Energieverbruik in de industrie Handboek voor Leerlingen
Editie NL 1.0 - Oktober 2010 Bekijk de IUSES project website www.iuses.eu voor nieuwe en verbeterde versies. Disclaimer Dit project wordt gefinancierd met steun van de Europese Commissie. Deze publicatie geeft de mening van de auteurs weer. De Commissie kan niet verantwoordelijk gehouden worden voor het gebruik van de informatie uit deze publicatie.
Auteurs: Tadhg Coakley (Clean Technology Centre - Cork Institute of Technology ), Noel Duffy (Clean Technology Centre - Cork Institute of Technology ), Sebastian Freiberger (Stenum), Johannes Fresner (Stenum), Jos Houben (University of Leoben), Hannes Kern (University of Leoben), Christina Krenn (Stenum), Colman McCarthy (Clean Technology Centre - Cork Institute of Technology ), Harald Raupenstrauch (University of Leoben) Layout Fabio Tomasi (AREA Science Park) Vertaling en aanpassingen: Lieke Dreijerink (IVAM), Jan Uitzinger (IVAM)
Over dit handboek en IUSES Dit handboek is ontwikkeld in het kader van het IUSES (Intelligent Use of Energy at School) Project dat wordt gefinancierd door het Intelligent Energy Europe (IEE) Programma van de Europese Commissie. De partners van het project zijn: AREA Science Park (Italië), CERTH (Griekenland), CIRCE (Spanje), CTC - Cork Technologie Instituut (Ierland), Enviros s.r.o. (Tsjechië), IVAM UvA BV (Nederland), Jelgava Adult Education Centre (Letland), Prioriterre (Frankrijk), Science Centre Immaginario Scientifico (Italië), Slovenski E-forum (Slovenië), Stenum GmbH (Oostenrijk), Universiteit “Politehnica” van Boekarest (Roemenië), Universiteit van Leoben (Oostenrijk), Universiteit van Roese (Bulgarije). Copyright noten Dit handboek kan vrij gekopieerd en verspreid worden, onder voorwaarde dat altijd de copyrightnoten vermeld worden; ook in het geval van gebruik van gedeeltes. Docenten, trainers en iedere andere gebruikers of verspreiders moeten altijd de auteurs, het IUSES project en het Intelligent Energy Europe (IEE) Programma vermelden. Het handboek mag ook vertaald worden in andere talen. Vertalers moeten de copyrightnoten vermelden en de vertaalde teksten versturen naar de projectcoördinator (
[email protected]) zodat deze teksten op de IUSES project website kunnen worden geplaatst om verder verspreid te worden.
I
Inhoudsopgave …………………………………………………… VOORWOORD................................................................................................................. 3 HOOFDSTUK 1: INTRODUCTIE OVER ENERGIE ................................................. 5 Wat is energie? ........................................................................................................... 5 Problemen met Energie ............................................................................................. 5 Energiebronnen .......................................................................................................... 5 Energieverbruik ......................................................................................................... 6 Energie en Vermogen................................................................................................. 8 Menselijk Vermogen .................................................................................................. 8 HOOFDSTUK 2: ENERGIEBRONNEN...................................................................... 11 Problemen met Niet-Hernieuwbare (Fossiele & Nucleaire) Energiebronnen .... 14 Hernieuwbare Energie............................................................................................. 15 Gebruik van Hernieuwbare Energie in de Industrie ............................................ 16 HOOFDSTUK 3: TRANSFORMATIE VAN ENERGIE EN VERBRUIK IN DE INDUSTRIE........................................................................................................ 19 3.1 TRANSFORMATIE VAN ENERGIE (ENERGIEDRAGERS)........................... 19 Energietypen en dragers.......................................................................................... 19 Brandstof Productie ................................................................................................. 20 Elektriciteit Productie.............................................................................................. 20 Combi-centrales........................................................................................................ 21 Warmtekrachtkoppeling Centrales........................................................................ 22 Nationale Energie Balans en Energie Intensiteit................................................... 23 3.2 EINDGEBRUIKERS VAN ENERGIE IN DE INDUSTRIE................................ 26 Werking van boilers................................................................................................. 26 Ventilatoren en blazers ............................................................................................ 29 Perslucht.................................................................................................................... 32 Koeling en Verwarming Vloeistoffen ..................................................................... 34 Referenties: ............................................................................................................... 35 1
HOOFDSTUK 4: ENERGIE MANAGEMENT ...........................................................36 Doelen van een energie management systeem........................................................37 Elementen van een energiemanagement systeem ..................................................38 Energiebeleid.............................................................................................................39 Planning .....................................................................................................................40 Implementatie en Werking ......................................................................................44 Audit...........................................................................................................................46 Management Review.................................................................................................47 Referenties:................................................................................................................48 HOOFDSTUK 5: ENERGIEZUINIGHEID IN DE PAPERINDUSTRIE.................49 Introductie .................................................................................................................49 De levenscyclus van papier.......................................................................................51 Grondstoffen voor de papierproductie ...................................................................51 Productieproces van papier .....................................................................................54 Papier recycling vs. gebruik van verse vezels.........................................................59 Productie van vellen papier in de papier machine.................................................64 Referenties .................................................................................................................76
2
Voorwoord Energie is overal! Het zorgt ervoor dat dingen gebeuren en dat dingen bewegen. Het geeft ons licht en warmte. We gebruiken het om te reizen, om ons eten klaar te maken, om ons eten vers te houden en om ons eten te produceren. Over dit Handboek Dit handboek “Energieverbruik in de Industrie” is onderdeel van het lesprogramma “Intelligent USe of Energy at School”. Dit programma is bedoeld om leerlingen de basisprincipes van energiebesparing te leren. Naast dit handboek zijn er handboeken over “Energieverbruik in Transport” en over “Energieverbruik in Gebouwen”. In dit handboek wordt beschreven wat energie is en hoe het werkt, in het bijzonder in de industrie. De verschillende termen worden uitgelegd, de verschillende energiebronnen komen aan bod, net als hoe elektriciteit wordt opgewekt en hoe energie wordt gebruikt in de industrie. Een van de hoofddoelen van dit programma en van dit handboek is te laten zien hoe we energie beter, schoner, en uit hernieuwbare bronnen kunnen produceren en hoe we het beter kunnen organiseren zodat er minder energie wordt verspild. Opzet van het Handboek Dit handboek is bedoeld om jou op een interessante en interactieve manier informatie te geven en het bevat veel soorten informatie zoals tekst, plaatjes, grafieken, definities, tips, belangrijke punten etc. Het bevat ook veel activiteiten, oefeningen, vragen en dingen om te doen. Hier is eerst een kort overzicht van wat er in ieder hoofdstuk staat. Hoofdstuk 1: Introductie over Energie Hoofdstuk 1 gaat in op wat energie is en wat het betekent. Er wordt een aantal definities beschreven over hoe energie wordt gemeten – welke meeteenheden gebruikt worden en wat deze betekenen. Ook de betekenis van “vermogen” wordt uitgelegd. Bovendien wordt duidelijk dat de industrie en de samenleving op grote schaal afhankelijk zijn van het gebruik van energie waarbij energie die een mens zelf produceert alleen niet genoeg is. Daarbij laten we zien dat energieproductie op grote schaal voor milieuproblemen zorgt en dat de belangrijkste energiebronnen opraken. Hoofdstuk 2: Energiebronnen In dit gedeelte wordt uitgelegd waar energie vandaag komt. De belangrijkste soorten energie die we gebruiken zijn fossiele brandstoffen zoals olie, steenkool en gas die niet hernieuwbaar zijn en maar één keer gebruikt kunnen worden. De uitstoot als gevolg van deze bronnen draagt voor een aanzienlijk deel bij aan klimaatverandering. Andere energiesoorten, van hernieuwbare bronnen zoals de zon, de wind of de zee, gaan steeds maar door en veroorzaken geen opwarming van de aarde. We kunnen tegenwoordig ook energie produceren uit bronnen die we “afvalmaterialen” noemen. Energie komt dus uit verschillende bronnen; sommige veel beter en schoner dan andere. We laten trends in energieverbruik zien en de aanzienlijke bijdrage van de industrie. Hoofdstuk 3: Omzetten van Energie (energiedragers & industrieverbruik) In dit gedeelte wordt uitgelegd dat energie vaak wordt omgezet in vervoerbare brandstoffen (via olieraffinage) of in elektriciteit (door gebruik te maken van energiecentrales). Soms produceren we zowel elektriciteit als bruikbare warmte. We kijken naar de totale energievraag in een land en laten zien dat de industrie een grootverbruiker is, vergelijkbaar met transport en huishoudens. Ten slotte wordt het idee van energie intensiteit geïntroduceerd. Hoofdstuk 4: Energie management Dit hoofdstuk beschrijft hoe een energie management systeem toegepast kan worden in de industrie. Een vergelijkbare aanpak kan overgenomen worden door een school als een structuur voor haar eigen energie management. Deze aanpak kan dus gebruikt worden door zowel kleine 3
als grote organisaties! Hoofdstuk 5: Praktijkvoorbeeld uit de papierindustrie Hoofdstuk 5 presenteert het proces van papierproductie. Dit is gekozen als voorbeeld om te laten zien hoe energieprocessen in de industrie werken. Daarbij worden ook instructies gegeven hoe je zelf papier kunt maken. Iconen en tips in the handboek In dit handboek proberen we de informatie voor je op te delen in behapbare en interessante delen. Het bestaat niet alleen maar uit pagina’s tekst. Als we definities beschrijven, of een activiteit, een leerdoel, een belangrijk punt of een referentie etc., zetten we er een pictogram naast. Let op deze pictogrammen:
Definitie: dit geeft een definitie van een term aan, en legt uit wat het is. Opmerking: Dit laat zien dat iets belangrijk is, een tip of een essentieel deel aan informatie. Let hierop! Leerdoel: Deze staan aan het begin van ieder hoofdstuk en lichten toe wat je in het hoofdstuk zult leren. Experiment, Oefening of Activiteit: Dit geeft aan dat je iets gaat doen, op basis van wat je geleerd hebt. Internet link: Hier staat een internet adres waar je meer informatie kunt Referentie: Hier komt de informatie vandaan. Praktijkvoorbeeld: Als we een echt voorbeeld geven van een industrie of een echte situatie. Kernpunten: Dit is een samenvatting (meestal in opsommingstekens) van wat er besproken is, vaak aan het eind van een hoofdstuk. Vraag: Hier vragen we je om over een vraag na te denken, vooral aan het eind van een hoofdstuk. Hierna: Dit is het eind van een hoofdstuk en hier wordt verteld wat hierna komt.
4
Hoofdstuk 1: Introductie over Energie Leerdoel: In dit Hoofdstuk leer je: Wat energie is en wat het betekent Een kort overzicht van een paar grote problemen met energieverbruik, de bronnen en hoe we deze gebruiken Wat is energie? Zoals we al eerder beschreven, is energie overal om ons heen en zonder energie zouden we niet kunnen leven. We gebruiken het iedere dag, op veel verschillende manieren. Het eten dat we eten bevat energie; voor het papier waar deze tekst op staat was energie nodig om het te produceren en het licht waarbij je dit leest, is ook energie. Maar waar komt al deze energie vandaan? En wat doen we ermee? Gebruiken we het op een verstandige manier of verspillen we het onnodig? Wat gaan we doen als alle steenkool en olie op is? Dit zijn maar een paar van de vragen die we in dit handboek proberen te beantwoorden. We moeten ook nadenken over wat het omzetten en gebruik van energie veroorzaakt. Ooit gehoord van klimaatverandering? Uitstoot van broeikasgassen? Dit zijn serieuze problemen voor de hele wereld en energieproductie is een van de belangrijkste oorzaken. Maar het hoeft niet op deze manier te gaan – er is een betere manier om energie te produceren en te gebruiken en we gaan hier en over andere onderwerpen leren als we dit handboek doorlopen. Definitie: Energie wordt meestal omschreven als de capaciteit om arbeid te verrichten. De hoeveelheid energie dat iets heeft, is de hoeveelheid werk dat het kan doen. Problemen met Energie Uitstoot als gevolg van energieproductie door fossiele brandstoffen is de nummer één oorzaak van klimaatverandering. De winning en het gebruik van deze brandstoffen veroorzaken bovendien vervuiling en we moeten er rekening mee houden dat deze fossiele stoffen opraken. Dit betekent dat de zekerheid van het aanbod erg belangrijk is tegenwoordig – en wij zijn erg afhankelijk van in het bijzonder olie en kolen. Het gebruiken van duurzame energie en het toepassen van energiezuinige maatregelen vormen de beste manier om de schade aan onze planeet te verminderen. Dit is belangrijk in ons dagelijks leven, maar ook in de industrie en de zakelijke wereld. Energiezuinigheid in de industrie, of totale zelfvoorziening door hernieuwbare bronnen, leiden niet alleen tot een beter milieu maar het kan ook leiden tot meer winst voor bedrijven. Dit als gevolg van lagere energiekosten en een efficiënter proces. Hier gaan we later verder op in. Energiebronnen De natuur geeft ons talrijke energiebronnen, waaronder straling van de zon, stromend water (hydro), oceaangolven, wind en de getijden. Energie komt ook uit fossiele brandstoffen (inclusief steenkool, olie en aardgas). Deze bronnen zijn in te delen in hernieuwbare en niethernieuwbare bronnen. Hernieuwbare energiebronnen zijn er in verschillende soorten: Gravitatiekrachten van de zon en maan, die zorgen voor de getijden; Rotatie van de aarde in combinatie met zonne-energie, die zorgen voor wind en stromingen in de oceaan; 5
Verval van radioactieve mineralen en de interne warmte van de aarde, die zorgen voor geothermische energie; Fotosynthetische productie van organische stoffen (biomassa); De directe warmte van de zon (straling).
Deze energiebronnen worden hernieuwbaar genoemd omdat ze ofwel continu aangevuld worden of, voor alle praktische doelen, onuitputtelijk zijn. Niet-hernieuwbare energiebronnen zijn fossiele brandstoffen (aardgas, aardolie, kolen en turf) en nucleaire brandstoffen (Uranium). Fossiele brandstoffen hebben een hoge energie-inhoud en komen wijd verspreid voor. De meeste industrieën, diensten en transportsectoren in de wereld zijn afhankelijk van deze niethernieuwbare energiebronnen. Energieverbruik Volgens het Internationale Energie Agentschap (IEA), blijft het gemiddelde energieverbruik wereldwijd gemiddeld met 2% per jaar stijgen. Deze jaarlijkse toename van het energieverbruik leidt iedere 35 jaar tot een verdubbeling. Energieverbruik hangt enigszins samen met economische prestaties, maar er is een groot verschil tussen de hoeveelheid energie die verbruikt wordt in de meest ontwikkelde landen vergeleken met de armere landen. Wist jij dat een gemiddelde inwoner van de Verenigde Staten 57 keer meer energie verbruikt dan iemand in Bangladesh? De VS verbruiken 25% van de energie in de wereld (met een aandeel van 22% in de mondiale productiviteit en van 5% in de wereldpopulatie). Opmerking: De grootste groei van energieverbruik is op het moment te zien in China, dat de laatste 25 jaar met 5,5% per jaar gegroeid is. In Europa is de groei ongeveer 1%.
Vraag: Wat laten deze vier bovenstaande plaatjes zien? Beschrijf in één paragraaf per plaatje wat de relatie is met energie.
Kernpunten: Energie is belangrijk voor ons leven maar vinden we het misschien te vanzelfsprekend. Energieproductie en verbruik veroorzaken enorme schade aan de planeet en daar moeten we mee ophouden. Energie is afkomstig van verschillende bronnen. De oudere bronnen (olie, kolen etc.) raken op en hernieuwbare bronnen bieden de enige mogelijkheid om het energie aanbod voor de toekomst veilig te stellen. 6
Internet links Internationale Energie Agentschap (IEA): http://www.iea.org Europees Milieuagentschap (EEA): http://www.eea.europa.eu/themes/energy Hierna: In het volgende deel definiëren we vermogen, worden de meeteenheden van energie en vermogen behandeld, en doen we een aantal oefeningen.
7
Energie en Vermogen Leerdoel: In dit Hoofdstuk leer je: De belangrijkste meeteenheden van energie en vermogen en hoe je deze kunt toepassen Door middel van een experiment, hoe energie omgezet kan worden van de ene vorm naar de andere Definitie: Vermogen is de snelheid waarmee arbeid wordt verricht of de snelheid waarmee energie wordt omgezet van de ene vorm in de andere, bijvoorbeeld van chemische energie (kolen) in elektrische energie in een energiecentrale en van elektrische in mechanische energie in een motor. Eenheden voor Energie en Vermogen Joule (J) – De eenheid van energie is de joule. Eén joule is de energie die nodig is om een object te verplaatsen met een kracht van 1 newton over een afstand van 1 meter in de richting van die kracht.
