energietransitie is een gigantische opgave maar toch slechts half zo gigantisch als vaak verondersteld. Fossiele energie die we gebruiken om de mussen van het dak te stoken hoeven we niet te vervangen door duurzame energie.

2020 leerde ons over exponentiële groei

Het mondiale energieverbruik is bijna niet te bevatten. Het groeit bovendien nog elk jaar. En het beroerdste is; zo’n 85% van alle energie die we wereldwijd gebruiken heeft zijn oorsprong in fossiele bronnen.

Afgaande op de grote investeringen in wind- en zonneparken, de almaar dalende prijzen voor wind- en zonnestroom en de sluiting van tientallen kolencentrales gaat het goed met de energietransitie. Helaas betreft dit enkel de productie van elektriciteit. Eigenlijk is de energietransitie vooralsnog vooral een elektriciteitstransitie.

Correctie 26-01-2021: In de eerste versie van dit artikel had ik een bewerking op de opbrengst van kernenergie gedaan die ook in de brondata al was doorgevoerd. Dit is hersteld, zie verdere toelichting onderaan dit bericht.


Het totale verbruik van kolen, olie en aardgas is eng groot, en groeit

Figuur 1 (Bron: Our World in Data)

Alle elektriciteit is energie maar helaas is ruim driekwart van ons energieverbruik geen elektriciteit. Voor alle energie die we gebruiken voor warmte, mobiliteit, transport en industrie is de transitie nog nauwelijks merkbaar. Ook hier groeit het verbruik nog sterk en die groei komt nog vooral neer op extra verbruik van aardolie en aardgas. Figuur 1 is een veel aangehaalde grafiek die de totale uitdaging van de energietransitie uitstekend weergeeft. Het overgrote deel van de bijna 160.000 terawattuur (TWh) die de wereld in 2018 verbruikte is fossiel. Op het grote geheel zijn wind- en zonnestroom nauwelijks terug te vinden. En het energiegebruik groeit al jaren harder dan de opwek door duurzame bronnen groeit.

Het rauwe beeld in Figuur 1 wordt nogal eens aangehaald om successen in de energietransitie te relativeren, zo niet te bagatelliseren. Als de grafiek van Our World in Data voorbij komt op Twitter dan gaat hij vaak gepaard met claims dat investeren in wind- en zonneparken, warmtepompen en elektrische auto’s geen zin heeft.

  • ‘Geen zin omdat alle investeringen in duurzame energie tot nu toe niet eens terug te zien zijn in de grafiek’
  • ‘Geen zin omdat de wereldbevolking blijft groeien, en het energieverbruik dus ook’
  • ‘Geen zin omdat China toch kolencentrales blijft bouwen, en Afrika daarmee nog moet beginnen’
  • ‘Geen zin omdat elke energietransitie die de wereld tot nu toe heeft meegemaakt zeker 50 jaar duurde’
  • ‘Geen zin omdat elke nieuwe energiebron (behalve wind en zon) een hogere energiedichtheid bracht’

Vervangen van alle fossiele energiegebruik is gelukkig niet nodig

Figuur 2 (Geschatte verliezen per bron)

De data zijn uiteindelijk gewoon de data. Voor de een zal Figuur 1 een demotiverende werking hebben, voor de ander zal het de actiebereidheid ten bate van de energietransitie alleen maar vergroten. Voor mijzelf is beide aan de orde. Dit is een probleem dat wij samen met iedereen die ons voor ging gecreëerd hebben. We zijn het aan onszelf en iedereen die na ons komt verplicht om dit op te lossen. Een enorme en ongetwijfeld vrij zure appel waar we de komende decennia collectief doorheen moeten bijten. Niet handelen naar deze data is geen optie.

