Les 1 Landbouw, de groene motor Inleiding Binnen het thema ‘Landbouw, de groene motor’ maken we kennis met een aantal ‘groene energievormen’ – met de uitdagingen en beperkingen ervan – waarbij de landbouw centraal staat.
Rijden we straks allemaal op koolzaad, suikerriet, suikerbiet of graan? Het is allesbehalve een futuristische vraag en het lijdt weinig twijfel dat de agrarische sector een belangrijke rol gaat spelen in de energievoorziening van de Europese Unie. Tot ver in de 19e eeuw was hout de belangrijkste energiebron, aangevuld met energie geleverd door mensen, dieren, water en wind. Tot vandaag is de energiebehoefte steeds blijven stijgen en zijn we zeer afhankelijk van fossiele en nucleaire brandstoffen. Deze zijn echter maar beperkt voorradig. Terwijl de voorraad snel slinkt, neemt de vraag spectaculair toe. De wereldbevolking en het energiegebruik per hoofd stijgt. Bovendien zorgt de hieraan gekoppelde CO2-uitstoot voor een zware impact op het leefmilieu: hierbij denken we dan vooral aan het broeikaseffect veroorzaakt door o.a. CO2. Om deze wereldomvattende problemen niet tot onbeheersbare omvang te laten uitgroeien, moet er zeer dringend aan oplossingen worden gewerkt. Uitkijken naar alternatieve of nieuwe energiebronnen is dus de boodschap. In het Protocol van Kyoto is afgesproken dat de Europese Unie en haar lidstaten hun globale uitstoot van broeikasgassen tegen de periode 2008 tot 2012 met gemiddeld 8% moeten verminderen t.o.v. 1990. Eén van de belangrijkste uitdagingen hierbij is de ontwikkeling van duurzame energiebronnen. De Europese Unie stelde als doelstelling om tegen het jaar 2010 zo’n 12% van het totale energiegebruik uit hernieuwbare energiebronnen te halen. Biomassa wordt hierbij beschouwd als één van de meest interessante hernieuwbare energiebronnen van de toekomst. Het gebruik van brandstoffen afgeleid van de landbouw is de technologie met het grootste potentieel op korte en middenlange termijn.
1
Lessuggesties
1 Doelbewuster leren omgaan met energie – ook op school! Energie Zonder energie is verwarming, verlichting, telecommunicatie of transport niet denkbaar. Energie en milieu zijn nauw met elkaar verbonden, want een aantal belangrijke milieuproblemen vinden hun oorsprong in de productie, de omzetting, het transport en het gebruik van energie. Om de aarde leefbaar te houden is het belangrijk om de grondstoffen voor energie niet ongecontroleerd verder uit te putten. De productie en het gebruik van fossiele energie veroorzaakt bovendien een belangrijke milieubelasting, hoofdzakelijk onder de vorm van luchtverontreiniging. Zure regen heeft effecten op de water- en bodemkwaliteit. Het broeikaseffect betekent een bedreiging van de dampkringfuncties, met mogelijke klimaatswijzigingen tot gevolg. Het gebruik van kernenergie veroorzaakt vooral problemen van radioactief afval en veiligheid. Bewust en spaarzaam omspringen met energie is dus de boodschap. Anders belasten we de volgende generaties met een toenemende milieudruk en kan hun kachel niet meer branden. Energie verstandig gebruiken noemen we rationeel energiegebruik. Dit betekent zuinig verwarmen en verlichten en indien mogelijk duurzame energiebronnen (= energiebronnen die onuitputtelijk zijn, zoals zon-, wind- en waterenergie) gebruiken. Ook op school kunnen we een bijdrage leveren om duurzaam om te gaan met energie.
Suggestie Het Ministerie van de Vlaamse Gemeenschap, Departement Onderwijs geeft een brochure uit met 20 tips voor een energievriendelijke school. U kunt deze downloaden via http://www.ond.vlaanderen.be/publicaties/2005/reg.pdf. Raadpleeg ook de sites: http://www.milieuzorgopschool.be/mos/secundair > secundair > Drie themabundels secundair onderwijs > Energie http://mos-energie.blogspot.com/ Het MOS-stappenplan maakt het gemakkelijker om op een planmatige manier om te gaan met een meer rationeel energiegebruik op school.
2
Opdrachten Gebruik bovenstaande brochure en het MOS-stappenplan als basis voor een project ‘energiesparen op school’. Volgende punten kunnen hierbij verder worden uitgewerkt: 1 Bereken de vervoerskosten van de verschillende vervoersmiddelen naar school (wie komt met de wagen, fiets, trein…). 1 Neem dagelijks/maandelijks de gas-, elektriciteits- en/of watermeter op. Formuleer suggesties voor minder energieverbruik. Ontwerp een ‘groene’ elektriciteitscentrale. 1 Sensibiliseer de hele schoolbevolking om de lokalen goed te sluiten ’s avonds, om zuinig om te springen met verlichting en elektrische apparatuur. 1 Zorg voor een goed onderhoud en afstelling van de brander, gebruik spaarlampen en tijdschakelaars, installeer thermostatische kranen, controleer regelmatig buizen en radiatoren, voorzie de ramen van gordijnen, weer ongecontroleerde tocht… 1 Bezoek een windmolenpark, een elektriciteitscentrale, een huis dat gebouwd is volgens de principes van ‘duurzaam bouwen’ (zie ook schoolexcursie) 1 Bekijk en beslis in de klas welke thema’s nog verder kunnen worden uitgewerkt en welke maatregelen nog kunnen worden genomen.
