Rekenen met Energie (presentatie verzend versie) Amsterdam , 20 februari 2014 Frans Debets Rekenen aan een huishouden: J, kWh, W Ons nationale energieverbruik Duurzame energie, rekenen met Wind, Zon, Biomassa Lokale mogelijkheden en rekenvoorbeelden www.debetsbv.nl www.oogstbaarlandschap.nl
(onder “rapporten” staan de gebruikte publicaties).
Energie komt in fysieke vorm ons huishouden binnen. De eenheid is Joule. Een Nederlander heeft ongeveer 10.000 kJ per dag nodig uit zijn voedsel. Brandstof
kJ
Aardappels
3.140 kJ per kg
Ei
5.720 kJ per kg
Suiker
17.000 kJ per kg
Olijf- of koolzaadolie
36.000 kJ per kg
Aardgas
31.000 kJ per m3
Benzine
47.000 kJ per kg
Benzine
35.000 kJ per ltr
Steenkool
20.000 kJ per kg
Geperste turf Droog hout (25% vocht)
16.000 kJ per kg
Loodaccu
14.000 kJ per kg 100 kJ per kg 2
Vermogen= energie per tijdseenheid Watt = J/sec of J= Watt sec
I kJ = 1000 Ws = 0,277 Wh= 0,000277 kWh kJ kWh delen door 3600
1 J = 1 Watt seconde energie= vermogen * tijd
1 kWh = 1000*3600 Ws= 3600.000 J = 3600 kJ kWh kJ vermenigvuldigen met 3600
kWh = kW * h
kW= kWh/h
h= kWh/kW
3
Energiewaarden in kJ en kWh van voedsel en brandstof Brandstof
kJ
kWh
Aardappels
3.140 kJ per kg
0,872 per kg
Ei
5.720 kJ per kg
1,588 per kg
Suiker
17.000 kJ per kg
4,72 per kg
Olijf- of koolzaadolie
36.000 kJ per kg
10 kWh per kg
Aardgas
31.000 kJ per m3
8,61 per m3
Benzine
47.000 kJ per kg
13,05 per kg
Benzine
35.000 kJ per ltr
9,7 per ltr
Steenkool
20.000 kJ per kg
5,55 per kg
Geperste turf
16.000 kJ per kg
4,44 per kg
Droog hout (25% vocht)
14.000 kJ per kg
3,88 per kg
4
Voorvoegsels voor grote waarden SI voorvoegsel
SI verkort voorvoegsel
Waarde
Hoofdtelwoord
Machten van 10
kilo
k
1.000
duizend
103
mega
M
1.000.000
miljoen
106
giga
G
1.000.000.000
miljard
109
tera
T
1.000.000.000.000
biljoen
1012
peta
P
1.000.000.000.000.000
biljard
1015
exa
E
1.000.000.000.000.000.000
triljoen
1018
zetta
Z
1.000.000.000.000.000.000.000
triljard
1021
5
Verbruik van een gemiddeld huishouden https://mijn.qurrent.nl/mijnenergie
jaarverbrui
Energie
in MJoule
in kWh
%
gas
1500 m3
31 MJ/ m3
46.500
12.917
80%
elektriciteit
3300 kWh
11.880
3.300
20%
58.380
16.217
100%
35.000
9.722
93.380
25.939
k
benzine
1000 ltr
35 MJ/ltr
6
Energie = vermogen * tijd
Vraag: • Hoeveel verbruikt een deurbel van 3 Watt die 24 uur per dag aan staat? • Hoeveel produceren 27 windmolens van 3 MW die 2200 uur per jaar draaien? • Hoeveel verbruikt een stofzuiger van 1500 Watt die drie * 0,5 uur per week zuigt? • Hoeveel verbruikt een koelkast van 75 Watt die 5000 uren per jaar koelt? 7
Energie= vermogen * tijd
Vraag: •
Hoeveel verbruikt een deurbel van 3 Watt die 24 uur per dag aan staat?