Watt (W) – De eenheid van vermogen is de watt. Met een vermogen van 1 watt kan een energie van 1 joule in 1 seconde uitgeoefend worden. Vermenigvuldiging van eenheden: Omdat een joule en een watt vrij klein zijn, spreken we vaak van duizenden joules – een kilo joule (kJ), miljoenen joules (MJ (megajoules)) of miljarden joules (GJ (gigajoules)). Zo hebben we ook de kilowatt (kW), megawatt (MW) en gigawatt (GW).
Menselijk Vermogen Maar wat betekenen watts en joules in werkelijkheid? Hoeveel gebruiken we in ons eigen lichaam? En is dat genoeg om ons leven te kunnen leiden? Een Olympische gewichtheffer kan 1.500 – 1.800 W leveren, maar niet langer dan een minuut.
Een wielrenner in de Tour de France kan 500 W gedurende meerdere uren halen. Een zittend persoon “in rust”, gebruikt ongeveer 100 W voor de basis lichaamsprocessen: ademen, denken, etc.
“Paardenkracht” is een oude meeteenheid met verschillende definities maar is gewoonlijk gelijk aan 745 W – dus er werd (optimistisch) gedacht dat een paard in staat was om 745 W te leveren. Maar in de praktijk zijn menselijke of paardenkracht niet meer genoeg voor ons, gezien de manier waarop we leven. Dit zijn kleine hoeveelheden vergeleken met wat we nodig hebben om 8
onze elektriciteit te produceren, onze fabrieken te laten draaien, ons transport te laten lopen etc. Daarom hebben we olie, gas, wind en zonne-energie zo hard nodig. Eenheden van Energie en Vermogen Kilowattuur (kWh) is een eenheid van energie Ton olie-equivalent (toe) – Dit is een of arbeid, meestal gerelateerd aan elektrische gebruikelijke standaardeenheid voor energie, maar wordt ook gebruikt om andere energie en is gedefinieerd op basis energievormen te beschrijven. Als energie van een ton aardolie die een netto verbruikt wordt in een tempo van 1000 joules calorische waarde heeft van 41.868 per seconde (ofwel 1000 W) gedurende 1 uur, kJ, ofwel van ongeveer 42 GJ. Deze eenheid is handig wanneer grote dan is 1 kilowattuur aan energie verbruikt. Bijvoorbeeld, als een gloeilamp van 100W 10 h o e v e e l h e d e n v e r s c h i l l e n d e uur aanstaat, verbruikt hij 1 kilowattuur (100W brandstoffen onderling vergeleken x 10 uur = 1.000 Wh = 1 kWh). Dit is gelijk moeten worden. 1 toe = 11,630 MWh aan 3,6 miljoen joule. Oefening – Experiment: In dit experiment gaan we: Bekijken hoe energie van de ene vorm in de andere vorm kan worden omgezet (van elektrisch naar thermisch); Een simpele energie balans uitvoeren; En beoordelen hoe “groot” een joule of watt echt is. Als je water opwarmt in een elektrische waterkoker wordt de elektrische energie omgezet in thermische energie, waardoor de temperatuur van het water stijgt. De soortelijke warmte van een stof is de hoeveelheid energie die nodig is om de temperatuur van 1 kilo van deze stof met 1 graad te veranderen. Dat kun je uitdrukken in Celsius of Kelvin (K), aangezien de verschillen in temperatuur, uitgedrukt als graden Celsius of Kelvin, hetzelfde zijn. De eenheid is J/kg K. De soortelijke warmte voor water is ongeveer 4.180 J/kg K. Als een kilogram water van 20°C verwarmd wordt tot 60°C, is er 167.200 J nodig, berekend uit: 1 kg x 4180 J/kg K x (60-20) graden K. Dit is 167,2 kJ, dus je kunt zien dat één joule geen grote hoeveelheid energie is! Voor dit experiment heb je nodig: Water, een weegschaal, een elektrische waterkoker, een thermometer, een plug-in kWh-meter en een klok. Dit moet je doen: 1. Vul de waterkoker met een afgemeten hoeveelheid water en meet de temperatuur van het water. 2. Begin de tijd op te nemen wanneer je de waterkoker aanzet en meet de stroom die de waterkoker verbruikt in watt. 3. Als de waterkoker uitgaat, stop dan de tijdmeting en meet voorzichtig de temperatuur (kijk uit voor brandwonden!). 4. Bereken de energie input aan de hand van de wattmeter en de verwarmingstijd. 5. Door gebruik te maken van wat je weet over de watermassa, de gemeten temperatuursstijging en de soortelijke warmtecapaciteit van water, kun je de hoeveelheid warmte verkregen door het water uitrekenen. Vraag: Is de berekende waarde even groot als de gemeten waarde? Zo nee, waarom niet? 9
Opmerking: Hoewel de energietransformatie in de waterkoker een hoge efficiency kan hebben, wordt de elektriciteit waarschijnlijk geproduceerd in een fossiele brandstof energiecentrale, met een efficiency van minder dan 50 %. Meer hierover volgt later!
Vraag: 1. Als een hardwerkend persoon gemiddeld 200W aan energie kan produceren, hoeveel joules aan arbeid kan een persoon produceren in een gemiddeld werkjaar? Wat is de waarde uitgedrukt in kWh? 2. Je wattmeter kan misschien bepalen hoeveel kilowattuur energie verbruikt wordt voor een specifieke taak. Als dat zo is, bekijk dan hoeveel energie nodig is om een hoeveelheid kleren of afwas te wassen? 3. Stoomsystemen worden vaak gebruikt in de industrie, omdat om water te laten verdampen latente warmte nodig is – die vrijkomt als stoom condenseert. Latente warmte is de hoeveelheid energie in de vorm van warmte die wordt vrijgelaten of geabsorbeerd door een chemische stof gedurende een verandering van de toestand waarin het verkeert (zoals vast, vloeistof of gas) ofwel “fase overgang”. Wat is de latente warmte van 1 kg water (bij atmosferische druk) en hoe verhoudt zich dat tot de voelbare warmte die nodig is om de temperatuur van vloeibaar water te verhogen tot 80 graden Celsius? Definitie: Latente warmte is de hoeveelheid energie die in de vorm van warmte wordt uitgezonden of geabsorbeerd door een chemische stof tijdens een fase overgang.
Kern Punten: De eenheden van energie en vermogen zijn joule en watt, maar omdat hun waarden erg klein zijn gebruiken we veelvoudigheden hiervan als onze normale meeteenheden. De energie die we dagelijks verbruiken overstijgt ruim onze eigen menselijke energieproducerende vermogen.
Internet links: Internationaal Energie Agentschap (IEA): http://www.iea.org Europees Milieu Agentschap: http://www.eea.europa.eu/themes/energy
Hierna: In het volgende deel gaan we in op waar de energie voor onze samenleving vandaan komt, hoe het omgezet en verdeeld wordt, voordat we gaan bekijken waar het gebruikt wordt in de industrie.
10
Hoofdstuk 2: Energiebronnen Leerdoel: In dit hoofdstuk leer je: De belangrijkste energiebronnen, zowel hernieuwbaar als niet-hernieuwbaar Hoe het verbruik van hernieuwbare energie groeit Primaire energie is energie die geen omzetting of transformatieproces heeft ondergaan. Primaire energie omvat niet-hernieuwbare energie in ruwe brandstoffen zoals steenkool, ruwe olie, aardgas, uranium, en hernieuwbare energie zoals zonnestraling, wind, water en aardwarmte. Als we kijken naar trends in het aanbod van de aparte energiebronnen, zien we dat de afgelopen 35 jaar er wereldwijd een totale toename van het energieverbruik is. Hierbinnen hebben gas en nucleaire energie een groter aandeel in het totale aanbod gekregen, met een relatieve afname van het gebruik van olie. Europa is nog steeds sterk afhankelijk van fossiele brandstoffen. Tussen 1990 en 2005 is het aandeel fossiele brandstoffen in het totale energieverbruik een beetje afgenomen, van ongeveer 83% tot 79% (zie Figuur 1 hieronder). In de eerste 10 jaar van deze periode, werd gas steeds meer gebruikt voor het opwekken van energie, waarbij het aandeel aan steenkool afnam. Dit resulteerde in een enorme afname van uitstoot de lucht in. Sinds 1999 is het gebruik van kolen weer toegenomen als gevolg van zorgen over de zekerheid van gasaanvoer en stijging van de gasprijzen.
Fig.1 Totaal Primaire Energieverbruik door Brandstof, 27 EU landen Bron: EEA, Energy & the Environment, 2008
Op dit moment groeit binnen het totale primaire energieverbruik hernieuwbare energie jaarlijks het hardste, met een gemiddelde van 3,4 % tussen 1990 en 2005. Biomassa en afval zijn bronnen die de grootste groei laten zien, zoals blijkt uit Figuur 2.
11
Fig.2 Bijdrage van Hernieuwbare Energiebronnen aan Primair Energieverbruik in de 27 EU landen Bron: EEA, Energy & the Environment, 2008
Verschillende landen verbruiken verschillende hoeveelheden primaire energie, afhankelijk van hun populatie, energie intensiteit en hun industrie, klimaat, etc. Figuur 3 laat het primaire energieverbruik in een aantal Europese landen in 2006 zien, uitgedrukt in tonnen olie equivalent. [dus alle energie die landen produceren, verbruiken ze ook zelf?]
Fig.3 Primaire Energieproductie in Europese Partner Landen 2006, (in 1,000 t.o.e). Bron: Eurostat website
Het is interessant om te kijken naar de energiemix in de verschillende landen. Volgens gegevens uit 2005 komt binnen de 27 EU landen 79% van de energie uit olie, gas en kolen, met aandelen van respectievelijk 37%, 25% en 18%. Iets meer dan de helft (54%) daarvan wordt geïmporteerd. In de figuur hieronder zie je het totale energieverbruik in ieder land als 100%. Deze 100% is vervolgens opgedeeld naar de verschillende energiebronnen.
12
Fig.4 Aandeel per brandstof in totale Primaire Energieverbruik in EU Landen in 2005. Bron: EEA, Energy & the Environment, 2008
Figuur 5 hieronder laat voor de 27 EU landen de bron van primaire energie zien en de uiteindelijke sector waarin de energie verbruikt wordt. Bijna een kwart van de verbruikte primaire energie gaat verloren in transformatie en distributie. De energiesector zelf verbruikt iets meer dan een verdere 5% voor het eigen functioneren. In deze figuur zien we het relatieve belang van de verschillende energiebronnen en de energieverbruikende sectoren, met de industrie die minder dan een vijfde voor haar rekening neemt.
Fig.5 Structuur van de efficiency van omzetting en distributie van energie van primair energieverbruik tot uiteindelijk energieverbruik, EU-27, 2005. Bron: EEA & Eurostat
Het uiteindelijke energieverbruik in de 27 EU landen daalde tussen 1990 en 2005 met ongeveer 11%. Een belangrijke oorzaak was de economische recessie van begin jaren ’90, zoals te zien in Figuur 6. Naast dat binnen de EU de efficiency verbeterde, was er een verschuiving naar een minder energie-intensieve industrie en een economie die op diensten is gebaseerd. Hoewel dit het energieverbruik binnen de EU heeft verminderd, moeten we ons zelf blijven zien als indirecte gebruikers van deze energie en producenten van broeikasgassen en andere vervuilende stoffen als we producten gebruiken die nu buiten de EU worden geproduceerd.
13
Fig.6 Uiteindelijk Energieverbruik per Sector. Bron: Eurostat, EEA
Problemen met Niet-Hernieuwbare (Fossiele & Nucleaire) Energiebronnen We produceren koolstofdioxide als we fossiele brandstoffen verbranden, waardoor we bijdragen aan klimaatverandering. Daarbij produceren we rook en gassen die leiden tot verzuring, afhankelijk van de verbrandingsomstandigheden, de gebruikte apparatuur om uitlaatgassen te zuiveren en de samenstelling van de brandstof. Fossiele brandstoffen zijn een beperkt beschikbare hulpbron en ze bevinden zich vaak ver weg van Europa. Probleem
Oplossing
Eindigheid hulpbronnen
Er is geen ontkomen aan dat kolen, olie en gas beperkt zijn. We kunnen de diepe zeeën, de Arctische en Antarctische gebieden afzoeken naar meer fossiele brandstoffen, maar dit zal steeds voor hogere financiële en ecologische
Zekerheid aanbod
Naast dat ze eindig zijn, zijn we afhankelijk van verscheping en pijpleidingen om fossiele brandstoffen van rond de wereld naar ons te transporteren. Politieke onzekerheid kan ervoor zorgen dat we geen toegang meer hebben tot
Broeikasgas uitstoot
Er bestaan plannen om technologieën te ontwikkelen om geproduceerde koolstofdioxide op te vangen en op te slaan, maar er zijn onzekerheden over de technische haalbaarheid, de kosten en de risico’s van opslag.
