Onze energiebronnen veranderen voortdurend. Achter de hoogspanningskabels van het elektriciteitsnetwerk ligt een hele wereld van exploratie, onderzoek en ontwikkeling. Elke dag zijn miljoenen mensen aan het werk om energiebronnen als steenkool, aardolie en aardgas te delven. En duizenden wetenschappers ontwikkelen nieuwe energiebronnen, die nodig zijn om de energie die we gebruiken schoner en duurzamer te maken.
“Energie, motor van jouw wereld” maakt deel uit van het educatieve programma van de European Fusion Development Agreement (EFDA). Extra gedrukte exemplaren (ook in het engels) kunnen worden verkregen via de website www.efda.org/education/energy.html, waar het complete boekje bovendien in elektronisch formaat beschikbaar is. In de loop van 2006 zullen duitse, franse, spaanse, en italiaanse vertalingen beschikbaar worden gemaakt op de zelfde website.
Dit boekje geeft een brede introductie in de wereld van de energie. Energie in ons dagelijks leven, de vele manieren waarop we het gebruiken, waar het vandaan komt, de invloed van ons energiegebruik op het milieu en onze gezondheid, en de manier waarop we in de toekomst aan onze energiebehoeften kunnen voldoen. Het boekje werd geschreven voor gebruik in middelbare scholen.
Het materiaal in dit boekje of delen daarvan mag worden gereproduceerd en gedistribueerd voor nietcommercieel educatief gebruik in scholen, mits de bron wordt vermeld. Alle moeite is gedaan om de rechtmatige eigenaren van fotografisch materiaal te vinden en bij de afbeeldingen te vermelden. Mochten we toch iets hebben gemist, dan horen we dat graag. We willen graag Federico Casci, Simon Kuyvenhoven, Chris Warrick, Jennifer Hay, Niek Lopes Cardozo, Vagn O. Jensen, Rosa Antidormi, GianCarlo Tosato, en alle anderen bedanken die met informatie of commentaar aan dit boekje hebben bijgedragen. Suggesties ter verbetering zijn van harte welkom.
Deze publicatie, die met financiële steun van de Europese Commissie tot stand is gekomen, is geproduceerd binnen het raamwerk van de European Fusion Development Agreement (EFDA). De EFDA-partners zijn de Europese Commissie en de partijen die aan het Europese fusieprogramma zijn geassocieerd. Het Europese fusieprogramma wordt gecoördineerd door de Commissie.
Omslagfoto: De aarde s’nachts. De afbeelding is samengesteld uit foto’s gemaakt door satellieten. Met dank aan C. Mayhew & R. Simmon (NASA/GSFC), NOAA/ NGDC, DMSP Digital Archive.
Energie, motor van jouw wereld. Copyright © 2005, FOM – Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen, te Nieuwegein Tekst en illustraties: Mark Tiele Westra (
[email protected]) Vertaling uit het engels: Saskia Maassen, Utrecht Grafisch ontwerp en lay-out: Karen Jens Druk: Weber Offset GmbH, München, Duitsland Geproduceerd met de financiële steun van de Europese Commissie.
Noch de Commissie, noch de Geassocieerde Partijen of iemand die voor hen optreed, kan verantwoordelijk worden gehouden voor schade die voortvloeit uit het gebruik van de informatie in deze publicatie. De meningen en opinies die naar voren worden gebracht komen niet noodzakelijkerwijs overeen met die van de Europese Commissie. Het copyright van tekst, afbeeldingen en lay-out ligt, indien anders vermeld, bij de EFDA-partners.
Inhoud
1 4 2 5 3 6
Wat is energie? .................................................. 2
Energie is de motor van onze wereld .................. 2 Wat is energie en waarom hebben we het nodig? 2 Waar komt energie vandaan? ............................. 2
1
Een korte geschiedenis van energie .......... 4
2
4
De oudheid ....................................................... 4 Energie in de zeventiende eeuw ......................... 5 Energie in de achtiende eeuw ............................ 5 Energie in de negentiende eeuw ........................ 7 Energie in de twintigste eeuw ............................ 9 De moderne tijd ................................................ 9
Energie in ons dagelijks leven ................... 12
3
De bronnen van energie ............................. 24
Koelen en verwarmen ...................................... 12 Transport ........................................................ 12 Industrieel energiegebruik ............................... 13 Andere toepassingen ........................................ 13 Elektriciteit ..................................................... 13 Hoe meet je energie? ....................................... 14 Vermogen ........................................................ 16 Energie in huis ................................................ 16 Hoeveel energie gebruiken we? ........................ 18 Primair energiegebruik .................................... 20 Zuinig met energie .......................................... 22 Energiegebruik in de industrie ......................... 22
Energie uit fossiele brandstoffen ...................... 24 Wat doen we met fossiele brandstoffen? .......... 26 Kernsplijting ................................................... 28 Kernfusie ........................................................ 30 Waterkracht .................................................... 32 Energie uit de oceaan ...................................... 34 Zonne-energie ................................................ 35 Windenergie ................................................... 37 Energie uit biomassa ....................................... 38 Geothermische energie ................................... 39 Een vergelijking tussen de verschillende energiebronnen ............................................... 41
Energie, gezondheid en milieu ................ 42
Het huishoudniveau ....................................... 42 Het gemeenschapsniveau ................................ 44 Het regionale niveau ....................................... 45 Het mondiale niveau ...................................... 46 Mogelijke energiebronnen en het broeikaseffect 49
5
De toekomst van onze energievoorziening ....................................... 50
6
Huidige problemen ......................................... 50 Het doel van duurzame energie ....................... 51 Duurzame energiebronnen ............................. 52 Hoe kies je een energiebron ............................ 53 De toekomstige energiemix ............................. 56 Energie-onderzoek .......................................... 58 Waterstof: de energiedrager van de toekomst? .. 59 Conclusie ........................................................ 60
1
1
Wat is energie? Energie is de motor van onze wereld
Wat is energie en waarom hebben Energie is in ons dagelijks leven zo ge- we het nodig? woon, dat we er nauwelijks aandacht aan schenken. Als je ‘s ochtends onder de douche stapt, gebruik je energie om het water te verwarmen. De zeep en je handdoek zijn gemaakt in fabrieken die energie gebruiken. Maar ook de stenen, het beton en de ramen van de badkamer zijn gemaakt met energie. Hetzelfde geldt voor je kleren en je schoenen. En dat is nog maar het begin van de dag. Zonder energie zou ons leven een stuk minder aangenaam zijn. Stel je voor dat je je eigen hout zou moeten sprokkelen om te koken en je huis te verwarmen, dat je water zou moeten halen uit een put, dat je overal te voet naar toe zou moeten gaan… En natuurlijk zouden er geen radio en tv zijn, geen computers, geen telefoons. Onze maatschappij heeft energie nodig om te blijven draaien.
Een aantal energiediensten: schoon water, koken, warm water, transport, computers, licht, telecommunicatie.
© www.freeimages.co.uk, Adam Hart-Davis / DHD photo gallery
En niet zo’n klein beetje ook. Als we alle energie die we per persoon gebruiken (inclusief elektriciteit, brandstof voor vervoer, enzovoorts) zouden moeten opwekken met behulp van spierkracht, dan zouden we honderd mensen voor ons moeten laten werken, of ongeveer tien sterke paarden. Dag en nacht, zeven dagen per week.
2
Energie kan verschillende gedaantes aannemen, zoals beweging, warmte, licht, chemische verbindingen en elektriciteit. We zeggen dat er energie zit in energiebronnen, zoals hout, wind, voedsel, aardgas, steenkolen en olie. Al deze vormen van energie hebben één ding met elkaar gemeen: we kunnen ze gebruiken om iets voor elkaar te krijgen. We gebruiken energie bijvoorbeeld om voorwerpen in beweging te brengen, om temperaturen te veranderen, en om licht en geluid te maken. Kortom: energie is het vermogen om nuttige arbeid te verrichten. Energie is belangrijk omdat we er dingen mee kunnen doen die we nodig hebben: de energiediensten. Daaronder vallen bijvoorbeeld koelen en vriezen, verwarming van huizen, voedselverwerking, waterzuivering, mobiel bellen, autorijden, licht en geluid maken, producten fabriceren, en nog veel meer. Voor al deze activiteiten hebben we energie nodig in een bruikbare vorm, op de juiste plaats en op het juiste moment.
Waar komt energie vandaan?
Deze overvloedige beschikbaarheid van energie vinden we de normaalste zaak van de wereld. Alleen zo nu en dan, als de stroom uitvalt, realiseren we ons hoe afhankelijk we zijn geworden – terwijl we op zoek gaan naar de kaarsen en de lucifers.
Normaal gesproken denk je er niet over na wat er achter het stopcontact gebeurt, of waar de benzine uit de benzinepomp vandaan komt. Als je radio het maar doet wanneer je de stekker in het stopcontact steekt, en er benzine uit de pomp komt als we dat nodig hebben. Maar om onze apparaten te laten werken, is een hele keten van technologieën nodig, die samen de benodigde energie leveren.
Dit boekje gaat over energie: waar het vandaan komt, hoe we het gebruiken en wat voor invloed het heeft op ons milieu, onze gezondheid en onze samenleving.
De energieketen begint met het opsporen en winnen van energie in de meest basale vorm, zoals aardgas, olie, zonneschijn, wind of steenkool. Aan deze primaire
energie hebben we nog niet zo veel. We moeten het eerst omzetten in een vorm die eenvoudig te gebruiken is, zoals elektriciteit of benzine. Dat noemen we finale energie. Dat is de energie die wordt getransporteerd, verdeeld en afgeleverd bij de gebruikers. Een voorbeeld van deze stap is de omzetting van kolen in elektriciteit in een kolencentrale. Tenslotte gebruiken apparaten als lampen, tv’s, ovens, auto’s en brommers de finale energie om er iets nuttigs mee te doen, en om zo de energiediensten te leveren. Een voorbeeld van deze hele energieketen – beginnend met de winning van steenkool en eindigend met een tv-programma
– vind je in onderstaande tekening. Energie staat aan de basis van alles wat we doen: voor bijna al onze activiteiten is brandstof of elektriciteit nodig. Om alle energie te leveren die we gebruiken, hebben we kolenmijnen, pijpleidingen, transport van olie en gas in grote olietankers, energiecentrales, hoogspanningsleidingen, benzinestations, en nog veel meer. Samen vormen die een ingewikkeld en grootschalig systeem dat we het energiesysteem noemen.
Transport
Centrale
Voorbeeld van een energieketen: van kolenmijn tot tv-programma.
Kolenmijn
Distributie
Today! News
Energiedienst: een tv-programma
Transformatie
3
2
Een korte geschiedenis van
energie
Veel dingen die we in ons dagelijks leven niet meer kunnen missen, zoals warm water, vervoer en telecommunicatie, gebruiken energie. De mens ontdekte door de eeuwen heen steeds meer nieuwe energiebronnen, en leerde die te gebruiken om zijn leven aangenamer en comfortabeler te maken. De geschiedenis van onze energie is een fascinerend verhaal met een duidelijke trend: we gaan er steeds meer van gebruiken.
Uit archeologisch vondsten weten we dat de mens al 500.000 jaar geleden leerde om vuur te maken, en misschien zelfs al veel eerder dan dat. In die prehistorische tijden had de mens nog maar weinig energie nodig. De zon gaf de benodigde warmte, en als de zon niet scheen verbrandde men hout, stro of gedroogde mest. Op oude wandschilderingen die gevonden zijn in grotten, kunnen we zien dat de mensen in het Stenen Tijdperk (ongeveer 30.000
© Bruno Girin / DHD photo gallery
De oudheid
Met windenergie kun je de oceaan oversteken. jaar geleden) brandhout gebruikten om eten te koken en hun grotten en hutten te verwarmen en te verlichten. De namen van de verschillende prehistorische tijdperken – Stenen Tijdperk, Bronzen Tijdperk en het IJzeren Tijdperk – verwijzen naar het vermogen van de mens om met behulp van energie metalen voorwerpen en wapens te maken.
In India wordt nog steeds veel gebruik gemaakt van dierkracht.
© Ross Taylor (Images of the World)
Toen de mensheid besloot het nomadenleven op te geven en zich op een vaste plaats te vestigen, veranderde er veel in het gebruik van energie. De mens leerde landbouw te bedrijven, en kon daarmee de energie van de zon direct omzetten in voedsel.
4
Een andere oude bron van energie, die ook nu nog veel wordt gebruikt, is de kracht van dieren. Paarden, ossen, kamelen, olifanten: hun kracht kan goed worden ingezet voor transport en akkerbouw, en voor het aandrijven van machines om graan te malen of water op te pompen. In ontwikkelingslanden wordt dierkracht
nog steeds voor veel doeleinden gebruikt. Elk dier heeft z’n eigen specialiteit: ossen zijn bijvoorbeeld heel sterk en worden vooral gebruikt om akkers te ploegen, terwijl paarden veel sneller zijn, en daardoor meer geschikt voor transport. Ook ‘menskracht’ werd vroeger veel gebruikt: in 260 voor Christus werden Romeinse oorlogsschepen aangedreven door 170 goedgetrainde roeiers. Een vloot bestond vaak uit een stuk of honderd van dit soort schepen! Al in 5000 voor Christus gebruikten de Egyptenaren windenergie als aandrijving voor schepen op de Nijl, en een paar eeuwen voor Christus werden in China windmolens gebruikt om water op te pompen. Rond 600 na Chr. gebruikten de Perzen windmolens om graan te malen. Ook de kracht van vallend water kent een lange geschiedenis. Al in 4000 voor Christus gebruikten de Grieken waterraderen als aandrijving voor kleine molens, waarmee zij graan maalden, dorpen van drinkwater voorzagen en verschillende soorten machines aandreven, zoals zaagmolens, pompen en blaasbalgen in smederijen. Eén van de eerst toepassingen van zonneenergie vinden we in het leger: er wordt beweerd dat Archimedes tijdens de aanval op Syracuse (rond 240 voor Christus) een grote spiegel gebruikte om Romeinse oorlogsschepen in brand te zetten. Van de fossiele brandstoffen heeft steenkool de langste en meest gevarieerde geschiedenis. De Chinezen gebruikten steenkool al 3.000 jaar gelden, en er zijn aanwijzingen dat de Romeinen in Engeland in de eerste en tweede eeuw na Christus steenkool gebruikten om op te koken. In 1298 publiceerde de beroemde ontdekkingsreiziger Marco Polo een boek over zijn reizen naar China. Daarin vertelt hij over “grote zwarte stenen die … branden als houtskool”. Nu is steenkool al eeuwenlang één van onze belangrijkste brandstoffen.
Energie in de zeventiende eeuw Toen de Europeanen eenmaal ontdekt hadden hoe handig het was om steenkool te gebruiken voor verwarming, gingen ze snel op zoek naar meer. En ze vonden het overal om zich heen! In 1660 was het in Engeland echt een ‘booming business’, en de steenkool werd over de hele wereld geëxporteerd. Hoewel de Engelse steden snel vervuilden door al die kolenverbranding, gingen de Engelsen er toch mee door, omdat ze hun hout nodig hadden om houtskool van te maken. Dat houtskool gebruikten ze om ijzer te smelten en andere metalen te bewerken. Ook werden grote hoeveelheden hout gebruikt om oorlogsschepen te bouwen. In 1630 brak voor het eerst in de geschiedenis een energiecrisis uit, omdat het hout dat gebruikt werd om houtskool van te maken, opraakte. Steenkool uit kolenmijnen kon niet voor het smelten van metaal worden gebruikt, omdat het te veel water en zwavel bevatte. Door het water brandde de steenkool op een lagere temperatuur, en door de zwavel werd het metaal bros. Om het tekort op te lossen, werden grote delen van de bossen in Zweden en Rusland omgezet in houtskool. Rond 1700 ontdekte men in Engeland een manier om zwavel uit steenkool te verwijderen, zodat ook steenkool voor metaalbewerking gebruikt kon gaan worden.
Energie in de achttiende eeuw Aan het begin van de 18e eeuw had Europa, en met name Engeland, het grootste deel van haar bossen gekapt. De vraag naar steenkool groeide snel, omdat de mensen steeds meer afhankelijk werden van steenkool als brandstof. Een andere reden was de uitvinding van de stoommachine door Thomas Newcomen in 1712. De stoommachine werd gebruikt om grondwater uit diepe kolenmijnen te pompen. Tot die tijd takelden paarden het water met behulp van een emmer en een touw uit de mijnen omhoog, wat niet erg efficiënt was. James Watt verbeterde de stoommachi-
De stoommachine van James Watt (1765). 5
James Watt en de stoommachine
De uitvinding van de elektriciteit De ontdekking van de elektriciteit wordt toegeschreven aan de Griekse filosoof Thales van Milete. Hij merkte dat als je met een dierenvacht over een stuk barnsteen wrijft, het barnsteen lichte stukjes materiaal aantrekt, zoals veertjes of stukjes stro. Het Griekse woord voor barnsteen is “elektron”, vandaar het woord “elektriciteit”. Nu weten we dat deze aantrekkende kracht wordt veroorzaakt door statische elektriciteit.
Eén enkele stoommachine kon het werk doen van een flink aantal paarden. James Watt vergeleek de kracht van zijn stoommachines met het aantal paarden dat de machine kon vervangen: een machine van twintig paardenkrachten kon evenveel werk verzetten als twintig paarden. Watt berekende hoeveel een bedrijf kon besparen door zijn stoommachine te gebruiken in plaats van paarden. Het bedrijf moest hem vervolgens elk jaar eenderde van dat bedrag betalen, vijfentwintig jaar lang. Oorspronkelijk definieerde James Watt één paardenkracht als de hoeveelheid energie die nodig is om een gewicht van 33.000 Engelse ponden in één minuut over een afstand van één voet te verplaatsen (oftewel 15,000 kg over een afstand van 30 cm in één minuut). In moderne eenheden staat één paardenkracht gelijk aan 746 watt.
ne in 1765 zondanig, dat hij niet alleen gebruikt kon worden om water op te pompen, maar ook om andere machines aan te drijven. De stoommachine was vooral belangrijk omdat de energie die vrijkwam bij verbranding, de thermische energie, kon worden omgezet in een andere vorm: mechanische energie. Door deze nieuwe uitvinding konden machines worden ‘gevoed’ met steenkool, terwijl er voor die tijd altijd een windmolen of vallend water in de buurt moest zijn. Omdat er meer dan genoeg steenkool aanwezig was, werd het veel gemakkelijker om grote aantallen machines aan te drijven. In 1799 ontwikkelde de Italiaanse uitvinder Alessandro Volta de eerste batterij, en kreeg de wereld voor het eerst te maken met elektrische energie. Volta’s naam wordt tot op de dag van vandaag nog steeds gebruikt: de stopcontacten in onze huizen leveren elektriciteit bij 230 of 110 Volt (of ‘V’ in het kort).
Een meisje ontdekt elektriciteit.
© Brookhaven National Laboratory
Een stoomlocomotief.
6
Energie in de negentiende eeuw: het tijdperk van de stoommachine In de negentiende eeuw kwam de moderne wereld in een stroomversnelling. Eén enkele stoommachine leverde in die tijd de kracht van tweehonderd mensen. In heel Engeland verrezen fabrieken die draaiden op stoommachines. Ze produceerden textiel, meubels, en allerlei andere zaken die voorheen met de hand werden gemaakt. Door de massaproductie konden steeds meer mensen zich de producten veroorloven. De markt groeide en de export floreerde. De Industriële Revolutie – de periode waarin de industriële bedrijvigheid explosief groeide – verspreidde zich snel over West-Europa en Noord-Amerika. Voor het eerst in de geschiedenis kon energie worden gebruikt op elk gewenst moment, op elke plek en in elke hoeveel-
heid. Tot die tijd waren mensen afhankelijk van de kracht van wind en water om hun fabrieken te laten draaien. Die energiebronnen waren lang niet altijd en overal beschikbaar. Langzamerhand ging men energie beschouwen als een hulpmiddel dat beschikbaar was op het moment dat je het nodig had.
Stoomkracht
De stoommachine werd niet alleen ingezet in fabrieken. In 1804 werd de eerste stoomlocomotief gebouwd, en in 1807 de eerste stoomboot. Tegelijkertijd ontdekte men dat je uit steenkool ook gas kunt winnen. Dit steenkoolgas werd gebruikt voor verlichting in fabrieken, straten en huizen. In 1807 werd de eerste kolengasverlichting geïnstalleerd in de straten van Londen, rond 1823 hadden alle grote steden in Engeland gasverlichting in de straten.
In de negentiende eeuw verrezen er veel fabrieken die draaiden op stoommachines. Een sterke centrale stoommachine met een groot vliegwiel leverde de kracht voor een hele fabriek. Een systeem van leren riemen droeg de kracht van de stoommachine over aan de kleinere machines in de fabriek. Op onderstaande foto is deze drijfriem zichtbaar op de achtergrond.
Een katoenfabriek aangedreven met een stoommachine (19e eeuw).
© Charles Edison Fund
© S.M. Prokudin-Gorskii, Library of Congress
De eerste elektrische gloeilamp van Thomas Edison (1879).
7
© DaimlerChrystler
De eerste vierwielige automobiel van Gottlieb Daimler (1886).
