Zonne-energie voor de mensheid

Is er voldoende zonne-energie beschikbaar om aan de energiebehoefte van de mensheid te voldoen?

Om deze vraag te kunnen beantwoorden is het allereerst van belang om erachter te komen hoeveel zonne-energie er beschikbaar is. Voor een prima theoretische benadering van de hoeveelheid energie die de Zon uitstraalt pak ik de wet van Štefan-Boltzmann erbij:

Met de straal van de Zon kan ik het oppervlak A, het oppervlak van een bol, uitrekenen:
Van de Zon hebben we de volgende fysische gegevens:
Oppervlaktetemperatuur Zon T 5.772 ∙ 103 K
Straal Zon r 6.957 ∙ 108 m
Waarna een rekenmachine mij verder helpt:

De Zon is een soort lamp van 382.8 quadriljoen Watt die ons zonnestelsel verlicht en verwarmt
De volgende vraag is dan: welk deel van deze energie valt op de Aarde? De energie die de Zon uitstraalt is gelijkmatig in alle richtingen. Wanneer we ons een denkbeeldige bol voorstellen op een afstand van één Astronomische Eenheid (1 AE, de gemiddelde afstand van de Zon tot de Aarde) van de Zon dan is het deel daarvan dat bedekt wordt door de dwarsdoorsnede van de Aarde het deel dat op de Aarde valt:

De energie van de Zon op een afstand van één Astronomische Eenheid,
waarvan een (heel klein) gedeelte van die denkbeeldige bol wordt afgedekt door de Aarde
(het plaatje is niet op schaal)
Ik raadpleeg weer de tabel met fysische gegevens:
Astronomische eenheid AE (exact) 1.49597870700 ∙ 1011 m
Straal Aarde (evenaar) r 6.378 ∙ 106 m
Waarna een rekenmachine mij weer verder helpt:
Wanneer ik deze energie deel door de dwarsdoorsnede van de Aarde dan vind ik de zogenaamde zonneconstante:
Hier zijn enkele kanttekeningen op zijn plaats: Kortom, de zonneconstante is enigszins misleidend in woord en inhoud.

En er is nog een kink in de kabel. Het albedo van de Aarde is 0.38, dit houdt in dat 38% van de energie die op de Aarde valt direct wordt gereflecteerd de ruimte in (het albedo van een zwart oppervlak nadert naar nul, het albedo van bijvoorbeeld sneeuw nadert naar één). De resterende 100 − 38 = 62% dringt werkelijk de atmosfeer binnen:
Ongeveer honderd petajoule, iedere seconde weer, dat is wat de Zon ons al miljarden jaren cadeau doet. Is dit voldoende om de immense energiehonger van de mensheid te stillen?
Het eerste deel van de vraag, wat ontvangen wij aan energie van de Zon, is beantwoord, en dan komt nu het tweede deel. Wat consumeren wij aan energie? Daar is uiteraard van alles over te vinden op internet, en volgens Wikipedia is dat als volgt (het getal voor 2021, het meest rechtse oranje blokje, heb ik zelf geëxtrapoleerd):

Het wereldenergieverbruik in TWh (bron: Wikipedia)
Het wereldenergieverbruik van 167700 TWh/jaar (in 2021) = 1.677 ∙ 1017 Wh/jaar = 6.037 ∙ 1020 Ws/jaar = 6.037 ∙ 1020 J/jaar = 1.913 ∙ 1013 J/s = 19.13 TJ/s = 19.13 TW. De energie die wij van de Zon ontvangen en dit getal ga ik vervolgens op elkaar delen.
Wij ontvangen per seconde 100 petajoule van de Zon
en wij consumeren per seconde 20 terajoule,
daar zit een factor 5000 tussen.
Over de afrondingen die ik in deze conclusie doe daar gaat het wat mij betreft nu even niet om en ook niet om de nauwkeurigheid van de energieverbruikgetallen die ik van Wikipedia heb geplukt. Dus of het een factor 4000 of 6000 is maakt nu even niet uit, het is ruwweg 5000. Met andere woorden, we hoeven slechts 0.2 promille van de energie die we van de Zon ontvangen te oogsten en klaar is Kees. Dat klinkt als een eitje, toch? Graag wil ik toch nog even uitweiden over bovenstaande conclusie. Er zijn twee mogelijkheden om zonne-energie te oogsten:

Het vermogen van een windturbine ligt momenteel rond de 1 MW, dus er moeten 20 miljoen turbines geplant worden op de planeet om de beoogde opbrengst te halen. Dat zijn er best veel, maar deze industrie is inmiddels volwassen geworden en opschaling begint nu echt op gang te komen. Die ene megawatt per turbine is aan het stijgen en het rendement, dat nu op ongeveer 40% ligt, is nog stijgende (het theoretische maximum is 59% volgens de wet van Betz). Bovendien zijn windturbines niet aan het land gebonden, maar kunnen ook in zee neergezet worden (waar het doorgaans ook nog harder waait). De nadelen van windturbines zijn uiteraard het lawaai en het gevaar voor alles wat zich in de lucht bevindt, te beginnen met de vogels. Over smaak valt zoals gewoonlijk niet te twisten, want er zijn genoeg mensen die ze lelijk vinden (‘horizonvervuiling’) terwijl ik ze mooi vind.

Het rendement van een zonnepaneel is ongeveer 20%, dus je moet 1 promille van het oppervlak van de planeet volleggen met zonnepanelen om de beoogde opbrengst te halen. Daarnaast bestaat tweederde van het aardoppervlak uit water en daar zie ik voorlopig nog geen zonnepanelen verschijnen (en misschien wel nooit, maar zeg nooit nooit). Dit betekent wel dat daarom 3 promille van het landoppervlak volgelegd moet worden met zonnepanelen. En zowel aan de dagzijde van de Aarde als aan de nachtzijde, om een continue stroomvoorziening te waarborgen, dus 6 promille van het landoppervlak moet volgelegd worden met zonnepanelen. Bovendien moet je overcapaciteit hebben, want de Zon schijnt natuurlijk niet altijd overal uitbundig. Wat ik maar even wil zeggen is dat je toch langzaam maar zeker in de onprettige getallen terecht komt (we naderen de 1%...). Voeg daarbij dat de tropen en de subtropen de gunstigste plekken zijn om zonnepanelen te plaatsen, terwijl de grootste energieverbruikers veel noordelijker wonen. Dit leidt dan weer tot transportproblematiek en onvermijdelijk ook tot rendementsverlies. Kortom, je hebt er uiteindelijk heel erg veel nodig, plus een nog niet aanwezige infrastructuur. En ook al hebben zonnepanelen geen bewegende onderdelen, toch hebben ze verre van het eeuwige leven (na enkele decennia moeten ze weer vervangen worden).

Dit alles in overweging nemende ben ik geneigd de beginvraag “Is er voldoende zonne-energie beschikbaar om aan de energiebehoefte van de mensheid te voldoen?” met een volmondig “ja” te beantwoorden. Maar simpel is het allerminst en bovendien zijn we veel te laat begonnen (in het licht van de klimaatproblematiek). Hier komt nog bij dat de wereldbevolking tot het einde van deze eeuw nog wel blijft doorgroeien en de vraag naar energie navenant laat stijgen. Zoals bovenstaande grafiek laat zien is het wereldenergieverbruik de afgelopen halve eeuw ruimschoots verdubbeld en er is geen enkele reden om aan te nemen dat het verbruik zal gaan afvlakken. Steeds meer landen maken de sprong naar welvaart, waar ik op zich blij om ben, maar een dergelijke sprong gaat gelijktijdig gepaard met een enorme sprong in het energieverbruik (kijk maar om je heen, wat doe jij nog zelf in plaats van dat je het door een apparaat laat doen?). De toekomst wordt superspannend, gaat de mensheid langs het randje van de afgrond of erover? Laten we de Zon koesteren, het is onze sleutel tot overleving, nu meer dan ooit.