Vervuilende uitstoot
Dure gaszuivering apparaten, brandstofpreparatie en geavanceerde verbrandingscontroles zijn succesvol geweest in het verminderen van 14
Al deze oplossingen hebben hun eigen problemen, en dus is een toename van de efficiency en het intensieve gebruik van energie uit hernieuwbare bronnen een belangrijk doel voor de toekomst. Peak Oil: Uit 18 erkende schattingen van aanbodprofielen blijkt dat bij een snelheid van 93 miljard vaten per dag (“mbd”) de piek in oliewinning zal plaatsvinden in 2020. Het huidige olieverbruik heeft een snelheid van 0,18 ZJ per jaar (31,1 miljard vaten) of 85-mbd. Er bestaat echter een wereldwijde zorg dat we “peak oil” al bereikt hebben, omdat de snelheid van nieuw ontdekte bronnen niet genoeg is om aan onze groeiende vraag te voldoen. (bron: www.peakoil.com)
Fig 7 Wereldproductie vs. tijd (bron: ASPO, 2005)
In 1956 voorspelde M. King Hubbert, een geoloog bij Shell, dat de piek van de olieproductie in de VS eind jaren 1960 zou plaatsvinden. Hoewel hij werd uitgelachen door het merendeel van de industrie bleek hij wel gelijk te hebben. Hij was de eerste die vaststelde dat ontdekking van olie en dus de olieproductie een klokvormige verdeling zou volgen. Na zijn succes met het voorspellen van de piek in de VS, werd deze analyse bekend als Hubberts Peak (bron: www.peakoil.com). Hernieuwbare Energie Volgens het Internationale Energie Agentschap (2007), bestond 13,1% van het totale wereldwijde energie aanbod in 2004 uit hernieuwbare energie, met als belangrijkste bronnen biomassa (79,4%) en waterkracht (16,7%). De ‘nieuwe hernieuwbare’ energiebronnen– zon, wind en getijde– zorgen voor minder dan 0,1% van het totale energie aanbod. De IEA voorspelt in haar Alternatief Beleid Scenario (beleid gebaseerd op zorgen voor energiezekerheid, energie efficiency en het milieu, dat er voor zou kunnen zorgen dat de groei in de energievraag wordt beteugeld) dat in 2030 hernieuwbare bronnen rond de 14% van het wereldwijde energieverbruik verzorgen, maar dat het aandeel in de elektriciteitsmix zal toenemen van 18% tot 25% (bron: http://www.iea.org/weo/2007.asp). In Europa maakt hernieuwbare energie de grootste jaarlijkse groei door in het totale primaire energieverbruik, met een gemiddelde van 3,4% tussen 1990 en 2005. Maar het huidige gebruik laat grote verschillen tussen landen zien, zoals blijkt uit Figuur 8:
15
Fig. 8 Primaire Productie van Hernieuwbare Energie in 2006 (biomassa, geothermie, water, wind en zon in 1000 toe) Bron: Eurostat website
Gebruik van Hernieuwbare Energie in de Industrie Waterkracht Een watermolen is één van de eerste voorbeelden van het gebruik van hernieuwbare energie; het vangen van energie van bewegend water om machines mee aan te drijven. Later werd het opwekken van elektriciteit een normale gang van zaken. Een waterkrachtcentrale die water omhoog pompt naar een opslag is netto een verbruiker van energie, maar is eigenlijk technologie om opgewekte elektriciteit op te slaan die gezien de vraag op dat moment overbodig is. Water wordt naar een hooggelegen reservoir gepompt tijdens de nacht wanneer de vraag en de prijs van elektriciteit laag zijn. Tijdens piekuren van de vraag, wanneer de prijs van elektriciteit hoog is, wordt het opgeslagen water losgelaten om elektrische stroom op te wekken. Omdat veel hernieuwbare bronnen een variërend aanbod hebben, is dit een bruikbare technologie om grote hoeveelheden energie op te slaan. Windenergie Ook hierbij geldt dat windmolens in het verleden gebruikt werden om machines aan te drijven, maar dat het nu normaler is om windturbineparken te zien die elektriciteit opwekken. Groepen turbines op zee zijn interessant omdat ze minder land in beslag nemen en er een constanter aanbod aan wind is. Soms heeft een bedrijf een paar windmolens, als ze land ter beschikking hebben. Zonne-energie Toepassingen van photovoltaïsche (PV) cellen van een relatief klein formaat zijn redelijk normaal geworden, vooral voor losse apparaten. Thermische zonnecollectoren worden gebruikt om in een klein deel van onze behoefte aan warmte te voorzien. Toepassingen op grote schaal zijn nog vrij zeldzaam, zoals een zonnecentrale. Die kan bestaan uit rijen parabolische spiegels die het zonlicht concentreren op een pijp met een vloeistof die warmte vervoert waarmee water aan de kook wordt gebracht. De stoom drijft vervolgens een generator aan waarmee elektriciteit wordt geproduceerd. 16
Zee: golven en getijde stromen Met uitzondering van verkennings- en navigatielichten op zee, is deze toepassing beperkt tot bedrijven die elektriciteit opwekken. Getijdedammen, zoals in Rance (Frankrijk), vangen de energie van water dat in en uit de sluizen in de kust stroomt. De stijging en daling van het waterniveau tussen de getijden zorgt voor energie die gevangen kan worden. De zeestromen die grote hoeveelheden water verplaatsen kunnen ook gebruikt worden om turbines onder water aan te drijven, waardoor de kinetische energie wordt gevangen. Een voorbeeld is Strangford Lough (Noord-Ierland). Golven die worden veroorzaakt door de wind kunnen omgezet worden in mechanische energie, wat vervolgens weer omgezet kan worden in elektrische energie die geschikt is voor de eindgebruiker. Hier wordt veel onderzoek naar gedaan. Geothermie Geothermische energie wordt vaak geassocieerd met warmwaterbronnen, geisers en vulkanische activiteit, zoals in IJsland of Nieuw Zeeland. De eerste geothermische energiecentrale werd echter in 1904 in Larderello (Italië) gebouwd. De Larderello centrale zorgt tegenwoordig voor energie voor ongeveer een miljoen huishoudens. Geothermische, of aardwarmte, warmtepompen zijn systemen die met behulp van een warmtepomp de laagwaardige warmte vanuit de bodem omzetten naar hoogwaardige warmte die we kunnen gebruiken om bijvoorbeeld huizen te verwarmen. Biomassa Plantaardig materiaal kan speciaal gekweekt worden om als energiebron te dienen, zowel via verbranding om thermische energie op te wekken, als via een omzettingsproces naar gasvormige of vloeibare brandstoffen of om elektriciteit op te wekken. Biomassa wordt vaak gezien als een “koolstofneutrale” energiebron, omdat de koolstof die tijdens de verbranding vrijkomt eerder tijdens het groeiproces door de plant was opgenomen. Als gewassen herplant worden is er een mogelijkheid om een gesloten cyclus te creëren, hoewel er rekening gehouden moet worden met de methaanuitstoot bij de afbraak van plantmateriaal. Het planten van bomen als brandstofbron wordt al eeuwen toegepast en het moderne gebruik is een uitbreiding van deze traditie. Biomassa heeft het voordeel ten opzichte van andere hernieuwbare energiebronnen dat het opgeslagen kan worden, maar tegelijkertijd is er veel kritiek dat het kweken van planten voor brandstof zorgt voor minder land voor voedselproductie, zodat voedsel schaarser en duurder wordt. Energie uit afval Afvalmateriaal kan gebruikt worden om thermische of elektrische energie op te wekken, Biologisch afbreekbaar afval op een vuilstort produceert op een natuurlijke manier “vuilstortgas” dat verbrand kan worden, voornamelijk om elektriciteit op te wekken, hoewel ook wel warmte geproduceerd kan worden maar dit gaat meestal verloren. Rioolwater, rioolslib, gier en biologisch afbreekbaar afval van brouwerijen, slachthuizen en andere agrarische-voedsel industrieën kunnen biologisch afgebroken worden (“anaerobe vertering”) om methaanrijke brandstof te produceren. Brandbaar gemeentelijk, commercieel en industrieel afval, zoals verpakkingen, kunnen verbrand worden in een verbrandingsoven of een cementoven om warmte of elektriciteit te produceren. Veel andere industrieën dan de agrarische-voedsel industrie, zoals papierproducenten of meubelmakerijen, produceren een substantiële hoeveelheid biologisch afbreekbaar of verbrandbaar materiaal dat gebruikt kan worden als energiebron. Echter, in al deze gevallen moet overwogen worden of het niet beter is om eerst te proberen om het afval te voorkómen. En hoewel het materiaal in aard vergelijkbaar is met een hernieuwbare energiebron, zorgt het wel voor een toename in koolstof als het materiaal niet herplant wordt. Waardevolle materialen moeten uit het afval gehaald worden vóór verbranding en er moet voor gezorgd worden dat er geen vervuiling ontstaat door uitstoot naar lucht en (oppervlakte)water tijdens het verbrandingsproces. 17
Vragen: Wat zijn de meest gebruikte energiebronnen in Nederland? Bepaal de verhouding tussen niet-hernieuwbare en hernieuwbare bronnen, en deel ze vervolgens in onder verschillende hernieuwbare bronnen en fossiele brandstoffen. Hoe is de verdeling in Nederland in vergelijking met andere landen in Europa? Hoe is de verdeling per hoofd van de bevolking in Nederland in vergelijking met andere landen in Europa (groepsopdracht waarbij iedere groep in een klas een land onderzoekt). Gebruik de links hieronder om gegevens te vinden.
Kern Punten: De EU is sterk afhankelijk van fossiele brandstoffen (verhoogde zorgen over de uitstoot van broeikasgas), waarvan een groot deel wordt geïmporteerd (mogelijke problemen met de zekerheid van het aanbod). Er is een aanzienlijke capaciteit voor en interesse in hernieuwbare energie, maar er moet nog veel toegepast worden.
Internet links Het Milieu Informatie Portaal: http://earthtrends.wri.org/searchable_db/index.php? action=select_variable&theme=6 Europees Milieu Agentschap: http://themes.eea.europa.eu/indicators/ Eurostat, Milieu en Energie Homepage: http://epp.eurostat.ec.europa.eu/portal/ page?_pageid=0,1136239,0_45571447&_dad=portal&_schema=PORTAL Stroommix en stroometiketten van energieleveranciers in Nederland: www.groenestroomjagraag.nl/stroometiket http://nl.wikipedia.org/wiki/Stroometikettering
Hierna: In Hoofdstuk 3 gaan we in op hoe primaire energie omgezet kan worden in energiedragers zoals elektriciteit of handigere brandstoffen zoals diesel of bioethanol.
18
Hoofdstuk 3: Transformatie van Energie en Verbruik in de Industrie 3.1 Transformatie van Energie (Energiedragers) Leerdoel: In dit deel leer je Hoe primaire energie omgezet wordt in meer bruikbare vormen: vloeibare brandstoffen en elektriciteit Hoe groot het energieverbruik door de industrie is in vergelijking met het totale energieverbruik Wat de belangrijkste energiedragers en verbruikers zijn in de industrie Energietypen en dragers De onderstaande figuur laat het idee van primaire energie, transformatie, secondaire energie en eindgebruik zien.
Fig.1 De transformatie van primaire energie (zoals kolen of wind) in secondaire energie (zoals elektriciteit) en eindgebruik in verwarming, verlichting, motoren etc. Bron: EU BREF over energie efficiency
Het kan moeilijk zijn om primaire energie in haar natuurlijke vorm te vervoeren. Primaire energietypen worden in een energietransformatieproces omgezet in handigere energiedragers: secundaire energie. Elektriciteit is het meest gebruikte voorbeeld; het wordt in elektriciteitscentrales geproduceerd uit kolen, olie, aardgas, wind, water, etc. Het gemak van elektriciteit als energiedrager heeft er toe geleid dat we een uitgebreid netwerk hebben ontwikkeld waarmee elektriciteit van een centraal productiepunt kan worden verspreid. Het gebruik van hernieuwbare energie promoot een meer verspreide of decentrale productie van energie, zodat de transformatie van primaire energie in secundaire energie, die relatief gemakkelijk verdeeld kan worden, vraagt om een uitgebreider distributiesysteem. Elektriciteit kan vervoerd worden, maar opslag is niet zo gemakkelijk. Vloeibare brandstoffen kunnen daarentegen gemakkelijk opgeslagen en getransporteerd worden. Ruwe olie kan geraffineerd worden tot verschillende brandstoffen: diesel, petroleum, etc. Deze kunnen getransformeerd worden in thermische energie zoals voor verwarming van onze gebouwen, of verder omgezet worden in mechanische energie, zoals transport. Maar raffineren en transporteren kosten natuurlijk zelf ook energie. Zoals we later zullen zien zet de industrie elektriciteit of brandstof om in andere energiedragers zoals perslucht of stoom. Eindgebruikers van energie kunnen primaire en secundaire energie 19
gebruiken voor bijvoorbeeld verwarming, beweging, verlichting, etc. Brandstof Productie De belangrijkste vloeibare brandstoffen worden gemaakt door fractionele distillatie van ruwe petroleum olie (een mix van koolwaterstoffen en koolwaterstof afgeleiden die variëren van methaan tot zware bitumen). In de industrie worden typische middelzware en lichte stookolies (kerosine en diesel) ingezet voor verwarming en stoomproductie. Benzine en diesel zijn de belangrijkste brandstoffen voor transport over het spoor en de weg. LPG (‘Liquefied Petroleum Gas’) is gas dat onder druk vloeibaar is gemaakt om op te kunnen slaan en vervoerd te kunnen worden, en wordt gebruikt als warmtebron of voor transport. Uit biologische bronnen kunnen ook vloeibare “biobrandstoffen” geproduceerd worden. Biologisch materiaal, ofwel speciaal gekweekt of als afval, kan op een biochemische manier worden omgezet in brandstoffen zoals methanol, ethanol, methyl esters (“biodiesel”) of methyl ethers. Er zijn verschillende pogingen gedaan om deze brandstoffen te verkrijgen uit speciaal gekweekte gewassen (‘agrobrandstoffen’), maar er loopt een debat (“voedsel of brandstof”) over de wenselijkheid van dit alles. Elektriciteit Productie Elektriciteit kan geproduceerd worden uit hernieuwbare bronnen: wind, water, zon, biomassa en geothermie, maar het grootste deel wordt geproduceerd door het verbranden van fossiele brandstoffen of nucleaire reacties, zoals te zien in de Figuur hieronder. Het aandeel van gasgebruik is toegenomen in de EU vanwege de schone verbranding, maar er zijn zorgen over de zekerheid van het aanbod en de stijgende prijzen.
Fig.2 Elektriciteitsproductie door Brandstof, in 27 EU landen. Bron: EEA website
De bijdrage van hernieuwbare energie aan de productie van elektriciteit per land is te zien in de Figuur hieronder. Zoals je ziet, is er in veel landen ruimte voor verbetering!
20
Fig.3 Aandeel aan hernieuwbare elektriciteit in bruto elektriciteitsverbruik (%) 1990-2005 en indicatieve doelen voor 2010 voor de EU Partner landen. Bron: EEA, Energy & the Environment, 2008
De meeste elektriciteitscentrales zijn ontwikkeld om alleen elektriciteit op te wekken. Gewoonlijk wordt fossiele brandstof verbrand om warmte te produceren. Nucleaire energie is een technologie die ontwikkeld is om bruikbare energie in de vorm van warmte te onttrekken aan atoomkernen via gecontroleerde kernreacties. Deze warmte zet water om in stoom die onder druk een dynamo aandrijft waarmee elektriciteit wordt opgewekt. Na het aandrijven van de turbine heeft de stoom een lagere druk en wordt het gecondenseerd door externe koeling, voordat het als condens weer het proces in wordt gevoerd om weer naar stoom omgezet te worden (gesloten circuit). Het nadeel is dat de totale efficiency laag is: 40% - 50%. Er gaat immers warmte verloren via de vrijgekomen verbrandingsgassen die de atmosfeer ingaan, via warmteverliezen in de gebouwen en de apparaten, maar het belangrijkste: ook via de warmte die nodig is voor het koelingsysteem voor het condenseren van de stoom. Deze koeling is essentieel, en tijdens de zomer moeten sommige centrales in Europa hun productie naar beneden brengen omdat er beperkingen zijn in de koeling. Door het transport van elektriciteit via het elektriciteitsnetwerk treedt nóg eens een verlies van 5 – 10 procent op. Combi-centrales Een combi-centrale is een energiecentrale waarin aardgas wordt verbrand om een gasturbine aan te drijven. De turbine wekt via een dynamo elektriciteit op en de hete verbrandingsgassen worden gebruikt om stoom te produceren. Anders gezegd, de afvalwarmte wordt benut. Hoewel deze centrales efficiënter zijn, wordt de techniek vooral gebruikt in nieuwere aardgascentrales. De totale warmtebalans zie je in het plaatje hieronder:
Fig.4 Energieverspreiding in een combi-centrale (Bron: Progress in Energy and Combustion Science 33 (2007) 107–134)
21
Warmtekrachtkoppeling centrales Warmtekrachtkoppeling (WKK) centrales zijn ontwikkeld om zowel warmte als elektriciteit te produceren. WKK centrales kunnen alleen voor eigen gebruik produceren of ze kunnen warmte verkopen naar industrie of woningen in de buurt via stadsverwarmingsystemen of door elektriciteit aan het net te leveren. WKK centrales hebben een hoge energie efficiency. De efficiency van minder dan 50% van centrales die alleen elektriciteit opwekken, neemt in WKK centrales toe tot meer dan 75%, zoals je ziet in Figuur 4. Maar zoals we verder kunnen zien in Figuur 5, is het gebruik van dit soort centrales beperkt in veel delen van Europa.
Fig.5 Efficiency in de transformatie van energie. Bron EEA website
Fig.6 Percentage aandeel van WKK in de totale Energieproductie in 2006. Bron: Eurostat website
Vragen: Wat zijn de meest gebruikte manieren om elektriciteit op te wekken in Nederland? Hoeveel elektriciteit (in GWh en als % van het totaal) wordt in Nederland opgewekt uit hernieuwbare bronnen? Hoe verhoudt zich dat tot andere Europese landen?
22
Nationale Energie Balans en Energie Intensiteit Energie Balans Praktijkvoorbeeld: Een Nationale Energie Balans Bekijk het volgende diagram waarin de energiestromen van Ierland staan. Dit type diagram wordt wel een Sankey diagram genoemd. De breedte van de pijlen in de diagram zijn evenredig met de omvang van de energiestroom. De primaire energie die het diagram in komt moet gelijk zijn aan de energie die verbruikt wordt. Een paar dingen kun je meteen ontdekken: Ierland is sterk afhankelijk van fossiele brandstoffen, zonder nucleaire energie en met heel weinig hernieuwbare energie. Het grootste deel van de energie wordt verbruikt door transport, en de energievraag van de industrie is in vergelijking daarmee laag.
Vragen: 1. Verzamel vergelijkbare gegevens voor Nederland en teken het bijbehorende Sankey diagram. 2. Welk deel van onze energie komt van niet-hernieuwbare bronnen? 3. Welk percentage primaire energie gaat verloren in omzettingen? 4. Hoe ziet het percentage figuur eruit voor energieverbruik in de industrie in Nederland? 5. Bereken het energieverbruik per persoon (energie intensiteit) in Nederland 6. Nu je de brandstofmix weet, wat is de koolstof intensiteit (hoeveelheid koolstof verbruik per persoon)? Je hebt hierbij aanvullende informatie nodig over de koolstof hoeveelheden in relatie met olie, gas en kolen. 7. Hoe verhouden deze zich met het gemiddelde in Europa? Hint: kijk eens op de Eurostat website. 23
Energie Intensiteit – Wat vertellen de getallen ons? Energie intensiteit is een maat voor het totale energieverbruik in relatie tot de economische activiteit. Het totale energieverbruik in de 27 EU landen is in de periode van 1990 tot 2005 gegroeid met 0,8%, terwijl het Bruto Binnenlands Product (BBP - een economische maat) in constante prijzen in dezelfde periode gemiddeld met 2,1 % groeide. Daarom daalde de energie intensiteit in 25 EU landen met een gemiddelde van -1,3 % per jaar. Deze positieve uitkomst zie je in de onderstaande Figuur 8.
Fig.8 Totale energie intensiteit in 27 EU landen van 1990-2005, waarbij 1990=100. Bron: Europees Milieuagentschap en Eurostat
Maar we moeten ons realiseren dat de stijging van het energieverbruik met 0,8% per jaar bij elkaar opgeteld een 12% toename van de energievraag is. Vanuit de economie gezien, zijn we efficiënter omdat we minder energie verbruiken om toch een economische opbrengst te verkrijgen, maar de druk op het milieu neemt daarbij wel toe. Om een beter beeld van de gevolgen te krijgen, moeten we de gebruikte brandstofmix nader bekijken en hoe deze verschilt per land. Daarbij moeten we in het bijzonder kijken naar de afhankelijkheid van niethernieuwbare hulpbronnen. Hierbij horen de termen “koolstof intensiteit” of “koolstof voetafdruk”, die aangeven hoeveel koolstof uitgestoten wordt per hoofd van de bevolking van ieder land. Al moeten we met het gebruik van statistieken altijd voorzichtig zijn.