In de loop van de eeuw werd de stoommachine verbeterd, waardoor ze steeds krachtiger werden. Aan het eind van de eeuw kon één enkele stoommachine het werk doen van zesduizend mensen. Halverwege de negentiende eeuw begon men ook dammen te bouwen om met behulp van waterkracht elektriciteit op te wekken, en aan het eind van de eeuw
Het eerste gemotoriseerde vliegtuig van de gebroeders Wright (1903).
experimenteerde men met het opwekken van elektriciteit in windmolens. Zonneenergie werd in 1860 slim gebruikt door de fransman Auguste Mouchout: uit geconcentreerd zonlicht maakte hij stoom, waarmee hij een kleine stoommachine aandreef. In 1880 werd voor het eerst een stoommachine (op steenkool) aan een elektrische generator gekoppeld. De elektriciteitscentrale van Thomas Alva Edison leverde het eerste elektrische licht aan de Amerikaanse effectenbeurs op Wall Street en de New York Times.
© John T. Daniels, Library of Congres
In 1859 werd in Pennsylvania in de VS voor het eerst petroleum uit de grond opgepompt. Tot die tijd was petroleum de mensen alleen maar tot last, omdat het de drinkwaterbronnen vervuilde. Een tijdje werd het verkocht als medicijn, maar de mensen realiseerden zich al snel dat ze het ook konden gebruiken als brandstof voor verwarming en verlichting. Kort daarna leerde men de olie te bewerken tot benzine en dieselolie, die werden gebruikt als brandstof in een nieuwe uitvinding: de verbrandingmotor. 8
Energie in de twintigste eeuw: het tijdperk van de verbrandingsmotor Toen de nieuwe brandstof benzine eenmaal beschikbaar was, bedacht de Franse uitvinder Etienne Lenoir de eerste praktisch bruikbare “interne verbrandingsmotor”, die de hitte van brandende benzine gebruikt om een zuiger in de motor aan te drijven. Zestien jaar later maakte de Duitse uitvinder Nikolaus August Otto een betere. In 1885 zette de Duitse ingenieur Benz de motor van Otto op wielen, en creëerde daarmee de eerste auto (een driewieler). Het jaar daarop bouwde de Duitse ingenieur Daimler een auto met vier wielen, aangedreven door een verbrandingsmotor. Die eerste auto’s waren uiteraard erg duur, en daarom vooral leuke speeltjes voor rijke heren. Maar daar kwam snel verandering in. In de Verenigde Staten bedacht Henry Ford een slimme manier om snel een heleboel auto’s te maken: de lopende band. Elke arbeider stond de hele dag op dezelfde plaats in de fabriek, en plaatste hetzelfde onderdeel op elke auto die voorbij kwam. In 1913 produceerde zijn autofabriek duizend auto’s per dag. Auto’s werden goedkoper, en steeds meer mensen konden er één betalen.
ting – het proces waarbij zware atomen uiteenvallen in kleinere stukjes – enorme hoeveelheden energie vrijkomen. In 1942 bouwde de Italiaanse natuurkundige Enrico Fermi de eerste kernreactor in de Verenigde Staten, en in 1954 werd de eerste kernreactor in de Sovjet-Unie in gebruik genomen.
De moderne tijd
Al in 1929 hadden wetenschappers ontdekt dat de zon zijn energie ontleent aan kernfusie: het proces waarbij de kernen van kleine atomen samensmelten, en daarbij een grote hoeveelheid energie afgeven. In 1950 begonnen wetenschappers te onderzoeken hoe je dit proces op aarde zou kunnen gebruiken als energiebron.
Moderne problemen… In iets meer dan 150 jaar hebben we geleerd hoe we energie in ons voordeel kunnen gebruiken, en ons leven is er voorgoed door veranderd. Door de ruime beschikbaarheid van betaalbare energie is ons leven aangenaam, zijn we mobiel en productief. Maar energie kent ook z’n prijs.
Het energieverbruik groeide in deze eeuw razendsnel, en verdubbelde ongeveer elke 25 jaar. De kosten voor de productie van energie namen af, en daardoor werd energie in veel westerse landen, inclusief de VS, een goedkoop en alom aanwezig hulpmiddel. Energiebesparing was toen nog niet nodig, want er was ruim voldoende beschikbaar.
In 1973 stopte de Arabische olieproducerende landen om politieke redenen met het leveren van olie aan westerse landen en de VS. In één dag verdrievoudigden de olieprijzen. Er ontstond een oliecrisis, waarin auto’s in lange rijen bij de benzinepomp stonden te wachten om benzine te kopen. Voor het eerst realiseerden de mensen zich hoe afhankelijk ze waren geworden van
Vervuiling neemt vele vormen aan: aangespoelde olievaten op Antarctica.
Halverwege de twintigste eeuw, tijdens en na de Tweede Wereldoorlog, ontdekte men hoe je de kracht van het atoom kunt benutten. Lise Meitner, een Oostenrijkse onderzoekster, ontdekte dat bij kernsplij-
© European Community, 2005
In 1903 stopten twee Amerikaanse broers, Wilbur en Orville Wright, de verbrandingsmotor in een vliegende machine: het eerste vliegtuig dat kon vliegen op brandstof. Ongeveer tegelijkertijd werd in Italië de eerste geothermische elektriciteitscentrale – een centrale die gebruik maakt van de warmte in het binnenste van de aarde – in gebruik genomen. En in 1905 publiceerde Einstein zijn beroemde theorie die uitlegt dat massa kan worden omgezet in energie.
9
energie, en hoe belangrijk het is om er verstandig mee om te gaan. In 1979 stegen de olieprijzen voor de tweede keer explosief. De prijs van een vat olie steeg tot 60$ per vat, terwijl in 2003 de prijs van een vat olie ongeveer 25$ was (beide prijzen uitgedrukt in dollars uit het jaar 2000). De laatste jaren stijgt de olieprijs weer flink. In 1979 vond er een ongeluk plaats in de kernreactor van Three Mile Island in de VS. Het ongeluk ontstond door een opeenvolging van mechanische storingen en menselijke fouten. Het publiek was geschokt, omdat het jarenlang had gehoord dat er nooit een nucleair ongeluk zou kun-
nen gebeuren. Het ongeluk versterkte het algemeen heersende crisisgevoel. Een nog ernstiger ongeluk vond plaats in Chernobyl (in het huidige Ukraïne) in 1986. Hoewel het ongeluk veroorzaakt werd door een combinatie van slecht ontwerp en het negeren van veiligheidsregels, en in een moderne kerncentrale uitgesloten zou zijn, veranderden veel mensen van mening over het gebruik van kernenergie. Maar ook fossiele brandstoffen, zoals steenkool, olie en aardgas, vormen een bedreiging voor het milieu. Tijdens de verbranding produceren alle fossiele brandstoffen verschillende milieuvervuilende stoffen. Een aantal van deze gassen, waaronder kooldioxide (CO2), vormen in de atmosfeer een soort deken die de warmte van de aarde vasthoudt: het broeikaseffect. Door dit effect stijgen de temperaturen op aarde, met alle mogelijke negatieve gevolgen van dien, zoals meer
extreme weersomstandigheden. Sinds de Industriële Revolutie is de temperatuur op aarde al met 0,6 graden Celsius gestegen. Andere verbrandingsgassen veroorzaken luchtvervuiling en smog. Een ander probleem is het feit dat energie niet beschikbaar is voor iedereen. Ongeveer twee miljard mensen (eenderde van de wereldbevolking) hebben geen toegang tot moderne vormen van energie. Deze mensen hebben dus ook niet het comfort, de gezondheid, de mobiliteit en de productiviteit die je met moderne energie kunt verkrijgen. Onze energieconsumptie stijgt razendsnel. Wetenschappers verwachten dat er in het jaar 2050 negen miljard mensen op aarde leven, terwijl dat er nu nog zes miljard zijn. Al die nieuwe mensen hebben energie nodig. Bovendien gaan mensen in zich ontwikkelende landen steeds
Kernfusie is de energiebron van de zon. Wetenschappers onderzoeken hoe je deze energiebron op aarde kunt gebruiken.
10
© NASA
© European Community, 2005
Elektriciteit opwekken met windenergie.
…en moderne oplossingen. Bij het verbranden van fossiele brandstoffen komt het broeikasgas kooldioxide vrij. Om te voorkomen dat het gas in de atmosfeer terecht komt, zou je het kunnen opslaan in lege gas- of olievelden, of in waterhoudende lagen. Deze ondergrondse opslag van CO2 zou gebruikt kunnen worden als tijdelijke maatregel om het broeikaseffect te vertragen. Als aardgas miljoenen jaren onder de grond in een
gasveld blijft zitten, dan zou de geïnjecteerde kooldioxide dat ook moeten doen, zo luidt de redenering. Op dit moment wordt nog onderzocht of deze techniek veilig, praktisch en rendabel is. Ondergrondse opslag is een voorbeeld van een hele reeks technieken waarmee we kunnen proberen fossiele brandstoffen op een schone manier te gebruiken. Een belangrijk doel voor de toekomst is om elektriciteit op een CO2-vrije manier te maken. Op dit moment produceren waterkracht, kernsplijting en biomassa 35% van de wereldwijde elektriciteitconsumptie zonder CO2 te maken. Andere technieken die duurzame energiebronnen zoals wind, zon, getijden-energie en aardwarmte gebruiken, produceren nu slechts 0.7% van de wereldwijde elektriciteit. Maar deze technieken ontwikkelen zich snel, en er is goede hoop dat dit aandeel rond 2050 flink hoger zal liggen.
© Warren Gretz (PIX DOE/NREL)
Zonnepanelen zetten zonlicht om elektriciteit.
Ook wordt er veel onderzoek gedaan om de huidige problemen rond kernsplijting – zoals de opslag van radioactief materiaal en de veiligheid van kernreactoren – op te lossen, en om nieuwe, veilige kernreactoren te bouwen. Kernfusie, het proces waarbij energie vrijkomt door het samensmelten van atomen (de energiebron van de zon en de sterren), kan rond 2040 schone en CO2-vrije energie gaan produceren. Op dit moment doen wetenschappers over de hele wereld onderzoek om deze energiebron op aarde te leren gebruiken.
Fossiele brandstoffen die worden verbrand, zorgen voor de uitstoot van broeikasgassen in de atmosfeer.
© European Community, 2005
meer energie gebruiken, en de verwachting is daarom dat we in 2050 minstens twee maal zoveel energie nodig hebben als nu. Als we energie blijven maken op de manier waarop we dat nu doen, dus voornamelijk met fossiele brandstoffen, dan zal ons milieu sterk achteruitgaan. Fossiele brandstoffen zullen bovendien steeds duurder worden en uiteindelijk opraken, hoewel dat nu nog lang niet het geval is.
11
3
Energie in ons dagelijks leven In ons dagelijks leven gebruiken we verschillende soorten energie, zoals aardgas, elektriciteit en benzine. Kunnen we niet gewoon één vorm van energie gebruiken, bijvoorbeeld elektriciteit? Ja en nee. Zoals we verderop zullen zien is elektriciteit soms niet zo handig, en heb je meer aan een vloeibare brandstof. Welke vorm van energie je nodig hebt hangt sterk af van de toepassing. De dingen waar we energie voor nodig hebben kunnen we als volgt verdelen: verwarmen (huizen, eten, water), koelen (eten, kamers), voorwerpen en materialen produceren (industrie), transporteren (auto’s, vrachtwagens, schepen, treinen, vliegtuigen) en andere toepassingen (muziek maken, verlichten, enzovoorts).
Koelen en verwarmen Koelen en verwarmen doen we vooral om de temperatuur in onze huizen en kantoren aangenaam te houden: in de winter verwarmen we de lucht in onze kamers, en in de zomer maken we het graag koeler. Het hangt er natuurlijk wel vanaf waar je woont: mensen in koude streken gebruiken meer brandstoffen voor verwarming dan mensen in warme landen. Bewoners van warme streken gebruiken liever airconditioners om de temperatuur laag te houden.
© European Community, 2005
De luchtvaart verbruikt veel kerosine.
12
Daarnaast gebruiken we warmte om te koken, te douchen of een warm bad te nemen. We gebruiken koelkasten en diepvriezers om te voorkomen dat ons eten bederft, en om dranken koud te maken. Ook de industrie maakt in veel processen gebruik van koeling en verwarming. Welke vorm van energie is hiervoor het meest geschikt? Om ruimtes, water of voedsel te verwarmen verbranden we meestal aardgas, olie of kolen in één of andere brander. Er zijn verschillende soorten branders: van de oven in de keuken tot enorme gasketels voor de verwarming van grote gebouwen. Maar je kunt ook verwarmen met elektriciteit: denk maar aan een waterketel of een elektrische oven. De meeste koelapparaten, zoals koelkasten, diepvriezers en airconditioners, gebruiken elektriciteit, hoewel er ook koelkasten bestaan die op aardgas draaien. In de meeste huishoudens zijn de koelkast en de diepvries de grootste elektriciteitsverbruikers.
Transport Transportenergie is nodig om iets van de ene plek naar de andere te verplaatsen. Als je een tas draagt, is je lichaam de machine die de tas vervoert. Het voedsel dat je eet levert de energie voor het transport. Elke dag worden miljarden kilo’s goederen getransporteerd over de weg, het water of door de lucht, door vrachtwagens, treinen, schepen en vliegtuigen. Bijna al deze machines worden aangedreven met benzine, aardgas, olie of kerosine. Alleen de trein (en vergelijkbare vervoersystemen zoals de tram en de metro) wordt grotendeels aangedreven met elektriciteit. Ook elektrische motoren, die bijvoorbeeld worden gebruikt in fabrieken, pompen, en ventilatoren, worden aangedreven met elektriciteit. In huis vind je waarschijnlijk wel twintig tot veertig elektromotoren die allerlei dingen aandrijven. In een koelkast zit bijvoorbeeld een pomp, en een magnetron gebruikt twee motoren: één voor de ventilator en één voor de ronddraaiende
Industrieel energiegebruik De industrie produceert veel van de alledaagse producten die we gebruiken, zoals kleren, voedsel, plastic verpakkingsmaterialen en schoon water. Bovendien maakt de industrie de constructiematerialen die nodig zijn om straten, huizen, flats, bruggen en spoorwegen mee te bouwen. Het maken van al die materialen en producten kost enorme hoeveelheden energie, zowel in de vorm van warmte (bijvoorbeeld stoom) als elektriciteit. Omdat fabrieken meestal warmte én elektriciteit nodig hebben, wordt de elektriciteit vaak in de fabriek zelf opgewekt, zodat de warmte die overblijft gebruikt kan worden in een industrieel proces. Op die manier wordt de energie zo optimaal mogelijk benut.
duur landelijk distributienetwerk nodig om de elektriciteit naar een huis te brengen, waarvan de hoogspanningsmasten het meest zichtbare onderdeel vormen. Hierdoor gaat gemiddeld 10% van de energie verloren. Bovendien is het moeilijk elektriciteit in grote hoeveelheden op te slaan. Om een redelijke hoeveelheid elektrische energie op te slaan, heb je grote, zware accu’s nodig, wat elektriciteit meestal niet geschikt maakt voor gebruik in transport. Treinen lossen dit probleem op met bovenleidingen, die in feite functioneren als extreem lange verlengsnoeren. Wereldwijd neemt het gebruik van elektriciteit razendsnel toe. Onderzoekers voorspellen dat het elektriciteitsgebruik tussen 2002 en 2030 zal verdubbelen, en dat de snelste groei plaats zal vinden in ontwikkelingslanden. Op dit moment
© www.freeimages.co.uk
plaat. In een stereo-installatie zitten misschien wel zeven kleine elektromotortjes, een computer heeft er een stuk of acht, en een videorecorder heeft er minstens twee.
Alle elektronische apparaten zoals video’s, tv’s en computers, zijn afhankelijk van elektriciteit.
Andere toepassingen Bijna alles in en om het huis wat energie verbruikt, doet dat in de vorm van elektriciteit. Surfen over internet of het typen van een tekst op een computer vergen elektriciteit. Het zelfde geld voor het luisteren naar muziek of het kijken naar een tv-programma. De kamer stofzuigen, kleren wassen, strijken: allemaal zaken die elektriciteit gebruiken. Sommige mensen gebruiken zelfs elektriciteit om brood te snijden, sinaasappels te persen of hun tanden te poetsen.
Elektriciteit Elektriciteit is de meest flexibele vorm van energie – het kan voor vrijwel alle toepassingen worden gebruikt. Op de plek waar elektriciteit wordt gebruikt, worden geen hinderlijk lawaai en afvalstoffen geproduceerd, en bovendien heb je geen brandstoftank nodig om je computer of stereo-installatie van energie te voorzien. Elektriciteit is er op het moment dat je het nodig hebt, en in de vorm waarin je het wilt hebben. Maar er zijn ook nadelen. Omdat elektriciteit centraal wordt opgewekt, is er een
Elektriciteit is de meest flexibele vorm van energie. 13
heeft een kwart van de wereldbevolking nog geen toegang tot elektriciteit.
Hoe meet je energie?
Tabel 1. De energie-inhoud van verschillende voedingsmiddelen.
Type voedsel
Portiegrootte
Energie kan vele vormen aannemen: we gebruiken elektriciteit voor licht, koken op gas, en zo nu en dan maken we een vuurtje van brandhout. Als we willen weten hoeveel energie we gebruiken, hebben we een manier nodig om al deze soorten energie met elkaar te vergelijken. In welke eenheden meten we energie?
Gewicht (gr)
Energieinhoud (kJ)
Energieinhoud (kJ/gr)
Boter / margarine
1 theel.
14
419
30
Pindakaas
1 theel.
16
398
25
PindaÕs
1 kopje
145
3.520
24
Melkchocolade
1 stuk
30
629
21
Chips
10 chips
20
440
22
Chocoladetaart
1 taartpunt
100
1.827
18
Kaas
1 stuk
17
293
17
Karbonade
1 stuk
87
1.152
13
Appeltaart
1 taartpunt
158
1.697
11
Hamburger
1 stuks
98
1.027
10
Bruin brood
1 snede
28
293
10
Roomijs
1 kopje
148
1.467
10
Kip, gegrild
1 stuk
86
587
7
Ei, gekookt
1 ei
50
314
6
Rijst, gekookt
1 kopje
205
943
5
Banaan
1 stuks
114
440
4
Koemelk (vol)
1 kopje
244
629
3
Yoghurt (vol)
1 kopje
227
587
3
Cola
1 kopje
369
670
2
Appel
1 stuks
138
335
2
Wortel
1 stuks
72
126
2
Sinaasappel
1 stuks
131
251
2
Watermeloen
1 punt
160
210
1
Komkommer
6 plakjes
28
21
1
14
Energie is het vermogen om arbeid te verrichten. Dit vermogen kan worden vergeleken met een standaard situatie waarin arbeid wordt verricht, zoals het optillen van een gewicht. Daarom wordt energie gemeten in joules (J), waarbij 1 joule gelijk is aan de energie die nodig is om over een afstand van 1 meter een kracht van 1 newton uit te oefenen (de newton is de eenheid van kracht). Om een idee te geven hoeveel dat is: een kracht van 1 newton is net genoeg om een appel van 100 gram op te tillen. Dus als je een appel van 100 gram één meter optilt, heb je 1 joule nodig om dat te doen. En zo kun je doorgaan: voor
Om precies te zijn… De formule die precies berekent hoeveel energie je nodig hebt om een massa op te tillen is: Energie = Massa x Zwaartekrachtsversnelling x Hoogte, of: E = m·g·h. Op aarde is de zwaartekrachtsversnelling g = 9,8 m/s2. Dus om 100 gram (0,1 kilogram) tot een hoogte van 1 meter op te tillen, heb je E = 0,1 · 9,8 · 1 = 0,98 joule nodig. Dat is bijna 1 joule.
De calorie De energie in voedingsmiddelen wordt meestal uitgedrukt in een andere eenheid, namelijk de calorie. Eén calorie is de energie die je nodig hebt om één gram water één graad Celsius op te warmen. Een calorie is gelijk aan 4,19 joule. Vaak wordt een grotere eenheid gebruikt, de kilocalorie (kcal): 1 kcal= 1.000 cal = 4.190 joule. De gemiddelde voedselbehoefte van een volwassen man is 2.300 kcal en voor een vrouw 2.000 kcal, maar die getallen hangen erg af van leeftijd, gewicht, en hoe actief je bent.
twee meter heb je 2 joule nodig, en om een gewicht van 1 kilo (1.000 gram) één meter op te tillen, heb je 10 joule nodig. Eén joule is maar heel weinig energie, en meestal praten we daarom over kilojoule (1 kJ = 1.000 J) of megajoule (1MJ = 1.000.000 J). Alle vormen van energie kunnen worden uitgedrukt in joule. Als je bijvoorbeeld een liter benzine verbrandt, komt er 28 MJ energie vrij. Ook ons lichaam heeft energie nodig. We verwerken voedsel om arbeid te verrichten, zoals lopen, spieren bewegen, groeien en schade repareren. Een banaan bevat ongeveer 180 kJ energie, en een reep chocola ongeveer 1400 kJ. Op verpakkingen van voedingsmiddelen staat meestal vermeld hoeveel energie het voedsel bevat. Als je een minuut hardloopt, verbruik je
Energie-eenheid
Symbool
Equivalente hoeveelheid joules
Kilojoule
kJ
1.000 J (= 103 J)
Megajoule
MJ
Kilowatt-uur
kWh
Ton olie equivalent
toe
41,87á109 J
Calorie
cal
4,190 J
Kilocalorie
kcal
4.190 J
1.000.000 J (= 106 J) 3.600.000 J (= 3.6 á106 J)
Tabel 2. Veelgebruikte eenheden van energie.
De ton aardolie-equivalent
Voedsel bevat veel energie: deze drie paprika’s bevatten in totaal ongeveer 300 kilojoule (72 kcal).
