Energieconversierendement: waarom energie nooit voor honderd procent wordt benut
Stel je voor dat je bij een wisselkantoor euro's omruilt voor dollars, en die dollars later weer voor euro's. Bij elke omwisseling houdt het kantoor een commissie in. Je begint met honderd euro, maar na twee keer wisselen hou je er misschien maar tachtig over. Met energie werkt het net zo: telkens als je de ene vorm van energie omzet in een andere - kolen naar elektriciteit, zonlicht naar stroom, elektriciteit naar beweging - gaat er een deel verloren, meestal als warmte die wegstroomt zonder nuttig te zijn. Energieconversierendement is het percentage van de oorspronkelijke energie dat na zo'n omzetting daadwerkelijk bruikbaar overblijft.
Dit klinkt als een technisch detail, maar het is een van de belangrijkste knoppen waaraan we kunnen draaien in de energietransitie. Een elektriciteitscentrale die efficiënter kolen of gas omzet in stroom, stoot voor dezelfde hoeveelheid elektriciteit minder CO2 uit. Een zonnepaneel dat meer zonlicht omzet in stroom, levert meer energie op dezelfde oppervlakte dak. Een elektromotor die minder energie verspilt als warmte, laat een elektrische auto verder rijden op dezelfde batterij. Rendement is dus niet alleen een getal in een technisch rapport, het bepaalt direct hoeveel grondstoffen, ruimte en geld een bepaalde hoeveelheid bruikbare energie kost.
Wat is het precies?
De basis ligt in de natuurkunde, specifiek in de thermodynamica, de leer van warmte en energie. De eerste hoofdwet van de thermodynamica zegt dat energie niet kan verdwijnen of ontstaan, alleen van vorm veranderen. Er gaat dus nooit letterlijk energie 'verloren'. Wat er gebeurt, is dat energie overgaat in een vorm die we niet meer nuttig kunnen gebruiken, meestal laagwaardige warmte die zich verspreidt in de omgeving.
De tweede hoofdwet legt uit waarom dat onvermijdelijk is. Elk energieomzettingsproces verhoogt de zogeheten entropie, een maat voor wanorde. Daardoor kan geen enkele machine warmte volledig omzetten in bruikbare arbeid zoals elektriciteit of beweging. Er is altijd een deel dat als restwarmte wegstroomt, bijvoorbeeld via de koeltoren van een energiecentrale of de uitlaat van een motor.
Voor warmtemachines, zoals stoomturbines en verbrandingsmotoren, bestaat er zelfs een harde bovengrens: het Carnot-rendement, genoemd naar de Franse natuurkundige Sadi Carnot. Dit rendement hangt alleen af van het temperatuurverschil tussen de hete kant van het proces (bijvoorbeeld de verbrandingskamer) en de koude kant (de omgevingslucht of koelwater). Hoe groter dat verschil, hoe hoger het maximaal haalbare rendement. In de praktijk komt geen enkele machine ooit bij dit theoretische maximum in de buurt, door wrijving, warmteverlies door materialen en andere onvolkomenheden.
Niet alle omzettingen zijn warmtemachines. Zonnecellen zetten lichtdeeltjes (fotonen) rechtstreeks om in elektrische stroom via het foto-elektrisch effect, zonder tussenstap via warmte. Hiervoor geldt een ander theoretisch plafond, de Shockley-Queisser-limiet, die voor een standaard siliciumcel rond de 33 procent ligt. Elektromotoren zetten elektrische stroom om in beweging via magnetische velden en kunnen, omdat er nauwelijks warmte als tussenstap nodig is, rendementen van 90 tot 95 procent halen.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste motief is simpel: minder verspilling betekent minder brandstof, minder grondstoffen en minder CO2-uitstoot voor dezelfde hoeveelheid nuttige energie, zoals licht, warmte of beweging. Omdat de meeste landen, waaronder Nederland, streven naar netto-nul CO2-uitstoot rond het midden van deze eeuw, is rendementsverbetering een van de goedkoopste manieren om uitstoot te verlagen: je hoeft er geen nieuwe infrastructuur voor te bouwen, alleen bestaande processen efficiënter te maken.
Daarnaast speelt schaarste van ruimte en materialen een rol. Zonneparken en windparken concurreren om landbouwgrond en natuurgebied. Efficiëntere zonnepanelen leveren meer stroom per vierkante meter, waardoor minder land nodig is voor dezelfde hoeveelheid energie. Batterijen met een hoger rendement vragen minder lithium en kobalt voor dezelfde opslagcapaciteit.
Ten slotte is er een economisch motief. Energieconversie met een laag rendement kost simpelweg meer geld per geleverde eenheid bruikbare energie, omdat er meer brandstof of meer zonnepanelen nodig zijn. Fabrikanten en energiebedrijven hebben dus ook zonder klimaatdoelen een directe prikkel om rendementen te verbeteren.