(3* 24 * 365)/1000 = 26 kWh (7 miljoen deurbellen: 7 miljoen * 26 kWh = 182.000 MWh) •
27 molens van 3 MW *2200 uur= 178.200 MWh )
•
Hoeveel verbruikt een stofzuiger van 1500 Watt die drie * 0,5 uur per week zuigt?
(1500* 3*0,5 *52) /1000= 117 kWh •
Hoeveel verbruikt een koelkast van 75 Watt die 5000 uren per jaar koelt?
(75 *5000)/1000 = 375 kWh 8
Verbruik van een gemiddeld huishouden in Euro jaarverbruik gas
1500 m3
€ per eenheid 0,50
elektriciteit
3300 kWh
0,22
benzine
1000 ltr
1,70
Prijs per MJ Gas
0,50/31
1,61 cent
Elektra
0,22/3,6
6,11
Benzine
1,70/35
4,8
Energie
in kWh
%
In Euro
31 MJ/ m3 46.500
12.917
80%
750
11.880
3.300
20%
726
58.380
16.217
100%
35.000
9.722
93.380
25.939
35 MJ/kg
in MJoule
Prijs per Kwh 0,50/8,61
1,70/9,7
1700
Marktprijs per kWh
0,058
0,026
½
0,22
0,047
1/5
0,175
http://ww w.apxendex. com/ 9
Energiebelasting Aardgas
2010
2011
2012
In Euro per m3 Tot 5000 m3
0,1629
0,1639
0,1667
5000- 170.000
0,1411
0,1419
0,1443
170.000 - 1 miljoen
0,0391
0,0393
0,0400
1 - 10 miljoen
0,0124
0,0125
0,0127
Stroom
In Euro per kWh
0 - 10.000 kWh
0,1114
0,1121
0,1140
10.000 - 50.000
0,0406
0,0408
0,0415
50.000 - 10 miljoen
0,0108
0,0109
0,0111
Meer dan 10 miljoen zakelijk
0,0005
0,0005
0,0005
10
N.B. 1.
De gebruiker krijgt een deel terug via de heffingskorting (via de E rekening) , in 2013 is dit € 385,53.
N.B. 2:
Accijns op brandstof valt niet onder belastingen op milieugrondslag.
11
Energieverbruik Nederland aanvoer van brandstof conversie verbruik
• • • •
10% steenkool 40% olie 40% gas 10% overig
Totaal
350 PJ 1350 PJ 1350 PJ 340 PJ (kern- en duurzame energie) ca. 3400 PJ
350 PJ kolen van 20 MJ per kg = 17 ,5miljoen ton 12
Energieverbruik Nederland 3400 PJ = 200 GJ per inwoner (56.000 kWh) = 500 GJ per huishouden GJ Congo
11
kWh Per jaar 3.055
kWh Per dag 8,4
Zambia
25
6.944
19,0
Verenigde Staten
327
90.832
249
Verenigd Koninkrijk
164
45.555
125
13
Energieverbruik Nederland ca. 3400 PJ
PJ
Twh
%
Huishoudens
425
118
13
Transport
505
140
15
Energiebedrijven
455
126
14
1.390
386
41
560
156
17
3.335
926
100
Ca. 490 GJ
136 MWh
Ca. 200 GJ
56 MWh
Industrie Overig (diensten, landbouw, overheden) Totaal
Per huishouden (6.8 miljoen h.h.) Per Nederlander (17 miljoen)
Wat levert 50% besparing op gas bij huishoudens? 50%*80%*13% = 5% 14
Stroomproductie in NL vermogen * tijd
2010 Opgesteld vermogen
28.000 MW
Max belasting
14.000 MW
Miljoen kWh
110.000
Productie
10% duurzaam
Miljoen kWh
120.000
Verbruik
432 PJ
ongeveer 44% (12 GW) is WKK
Productie in NL
15
Waarom duurzame energie Vier aanleidingen komen in onze tijd bij elkaar: • • • •
Klimaat, klimaatbeleid, CO2 reductie, etc.; Afhankelijkheid van leverende landen, verminderende aanvoer en groeiend verbruik; Milieu en energie; Economische kansen.