Oefening: Bekijk de onderstaande Figuur 9 die het nationale energieverbruik laat zien. Maak een nieuwe figuur op basis van populatie, dus op basis van energieverbruik per hoofd van de bevolking.
24
Fig.9 Totaal energieverbruik in Europese partnerlanden in 1995 en 2006 (bron: Eurostat website)
Tabel.1 Totaal energieverbruik (1000 t.o.e.) in Europese partnerlanden in 1995 en 2006. Bron data voor Fig. 9. (bron Eurostat website)
Deze gegevens geven niet direct het energieverbruik van individuen weer, maar eerder de aard van de industrie, transportgebruik én het verbruik in huishoudens in een land en speciale economische omstandigheden. Internet Links: Europees Milieu Agentschap: http://themes.eea.europa.eu/indicators/ Eurostat, Milieu en Energie Homepage: http://epp.eurostat.ec.europa.eu/portal/page? _pageid=0,1136239,0_45571447&_dad=portal&_schema=PORTAL Hierna: We gaan in het volgende gedeelte in op hoe de industrie energie verbruikt, als onderdeel van het totale energieverbruik, en waarvoor de industrie deze energie gebruikt. 25
3.2 Eindgebruikers van Energie in de Industrie De grootste eindgebruikers zijn: Tabel 1: Grootste eindgebruikers
Thermisch Elektrisch Ovens Motoren Verwarmen Pompen Koelen Ventilatoren Invriezen Transportbanden Bakken Pletten, slijpen, malen Machines, vormgeving, Drogen Verwarmen en koelen productie van ruimtes, inclusief Vacuümsystemen ventilatie Verlichting Meer dan 85% van de elektriciteit die in de industrie verbruikt wordt, gaat op aan elektrische motoren. Deze motoren zetten de elektrische energie om in mechanische energie, zoals het aandrijven van pompen, ventilatoren, transportbanden, compressors, etc. Motoren staan vaak uren lang aan en ze hebben een levensduur van enkele jaren, dus het ontwikkelen van efficiënte motoren en verzekeren dat ze goed gebruikt worden, is belangrijk om elektriciteitsverbruik te minimaliseren. Verlichting is een andere aanzienlijke elektriciteitsverbruiker in de industrie. Er kunnen gemakkelijk veranderingen aangebracht worden om het verbruik te verminderen: bijvoorbeeld lichtniveaus aanpassen aan de taak en het installeren van verlichtingsystemen die meer bruikbaar licht per eenheid energie opleveren. Koelingcircuits gebruiken een vloeistof die koelt door de warmte die nodig is om te verdampen aan het te koelen object te onttrekken. Gewoonlijk wordt deze damp onder druk gebracht waardoor het condenseert en opnieuw gebruiken kan worden. De energie om de vloeistof onder druk te zetten wordt normaal gesproken geleverd door de elektriciteit die de pomp aandrijft. Ventilatoren en blazers leveren lucht voor ventilatie en voor bepaalde onderdelen in industriële processen. Ze ontrekken lucht aan gebouwen en trekken frisse lucht van buiten aan. Airconditioning eenheden, die koelmiddelgassen gebruiken, worden ook gebruikt om de temperatuur en luchtvochtigheid in een gebouw te regelen. Werking van boilers Leerdoelen: In dit hoofdstuk leer je: Wat een boiler is Wat de verliezen zijn Hoe je verliezen kunt vermijden en efficiency kunt verbeteren
Definitie: Een boiler is een vat dat warmte gebruikt om heet water of stoom te produceren. Meestal wordt hierbij een fossiele brandstof gebruikt als energiebron. Maar als de boiler erg klein is, wordt er elektriciteit gebruikt. 26
Zoals je eerder in een oefening hebt kunnen gezien, bevat stoom de latente warmte die nodig is om water te verdampen en is het een meer geconcentreerde warmtedrager dan warme vloeistof. Stoom kan gebruikt worden voor verwarming (inclusief verdamping en destillatie) en ook om mechanische apparaten aan te drijven zoals stoom injector vacuümsystemen, centrifuge compressors en stoom turbines die weer andere apparaten aandrijven of elektriciteit opwekken. Nadat de stoom is gecondenseerd wordt het gewoonlijk teruggevoerd naar de boiler om waterverliezen te voorkomen en de residuwarmte in het water te houden.
Fig. 1: Dwarsdoorsnede van een gasolie boiler [1]
In Fig. 1 kun je de energiestroom van een boiler zien. De grootste verliezen treden op via de verbrandingsgassen.
Fig. 2: Typische Energiebalans van een Boiler/Verwarmer (gemaakt met SankeyEditor door STENUM) [2]
27
Boiler efficiency verbetering programma
Fig. 3: Boiler Efficiency verbetering Programma [2]
De systematische benadering om efficiency van boilers te verbeteren omvat een paar simpele stappen, zoals je ziet in figuur 3. Hoe belangrijk efficiency van een boiler ook is, dit moet niet afzonderlijk bekeken worden. Het onderstaande zou uitgezocht moeten worden voor verdere energiebesparing en energiewinst mogelijkheden: De omvang en efficiency aan de vraagkant. Hoe kleiner de energievraag des te minder energie is er immers nodig. Het warmte verdelingssysteem (zoals stoom en condens). Warmte en energieverliezen in een boilersysteem kunnen op verschillende manieren verminderd worden. Sommige, zoals gecombineerde warmte en stroom opwekking (warmtekrachtkoppeling) zijn geavanceerd en complex. Andere kunnen gemakkelijk toegepast worden en bieden een goede opbrengst. De belangrijkste stappen om energie-efficiency te verbeteren zijn: Verlagen van de stoomdruk of de waterdruk in het systeem Lekken voorkomen Houd de boiler schoon. Met uitzondering van aardgas, laat bijna iedere brandstof een bepaalde hoeveelheid aanslag achter op de elementen waarin het water wordt verwarmd. Opmerking: Een millimeter aanslag kan het brandstofverbruik met twee procent doen stijgen.
Houd ongewenste lucht eruit Temperatuur van het verbrandingsgas
Fig. 4: Stoomlek
28
Opmerking: Een temperatuursvermindering van 20°C (36°F) van verbrandingsgas verbetert de boiler efficiency met ongeveer één procent.
Recente voorbeelden: Een chemische fabriek bespaart ongeveer €335.000 per jaar door alle lekkende stoom op te sporen en te repareren. Een multiplex fabriek vermindert haar stoombelasting met 2700 kg/uur (6000 lb./uur) door de isolatie van de leidingen te verbeteren.
Vraag: Waar worden de grootste verliezen geleden in een boiler systeem? Welke mogelijkheden kunnen de efficiency verbeteren en verliezen voorkomen? Oefening: 1. Heel waarschijnlijk heeft je school een boiler om water te verwarmen en de school in de winter te verwarmen. Vraag aan je conciërge of je de boiler mag zien, het liefst tijdens de zomer als de boiler wordt schoongemaakt of onderhouden. Bestudeer de verschillende onderdelen van de boiler. 2. Denk na over een excursie naar een bedrijf. Probeer antwoorden te vinden op de volgende vragen: Wat is de temperatuur van het uitlaatgas? Wat is de druk van de stoom (in bar)? Wie gebruiken de stoom? Afstand tussen gebruiker en boiler? Zijn de buizen geïsoleerd? Zijn er duidelijke lekken? Hoeveel energie wordt in de boiler gestopt? Kun je op basis van Fig. 2: "Typische Energiebalans van een Boiler/Verwarmer”, de verliezen berekenen? Ventilatoren en blazers Leerdoel: In dit hoofdstuk leer je Dat er drie simpele criteria zijn die je laten zien of een motor efficiënt is Over een procedure die bedrijven helpt bij het verbeteren van het energieverbruik van hun motoren Over belangrijke ideeën over energiebesparing voor een buizensysteem, door naar een voorbeeld te kijken Energie efficiency Motoren De noodzaak van maatregelen wordt bekeken door een simpele analyse. Als referentie worden de zogenaamde “Levenscycluskosten” gebruikt. Dit zijn de totale kosten voor de investering, service en onderhoud en de kosten aan energie gedurende het werkzame leven van de motor van 10 tot 20 jaar. In de zogenaamde 1-2-3-Test, zijn drie criteria belangrijk: de leeftijd van de motor, gebruiksuren 29
per jaar en de gemiddelde efficiency. Tabel 1: 1-2-3 Test (motor efficiency)[4]
Criterium 1: Leeftijd van de motor. Het jaar van productie kan afgelezen worden van het ID plaatje of kan nagevraagd worden bij de producent (voor hem is het modelnummer van belang). Criterium 2: Ingeschat vermogen. Dit kun je ook op het ID plaatje lezen. Criterium 3: Gebruiksuren. Het energieverbruik kan berekend worden aan de hand van de technische ondersteuning of door de urenteller af te lezen. Procedure: Je geeft een waarde tussen 1 en 5 voor zowel de leeftijd, als het vermogen en de gebruiksuren door gebruik te maken van tabel 2. De noodzaak van maatregelen voor geïnspecteerde motor wordt vastgesteld door de som van de drie waarden te berekenen. Resultaten volgens Tabel 2 Rood gebied: Als de score hoger dan 10 is, wordt een snelle vervanging van de motor aangeraden. Geel gebied: Als de score tussen 6 en 10 is, moet je de motor nader inspecteren. Groen gebied: Als de score onder de 6 is zijn er geen maatregelen nodig. De volgende tabel geeft een schaal voor de waarden van de drie criteria: Energie besparen op elektrische aandrijving [drives] gebeurt niet door alleen de motoren met nieuwe energiezuinigere te vervangen. Met deze maatregelen wordt maar een deel van de potentiële besparing bereikt. De volgende procedure is geschikt om het energieverbruik te optimaliseren: Stap 1: Analyse van het verbruik. Deze stap is het belangrijkste onderdeel om de maximale hoeveelheid energie te besparen. Kijk goed naar de vraag van het proces, bespreek en identificeer de relevante procesparameters met de mensen die verantwoordelijk voor het proces zijn. Identificeer vervolgens de variatie die in het energieverbruik zit doordat er verschillende eisen aan het proces worden gesteld. Probeer het te meten of bespreek het met degene die het apparaat bedient. Stap 2: Analyse van de machine die het medium levert Het procesmedium kan stoom, perslucht, lucht, water, etc. zijn. Vragen om hierbij te stellen zijn: Is de omvang van de machine geschikt voor het verbruik? Of is hij te groot? Wanneer de machine (pomp, ventilator, compressor, etc.) te groot is loopt hij op deellast wat kan leiden tot een slechtere efficiency. Stap 3: Juiste controle van de machine De eisen aan de media (perslucht, stoom, etc.) variëren in de werkelijke procesomstandigheden. Dus het gebruik van de machine moet zo goed mogelijk worden aangepast aan de effectieve vereisten. Stap 4: Optimalisatie van de elektrische motor Er zijn drie belangrijke regels in deze stap: a) ideale aanpassing van de omvang van de motor 30
aan de effectieve vermogenseisen, b) de efficiency van de motor moet maximaal zijn en c) de controle moet aangepast worden aan de kenmerken van het verbruik. Basisbeschrijving van een buizensysteem De basisbeschrijving van een systeem kan gemaakt worden door gebruik te maken van de volgende gegevens van naamplaatjes, overzichten van technische gegevens of simpele metingen. In de meeste bedrijven kunnen deze gegevens via de werknemers verkregen worden: 1. lijst met grootste pompen (naar vermogen) 2. functie van deze systemen 3. vermogen van iedere pomp 4. aantal gebruiksuren (per dag / week) 5. jaarlijkse gebruiksuren en jaarlijks energieverbruik 6. specifieke problemen en onderhoudsvereisten Voorbeeld buizensysteem: Een pompsysteem vereist dat water met 50 m³/uur door een buis van 100 meter lang wordt gepompt. Ervan uitgaand dat de doorsnede van de buis 5 cm is, is de vermogenvraag 24 kW. Als de diameter vergroot wordt naar 10 cm, vermindert het vereiste vermogen tot 5 kW. De lagere snelheid in het systeem leidt tot aanzienlijke energiebesparing en een vermindering van slijtage. Onderhoud en levenscycluskosten van de pomp worden dus verlaagd. Experiment Denk na over een excursie naar een bedrijf waar je verschillende elektrische motoren kunt vinden (vergeet niet de waterpompen en de pomp om water te verwarmen). Dit is een interessant experiment: Maak een lijst van het aantal gelijke motoren/pompen. Vul de lijst aan met de capaciteit van iedere motor/pomp (kijk naar de kenmerken van de machine, zoals kW) En met de gebruiksuren (vermenigvuldig de gebruiksdagen met de gebruiksuren per dag) van iedere motor/pomp Tabel 2: Voorbeeld van gegevens van het gebouw van een autohandelaar
Component
Aantal items
Capaciteit per component [kW]
Totale capaciteit [kW]
Gebruiksuren
kWh
autolift
2
2,2
4,4
182
800,8
compressor
1
4
4
1600
6400
Vraag: Waar of Niet waar: Als de score op 1-2-3 test tussen 6 en 10 is, is alles in orde en hoef je niets te doen. Een opsomming maken van het verbruik [kWh] per consument is essentieel. De capaciteit van het component vergelijken met de werkelijk benodigde capaciteit is essentieel. Ieder jaar een nieuwe motor kopen is absoluut noodzakelijk. Een belangrijk criterium is het “Label van de component”. Alleen de grootste en duurste motoren zijn de beste. 31
Perslucht Leerdoel: In dit hoofdstuk leer je Wat perslucht is en waar het gebruikt wordt Waar de grootste verliezen worden geleden Hoe je het persluchtsysteem kunt verbeteren Definitie: Perslucht wordt gebruikt om gereedschap dat werkt op lucht (“pneumatisch”) te voeden en om speciale typen apparaten aan te drijven. Gewoonlijk worden compressors aangedreven door elektrische motoren. Erg grote compressors worden aangedreven door stoom of gasturbines, en kleine, draagbare compressors kunnen aangedreven worden door benzine of diesel. Compressors zijn inefficiënt, want bijna 90% van de aangeleverde energie gaat verloren door warmteverlies. Perslucht wordt opgeslagen in een tank, die dienst doet als een reservoir of ‘buffer’ voor een buizennetwerk, waarvan de druk boven de atmosferische druk wordt gehouden en waar het gereedschap aan verbonden wordt. In Figuur 5 kun je de verliezen zien. Maar 5% van de totale energie wordt opgeslagen in de perslucht. 95% Van de energie wordt omgezet in warmte (ook de mechanische verliezen worden uiteindelijk warmte).
Fig. 5: Energiebalans van een compressor (gemaakt met Sankey Editor door STENUM)[3]
De potentiële besparingen door het compressor systeem te optimaliseren worden weergegeven in Figuur 6.
32
100% 90% 80% 70% 60% 50%
savings consumption
40% 30% 20% 10% 0%
current state
leaks reduced
superordinated control
whole machine optimised
Fig. 6: Energiebesparingen – perslucht systeem [3]
De volgende procedure helpt bij het verminderen van verliezen in persluchtsystemen. Het bestaat uit vier stappen: 1. Voorkom lekken Eén van de meest fundamentele manieren waarop de efficiency van een persluchtinstallatie verbeterd kan worden is het verminderen van lekkage. Hoeveel moeite er ook gedaan wordt om het persluchtsysteem luchtdicht te maken, alle systemen zullen last hebben van wat lekkage. Er is echter een aantal manieren om lekken te voorkomen: Waar moet je op lekken controleren Knelkoppelingen en buizenwerk, randen, spruitstukken, filters, cilinders, flexibele slangen, instrumenten, gereedschappen en afvoerpunten. 2. Genereer geen hogere druk dan nodig is – hoe hoger de druk des te meer lucht zal door een bepaald gat ontsnappen. 3. Houd je hele systeem niet onder druk als er weinig gebruik van gemaakt wordt, alleen maar omdat een paar apparaten een constant aanvoer van perslucht nodig hebben. 4. Splits delen van het systeem die lucht op verschillende momenten nodig hebben af. Isolatie ventielen kunnen handmatig of automatisch geregeld worden door tijdschakelaars of vergrendelaars. Warmte terugwinning Wel 80-93% van de elektrische energie die gebruikt wordt door een industriële perslucht compressor wordt omgezet in warmte. In veel gevallen kan een goed ontwikkelde warmte terugwinningeenheid 50 -90% van deze beschikbare thermische energie terugwinnen en hergebruiken voor het verwarmen van lucht of water.