Voorbeelden uit de praktijk
De Nishi-Nagoya-centrale in Japan, uitgerust met een gasturbine van Mitsubishi Power, behaalde in 2018 een gecertificeerd wereldrecord van 63,08 procent netto rendement voor een gasgestookte centrale, dankzij een combinatie van een gasturbine en een stoomturbine die de restwarmte van de gasturbine hergebruikt (een zogeheten combined cycle). Twee jaar eerder, in 2016, behaalde een vergelijkbare centrale van GE in het Franse Bouchain met 62,22 procent eveneens een wereldrecord. Deze cijfers liggen dicht bij wat met de huidige materialen praktisch haalbaar wordt geacht.
Op het gebied van zonnecellen zette het Duitse onderzoeksinstituut Fraunhofer ISE in 2022 een viercellige tandemzonnecel (een cel met meerdere lagen van verschillende materialen op elkaar) om onder geconcentreerd zonlicht 47,6 procent van het licht in stroom om te zetten, een absoluut recordrendement, al is deze technologie vanwege de kosten vooral geschikt voor ruimtevaarttoepassingen en niet voor daken.
Voor gewone daken is de opkomst van tandemcellen op basis van silicium en perovskiet (een kunstmatig kristal) relevanter. Bedrijven als het Chinese LONGi en het Britse Oxford PV meldden in 2023 en 2024 laboratoriumrendementen van ruim boven de 33 procent voor dit type cel, wat de theoretische limiet van gewone siliciumcellen doorbreekt en de weg opent naar commerciële panelen met hoger rendement.
Een minder spectaculair maar in Nederland zeer relevant voorbeeld is de warmtepomp. Een warmtepomp 'zet' geen energie in de klassieke zin om, maar verplaatst warmte met behulp van elektriciteit, waardoor het rendement (uitgedrukt als COP, coefficient of performance) vaak boven de 100 procent lijkt te liggen, met waarden van 3 tot 5. Voor elke kilowattuur elektriciteit levert de pomp dus 3 tot 5 kilowattuur warmte, omdat een deel van die warmte gratis uit de buitenlucht of bodem wordt onttrokken. Nederlandse onderzoeksinstellingen als TNO testen en optimaliseren dit type systeem actief voor de verduurzaming van de gebouwde omgeving.
Hoe ver is de techniek?
De ontwikkeling verloopt sterk verschillend per technologie. Gasturbines voor elektriciteitscentrales naderen hun praktische plafond: de laatste decennia is het rendement langzaam gestegen van ongeveer 55 naar ruim 63 procent, maar verdere winst wordt steeds duurder omdat materialen tegen de fysieke grenzen van hittebestendigheid aanlopen.
Standaard siliciumzonnecellen zitten inmiddels dicht bij hun theoretische limiet van ongeveer 29 procent voor commerciële cellen (de Shockley-Queisser-grens van 33 procent geldt voor een ideale, verlieze cel). Verdere sprongen worden vooral verwacht van tandemcellen met perovskiet, al is de langdurige stabiliteit van perovskietmateriaal onder vocht en warmte nog een open probleem dat commerciële opschaling vertraagt.
Batterijen laten een geleidelijke, gestage verbetering zien: het round-trip rendement (de verhouding tussen energie die je eruit haalt en energie die je erin stopt) van lithium-ion batterijen ligt inmiddels doorgaans tussen de 85 en 95 procent, en verbetert vooral door betere celchemie en minder interne weerstand.
Waterstof blijft een zwak punt in de keten. Het omzetten van elektriciteit naar waterstof via elektrolyse kost ongeveer 30 tot 40 procent van de energie, en wanneer die waterstof later weer wordt omgezet naar elektriciteit via een brandstofcel, gaat opnieuw een fors deel verloren. Het totale rendement van elektriciteit-naar-waterstof-naar-elektriciteit ligt daardoor vaak niet hoger dan 35 tot 45 procent, wat waterstof minder geschikt maakt voor toepassingen waar directe elektrificatie (zoals met batterijen) wel kan.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten houdt het National Renewable Energy Laboratory (NREL) een veelgeraadpleegde overzichtsgrafiek bij van recordrendementen voor uiteenlopende zonnecceltechnologieën. In Duitsland is Fraunhofer ISE een van de meest toonaangevende instituten voor zonnecelonderzoek, met meerdere wereldrecords op zijn naam.
Op het gebied van gasturbines en centrales lopen Siemens Energy, GE Vernova en het Japanse Mitsubishi Power voorop. In de zonnecelindustrie zijn naast Fraunhofer ISE ook het Chinese LONGi en het Britse Oxford PV belangrijke spelers in de ontwikkeling van tandemcellen.
In Nederland doen TNO en de technische universiteiten van Delft en Eindhoven onderzoek naar efficiëntere warmtepompen, zonnecellen en energieopslag, vaak in samenwerking met het bedrijfsleven en met steun vanuit nationale en Europese subsidieprogramma's. Op internationaal beleidsniveau brengt het Internationaal Energie Agentschap (IEA) regelmatig rapporten uit over de voortgang van energie-efficiëntie wereldwijd en de rol die dit speelt in klimaatdoelstellingen.