3
2 Welke soorten energie bestaan er? Zonder energie zou een auto niet rijden, een trompet geen geluid maken en een kaars niet branden. Met andere woorden: energie is het vermogen om dingen te laten gebeuren. Wanneer iemand een steen naar een raam gooit, zal de bewegingsenergie van de steen zichtbaar worden door het breken van de ruit. Het leven op aarde wordt beheerst door energie, waarvan het grootste deel afkomstig is van de zon. De zon zorgt er o.a. voor dat planten kunnen groeien (fotosynthesereactie). En planten vormen weer voedsel voor bijvoorbeeld dieren. Voedselenergie wordt opgeslagen in de spieren van het dier waardoor het zich kan bewegen. Energie zelf is niet zichtbaar of tastbaar maar kan wel worden verplaatst en zelfs opgeslagen. Bijvoorbeeld water bovenaan een waterval: de opgeslagen energie verandert in bewegingsenergie zodra het water begint te vallen en het stroomt mee tot onder aan de waterval. Energie kent vele verschijningsvormen, die bovendien in elkaar kunnen overgaan. Bij krachtcentrales bijvoorbeeld wordt de chemische energie die opgeslagen is in kolen of olie, omgezet in warmte-energie, die weer water omzet in stoom. De stoom tenslotte drijft de turbines aan die elektrische energie maken om huizen en fabrieken van stroom te voorzien.
Energie, kracht en arbeid Wanneer met kracht een voorwerp verplaatst wordt, wordt energie overgebracht op dit voorwerp en zijn omgeving. Deze overdracht van energie wordt arbeid genoemd. De hoeveelheid arbeid die verzet wordt, is afhankelijk van de grootte van de kracht en de afstand die het voorwerp aflegt. Een gewichtheffer bijvoorbeeld verricht veel arbeid om een zwaar voorwerp over een betrekkelijk lange afstand te verplaatsen. 1 Potentiële energie Opgeslagen energie die nog niet is omgezet in een andere vorm van energie, wordt ook wel potentiële energie genoemd. Zo wacht chemische energie in een batterij tot het een elektrische stroom kan voortbrengen en zo wacht een springveer erop om ontspannen te worden. 1 Kinetische energie Bewegingsenergie wordt ook wel kinetische energie genoemd. Om de beweging te stoppen, wordt kinetische energie vaak omgezet in warmte. 1 Energiecyclus Er is een natuurkundige wet die vaststelt dat de totale hoeveelheid energie gelijk blijft. Met andere woorden: als de ene soort energie verdwijnt, ontstaat er automatisch een andere soort.
4
Opdrachten 1 Zoek de definitie, de formule en eventueel de eenheid op van: arbeid, vermogen, kinetische energie, potentiële energie, behoud van energie 1 Wat is kilowattuur? Gigawattuur? 1 Wat is het electriciteitsverbruik bij jou thuis? Waar/hoe zou je thuis ‘duurzamer’ kunnen omgaan met energie? 1 Bezoek de website: www.energievreters.be en zoek een antwoord op volgende vragen: Bereken het energieverbruik en de CO2-uitstoot bij je thuis. Waarvoor staat het “A+++-label” als energie-label bij koelkasten? Hoeveel CO2 kan men jaarlijks besparen door de verwarming overdag een graadje lager te zetten? Wat wordt bedoeld met “energieprestatieregelgeving”? Rangschik de verschillende lamptypes van zuinig naar minst zuinig. Wat zijn de voordelen bij de aankoop van een zuinige wagen?
5
3 Energiebronnen 1 Wat zijn energiebronnen en waar worden ze voor gebruikt? Een energiebron is een systeem waaraan energie kan worden ontleend, dit is bijvoorbeeld het geval bij een waterkrachtcentrale waarbij je energie onttrekt aan de stroming van het water. Energiebronnen hebben we tegenwoordig nodig om apparaten die we gebruiken te voorzien van stroom. Zo werken computers en televisie bijvoorbeeld met energie. Zonder energiebronnen zouden een heleboel apparaten niet werken. 1 Welke soorten energiebronnen kennen we? Er zijn verschillende energiebronnen, hieronder staan de belangrijkste met hun eigenschappen en hun voor- en nadelen. Kernenergie Kernenergie is energie die vrijkomt door reacties tussen atoomkernen. Meestal wordt deze energie gewonnen doormiddel van kernsplijting. Om dit proces uit te leggen moeten we eerst een kleine uitleg geven over de samenstelling van atoomkernen. Atoomkernen zijn opgebouwd uit neutronen en protonen. Deze kleine deeltjes worden in de kern bijeen gehouden door middel van bindingsenergie. Als je de kernen nu op elkaar laat botsen, breken ze en vallen de losse deeltjes uit de kern. Hierbij is de bindingsenergie niet meer nodig en deze komt ‘vrij’. Bij de techniek van kernsplijting laat men in een centrale ketel atoomkernen op elkaar botsen om zoveel mogelijk energie vrij te krijgen. Deze energie wordt gebruikt om water te verwarmen en om te zetten in stoom. Vervolgens wordt een grote turbine aangedreven door de stoom en krijg je stroom. De reactiesnelheid wordt gecontroleerd met speciale staven, die atoomkernen aantrekken. Hiermee kan het aantal kernen afnemen en komt er minder bindingsenergie vrij. Bij kernenergie wordt met weinig grondstoffen en heleboel energie opgewekt. Dit is erg voordelig omdat de voorraad van de grondstof niet snel zal opraken. Groot nadeel is wel dat er bij kernenergie radioactief afval overblijft. Ook de grondstof die wordt gebruikt (uranium) bij de kernreactie is zeer radioactief en bij een ongeluk heeft dit zeer grote gevolgen, zoals bij de kerncentrale in Tsjernobyl waarbij duizenden mensen slachtoffer werden en nog zijn. Dit is ook de reden waarom milieugroeperingen zoals Greenpeace fel tegen kernenergie zijn.