Om handelingsperspectief te putten uit de aan Figuur 1 onderliggende data heb ik deze gedownload en bewerkt in Excel. Een eerste belangrijk verschil tussen hernieuwbare energie en traditionele energiebronnen dat niet blijkt uit Figuur 1 is het verschil in energieverliezen. Figuur 1 toont het verbruik van primaire energie, ongeacht welk deel daarvan een nuttige toepassing krijgt. In Figuur 2 (per bron) en Figuur 3 (gestapeld) heb ik de verliezen wel weergegeven, op basis van deze aannames:

Figuur 3 (Verliezen gestapeld)

  • Traditionele biobrandstoffen. Deze worden vooral gebruikt als brandstof in open vuren met onvolledige verbranding, om te koken en daarnaast voor ruimteverwarming. Ik neem aan dat slechts 20% van de energie-inhoud nuttig gebruikt wordt en dus dat 80% als onbenutte warmte verloren gaat;
  • Steenkool. Vooral benut in elektriciteitsproductie en industrie, soms met warmtelevering. Inclusief verbruik in winning, transport en verwerking neem ik een nuttig gebruik van hooguit 40% aan, ofwel 60% gaat verloren;
  • Aardolie. Als energiebron vooral benut als transportbrandstof in verbrandings- en straalmotoren. Inclusief winning, transport en raffinage ga ik uit van een nuttig gebruik van hooguit 30%;
  • Aardgas. Vooral benut in elektriciteitsproductie, warmtevoorziening en/of beiden tegelijk. Daarmee inclusief winning en transport gemiddeld een relatief hoog rendement van 50%, en dus ook 50% verlies;
  • Kernenergie. Vrijwel hoofdzakelijk voor elektriciteitsproductie, met af en toe restwarmtelevering. Ik neem een nuttig gebruik aan van hooguit 40%, en dus 60% gaat verloren aan onbenutte warmte. Toevoeging 26 januari 2021: Deze aanname klopt maar deze bewerking was in de originele data al gedaan en is door mij met deze update dus weer teruggedraaid;
  • Waterkracht, wind- en zonne-energie. Hernieuwbare bronnen zijn niet 100% efficiënt maar in de regel geldt de aan het net geleverde elektriciteit hier als de bemeten primaire energie. Hierom geen verliezen gerekend.

Met deze aannames blijft van de bijna 160.000 TWh aan primair energieverbruik slechts 60.000 TWh aan nuttig verbruik over, zie Figuur 3. Het is ontzettend zonde dat we al deze energie weggooien. Het deel van de fossiele energie dat direct als warmte de uitlaat of schoorsteen uitvliegt draagt nog meer bij aan klimaatverandering dan het deel dat we daadwerkelijk gebruiken. Tegelijkertijd biedt het hoop: elke TWh hernieuwbare energie die erbij komt vervangt zeker 2 TWh fossiele energie.

Figuur 4 (Alleen nuttig gebruik)

Het is fijn dat we ons alleen druk hoeven te maken over de energie die we gebruiken, niet over de energie die we wegkiepen. Dat scheelt in de transitie een slok op een borrel. Maar dan nog blijft het een enorme borrel. Als we de verliezen in Figuur 3 wegdenken en de Y-as terugschalen tot 60.000 TWh (zie Figuur 4) dan is het beeld nauwelijks minder beroerd dan zoals we vernomen uit Figuur 1. Wind en zon zijn op het oog nog steeds niet meer dan een flintertje in de marge. Enige zichtbare opsteker is dat waterkracht nu een duidelijk groter aandeel heeft in het geheel.


Het energiegebruik groeit hard, maar allang niet meer exponentieel

Een tweede opsteker die iets duidelijker uit Figuur 4 blijkt dan uit Figuur 1 is dat de exponentiële fase in de groei van het mondiale energieverbruik al decennia achter ons ligt. Vanaf 1900 tot begin jaren ’70 van de vorige eeuw was er sprake van exponentiële groei. Mooi toeval; Sinds de publicatie van het invloedrijke rapport Grenzen aan de Groei (Club van Rome, 1972) is de groei van met mondiale energiegebruik van jaar tot jaar grillig maar over meerdere decennia bezien netjes lineair.