Een andere eenheid die veel wordt gebruikt om hoeveelheden energie in uit te drukken is de ton aardolie-equivalent (in het Engels ton of oil equivalent of toe). Een toe is gelijk aan de gemiddelde warmte-inhoud van 1 ton ruwe aardolie, ofwel 41.868 megajoule. Deze eenheid wordt vaak gebruikt in overzichten waarin verschillende energiebronnen voorkomen, zoals steenkool, olie, aardgas, kernenergie, enzovoorts.
© www.freeimages.co.uk
Grote getallen In dit boekje gebruiken we de exponentiële notatie om grote getallen op te schrijven. Het idee is dat je het aantal nullen in een getal telt, in plaats van ze allemaal op te schrijven. Dus 5000 kun je schrijven als 5,0·103. Op die manier schrijf je 1.000.000 als 1,0·106 en 5.124.000.000 wordt 5,124·109.
15
ongeveer 150 kJ, en voor een minuut fietsen heb je 50 kJ nodig. Zelf als je slaapt gebruik je nog 4 kJ per minuut. Dus met één reep chocola kun je ongeveer tien minuten hardlopen of zes uur slapen. In tabel 1 vind je de voedingswaarde van een groot aantal levensmiddelen.
De paardenkracht wordt nog steeds gebruikt om de sterkte van verbrandingsmotoren uit te drukken. Eén paardenkracht (1 pk) is gelijk aan 746 watt. Gek genoeg is dat ongeveer 50% meer dan wat een gemiddeld paard gedurende een hele werkdag aankan. Een snelle, moderne auto heeft een vermogen van maar liefst 200 tot 300 pk!
Eenheden van vermogen 1 watt = 1 joule / seconde 1 kW = 1000 watt 1 pk (paardenkracht) = 746 watt
Met één kilowattuur kun je je stereo-installatie twintig tot dertig uur gebruiken. 16
Vermogen Behalve energie komen we ook vaak het begrip vermogen tegen. Vermogen is de hoeveelheid energie die per tijdseenheid wordt gebruikt of opgewekt. Vermogen wordt daarom gemeten in joule per seconde (J/s), ook wel watt (W) genoemd. Een lamp van 100 watt gebruikt elke seconde 100 joule aan energie. Per minuut gebruikt deze lamp dus 6.000 joule. Op de meeste apparaten, zoals een tv of magnetron, staat het vermogen vermeld. Een magnetron verbruikt bijvoorbeeld 1.000 watt, en een wekkerradio ongeveer 10 watt. Hoeveel is dat, 1.000 watt, of 10 watt? Laten we ons eigen lichaam als voorbeeld nemen. Als je een trap oploopt, heb je een bepaalde hoeveelheid vermogen nodig. Stel dat Linda (50 kg) drie trappen oprent en daarbij een hoogte van ongeveer 10 meter overbrugt. Daarvoor heeft ze 4.900 joule energie nodig (50 kilogram x 9,8 joule per kilogram per meter x 10 meter). Als ze dat in 20
© www.freeimages.co.uk
De paardenkracht
seconden doet, heeft ze in die 20 seconden 4.900/20= 245 watt verbruikt. Dat is behoorlijk vermoeiend! Een gezond mens kan met zijn handen gedurende langere tijd maar 50 watt produceren zonder moe te worden. Gebruik je je voeten, bijvoorbeeld op de fiets, dan kun je gedurende lange tijd 75 tot 125 watt produceren. Dat betekent dat je tien fietsende mensen nodig hebt om het vermogen van een magnetron te leveren! In een sprint kan je lichaam wel 1.000 watt produceren, maar dat hou je dan maar ongeveer 30 seconden vol. Energie en vermogen worden vaak door elkaar gebruikt, maar ze betekenen iets totaal anders. Vermogen is een maat voor hoe snel er energie wordt verbruikt. Als je 10 joule gebruikt gedurende 5 seconden, of 10 joule gedurende 10 seconden, heb je in beide gevallen evenveel energie verbruikt. Maar het vermogen was in het eerste geval 10/5 = 2 watt, en in het tweede geval 10/10 = 1 watt. In het tweede geval was de snelheid waarmee de energie werd gebruikt dus lager.
Energie in huis In huis gebruiken we energie in verschillende vormen. De meest bekende is de energie uit het stopcontact: elektriciteit. Elektrische energie wordt geleverd door een stroombron, zoals een batterij of een generator. De meeste mensen kopen elektriciteit bij een stroombedrijf, dat beschikt over een aantal grote generatoren. De energie die in die generatoren wordt opgewekt wordt naar de huizen getransporteerd via hoogspanningsleidingen. De eenheid van energie die aan huishoudens wordt verkocht is 1.000 watt gedurende 1 uur, ofwel de kilowattuur (kWh). Hoeveel energie is 1 kWh? 1.000 watt gedurende één uur is gelijk aan 1.000 joule per seconde x 3.600 seconden = 3.600.000 joule. Voor die energie betaal je ongeveer 13 eurocent (de gemiddelde prijs in de EU). Stel je voor dat je een eersteklas atleet inhuurt om die energie voor
je op te wekken, bijvoorbeeld door op een fiets een dynamo aan te drijven. Een atleet kan gedurende een paar uur 300 watt produceren, dus hij of zij is drie uur hard aan het werk om die ene kWh op te wekken! En waarschijnlijk moet je wat meer betalen dan 13 eurocent. Behalve elektriciteit gebruiken we in ons dagelijks leven ook energie in de vorm van fossiele brandstoffen, zoals aardgas, olie, en benzine. Olie en gas worden gebruikt om op te koken, en om in de winter huizen te verwarmen. We gebruiken benzine om motoren en auto’s aan te drijven. Veel landen hebben een ondergronds netwerk van pijpleidingen om het aardgas te distribueren. Ook is gas te koop in vaten van verschillende afmetingen, bijvoorbeeld voor op de camping. Tabel 3 maakt dui-
Energievorm
Eenheidgrootte 1 kWh
0,11
1
0,11
1 m3
0,11
10
0,01
Benzine
1 liter
1,1
8
0,13
Batterij
1 AA penlight
1,0
0,001
900
Tabel 3. Energie-inhoud en kosten van verschillende vormen van energie in Nederland, in het jaar 2002.
Gemiddeld energieverbruik per maand (kWh)
4.500
89
400
Koelkast (500 l)
450
333
150
Airconditioner (kamer)
700
200
140
3.500
17
59,5
375
256
96
1.500
40
60
Luchtbevochtiger
177
230
40,7
Televisie
200
183
36,6
Afwasmachine
1.000
25
25
Magnetron
1.500
11
16,5
Computer (met printer en monitor)
200
75
15
Stereo-installatie
250
60
15
Vrieskist (150 l)
100
125
12,5
1.500
8
12
80
150
12
1.560
6
9,4
500
17
8,5
75
100
7,5
1.165
4
4,7
Wasdroger Waterbed verwarmer Elektrisch kacheltje
Hete-lucht oven Plafondventilator Stofzuiger Wasmachine Gloeilamp KofÞezetapparaat
Kosten per kWh (Euro)
Natural gas
Gemiddeld gebruik per maand (uren)
Boiler
Energieinhoud per eenheid (kWh)
Elektriciteit
Energieverbruik (watt)
Apparaat
Kosten per eenheid (Euro)
Tabel 4. Energieverbruik van huishoudelijke apparatuur (tabel gaat verder op de volgende pagina).
Wat kun je doen met 1 kilowattuur? • Je eten gedurende één dag bewaren in een energiezuinige koelkast • De Eiffeltoren 4 centimeter optillen • 1 kubieke meter water met 1 graad Celsius verwarmen • Een gemiddelde elektrische auto 1,6 kilometer laten rijden • Je stereo-installatie 20 tot 30 uur laten spelen • Een spaarlamp van 18 watt 55 uur laten branden
17
Ander gebruik (5%)
Stand-by (6%) Waterverwarming
Verwarmen/ koelen (28%)
Koken (9%) Elektronische apparatuur (6%)
De energierekening en de elektriciteitsmeter Op de energierekening staat hoeveel kilowattuur elektriciteit en hoeveel kubieke meter aardgas een huishouden in een bepaalde periode heeft gebruikt. Om te zien hoeveel elektrisch vermogen je op een bepaald moment gebruikt, kun je op de elektriciteitsmeter kijken. Sommige elektriciteitsmeters hebben een schijf die je kunt zien ronddraaien. Hoe meer vermogen wordt gebruikt, hoe sneller de schijf ronddraait. Op een teller is zichtbaar hoeveel kilowattuur in totaal is verbruikt. Op dezelfde manier kun je op de gasmeter aflezen hoeveel aardgas je gebruikt. Zo kun je meten hoeveel energie je per uur, per dag, of per maand gebruikt.
Verlichting (12%)
Huishoudelijke apparatuur (24%)
Figuur 1. Het elektriciteitsverbruik van huishoudens in Europa in 2002. Verwarming en koeling vormen de grootste fractie, terwijl verlichting slechts 12% van het totaal uitmaakt. (bron: IEA). delijk dat gas veel energie voor weinig geld oplevert. Daarom is gas de eerste keus om op te koken en het huis te verwarmen, als het beschikbaar is. Ten slotte kunnen we ook kleine hoeveelheden draagbare energie kopen in de vorm van batterijen. Die zijn wel het duurst: een kleine batterij voor je horloge lijkt goedkoop, maar de prijs per kWh is ongeveer 900 euro!
Apparaat
Soms gebruikt een klok (van 5 W) per maand meer energie dan een elektrisch broodrooster (van 1.400 W). Dat komt doordat de klok de hele maand aan staat, terwijl het broodrooster steeds maar kort wordt gebruikt.
18
Spaarlamp Klok Broodrooster Haardroger Boormachine Elektrische tandenborstel
Hoeveel energie gebruiken we? Elke dag gebruiken we energie, maar hoeveel precies? Dat hangt ervan af waar je woont, hoe je leeft en wat je doet. Laten we eens kijken hoeveel kilowattuur we in een maand gebruiken. Op de meeste apparaten zit een label waarop staat hoeveel vermo-
Energieverbruik (watt)
Gemiddeld gebruik per maand (uren)
40 5 1.400 1.000 300
100 730 2 2,5 3
Gemiddeld energieverbruik per maand (kWh) 4.0 3.7 2,8 2,5 1
1
730
1
Tabel 4. Energieverbruik van huishoudelijke apparatuur (vervolg van vorige pagina).
gen het apparaat nodig heeft. Een tv heeft bijvoorbeeld zo’n 200 watt nodig, en een broodrooster gebruikt ongeveer 1400 watt. Als je wilt weten hoeveel energie je verbruikt, moet je natuurlijk ook weten hoe lang je een elektrisch apparaat gebruikt. Een elektrische klok van 5 watt die de hele maand aan staat, gebruikt 3,7 kWh per maand, terwijl een broodrooster van 1.400 watt, die in totaal maar twee uur per maand aan staat, minder dan 3 kWh per maand gebruikt! Kleine apparaten, die maar weinig vermogen nodig lijken te hebben, kunnen dus ongemerkt toch een heleboel elektriciteit gebruiken. De lijst in tabel 4 laat zien hoeveel vermogen verschillende huishoudelijke apparaten nodig hebben, hoe lang ze gemiddeld worden gebruikt, en hoeveel energie ze per maand gebruiken.
precieze gebruik varieert van land tot land. Het Europese gemiddelde elektriciteitsgebruik van een gezin is 4.100 kWh per jaar, oftewel 340 kWh per maand. Er bestaat een eenvoudige manier om uit te
Land
Bevolking in miljoenen
Totaal elektriciteitsverbruik door alle huishoudens (1000 GWh per jaar)
Elektriciteitsverbruik per person (kWh per persoon per jaar)
Zweden
8,9
41,4
4.700
Finland
5,2
19,9
3.800
Belgi
10,3
25,9
2.500
Frankrijk
59,5
133,0
2.200
5,4
10,2
1.900
59,2
114,5
1.900
3,9
7,4
1.900
Denemarken Verenigd Koninkrijk Ierland
Welke apparaten zijn de grootste energieverslinders? In de tabel zien we dat koelkasten, diepvriezers, airconditioners, centrale verwarming en waterkokers veel energie gebruiken. Met andere woorden: het zijn precies de apparaten die iets te maken hebben met koelen of verwarmen die in een huishouden de meeste stroom verbruiken.
Oostenrijk
8,1
15,7
1.900
Luxemburg
0,4
0,7
1.800
379,4
663,6
1.700
Figuur 1 laat zien hoe elektriciteit wordt gebruikt in Europese huishoudens. Het
Stand-by Veel elektrische apparaten staan nooit helemaal uit, maar staan op stand-by. In deze stand gebruiken ze nog steeds energie: een gemiddeld huis gebruikt ongeveer 100 watt aan vermogen voor apparaten die stand-by staan. Ook opladers voor mobiele telefoons gebruiken energie als ze in het stopcontact blijven zitten terwijl je ze niet gebruikt. Je kunt het in je eigen huis proberen: als alle elektrische apparatuur ‘uit’ staat, draait de meter dan nog steeds?
EU-15 Cyprus
0,7
1,2
1.700
EU-25
453,8
723,8
1.600
82,5
131,1
1.600
Duitsland Tsjechi
10,2
14,1
1.400
Nederland
16,1
22,8
1.400
Griekenland
11,0
15,8
1.400
Sloveni
2,0
2,7
1.400
Malta
0,4
0,5
1.300
Spanje
41,2
50,6
1.200
Itali
57,1
63,0
1.100
Portugal
10,4
11,4
1.100
Estland
1,4
1,6
1.100
Hongarije
10,2
10,4
1.000
Slowakije
5,4
4,9
910
Polen
38,4
21,7
570
Letland
2,3
1,3
570
Litouwen
3,5
1,8
510
Tabel 5. Elektriciteitsgebruik in huishoudens in verschillende Europese landen in 2002. Zweden en Finland gebruiken goedkope waterkracht, waarmee ze ook hun huis verwarmen. België, Frankrijk en Zwitserland gebruiken veel kernenergie. Het gemiddeld aantal personen in een Europees huishouden bedraagt 2,6. (bron: Eurostat). 19
Elektriciteit in huishoudens (6%) Transport (31%) Gas, benzine, etc., in huishoudens, (20%)
Figuur 2. Het Europese gebruik van finale energie in verschillende sectoren, in het jaar 2002. De totale hoeveelheid finale energie die werd verbruikt is 1080 Mtoe. Voor het verschil tussen primaire en finale energie, zie hoofdstuk 1. (bron: Eurostat).
Commerciële diensten (15%)
Industrie (28%)
vinden hoeveel elektriciteit je precies gebruikt: de elektriciteitsrekening! Daarop staat precies hoeveel kWh elektriciteit in een jaar of maand zijn gebruikt.
Tabel 6. Het totale primaire energiegebruik per jaar in verschillende delen van de wereld, in 2002. (bron: IEA).
Land
India
In tabel 5 staat het elektriciteitsverbruik per persoon in alle Europese landen. Het is duidelijk dat er grote verschillen zijn tussen de verschillende landen. Daar zijn een aantal redenen voor: in Zweden is
Bevolking in miljoenen
Totaal primair energiegebruik (miljoen toe per jaar)
Primair energiegebruik per persoon (toe per jaar)
1.049
539
0,51
Afrika
832
540
0,65
China
1.287
1.245
0,97
Brazili
174
191
1,10
Europese Unie (EU-25)
455
1.692
3,72
Verenigde Staten
287
2.290
7,98
6.196
10.231
1,65
Wereld
20
bijvoorbeeld maar 1% van de bevolking aangesloten op het landelijke gasnet. In plaats van gas heeft Zweden veel goedkope waterkracht. Daarom gebruiken Zweden elektriciteit voor bijna alles, inclusief het verwarmen van hun huis. Daarvoor is veel elektrisch vermogen nodig.
Primair energiegebruik Tot nu toe hebben we het alleen gehad over de hoeveelheid elektriciteit die we gebruiken. Maar we gebruiken natuurlijk ook gas om op te koken en voor de verwarming. Auto’s, treinen en vliegtuigen gebruiken benzine of andere fossiele brandstoffen. En fabrieken gebruiken energie om hun producten of materialen te maken. Laten we nu eens kijken hoeveel energie een heel land gebruikt. Elk land gebruikt zijn energiebronnen op een andere manier, met verschillende technologieën. Ook gaat dat niet overal even efficiënt. Het is dus moeilijk om het ene land met het andere te vergelijken, en de ene vorm van energie met de andere. Toch kunnen we dat als volgt doen: we drukken alle liters olie, kubieke meters
aardgas, enzovoorts, uit in de hoeveelheid energie die ze bevatten, en tellen dat bij elkaar op. Als eenheid gebruiken we de ton aardolie-equivalent (de toe, een afkorting van het engelse ton of oil equivalent). Eén toe is gelijk aan 41.868 megajoule. Het is de gemiddelde energie-inhoud van één ton ruwe olie (ongeveer 7,5 vaten). Met primaire energie bedoelen we energie in zijn meest ruwe vorm. Deze energie wordt gedeeltelijk omgezet in elektriciteit, gedeeltelijk in bijvoorbeeld benzine voor transport, en gedeeltelijk direct worden gebruikt in industriële processen. Laten we de cijfers van de Europese Unie eens vergelijken met die van andere delen in de wereld. Tabel 6 laat zien hoeveel primaire energie er wordt gebruikt in verschillende delen van de wereld, en hoeveel dat is per inwoner. In de tabel zie je dat een gemiddelde inwoner van Europa 3,7 ton aardolie-equivalent per jaar gebruikt. Hoeveel is dat? De energie-inhoud van 3,7 ton olie is ongeveer 1,5·1011 joule. Als je alleen spierkracht zou gebruiken, hoeveel mensen heb je dan nodig om zo veel energie te
produceren? Een gemiddeld persoon kan zonder te stoppen ongeveer 50 watt produceren, wat overeenkomt met 1,58·109 joule per jaar (als hij of zij dag en nacht doorwerkt, zeven dagen per week, het hele jaar door). Dus je hebt bijna honderd mensen nodig om de energie te produceren die elk van ons gebruikt. Iedereen zou honderd ‘energieslaven’ nodig hebben om zijn of haar energie te produceren. Hoe zit dat in de rest van de wereld? Het energieverbruik verschilt enorm per regio. Uit tabel 6 blijkt dat inwoners van de VS meer dan tien keer zoveel energie gebruiken als mensen in India en Afrika, en meer dan twee keer zo veel als mensen in Europa. Het is moeilijk om precies aan te geven hoe al deze primaire energie wordt gebruikt, omdat de primaire energie verschillende veranderingen ondergaat voor het finale energie wordt. Kolen die als primaire energiebron worden geïmporteerd worden gebruikt als elektriciteit, en geimporteerde ruwe olie wordt geraffineerd en gebruikt als benzine. Maar we kunnen wel een idee krijgen van het gebruik door
© European Community, 2005
Kinderen in Benin, Afrika. Mensen in de VS gebruiken 13 keer zoveel energie als mensen in Afrika.
Van primaire energie naar elektriciteit Om elektriciteit te maken heb je primaire energie nodig, zoals steenkool, aardgas, wind of zonlicht. Fossiele brandstoffen, die nog steeds het grootse deel van de elektrische energie opwekken, worden verbrand om stoom te maken. De stoom wordt gebruikt om een stoomturbine aan te drijven, en de stoomturbine drijft een elektrische generator aan. Niet alle energie uit de primaire fossiele brandstof wordt omgezet in elektrische energie: een groot deel gaat verloren in de vorm van warmte. Het deel van de energie in de fossiele brandstof dat wordt omgezet in elektrische energie hangt sterk af van de soort brandstof en de gebruikte technologie. Gemiddeld wordt in een centrale ongeveer 33% van de energie in een fossiele brandstof omgezet in elektrische energie. Het rendement van de centrale is dus 33%. Dat betekent dat je voor één joule elektrische energie ongeveer drie joule aan fossiele brandstof nodig hebt. Hetzelfde geld voor zonne-energie. Een gemiddeld commercieel verkrijgbaar zonnepaneel zet ongeveer 15% van de energie in het zonlicht om in elektrische energie, de rest gaat verloren als warmte. Dus een zonnepaneel zet zonlicht om in elektriciteit met een rendement van 15%.
21
Uit de figuur zien we dat transport en industrie elk ongeveer een derde van het totale energiegebruik van een land uitmaken, en dat de rest is verdeeld tussen huishoudens en commerciële diensten. Fabrieken hebben veel energie nodig om producten te maken, en het transport van mensen, producten, grondstoffen en andere zaken kost ook veel energie. Verassend genoeg is het elektriciteitsgebruik van huishoudens maar 6% van het finale energiegebruik.
Zuinig met energie Natuurlijk is het slim om zuinig met energie om te gaan. Als je weinig energie
Tabel 7. De energie-inhoud van enkele veelgebruikte constructiematerialen. (bron: CSIRO, Australië).