6
Fossiele energie Fossiele energie wordt opgewekt door het verbranden van fossiele brandstoffen. Bij deze verbranding wordt de brandstof gebruikt om als warmtebron water in stoom om te zetten. De stoom drijft op zijn beurt een turbine aan die met behulp van een generator stroom opwekt. Voorbeelden van fossiele brandstoffen zijn olie, aardgas en steenkool. Deze brandstoffen zijn ontstaan uit afgestorven plantenresten en/ of dieren, die miljoenen jaren geleden gestorven zijn en nu onder de druk van het aardoppervlak en door rotting zijn samengeperst. Deze brandstoffen bestaan hoofdzakelijk uit koolstof, de belangrijkste stof in een fossiele brandstof. Hoe meer koolstof er in een fossiele brandstof zit, hoe zwaarder die brandstof is. Zwaarder betekent dat de brandstof minder vloeibaar is en bij verbranding meer CO2 uitstoot. Het grote voordeel van fossiele energie is dat het omzetten van de grondstoffen in energie erg makkelijk en goedkoop is. Nadeel is wel dat bij de verbranding veel stoffen vrijkomen, waaronder broeikasgassen die bijdragen aan het versterkte broeikaseffect. Een ander belangrijk nadeel van fossiele energie is dat de voorraad fossiele brandstoffen snel kleiner wordt en dat over ongeveer vijftig jaar de huidige voorraad op is. Een ander nadeel is dat omdat de huidige voorraad bijna op is, er wordt gezocht naar nieuw bronnen in natuurgebieden als Alaska. Boren in dit soort gebieden zal grote gevolgen hebben voor de natuur en dieren. Hernieuwbare energie Hernieuwbare energie is energie waarbij geen afvalstoffen vrijkomen en waarbij de energiebron oneindig is. Een aantal vormen van alternatieve energie zijn zonne-, wind- en waterenergie, bio-energie. Bij alle vormen van hernieuwbare energie wordt bestaande energie, zoals stromingsenergie bij stromend water, omgezet in elektrische energie. Zo wordt in een waterkracht centrale gebruik gemaakt van het hoogteverschil tussen een meer en een rivier. Tussen die twee wordt een stuwdam gebouwd en in de doorgang wordt een turbine geplaatst. Deze drijft op zijn beurt weer een generator aan en de energie is omgezet. Het voordeel bij hernieuwbare energie is dat de energie bron een natuurlijke bron is die nooit zal opraken en die ook geen vervuiling geeft.
7
4 Hernieuwbare energiebronnen Zonne-energie, windenergie, biomassa,…: er zijn verschillende vormen van zogenaamde duurzame energie. Zoals reeds in de inleiding gezien moeten ze de Europese Unie in staat stellen om minder afhankelijk te worden van olie en dragen ze tevens bij tot de vermindering van broeikasgassen, vooral dan van CO2. Elektriciteit produceren uit hernieuwbare energiebronnen heeft vooral voordelen: het is ‘schoon’ (geen of veel minder uitstoot van vervuilende stoffen, weinig of geen afval), het is duurzaam (geen uitputting van eindige energievoorraden), het vermindert onze buitenlandse afhankelijkheid qua energiebevoorrading en de kleinschalige, modulaire aard van sommige hernieuwbare energietechnieken vergemakkelijkt de combinatie met andere menselijke activiteiten in bebouwde omgeving. Waarom moet Vlaanderen kiezen voor groene energie? Hernieuwbare of groene energietechnologieën en -bronnen beschikken over heel wat voordelen. De belangrijkste voordelen zijn: 1 Ze zijn ‘schoon’. Er is geen verbranding van fossiele brandstoffen of recuperatiebrandstoffen (hoogovengas, raffinaderijgas), zodat ze geen of veel minder vervuilende stoffen uitstoten zoals CO2, NOx, SO2, N2O, CH4, NMVOS en CO. Ze produceren weinig of geen afval, en zeker geen radio-actief afval; 1 Ze zijn duurzaam. Er is geen uitputting van eindige (fossiele) energievoorraden. De gemiddelde jaarlijkse energie-output van hernieuwbare energiebronnen kan voor onbepaalde tijd (‘oneindig lang’) worden gehandhaafd. De fossiele energievoorraden kunnen dan gevrijwaard worden voor hoogwaardige toepassingen, bv. als grondstof voor de chemische nijverheid. 1 Ze verminderen onze buitenlandse afhankelijkheid qua energiebevoorrading. De binnenlandse energieproductie in Vlaanderen vertegenwoordigde in 2005 slechts een klein percentage van ons primaire energiegebruik. De binnenlandse productie is beperkt tot kernenergie, die 55% van de elektriciteit levert, en een groeiend aandeel hernieuwbare energie. De totale elektriciteitsproductie is in de periode 1990 - 2004 met 21% gestegen. De energie wordt verbruikt door industrie (33%), huishoudens (27%), transport (27%) en handel (13%). (Cijfers Europese Commisie). Vlaanderen voert praktisch al haar energie in: we hebben geen gekende uraniumreserves en voeren al onze splijtstoffen in; Vlaanderen produceert zelf geen aardgas en voert derhalve al haar aardgas in; Vlaanderen beschikt niet over eigen aardoliereserves, zodat Vlaanderen alle aardolie en een aantal (half )afgewerkte petroleumproducten moet invoeren. En de ondergrondse ontginning van de Kempense steenkoolreserves werd in 1992 definitief stopgezet. De enige energiebronnen waarover Vlaanderen beschikt naast steenkoolreserves zijn hernieuwbare energiebronnen en de zogenaamde recuperatiebrandstoffen als hoogovengas en raffinaderijgas, restgassen uit de chemische sector, en (het niethernieuwbaar deel van) restafval.
8
De productie van groene stroom is in 2005 vertienvoudigd ten opzichte van 1994 (zie figuur 1 en 2). De komende jaren wordt een verdere stijging verwacht door de ingebruikname van grote biomassaprojecten en windparken. Met de 809 GWh uit 2005 kunnen ruim 5 op 100 gezinnen voorzien worden van groene stroom. Ten aanzien van de totale netto-elektriciteitsproductie in Vlaanderen vertegenwoordigde die 809 GWh slechts 2%.