Figuur 5 (Individuele bronnen)

Figuur 5 geeft een beter beeld op de groei (wederom in termen van nuttig gebruik) van individuele energiebronnen. Erg fijn is dat het gebruik van traditionele biobrandstoffen al sinds 2000 daalt. Dat toont groei in welvaart. De in dezelfde periode sterk gegroeide wereldbevolking is gemiddeld minder afhankelijk geworden van gedroogde mest en gesprokkeld hout. Ook de groei in het verbruik van steenkool, de meest CO2-intensieve energiebron, lijkt definitief gestuit.

De oliecrises in de jaren ’70 luide het eind van de exponentiële groei in oliegebruik in maar hoewel linear zit het verbruik van aardolie nog steeds in de lift. Gemeten naar nuttig gebruik is aardgas, de minst beroerde van de fossiele bronnen, al een jaar of tien ‘s werelds belangrijkste energiebron. Ook het gasverbruik heeft het exponentiële groeipad gelukkig al jaren verlaten, maar de lineaire groei is steil. Veel te steil.

In de categorie emissievrije bronnen zijn wind- en zonne-energie in figuur 5 eindelijk duidelijk herkenbaar. Exponentieel groeiend maar ook in deze weergave nog bescheiden. Helder is dat kernenergie helaas al lang geleden is gestopt met groeien. Ik had de indruk dat hetzelfde gold voor waterkracht maar uit de cijfers blijkt voor deze duurzame energiebron een aanhoudende lineaire groei. In termen van aangenomen nuttig gebruik zelfs bijna net zo steil als aardolie. Opsteker twee.


Leer van Vaclav Smil, maar volg de beste man niet blind

Een van de bronnen van de energiecijfers van Our World in Data is Vaclav Smil. Smil is emeritus hoogleraar aan de Faculteit Milieu van de Universiteit van Manitoba en auteur van vele boeken over de geschiedenis van het mondiale verbruik van energie en grondstoffen. Filantroop en techmiljardair Bill Gates is een verklaard fan van Smil en ook in de energiesector lopen velen weg met het werk van de Tsjechisch-Canadese hoogleraar.

Lieden die claimen dat de huidige energietransitie ‘geen zin’ heeft, verwijzen eveneens vaak naar Smil. Dit omdat Smil op basis van zijn historische studies over voorgaande energietransities pessimistisch is over het tempo waarin de huidige energietransitie – naar emissievrije energie – zich kan voltrekken. Wie de hoogleraar aanhaalt om de zinloosheid van de energietransitie kracht bij te zetten, vat het werk van Smil doorgaans samen tot deze twee hypothesen:

  • Voorgaande energietransities duurden zeker 50 jaar. Het is naïef te denken dat deze in 2050 voltooid kan zijn;
  • Met alle voorgaande transities steeg de energiedichtheid van de primaire energiebron. Wind en zonne-energie hebben juist een zeer lage dichtheid. Een transitie naar wind en zon als primaire energiebron is daarmee kansloos.

Deze samenvatting doet het werk van Smil geen recht maar het zijn wel de beelden die in transitie-sceptische hoek het meest aan Smil kleven. Daarom wil ik deze twee hypothesen – vaak gepresenteerd als conclusies – in perspectief plaatsen.


De doorlooptijd van energietransities is geen natuurconstante

Figuur 6 (Bron: Our World in Data)

Eerst het punt over de doorlooptijd van de gemiddelde energietransitie. Smil gebruikt in zijn betogen vaak een relatieve weergave van de energiebronnen, zoals in Figuur 6. Hierin zie je goed dat het sinds het begin van de industriële revolutie bijna 150 duurde voordat steenkool mondiaal de dominante rol van traditionele biobrandstoffen had overgenomen. Kortom, veel langer dan de vaak aangehaalde 50 jaar die een energietransitie minimaal zou duren. De volgende transitie was die van kolen naar aardolie. Vanaf de eerste oliewinning eind 19e eeuw duurde het ruim 70 jaar voordat olie ‘s werelds grootste energiebron was. Volgens aanhangers van Smil zitten we nu midden in de transitie van olie naar aardgas.