Kenmerken:
veel beleid en hoge ambities, lokaal en internationaal veel onzekerheden en richtingenstrijd technische divergentie mix van politieke, commerciële en ethische argumenten
16
Beleid en uitvoering in Nederland Duurzame Energie Duurzame energiebeleid is vooral klimaatbeleid. Ambities zijn (ten dele) gekwantificeerd:
20-20-20
Schoon en Zuinig (Balkenende 4- Cramer)
14% volgens EU (2020)
Renewable Energy Directive RED
14% Rutte 1
16% Rutte 2 14% 2013
Energie Akkoord 2013
Weinig wetgeving, uitvoering via convenanten en MJA’s, akkoorden Stimuleren met fiscale maatregelen en subsidies (bv EIA, SDE subsidie).
17 17
Trias Energetica is leidend: (hoewel??)
1. eerst besparen, 2. dan alternatief opwekken, 3. dan conventionele productie verbeteren.
18
19
Koolstofkringloop in miljard ton. De C emissie uit verbranding is relatief klein, 6 miljard ton
NL emissie 215 miljoen ton CO2 = 58 miljoen ton C (1% vd wereld)
20
Plantengroei is de basis van fossiele energie Water uit de bodem + kooldioxide uit de lucht = suikers + zuurstof
Assimilatie: 2 == CC66 6HH12 12OO66 6 ++66OO22 2 66HH222OO ++ 66CO CO 22 12 6 H2O + 6 CO2 = C6H12O6 + 6 O2 Verbranding:
C6H12O6 ++66O2 O266 ==H2O H2O ++ 66CO2 CO2 C6H12O6 C6H12O6 + 6 O2 = 6 H2O + 6 CO2 96
+
96
=
60
+
132
H= 1 C= 6 O= 8
21
Over CO2 : Diesel (C13H28 ) geeft bij verbranding 13 CO2 moleculen, per kg diesel is dat 2,7 kg CO2.
C13H28 + 20 O2 --> 13 CO2 + 14 H2O 78 + 28=106
320
13* 6+16=286
14* 2+8 = 140
H= 1 C= 6 O= 8
De wereld produceert ca. 30 miljard ton CO2 per jaar. Nederland produceert ca. 210 miljoen ton CO2 per jaar, 12 ton per inwoner, 32 kg per dag (uit fossiele brandstof) of 8,7 kg C. (6/22 * 32) Ongeveer 60 kg per GJ
22
Duurzame Energie: EU en CBS rekenen met % van bruto eindverbruik
niet 3400 PJ maar 2200 PJ hh 425 transport 505 ind. 710 overig 560 2011 duurzaam
Elektriciteit Warmte Vervoer
43 PJ 37 PJ 13 PJ
Totaal
93 PJ
= 12 TWH =12.000 miljoen kWh = 10%
Hoeveel is 93 PJ (%)? Hoeveel is 14% ?
•
Stroom = 430 PJ = 20% van 2200 PJ
•
„eindenergieverbruik”, alle aan de industrie, het vervoer, de huishoudens, de dienstensector en de landbouw geleverde energie. Leveringen aan de energieomzettingssector en de energiebedrijven zelf vallen hier niet onder;
23 23
Totaal
93 PJ
=
4,3% van 2200 PJ (4,4 in 2012)
16%
=
352 PJ
van 2200
14%
=
308 PJ
van 2200
14%
=
280 PJ
van 2000
24
Verdeling van de opgave over de EU landen
25
http://www.w-i-n-d.nl/
http://www.de-ambtenaar.nl/
26
…6000 MW op land, wat levert dat op??