Doelen Tegen 2010 wil Vlaanderen 6% van het bruto binnenlands elektriciteitsgebruik opwekken d.m.v. hernieuwbare energiebronnen. Dit komt neer op ongeveer 3630 GWh groene stroom op een verwacht elektriciteitsgebruik van 60480 GWh in 2010 (zie figuur 3). Groenestroomproductie in GWh (voor 2006 schatting op basis operationele productiecapaciteit
1600 1400
restafval
1200
biogas
1000
biomassa windenergie
800
waterkracht
600
zonne-energie
400 200
2006 (cshatting
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
1995
1994
0
Figuur 1: Groenstroomproductie in GWh
Groenestroomproductie 2005: 967 GWH zonne-energie: 1,3
waterkracht: 2,3
huisvuilverbrandings- windenergie: 154 installaties: 160
zonne-energie waterkracht windenergie biomassa
biogas: 236 biomassa: 413
biogas huisvuilverbrandingsinstallaties
Figuur 2: Aandeel van de verschillende bronnen van groenestroom (2005)
9
Prognose groenestroomproductie in GWh zonder bijkomende beleidsmaatregelen (bron: VITO)
4500 wind offshore (geldt niet voor certificatenverplichting)
4000
wind onshore
GWh (miljoen kilowatuur)
3500 3000
biomassa
2500
zon
2000
waterkracht
1500 6% productiedoelstelling EU-richtlijn
1000
6% certificatenverplichting Vlaanderen
500 0 2006
2007
2008
2009
2010
jaar
Figuur 3: Prognose groenestroomproduktie in GWh
10
5 Bio energie Bio-energie is energie (warmte, elektriciteit) die is opgewekt met biomassa. Biomassa is een verzamelnaam voor reststromen van organisch materiaal (zowel plantaardig als dierlijk) zoals afvalhout, snoeihout, papierslib, diermeel, zuiveringsslib, kippenmest. Er kunnen voor energieopwekking ook speciaal gewassen worden gekweekt; dit betreft dan energieteelt (wilgen, populieren, koolzaad, grassen zoals olifantsgras en hennep).Al dit materiaal wordt kortweg biomassa genoemd. Door gebruik te maken van biomassa als energiebron komt netto geen CO2 vrij; men spreekt van een gesloten koolstofkringloop. Er komt bij de omzetting van biomassa naar electriciteit of warmte net zoveel CO2 vrij als eerst door de planten of bomen voor de groei wordt opgenomen (zie figuur ). Er zijn verschillende manieren om biomassa in energie om te zetten.
CO2
O2 + C
C + O2 Figuur 4: Onder invloed van zonlicht wordt CO2 uit de atmosfeer vastgelegd in plantaardig materiaal (fotosynthese). De CO2 wordt in de vorm van allerlei koolstofverbindingen vastgelegd (C). Bij dit proces komt zuurstof vrij (O2). Het plantaardig materiaal kan direct als energiebron dienen. Snelgroeiende gewassen zoals de populier, de wilg en olifantsgras kunnen speciaal voor dit doel worden geteeld (energieteelt). Via de voedselketen kan het plantaardig materiaal ook omgezet worden in dierlijk organisch materiaal. Mest van koeien, varkens of kippen is daarom ook te zien als een vorm van bio-energie.
11
Bio-gas Processchema bio-gas 1 http://www.biogas-e.be 1 http://www.biogas-e.be/Pdf/chemie.pdf 1 http://www.biogas.nl
Biogas is een gasmengsel dat ontstaat als gevolg van biologische processen. De hoofdbestanddelen van biogas zijn methaan en koolstofdioxide. Het gas ontstaat als gevolg van anaerobe vergisting van organisch materiaal zoals mest, rioolslib, actief slib, gestort huisvuil, energiegewassen, restproducten landbouwgewassen, GFT-afval.
Opdracht Lees aandachtig de opgegeven websites ivm bio-gas. Probeer hierna het processchema van figuur 5 aan te vullen en te begrijpen. Welke afvalstromen kunnen worden gebruikt in een bio-gas-installatie? Bekijk/bespreek de voor- en nadelen van anaerobe vergisting Hoe draagt een biogas-installatie bij tot het terugdringen van het broeikaseffect? Leg uit!
compact CHP
organics
biogas
biogas
digestors manure
pumping station
storage
Figuur 5: Flow Chart biogas-installatie Bio-brandstoffen: inleiding De Europese Richtlijn 20003/30/EG heeft als doel het gebruik van biobrandstoffen of andere hernieuwbare brandstoffen te bevorderen. Ze legt streefcijfers vast om het aandeel biobrandstoffen in de totale hoeveelheid aangeboden fossiele motorbrandstoffen tussen 2005 en 2010 stelselmatig te doen stijgen. België streeft de doelstellingen van de richtlijn na: op het einde van 2005 zou het aanbod van de biobrandstoffen 2% van de energie-inhoud van de op de markt verkochte benzine en diesel moeten bedragen, eind 2010 zelfs 5,75%. Biobrandstoffen worden geproduceerd uit biomassa en kunnen in ongemengde of gemengde vorm op de markt worden gebracht:
12
1 biodiesel: uit plantaardige oliën (meestal koolzaadolie, maar ook zonnebloem-, kokosnoot- of palmolie) die een chemische behandeling ondergaan (verestering). Biodiesel, ook gekend als FAME, kan tot 5% worden bijgemengd in normale diesel. 1 bio-ethanol: een alcohol uit suikers (van suikerbieten of suikerriet) of zetmeel (een keten van suikers, in maïs, aardappelen, rijst…). Bio-ethanol kan bijgemengd worden bij normale benzine. 1 bio-ETBE (ethyl-tertiair-butyl-ether): een anti-klopmiddel geproduceerd op basis van bio-ethanol en iso-butyleen. 1 pure plantaardige olie of PPO: zuivere geperste olie die enkel gefilterd wordt op onreinheden (meestal koolzaadolie). Ze kan niet bijgemengd worden in normale diesel: hiervoor moet men over een aangepaste dieselmotor beschikken. 1 2de generatiebiobrandstoffen (Fischer-Tropsch olie e.a.): uit afvalproducten. Het gebruik van biobrandstoffen heeft een positieve impact op de klimaatverandering: ze stoten bij hun verbranding – net zoals de fossiele brandstoffen – CO2 uit, maar dit broeikasgas werd voorheen wel eerst door die gewassen via fotosynthese uit de atmosfeer opgenomen.