Figuur 7 (Relatief nuttig gebruik per bron)

Daarbij drie opmerkingen. Ten eerste is het ook hier goed om de stap te maken naar de energie die we daadwerkelijk gebruiken, zie Figuur 7. Na aftrek van de verliezen blijkt dat aardgas het stokje als dominante energiebron al heeft overgenomen. Voor wat het waard is, want mijn tweede bezwaar is dat het wat arbitrair is om bij aardolie en aardgas van verschillende energietransities te spreken. De opmars van beide bronnen begon grofweg tegelijk en winningsprojecten voor aardolie zijn vaak ook winningsprojecten van gas. Bovendien viel ook de introductie van waterkracht praktisch samen met die van aardgas en olie, überhaupt zonder kans op dominantie.

De derde reden om de hypothese dat elke energietransitie van nature 50 jaar duurt vooral niet te serieus te nemen is de uiterst geringe omvang van de dataset, nog los van alle ruis die er doorheen loopt. Smil heeft zijn hypothese opgebouwd op basis van een relatieve weergave van slechts 2 à 3 voorgaande energietransities, die plaatsvonden in eeuwen waarin de wereld vele andere ingrijpende transities doormaakte. Je zou op basis van dezelfde data ook kunnen stellen dat elke volgende energietransitie verloopt in de helft van de tijd waarin de vorige energietransitie zich voltrok.


Bewijs voor onze hang naar maximale energiedichtheid is uitermate dun

Figuur 8 (Bron: XKCD)

De tweede hypothese die aan Smil toegedicht wordt is dat een transitie naar wind- en zonnestroom zal falen omdat het een teruggang in energiedichtheid betekent. De suggestie is dat we de stap van biomassa naar kolen maakten omdat kolen per kilo of per oppervlakte kolenmijn meer energie bevatten dan gesprokkelde takjes en gedroogde mest. De volgende transitie van kolen naar olie (en gas) zou wederom gedreven zijn door de stap in energiedichtheid.

Deze tweede hypothese is gebaseerd op dezelfde kleine dataset vol ruis als de eerste. Hier is echter zelfs correlatie moeilijk hard te maken. De enige energiebron die echt een sprong in energiedichtheid ten opzichte van al het voorgaande bood is kernenergie, zie Figuur 8. Juist de opmars van kernenergie heeft echter niet doorgezet. Voor de andere deeltransities naar kolen, aardolie en waterkracht lijken onder meer beschikbaarheid, transporteerbaarheid, kosten en praktische toepasbaarheid relevanter geweest dan oplopende energiedichtheid.


Emissievrije elektriciteit groeit wel zo snel als je dacht, of zelfs sneller

Puur gedreven door staatssteun

Het belangrijkste verschil tussen deze energietransitie en de 2 à 3 voorgaande transities is dat dit keer overheden de volledige aanloopfase hebben gefinancierd.

De transitie naar emissievrije energie is vooral daarmee fundamenteel anders dan de 2 à 3 voorgaande transities. De stap van houtsprokkelen naar steenkool bracht voor alle actoren op de energiemarkt grote voordelen. Kolen verkochten zichzelf. Hetzelfde gold voor aardolie, aardgas en waterkracht. Met aardolie kon je rijden zonder treinrails, plastics maken en vliegen. Met aardgas konden we kunstmest produceren en koken zonder roet. Stuwmeren zijn een betrouwbare en spotgoedkope krachtbron voor energie-intensieve industrie en elektriciteitsproductie.

Kernenergie, windturbines en zonnepanelen brachten voor de eindgebruiker niets dat de op dat moment dominantie bronnen niet leverden. Geopolitiek was de drijvende kracht achter kernenergie, klimaatpolitiek de drijvende kracht onder wind en zon. Zonder ruimhartige aanwending van belastinggeld was geen van deze drie emissievrije bronnen tot wasdom gekomen.

Figuur 9 (Groei tot eerste 500 TWh)

Des te bemoedigender is de ongekende groei die kernenergie, wind- en zonnestroom hebben laten zien. Dat blijkt goed uit de bodem van Figuur 5, uitvergroot in figuur 9. Toen steenkool zijn waarde eenmaal bewezen had (50 TWh nuttig verbruik wereldwijd per jaar rond 1815) duurde het liefst 70 jaar voordat het nuttig verbruik van steenkool vertienvoudigd was. Aardolie, aardgas en waterkracht hadden 30 tot 40 jaar nodig om van 50 tot 500 TWh nuttig gebruik te groeien.