Materiaal
Ingesloten Ingesloten energie energie (MJ per kg) (toe per ton)
Aluminium (nieuw) PVC Hardboard Aluminium (gerecycled) Staal Timmerhout Bakstenen Beton
170 80 24,2 17 38 3,0 2,5 1,9 22
4,06 1,91 0,58 0,40 0,90 0,07 0,06 0,05
Gloeilampen zetten slechts ongeveer 5% van hun energie om in licht, de rest wordt omgezet in warmte. Een gloeilamp is in feite een klein kacheltje, dat ook nog wat licht geeft. TL-lampen doen het in dat opzicht veel beter: vergeleken met gloeilampen zetten ze 4 tot 6 keer meer energie om in licht, afhankelijk van het type. Dus als je tl-lampen (ook wel spaarlampen genoemd) gebruikt, heb je vijf keer zo weinig energie nodig voor dezelfde hoeveelheid licht. En ze gaan nog langer mee ook. Ook vliegen kost veel energie. De hoeveelheid energie die nodig is om één persoon op en neer naar New York te laten vliegen, is evenveel als de elektriciteit die een huishouden in een heel jaar gebruikt. Bovendien zijn de uitlaatgassen van vliegtuigen erg slecht voor het milieu. Tegenwoordig proberen veel fabrieken over te schakelen op productiemethoden die minder energie gebruiken. Slimme productieprocessen hergebruiken de warmte die vroeger door de schoorsteen naar buiten vloog. Van biologisch afval kun je biogas maken, dat vervolgens weer gebruikt kan worden als brandstof. Door goed na te den-
© Matt Bridger / DHD photo gallery
te kijken naar hoeveel finale energie er in verschillende sectoren – zoals transport, industrie en huishoudens – wordt gebruikt. Dat is te zien in figuur 2.
gebruikt, hoef je minder te betalen, en wordt ook het milieu minder belast. Als we dezelfde energiediensten willen bereiken met minder energie, moeten we de energie efficiënter gebruiken. Uiteraard kun je de grootste besparingen halen op plekken waar het meeste gebruikt wordt, dus bij verwarmen, koelen en transport. Een goede isolatie van je huis is niet duur, en bespaart behoorlijk wat energie voor de verwarming (en eventueel de airco in de zomer). Als je de koelkast open doet stroomt er veel koude lucht naar buiten, en het is daarom verstandig om de koelkast zo veel mogelijk dicht te houden. Ook kun je de verwarming en de airco ‘s nachts wat lager zetten. Over het algemeen gebruiken nieuwe apparaten minder energie dan oudere, ook al doen ze hetzelfde. Oude koelkasten gebruiken soms wel drie keer zoveel energie als nieuwe.
Manhattan bij nacht. (New York, VS)
ken over productieprocessen, kan een fabriek soms wel tot 30% energie besparen. Op het moment schat men dat apparaten die in stand-by mode staan, 6% van alle elektriciteit in Europese huishoudens gebruikt. De Europese Unie probeert nu een verplicht maximum aan dit stand-by energiegebruik te stellen van 1 watt voor alle elektronische apparatuur.
Energiegebruik in de industrie Voor elk materiaal dat kunstmatig wordt gemaakt, is een bepaalde hoeveelheid energie nodig. Dit noemen we de ingesloten energie. Bovendien worden sommige materialen, zoals plastic, gemaakt van olieproducten. In tabel 7 staat de ingesloten energie (in megajoule per kilogram) van een aantal veelgebruikte constructiematerialen. Vooral voor aluminium en PVC (gebruikt voor plastic buizen) is erg veel energie nodig. Beton, stenen en
timmerhout hebben de laagste ingesloten energie. Een gemiddeld huis bevat al gauw 900.000 megajoule aan ingesloten energie, wat gelijk staat aan 250,000 kWh. Dat is evenveel als zestig jaar elektriciteitsgebruik van een gemiddeld Europees huishouden! Sommige takken van de industrie verbruiken meer energie dan andere, en er zijn vijf sectoren die de grootste verbruikers zijn. De eerste is de energiesector zelf: elektriciteitscentrales, olieraffinaderijen, en bijvoorbeeld kolentransport hebben grote hoeveelheden energie nodig om de ruwe vormen van energie als kolen en olie te winnen, te transporteren, en om te zetten in energievormen die de consument wil. De metaalindustrie gebruikt energie om staal, koper en aluminium te maken uit erts of schroot. Vooral de productie van aluminium uit erts verbruikt veel energie, en daarom staan aluminiumfa-
brieken vaak in de buurt van een goedkope bron van elektriciteit, zoals een grote waterkrachtcentrale. De chemische industrie heeft energie nodig om basischemicaliën te maken die elders in de industrie worden gebruikt, plastics en synthetische vezels als nylon, en producten als medicijnen, cosmetica en kunstmest. De productie van papier uit houtpulp of andere vezels vraagt veel energie voor verhitten en drogen. En tenslotte hebben niet-metalen zoals cement, glas en bakstenen energie nodig omdat ze in speciale ovens worden gemaakt. Over het algemeen gebruikt de industrie in een land een groot deel van de totale energie. In Europa gebruikt de industrie 28% van alle finale energie, zoals te zien in figuur 2.
De industrie gebruikt veel energie.
23
4
De bronnen van energie Er zijn veel verschillende energiebronnen. We gebruiken fossiele brandstoffen als steenkool, olie en aardgas, we gebruiken de kracht van de wind en het licht van de zon, we bouwen kernreactoren en grote waterkrachtcentrales. Onderzoekers proberen energie te maken met behulp van kernfusie: de energiebron die ook de zon van energie voorziet.
en dierlijke resten onderworpen aan hoge druk en hoge temperaturen, waardoor ze langzaam veranderden in de fossiele brandstoffen die we vandaag de dag gebruiken. Verschillende typen brandstof – zoals olie, gas en kolen – werden gevormd afhankelijk van wat voor soort materiaal begraven werd, en welke temperatuur en druk het materiaal onderging.
In 2002 gebruikte de wereld 10,230 miljoen ton aardolie-equivalent (toe). Deze enorme hoeveelheid energie wordt geleverd door veel verschillende energiebronnen, zoals te zien in figuur 3. In dit hoofdstuk nemen we al deze verschillende energiebronnen één voor één onder de loep.
Olie Olie houdt een land in beweging. Bijna de hele transportvloot – auto’s, vrachtwagens, dieseltreinen en vliegtuigen – wordt aangedreven door brandstoffen die gemaakt zijn van olie. De olie die uit de grond komt (‘ruwe’ olie), is een zeer complex materiaal, en tijdens het raffinageproces worden er ongeveer 30 verschillende soorten brandstof uit gewonnen, zoals benzine, kerosine, diesel, etc.). Smeermiddelen die gemaakt zijn van olie houden de machines in fabrieken draaiende. Bijproducten van olie-raffinage worden gebruikt voor kunstmest, om meer voedsel te kunnen verbouwen.
Energie uit fossiele brandstoffen Figuur 3. De bronnen van primaire energie in het jaar 2002, wereldwijd. De totale hoeveelheid energie die werd gebruikt is 10,230 Mtoe. De categorie ‘anders’ bevat geothermisch, zonne- en windenergie, etc. (bron: IEA)
Kolen (23,5%)
Steenkool, olie en aardgas leveren meer dan 80% van de wereldwijde energie. Ze heten fossiele brandstoffen omdat ze gevormd zijn uit prehistorische planten en beestjes die 300 miljoen jaar geleden op aarde leefden. Deze levende organismen gingen dood, en werden bedolven onder dikke lagen zand en modder. Gedurende miljoenen jaren werden de plantaardige
Anders (0,5%)
Biomassa en afval (10,9%) Waterkracht (2,2%) Kernsplijting (6,8%)
Gas (21,2%)
Olie (34,9%)
24
Olie en aardgas ontstaan uit zee-organismen die worden bedolven onder oceaansediment wanneer ze naar de bodem van de zee zinken. Diep onder de grond bestaat olie uit kleine druppeltjes die in de open ruimtes (poriën) in het gesteente zitten. De poriën en de oliedruppeltjes zijn alleen zichtbaar onder een microscoop. De olie zelf bestaat uit koolwaterstoffen: lange ketens van koolstofatomen, waaraan waterstofatomen vastzitten. Aardgas Aardgas bestaat voor het grootste deel uit methaan (CH4), een gas dat bestaat uit één koolstofatoom en vier waterstofatomen. Methaan is uiterst brandbaar, en verbrandt onder de juiste omstandigheden vrijwel volledig. Daardoor levert de verbranding geen as op, en weinig vervuilende stoffen zoals zwaveldioxide en stikstofoxides. Aardgas is kleurloos en in pure vorm ook geurloos.
Tegenwoordig levert aardgas een vijfde van alle energie in de wereld. Het is vooral belangrijk in huizen, waar het bijna de helft van de energie levert die we gebruiken voor de centrale verwarming, om water te verwarmen en om op te koken. Omdat aardgas van nature geen geur heeft, voegen de energiebedrijven een chemische stof toe die je wel kunt ruiken. De geur maakt het gemakkelijker om een gaslek in huis op te sporen.
ste geschiedenis. Het wordt eigenlijk al sinds het begin van de mensheid gebruikt voor verwarming, tegenwoordig wordt het vooral gebruikt om elektriciteit op te wekken. Steenkool is ontstaan uit de dode overblijfselen van bomen, varens, en andere planten die driehonderd tot vierhonderd miljoen jaar gelden op aarde groeiden. Er bestaan verschillende soorten steenkool die elk verschillende eigenschappen hebben. Het zeer harde antraciet produ-
© Mark Tiele Westra
Een zogenaamde ‘jaknikker’, die olie uit de grond pompt.
Elke dag gebruiken we wereldwijd 84 miljoen vaten olie.
Een voordeel van gas is dat je het eenvoudig door een buis van de ene plaats naar de andere kunt transporteren. Bovendien heeft het een schone en efficiënte verbranding. Elektriciteitscentrales gebruiken gas om elektriciteit te maken, en in fabrieken wordt het gebruikt als brandstof en als ingrediënt voor een groot aantal chemicaliën, zoals kunstmest.
ceert veel warmte, maar weinig vlammen en rook. Over het algemeen geldt dat hoe harder de steenkool, hoe meer energie het bevat, tot wel 31 MJ per kilogram. Ketelkool, dat voornamelijk wordt gebruikt in elektriciteitscentrales, heeft een lagere energie-inhoud van 25 MJ per kilogram. Sommige landen gebruiken ook bruinkool, dat nog minder energie bevat.
Steenkool Steenkool komt van alle fossiele brandstoffen het meeste voor, en heeft ook de lang-
Steenkool wordt in elektriciteitscentrales verbrand om elektriciteit te produceren. Als de elektriciteit die een gemiddeld Eu25
ropees huishouden gebruikt (4.100 kWh per jaar) alleen met kolen zou worden opgewekt, zou elke familie 1.800 kg kolen per jaar gebruiken. Ook al zie je nooit steenkool, je gebruikt het iedere dag!
Wat doen we met fossiele brandstoffen?
Figuur 4. Elektriciteitsproductie door verschillende bronnen in het jaar 2002, wereldwijd. De totale hoeveelheid elektriciteit die werd opgewekt was 15.476 TWh. De categorie ‘anders’ bevat geothermisch, zonne- en windenergie, biomassa en afval, etc. (bron: IEA).
We gebruiken steenkool, olie en aardgas voornamelijk voor vervoer, verwarmen van ruimtes, en het opwekken van elektriciteit. Olie wordt vooral gebruikt voor het maken van transportbrandstoffen, gas wordt vooral voor verwarming van gebouwen gebruikt en voor elektriciteitsproductie, en de meeste kolen worden ook gebruikt om elektriciteit te maken, zoals te zien in figuur 4. Elk jaar gebruiken we wereldwijd een hoeveelheid fossiele brandstoffen die de natuur een miljoen jaar heeft gekost om te maken. De voorraden kolen zijn groot genoeg om onze vraag nog zeker tweehonderd jaar te dekken. Maar er kleven een aantal problemen aan het verbranden van fossiele brandstoffen. Op de eerste plaats komen er bij de verbranding veel vervuilende stof-
Gas (19%) Olie (7%)
Kernsplijting (17%)
Waterkracht (16%)
Kolen (39%)
26
Anders (2%)
Hoe maak je elektriciteit? Met uitzondering van zonnecellen en brandstofcellen, die verderop aan bod komen, wordt alle elektriciteit gemaakt met een elektrische generator. In een elektrische generator draait een spoel in een magnetisch veld. Het veranderende magnetisch veld drijft een elektrische stroom door de spoel en door een extern circuit, waar de stroom iets nuttigs kan doen, zoals een lamp laten branden. Er zijn veel verschillende manieren om de generator te laten draaien, zoals stoomturbines, gasturbines, windturbines, of waterkracht. Bij een stoomturbine wordt een warmtebron – bijvoorbeeld een fossiele brandstof, of de warmte uit kernreacties – gebruikt om stoom te maken. De stoom wordt dan door een stoomturbine geleid, die aan een elektrische generator vastzit. De generator produceert dan elektriciteit, zoals te zien in figuur 5. Een gasturbine werkt op een vergelijkbare manier: gas wordt ontstoken en gaat branden, en de expanderende rookgassen worden gebruikt om een turbine aan te drijven, die weer gekoppeld is aan een elektrische generator. Soms wordt de warmte van het brandende gas gebruikt om stoom te maken, die een stoomturbine aandrijft. Dit proces wordt gecombineerde cyclus genoemd, en is erg efficiënt. Wordt ook de restwarmte van de stoomturbine opnieuw gebruikt, bijvoorbeeld voor een fabriek, of voor het verwarmen van huizen, dan spreken we van een warmtekrachtcentrale. Bij een windturbine drijven de draaiende wieken een elektrische generator aan, en bij een waterkrachtcentrale laat snel stromend water een schoepenrad draaien, die op zijn beurt een
elektrische generator aandrijft. In dit hoofdstuk nemen we al deze manieren om elektriciteit op te wekken onder de loep. Het door elektriciteitscentrales opgewekte vermogen wordt verspreid door het elektriciteitsnetwerk, een groot landelijk netwerk van kabels. Het is belangrijk om te beseffen dat de elektriciteit niet wordt opgeslagen in het netwerk: elk klein beetje elektrisch vermogen dat je op een gegeven moment gebruikt is een fractie van een seconde eerder opgewekt in een centrale. Dat betekent
dat zodra je het licht aandoet in een kamer, er ergens een elektriciteitscentrale een beetje harder moet gaan draaien, en dus iets meer kolen of gas verbruikt. De meeste landen hebben een aantal grote elektriciteitscentrales, die elk 500 tot 1.000 MW elektriciteit opwekken. De meeste centrales gebruiken kolen of gas, of kernsplijting. Kleinere generatoren gebruiken diesel, wat gemaakt wordt uit olie. Deze gemakkelijke transporteerbare dieselgeneratoren zijn er in alle maten: van 1 kW tot 10 MW.
Bij de overgang van primaire energie, zoals steenkool of aardolie, naar de uiteindelijke energiedienst, zoals verlichting of warm water, gaat veel energie verloren. Wanneer elektriciteit wordt opgewekt in een kolencentrale wordt maar zo’n 33% van de energie in de kolen omgezet in elektriciteit, de rest gaat verloren als warmte. Tijdens de distributie met hoogspanningsmasten gaat nog eens 10% verloren. Ten slotte wordt de elektriciteit gebruikt voor een energiedienst, waarbij weer een deel verloren gaat. De figuur op de volgende pagina laat zien hoe dat gaat bij een gewone gloeilamp.
Figuur 5. Een elektriciteitscentrale die gebruik maakt van fossiele brandstoffen: steenkool, aardolie of aardgas. Het vuur in de ketel verhit het water tot stoom, dat vervolgens door een stoomturbine stroomt. De stoomturbine drijft een elektrische generator aan. De elektriciteit wordt gedistribueerd via een elektriciteitsnetwerk.
Schoorsteen
Ketelhuis Stoomturbine
Distributienetwerk
Elektrische generator
Gas
Olie
Kolen
Koelwater
27
fen in de lucht terecht, zoals zwaveldioxide (SO2), stikstofoxides (NOx) en fijn stof. Op de tweede plaats wordt er kooldioxide (CO2) gevormd – fossiele brandstoffen bestaan immers voor het grootste deel uit koolstof. Dit CO2 vormt een deken rond de aarde, en versterkt daarmee het zogenaamde broeikaseffect. In het volgende hoofdstuk zullen we zien welke problemen dat met zich meebrengt. Een derde probleem is dat fossiele brandstoffen niet gelijkmatig over de aarde zijn verspreid. Ongeveer 80% van alle oliereserves liggen in het Midden-Oosten, en over zo’n 30 jaar zullen de meeste Europese gasreserves leeg zijn. Veel landen willen minder afhankelijk worden van buitenlandse bronnen van energie.
Kernsplijting Tot nu toe hebben we het gehad over fossiele brandstoffen. Het verbranden van kolen, olie en gas is een chemische reactie waarbij de atomen in de brandstof samen met zuurstof uit de lucht nieuwe moleculen vormen. De atomen vormen nieuwe, stabielere combinaties, en daar komt energie bij vrij. Zo’n herordening is ook mogelijk tussen de elementaire deeltjes –protonen en neutronen – in de kern van atomen.
Bijna alle vormen van transport zijn afhankelijk van olie.
1,5 J Licht
100 J Brandstofinvoer
65 J Warmte (in centrale)
3,5 J Distributieverlies
30 J Warmte (lamp)
Figuur 6. Energieverliezen van de bron tot het eindgebruik in een gloeilamp. Van de oorspronkelijke 100 joule gaat 65 joule verloren als restwarmte in de elektriciteitscentrale. Tijdens de distributie in het elektriciteitsnetwerk gaat nog eens 3,5 joule verloren. In de gloeilamp wordt slechts 5% van de energie, oftewel 1,5 joule, omgezet in zichtbaar licht. De lamp produceert 30 joule aan warmte. Fluorescerende lampen (tl-lampen, spaarlampen) doen het in dit opzicht veel beter: in plaats van 1,5 joule, zetten ze 8 (van de 100) joule om in licht. 28
Omdat de krachten in een atoomkern veel sterker zijn dan de chemische krachten tussen atomen onderling, is de energie die bij zo’n atoomreactie vrijkomt miljoenen malen groter dan bij een chemische reactie. Uit een kilo atoombrandstof komt dus ook miljoenen malen meer energie vrij dan uit een kilo chemische brandstof zoals kolen, zodat een elektriciteitscentrale die dit principe gebruikt slechts heel weinig brandstof nodig heeft. Er zijn twee soorten kernreacties waarbij energie kan vrijkomen: het splijten van hele zware atoomkernen zoals uranium – het proces dat wordt gebruikt in kernreactoren – en het samensmelten van hele lichte atoomkernen, zoals waterstof. Dit laatste gebeurt in de zon en in sterren, en in de toekomst ook in fusiereactoren. Natuurlijk uranium bestaat uit twee soorten: uranium-235 (U-235) en uranium238 (U-238), waarbij het getal staat voor het totale aantal protonen en neutronen in de kern. U-238 heeft drie extra neutronen in de kern en is stabiel, terwijl U-235 onstabiel is en daardoor radioactief. Zo nu en dan valt een U-235 kern spontaan uit elkaar in brokstukken, waarbij het ook nog twee of drie losse neutronen uitzendt.
Als zo’n neutron wordt geabsorbeerd door een andere U-235 kern, valt ook die spontaan uit elkaar, waarbij opnieuw twee of drie neutronen vrijkomen. Als er genoeg U-235 aanwezig is in een kleine ruimte, komt een kettingreactie op gang waarbij heel veel energie vrijkomt. Kernsplijting wordt al veel toegepast. Op dit moment produceren kerncentrales 17% van alle elektriciteit wereldwijd. De brandstof die nodig is voor kernsplijting, uranium, wordt in mijnen gewonnen in de vorm van uraniumerts. Uraniumerts bestaat vooral uit het stabiele U-238, en het moet worden ‘opgewerkt’ voordat het genoeg U-235 bevat. Een klein beetje uranium bevat enorm veel energie: een stukje zo groot als een golfbal kan evenveel elektriciteit produceren als twintig treinwagons vol met steenkool. En dat zonder zure regen, kooldioxide of andere luchtvervuilende stoffen te produceren. Eén van de problemen van kernsplijting is dat de eindproducten van een splijtingsreactie zelf ook radioactief zijn. Deze afvalstoffen moeten heel behoedzaam worden behandeld, en worden opgeslagen op een plek waar ze gedurende lange tijd (soms wel tienduizenden jaren)
© Stichting Borssele 2004+
De kerncentrale in Borssele (Nederland).
Einstein en kernenergie Einstein ontdekte dat massa kan worden omgezet in energie, en andersom. Hij drukte dit uit in zijn beroemde formule E=mc2, waarbij E staat voor energie, de m voor massa en c voor de lichtsnelheid. De formule beschrijft hoeveel energie je krijgt als je een massa m omzet in energie. De lichtsnelheid is een groot getal: 299.972.458 meter per seconde. Het kwadraat daarvan is een heel groot getal. Als je 500 kilogram massa om zou zetten in energie, krijg je 4,5·1019 joule. Dat is genoeg om de hele wereld een jaar van elektriciteit te voorzien. Dat is de kracht van kernenergie. Maar helaas is het niet mogelijk om een massa geheel in energie om te zetten. Bij een typische kernreactie wordt maar een klein percentage van de massa van de atoomkern omgezet in energie. In de zon smelten vier waterstofkernen samen om uiteindelijk één heliumkern te vormen. De heliumkern is 0,7% lichter dan de vier waterstofkernen; de ontbrekende massa is in energie omgezet.
29
niet met het milieu in aanraking kunnen komen. Over het algemeen worden stabiele geologische formaties, zoals ondergrondse zoutgrotten, beschouwd als veilige opslagplaatsen. Een ander probleem is dat je met de grondstoffen voor kernenergie, zoals uranium, ook kernwapens kunt maken.