33
Tabel 3: Energieverliezen door lekkage [5] Gat (diameter in mm)
luchtlek
energieverlies
kosten
1
6 bar l/s 1,2
12 bar l/s 1,8
6 bar kWh 0,3
12 bar kWh 1,0
6 bar € 144
12 bar € 480
3
11,1
20,8
3,1
12,7
1488
6096
5
30,9
58,5
8,3
33,7
3984
16176
10
123,8
235,2
33,0
132,0
15840
63360
Oefening: Denk na over een excursie naar een bedrijf (in de buurt) waar ze een perslucht systeem hebben (bijvoorbeeld een verfwinkel of een timmerbedrijf). Maak een lijst van gereedschap dat gebruik maakt van perslucht. Kun je ergens lekken vinden? Gebruik Tabel 3 om de kosten voor elektriciteit door de lekken te berekenen? Maakt het bedrijf gebruik van warmte terugwinning? Kun je de mogelijkheden voor warmte terugwinning schatten? (kijk naar Fig. 5: Energiebalans)
Kern Punten: Energiecentrales die alleen elektriciteit opwekken zijn relatief inefficiënt, met minder dan 50% efficiency Centrales die bruikbare warmte en elektriciteit produceren zijn veel efficiënter. Hernieuwbare energie omvat een klein, maar groeiend deel van elektriciteitsproductie. Energieverbruik door de industrie is een belangrijk aandeel van het energieverbruik van Nederland. Energie op verschillende manier gebruikt en voor veel verschillende doelen gebruikt in de industrie
Koeling en Verwarming Vloeistoffen Water (warm en koud) is de meest gebruikte vloeistof in koeling en verwarming. Andere vloeistoffen zijn glycol (mix van water en alcohol gebruikt voor koeling), en olie (minerale of silicone olie voor koeling en verwarming). Het voordeel van vloeistoffen, anders dan water, is dat zij bij een bredere spreiding van temperaturen kunnen werken. Ze kunnen onder 0°C gekoeld worden zonder dat ze bevriezen en verwarmd worden tot boven 100°C zonder te koken (of de druk te verhogen in een gesloten systeem). Deze kenmerken zijn een voordeel in de industrie waar temperaturen ook buiten het traject van 0°C tot 100°C voorkomen. Efficiency verbeteringen Het verwarming/koeling proces kan efficiënter gemaakt worden door de volgende acties: 34
Regelmatig aanslag verwijderen en schoonmaken vermindert verliezen in de pomp. De teruggewonnen energie kan ergens anders in het proces hergebruikt worden. Isoleren van buizen vermindert warmteverliezen.
Fig. 1 Gesloten Koelsysteem
Referenties: 1. Meilner Mechanical Sales, Inc. www.boilersource.com 2. Dockrill P., Friedrich F., Federal Industrail Boiler Program, Natural Resource Canada, CANMET Energy Technology Centre, 1 Haanel Drive, Nepean ON K1A 1M1, Boilers and Heaters: Improving Energy Efficiency, Catalogue No: M92-299/2001E, 2001 3. Initiativ Energieeffizienz in Industrie und Gewerbe www.industrieenergieeffizienz.de 4. Top Motors www.topmotors.ch 5. Heat Recovery with Compressed Air Systems http:// www.compressedairchallenge.org/library/factsheets/factsheet10.pdf Internet links: www.topmotors.ch http://www.compressedairchallenge.org www.boilersource.com
35
Hoofdstuk 4: Energie Management Leerdoelen: In de komende hoofdstukken leer je: Wat energie management is, waarom het gebruikt wordt en hoe het werkt. Bedrijven zijn steeds meer bezig met het bereiken en aantonen van milieuprestaties door de impact van hun activiteiten, producten en diensten op het milieu te controleren. Om effectief controles uit te kunnen voeren is een gestructureerd management systeem dat goed geïntegreerd is met de organisatie onontbeerlijk. Internationale Standaarden zijn bedoeld om organisaties de onderdelen van effectieve management systemen aan te reiken die organisaties helpen bij het bereiken van milieudoelen en financiële doelen. Een dergelijk systeem maakt het voor een bedrijf mogelijk om beleid te ontwikkelen, doelen en processen vast te stellen, om draagvlak voor het beleid te krijgen, en om maatregelen te nemen die de prestaties verbeteren. De bedrijven moeten zich aan de Standaarden houden anders krijgen zij geen Certificaat. Het doel van een management systeem is om kwaliteit, milieubescherming en sociaaleconomische behoeftes te ondersteunen. Definitie: ISO 9001: Kwaliteit management ISO 14001: Milieu management ISO 16001: Energie management 1. 2.
3.
ISO 9001: Is een internationale Standaard die standaarden bepaalt om te zorgen dat klanten de kwaliteit krijgen die ze verwachten. ISO 14001: Een Milieu Management Systeem is een verzameling processen en praktijken die een organisatie in staat stellen om de impact op het milieu te verminderen en de efficiency van het werk te verbeteren. ISO 16001: Het algemene doel van deze standaard is het helpen van organisaties bij het opstellen van systemen en processen die nodig zijn om energiezuinigheid te verbeteren. Dit kan leiden tot afname in kosten en in uitstoot van broeikasgassen door systematische energiebeheer.
Maar waarom zou een bedrijf een management systeem gaan toepassen? In Figuur 1 kun je het antwoord zien –er zijn verschillende argumenten voor de toepassing van een management systeem.
36
Fig. 1: Voordelen van een management systeem voor bedrijven [1]
Opmerking: Over het algemeen bestaan management systemen uit maar een paar belangrijke basiselementen. We gaan later in dit handboek in op de verschillende stappen. Laten wij ons richten op energie management. Doelen van een energie management systeem Het doel van toepassing van een energie management systeem is het bereiken van een verbeterde energieprestatie. De organisatie bekijkt regelmatig mogelijkheden voor verbetering en controleert de toepassing. De snelheid, omvang en tijdschaal van dit continue verbeterproces wordt bepaald door de organisatie en hangt af van economische en andere praktische omstandigheden, zoals omvang van de organisatie, energie intensiteit van de activiteiten, veranderingen in productie. Opmerking: Belangrijke vragen voor het bedrijf zijn: Welke energiedragers worden gebruikt? (elektrische energie, aardgas, kolen etc.) Welke energiedrager heeft de overhand? Wordt een deel van de gebruikte energie opgewekt uit hernieuwbare energie? (elektrische energie, wind- of zonne-energie, biomassa, geothermische energie etc.) Hoe groot is de dagelijkse/jaarlijkse energievraag? Hoe komt de energie op de locatie? (gemeentelijke energielevering, eigen buizensysteem zoals: aardgas, per truck of schip zoals: kolen of kerosine) Hoe hoog zijn de dagelijkse/ jaarlijkse energiekosten? Welke onderdelen van het bedrijf verbruiken energie? Welk onderdeel heeft de meeste energie nodig? Wat is het aandeel energiekosten binnen de totale kosten? Hoe zijn de energiekosten veranderd de laatste paar jaar? Welke plannen heeft het bedrijf voor de toekomstige energielevering? Hoe groot is de energievraag voor de productie? En hoe ziet de toekomstige energievraag (zoals: verlichting, verwarming, cafetaria etc.) eruit?
37
Oefening: Probeer deze vragen voor jouw school te beantwoorden! Praat met de persoon die over dit onderwerp gaat en interview je schooldirecteur met deze vragen.
Elementen van een energiemanagement systeem In Fig. 2 kun je de belangrijkste stappen van een energiemanagement systeem zien: ENERGY POLICY
PLANNING
CONTINUOUS IMPROVEMENT
IMPLEMENTATION AND OPERATION
AUDIT
MANAGEMENT REVIEW
Fig. 2: Energie Management Cyclus
Het doel van een energie management systeem is het verbeteren van de energie efficiency en niet het terugvallen op het oude inefficiënte gedrag in de toekomst. Dit moet leiden tot vermindering van kosten en broeikasgas uitstoot door een systematisch management van energie. De volledige eisen voor een (energie) management systeem zijn gedefinieerd in internationale standaarden (ISO 14001, ISO 16001). De volgende delen gaan over de afzonderlijk stappen van het management systeem. Oefening: Zoek documenten over ISO14001 of EMAS op internet Vragen: Heb je er eerder over nagedacht hoeveel papier je tijdens een dag gebruikt, op school of thuis? Bespreek hoe je papierverbruik zou kunnen voorkomen? Hoe kunnen deze ideeën omgezet worden in een programma voor de hele school? Welke mensen binnen jouw school gebruiken elektriciteit? Welke managementsystemen ken je? Wat houden ze in?
38
Energiebeleid
Het energiebeleid is een geschreven verklaring waarin de organisatie aangeeft dat zij energie wil besparen, de organisatie continu zal verbeteren en vertrouwt op juridische overwegingen. Het energiebeleid van een organisatie moet de vorm hebben van een officiële, openbaar beschikbare verklaring van de betrokkenheid van de organisatie om de energie management doelen te bereiken en de bij energie horende uitstoot te verminderen. Praktijkvoorbeeld:
Fig. 3: Energiebeleid (Star Paper Mills Limited) [2]
39
Opmerking: Het beleid moet:
Schriftelijk beschikbaar zijn Ondertekend en uiteindelijk uitgegeven worden door het top-management Een kader verschaffen voor de definitie van milieudoelen Bijgehouden worden Overgebracht worden naar alle werknemers Openbaar toegankelijk zijn
Vragen Hoe moet energiebeleid opgebouwd worden? Zoek op internet naar papierproducenten (in Nederland). Zijn de bedrijven gecertificeerd volgens ISO 14001 of ISO 16001? Presenteert het bedrijf milieu of energiebeleid op haar website? Probeer energie of milieubeleid van het bedrijf te vinden? [?] Heeft jouw school beleid? Bijvoorbeeld om zo weinig mogelijk afval te produceren, water of energie te besparen? Planning
Opmerking: Planning gaat over de volgende aspecten: Milieu aspecten Juridische en andere eisen (wetten, decreten, individuele wetten, vrijwillige overeenkomsten en verplichtingen, klant eisen, eisen van andere betrokken partijen en de afweging van deze eisen); Doelen: het stellen van doelen zet aan om beleid in actie om te zetten. de energiedoelen zorgen ervoor dat het bedrijf succesfactoren heeft gedefinieerd zodat de voorgang naar een verbeterde energie efficiency gemeten kan worden. Een succesvol energie management is gebaseerd op goede planning:
Fig. 4: Belangrijke stappen in de planning
40
De invoer – uitvoer analyse (materiaal stroom analyses en energie analyses) leidt tot de doelen en doelen leiden tot maatregelen. Het is belangrijk dat de procedures besproken worden (Figuur 4: Belangrijke stappen in de planning). Transparantie over materiaalstromen vormt de basis om mensen ervoor gevoelig te maken en bewustzijn te creëren. Methoden zoals de invoer - uitvoer analyses, materiaalstroom analyse en energiestroom analyse bouwen verder op een informatiesysteem dat toestaat dat de efficiency van materiaal en energiestromen en de effectiviteit van maatregelen bepaald worden. Dit maakt het een waardevolle methode in het meten van werkelijke verbetering van de milieuprestatie. Invoer - Uitvoer De eerste stap in de analyse is het identificeren van onderdelen die een aanzienlijke hoeveelheid energie verbruiken. In Figuur 5 kun je een overzicht zien van de invoer en uitvoer in de industrie.
Fig. 5: Principe van invoer – uitvoer analyse
Allereerst moet een bedrijf een idee krijgen van de omvang en de aard van het energieverbruik. De energiebeoordeling neemt zowel energieverbruik in het verleden als het huidige verbruik mee. De mate van detail hangt af van de omvang van de organisatie en het energieverbruik, maar moet tenminste de energie invoer weergeven (elektriciteit, olie, aardgas of iets dergelijks) en een schatting van het eindgebruik (drogen, pompen, airconditioning, verlichting of iets dergelijks). Trends in het energieverbruik in de voorgaande jaren moeten bekeken worden en de basis vormen voor het stellen van doelen. Informatie die al beschikbaar is moet gebruikt worden in de beoordeling, zoals energierekeningen, energierapporten over de gebouwen of andere bestaande informatie. Vaak komen de beste mogelijkheden voor het verbeteren van energieprestatie voort uit maatregelen die geen geld kosten, zoals het trainen van personeel om apparaten uit te zetten als ze niet gebruikt worden, promotie en bewustzijn van energieprestaties in de werkomgeving, etc. Het bedrijf moet de beoordeling jaarlijks herzien. Beoordelingen moeten zoveel mogelijk gebaseerd worden op werkelijke maatregelen. Er moet rekening worden gehouden met veranderingen in de organisatie, zoals uitbreiding van productie, aanpassingen in de fabriek, veranderingen in het management, de kwalificaties van de werknemers en taakomschrijvingen, etc. Trends in de het energieverbruik van eerdere jaren moeten geanalyseerd worden.
41
Praktijkvoorbeeld: Een voorbeeld van een jaarverslag van een papierfabriek (M-real Stockstadt GmbH)
Fig. 6: Invoer – uitvoer beoordeling [3]
Oefening: Probeer een invoer – uitvoer analyse van je school te maken Noteer het aantal apparaten (lampen/beamers/computers/etc.) Noteer het vermogen van ieder apparaat (kijk naar de kenmerken van het apparaat wat betreft kW) Noteer de gebruiksuren van ieder apparaat (vermenigvuldig de gebruiksdagen met het aantal gebruiksuren per dag) Vraag aan de schooldirecteur wat het energieverbruik van de school is 42
(bijvoorbeeld per jaar). Vergelijk de gegevens die je berekend had met de gegevens van je schooldirecteur. Zijn ze bijna gelijk of is er een groot verschil? Zelfs als je niet alle apparaten in je school die energie verbruiken had opgeschreven, kun je de directeur vertellen hoeveel energie verbruikt wordt door de apparaten waarvan je het wel hebt uitgewerkt.
Doelen Allereerst moet een bedrijf doelen stellen. Deze doelen moeten SMART zijn:
Specifiek Meetbaar Acceptabel Realistisch Tijdsgebonden Het doel van de toepassing van een energiemanagement systeem is het bereiken van een betere energieprestatie. De organisatie bekijkt regelmatig mogelijkheden voor verbetering en controleert de toepassing hiervan. De snelheid, omvang en tijdschaal van dit continue verbeterproces wordt bepaald door de organisatie en hangt af van economische en andere praktische omstandigheden, zoals omvang van de organisatie, energie intensiteit van de activiteiten, veranderingen in productie. Voorbeelden van doelen bevatten: Werkelijke energiebesparing binnen gedefinieerde gebieden, zoals “verminder perslucht verliezen met 10%”; De introductie van nieuwe energie besparingstechnologie (zoals doorstroom begrenzers om warm water gebruik te reduceren, warmtewisselaar in aircosystemen om warmte uit de uitlaatlucht te kunnen hergebruiken, etc.) waarmee bijvoorbeeld 20% wordt bespaard/ hergebruikt training, bewustzijn en motivatie van werknemers om het warme water voor de schoonmaak met 20% te verminderen; verbeteren en uitbreiden van controlerende activiteiten om het totale energieverbruik met 5% te verminderen; ontwikkelen en toepassen van nieuwe procedures, werkinstructies etc. om luchtverlies met 10% te verminderen. Maatregelen Na het stellen van je doelen kun je beslissingen nemen over hoe je de doelen wilt bereiken. De volgende tabel geeft een voorbeeld van maatregelen in een bedrijf weer:
43
Tabel 4: Voorbeeld van doelen en maatregelen
Energiedrager Elektriciteit Elektriciteit Aardgas Aardgas
Doel Maatregel Besparing in perslucht systeem Verminderen van lekken in (180.000 [kWh/jaar]) persluchtsysteem Energiebesparing (50.000 [kWh/ Optimalisering van verlichting Optimalisering boiler systeem (480.000 [kWh/jaar]) Vermindering van aardgas voor verwarming (530.000 [kWh/ jaar])
Isolatie van de buizen Aanpassing van de boiler Warmte herwinning in de compressor
Oefening: Even terug naar de bedrijven die je in de eerdere oefeningen hebt uitgezocht: Kun je een lijst vinden waarop hun invoer staat wat betreft materialen en energie? Vergelijk het energieverbruik van verschillende bedrijven. Wordt de lijst met energie aspecten regelmatig bijgehouden en bijgewerkt? Maak een vergelijkbare tabel als Tabel 4: Voorbeeld van doelen en maatregelen waarin doelen en maatregelen voor het besparen van energie staan. Gebruik hiervoor de apparaten in jouw school.
Implementatie en Werking
Het top-management moet een persoon met verantwoordelijkheid aanwijzen die het energiemanagement programma uitvoert. De vertegenwoordiger van het management brengt verslag uit naar het top-management over de prestaties en de resultaten van het systeem.