Bespreking van enkele biobrandstoffen 1 Ethanol Bio-ethanol is geen nieuw product, het is in feite niets anders dan alcohol. Henry Ford gebruikte ethanol al als brandstof aan het begin van de vorige eeuw. Het productieproces van ethanol is erop gericht om suikers om te zetten in ethanol. Suikers komen voor in allerlei verschillende producten uit de agrarische sector, maar niet in elk product is de alcohol even toegankelijk. De meest gebruikte grondstoffen voor de productie van bio-ethanol zijn suikerriet (Brazilië) – ongeveer 52% van de mondiale ethanolproductie via fermentatie gebeurt in Brazilië op basis van suikerriet, waarvan 90% als brandstof gebruikt wordt – maïs (Verenigde Staten), tarwe, koolzaad en suikerbieten. Ook andere granen, bijvoorbeeld gerst, en bijproducten uit verwerkende industrieën (bijvoorbeeld melasse) worden gebruikt als grondstof. De bewerkingsstappen om fermenteerbare (fermentatie = gisting) suikers uit deze grondstoffen te krijgen zijn al jaren in gebruik. In het geval van zetmeelhoudende gewassen als maïs en tarwe wordt het zetmeel door middel van enzymen omgezet in glucose, dat vervolgens gefermenteerd wordt tot ethanol. Bij suikerhoudende gewassen als suikerriet en –biet gaat het erom via verkleining en extractie een suikerrijke vloeistof te verkrijgen die geschikt is voor fermentatie. Deze suikerrijke vloeistof die hierbij ontstaat, kan worden ingedikt om langere houdbaarheid van de suikers te bevorderen. Naast de genoemde grondstoffen zijn er nieuwe technologieën in ontwikkeling om ethanol te verkrijgen uit cellulosehoudende materialen. Cellulose is een biologische stof die vooral in vezelachtige grondstoffen voorkomt zoals stro, pulp, groen afval, etc. Ook hierbij zal de omzetting van suikers door fermentatie centraal staan. Als de suikers zijn gefermenteerd, wordt het gedestilleerd. Hierbij wordt de alcohol tot 45% geconcentreerd door water en andere stoffen uit het mengsel te verwijderen. Na deze destillatie wordt er nog een rectificatie toegepast.
13
Dit betekent dat de alcohol die uit de destillatie is gekomen, wordt omgezet tot pure alcohol. Dit gebeurt door de alcohol vrij te maken van water en andere onzuiverheden. (Voor het gehele productieproces, zie ook de figuur hieronder).
Granen Suikerbiet Melasse Zetmeel Diverse bijproducten
Gist + Enzymen
du ro en ct
Bio-ethanol
jp Bi
D re esti ct lla ifi ti ca e tie &
Fermentatie proces
Tarwe-gist concentraat Vinasse
Figuur 6: Het productieproces van ethanol Bioethanol kan op verschillende manieren worden ingezet als brandstof. Het kan op de eerste plaats direct worden bijgemengd met benzine of samen met o.a. isobutyleen worden omgezet in ETBE. ETBE heeft het voordeel dat het via pijplijnen kan worden getransporteerd, in tegenstelling tot ethanol. Het bijmengen kan op de raffinagelocatie plaatsvinden. Dit is mogelijk tot een bepaalde mengverhouding. Daarboven veranderen de eigenschappen van het mengsel dusdanig dat het niet meer voldoet aan de Europese brandstofrichtlijnen. Percentages hoger dan 10% zijn alleen mogelijk na aanpassing van de huidige standaard verbrandingsmotoren. Daarnaast bestaan er ook zgn flexmotoren die geschikt zijn voor benzine, pure bioethanol en andere biomotorbrandstoffen, maar deze zijn veel minder gebruikelijk. De volledige productieketen van bio-ethanol vind je in figuur 7.
14
import granen
import melasse
granen suikerbiet teelt
verwerker - suikerfabriek - zetmeelfabriek
direct blending
bio-ethanol
distilleerderij
C-zetmeel, melasse aardappelstoomschillen
oliemaatschappij
depot
isobutyleen ETBE blend ETBE fabriek
agribusiness overig Figuur 2: Produktieketen Bio-ethanol
Bron: Rabobank 2004
Figuur 7: Produktieketen van bio-ethanol 1 Biodiesel Biodiesel is een dieselbrandstof die op basis van plantaardige olie geproduceerd wordt, en is in feite een brandstof die fossiele diesel kan vervangen. Omdat deze diesel op basis van plantaardig materiaal wordt gemaakt en vanwege de snelle afbreekbaarheid is het milieuvriendelijk. Het heeft daarnaast een aantal andere voordelen zoals uitstekende smeereigenschappen in motoren en dat het een zwavelvrije brandstof is. De meest gebruikte grondstof voor dit doel in Europa is koolzaadolie, maar andere plantaardige oliën zoals zonnebloemolie en sojaolie worden ook wel toegepast. Er zijn ook experimenten met tropische oliën zoals geïmporteerde palmolie. De keuze voor een bepaalde grondstof heeft vaak te maken met lokale voorkeuren of aanwezigheid van grondstoffen. Koolzaad is bijvoorbeeld een gewas dat in grote delen van Europa geteeld wordt, zoals in Duitsland waar ook de grootste en meest ervaren biodieselindustrie van de EU is gevestigd. De keuze voor koolzaad als grondstof heeft ook te maken met de Europese kwaliteitsnorm die gebaseerd is op gebruik van koolzaadolie als grondstof. Voor het persen van olie uit raapzaad is behoorlijk wat energie voor nodig. Het restproduct raapschilfers dient afgezet te worden in de veevoedersector of zal voor opwekking van groene stroom gebruikt gaan worden. Dit zal vooral het geval zijn indien er echt massaal op biodiesel wordt overgeschakeld. Wat er dan echter zal ontstaan is een prijskwestie. Over het algemeen is de productie en verbruik van plantaardige olie redelijk in evenwicht. Veel beter is de productie van ethanol uit zetmeel. Zetmeel wordt namelijk op veel te grote schaal geproduceerd, waardoor niet alles bruikbaar is. Bovendien zijn zetmeel houdende gewassen veel makkelijker te telen dan olie houdende gewassen.