© Stichting Borssele 2004+
Moderne kernreactoren zijn zeer goed beveiligd tegen ongelukken als het weglekken van radioactief materiaal of het uit de hand lopen van de reactie, bijvoorbeeld door het gebruik van zeer sterke veiligheidsbarrières. De centrales gebruiken meerdere onafhankelijke veiligheidssystemen, wat betekend dat zelfs als er een component stuk gaat, de veiligheid van het hele systeem niet veranderd. Het vervangen van een brandstofstaaf in het centrale deel van de reactor.
Na een tijdelijke stop in de bouw van nieuwe kerncentrales, overwegen veel landen nu weer om nieuwe kerncentrales te
bouwen. Ondanks het soms problematische imago van kernenergie, is het op dit moment, samen met waterkracht, de enige grootschalige energiebron waarbij geen CO2 vrijkomt. Kernenergie is één van onze belangrijkste energiebronnen. Het is dus zeker de moeite waard om te proberen de problemen met veiligheid en kernafval op te lossen, en de energie uit kernsplijting zo goed mogelijk te gebruiken.
Kernfusie Kernfusie is het proces waarbij twee atomen samensmelten. Daarbij komt een enorme hoeveelheid energie vrij. Kernfusie is de energiebron van de zon en de sterren, en is daarom de meest voorkomende energiebron in het heelal. In de zon fuseert 600 miljoen ton van het lichtste element, waterstof, tot helium. Bij het fusieproces komen geen broeikasgassen vrij.
Veiligheidsbarriëre Distributienetwerk Regelstaven
Stoomturbine
Elektrische generator
Kern
Brandstofstaven
Warmtewisselaar Koelwater
30
Mantel Magneten
Plasma
Om de energie uit kernfusie ook direct op aarde te kunnen gebruiken, onderzoeken wetenschappers hoe je een fusiereactor kunt bouwen. Zo’n reactor bestaat uit
Figuur 7 (links). Het principe van een kerncentrale. Brandstofstaven van uranium worden in het centrale deel van de reactor geplaatst. De staven worden heet door kernreacties, en staan via een warmtewisselaar hun warmte af aan water, zodat stoom wordt gevormd. De stoom drijft een stoomturbine aan die elektriciteit genereert. Het centrale deel van de reactor wordt om veiligheidsredenen omringd door een dikke muur van beton.
Hete koelvloeistof
een autoband-vormig vat (ook wel torus genoemd, zie figuur 8), waarin een gas wordt verwarmd tot de ongelofelijk hoge temperatuur van 150 miljoen graden, tien maal zo heet als het binnenste van de zon. Bij die hoge temperatuur smelten de atomen samen. De warmte die vrijkomt bij het fusieproces wordt gebruikt om stoom te maken, en de stoom drijft een stoom-
Figuur 8. Het principe van een kernfusiecentrale. In het plasma smelten deuterium en tritium samen, waarbij veel warmte vrijkomt. Het plasma wordt met behulp van een sterk magneetveld – gemaakt door D-vormige magneten – in een autoband-vormig vat opgesloten. In de wand van het vat circuleert een koelvloeistof, die de geproduceerde warmte afvoert, en er stoom van maakt. De stoom drijft een stoomturbine aan.
Een fusieplasma.
© EFDA - JET
In zekere zin komt bijna alle energie die wij gebruiken uit kernfusie. Fossiele brandstoffen waren immers ooit planten, die groeiden met behulp van zonlicht. Wind wordt veroorzaakt door temperatuurverschillen in de atmosfeer, die ontstaan door de zon. Energie uit waterkracht is alleen mogelijk doordat water verdampt onder invloed van zonnewarmte. En de energiebron van de zon is kernfusie.
Koude koelvloeistof
31
turbine aan. De verwachting is dat een toekomstige fusiereactor ongeveer 1.000 MW elektriciteit zal produceren, net zoveel als een grote moderne elektriciteitscentrale. De brandstoffen die op aarde voor kernfusie gebruikt gaan worden zijn deuterium en tritium, twee zogenaamde isotopen van waterstof. Deuterium (zware waterstof ) heeft een extra neutron in de kern, en is aanwezig in gewoon zeewater: iedere kubieke meter zeewater bevat 33 gram deuterium. Tritium, wat twee extra neutronen heeft, is een radioactieve stof met een halfwaardetijd van 12,3 jaar, zodat het niet in de natuur voorkomt. Het wordt binnen de fusiereactor gemaakt uit lithium, een veel voorkomend metaal. In het fusieproces smelten één deuteriumkern en één tritium-kern samen tot een helium-kern en een los neutron. In fusiebrandstof zit heel veel energie: het deuterium in een liter zeewater, samen
De binnenkant van de torus in een fusieractor. De torus op de foto is een onderdeel van het fusie-experiment JET (Joint European Torus), vlakbij Oxford in Engeland. Aan de persoon kun je zien wat de afmetingen zijn.
met een even grote hoeveelheid tritium, bevat evenveel energie als 340 liter benzine. Een typische fusiecentrale van 1.000 MW zou elk jaar slechts 250 kg brandstof nodig hebben. En er zit genoeg deuterium in de wereldzeeën om de ons miljoenen jaren van energie te voorzien. Maar: het is niet eenvoudig om een zon op aarde te maken. Als je een gas heel heet maakt laten de elektronen los van de atoomkernen, om samen een gas van geladen deeltjes te vormen dat plasma wordt genoemd. Omdat de wand van het plasmavat veel kouder is, mag het plasma de wand niet raken, omdat het plasma anders te veel zou afkoelen. Daarom wordt het plasma op zijn plek gehouden met sterke magneetvelden. Op dit moment wordt er wereldwijd onderzoek gedaan naar kernfusie, en het is de verwachting dat fusie in de tweede helft van deze eeuw flink kan gaan bijdragen aan de energievoorziening. Het volgende grote wetenschappelijk fusie-experiment, ITER, zal naar verwachting rond 2015 in bedrijf worden genomen. ITER, die bij het Zuid-Franse Cadarache gebouwd zal worden, moet aantonen dat fusie technisch en wetenschappelijk mogelijk is. Hoewel het fusieproces zelf geen afval oplevert, wordt de binnenkant van het reactorvat wel radioactief door de neutronen die bij het fusieproces vrijkomen. Aan het eind van de levensduur moeten die onderdelen ongeveer 50-100 jaar worden opgeslagen, waarna het materiaal kan worden hergebruikt of als gewoon afval opgeslagen. Als de goede bouwmaterialen worden gekozen, maken fusiecentrales dus geen langlevend radioactief afval.
Waterkracht
© EFDA - JET
Voor elektriciteit uit waterkracht gebruikt men de energie van vallend water om een elektriciteitsgenerator aan te drijven. In bergachtige landen, zoals Nepal, levert een smal stroompje soms genoeg energie voor een of twee huishoudens. Deze waterkrachtsystemen leveren soms maar 32
Duurzame energiebronnen Onder een duurzame energiebron wordt meestal een bron verstaan die zijn energie continu opnieuw aanvult, en daardoor nooit opraakt, bijvoorbeeld zon, wind en waterkracht. Biomassa, zoals bomen en planten, is een duurzame energiebron als de vegetatie de kans krijgt om steeds opnieuw aan te groeien. Energie uit aardwarmte noemen we ook duurzaam, omdat er zoveel voorhanden is dat het nooit op zal raken zo lang er mensen op aarde leven. Het zelfde geld voor fusie-energie: daarvoor is genoeg brandstof beschikbaar om de mensheid miljoenen jaren van energie te voorzien.
beschikbaar, hoewel de beschikbare hoeveelheid afhangt van de locatie. Duurzame energie wordt vaak door kleine eenheden opgewekt, zoals zonnepanelen of windmolens. Dat maakt het mogelijk om de elektriciteit vlak bij de plek waar het wordt gebruikt op te wekken, wat wel gedecentrali-
seerde of gedistribueerde opwekking van elektriciteit wordt genoemd. Dat staat tegenover gecentraliseerde elektriciteitsopwekking, waarbij grote centrales elektriciteit opwekken die met een distributienetwerk wordt naar de gebruiker wordt gebracht.
© PIX DOE/NREL
Sommige duurzame bronnen, zoals de zon en de wind, zijn bijna overal
Energie uit waterkracht: water uit het stuwmeer achter de dam stroomt door waterturbines.
Reservoir
Figuur 9. Het principe van een waterkrachtcentrale. Het water in een reservoir stroomt langs een turbine, die elektriciteit opwekt.
Dam
Distributienetwerk
Inname
Generator
Rivier Turbine
33
100 watt, en hebben geen dam of opslagreservoir nodig. Ze worden voornamelijk gebruikt op het platteland, waar de locale energiebehoefte vaak niet erg groot is. Een andere optie is om een stuwdam te bouwen, die het water tegenhoudt en zo een kunstmatig meer vormt. Het water stroomt door gaten in de dam naar beneden, en drijft tijdens het vallen een aantal grote turbines aan (zie figuur 9). Dit soort systemen is vaak groot genoeg om een aantal grote steden van elektriciteit te voorzien. De grootste stuwdam ter wereld is de Itapu-dam op de grens tussen Brazilië en Paraguay, vlakbij de grens met Argentinië. Deze dam, die sinds 1984 in bedrijf is, genereert 9.000 MW elektriciteit. Hoewel kleine waterkrachtsystemen niet veel invloed hebben op het milieu, zijn grote stuwdammen met een meer erachter niet zo onschuldig als ze eruit zien. Wanneer er een nieuwe dam gebouwd wordt in een gebied waar mensen wonen, moeten vaak veel mensen hun huis verlaten omdat hun huizen in het stuwmeer verdwijnen. In China moeten bijna twee miljoen mensen verhuizen voor de bouw van de Drie Kloven Dam in de rivier de Yangtze. In totaal zijn in de vorige eeuw tussen de 40 en
Figuur 10. Energie uit golven: een op en neer bewegende waterkolom perst lucht door een smalle opening naar buiten. De samengeperste lucht drijft een turbine aan.
Golftop
Dalende waterkolom
34
Steigende waterkolom
80 miljoen mensen verplaatst in verband met waterkrachtprojecten. Bovendien verstoren grote stuwdammen het milieu in het overstroomde gebied, en komt er vaak veel methaan vrij door rottende planten in het meer. Methaan is een krachtig broeikasgas, en draagt daarom bij aan de opwarming van de aarde. Wanneer er in een rivier een dam geplaatst wordt, verandert de oorspronkelijke rivierstroming drastisch. Dat kan grote gevolgen hebben voor het gebied stroomafwaarts van de dam. Ongeveer 60% van de rivieren op aarde is beïnvloed door stuwdammen. Zoetwatervissen die normaal gesproken in de loop van een jaar de rivier op en af zwemmen, stuiten plotseling op een dam. Men schat dat éénvijfde van de zoetwaterdieren en –planten in grote mate wordt beïnvloed door stuwdammen. Op dit moment wordt ongeveer 16% van de elektriciteit op aarde opgewekt met behulp van waterkracht, voornamelijk in grote waterkrachtcentrales. Zo langzamerhand zijn veel van de geschikte locaties al in gebruik, zodat deze energiebron in de toekomst niet meer veel kan uitbreiden. Om te voldoen aan onze groeiende energiehonger zullen we andere bronnen moeten aanboren.
Energie uit de oceaan: golven en getijden Op een aantal plaatsen op aarde is het hoogteverschil tussen eb en vloed van de zee groot genoeg om een elektriciteitscentrale aan te drijven. Het water wordt bij hoogwater opgespaard achter een dam. Bij laagwater stroomt het weer naar buiten door een aantal generatoren, die elektriciteit produceren. De eerste getijdencentrale werd in 1968 in Frankrijk in gebruik genomen. In 1984 werd in de Novia Scotia baai in Canada een getijdencentrale geopend met een vermogen van 20 MW. Over de hele wereld zijn zo’n veertig plaatsen geschikt voor getijdencentrales.
© Robb Williamson (PIX DOE/NREL)
Maar er zijn meer manieren om energie uit de oceaan te halen. Eén van de technieken maakt gebruik van een soort onderwater-windmolen, die elektriciteit opwekt als er water doorheen stroomt. Er zijn ook verschillende technieken om de energie uit golven te benutten. Sommige gebruiken taps toelopende kanalen om de golven te versterken en vervolgens een turbine aan te drijven. Andere gebruiken drijvende systemen die op en neer bewe-
het Schotse eiland Islay staat een generator van dit type met een vermogen van 500 kW.
Zonne-energie Als de zon schijnt, ontvangt elke vierkante meter die loodrecht op het invallende zonlicht staat ongeveer 1000 watt zonne-energie. Gemiddeld over een jaar is dat 100 tot 200 watt per vierkante meter, afhankelijk van de locatie op aarde. Ieder-
Energie uit de zon met behulp van zonnepanelen.
gen met het wateroppervlak, en daarbij zuigers aandrijven die lucht samenpersen. De samengeperste lucht wordt door een turbine geleid die elektriciteit opwekt. Een andere veelbelovende techniek bestaat uit een gedeeltelijk afgezonken betonnen kamer op de kustlijn, met een opening in de bodem. De inkomende golven duwen de luchtkolom in de kamer omhoog door een turbine (zie figuur 10). Als het water weer omlaag gaat, wordt er lucht aangezogen door de turbine. De draaiende turbine drijft een generator aan, die elektriciteit opwekt. In Schotland wordt met dit soort constructies geëxperimenteerd: op
een die wel eens met een vergrootglas in de zon heeft geëxperimenteerd, weet dat er veel warmte zit in zonlicht: zelfs met een klein vergrootglas kun je gemakkelijk iets in brand steken. De hoeveelheid zonlicht die op een oppervlak terecht komt, hangt af van de plek op aarde. Vlakbij de polen staat de zon laag, en bereiken de zonnestralen het aardoppervlak onder een kleine hoek. Een vierkante meter op de noord- of zuidpool krijgt dus minder zonne-energie dan een vierkante meter op de evenaar, waar het zonlicht bijna loodrecht op het aardoppervlak valt. Bovendien legt het zonlicht op de polen een veel lan35
gere weg af door de dampkring, waardoor de kracht van de zon verminderd. Zonlicht kan worden omgezet in elektriciteit met behulp van fotovoltaïsche panelen, meestal zonnepanelen genoemd. Deze panelen worden gemaakt van halfgeleidermateriaal: het zelfde materiaal dat wordt gebruikt om computerchips van te maken. Zonlicht bestaat uit
kleine pakketjes energie, de fotonen. Als fotonen een zonnecel raken, wordt hun energie overgedragen aan de elektronen in het halfgeleidermateriaal. Met deze extra energie kunnen de elektronen zich vrijmaken van de atomen waar ze aan vast zitten. De vrijgemaakte elektronen 36
Tegenwoordig worden de meeste zonnecellen gemaakt van silicium. Deze zonnecellen zetten ongeveer 10-15% van het invallende zonlicht om in elektriciteit. In Nederland produceert een zonnepaneel van één vierkante meter ongeveer 80 kWh per jaar, in Zuid-Europa is dat 140 kWh. Op dit moment wordt minder dan 0,01% van de elektriciteit op aarde opgewekt met zonne-energie. Zonnecellen hebben normaal gesproken geen bewegende delen, en hebben dus ook niet veel onderhoud nodig. Ze moeten alleen af en toe worden schoongemaakt om te voorkomen dat het zonlicht wordt tegengehouden, en ze gaan ongeveer 25 jaar mee. Het grote probleem is dat ze nog steeds erg duur zijn. Een zonnepaneel dat 100 W levert bij volle zon (100 Wp) kost inclusief installatie ongeveer 500 euro en levert in centraal Europa ongeveer 120 kWh per jaar. Voor het gemiddelde elektriciteitsverbruik van een huishouden (ongeveer 4.100 kWh per jaar) heb je in Europa dus zo’n 35 zonnepanelen nodig. Die kosten ongeveer 17.500 euro. Dezelfde hoeveelheid elektriciteit uit een centrale kost nu zo’n 500 euro per jaar.
© PIX DOE/NREL
In rijen opgestelde parabolische spiegels concentreren zonlicht op buizen in het midden van de spiegels. In de buizen zit olie. De hete olie wordt gebruikt om stoom te maken, waarmee elektriciteit wordt opgewekt.
stromen als een elektrische stroom door een extern elektrische circuit, waar ze bijvoorbeeld een lamp laten branden, of een accu opladen.
Omdat zonne-energie nu nog zo duur is, doen wetenschappers hun uiterste best om zonnecellen efficiënter en goedkoper te maken. Op dit moment worden zonnecellen nog vooral gebruikt op plaatsen waar men niet zo makkelijk op een andere manier aan elektriciteit kan komen, bijvoorbeeld op het platteland in ontwikkelingslanden, of op zee. Maar ook in de gebouwde omgeving verschijnen steeds meer zonnepanelen op daken. Behalve voor zonnecellen kun je de energie van de zon ook gebruiken om elektriciteit op te wekken met een thermisch
systeem. Daarvoor wordt het zonlicht weerkaatst door spiegels, die de stand van de zon volgen. De spiegels concentreren het zonlicht op een ontvanger, bijvoorbeeld een hoge toren of een absorberende buis, die de warmte overdraagt aan een vloeistof. De hete vloeistof wordt gebruikt om stoom te maken, die vervolgens een stoomturbine aandrijft. De stoomturbine is aangesloten op een generator, die elektriciteit produceert. Ook kun je de energie van zonlicht omzetten in warmte, en die warmte gebruiken om water op te warmen. Het hete water kun je meteen gebruiken voor een bad of een warme douche, of om een gebouw te verwarmen. Deze methode is relatief goedkoop, en je ziet dan ook steeds meer van deze zonnecollectoren op daken. Ook zwembaden, die veel water moeten verwarmen, gebruiken soms zonnecollectoren.
Windenergie
© European Community, 2005
Al sinds vele eeuwen voor Christus gebruikt de mensheid windmolens om de kracht van de wind om te zetten in mechanische energie. Deze energie werd gebruikt om water op te pompen, graan
te malen of eenvoudige mechanische apparaten aan te drijven. Tegenwoordig gebruiken veel buitenlandse boeren nog steeds windmolens om water op te pompen. Een andere zeer oude toepassing van windenergie, die tegenwoordig weer erg populair is, is de zeilboot. In de moderne tijd worden windturbines gebruikt om elektriciteit op te wekken. Een windturbine bestaat uit een grote, meestal drie-bladige rotor, die wordt aangedreven door de wind. De rotor is bevestigd aan een elektrische generator. Op het moment wordt slechts 0,3% van de wereldwijde elektriciteit opgewekt met behulp van windenergie, maar de capaciteit groeit. In Denemarken genereert de wind ongeveer 14% van de elektriciteit, en in Duitsland rond de 3%. Ook windturbines hebben hun problemen. Niet iedereen vindt de grote aantallen windmolens in het landschap even mooi. Er zijn aanwijzingen dat de snel ronddraaiende rotorbladen gevaarlijk zijn voor vogels. Wie vlak naast een windmolen woont, vindt misschien dat ze veel herrie maken. Bovendien gebeuren er
Windturbines op een heuvel.
De capaciteitsfactor van windturbines Op elke windturbine zit een label waarop staat hoeveel vermogen de turbine kan opwekken. Zo zijn er turbines van 750 kW, grotere van 1,5 MW en hele grote van 3 MW. Dit getal is het piekvermogen of maximale capaciteit van de turbine: de hoeveelheid vermogen die de turbine levert als de wind optimaal is. Als gesproken wordt over de “geïnstalleerde capaciteit”, dan gebruikt men deze cijfers. De energie die een windturbine levert hangt af van het aantal uren dat de turbine per jaar in bedrijf is. En dat hangt natuurlijk af van het weer. De meeste windmolens produceren per jaar ongeveer 30% van wat ze zouden opwekken als de wind het hele jaar maximaal zou zijn. Het verschil tussen de daadwerkelijke jaarlijkse opbrengst en het theoretische maximum heet de capaciteitsfactor. Een windturbine met een piekvermogen van 3 MW en een capaciteitsfactor van 0,3 levert dus gemiddeld 0,9 MW. Hetzelfde geld voor zonnepanelen, die ook worden beschreven met hun piekvermogen: het vermogen dat een paneel opwekt als de volle zon er loodrecht op schijnt. Dat gebeurt natuurlijk alleen rond 12 uur s’middags als het zonnig is, en gemiddeld over dag en nacht en over de seizoenen levert een zonnepaneel ongeveer 10% op van zijn piekvermogen. Dus een zonnepaneel met een piekvermogen van 100 watt produceert gemiddeld 10 watt.
37
Een windmolen in Nicaragua. Windenergie hoeft niet high-tech te zijn: in veel ontwikkelingslanden worden eenvoudige windmolens gebruikt om water op te pompen.
Een ander probleem van windmolens is dat er soms geen wind is. Deze situatie kan wel dagen duren, en treedt soms in een groot deel van Europa tegelijkertijd op. Een andere manier om dit te zeggen is dat windenergie, en ook zonne-energie, fluctuerende energiebronnen zijn. Dat betekent dat de elektriciteit op onregelmatige tijden wordt geproduceerd. Naarmate het aandeel van wind- en zonne-energie verder toeneemt in de elektriciteitsproductie, moeten er meer maatregelen worden genomen om de elektriciteitsvoorziening stabiel te houden. In de meeste gevallen zijn back-up systemen nodig, gevoed door fossiele brandstoffen, die de productie over kunnen nemen als er geen wind of zon is. Ook doet met onderzoek naar verschillende technieken om de fluctuerende energie van wind en zon op te slaan.
© European Community, 2005
Biodiesel kan worden gemaakt uit koolzaadolie.