Fig. 7: Structuur van een Organisatie
Team Een centraal onderdeel van een effectieve organisatie is het team: Het werk tijdens de toepassing en later de analyse van milieueffecten, bewustzijn creëren, opties voor verbetering ontwikkelen en deze toepassen is van invloed op al de werkzaamheden van een bedrijf. Daarom is het beter om teamleden aan te wijzen die tot doel hebben de 44
hoofdwerkzaamheden uit te voeren. Wanneer deze teamleden worden geselecteerd is het belangrijk de volgende werkvelden erbij te vragen: jurist commerciële medewerker hoofd technologie onderhoudsmanager veiligheidstechnoloog
Oefening: Landing op de maan Stel je eens voor, je ruimteschip stort neer op de maan. Met je groep moet je 200 km te voet afleggen om op de basis te raken die je dan terug naar de aarde kan brengen. De tocht vindt volledig plaats op het verlichte deel van de maan. Je kunt via de radio wel communiceren met de basis, maar zij kunnen je niet komen helpen. Er zijn slechts 16 zaken die nog bruikbaar zijn (zie lijst hieronder), maar je kunt niet alles meenemen. 1. Opvouwbare reddingsgordels met ingebouwde zuurstof 2. Een doos melkpoeder 3. 200 liter vloeibare zuurstof 4. Een kompas 5. Een aansteker 6. Een semiautomatisch geweer met 5 laders van elk 20 kogels 7. Een verwarmingstoestel op zonne-energie 8. Een Zwitsers mes 9. 15 meter nylon touw 10. Geconcentreerd voedsel 11. Een kaart van de sterren gezien vanaf de maan 12. 3 zaklampen en 12 batterijen 13. Een EHBO-kit 14. 100 liter water 15. Radio van het Amerikaanse type 16. Reddingsvlot Schrijf eerst voor je zelf de volgorde van minst belangrijk tot meest belangrijk op Maak daarna een rangorde van de lijst met je team Vragen: Bespreek de volgende vragen: Wie is verantwoordelijk voor de administratie bij jullie op school? Wie is verantwoordelijk voor de faciliteiten? Wie verzamelt de gegevens over energieverbruik en rapporteert deze naar het schoolhoofd? Communicatie, educatie, training Effectieve communicatie is essentieel voor het succes van een energie management systeem. Relevante en regelmatige informatie verhogen de motivatie en de 45
Interne communicatie. Interne communicatie helpt werknemers met het begrijpen van de visie, waarden en cultuur van hun bedrijf. De communicatie kan mondeling of schriftelijk gebeuren, in persoon of virtueel, één op één of in groepen. Heldere en precieze communicatie zorgt voor het vaststellen van formele rollen en verantwoordelijkheden voor werknemers en zorgt voor organisatie en helderheid binnen een bedrijf. In de procedure moet het volgende staan: a. Wie verantwoordelijk is voor de interne communicatie over het energiebesparing programma. b. Relevante informatie over het bedrijf, toepassing en werking van het energie management systeem; c. De manieren om informatie over te brengen (interne bijeenkomsten, seminars, magazines voor de leiding, intranet, e-mail, informatieborden, etc.); d. De manier waarop voorstellen door werknemers worden beoordeeld en hoe er op wordt gereageerd. Externe communicatie Communicatie met externe partijen is belangrijk voor een effectief milieu management systeem. Documentatie Documentatie is noodzakelijk om het management systeem te beschrijven en te ondersteunen. In de documenten moeten alle relevante verrichtingen en processen staan. Het is een centraal uitgangspunt voor de toepassingen en het onderhoud van het gehele systeem. Om impact die bepaalde processen of materialen op het milieu hebben te controleren, worden procedures gedefinieerd en beschikbaar gemaakt zodat ze op ieder moment in te zien zijn. Deze gedocumenteerde procedures, die gemakkelijk te begrijpen en aan te passen moeten zijn, zorgen ervoor dat het energie management systeem soepel loopt. Oefening: Wat betreft de bedrijven die je hebt bekeken: Is er een lijst van relevante kennis en ervaringen van de individuele werknemers? Zijn er presentaties over activiteiten voor het vergroten van bewustzijn over energie besparing?
Audit
Een audit is iets anders dan een management review (beoordeling). Terwijl de beoordeling aan het begin het management systeem ‘opstart’, onderhouden interne audits de aansturing ervan.
46
Fig.8: Audit cirkel [4]
Interne audits omvatten een systematische inspectie en vergelijking van daadwerkelijke werkmethoden met de procedures in de handleiding van het EMS (energie/milieu management systeem). Het doel is te beoordelen of het EMS goed werkt. Aan de ene kant moet de audit de gebieden aanwijzen waar aan de eisen van het EMS wordt voldaan; aan de andere kant moet het ontdekken waar het niet wordt nageleefd en mogelijke verbeteringen voorstellen. Een audit kan ofwel gericht zijn op een procedure (bijvoorbeeld reactie op noodgevallen) of op een werkgebeid of productielijn. De sleutel tot een succesvol EMS is toewijding van alle werknemers. Als werknemers niet toegewijd zijn, wordt het lastig om het systeem toe te passen of te onderhouden. Audits zijn een waardevol instrument om de toewijding in verschillende onderdelen van een bedrijf te meten. Opmerking: Het doel van een interne audit is het uitvoeren van een systematische beoordeling van het energie managementsysteem en het beoordelen of het systeem werkt volgens de eigen eisen van de organisatie.
Frequentie De frequentie van audits hangt af van het belang van milieu aspecten, maar alle procedures en deelgebieden moeten minstens één keer per jaar beoordeeld worden. De vertegenwoordiger van het energiemanagement is verantwoordelijk voor het vaststellen van het programma en het regelmatig rapporteren van de resultaten van de management systeem audits naar het topmanagement. Gebieden die speciale aandacht verdienen zijn: Risicogebieden; Gebieden waarop het bedrijf in het verleden niet aan de juridische eisen heeft voldaan. Op basis van deze bovenstaande informatie wordt een tijdtabel gemaakt, met daarin wanneer welke gebieden of procedures geaudit moeten worden.
Management Review
De laatste stap in het toepassen van het management systeem is de management review. 47
Bekijk: Is het management systeem praktisch, werkbaar en effectief? Welke prestaties heeft het bedrijf behaald? Wat zijn de redenen voor de verslechtering of de verbetering? Handelt de organisatie in overeenstemming met wettelijke vereisten? De review moet gebaseerd zijn op relevante documenten, zoals het management audit rapport. Afhankelijk van de resultaten van de review moet het beleid of de details van het management systeem aangepast worden. Hoe vaak deze aanpassingen gemaakt worden hangt af van het bedrijf. Oefening: Presentatie: Gebruik de oefeningen en de vragen die je eerder hebt beantwoord. Probeer op basis daarvan een presentatie te maken met daarin de doelen en maatregelen om energie te besparen in jouw school. Gefeliciteerd: Nu ken je de belangrijkste stappen van een EMS.
Kern Punten: Een management systeem bestaat uit 5 belangrijke stappen: 1. Energiebeleid 2. Planning: Invoer – Uitvoer analyse, doelen, maatregelen 3. Toepassing en werking: Team, Communicatie, Documentatie 4. Audit 5. Management Review Referenties: 1. ISO 14001 2. Energy policy (Star Paper Mills Ltd.) http://www.energymanagertraining.com/ banner/EMP2005_pdf/Star_Paper_Mills_EMP.pdf 3. M-real’s Environmental Declaration 2007 http://www.m-real.com/ilwwcm/resources/file/eb7e914b0803b58/M-real%2 0EMAS%202007%20E_ENDI_08082007.pdf 4. http://www.southbirminghampct.nhs.uk/_services/rehab/Images/AuditCycle.jpg
Internet links: www.sappi.com www.m-real.com www.iso.org www.nsai.ie
48
Hoofdstuk 5: Energiezuinigheid in de paperindustrie Introductie Wie kan zich een wereld zonder papier voorstellen? Het is één van de meest veelzijdige en meest gebruikte materialen in ons dagelijks leven. Zelfs in deze tijden van elektronische communicatie en kennisopslag is papier onvervangbaar, niet alleen in het onderwijs en in informatie overdracht maar ook voor duizenden andere producten die we iedere dag gebruiken.
Figuur 9: Papierproducten.
Het idee van papier maken is ongeveer 2000 jaar geleden in China ontstaan en werd halverwege de 3e eeuw populair in Europa [5]. Toen werden vezels van de schors van de moerbei, papyrus, stro of katoen gebruikt als grondstof om het papier van te maken. De industrialisatie van papierproductie begon halverwege de 19e eeuw en mensen begonnen de vezels van hout te gebruiken als grondstof [1]. Energie heeft altijd een grote rol gespeeld in papierproductie. Vroeger werd papier altijd naast grote rivieren geproduceerd zodat de aanvoer van water en het gebruik van waterkracht voor de verschillende processen zeker was. De zon en de wind hielpen bij het drogen en bleken van het papier. Met de industrialisatie van papierproductie begon ook het intensieve gebruik van fossiele brandstoffen. Tegenwoordig is ongeveer 48% van de primaire energie die gebruikt wordt in de Europese papier en pulpindustrie afkomstig van fossiele brandstoffen [22]. Europese papierfeiten1 [22]
Papierverbruik in Europa neemt gemiddeld 2,6% per jaar toe. De jaarlijkse productie capaciteit van Europese landen is iets hoger dan 100 miljoen ton. Ongeveer 48% daarvan is grafisch papier, 40% is papier voor verpakkingen, en 12% is hygiënisch en speciaal papier. Duitsland is de belangrijkste papierproducent, gevolgd door Finland, Zweden, Italië en Frankrijk. De industrie zorgt voor direct en indirect werk voor meer dan twee miljoen mensen en omvat 1200 pulp en papierfabrieken en 800 andere bedrijven in Europa. De Europese pulp2 en papierindustrie hebben een jaarlijkse omzet van 79 miljard euro; dat is 1,4% van de totale omzet van Europese productie industrie.
1
Feiten voor “Cepi Countries”. Cepi staat voor ‘Confederation of European paper industries’. Leden in 2007: België, Duitsland, Finland, Frankrijk, Hongarije, Italië, Nederland, Noorwegen, Oostenrijk, Polen, Portugal, Slowakije, Spanje, Tsjechië Verenigd Koninkrijk, Zweden, Zwitserland.
2
Papier bestaat vooral uit vezels uit hout of gerecycled papier. De vezels worden op een chemische of een mechanische manier gescheiden van het hout of een ander grondstof en worden “pulp”genoemd.
49
Het houtverbruik van de Cepi landen was in 2007 groter dan 119 miljoen ton Pulp en papier productie is wereldwijd de vierde verbruiker van primaire energie3 binnen de industrie [17]. Meer dan de helft van de warmte en het elektrische vermogen wordt opgewekt door de verbranding van biomassa. Figuur 10 laat het aandeel primaire energie bronnen voor de Europese pulp en papier industrie zien.
Figuur 10: Aandeel aan primaire energiebronnen [22].
Elektriciteit, die niet zelf opgewekt is maar verkregen is van het netwerk, wordt opgewekt uit een aantal brandstoffen. Figuur 11 laat de verhouding van brandstoffen zien voor de productie van elektriciteit binnen de EU.
Figuur 11: Jaarlijkse elektriciteitsproductie in de 27 EU landen door brandstof [28].
“Hernieuwbaren” in Figuur 11 omvat elektriciteit die geproduceerd wordt uit waterkracht, verbranding van biomassa en biogas, verbranding van gemeentelijk afval, windenergie, geothermische energie en zonne-energie [28]. De productie van papier en pulp draagt bij aan ernstige effecten op ons milieu, aangezien het proces intensief gebruik maakt van hout, chemische middelen, water en veel energie. In deze context, beschrijft dit handboek de productie methoden en geeft het een beeld van energie efficiency en energiebesparing methodes in de papier en pulpindustrie. 3
Primaire energie is energie in natuurlijke hulpbronnen voordat het transformaties of omzettingen heeft doorstaan. Voorbeelden van primaire energie bronnen zijn: kolen, ruwe olie, aardgas, zonlicht, wind, biomassa, water kracht en uranium [33].
50
De levenscyclus van papier De energie van de zon drijft de ecologische cyclus van papier en pulp aan; het zet water, voedingsstoffen, zonne-energie en koolstofdioxide om in houtvezels door bomen te laten groeien. Het bos is een hernieuwbare bron van grondstoffen voor zowel houtvezels als biobrandstoffen voor energieopwekking [19]. Figuur 12 laat de basisstappen van de levenscyclus van papier zien.
Figuur 12: Levenscyclus van papier [31].
Hout en bijproducten van de houtindustrie, worden getransporteerd naar de papierfabriek waar cellulose vezels van de andere componenten van hout worden gescheiden. De overgebleven vezels (pulp) worden gemixt met water en chemische middelen voordat ze in de papiermachine in de fabriek gaan. Afval van de houtindustrie en van pulp en papierfabrieken wordt verbrand in energiecentrales om fossiele brandstoffen te besparen en de hoeveelheid afval stortplaatsen te verminderen. Papierafval wordt verzameld en gesorteerd nadat het gebruikt is en wordt gerecycled in het productieproces [31]. Grondstoffen voor de papierproductie In het papierproductie proces worden vezels (pulp), chemicaliën, water en energie ingevoerd. Vezels, chemicaliën en water worden gemixt en vormen de “papierstof” die de papiermachine in gaat [18].
51
Vezels Verschillende vezelmaterialen zoals hout, planten zonder hout of afval van houtzagerijen (primaire vezels) en herwonnen papier4 (secondaire vezels) kunnen gebruikt worden als grondstof voor papierproductie. In de eerste stap in de productie worden de vezels onttrokken aan het ruwe materiaal en wordt de zogenaamde “pulp” geproduceerd. Deze pulp wordt gemixt met water en chemicaliën voordat het de papiermachine ingaat, waar de vellen papier worden gemaakt [3]. Hout Hout is organisch materiaal dat bestaat uit ongeveer 49% koolstof, 44% zuurstof, 6% waterstof, minder dan 1% stikstof en anorganische elementen zoals natrium (Na), kalium (K), calcium (Ca), magnesium (Mg) en silicium (Si). Deze elementen vormen macromoleculen en vormen zo de basiselementen van hout: cellulose, hemicellulose en lignine. De flexibele cellulose vezels worden bij elkaar gehouden en stevig gemaakt met de lignine [6]. Figuur 13 laat het principe van de celopbouw van hout zien.
Figuur 13: Gesimplificeerd principe van de celopbouw van hout [16].
Bij het maken van papier kunnen alleen de cellulose vezels gebruikt worden. Ze moeten op een mechanische of chemische manier van de andere houtcomponenten gescheiden worden. Vezels van zachthout bomen, zoals sparren, dennen en pijnbomen zijn langer en grover dan hardhout vezels. Zachthout vezels maken het papier bestendig tegen oprekken en scheuren, terwijl hardhout vezels leiden tot een zachter oppervlak van het vel papier. Omdat zachthout meer lignine bevat dat hardhout, zijn er meer chemicaliën en energie nodig om de gewenste vezels van de andere componenten te scheiden [18]. Planten zonder hout Planten zonder hout (zoals gras, vlas en hennep) en landbouwoverschotten (zoals stro en suikerriet) zijn in landen als China en India belangrijke materialen voor de productie van primaire vezels [19, 20]. Herwonnen papier In 2006 werd 56% van het papier en kartonverbruik in Europa gerecycled. Kranten en karton zijn 4
De industrie geeft de voorkeur voor de term “herwonnen papier” in plaats van “papierafval”. [www.leo.org]
52
de belangrijkste producten die uit gerecycled papier worden gemaakt [19]. Chemicaliën Chemische stoffen zoals vulmiddelen en deklagen kunnen 30% van de totale papiervloeistof uitmaken. Het toevoegen van vulmiddelen, zoals calciumcarbonaat (kalk) en kaolien, zorgt ervoor dat het papier minder doorzichtig is, resistenter tegen veroudering, een gladder oppervlak heeft en flexibeler is. Bovendien vereisen verschillende stappen in het proces van pulpproductie om het toevoegen van chemicaliën, zoals het oplossen van lignines van primaire houtvezels, en het schoonmaken en bleken [1]. Water Water is de belangrijkste grondstof. Het is nodig voor het schoonmaken, koelen, opwekken van stoom en het heeft een bindende functie om waterstof verbindingen tussen de vezels in het vel papier te vormen. Het papierproductieproces kan 10 tot 100 liter water per kilogram geproduceerd papier vereisen. Moderne papierfabrieken gebruiken kringlopen en circulatiesystemen om de vraag naar vers water te minimaliseren [3]. Energie De meeste papierfabrieken hebben hun eigen energiecentrale voor het opwekken van elektriciteit en van stoom. Het zelf opwekken van energie neemt bijna 60% van het totale energieverbruik van de Europese pulp en papier industrie voor zijn rekening. Waterkracht, aardgas, fossiele brandstoffen, afval en biomassa, en energie die herwonnen wordt binnen het productieproces worden getransformeerd naar stoom en elektriciteit om het proces te laten lopen [18]. Om een voorbeeld te geven, laat Figuur 14 de versimpelde energiestroom zien van een Oostenrijkse papierfabriek.