Kernenergie en windenergie flikten dat kunstje in slechts 10 jaar. Zonnepanelen zelfs nog iets sneller. Alle energiebronnen groeiden in hun aanlooptijd exponentieel maar geen van de bronnen groeiden zo snel als de emissievrije bronnen. Inmiddels ligt de exponentiele fase voor kolen, aardolie en aardgas gelukkig achter ons. Voor kernenergie helaas ook. Met de kernramp bij Tsjernobyl in 1986 week kernenergie van zijn steile groeipad af en de ramp bij Fukushima leidde zelfs een krimp in. Inmiddels lijkt kernenergie zich te herpakken. Spannend of dat doorzet.

Wind- en zonneparken kunnen inmiddels bijna op eigen benen staan. Geholpen door nog altijd dalende prijzen voor zonnepanelen en windprojecten en de mondiale opmars van CO2-beprijzing, milieu-zones en afrekenbare klimaatdoelen lijkt de groei van wind- en zonne-energie voorlopig verzekerd. Cruciaal is nu hoe lang die groei exponentieel zal blijven.


Laat de groei van wind- en zonnestroom nog 20 jaar exponentieel zijn

Figuur 10 (Marktaandelen herschikt)

In de angstaanjagend stijgende lijn van Figuur 1 zie je het niet direct maar in termen van nuttig gebruik is het marktaandeel van fossiele energiebronnen al 50 jaar geleden gestopt met groeien. In Figuur 10 heb ik de energiebronnen zoals weergegeven in Figuur 7 herschikt om dit heugelijke feit wel zichtbaar te maken. Sinds 1970 hebben waterkracht en kernenergie de groei van kolen, olie en aardgas in toom gehouden. Sinds 2010 eten wind en zon vooral marktaandeel van steenkool op. Mooi, steenkool is de fossiele bron waar we het snelst van af moeten.

Uit Figuur 10 blijkt ook dat het marktaandeel van aardolie al sinds 1970 daalt. Mooi, want olie is de bron die we het minst efficiënt benutten. Elektrische auto’s, videocalls en doelmatiger gebruik van plastics slagen er de komende 10 jaar hopelijk in om de groei in het absolute verbruik van olie om te buigen tot een krimp. Van de fossiele bronnen is aardgas de enige waarvan het marktaandeel groeit. Zolang gascentrales kolencentrales uit de markt drukken is dat wenselijk. Ook gascentrales zullen het daarna snel afleggen tegen doorgroeiende wind- en zonneparken.

Stoomcursus exponentiële groei

Het afgelopen jaar heeft de gemiddelde wereldburger helaas veel bijgeleerd over exponentiële groei. Mooi is dat we nu beter op waarde kunnen schatten wat het betekent dat wind- en zonnestroom exponentieel groeien.

Laat je niet uit het veld slaan door het gigantische primaire verbruik van fossiele energiebronnen. Meer dan de helft van die energie heeft niemand nodig. Laat je niet uit het veld slaan door theorien over de duur van transities of energiedichtheid. Ze passen niet op de praktijk. Schrik niet als je wind- en zonnestroom in Figuur 1 nog nauwelijks terugziet.

Als we wind en zon nog 20 jaar op het huidige exponentiele groeipad houden dan slaagt de energietransitie. Dan is netto nul CO2-uitstoot in 2050 haalbaar. Dan is onttrekken van de overtollige CO2 uit de atmosfeer mogelijk. Dan is de klimaatcrisis die op ons af dendert af te wenden. Laten we alles doen om wind- en zonnestroom te laten doorgroeien.