15
Het proces om biodiesel te maken bestaat uit verschillende stappen. Als het uitgangsmateriaal oliezaad is, wordt eerst de olie uit het zaad geperst om ruwe olie te verkrijgen. Hierna wordt de ruwe olie geraffineerd. De volgende stap is om de olie om te zetten in biodiesel. Dit proces heet verestering. Een ester ontstaat wanneer een alcohol reageert met een carbonzuur. Oliën en vetten bestaan uit triglyceriden. Tijdens het productieproces van biodiesel wordt methanol en een katalysator toegevoegd aan de plantaardige olie, waardoor de glycerinealcohol van de olie wordt vervangen door methanol. Hierdoor ontstaan er twee producten: 1 biodiesel (hoofdproduct) 1 glycerine (bijproduct) (Hieronder staat de reactievergelijking van de reactie tussen plantaardige olie en methanol, waarbij R [voornamelijk bestaat biodiesel uit C19H34O2] een koolwaterstofketen voorstelt; de producten die hierbij worden gevormd zijn biodiesel en glycerine) H H
C
O
H
C
O
H
C
O
O C O C O C
H R R
H + 3
H
C
OH
H
R
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
O + 3 CH3 O
C
R
H
H plantaardige olie
+
methanol
glycerine
+
biodiesel
Figuur 8: Structuurformules De glycerine die hierbij ontstaat, kan worden afgezet in verschillende marktonderdelen zoals voedingsmiddelen, cosmetica of in de farmaceutische industrie. De glycerine moet natuurlijk voldoende zuiver zijn! Biodiesel heeft een vergelijkbaar of zelfs hoger cetaangetal dan gewone diesel. De dichtheid is iets hoger, de calorische waarde (energie-inhoud per liter) iets lager, en de viscositeit iets hoger (hoewel de viscositeit al een stuk lager ligt dan bij onveresterde plantaardige olie). Door de geringe verschillen in brandstofkwaliteit, kan biodiesel in gewone dieselmotoren gebruikt worden zonder aanpassing van de motorafstelling. Het is tevens mengbaar met fossiele dieselbrandstof. Er worden maar weinig aanpassingen aan de huidige motortechnologieën gevergd.
16
Geraffineerde koolzaadolie
Methanol (circa 10%)
Verestering
in g
in ve r Zu i
r ve
Biodiesel
i Zu
g
+ katalysator
Glycerine (circa 10%)
Figuur 9: Het produktieproces van bio-diesel 1 PPO De meest eenvoudige biobrandstof is pure plantaardige olie (PPO). Het betreft doorgaans koud- of warmgeperste olie van koolzaad. Naast koolzaadolie wordt ook zonnebloemolie, sojaolie of afgewerkt frituurvet gebruikt. PPO is een dieselvervanger maar doordat de brandstof een lage viscositeit en hoge zuurgraad heeft, kan de brandstof niet zondermeer worden benut in een normale dieselmotor. Het gebruik van PPO vereist derhalve een – overigens relatief ongecompliceerde – aanpassing van de dieselmotor. Bij deze aanpassing wordt Elsbett-technologie ingebouwd, technologie op basis van een vinding van de Duitse professor Elsbett. De technologie wordt commercieel toegepast in verschillende Europese landen, met name in Duitsland, en op kleinere schaal ook al in België en Nederland. In België wordt koolzaad geteeld voor de productie van PPO. Met een opbrengst van 3 tot 5 ton koolzaad per hectare kan gemiddeld rond de 1.400 liter puur plantaardige olie worden geperst. De overblijvende koolzaadkoek is eiwit rijk en kan dienen als veevoer. De koolzaadolie kan na filtering in principe worden gemengd met diesel. In dat geval hoeft in het voertuig niets te worden veranderd. Wanneer het voertuig wordt aangepast met onder andere een warmtewisselaar dan kan er ook op pure plantaardige olie worden gereden. De koude start van de motor is op diesel. Wanneer de PPO voldoende is verwarmd wordt hierop overgeschakeld. De koud geperste olie is niet snel ontvlambaar en weinig bodemverontreinigend. Op basis van deze eigenschappen zijn er geen grote juridische drempels te verwachten wanneer het gaat om het produceren en opslaan van de brandstof.
Bijkomende info www2.vlaanderen.be/ned/sites/landbouw/downloads/volt/biobrand/pure_plant_oil.ppt en www.ppo.be
17
Zonne-energie Algemeen http://www.energiesparen.be/duurzame_energie/zon.php Zonne-energie in de landbouw Sinds de toekenning van VLIF-steun (Vlaams Landbouw Investeringsfonds) voor de investering in fotovoltaïsche panelen, begint ook de Vlaamse land- en tuinbouwsector warm te lopen voor deze vorm van groene stroom. Die VLIF-steun komt bovenop een vergoeding die wordt betaald onder de vorm van groenestroomcertificaten. Een fotovoltaïsch paneel (PV-paneel) bestaat uit zonnecellen die onderling met elkaar verbonden zijn. In een zonnecel wordt licht omgezet in elektriciteit. De panelen worden aan elkaar geschakeld en via een omvormer gekoppeld aan het elektriciteitsnet. “De elektriciteitsmeter draait achteruit wanneer er meer productie is dan verbruik en als er minder zon is, neemt de gebruiker terug stroom van het net”, vertelt Geert Boeraeve van de firma Belgian Energy Systems (BES) die zorgt voor de verkoop en plaatsing van de panelen. “Dankzij de 30 procent investeringssteun en de groenestroomcertificaten ligt de terugverdientijd van de investering op ongeveer 8 à 9 jaar”, heeft Geert Boeraeve berekend. Voor elke 1.000kWh elektriciteit die door de panelen wordt opgewekt, ontvangt de eigenaar een groenestroomcertificaat. Die kan bij de netbeheerder worden ingeruild tegen een waarde van 450 euro. Die terugverdientijd is weliswaar langer dan bij andere groenestroomtoepassingen, maar volgens Boeraeve hebben de fotovoltaïsche panelen dan ook een aantal belangrijke voordelen. “Het is zeer propere energie. De energie wordt ter plaatse gemaakt en verbruikt waardoor er geen transport aan te pas komt en er is geen uitstoot. Het is ook een makkelijk te implementeren techniek die geen onderhoud vraagt. Bovendien is er geen sprake van visuele vervuiling zoals dat bij windenergie wel het geval is”. In het buitenland staat men al veel verder met de toepassing van deze techniek. “In Luxemburg is men er al vijf à zes jaar mee bezig”, vertelt Boeraeve. “Eigenlijk hebben wij afgekeken van onze buurlanden. Maar sinds de toekenning van VLIF-steun zien wij wel dat de interesse in de Vlaamse landbouwsector begint op gang te komen. Er staan al een aantal nieuwe projecten in de startblokken”.