38
Energie uit biomassa Biomassa is een ander woord voor organisch materiaal. Het omvat houtresten en zaagsel uit de houtindustrie, reststromen uit de landbouw en de levensmiddelenindustrie, huishoudelijk afval en andere organische materialen. Biomassa was een van de eerste energiebronnen die door de mens werd gebruikt en het is nog steeds de belangrijkste energiebron in veel ontwikkelingslanden, vooral in de vorm van brandhout dat lokaal wordt gesprokkeld. In organisch materiaal ligt zonlicht opgeslagen in de vorm van chemische energie. Er zijn twee manieren om deze energie te gebruiken, waarvan de eenvoudigste directe verbranding is. De droge biomassa wordt verbrand, en gebruikt voor het verwarmen van water tot stoom, waarmee bijvoorbeeld elektriciteit kan worden opgewekt. De tweede manier is ontbinding door bacteriën. Hierbij komt methaangas vrij, dat ook wel biogas wordt genoemd. Het proces is een soort gisting, waarbij bacteriën de biomassa afbreken in kleinere componenten. De gisting is anaëroob, wat wil zeggen dat er geen zuurstof bij nodig is. Ook afvalstortplaatsen, waar het gemeentelijke huisvuil
Houtsnippers die worden gebruikt om elektriciteit op te wekken.
© Warren Gretz (PIX DOE/NREL)
© Mark Tiele Westra
soms ongelukken als een van de bladen losschiet. Om deze redenen denkt men erover meer windmolens in zee te plaatsen. De wind waait daar regelmatiger en krachtiger. Aan de andere kant is het bouwen, onderhouden en bedienen van windmolens op zee wel duurder.
wordt gedumpt, produceren biogas dat als brandstof kan worden gebruikt. Als biomassa wordt verbrand, komt het broeikasgas kooldioxide vrij. Maar zolang het biomassa-gewas groeit, nemen ze een even grote hoeveelheid kooldioxide op uit de omgeving. Zo lang de gebruikte gewassen steeds opnieuw worden aangeplant, is er dus geen netto uitstoot van kooldioxide. Deze gewassen, zoals snelgroeiende bomen en grassen, worden kortweg energiegewassen genoemd.
Geothermische energie De term geothermische energie is afgeleid van de Griekse woorden geo (aarde) en ther-
me (hitte). Deze vorm van energie gebruikt de warmte in het binnenste van de aarde om elektriciteit op te wekken. De kern van de aarde is gloeiend heet: ongeveer vijfduizend graden Celsius. Zo nu en dan, tijdens een vulkaanuitbarsting, komt er gesmolten gesteente of magma aan het aardoppervlak. Geothermische centrales proberen deze enorme energiebron te benutten voor de productie van warmte of elektriciteit. Als je een gat graaft in de aarde, neemt de temperatuur per kilometer diepte ongeveer 17 tot 30 graden Celsius toe. Een geothermische put is soms wel 2.500 meter diep. Het water (meestal gewoon regenwater) dat door de put wordt gepompt,
Figuur 11. Het principe van geothermische energie. De warmte uit het binnenste van de aarde verwarmt het gesteente diep onder het aardoppervlak. In diepe putten wordt koud water geïnjecteerd, en in de productieput wordt heet water naar boven gepompt. Het hete water wordt gebruikt om stoom te maken, dat een stoomturbine aandrijft.
Koelwater Elektrische generator Distributienetwerk Stoomgeneratie Koud water
Stoomturbine Koud water
Warmtestroming (convectie)
Heet water
Geothermisch reservoir
Hete kern
39
wordt verwarmd tot stoom, en kan gebruikt worden om elektriciteit op te wekken (zie tekening). Ook kan het warme water direct worden gebruikt om huizen en gebouwen te verwarmen. In de hele wereld staan meer dan 250 geothermische centrales, verspreid over twintig landen. In de Verenigde Staten voorziet een geothermische centrale de stad San Francisco van energie, en in El Salvador wordt 40% van de elektriciteit opgewekt met behulp van geothermische energie. IJsland gebruikt zelfs uitsluitend geothermische energie om elektriciteit op te wekken. Wereldwijd wordt zo’n 8.000 MW geothermische elektriciteit opgewekt. Daarnaast wordt nog eens 10.000 MW aan directe geothermische warmte gebruikt. De ideale condities om geothermische energie te gebruiken komen maar op een paar plaatsen op aarde voor, waardoor de hoeveelheid energie die met deze energiebron kan worden opgewekt, beperkt is.
Productie van bruinkool in Duitsland. Een kolencentrale van 1.000 MW heeft per jaar 2,5 miljoen ton kolen nodig!
Tabel 8. De benodigde hoeveelheid brandstof voor verschillende energiebronnen. De tabel toont het jaarlijkse brandstofverbruik van een energiecentrale met een vermogen van 1.000 MW (totale energieproductie per jaar: ongeveer 7.000 miljoen kWh). Windenergie, zonne-energie en energie uit biomassa hebben veel ruimte nodig. Kernsplijting en kernfusie hebben slechts zeer weinig brandstof nodig.
Energiebron
40
Brandstofbehoefte van een 1.000MW centrale, gedurende n jaar
Benodigde oppervlakte voor een 1.000MW centrale (km2)
Opmerkingen
Biomassa
30.000 km2 of woods
Wind
2.700 windturbines van 1,5MW
30.000
Zon PV
23 km2 zonnepanelen
Biogas
60 miljoen varkens
Gas
1,2 km3
1
Olie
1.400.000 ton
1
10.000.000 olievaten of 100 olietankers
Kolen
2.500.000 ton
1+ mijnen
26.260 waggonladingen
Kernsplijting
35 ton uraniumoxide
1+ mijnen
uit 210 ton uraniumerts
Kernfusie
100 kg deuterium en 150 kg tritium
1+ mijnen
uit 2.850 m3 zeewater en 10 tons lithiumerts
490 23
geplaatst in een land bij de evenaar
600
varkens worden gehouden voor voedsel, energie is extra.
Een andere techniek om de warmte van de aarde te benutten maakt gebruik van heet gesteente dat bijna overal op een zekere diepte onder het aardoppervlak te vinden is. In deze techniek stroomt water door een put de grond in, sijpelt door het hete gesteente naar een andere put in de buurt, en stroomt daar weer naar boven. Aan het oppervlak wordt de warmte die het water heeft opgepikt eruit gehaald, waarna het water weer de grond in kan om nieuwe warmte op te halen.
Een vergelijking tussen de verschillende energiebronnen Alle energiebronnen die we in dit hoofdstuk hebben genoemd, hebben verschil-
lende eigenschappen wat betreft hoeveelheid en soort brandstof, de oppervlakte die ze innemen, en de kosten. In tabel 8 hebben we op een rijtje gezet hoeveel brandstof een elektriciteitscentrale van 1.000 MW in al deze gevallen gebruikt. Uit de tabel blijkt dat vooral biomassa-, wind- en zonne-energie veel ruimte nodig hebben. Dat komt doordat deze energiebronnen niet erg geconcentreerd zijn: fossiele brandstoffen bevatten per volume veel meer energie. Kernsplijting en kernfusie hebben van alle energiebronnen de minste brandstof nodig.
Onze energiebronnen veranderen voortdurend. Achter de hoogspanningskabels van het elektriciteitsnetwerk ligt een hele wereld van exploratie, onderzoek en ontwikkeling. Elke dag zijn honderdduizenden mensen aan het werk om energiebronnen als steenkool, aardolie en aardgas te delven. En duizenden wetenschappers proberen nieuwe energiebronnen zoals windenergie, zonne-energie en kernfusie, verder te ontwikkelen. Deze nieuwe bronnen zijn nodig om in de toekomst voldoende schone energie op te wekken.
41
5 Energie, gezondheid en milieu De almaar toenemende productie en gebruik van energie heeft ernstige gevolgen voor het milieu. En voor onze gezondheid. Als hout verbrandt, worden er veel giftige gassen en fijn stof gevormd, die gevaarlijk zijn bij inademing. De zwaveldioxide die vrijkomt bij de verbranding van olie en steenkool veroorzaakt zure
regen. Kooldioxide, dat vrijkomt bij de verbranding van alle fossiele brandstoffen, versterkt het broeikaseffect, waardoor de aarde opwarmt. Mensen moeten soms verhuizen als in de buurt een grote waterkrachtcentrale wordt gebouwd, en veel bossen worden gekapt voor brandhout, wat leidt tot bodemerosie. De problemen ontstaan op verschillende niveaus. Als je thuis hout verbrandt, adem jij de rook in, maar je buurman niet. Dat is het huishoudniveau. In een stad zorgen de uitlaatgassen van auto’s soms voor smog, die iedereen in die stad inademt. Dat is het gemeenschapsniveau. Fijn stof, zwaveldioxide en ozon kunnen zelfs honderden kilometers van hun bron nog effect hebben. Dat is het regionale niveau. En het broeikaseffect, dat de aarde opwarmt, beïnvloedt ons allemaal. Dat is het mondiale niveau. Laten we deze verschillende niveaus eens één voor één bekijken.
Het huishoudniveau In westerse landen worden niet veel vervuilende stoffen geproduceerd in huishoudens. De meeste van ons koken op elektriciteit, gas, of een vloeibare brandstof, wat allemaal redelijk schoon is. De helft van de huishoudens op aarde is echter afhankelijk van brandhout en houtskool om op te koken en het huis te verwarmen. Het is moeilijk om dit soort vaste brandstoffen op een schone manier te verbranden, omdat de brandstof in een eenvoudige kachel niet goed met lucht mengt. Bij koken op een houtkachel komt slechts 5 tot 20% van de energie in het brandhout uiteindelijk in de pan terecht, de rest gaat verloren. Bovendien wordt bij incomplete verbranding van vaste brandstoffen een heel scala aan vervuilende stoffen gevormd, die slecht zijn voor de gezondheid (zie tabel 9). Dat is geen klein probleem. Men schat dat per jaar ongeveer twee miljoen vrouwen en kinderen vroegtijdig sterven door het gebruik van vaste brandstof42
fen, en dat het in ontwikkelingslanden verantwoordelijk is voor 5 tot 6% van alle ziektes. Het gezondheidsrisico is zo hoog, omdat de brandstoffen precies dáár worden gebruikt waar mensen in de buurt zijn: elke dag, in de keuken en in de woonkamer. Het gebruik van energie in een huishouden kan worden gezien als een energieladder, met op de onderste trede eenvoudige brandstoffen als biomassa (mest, hout), hogerop de vloeibare fossiele brandstoffen als kerosine en gas, en helemaal bovenaan de meest moderne vorm van energie: elektriciteit. Van beneden naar boven op de ladder worden de bijbehorende ovens en kachels steeds schoner en efficiënter. Als al-
Koolstofmonoxide Fijn stof Benzeen 1,3-Butadieen Formaldehyde
Tabel 9. De concentratie gevaarlijke stoffen in de lucht veroorzaakt door een houtkachel om op te koken. De eenheid mg/m3 staat voor milligram per kubieke meter. In de rechterkolom staan de maximaal aanvaardbare waarden die zijn vastgesteld om de gezondheid te beschermen. In de rook van verbrand hout zitten nog tientallen andere vervuilende stoffen die gevaarlijk zijn voor de gezondheid. (bron: WAE, UNDP).
Elektriciteit
Figuur 12. De energieladder.
Figuur 13. De gemiddelde energievraag in Brazilië, per inkomen (1988). Eén minimumloon is vijftig dollar per maand. Hoe meer mensen verdienen, hoe meer elektriciteit en vloeibare brandstoffen ze gebruiken. (bron: WAE, UNDP).
Gas
Benzine
Hout
Landbouw afval
Mest, gras
Gigajoules per jaar per huishouden
120 Kolen
Concentratie bij Maximaal toelaat1 kg hout per uur bare concentratie (mg/m3) (mg/m3) 150 10 3,3 0,1 0,8 0,002 0,15 0,0003 0,7 0,1
Vervuilende stof
100 80 60 Vloeibare brandstoffen
40 20
Gas
Brandhout 0
<1
1-2
Elektriciteit 2-5
5 - 10
10 - 20
20 - 30
Aantal verdiende minimumlonen
43
> 30
ternatieven hoger op de ladder beschikbaar en betaalbaar zijn, hebben mensen over het algemeen de neiging hoger op de ladder te klimmen, zoals te zien in figuur 13. Vroeger was de hele mensheid afhankelijk van hout, maar tegenwoordig is ruwweg de helft van de wereldbevolking een of meer treden op de energieladder gestegen. De andere helft is nog steeds afhankelijk van hout. In gebieden waar hout schaars is geworden, is men zelfs een trede gedaald naar mest en landbouwresten. In extreme gevallen gebruiken mensen zelfs de allerslechtste kwaliteit brandstoffen, zoals struiken en gras. Onderaan de ladder gebruiken mensen ook meer van hun eigen (lichaams)energie, bijvoorbeeld om hout te verzamelen. Het verzamelen van brandstof is gewoonlijk een taak voor vrouwen en kinderen, voor wie het een zware belasting is omdat het veel tijd kost en omdat de brandstoffen erg zwaar zijn. In ontwikkelingslanden besteden vrouwen en kinderen vaak negen tot twaalf uur per week aan het verzamelen
© European Community, 2005
In grote steden zorgt het drukke verkeer voor smog.
44
van brandhout. In Nepal zijn vrouwen daar zelfs twee en een half uur per dag mee bezig. Arme mensen besteden dus een groot deel van hun tijd aan het verzamelen van de benodigde energie. Deze tijd kunnen ze niet besteden aan het produceren van goederen die ze kunnen verkopen, op het land werken of onderwijs volgen. Dit noemen we de armoedespiraal: als je eenmaal arm bent is het moeilijk om daar weer uit te komen, omdat je al je tijd nodig hebt om te overleven.
Het gemeenschapsniveau Bijna iedereen heeft wel eens te maken met stedelijke vervuiling. Als je op een warme, windstille dag vanaf een hoog punt over een stad uitkijkt, zie je vaak een geelachtige nevel boven de stad hangen. Deze nevel noemen we smog: een mengsel van fijn stof en uitlaatgassen van auto’s en motoren. In steden met veel auto’s, zoals Athene (Griekenland) en Los Angeles (Californië), krijgen de inwoners longproblemen door de smog. De concentratie van schadelijke stoffen als stikstofoxiden en ozon ligt in deze steden vaak boven het niveau van wat nog veilig is. Hoewel ozon van nature voorkomt in de bovenste lagen van de atmosfeer (waar het ons beschermt tegen UV-straling), is het op het lagere hoogte gevaarlijk voor onze gezondheid. Ozon ontstaat als stikstofoxiden reageren met onvolledig verbrande brandstoffen uit de motoren van auto’s en vrachtwagens. Het veroorzaakt soms ademhalingsproblemen en ontstekingen in de longen, en verergert de klachten van astmapatiënten. Ozon kan ook ons afweersysteem aantasten, waardoor we eerder vatbaar zijn voor ziektes als bronchitis en longontsteking. Vooral kinderen en ouderen zijn hier vatbaar voor. In de meeste grote steden wordt continu de luchtkwaliteit gecontroleerd, waarbij de concentraties ozon, koolmonoxide, nitraatoxiden en fijn stof worden gemeten.
Andere problemen op gemeenschapsniveau hebben te maken met de winning van energie. In elke gemeenschap moet een groep mensen de benodigde energie binnenhalen. Ze werken in een kolenmijn, boren naar olie op zee, kappen bossen voor hout, verzamelen biomassa of construeren grote dammen voor waterkrachtenergie. Het winnen van energie is vaak gevaarlijk en zwaar werk, met een hoog risico op ziektes en verwondingen. Volgens de Internationale Arbeidsorganisatie (ILO) werken er over de hele wereld ongeveer tien miljoen mensen in steenkolenmijnen (ongeveer 0,3% van de beroepsbevolking). De productie en distributie van energie veroorzaken wereldwijd naar schatting 70.000 tot 300.000 doden per jaar, en veel
© Ken Hammond (USDA)
Ook herkauwers produceren broeikasgassen.
meer verwondingen. Dat is de prijs die we voor onze energie betalen.
Het regionale niveau Een ander groot milieuprobleem is zure regen. Het wordt veroorzaakt door zwaveldioxide, dat vrijkomt bij de verbranding steenkool en olieproducten, en door stikstofoxides. Het zuur, dat wordt achtergelaten door regenwater, beschadigt stenen constructies zoals gebouwen en standbeelden. Als de bodem het zuur niet kan neutraliseren, worden ook planten en bomen beschadigd. Als een meer te zuur wordt, kan de hele vissenpopulatie sterven. Op den duur kunnen hele ecosystemen worden aangetast. Gelukkig kan zwavel uit rook worden verwijderd, maar nog lang niet alle elektriciteitscentrales maken daar gebruik van. Maar niet alleen fossiele brandstoffen hebben grote invloed. Zoals eerder vermeld, moesten voor de Drie Kloven Dam in China twee miljoen mensen hun land verlaten, omdat dat door de dam onder water zal komen te staan. Soortgelijke projecten hebben in het verleden voor grote sociale problemen gezorgd.
© Adam Hart-Davis / DHD photo gallery
Soms nemen locale autoriteiten strenge maatregelen om luchtvervuiling tegen te gaan. Als in Teheran (de hoofdstad van Iran) de luchtkwaliteit te slecht wordt, mogen automobilisten alleen om de dag door de stad rijden: de ene dag alleen de auto’s met een nummerbord dat begint met een even nummer, de andere dag de oneven nummers. Ook in sommige westerse steden, zoals Milaan (Italië) en Athene, wordt dit soort maatregelen getroffen; soms wordt het verkeer zelfs een hele dag stilgezet.
Zure regen kan gebouwen, beelden en bruggen aantasten.
Vee en methaan Ongeveer 20% van de uitstoot van methaan naar de atmosfeer is afkomstig van dieren zoals koeien, ossen en schapen. Koeien kunnen hun voedsel alleen verteren door een gistingsproces, waarbij bacteriën in de koeienmaag methaangas produceren. Ongeveer 2- tot 12% van de energie in het voedsel van een koe komt in de vorm van methaan in de atmosfeer terecht. De wereldwijde veestapel van 1,3 miljard dieren maken met zijn allen honderden miljoenen tonnen methaan per jaar, wat een duidelijk effect heeft op de hoeveelheid broeikasgassen in de atmosfeer. Van alle methaan die op aarde wordt gemaakt, is ongeveer 60% afkomstig van menselijke activiteiten als energieproductie, landbouw en veeteelt. Ongeveer een derde daarvan, dus 20% van de totale methaanuitstoot, wordt geproduceerd door vee.
45
Het mondiale niveau Sommige gassen in de atmosfeer vormen een soort warme deken rond de aarde. Dit noemen we het broeikaseffect. De gassen absorberen een deel van de warmtestraling van het aardoppervlak, en sturen een deel van die straling weer terug naar de aarde. Een broeikas werkt op dezelfde manier: het zonlicht schijnt door het glas naar binnen, maar de straling van de warme aarde in de kas wordt door het glas tegengehouden, zodat de kas warm blijft. Het broeikaseffect is zeer krachtig: zonder dit effect zou het op aarde 33 graden Celsius kouder zijn. Dat betekent dat de gemiddelde temperatuur onder het vriespunt zou liggen! Zonder het broeikaseffect zou er op de aarde geen leven kunnen bestaan. Eenheden van concentratie: de ppm Om lage concentraties van een stof te meten, gebruiken we de eenheid parts per million (ppm). Deze eenheid geeft aan hoeveel deeltjes van de te meten stof aanwezig zijn in een totale hoeveelheid van een miljoen deeltjes, bijvoorbeeld de concentratie van een giftige stof in voedsel, of de hoeveelheid CO2 in de atmosfeer.
Alle gassen die aan dit effect bijdragen worden broeikasgassen genoemd. De gassen die het sterkst bijdragen aan de opwarming van de atmosfeer zijn waterdamp, kooldioxide (CO2) en methaan (CH4). Kooldioxide komt vrij bij de verbranding van hout, steenkool, aardgas en olie. Methaan komt vrij bij het rotten van planten, bij mijnbouw en bij veeteelt.
Niet alle gassen hebben hetzelfde effect op de atmosfeer. Methaan houdt bijvoorbeeld 21 keer zoveel warmte vast als kooldioxide. Dus 1 gram methaan en 21 gram kooldioxide hebben beide dezelfde invloed op de opwarming van de aarde. Zowel kooldioxide als methaan verdwijnen langzaam uit de atmosfeer. Kooldioxide wordt uiteindelijk opgenomen door de oceanen, en methaan verdwijnt uit de atmosfeer door chemische reacties. Dat zijn allebei zeer langzame processen: voor een CO2-molecuul duurt het gemiddeld honderd jaar voor dat het uit de atmosfeer verdwijnt, en voor een CH4molecuul gemiddeld twaalf jaar. Dat betekent dat alles wat we nu met de atmosfeer doen, nog tenminste honderd jaar merkbaar zal zijn. Zelfs als we nu stoppen met de productie van kooldioxide, duurt het nog honderd jaar voordat de concentratie kooldioxide in de atmosfeer omlaag gaat. Het is dus alsof we met z’n allen een grootschalig wetenschappelijk experiment met de aarde aan het doen zijn, terwijl we zelf in de testopstelling zitten…
Directe metingen
IJskerndata
Voorspellingen
1000
Figuur 14. Toename van de CO2-concentratie in de afgelopen 1.200 jaar. Rond het jaar 1800 begon de concentratie duidelijk fors toe te nemen, wat word toegeschreven aan veranderend bodemgebruik en de enorme toename van het gebruik van fossiele brandstoffen. De concentratie wordt uitgedrukt in ‘parts per million’ (ppm).