Figuur 14: Energetisch stroom schema van de UPM papierfabriek in Steyrermühl, Oostenrijk [14].
Zoals je kunt zien, worden aardgas, boomschors (‘bark’ in het Engels) en afval uit het productieproces verbrand om warmte te produceren. Deze warmte wordt gebruikt om stoom te maken, die een turbine aandrijft die elektriciteit produceert. Overbodige stoom uit de turbine wordt gebruikt om andere delen in het proces te verwarmen. Warmteherwinning systemen dragen daarnaast bij aan de energielevering aan de papierfabriek. In deze papierfabriek levert een waterkracht (‘hydropower’) station ook elektriciteit. Het resterende elektriciteitsverbruik wordt uit het net gehaald [14]. Papierfabrieken gebruiken energie in de vorm van stoom om te verwarmen en te drogen (zoals in de papiermachine) en elektriciteit om de verschillende machines en motoren aan te drijven. De energiekosten beslaan 15 – 25% van de totale productiekosten [27]. 53
De energievraag voor de productie van een ton papier ligt tussen 3-5 MWh, dit is evenveel als de gemiddelde hoeveelheid energie die een Europees huishouden per drie maanden verbruikt5. Vanwege de hoge kosten blijft het een hoofdzaak voor de industrie om de vraag naar primaire energie te verminderen en om te zorgen voor een efficiënt gebruik van opgewekte stoom en elektriciteit. Vooral de verbranding van afval uit het productieproces en biomassa zoals boomschors, houtresten en andere overblijfselen van (snoei en kap) werkzaamheden in het bos, dragen bij aan het verminderen van het gebruik van fossiele brandstoffen en aan een duurzame invoer van hulpbronnen. Boven alles verminderen warmte herwinning installaties tijdens het productieproces de totale vraag naar energie en zo de hoeveelheid uitgestoten CO2 en andere uitstoot [19]. Productieproces van papier Papierproductie kan worden opgedeeld in twee stappen waarin de grondstoffen worden omgezet in het eindproduct [3, 20]: Pulpproductie en voorbereiding (Paragraaf 4.1) Winning van vezels uit de ruwe materialen. Vezels kunnen mechanisch (zie Thermo-mechanische pulp) of chemisch (zie Chemische pulp) gewonnen worden uit hout of mechanisch uit gerecycled papier. Gewonnen vezels worden uitgesorteerd, schoongemaakt en gebleekt.
Papiermachine (Paragraaf 4.2) Van de pulp wordt papier gemaakt
Pulpproductie en voorbereiding
Als houtblokken gebruikt worden als bron van vezels, is het allereerst belangrijk om de schors van de blokken te verwijderen. De schors wordt meestal verwijderd in een ronddraaiende trommel zodat de schors door wrijving van het hout komt. De schors kan verbrand worden om energie mee op te wekken [4]. Deze zogenaamde “biomassa verbranding” vermindert de vraag naar fossiele brandstoffen en de hoeveelheid afval uit het proces [2]. In een pulpfabriek worden vervolgens de cellulose vezels uit de houtblokken van de overige componenten gescheiden en een massa van losse vezels wordt bij elkaar gebracht. In een geïntegreerde pulp- en papierfabriek worden pulp en papier in dezelfde fabriek geproduceerd. In andere fabrieken wordt de pulp gedroogd en in balen samengeperst, zodat het vervolgens in iedere papierfabriek ter wereld gebruikt kan worden [19]. Chemische pulpproductie In de chemische manier van pulp produceren worden warmte, chemicaliën en druk gebruikt om de lignine in het hout splitsen zodat dit weggewassen kan worden van de cellulosevezels [18]. Daarom worden eerst de ontschorste houtblokken gewassen en in kleinere spaanders gehakt. Bij het sorteren worden te grote spaanders opnieuw in het proces gebracht. Zaagsel kan verbrand 5 Bron: www.aee.or.at; Het gemiddelde energieverbruik per jaar (inclusief alle elektrische verbruikers en verwarmingsystemen is dit ongeveer 20.000 kWh).
54
worden samen de schors en overige overblijfselen [2]. In chemische pulpproductie worden de houtspaanders “gekookt” in een zogenaamde “kookvloeistof” (witte oplossing) die natriumhydroxide (NaOH) en natriumsulfide (NaS) bevat. Door deze chemicaliën en een procestemperatuur van 155 tot 175 °C, worden de lignine en een gedeelte van de hemicelluloses opgelost uit het hout, zodat alleen de gewenste cellulosevezels overblijven. De gewonnen vezels (pulp) bevatten “zwarte vloeistof”: een mix van resten pulpchemicaliën en lignine. Door te wassen wordt de zwarte vloeistof gescheiden van de pulp en verzameld in een chemisch herwinningsysteem. Hier worden ongeveer 70% van de energie invoer naar het kookproces en meer dan 90% van de chemicaliën herwonnen [2]. In het begin heeft pulp een bruinige kleur. Afhankelijk van de gewenste helderheid en zuiverheid kwaliteiten van het papier, wordt de pulp gebleekt om meer overgebleven lignine en andere verontreinigingen te verwijderen. Chloor/chloorverbindingen, ozon/zuurstof in verschillende vormen en waterstofperoxide worden als bleekmiddel gebruikt. Vanwege de schadelijke effecten van sommige chloorbevattende componenten op het milieu, zijn er bezwaren tegen het gebruik en de meeste fabrieken gebruiken daarom chloorvrije processen [1].
Figuur 15: Gebleekte chemische pulp [34]. Figuur 16 Belangrijkste massa en energetische stromen in chemische pulp productie.
55
Chemisch en Energie herwinningsysteem In het herwinning systeem, wordt water via verdamping uit de zwarte vloeistof verwijderd. De overgebleven ingedikte vloeistof wordt naar een herwinning boiler geleid. De organische hout componenten in de zwarte vloeistof (lignine en andere houtcomponenten) hebben een hoog energie gehalte en worden verbrand om stoom te produceren. De gebruikte chemicaliën worden op de bodem van de herwinning boiler verzameld en worden teruggebracht in het proces [18].
Figuur 17: Stroom schema van het herwinning systeem [4].
Thermo–mechanische pulp (TMP) Thermo-mechanische pulpproductie gebruikt warmte en mechanische energie om vezels uit hout te verkrijgen. Houtspaanders worden in stoom gedompeld om ze vochtig te maken. Vervolgens 56
worden de vezels uit de spaanders gemalen in een roterende machine (de ‘refiner’). Het simpelste ontwerp van een ‘refiner’ bestaat uit twee schijven, die tegen elkaar in draaien. De rotatie energie van de ‘refiner’ zorgt ervoor dat er veel stoom uit de natte houtspaanders vrijkomt. Dit “stoom afval” of “TMP stoom” wordt gescheiden van de houtvezels en wordt naar het energie terugwinningsysteem geleid. De vezels worden dan gesorteerd zodat de te grote delen uit de stof verwijderd worden, en worden schoongemaakt en gebleekt om de gewenste pulpkwaliteiten te verkrijgen. [4]. Figuur 18 laat het stroomschema zien van de thermomechanische pulpproductie.
Figuur 18: Stroomschema van TMP productie [31].
Energie terugwinningsysteem
De stoom die naar het energie terugwinningsysteem wordt geleid bevat veel verontreinigingen (zoals terpentijn, vluchtige organische oliën) zodat het niet direct voor verwarming in het proces gebruikt kan worden. Daarom wordt de hete stoom een warmte terugwinningboiler in geleid, waarin vers water verwarmd wordt en nieuwe stoom wordt geproduceerd waarmee de houtspaanders vochtig worden gemaakt.
Figuur 19: Warmte uitwisseling tussen TMP stoom en vers water [12].
57
De TMP stoom circuleert door de herwinningboiler en verwarmt het verse water. Daar condenseert het uiteindelijk en op de bodem wordt het onttrokken en naar het afvoer behandeling systeem geleid. Met de werking van de herwinning boiler, kan 60–70% van de benodigde energie voor de werking van de ‘refiner’ herwonnen worden in de vorm van verse stoom [12]. Pulp uit gerecycled papier Om ruwe materialen te besparen, kunnen de vezels van gerecycled papier gebruikt worden in plaats van nieuwe vezels uit hout. Hierbij worden verschillende niveaus in het voorbereiding systeem toegevoegd, zodat het papier gebruikt kan worden in de papiermachine [3]. In Figuur 20 zie je een voorbeeld van een stroomschema voor de verwerking van gerecycled papier. Een op te pompen mengsel wordt geproduceerd in een vat gevuld met water en herwonnen papier uit het invoermateriaal. Deze zogenaamde “pulper” versnippert het herwonnen papier in vezels door het op te lossen in water [3]. Inktdeeltjes en verontreinigingen zoals folies, textiel, plastic zakken, stenen, nietjes of stukjes hout worden uit het mengsel gehaald voordat het de papiermachine ingaat [18].
Figuur 20: Papierproductie van de herwonnen vezels [31].
De verontreinigingen die verwijderd worden tijdens het recycling proces (afval) kunnen verbrand worden om energie mee op te wekken [19]. Recycling versus verbranding Het recyclen van papier draagt bij aan duurzame productie, maar het blijft altijd nodig om nieuwe vezels uit bomen in de papiercyclus te brengen. Papierafval bevat namelijk veel beschadigde en kapotte vezels die niet hergebruikt kunnen worden [7]. Bij iedere hergebruik cyclus wordt 10-20% van de vezels te klein om nog eens te gebruiken en moeten vervangen worden [17]. Papier dat niet hergebruikt kan worden kan verbrand worden met ander huishoudelijk afval in de gemeentelijke verbrandingsovens. Het papier heeft een positief effect op het verbrandingsproces omdat het gemakkelijk brandt en daarom de vraag naar aanvullende fossiele brandstoffen
58
verminderd [17]. Verbranding van een ton papierafval vervangt ongeveer 600 liter olie [22]. Aangezien gemeentelijke verbrandingsovens meestal energie opwekken, bijvoorbeeld stoom voor stadsverwarming en elektriciteit voor het netwerk (zie Figuur), is het verbranden van papierafval dat niet gerecycled of gebruikt kan worden in andere materialen een manier om energie te herwinnen.
Figuur 21: Afvalverwerkingskraan [25].
Figuur 22: Energie uitvoer van afval verbranding [26].
Papier recycling versus gebruik van verse vezels De milieueffecten van papierproductie zijn talrijk. Dit hoofdstuk illustreert de meest bekende invloeden van pulp en papierproductie op het milieu. Ondanks de vele kwaliteitsniveaus van papier en de verschillende manieren om pulp en papier te produceren, menen verschillende experts dat papier dat geproduceerd wordt uit gerecyclede vezels minder schadelijk voor het milieu is dan papier dat wordt geproduceerd uit primaire vezels. [9, 10, 19, 25, 26] Tabel 1 laat de verschillende effecten op het milieu zien van het productieproces van een ton papier uit primaire vezels (Scenario A) vergeleken met een ton uit secondaire vezels (Scenario B). Ernstige effecten op het milieu zijn: Broeikasgassen: zoals koolstofdioxide (CO2) en methaan (CH4) dragen bij aan klimaatverandering door energie van de zon te vangen in de atmosfeer van de aarde [24] Deeltjes: kleine deeltjes (< 10 µm) die verspreid worden in de atmosfeer tijdens de verbranding kunnen door inademing zorgen voor astma en andere luchtwegaandoeningen, en zelfs tot kanker leiden [24] Zwaveldioxide: SO2 is het resultaat van het verbranden van brandstoffen die zwavel bevatten (kolen, olie) in boilers en leidt tot luchtvervuiling zoals zure regen of smog [24] CZV: De Chemisch Zuurstofverbruik (CZV) waarde laat de hoeveelheid constante 59
organische stoffen zien in het afvalwater [24] BZV: Het Biologisch Zuurstofverbruik (BZV) laat de hoeveelheid zuurstof zien die verbruikt wordt door micro-organismen wanneer zij organisch materiaal omzetten in afval. Het lozen van afvalwater met een hoog BVZ zorgt voor een afname van opgelost zuurstof in het water en heeft daardoor effect op vissen en andere organismen [18] AOX: Oplosbare Organische Halogenen zijn een indirecte maat voor organische chloor verbindingen, waarvan sommige giftig zijn [24]
Tabel 1: Vergelijking van milieu effecten tussen papierproductie uit primaire vezels en uit secundaire vezels [8, 9, 24].
Grondstoffen Hout Gebruikt papier Mineralen (zoals kalk) Chemicaliën (zoals pigmenten, vulmiddelen) Water
A: 100% verse vezels
B: 100% gerecyclede vezels
2200 kg 100 kg
1100 – 1300 kg 25 kg
230 kg 30.000 - 100.000 l
130 kg 10.000 - 20.000 l
Energieverbruik Verbranding houtresten Verbranding afval uit proces Overig (zoals: fossiele brandstoffen)
Totaal Afvoer naar water CZV BZV AOX
3-4 MWh 0,5 - 1 MWh
0,5-1 MWh 1 - 2 MWh
3,5 - 5 MWh
1,5 - 3 MWh
5 - 50 kg 1,8 - 2,1 kg <0,5 kg
2 - 10 kg 1,6 - 2 kg <0,5 kg
1200 - 2500 kg 4 - 5 kg 10 - 12 kg
900 - 1400 kg 2,5 - 3 kg 9 - 11 kg
Uitstoot naar de lucht Broeikasgassen (CO2 equivalents) Deeltjes Zwaveldioxide
Wanneer we kijken naar de energie efficiency van de papiercyclus, zien we dat bij vezelherwinning minder energie verbruikt wordt dan bij de productie van papier uit verse vezels. Maar het is mogelijk dat er sprake is van een grotere externe invoer van energie uit fossiele brandstoffen bij de recycling processen aangezien de productieprocessen waarin verse vezels worden gebruikt vaak hout als alternatieve brandstof gebruiken. De productie van een ton papier van gerecyclede vezels verbruikt ongeveer 2 MWh ofwel 40% minder energie dan papier geproduceerd uit verse vezels [23]. Deze hoeveelheid energie verbruikt een gemiddeld Europees huishouden in anderhalve maand6. 6
Bron: www.aee.or.at: Het gemiddelde energieverbruik verwarmingsystemen is dit ongeveer 20.000 kWh).
60
per jaar (inclusief alle elektrische verbruikers en
Als we wat verder kijken naar de CO2 uitstoot, is de gemiddelde mogelijke besparing 700 kg per ton gerecycled papier in vergelijking met papier geproduceerd uit verse vezels. Er van uitgaande dat een gemiddelde auto op de Europese straten 160 g CO2 per kilometer uitstoot, kun je ongeveer 4400 kilometer met de auto reizen om dezelfde hoeveelheid CO2 uit te stoten. Verbranding van afval uit het productieproces Gegevens van de Duitse papierindustrie laten zien dat in 2001 35% van het vaste afval (schors en houtresten, alle soorten restafval) gebruikt werd om energie op te wekken, van 18% werd compost gemaakt of biologisch behandeld, 41% werd hergebruikt als grondstof in andere takken van industrie en maar 6% werd kwam uiteindelijk terecht op de vuilstort. Verbranding van afval uit het productieproces wordt steeds belangrijker vanwege de hoge kosten van fossiele brandstoffen, strengere milieuwetgeving en hoge vuilstortkosten [3]. De pulp- en papierindustrie is de grootste producent en consument van alternatieve brandstoffen zoals zaagsel, schors en andere houtresten [19].
Opwekking van stoom en elektriciteit In de productie van pulp en papier wordt in verschillende stappen stoom voor verwarming gebruikt, zoals in het drooggedeelte van de papiermachine. Stoom wordt opgewekt door warmte uitwisseling tussen hete uitlaatgassen uit verbrandingsprocessen (verbranding van fossiele of alternatieve brandstoffen, chemisch herwinningproces) en vers water [12]. In Figuur 23 zie je het basisprincipe van stoomproductie.
Figuur 23: Versimpeld principe van stoomproductie [15]
De stoom drijft een turbine aan; de warmte wordt omgezet naar mechanische rotatie energie. De as van de turbine is verbonden met een dynamo die de mechanische rotatie energie omzet in elektriciteit. De stoom die overblijft in de turbine wordt naar het papierproductieproces geleid voor verwarming. Op de plekken waar stoom wordt gebruikt, staat stoom door te condenseren energie af aan het proces. De condens wordt teruggepompt naar de boiler om weer gasvormig te worden. Dit proces wordt de cogeneratie stoomcyclus genoemd (warmtekrachtkoppeling) en wordt geïllustreerd in Figuur 24 [11].