18
6 Energie of voedsel? Critici menen dat biomassa de biodiversiteit bedreigt, dat de vruchtbare akkers voedsel moeten produceren en dat het economisch rendement van teelten voor biomassa te gering is. Deze kritiek moet in de gehele context worden geplaatst en worden afgewogen. Het is precies deze afweging tussen de verschillende problemen en oplossingen, nieuwe problemen die worden geschapen en oude problemen die worden opgelost, die ‘ethiek’ wordt genoemd.
Opdracht Poneer deze stelling in de klas (op het bord) en probeer er op een wetenschappelijke basis over te discussiëren. Verdeel de klas in 2 groepen en zoek elk informatie om jullie standpunten te verdedigen. Bekijk eventueel ook hier de Noord-Zuid problematiek (zie ook les 9: suiker uit een genetisch gewijzigde plant; GGO’s: voor of tegen). http://www.petertomjones.be > klasdiscusies Lees grondig het artikel in bijlage van Peter Tom Jones (http://www.yabasta.be/Terra-Incognita-V): Hoe is het gesteld met onze planeet? Een bloemlezing uit Science & Nature (donderdag 23 maart 2006) en beantwoord/ bespreek volgende vragen eerst in kleine groepjes. discussieer er daarna over in klasverband. 1 welke kanttekeningen worden gemaakt bij het gebruik van bio-brandstoffen? 1 zijn de bio-brandstoffen echt wel zo milieuvriendelijk? Waar zie jij nadelen? Welke oplossingen zijn hiervoor volgens Peter Tom Jones te vinden? 1 Wat bedoelt Peter Tom Jones als hij zegt “hoe ethisch het is om energiegewassen te produceren teneinde privé-wagens aan te drijven, zonder dat er daarbij tegelijkertijd drastische wijzigingen optreden in onze consumptie- en gedragspatronen”. Wat is jullie mening daarover?
19
7 Werkveld schoolexcursie Ook in het Meetjesland bestuderen bedrijven, energieproducenten, landbouwers, … de mogelijkheden van groene energie. Bewijzen hiervan zijn de talrijke inplantingen van windturbines in de regio. Dicht aansluitend bij het Meetjesland vinden we de uitbouw van het Ghent Bio-Energy Valley. Via diverse initiatieven ter bevordering van bio-energie wil men de Gentse haven uitbouwen tot een internationaal erkende groeipool voor industriële bio-energieprojecten en activiteiten. Tijdens een leerwandeling maken de studenten kennis met de verschillende aspecten van ‘groene energie’.
Programma Het programma start in het Plattelandscentrum te St-Laureins of een melkveebedrijf in Evergem. Hier wordt er een korte uitleg gegeven over de mogelijkheden, beperkingen en toepassingen van groene energie (o.a. zonne-enrgie, bio-gas, bioethanol, koolzaadolie komen aan bod). Vervolgens wordt ook de oliewinning uit koolzaad meer in detail bekeken. In de namiddag maken de leerlingen een leerrijke fietstocht. Er wordt stilgestaan bij het belang van de energieopwekking van de windturbines in de regio en de leerlingen krijgen op die manier een beter inzicht in o.a. de verschillende mogelijkheden van groene energie. 09.00u.
10.00-10.15u. 10.15-10.30u. 10.30-10.40u. 10.40-11.00u. 11.00-12.00u. 12.00-13.00u. 13.00-16.00u.
20
Start ‘Module Groene Energie’ in Plattelandscentrum St-Laureins Inleiding (beetje theorie rond het onderwerp; verduidelijken van een aantal termen (over energie) Filmpje ivm bvb biogas Pauze Filmpje ivm Ghent Bio-Energy Valley Toepassingen bio-brandstoffen: bio-ethanol, bio-diesel, PPO Koude persing koolzaad Middagmaal Bezoek windmolenpark in Eeklo of aan het molenmuseum in Puyenbroeck.
8 Weetjes bio-ethanol een alternatief is voor benzine. in Brazilië rijdt 40% van de transportsector volledig of gedeeltelijk op bio-ethanol pure plantaardige olie is een alternatief voor diesel een auto moet altijd omgebouwd worden voor het rijden op ppo meer dan 10 procent van de Belgische akkerbouw is vanaf volgend seizoen bestemd voor biobrandstof. 1 in Vlaanderen werd in 2005 slechts 141 ha koolzaad geoogst, in 2006 al 1.050 ha. Voor 2007 wordt minstens een vervijfvoudiging voorzien. 1 samen zijn de verborgen elektriciteitsverliezen van huishoudelijke toestellen goed voor 14% van het totaal elektrisch verbruik van de gezinnen! 1 1 1 1 1
21
9 Woordenlijst
Het broeikaseffect (pagina 1) In de atmosfeer zijn gassen aanwezig die de invallende zonnestraling doorlaten, maar de teruggekaatste straling van het opgewarmde aardoppervlak opnemen. Dit fenomeen is bekend als het broeikaseffect. Dankzij dit effect bedraagt de gemiddelde temperatuur op aarde +15°C i.p.v. -18°C. Koolstofdioxide (CO2), methaan (CH4) en lachgas (N2O) zijn enkele belangrijke broeikasgassen. Gedurende de voorbije twee eeuwen heeft de mens de concentratie van broeikasgassen in de atmosfeer verhoogd waardoor het natuurlijk broeikaseffect wordt versterkt. Dit leidt bijgevolg tot een verhoging van de gemiddelde temperatuur en een globale klimaatverandering.
Het Protocol van Kyoto (pagina 1) Het Kyoto-protocol of Verdrag van Kyoto werd in 1997 opgesteld in de Japanse stad Kyoto en regelt de vermindering van de uitstoot van broeikasgassen. Zo moet de EU zijn uitstoot met 8% verminderen in de periode 2008-2012 t.o.v de uitstoot in 1990. De EU heeft vervolgens de emissiereducties per lidstaat bepaald, in overleg met die lidstaten. De percentages lopen ver uiteen: Luxemburg moet zijn uitstoot met 28% verminderen terwijl Portugal zijn uitstoot met 27% mag laten stijgen. België moet 7,5% minder uitstoten en Nederland 6%.