CO2-concentratie (ppm)
900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 1000
1200
1400
1600
Jaar (A.D.)
46
1800
2000
2100
In de jaren negentig van de vorige eeuw begonnen wetenschappers over de hele wereld te waarschuwen voor de gevaarlijke effecten van de uitstoot van broeikasgassen. Volgens verschillende studies uitgevoerd in diverse landen, zorgt de snelle toename van broeikasgassen in de atmosfeer voor een kleine, maar gestage toename van de temperatuur op aarde. Om het probleem te bespreken werden er speciale internationale commissies en panels opgericht, die tot de conclusie kwamen dat er dringend maatregelen genomen moesten worden tegen de bedreiging van het versterkte broeikaseffect. Het belangrijkste panel is het Intergovernmental Panel for Climate Change (IPCC), waarin een paar honderd experts uit honderd verschillende landen samenwerken. Sinds de jaren ’90 zijn er verschillende initiatieven ontwikkeld om de voorspelde gevolgen – zoals een toename
In de afgelopen 150 jaar hebben we veel fossiele brandstoffen verbrand, en daarmee grote hoeveelheden kooldioxide in de atmosfeer gepompt. De productie en het gebruik van energie veroorzaken tweederde van alle broeikasgassen die door de mens worden gemaakt. Zoals je kunt zien in figuur 14, is de concentratie kooldioxide in de atmosfeer 1800 met 35% toegenomen. Ook daarvoor fluctueerde de concentratie, maar nog nooit zo snel als nu. Als een verandering zich over duizenden jaren uitstrekt, heeft het ecosysteem tijd genoeg om zich aan te passen. Maar aan de snelle verandering die nu optreedt, kan het ecosysteem zich misschien helemaal niet aanpassen, zodat het gevaar bestaat dat veel dieren en planten uitsterven.
van de gemiddelde temperatuur, stijging van de zeespiegel, veranderingen in neerslagpatronen, enzovoorts – te voorkomen. Eén van de belangrijkste initiatieven werd ontwikkeld door de Verenigde Naties, de internationale organisatie die als doel heeft de vrede, veiligheid en vriendschappelijke relaties tussen landen te bewaken, en internationale economische, sociale, humanitaire en milieuproblemen op te lossen. Tijdens een internationale milieuconferentie die werd gehouden in Rio de Janeiro (Brazilië) in mei 1992, stelden de regeringen van bijna alle landen ter wereld een document op met de titel “United Nations Framework Convention on Climate Change” (UNFCCC). Daarin spraken ze af om informatie over broeikasgasemissies te verzamelen en onderling te delen, en om nationale strategieën te bedenken om de uitstoot te beperken. In het document wordt het doel zo geformuleerd: “de concentratie broei-
kasgassen in de atmosfeer te stabiliseren op een niveau dat een gevaarlijke, door de mens veroorzaakte verstoring van het klimaatsysteem zal voorkomen”. Na de conferentie werd de conventie door 193 landen ondertekend en is nu van kracht, wat wil zeggen dat de landen die hebben ondertekend verplicht zijn zich aan de doelstelling van het verdrag te houden. Toen ze de conventie ondertekenden wisten de deelnemende regeringen dat het niet voldoende zou zijn om een echt effect te hebben op klimaatverandering. Tijdens een internationale milieuconferentie van de Verenigde Naties in Kyoto (Japan, in 1997), spraken daarom een aantal grote ge-
Een stijging van de gemiddelde temperatuur op aarde zal leiden tot een hoger zeeniveau.
© European Community, 2005
Het Kyoto-protocol
47
© NASA Goddard Space Flight Center
industrialiseerde landen met elkaar af om de uitstoot van broeikasgassen echt te beperken. Na langdurige en moeizame onderhandelingen over hoe veel, waar, en wanneer de uitstoot verminderd zou moeten worden, en wie er voor zou gaan betalen, werd er een verdrag ondertekend. Het doel van het verdrag was dat de uitstoot van CO2 in de ontwikkelde landen tussen 2008 en 2012 5,2% lager moet zijn dan het niveau in 1992. Voor de Europese Unie geldt zelfs een reductie van 8%. Zich ontwikkelende landen als China en India hoeven nog niks te reduceren. Dit verdrag heet het Kyoto-protocol. De afspraken van het Kyoto-protocol zijn echter pas verplicht in álle landen als voldoende landen het verdrag hebben ondertekend (de ratificatie van het protocol). Het verdrag wordt van kracht als het is ondertekend
48
door landen die in 1990 gezamenlijk 55% van de totale uitstoot van broeikasgassen in de ontwikkelde landen produceerden. Het probleem is dat de VS heeft verklaard het verdrag niet te zullen tekenen, terwijl de VS alleen al 36% van de broeikasgassen in de ontwikkelde landen produceert. Rusland had lang het zelfde standpunt, maar in november 2004 veranderden ze van gedachten en ondertekenden het protocol. Na acht jaar wachten is het Kyoto-protocol in februari 2005 eindelijk van kracht geworden. Op dit moment denken veel landen erover na hoe ze de reductie kunnen realiseren, en welke methodes het meest praktisch zijn. Moeten we energie efficiënter gebruiken, of moeten we meer elektriciteit maken met behulp van duurzame bronnen, zoals zonnepanelen? Moeten we meer kerncentrales bouwen, omdat die geen broeikasgassen uitstoten? En moeten we investeren in windmolens of in kernfusie-onderzoek? Of moeten we misschien alles doen wat we kunnen bedenken, omdat het probleem dat op ons afkomt zo groot is?
Wat is het gevolg van al die extra CO2? In de vorige eeuw is de gemiddelde temperatuur 0,6 graden gestegen. De tien warmste jaren sinds men in de 19e eeuw temperaturen begon bij te houden hebben zich allemaal na 1990 voorgedaan. Over de hele wereld zijn gletsjers geslonken, en is de hoeveelheid regen en bewolking toegenomen. Men verwacht dat de gemiddelde luchttemperatuur deze eeuw 1,4 tot 5,8 graden Celsius zal stijgen, en dat het zeeniveau 9 tot 88 centimeter kan stijgen, afhankelijk van het toekomstscenario. Ter vergelijking: het temperatuurverschil tussen de laatste ijstijd, duizenden jaren geleden, en het huidige klimaat, is slechts 6 graden Celsius. In eerste instantie lijkt het misschien of paar graden warmer of kouder niet zo veel uitmaakt, maar dat doet het wel degelijk. Ten eerste zorgt een temperatuurstijging van een paar graden al voor een stijging van het gemiddelde zeeniveau, waardoor in veel kustgebieden problemen ontstaan. Ten tweede stijgen temperaturen landinwaarts veel sterker dan het gemiddelde, en zullen vooral extreme weerssituaties – droogtes, orkanen, overstromingen – in het algemeen veel vaker voorkomen. Wetenschappers verwachten dat het CO2niveau deze eeuw in het gunstigste geval twee keer zo hoog zal worden als het niveau van voor 1860, en in het meest ongunstige geval vier keer zo hoog. Als het CO2-niveau vier keer zo hoog wordt als in het voor-industriële tijdperk, zal de wereld er totaal anders uitzien. De zeespiegel kan met een meter stijgen, temperaturen kunnen lokaal vijftien tot twintig graden toenemen, en de gemiddelde temperatuur zes graden. Er zijn genoeg goedkope fossiele brandstoffen om dat scenario mogelijk te maken. Wat kunnen we er aan doen? De enige manier om de schadelijke effecten van extra
CO2 tegen te gaan is te stoppen met de productie ervan. Dat betekent: stoppen met het gebruik van fossiele brandstoffen, of de kooldioxide die vrijkomt bij de verbranding van fossiele brandstoffen op een veilige manier opslaan. Uiteraard is dat op dit moment geen optie. Maar zelfs als we het CO2-niveau willen stabiliseren op twee maal het voor-industriële niveau, moeten we de huidige CO2-productie met onmiddellijke ingang tot éénderde terugbrengen. Maar in plaats daarvan neemt de CO2productie nog elk jaar toe.
Mogelijke energiebronnen en het broeikaseffect Niet alle energiebronnen produceren broeikasgassen. Zonnepanelen, windenergie en waterkracht zijn alledrie voorbeelden van energiebronnen die elektriciteit produceren, maar geen CO2. Maar zelfs dat is niet helemaal waar. Om de materialen voor wind- en zonne-energie te maken, is energie nodig. Die wordt voornamelijk geleverd door fossiele brandstoffen.
En op plaatsen waar waterkrachtdammen worden gebouwd, produceren de rottende planten methaan: een zeer krachtig broeikasgas. Kunnen we al onze energie opwekken zonder broeikasgassen te produceren? Ja, maar dan moeten we wel heel hard aan de slag. Wind- en zonne-energie spelen nu nog een zeer kleine rol, en het zal nog tientallen jaren en een heleboel onderzoek en geld kosten voordat deze bronnen een substantiële hoeveelheid energie produceren. Nieuwe, veilige types kernsplijtingscentrales kunnen op termijn ook een deel van de oplossing vormen. De techniek om CO2 terug te stoppen in de grond heeft een groot potentieel, maar verkeert nog in een experimenteel stadium. Het zal nog zeker tientallen jaren duren voordat kernfusie een redelijk deel van de energieproductie kan beginnen te leveren. Als we de klimaatproblemen serieus nemen, moeten we alle schone energiebronnen die we kunnen bedenken ontwikkelen. En wel zo snel mogelijk.
Eén van de gevolgenden van klimaatverandering is het vaker voorkomen van extreme weersomstandigheden zoals stormen, droogtes en overstromingen.
49
6 De toekomst van onze energievoorziening
We leven in een wereld die nog maar net is begonnen met het gebruiken van energie. De toename van de wereldbevolking – van zes miljard nu naar 9 miljard in 2050 – gecombineerd met de enorme economische ontwikkeling van landen als China en India, zorgt voor een snelle toename van onze energiebehoefte. In de komende 50 jaar zal
Ons toekomstige energiesysteem wordt bepaald door de beslissingen die we vandaag nemen.
de mensheid evenveel energie gebruiken als gedurende haar gehele geschiedenis. Figuur 15 toont de ontwikkeling van de wereldwijde energiebehoefte in verschillende regio’s. Omdat de uitstoot van CO2 ons milieu bedreigt, moet de wereld een enorme omslag maken naar schonere bronnen van energie. Nieuwe oplossingen zijn nodig, zowel om aan de stijgende vraag te kunnen voldoen, als om de problemen van ons huidige energiesysteem op te lossen.
50
Huidige problemen De verwachting is dat over 50 jaar het wereldenergieverbruik zeker twee keer zo hoog zal zijn als nu het geval is. Deze groei leidt tot minstens vier serieuze problemen. Ten eerste zullen gemakkelijk verkrijgbare en goedkope fossiele brandstoffen langzaam opraken. Hoewel er nog genoeg kolen zijn voor tweehonderd jaar, is de natuur niet zo gul geweest met olie en gas. Voorspellingen door verschillende wetenschappelijke instituten gaan er van uit dat de piek van de wereld-olieproductie – het moment waarna de olieproductie wereldwijd terug begint te lopen – over 5 tot 20 jaar te verwachten is. Voor gas komt die piek ongeveer twintig jaar na die van olie. Een tweede probleem is dat olie- en gasreserves niet gelijkmatig over de aarde zijn verdeeld: 80% van de reserves bevinden zich in het Midden Oosten en de voormalige SovjetUnie. Dus als we afhankelijk blijven van fossiele brandstoffen, worden we steeds sterker afhankelijk van deze landen. Op dit moment importeert de Europese Unie 50% van haar energie, vooral in de vorm van gas, olie en kolen. De verwachting is dat als er geen maatregelen worden genomen, Europa over twintig tot dertig jaar 70% van haar energie moet importeren. Om die reden onderzoeken veel landen mogelijkheden om minder afhankelijk te worden van andere landen, zoals windenergie en kernsplijting. Het derde probleem is de milieuschade. Eén van de fossiele brandstoffen die ruimschoots voorradig is, is steenkool. Maar de verbranding van deze grondstof
van de huidige generatie, zonder toekomstige generaties te beperken in hun mogelijkheden om aan hun behoeftes te voldoen”. Met andere woorden, we zouden niet meer dan een eerlijk deel van de energievoorraad op moeten maken, en we zouden de toekomstige generaties de mogelijkheid moeten bieden om aan hun behoeften te voldoen, bijvoorbeeld door hen zo veel mogelijk Tenslotte het probleem van de energie- duurzame energiebronnen na te laten. armoede. Momenteel zijn ongeveer 1.6 miljard mensen nog steeds afhankelijk Wat betekent deze doelstelling van duurzavan brandhout voor verwarming en om me ontwikkeling voor de energieproductie? op te koken. Hun gebrekkige toegang tot We willen energie produceren en gebruimoderne vormen van energie vormt een ken op een manier die de menselijke ontsterke belemmering voor hun ontwikke- wikkeling op lange termijn ondersteunt, ling. De sterk gestegen olieprijs is ook een inclusief alle sociale, economische en mibelemmering: rijke landen kunnen dure lieuaspecten. Dat noemen we duurzame energie. Deze term verwijst naar de proolie betalen, maar arme landen niet. ductie en het gebruik van energiebronnen Het doel van duurzame energie op een manier die het welzijn van mens en Welk doel moeten we nastreven voor ons dier op de lange termijn respecteert. energiesysteem? Hoe willen we over bijvoorbeeld honderd jaar onze energie op- Om dit doel op termijn te bereiken, hebwekken? In een ideale wereld willen we ben we duurzame energiebronnen nodig. graag duurzame ontwikkeling. Toen die Daaronder wordt meestal verstaan: enerterm voor het eerst werd geïntroduceerd giebronnen die nooit opraken omdat ze (in het Brundtland rapport, dat werd ge- hun energie steeds weer aanvullen. Dat publiceerd in 1987), werd duurzaamheid zijn bijvoorbeeld wind, waterkracht, gedefinieerd als: ”voldoen aan de behoeften zonne-energie, en biomassa. Maar ook veroorzaakt veel vervuiling. Als grote landen als China en India afhankelijk blijven van steenkool, zal het lokale milieu veel te verduren krijgen, wat in feite nu al het geval is. Bovendien blijft CO2 niet binnen de landsgrenzen: vanwege het broeikaseffect is CO2 die waar ook ter wereld wordt geproduceerd, ook ons probleem.
Figuur 15. Het totale primaire energiegebruik in verschillende regio’s in de wereld, in Mtoe per jaar. De grafiek laat het energiegebruik in drie verschillende jaren zien: 1973, 2002, en de voorspellingen voor 2030. (bron: World Energy Outlook 2004, IEA).
2002
3565
2030 3316
1973 2540
Jaar 2048 1692 1096
1026
223 Latijns-Amerika
1211 587
540
450
1784
1735
211 Afrika
Europese Unie
VS + Canada
China + India
51
kernfusie kan onder de duurzame bronnen gerekend worden: hoewel kernfusie brandstof verbruikt, is er zoveel van op aarde beschikbaar dat het praktisch gezien onuitputtelijk is. Uiteraard zijn we op dit moment nog ver van een duurzame wereld verwijderd. Volgens de International Energy Agency kwam in 2002 slechts 14% van onze energie, en 18% van onze elektriciteit, uit duurzame bronnen. De meeste duurzame energie komt nu uit waterkracht en de verbranding van afval en biomassa. Hoewel de hoeveelheid energie die op een duurzame manier wordt opgewekt stijgt, groeit de wereldwijde vraag naar energie nog veel harder.
Duurzame energiebronnen Waarom gebruiken we dan niet nu al meer duurzame energie? Daarvoor zijn verschillende redenen. Op de eerste plaats begint de wereld zich pas sinds kort te realiseren hoe groot het energieprobleem is, en wat de risico’s van klimaatverandering zijn. Een gevoel van urgentie heeft tot nu toe ontbroken. Op het moment groeien energiebronnen zoals wind, zon en biomassa zeer snel, omdat veel regeringen zijn begonnen het gebruik van deze bronnen actief te stimuleren.
© www.freeimages.co.uk
Het gebruik van efficiëntere lichtbronnen bespaart energie.
52
De tweede reden is dat technologieën voor duurzame energie nog steeds duurder zijn dan het gebruik van fossiele brandstoffen, ondanks vele jaren van onderzoek en ontwikkeling. Natuurlijk is het ook erg moeilijk om te concurreren met een brandstof die je bij wijze van spreken zo van de grond kunt oprapen. We zullen er aan moeten wennen dat we langzamerhand méér moeten gaan betalen voor onze energievoorziening. Fossiele brandstoffen hebben overigens wel ‘verborgen’ kosten, zoals de toekomstige kosten van de gevolgen van het broeikaseffect, en de medische kosten van ziektes veroorzaakt door luchtvervuiling. Als je al deze kosten in rekening brengt, verandert het beeld misschien wel in het voordeel van de duurzame energiebronnen. De derde reden is dat vooral wind- en zonne-energie fluctuerende energiebronnen zijn. Dat betekent dat ze niet op afroep energie kunnen leveren. Je hebt dus altijd een bepaald back-up vermogen nodig, zoals een gascentrale, of een manier om de opgewekte energie op te slaan voor tijden waarop er geen zon of wind is. Dit verhoogt de kosten van fluctuerende energiebronnen. Bovendien zijn wind- en zonneenergie (en geothermische bronnen) niet gelijkmatig over de aarde verdeeld. Ten slotte heb je voor duurzame bronnen als wind, zon en biomassa een groot landoppervlak nodig. Stel dat je in NoordAfrika, waar de zonne-instraling 250 W per vierkante meter is, een stuk land bedekt met zonnecellen met een rendement van 14%. Dan heb je 30 tot 40 vierkante kilometer land nodig om evenveel energie op te wekken als een 1.000 MW elektriciteitscentrale, als je rekening houdt met de schuine inval van het zonlicht. Hoewel dat zeker mogelijk is, is het goed niet te onderschatten hoeveel ruimte je nodig hebt om op grote schaal duurzame energie op te wekken. Een ander voorbeeld: om 1.000 MW elektriciteit op te wekken met biomassa heb je 2.000 vierkante kilometer goede
landbouwgrond nodig om energiegewassen op te laten groeien. De productie van kunstmest kost veel energie, zodat het gebruik van kunstmest zo laag mogelijk moet worden gehouden, wat de productie kan verminderen.
Hoe kies je een energiebron?