Update 26-01-2021 | Misser bleek missertje, verklaring verwarring

Na melding via Twitter concludeerde ik dat ik de groei van waterkracht, zonne- en windenergie te positief had ingeschat. Direct heb ik een disclaimer geplaatst en de fout erkend. Helaas bleek de fout bij nader inzien weer veel kleiner. Alleen kernenergie had ik met een overbodige bewerking tekortgedaan. Dit is in de tekst en grafieken hierboven nu hersteld.

Uitgebreidere toelichting bij de ontstane verwarring. Met dit artikel wilde ik aantonen dat rekenen met primair energiegebruik, inclusief fossiele energieverliezen, resulteert in een te negatieve weergave van uitdaging in de energietransitie. De updates van vandaag en gisteren tonen nog maar eens aan dat rekenen in primair gebruik verwarrend is, omdat het wind, zon en waterkracht lastig vergelijkbaar maakt met chemische of thermische energiebronnen.

  • Directe methode. Ik hanteerde voor dit artikel de definitie van het Internationaal Energieagentschap (IEA). Het IEA kiest ervoor om bij niet-fossiele bronnen primaire energie te definiëren als de gemeten energie in de eerste vorm die voor nuttig gebruik van toepassing kan zijn. Bij wind, zon en waterkracht is dat de geleverde elektriciteit. Bij kernenergie de warmte die ontstaat in de nucleaire reactor. Dit heet ook wel de directe methode van vergelijken;
  • Substitutiemethode. Our World In Data onderkent net als ik in dit artikel dat de directe methode van het IEA tot een overschatting van het marktaandeel van fossiele energie in het nuttige energiegebruik leidt. Om dit te ondervangen redeneren zij echter de andere kant op: bij elke kilowattuur geleverde water-, wind-, atoom- of zonnestroom telt Our World in Data een fictief energieverlies op dat even groot is als het benaderde gemiddelde energieverlies in fossiele elektriciteitscentrales. Dit is bekend als de substitutiemethode;
  • Schrijven in etappes. De eindverantwoordelijkheid voor de verwarring ligt toch echt bij mij. Ten eerste was ik niet op de hoogte van de substitutiemethode. Ik ging er blind vanuit dat Our World in Data de IEA-definitie volgde want dat was de enige definitie die ik kende. Daar komt bij dat ik grotere artikelen vaak in etappes schrijf. Meestal komt er wel een actueel thema of een drukke periode op het werk tussendoor. In dit geval was ik begin 2020 begonnen aan dit stuk. Toen had ik ook de data gedownload bij Our World in Data. Naar nu blijkt volgt de data die ik destijds heb gedownload wel  de directe methode. Ik weet niet of ik dat destijds per ongeluk goed heb gedaan of dat het destijds de enige beschikbare dataset was;
  • Gemiste waarschuwing. Bij het afschrijven van dit stuk in de kerstvakantie van 2020 constateerde ik een aanzienlijk verschil in de totalen tussen mijn eigen grafieken en die van Our World in Data (figuren 1 en 6, nu hersteld). Ik heb gespeurd en gedacht waar’m dat in kon zitten maar kwam er niet achter. Uiteindelijk heb ik besloten dat de absolute waarden voor dit stuk niet van het grootste belang waren en het artikel met deze disclaimer alsnog gepubliceerd:
    • “Tussen Figuur 1 en Figuren 2 en 3 bestaat een afwijking van meerdere duizenden TWh’s. De data heb ik als ik mij goed herinner ten tijde van de eerste lockdown in maart 2020 gedownload en deels al bewerkt. Figuur 1 heb ik als afbeelding pas 30 december 2020 opgeslagen, misschien zit daarin een verschil. Voor deze analyse is het precieze gebruik niet essentieel maar storend is dit wel.”
  • Opgehelderd. Het mysterieuze verschil bleek bij nader inzien dus precies het verschil tussen de directe en de substitutiemethode. Daarmee is de verwarring naar ik hoop opgehelderd. De geleerde les zie ik maar als extra argument om de uitdagingen in de energietransitie uit te drukken in nuttig energieverbruik. 😉

Imagecredit: Pablo Heimplatz, via Unsplash Public Domain

Thijs ten Brinck

Dit vind je misschien ook leuk...