61
Figuur 24: Stroom schema van verbranding van afval voor stoom en elektriciteit productie [10].
Bezinksel en biogas7 uit de behandeling van afvalwater en afvalresten uit het pulpproces worden verbrand samen met schors, andere houtresten en fossiele brandstof [10]. Een biologische behandeling, of in centrales of in gemeentelijke verbrandingsovens, is tegenwoordig standaard voor afvalwater van papierfabrieken. De hoeveelheid afvalwater van moderne papierfabrieken is ongeveer 10 – 12 liter/kg papier [3]. Werking van warmtekrachtkoppeling systemen om energie efficiency te garanderen. Warmtekrachtkoppeling is het tegelijkertijd opwekken van elektrisch vermogen en warmte in één geïntegreerd systeem. Met de afvalwarmte uit de opwekking van elektriciteit wordt in de verschillende stappen in het proces gedroogd of verwarmd. De hoeveelheid afvalwarmte wordt dus verminderd en er wordt op brandstof bespaard. Dit betekent dat de totale efficiency van warmtekrachtkoppeling processen hoger is vergeleken met de traditionele gescheiden opwekking van elektriciteit en stoom [29]. De efficiency (ŋ) van een proces kan berekend worden als de verhouding tussen energie uitvoer uit een systeem (bruikbare energie uitvoer, dit is bruikbare thermische energie, netto elektrische uitvoer) en de energie die in het systeem wordt gebracht (energie invoer, dit is de netto [calorific] waarde8) [13]. ŋ = Pgebruik/Pin; Pgebruik = bruikbare energie (i.e.: vermogen, warmte); Pin = Energie invoer Warmtekrachtkoppeling wordt erkend als een belangrijke technologie om energie te besparen en op die manier uitstoot van koolstofdioxide te verminderen. Het is mogelijk om met warmtekrachtkoppeling installaties tot 25% energie te besparen [19]. Figuur 25 laat het energie 7
Biogas is een mix van methaan (55 vol-%), koolstofdioxide (44 vol-%) en andere gasvormige componenten (1 vol-%) die wordt geproduceerd door micro-organismes, door de vertering van organisch materiaal onder anaerobe (zonder zuurstof) omstandigheden. Biogas ontstaat bijvoorbeeld in moerassen, vuilstorten, en waterzuiveringsprocessen [32].
8
Netto [calorific] waarde: Hoeveelheid warmte vrijgelaten bij de complete verbranding van een eenheid brandstof wanneer van het geproduceerde water wordt aangenomen dat het gasvormig blijft. [30]
62
efficiency voordeel zien ten opzichte van afzonderlijke opwekking van vermogen en een stoom boiler [29].
Figuur 25: Totale efficiency van warmtekrachtkoppeling (onder) vergeleken met afzonderlijke opwekking van stoom en elektriciteit (boven) [13, 29].
63
Als elektriciteitopwekking een gescheiden proces is, kan ongeveer 31% van de brandstof omgezet worden in netto elektrisch vermogen (de uitvoer), en gaat de rest van de energie invoer verloren aan afvalwarmte van de energiecentrale. Boilers die stoom produceren zetten gewoonlijk 80% van de ingevoerde brandstof om in bruikbare thermische energie. Als een papierfabriek bijvoorbeeld 30 eenheden elektriciteit en 45 eenheden aan stoom nodig heeft, zijn er 154 eenheden brandstof nodig om het proces te laten werken. De totale efficiency kan berekend worden: [29] ŋ = Pgebruik/Pin = (30+45)/154 = 0,49 ŋ = 49% Een warmtekrachtkoppeling proces gebruikt het warmte afval van de elektriciteitproductie en heeft daarom minder energie nodig. Er zijn voor een papierfabriek dan maar 100 brandstofeenheden nodig voor 30 eenheden elektriciteit en 45 eenheden stoom. Daardoor is de efficiency veel hoger [29]. ŋ = Pgebruik/Pin = (30+45)/100 = 0,75 ŋ = 75% Productie van papiervellen in de papiermachine Dit is de laatste stap in het papierproductieproces. Figuur 26 laat de basis onderdelen zien van een papiermachine. Er zijn vijf hoofdonderdelen of partijen: de stofoploop (waar pulp en andere componenten de machine in geleid worden), de doekpartij, de perspartij, de droogpartij en de eindgroep [3].
Figuur 26: Werking van een papiermachine [31, 2].
In de “stofoploop” (in de Figuur “headbox” genoemd) wordt het mengsel van pulp, water en chemicaliën (vulmiddelen, pigmenten) verspreid over de machine. De waterinhoud van het mengsel is 99% [2]. In de zeefdoekpartij wordt het water verwijderd uit het mengsel door verschillende rollen en vacuüm delen, zodat het aandeel vaste stof 20% wordt [3]. Het onttrekken van water uit de vezeldrab gaat door in de perspartij, door het ‘papier’ tussen metalen rollen samen te drukken. Het aandeel vaste stof neemt toe tot 50% [3]. Met stoom verwarmde cilinders in de droogpartij verdampen de laatste resten water uit het mengsel [3]. Chemische verbindingen worden tussen de vezels gevormd en het uiteindelijke vel papier wordt gemaakt [18]. In Figuur 27 zie je de werking van de droogpartij. 64
Figuur 27: Principe van de droogpartij [20].
Om deze machines energiezuinig te laten werken, worden warmte herwinningsystemen geïnstalleerd boven de droogpartij. De hete, stoom bevattende lucht uit de droger wordt verzameld en hergebruikt in warmteprocessen in de papiermachine [2]. In de “eindgroep” worden aanvullende pigmenten of andere chemicaliën toegevoegd aan het vel papier, als dat nodig is. Er wordt een kleurlaag aangebracht en het oppervlak van het papier wordt mat gemaakt [3]. Het uiteindelijke papier wordt op grote rollen gerold die 10 meter lang kunnen zijn en 25 ton kunnen wegen [21].
Figuur 28: Papierrol [23]
Opmerking: Tips voor papierbesparing We hebben allemaal een verantwoordelijkheid ten opzichte van het milieu en de planeet waarop we wonen. Door op een verstandige manier gebruik te maken van hulpbronnen en producten, kan iedereen bijdragen aan een leefbare wereld. Verminder je papierverbruik Print alleen documenten en e-mails als het echt nodig is Print je documenten dubbelzijdig Gooi geen eenzijdig geprint papier weg – gebruik het om aantekeningen te maken Als het mogelijk is, gebruik dun papier 65
Gebruik producten van gerecycled papier Verzamel je papier gescheiden en gooi het in de papierbak
Voorbeeld: Berekening: Een papierfabriek verbruikt netto 2,4 MWh energie per ton geproduceerd papier. a. Hoeveel primaire energie (brandstof energie) is nodig om het productieproces te laten werken, wanneer een afzonderlijke warmte en energie opwekking met een algehele efficiency van 49% werkzaam is? ŋ = Qgebruik/Qin Qin = Qgebruik /ŋ = 2,4 MWh/0,49 Qin = 4,9 MWh b. Hoeveel energie (brandstof energie) invoer is nodig wanneer warmte en energie opwekking met een efficiency van 75% werkzaam is? ŋ = Qgebruik/Qin Qin = Qgebruik /ŋ = 2,4 MWh/0,75 Qin = 3,2 MWh c. Als het in geval a) en b) alle energie opgewekt zou worden door het verbranden van aardgas, hoeveel kan dan bespaard worden door middel van warmtekrachtkoppeling vergeleken met afzonderlijke warmte en energie opwekking? De netto [calorific] waarde van aardgas is ongeveer 10 kWh/m³. Het verschil tussen cogeneratie (WKK) en afzonderlijke warmte en energie opwekking: 4,9 MWh – 3,2 MWh = 1,7 MWh 1700 kWh/10 kWh/m³ = 170 m³ 170m³ aardgas kan per ton papier bespaard worden als gebruik gemaakt wordt van WKK. d. Vul de vergelijking voor de verbranding van aardgas aan CH4 + O2 CO2 + H2O CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O e. Als we er even van uitgaan dat aardgas alleen bestaat uit CH4, hoeveel gram CO2 kan bespaard worden per ton papier als gebruik wordt gemaakt van WKK? De verbranding van 1 m³ CH4 stoot 1 m³ CO2 uit de atmosfeer in. De molaire massa van CO2 is 44 g/mol. 1 mol = 22,414 l 1 m³ = 1000 l/22,414 l/mol = 44,6 mol 44,6 mol/m³ * 44 g/mol = 1962,4 g/m³
66
Experiment: Maak je eigen papier!
Van internet: http://www.flickr.com/photos/bzedan/sets/967347/ (14.12.2008) Je hebt nodig: papier, een blender, een bak (bijvoorbeeld de onderkant van een kattenbak), wat oude kranten, een föhn, water, een spons, een oud laken, (duck)tape, een stuk van een hor/ vliegengaas (40x30cm), een raamwerk van draad (40x30cm) met openingen van 2x2cm, een multimeter/ universeelmeter, een plank. Maak zogenaamde vilten: snijd het laken in stukken van 50x40cm. Maak je schepraam: dit is de simpelste en goedkoopste versie die je kunt maken. Het vliegengaas en het draadraamwerk kun je allebei kopen bij een gereedschapswinkel of doe het zelf zaak.
Vul de blender voor ongeveer tweederde met water. De temperatuur moet tussen lauw en badwater warm zijn.
Begin met het verscheuren of verknippen van je papier. Het beste is om stukjes papier ongeveer 2x2 cm te knippen.
67
Doe het papier in de blender en mix het goed (tenminste drie minuten). Je kunt de benodigde energie voor het mixen berekenen door: Q=P*t. P kan gemeten worden met je multimeter. Doe de pulp in de bak. Mix drie blenders met pulp met één blender water. Je krijgt nu een mooie soep; niet te dik en niet te waterig.
Maak ruimte om het papier te maken. Leg wat krantenpapier naast de bak. Leg een vilt op de krant. Houd de rest van de kranten en vilten in de buurt.
68
Mix je pulp met het water door er met je hand in te roeren.
Doe je schepraam in de pulp. Als je raam in de pulp zit, schud hem dan even een beetje heen en weer, zodat de pulp gelijk verdeeld wordt en op het raam blijft zitten. Ga door met het trillen of schudden van het raam wanneer je het uit de bak haalt. Als het er niet goed uitziet, draai dan gewoon het schepraam om zodat de pulp weer in het water valt en begin opnieuw.
69
Nu je vel papier gevormd is, houd je het schepraam scheef zodat het overtollige water eraf loopt. Als de stroom water nog maar onregelmatig druppelt, kun je het "couchen".
Dit is "couching". [Line up your screen on your 'felts' and flip it over.] Het water in het schepraam zou ervoor moeten zorgen dat het papier blijft vastzitten.
70
Gebruik je (droge) spons om aan de achterkant van je raam meer water op te zuigen. Beweeg heen en weer, en vergeet de hoeken en randen niet.
Begin in een hoek met het loshalen van je papier van het schepraam. Als het niet loslaat draai je raam dan om en probeer nog meer water met je spons uit je papier te halen.
71
Leg nog een vilt over je papier. Daarna een laag kranten, en daarop nog een vilt en je kunt weer verder met een volgend vel papier.
Na drie tot vijf vellen, zul je zien dat je papier steeds dunner wordt. Tijd om meer pulp toe te voegen.
72
Als je klaar bent met het maken van vellen, leg dan een vilt bovenop de stapel en nog een krant. Deze stapel heet een "post".
Tijd om te persen. Leg je “post’ op een vloer die gemakkelijk schoon te maken is of waarvan het niet erg is dat deze vies wordt, en leg er een plank bovenop.
73
Ga midden op je plank staan. Blijf zo even staan; een paar minuten is genoeg
Nu kun je je zelfgemaakte vochtige papier verwijderen. Laat het drogen op een goed geventileerde plek, of je kunt het op het vilt laten zitten. DENK ERAAN: trek altijd aan de hoekjes en wees voorzichtig. Hang je 'vilten' op om te drogen, en recycle de krant. Papier is sterk, maar doe er voorzichtig mee als het van de ‘vilten’ haalt.
74
Als je je papier met een föhn droogt dan kun je de energie die nodig is om het te drogen berekenen: Q=P*t. P kan gemeten worden met je multimeter.
75
Referenties 1. 2.
3. 4. 5. 6. 7.
8. 9. 10.
11.
12.
13. 14. 15. 16. 17.
18. 19. 20.
The paper making process - From wood to coated paper: Sappi idea exchange; from the Internet: www.ideaexchange.sappi.com, 06.october 2008 European Commission: Integrated Pollution Prevention and Control (IPPC), Reference Document on Best Available Techniques in the Pulp and Paper Industry. December 2001; from the Internet: www.bmwa.gv.at., 06.october 2008 Herbert Holik (Ed.): Handbook of paper and board; Wiley – VCH Verlag GmbH & Co, KgaA, Weinheim (Germany), 2006 Herbert Sixta (Ed.): Handbook of pulp, Volume 2, Wiley – VCH Verlag GmbH & Co, KgaA, Weinheim (Germany), 2006 Anders Thoren (Ed.) Paper in the Ecocyle, Media Express Fallköping 1995, ISBN: 9188198-21-9 Herbert Sixta (Ed.): Handbook of pulp, Volume 1, Wiley – VCH Verlag GmbH & Co, KgaA, Weinheim (Germany), 2006 European Enviroment Agency: Paper and Cardboard – recovery or disposal? Review o f life cycle assesment and cost – benefit analyses on the recovery and disposal af p a p e r and cardboard, EEA Technical Report 5/2006; Copenhagen 2006; ISBN: 929167783-3 Initiative 2000 plus; Kritischer Papierbericht 2004; Essen, 2004 fr om t he I nte r ne t: www.unmweltdaten.de/publikationen/fpdf-k/papierb_kurz.pdf, 10.october 2008 From the Internet: http://www.infonetz-owl.de, 16.october 2008 Siemens: Press release; Generating electrical power instead of disposal to landfill: Sipaper Reject Power extracts electrical energy and process heat from residues from p a p e r production, Wiesbaden-June 27, 2006, from the Internet: www.industry.siemens.com/ press, 16.october 2008 Johann Gullichsen (Ed.), Carl-Johan Fogelholm(Ed.): Chemical Pulping; Book 6B of “Papermaking Science and Technology” – a series of 19 books; published in cooperation with the Finnish Paper Engineer`s Association and TAPPI Jan Sundholm (Ed.): Mechanical Pulping; Book 5 of “Papermaking Science and Technology” – a series of 19 books; published in cooperation with the Finnish Paper Engineer`s Association and TAPPI EDUCOGEN – the European Educational tool on cogeneration, second edition, september 2001; from the Internet: www.cogen.org, 05. november 2008 UPM Steyrermühl; Umwelterklärung 2004 – 2006 From the Internet: www.Energyefficiencyasia.org, 05.november 2008 From the Internet: http://www.lfu.bayern.de/umweltwissen/doc/uw_49_papier.pdf, 05.november 2008 International Institute for Environment and Development: Towards a Sustainable p a p e r cycle, An independent study on the sustainability of the pulp and paper industry; London, 1996; from the Internet: www.wbcsd.org/web/publications/paper-future.pdf, 05.november 2008 From the Internet: http://www.edf.org, 10.november 2008 From the Internet: www.paperonline.org, 10.november 2008 From the Internet: www.pita.co.uk, 13.november 2008 76
21. 22. 23.
24. 25. 26. 27. 28. 29.
30. 31. 32. 33. 34.
From the Internet: www.earth911.com 13.november 2008 Confederation Of European Paper Industries, Environmental Report 2000; Brussels November 2000; from the Internet: www.cepi.org, 11.november 2008 Jennifer Roberts (Ed.); The State of the Paper Industry, Monitoring the Indicators of Environmental Performance, A collaborative report by the Steering Committee of the Environmental Paper Network; from the Internet: w w w . e n v i r o n m e n t a l p a p e r . o r g / stateofthepaperindustry, 12.november 2008 From the Internet: www.papercalculator.org, 12. november 2008 From the Internet: www.waste-management-world.com, 14. november 2008 From the Internet: www.gte.at, 14. november 2008 From the Internet: www.reports.andritz.com, 28.november 2008 From the Internet: www.reports.eea.europa.eu, 29.november 2008 U.S. Environmental Protection Agency, Combined Heat and Power Partnership: Catalog of CHP Technologies; December 2008; from the Internet: www.epa.gov; 05.december 2008 From the Internet: www.iea.org; 03.december 2008 UPM – Kymmene Corporation; So entsteht Qualitätspapier; from the Internet: www.upmkymmene.com; 05.december.08 Austrian Energy Agency: Technologie Portrait Biogas; from the Internet: www.energytech.at; 08.december 2008 From the Internet: www.eoearth.org; 10.december 2008 From the Internet: www.stfi-packforsk.se; 11.december 2008
77