© Warren Gretz (PIX DOE/NREL)
Welke energiebron voor een bepaalde situatie en een bepaalde locatie het meest geschikt is, hangt af van veel verschillende
worden uitgedrukt in euro’s per MW vermogen. Maar er zijn ook andere kosten: een centrale heeft brandstof nodig, personeel, en aan het eind van zijn levensduur moet hij worden afgebroken. Als je al deze kosten bij elkaar optelt, en dat getal deelt door het totale aantal kilowattuur dat de centrale in zijn leven produceert, krijg je de prijs per kilowattuur, ofwel de productiekosten. Voor een kolencentrale is dat ongeveer
Onderzoek naar energie uit zonlicht.
factoren. Sommige energiebronnen, zoals steenkool, zijn wel goedkoop, maar als je geen kolenmijnen hebt ben je afhankelijk van andere landen. Bovendien komen er broeikasgassen bij vrij. Bronnen zoals zonne-energie zijn over de hele wereld beschikbaar (voor verschillende prijzen, afhankelijk van het klimaat), maar ze zijn nog steeds erg duur, en nemen veel ruimte in beslag. Laten we eens kijken welke factoren de keuze van een energiebron bepalen. Op de eerste plaats: wat kost de energie? De zogenaamde kapitale kosten zijn de kosten die nodig zijn om de energiebron te bouwen: de constructie van een elektriciteitscentrale, het kopen van zonnepanelen, enzovoort. Die kosten
3 eurocent per kilowattuur. Het bedrag dat de consument betaalt – ongeveer 13 eurocent per kWh – is veel hoger omdat daarin ook de kosten voor het distributienetwerk en belastingen zitten. Naast de kosten zijn er nog andere factoren, zoals de benodigde capaciteit. Als je maar één kilowatt vermogen nodig hebt, heb je veel keuzemogelijkheden, zoals een kleine windmolen, zonnecellen, of een dieselgenerator. Maar als je 1.000 megawatt nodig hebt, bijvoorbeeld voor een hele stad, dan moet je denken aan elektriciteitscentrales die gestookt worden met steenkool of aardgas, of misschien een kerncentrale. 53
nesnem nav eitacoler kaav mad rethca edahcsueilim raabkihcseb larevo tein
raabkihcseb larevo tein ruud gon leetnemom gidon kalvreppodnal leev
raabkihcseb larevo tein gidon galspoeigrene gidon kalvreppodnal leev
ruutluconom ocisir gidon kalvreppodnal leev
nedehnee etorg netsok elatipak egoh raabkihcseb tein gon
fotsdnarb epokdeog lavfa tcapmoc nessagsakieorb neeg
nessagsakieorb giniew maazruud mad wuob an pookdeog
dreeubirtsideg kjilegom tezni egilahcstoorg maazruud
nessagsakieorb neeg dreeubirtsideg maazruud
nessagsakieorb neeg maazruud
lavfa dnevel-trok neella fotsdnarb egideolvrevo nessagsakieorb neeg
C
C
C
D
D
D
C
gooh
gooh
dleddimeg
neeg
neeg
neeg
dleddimeg
neeg
een
een
een
een
aj
aj
een
een
WG1 - WM1
WG1 - WM1
WG1 - WM052
WG02 - WM01
WM01 - W01
WM001 - W001
WM051 - Wk1
WG2 - WG1
30,0
30,0
50,0
50,0
06,0
70,0
40,0
70,0
001.1 - 008
006 - 003
005.1 000.1
004.1
000.6 000.4
002.1 - 007
007.1 003.1
000.6
neloK
saG
gnitjilpsnreK
)toorg( thcarkretaW
Tabel 10. Enkele eigenschappen van verschillende energiebronnen.(bronnen: : Energy Information Administration, SAGE project, NEMS). 1) De vermelde kapitale kosten gelden voor de piekbelasting. Als de capaciteitsfactor in rekening wordt gebracht, wordt windenergie drie tot vier keer zo duur, en zonne-energie ongeveer tien keer. 2) De kapitale kosten voor kernfusie zijn schattingen voor het jaar 2050, wanneer verwacht wordt dat fusie commercieel beschikbaar komt. ocisireitarefilorp lavfa feitcaoidar dnevel-gnal netsok elatipak egoh
noohcs feitaler nedarroov etorg neretropsnart et kjilekkameg
C
000.1
dniW
1
norbeigrenE
eilO
VP noZ
1
assamoiB
2
eisufnreK
nedarroov egidnie gnirednarevtaamilk tkaazroorev
nenniw et kjilekkameg pookdeog nedarroov etorg
52,0
gniliuvrevthcul meetsystropsnart ruud neger eruz ,gnirednarevtaamilk
WM01 - Wk1
)Wk rep oruE( netsok elatipaK
een
negomreV
)hWk rep oruE( netsok -eitcudorP
gooh
?dner -eutculF
edieb
neretropsnart et kjilekkameg meetsyseitubirtsid deog duohni-eigrene egoh
neledrooV
nedarroov egidnie negninnaps ekeitilop tkaazroorev gnirednarevtaamilk tkaazroorev
neledaN
?)D( drees ?nednal -ilartnecedeg eredna nav fo )C( drees diehkjileknahfA -ilartneceG
54
Ook het grondgebruik is soms belangrijk. Als je besluit om energie uit biomassa te maken, heb je een groot stuk landbouwgrond nodig om de gewassen te telen. Met een groeiende wereldbevolking die gevoed moet worden, is dat steeds moeilijker te vinden. Dat geldt ook voor het bouwen van windmolens in dichtbevolkte landen, hoewel voor windmolens op zee veel plaats is. Zoals bij elke technologie is ook veiligheid een belangrijk aspect. Als een stuwdam doorbreekt, of er gebeurt een ongeluk in een kerncentrale, dan moet een groot aantal mensen onmiddellijk geëvacueerd worden. En je wilt ook niet naast een windmolen staan op het moment dat die één van zijn bladen verliest. Veel mensen komen om in kolenmijnen, door stof-
explosies in elektriciteitscentrales of bij ongelukken tijdens het boren naar olie. Hoewel ‘veilige energie’ niet bestaat (dat is hetzelfde als vragen om benzine die niet kan branden), zijn sommige energiebronnen wel gevaarlijker dan andere. Duurzame energiebronnen als wind en zonne-energie leveren fluctuerende energie. Bij een groot aandeel fluctuerende energiebronnen is een vorm van back-up vermogen nodig, of opslag van energie. Sommige energiebronnen, zoals kolen- en kerncentrales, lenen zich het beste voor gecentraliseerde energieopwekking, waarbij het vermogen met een distributienetwerk naar de consument wordt gebracht. Andere bronnen zijn meer geschikt voor gedecentraliseerde opwekking: opwekking op de plek waar
© ITER
En dan zijn er ook nog de milieufactoren, zoals het broeikaseffect. Je kunt ervoor kiezen om elektriciteit CO2-vrij op te wekken, bijvoorbeeld door duurzame energie of kernenergie te gebruiken, of om de CO2 op te slaan onder de grond, of met schone brandstoffen. De uitstoot van broeikasgassen is dus een ook belangrijke factor.
Spaarlampen gebruiken vijf keer zo weinig energie als gewone gloeilampen.
© Damon Hart-Davis / DHD photo gallery
Het volgende grootschalige fusie-experiment, ITER, wordt in Zuid-Frankrijk gebouwd, en zal rond 2015 klaar zijn. De olifant rechtsonder in het plaatje laat de afmeting zien.
55
de energie wordt gebruikt. Dus het is be- bedrijven en onderzoekslangrijk of een energiebron gecentraliseerd of instituten hebben andere meningen. gedecentraliseerd is. Ten slotte maakt het nog uit of er brandstof, zoals olie, geïmporteerd moet worden. In dat geval kan een land sterk afhankelijk worden van andere landen, wat onwenselijk kan zijn. Dus ook de afhankelijkheid van andere landen is een aspect in de keuze van energiebronnen. In tabel 11 worden alle energiebronnen met elkaar vergeleken aan de hand van een aantal van de genoemde factoren. Het is duidelijk dat welke energiebron in een gegeven situatie geschikt is, sterk afhankelijk is van behoeftes en voorkeuren.
De toekomstige energiemix Onderzoekers bestuderen de toekomst van ons energiesysteem aan de hand van energiescenario’s. Elk scenario kun je zien als één specifieke schets van hoe de toekomst eruit zou kunnen zien. In figuur 15 zie je een voorbeeld van zo’n scenario, opgesteld door de IIASA, samen met de World Energy Council (WEC). Dit is natuurlijk maar één mogelijk scenario: andere organisaties,
Figuur 16. Energiescenario voor de wereldwijde consumptie van primaire energie tot het jaar 2100. (bron: World Energy Council en IIASA, 1998, middelste scenario)
2002
De IIASA/WEC studie is gepubliceerd in 1998, en bevat zes verschillende scenario’s, elk met verschillende aanna2030 mes op het gebied van technische en economische ontwikkeling, en maatregelen om het milieu te beschermen. Het scenario waar we hier naar Kolen (72,4 kijken is het ‘middelste’ scenario, dat uitgaat van gemiddelde technologische ontwikkelingen en economische groei. Wat dit scenario een beetje moeilijk te interpreteren maakt, is dat verschillende energiebronnen onder één noemer worden gepresenteerd, zoals windenergie, geothermische energie en afval onder het kopje
Primair energieverbruik (Mtoe per jaar)
40000 35000
Anders
30000
Zon Biomassa (niet-commercieel) Biomassa (commercieel) Waterkracht
25000 20000
Kernenergie 15000
Gas Olie
10000
Kolen
5000 0 1990
56
2000
2010
2020
2030
2040
2050
Jaar
2060
2070
2080
2090
2100
‘overig’. Ook vallen kernsplijting en kernfusie samen onder het kopje ‘kernenergie’.
Olie (0,9%) Gas (5,6%) Kernsplijting (5,0%)
Energie uit kernfusie wordt meestal niet meegenomen in energiescenario’s tot 2050, omdat fusie naar verwachting pas rond 2040-2050 commercieel beschikbaar zal zijn. Na die tijd kan fusie-energie een belangrijke bijdrage gaan leveren aan de productie van energie en het terugdringen van de uitstoot van broeikasgassen.
Uit figuur 16 blijkt dat dit scenario uitgaat van een grote toename in het Waterkracht (13,2%) gebruik van kolen, gas, kernenergie, en biomassa. Bovendien leveren zonneenergie en de ‘overige’ duurzame bronnen aan het eind van deze eeuw 16% van de Biomassa en afval (1,5%) wereld-energiebehoefte. Wat betreft de Andere duurzame bronnen (1,3%) %) elektriciteitsproductie verwacht dit scenario een grote toename van duurzame energie en kernenergie. Figure 17. De voorspelde groei van het Chinese elektriciteitsverbruik over de komende 25 jaar. Het huidige gebruik (1675 TWh in 2002), zal waarschijnlijk groeien tot 5573 TWh in het jaar 2030. De groei zal voornamelijk worden gerealiseerd met kolencentrales. (bron World Energy Outlook 2004, IEA).
Natuurlijk is dit slechts één mogelijke scenario, en in werkelijkheid kan het er wel eens heel anders gaan uitzien. Het is heel moeilijk om 50 jaar vooruit te kijken, laat staan 100 jaar. Maar wat we wél weten is dat veranderingen van het energiesysteem heel langzaam gaan. Als er een nieuwe energiebron wordt uitgevonden, duurt het minstens vijftig jaar voordat de bron een substantieel aandeel van de energiemix levert. Fabrieken en centrales moeten worden gebouwd, onderzoek moet worden gedaan, en mensen moeten worden opgeleid.
Volle kracht vooruit Stel dat we in het jaar 2050 tien procent van het wereldwijde energiegebruik door windturbines willen laten opwekken. Laten we aannemen dat de energiebehoefte tegen die tijd is verdubbeld tot 22.000 Mtoe per jaar, wat gelijk is aan 920 EJ (1 EJ=1018 joule). Een windturbine van 3 MW met een capaciteitsfactor van 33% produceert 3.1 ·1013 J per jaar. Dus als we met wind 92 EJ per jaar willen opwekken (10% van de wereldbehoefte), dan hebben we in 2050 bijna 3 miljoen windmolens nodig, wat betekend dat we vanaf nu zeven windturbines per uur moeten bouwen tot aan 2050. En dat is om slechts 10% van de wereldenergiebehoefte te dekken. Dit voorbeeld laat zien dat we alle schone energiebronnen moeten ontwikkelen, en dat er niet één energiebron in zijn eentje het energieprobleem kan oplossen.
Of ons energiesysteem duurzaam wordt of niet, hangt af van de hoeveelheid geld die we willen besteden aan schone energiebronnen.
57
te maken van nieuwe meetmethoden en geavanceerde computermodellen. Ze proberen ook meer olie en gas te halen uit bestaande bronnen, door technieken zoals het injecteren van stoom of CO2. Een andere veld van actief onderzoek is CO2-opslag: om de uitstoot naar de atmosfeer tegen te gaan kan CO2, afkomstig van het verbranden van fossiele brandstoffen, worden opgeslagen in oude gasvelden of waterhoudende lagen. Kolenbedrijven proberen methaan (het belangrijkste bestanddeel van aardgas) te winnen uit ondergrondse kolenlagen, of zelfs onder de grond kolen in gas om te zetten.
Om de snelheid waarmee de energiebehoefte groeit te illustreren, laat figuur 17 de verwachte toename van het Chinese elektriciteitsgebruik zien voor de komende 25 jaar. Chinese energieplanners denken dat het grootste gedeelte van deze groei gerealiseerd zal worden met kolencentrales.
Energie-onderzoek In de toekomst zullen we alle mogelijke en beschikbare energiebronnen zeer hard nodig hebben. Op dit moment wordt dan ook veel wetenschappelijk onderzoek gedaan met als doel nieuwe energiebronnen te ontwikkelen, de bestaande bronnen te verbeteren, en ons energieverbruik efficiënter te maken. Bedrijven in rijke landen besteden veel geld aan het verbeteren van bestaande commerciële energietechnologie. Publieke organisaties zoals universiteiten en onderzoeksinstituten proberen energietechnologieën te ontwikkelen die nog geen geld opleveren.
De bedrijven die ruwe olie bewerken tot brandstoffen als benzine en kerosine, proberen de hoeveelheid zwavel en andere schadelijke stoffen in hun producten te verminderen. Bedrijven die elektriciteitscentrales bouwen proberen de efficiëntie te verbeteren, en vervuiling te verminderen. Veel bedrijven en publieke organisaties zoals universiteiten ontwikkelen nieuwe technologie om duurzame energie, zoals
Olie- en gasproducenten proberen nieuwe voorraden aan te boren door gebruik
© Shell Hydrogen - www.shell.com/hydrogen
Een bus in Amsterdam die rijdt op waterstof. De bus maakt gebruik van brandstofcellen en een elektromotor.
58
wind en zon, op steeds goedkopere en efficiëntere manier te kunnen gebruiken. In de sector van de eindgebruikers loopt het onderzoek nog sterker uiteen. De meeste energieverbruikende apparaten, van koelkasten, gloeilampen, auto’s en motoren, tot industriële ovens en boilers, worden steeds efficiënter. De lijst van projecten voor onderzoek en ontwikkeling die de laatste jaren zijn uitgevoerd op het gebied van energietechnologie is lang, en er zijn veel goede resultaten geboekt.
waterstof. Van al deze stoffen biedt waterstof de meeste voordelen. Waterstof kan worden gemaakt uit een groot aantal primaire energiebronnen, zoals aardgas, steenkool, olie, biomassa, zonlicht, wind, kernsplijting en kernfusie. Het kan op de plek waar het nodig is op een efficiënte manier worden verbrand of worden omgezet in elektriciteit, waarbij alleen water vrijkomt. Als waterstof wordt gemaakt met behulp van duurzame energiebronnen, kernenergie of kernfusie, of met fossiele brandstoffen waarvan de CO2 wordt opgeslagen, komen er geen vervuilende stoffen of broeikasgassen bij vrij.
Een aantal energiebronnen die in hoofdstuk 4 aan de orde kwamen worden nog steeds actief onderzocht. Zo is er een wereldwijd onderzoeksprogramma om energie uit kernfusie te ontwikkelen, wat al veel resultaten heeft opgeleverd. De onderzoekers verwachten dat fusie-energie rond 2040 commercieel beschikbaar zal komen.
In het ideale geval zouden we voor alle toepassingen elektriciteit willen gebruiken, omdat het gemakkelijk te transporteren is en schoon in het gebruik. We hebben echter al gezien dat elektriciteit een aantal nadelen heeft, met name het feit dat je het moeilijk op kunt slaan. Daarom gebruiken we meestal fossiele brandstoffen zoals benzine voor transport: benzine is gemakkelijk op te slaan, en bevat een grote hoeveelheid energie in een klein volume. Voor de toekomst zouden we dus graag een stof willen hebben die je gemakkelijk kunt opslaan en transporteren, die veel energie bevat, geen vervuiling veroorzaakt, geen CO2 produceert, en die, zodra we dat willen, op een efficiënte manier kan worden omgezet in bijvoorbeeld elektriciteit. Kortom: we willen een efficiënte en schone energiedrager. Voor dit doel zijn in het verleden verschillende brandstoffen voorgesteld zoals methanol, ethanol, speciale kunstmatige vloeistoffen als dimethyl-ether (gemaakt van aardgas of steenkool), gecomprimeerd aardgas, en
© Fraunhofer ISE
Waterstof: de energiedrager van de toekomst?
Een kleine brandstofcel als voedingsbron voor een laptop. In de dunne cilinder zit het waterstof.
Waterstof is dus beslist geen nieuwe energiebron: het is alleen een handige tussenvorm van energie. We hebben eerst energie nodig om water om te zetten in waterstof, bijvoorbeeld met behulp van elektrolyse of een chemische reactie. Om één kilo waterstof te maken, heb je ongeveer 50 kWh elektriciteit nodig. Het gebruik van waterstof als all-round energiedrager leid tot het idee van een waterstofeconomie. In een waterstofeconomie zijn waterstof en elektriciteit de belangrijkste energiedragers, en het hele energiesysteem is hieromheen georganiseerd. Het idee van een waterstofecono59
mie is al vaak onderzocht. De eerste onderzoeken werden gedaan in de jaren ‘50 en ‘60, toen waterstof werd beschouwd als aanvulling op een grootschalig energiesysteem gebaseerd op kernsplijting. Het waterstof zou gebruikt worden om de elektriciteit van kerncentrales buiten de piekuren op te slaan. Later werd het gebruik van waterstof onderzocht als opslagmedium voor de fluctuerende energie uit duurzame bronnen, of om een tweede energienetwerk te bouwen als aanvulling op het bestaande elektriciteitsnetwerk. Sinds kort bestaat het idee om waterstof te maken van fossiele brandstoffen, en het vrijkomende CO2 op te slaan in oude gasof olievelden, of in ondergrondse waterhoudende lagen.
Conclusie Alle grootschalige energiebronnen hebben hun voordelen en hun nadelen. Bij fossiele brandstoffen komen broeikasgassen en andere vervuilende stoffen vrij, nieuwe stuwdammen hebben grote invloed op het
Ondergaande zon boven een olieveld
milieu en lokale bevolking, biomassa heeft veel land nodig. Kerncentrales stoten geen vervuilende stoffen uit, maar produceren radioactief afval. Het gebruik van fossiele brandstoffen maakt een land vaak sterk afhankelijk van andere landen. Kennelijk kunnen we niet iets goeds hebben, zonder dat er ook iets slechts bij komt kijken. Het is daarom het beste om een gemengd energiesysteem te hebben, waarin alle mogelijke energiebronnen worden gebruikt. Op die manier blijven de risico’s en negatieve gevolgen van alle bronnen beperkt. Maar er zijn nog meer argumenten voor een gevarieerde energiemix. Mensen die in een grote stad wonen, hebben het meest aan gecentraliseerde energieopwekking in elektriciteitscentrales van 1000 MW of meer, gecombineerd met een sterk elektriciteitsnetwerk. Gebieden in het platteland hebben echter meer aan gedecentraliseerde energiebronnen die in kleine eenheden gebruikt kunnen worden, zoals wind- en zonne-energie. Het energiesysteem verandert slechts langzaam omdat het erg groot is. De beslissingen die we nu nemen over welke technologieën we moeten gaan ontwikkelen en ondersteunen, bepalen voor een groot deel hoe ons energiesysteem er over vijftig jaar en verder uit zal zien. We moeten ervoor zorgen dat de generaties die na ons komen de mogelijkheid hebben om hun energie op een schone, duurzame manier op te wekken. Omdat er nog zoveel onduidelijk is over de toekomst, lijkt het verstandig om in ieder geval alle denkbare energiebronnen te ontwikkelen, zodat ze beschikbaar zijn op het moment dat de wereld ze nodig heeft. Onderzoek naar duurzame energiebronnen, een veilige en schone manier om kernenergie te gebruiken, en de ontwikkeling van nieuwe bronnen als kernfusie zijn allemaal nodig om ons energiegebruik tot in de verre toekomst zeker te stellen. De toekomst van de energie begint vandaag.
60
Onze energiebronnen veranderen voortdurend. Achter de hoogspanningskabels van het elektriciteitsnetwerk ligt een hele wereld van exploratie, onderzoek en ontwikkeling. Elke dag zijn miljoenen mensen aan het werk om energiebronnen als steenkool, aardolie en aardgas te delven. En duizenden wetenschappers ontwikkelen nieuwe energiebronnen, die nodig zijn om de energie die we gebruiken schoner en duurzamer te maken.
“Energie, motor van jouw wereld” maakt deel uit van het educatieve programma van de European Fusion Development Agreement (EFDA). Extra gedrukte exemplaren (ook in het engels) kunnen worden verkregen via de website www.efda.org/education/energy.html, waar het complete boekje bovendien in elektronisch formaat beschikbaar is. In de loop van 2006 zullen duitse, franse, spaanse, en italiaanse vertalingen beschikbaar worden gemaakt op de zelfde website.
Dit boekje geeft een brede introductie in de wereld van de energie. Energie in ons dagelijks leven, de vele manieren waarop we het gebruiken, waar het vandaan komt, de invloed van ons energiegebruik op het milieu en onze gezondheid, en de manier waarop we in de toekomst aan onze energiebehoeften kunnen voldoen. Het boekje werd geschreven voor gebruik in middelbare scholen.
Het materiaal in dit boekje of delen daarvan mag worden gereproduceerd en gedistribueerd voor nietcommercieel educatief gebruik in scholen, mits de bron wordt vermeld. Alle moeite is gedaan om de rechtmatige eigenaren van fotografisch materiaal te vinden en bij de afbeeldingen te vermelden. Mochten we toch iets hebben gemist, dan horen we dat graag. We willen graag Federico Casci, Simon Kuyvenhoven, Chris Warrick, Jennifer Hay, Niek Lopes Cardozo, Vagn O. Jensen, Rosa Antidormi, GianCarlo Tosato, en alle anderen bedanken die met informatie of commentaar aan dit boekje hebben bijgedragen. Suggesties ter verbetering zijn van harte welkom.
Deze publicatie, die met financiële steun van de Europese Commissie tot stand is gekomen, is geproduceerd binnen het raamwerk van de European Fusion Development Agreement (EFDA). De EFDA-partners zijn de Europese Commissie en de partijen die aan het Europese fusieprogramma zijn geassocieerd. Het Europese fusieprogramma wordt gecoördineerd door de Commissie.
Omslagfoto: De aarde s’nachts. De afbeelding is samengesteld uit foto’s gemaakt door satellieten. Met dank aan C. Mayhew & R. Simmon (NASA/GSFC), NOAA/ NGDC, DMSP Digital Archive.
Energie, motor van jouw wereld. Copyright © 2005, FOM – Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen, te Nieuwegein Tekst en illustraties: Mark Tiele Westra (
[email protected]) Vertaling uit het engels: Saskia Maassen, Utrecht Grafisch ontwerp en lay-out: Karen Jens Druk: Weber Offset GmbH, München, Duitsland Geproduceerd met de financiële steun van de Europese Commissie.
Noch de Commissie, noch de Geassocieerde Partijen of iemand die voor hen optreed, kan verantwoordelijk worden gehouden voor schade die voortvloeit uit het gebruik van de informatie in deze publicatie. De meningen en opinies die naar voren worden gebracht komen niet noodzakelijkerwijs overeen met die van de Europese Commissie. Het copyright van tekst, afbeeldingen en lay-out ligt, indien anders vermeld, bij de EFDA-partners.