Duurzame energiebronnen (pagina 1) Duurzame energie is een verzamelterm voor energiebronnen die uit ‘hernieuwbare’ bron kunnen worden gewonnen. Het kenmerk van duurzame energie is dat de winning ervan niet leidt tot het uitputten van een voorraad. We onderscheiden twee vormen. Allereerst zijn er bronnen van duurzame energie die elektriciteit opwekken. Hierbij denken we aan windenergie, (fotovoltaïsche) zonne-energie, waterkracht en bio-energie. Daarnaast zijn er bronnen van duurzame energie die warmte produceren zoals aardwarmte, (thermische) zonne-energie en warmtepompen (omgevingsenergie).
22
Zonne-energie (pagina 8) Zonne-energie is de energie die mensen door technologie opwekken uit zonnestraling. Dit gebeurt op dit moment in Nederland en België vooral op twee manieren: - thermische zonne-energie zet zonlicht om in warmte. Bvb zonneboilers. - zonnepanelen met fotovoltaïsche cellen (ook wel PV-cellen genoemd) zetten het licht direct om in elektriciteit: zonnestroom.
Wat is cetaan en waarom is het belangrijk? (pagina 16) Het cetaangehalte geeft de kwaliteit van verbranding van dieselbrandstof aan. Het nummer is een indicatie van de ontbrandingsvertraging – de tijd die verstrijkt tussen de start van de brandstofinjectie en de start van de verbranding. Een goede verbranding vindt plaats wanneer een snelle ontbranding wordt gevolgd door een soepele en volledige verbranding van de brandstof. Hoe hoger het cetaangetal, des te korter de ontbrandingsvertraging en hoe beter de verbranding. Omgekeerd, betekenen een laag cetaangetal dat deze langzaam ontbrandt en dan te snel verbranden, wat leidt tot een hoge graad van stijgende druk. Wanneer het cetaannummer van de brandstof te laag is, dan leiden deze slechte verbrandingseigenschappen tot een overdaad aan motorlawaai, verhoogde uitlaatgassen en verminderde prestaties van het voertuig terwijl de motor meer stress ondervindt. Een overdaad aan rook – en tevens andere, onzichtbare uitstoten – en verbrandingsgeluid zijn bekende problemen die worden geassocieerd met diesels, in het bijzonder bij een koude start. BP Ultimate Diesel heeft het hoogste cetaangetal in Nederland, gegarandeerd 55 minimaal en meestal hoger. Gewone diesel, zoals verkocht in Nederland, heeft een cetaangetal van 51, volgens de Europese specificatie-eisen. Dit grote verschil in cetaankwaliteit betekent dat BP Ultimate Diesel beter verbrandt dan gewone diesel, zodat u van uw motor kunt verwachten dat deze beter presteert en meer kilometer levert per liter brandstof, terwijl bovendien minder uitlaatgassen worden geproduceerd.
Groenestroomcertificaat
(pagina 18)
Een groenestroomcertificaat toont aan dat netto 1.000 kWh elektricitiet werd opgewekt uit een hernieuwbare energiebron. Het systeem van groenestroomcertificaten bestaat uit twee delen: enerzijds de toekenning van groenestroomcertificaten aan producenten van elektriciteit uit hernieuwbare energiebronnen en anderzijds een certificatenverplichting, opgelegd aan de elektriciteitsleveranciers, om een bepaald aantal groenestroomcertificaten in te leveren.
23
koolzaad (pagina 15) Oliewinning uit koolzaad Koolzaad wordt geteeld om de in de zaden voorkomende olie (40-45%) en om het na winning van de olie achterblijvende eiwitrijke meel of schroot. Dit meel kan, afhankelijk van de marktprijzen voor olie en meel, 20 tot 40% van de totale geldwaarde vertegenwoordigen. De olie kan op verschillende manieren worden gewonnen. Een oude methode is persen met een hydraulische pers. Later ging men over op schroefvormige wringers, waarmee continu gewerkt kan worden. Ondanks de toepassing van zeer hoge druk, lukt het toch niet de olie geheel te verwijderen: er blijft 5 tot 9% achter. Het residu (niet het afvalprodukt!) noemt men koolzaadschilfers. De modernste methode is extractie van het geplette zaad met een oplosmiddel voor vetten. Daarvoor wordt een lichte benzinefractie gebruikt. Voor koolzaad wordt echter nagenoeg overal een combinatie van de bovengenoemde methoden gebruikt. Eerst wordt het geperst tot een restoliegehalte van ca. 18% en daarna wordt het geëxtraheerd tot ca. 2%. Het geëxtraheerde zaad wordt schroot genoemd. Menselijke consumptie De gezuiverde (geraffineerde) olie wordt in Europa voor het grootste deel gebruikt als grondstof voor margarine. Verder wordt het gebruikt als bakolie en als spijsolie. Het grootste deel van de jaarlijkse wereldproductie van koolzaadolie (ca 7 miljoen ton) is voor menselijke consumptie (vrijwel de gehele productie van landen als China, India en Pakistan wordt als spijsolie gebruikt). Het procentuele aandeel van koolzaadolie in de totale consumptie van plantaardige vetten kan zeer hoog zijn. In Canada is dit bijvoorbeeld reeds opgelopen tot 40%. Dierlijke consumptie Het kool- en raapzaadschroot en de schilfers zijn voor de veehouderij van belang; zij worden verwerkt in mengvoeders. Uiteraard bezitten koolzaadschilfers een andere samenstelling dan het koolzaadschroot. Hieruit is het vet immers vollediger verwijderd. Tegenover het nadeel van een lager vetgehalte bij schroot staat dus het voordeel van een hoger eiwitgehalte. In Zweden bestaat er al een proeffabriek waar eiwitproducten uit koolzaad gemaakt worden voor gebruik in menselijke voeding (Unilever Research). Sommige veevoederdeskundigen zijn van mening dat de raapolie het vetgehalte van de melk enigszins doet dalen, wat in dat geval voor de schilfers als een nadeel zou moeten worden aangerekend. Indien bij de fabricage de grondstoffen te sterk worden verwarmd, kan de verteerbaarheid van het eiwit soms aanmerkelijk teruglopen. Bij een normale behandeling bestaat daarvoor echter geen gevaar.
24