6000 MW * 2500 uur= 15.000.000 MWh
15 TWh =54.000 TJ = 54 PJ 54/2200 = 2% van 2200 PJ
27
Rekenen met wind… VRAAG 10 • •
Rekensom: Kan Nederland in zijn eigen elektriciteitsbehoefte voorzien met windmolens? Laten we rekenen met ons stroomverbruik van 120 miljard kWh per jaar, en met een gemiddelde productietijd van 2.300.
•
Hoeveel molens van 4MW zijn dat?
•
Productiefactor = urenvollast per jaar/ 8760 = 0,26 of 26%
28
Rekenen met wind… • •
Rekensom: Kan Nederland in zijn eigen elektriciteitsbehoefte voorzien met windmolens? Laten we rekenen met ons stroomverbruik van 120 miljard kWh per jaar. Met een gemiddelde productietijd van 2.300 uur is er dan een molenvermogen nodig van 52.000 MW.
•
Met moderne grote windmolens van 4 MW zijn er dan 13.000 nodig.
•
Als we ze 500 meter uit elkaar zetten kunnen er 4 per km2 geplaatst worden. Dan is ruim 3.000 km2 nodig of 300.000 ha. Dat komt overeen met het oppervlak van de provincie Groningen (2.960 km2).
•
Met deze berekening gaan we voorbij aan de reservecapaciteit die nodig is bij windstil weer.
•
Een windmolen op land kost ongeveer € 1.400 per kW of € 1.4 miljoen per MW. De benodigde 52.000 MW kost dus € 70 miljard of € 4.000,- per Nederlander.
29
De prijs van zonnepanelen drukken we uit in Euro per Watt (Wattpiek) Wp prijs zakt. Een paneel is ca. 1,6 m2, bij Wp van €1,50 en 250 Watt per paneel dus €375,-
30
PV PV haalt 12% -14% uit de zoninstraling van 1000W per m2 (Nederland) = 120 W – 140 W per m2 Productie: ca. 850 uren (vollast) per jaar. Dus: 850* 120 = 100 kWh per jaar per m2. (360 MJ of 0,36 GJ) Met 22 cent teruglevering dus €22,- inkomsten. Bij €2.00 per Wp is de investering €2,00 * 120 = €240. R.O.I. dus ruim 9% (11 jaar). Bij €1,20 per Wp is de investering €1,20 * 120 = €144. R.O.I, dus ruim 15% (7 jaar). (zonder rentekosten)
31
Opbrengsten van een systeem van 1170 Wp
32
zonthermisch Een zonnecollector haalt ruim driemaal zoveel rendement dan PV: 335 kWh per m2 per jaar of 1,20 GJ per m2. • Een zonnewarmtesysteem van 2,5 m2 vlakkeplaatcollector (= 3 GJ) en 100 liter opslagvat kost inclusief installatie en BTW ongeveer € 2.800 – € 2.900. • Als vuistregel geldt dat een zonnewarmtesysteem ongeveer € 950 per GJ kost. Vacuümbuiscollectoren zijn ongeveer €250 per GJ duurder.
3 GJ= 100 m3 gas = €50,- (<2% €rendement).
33
Rekenen met PV… Vraag 12 Rekensom: Kan Nederland in zijn eigen stroombehoefte voorzien met PV systemen? Laten we rekenen met ons verbruik van 120 miljard kWh per jaar en met een gemiddelde productietijd van 850 en een productie van 100 kWh per m2.
34
Rekenen met PV… Rekensom: Kan Nederland in zijn eigen stroombehoefte voorzien met PV systemen?
Nederland gebruikt produceert 120.000 miljoen kWh Met 100 kWh/m2 dus 1200 miljoen m2. Of 120.000 ha. = 1200 km2 (Groningen is 2960 km2)
35
Substraat
Vergisting.. http://WWW.B-I-O.nl
productietijd: 8000 uren per jaar
een koe produceert ca. 40 ton mest per jaar, dus 1000 m3 biogas = 600 m3 aardgaseq.
Runderdrijfmest
Biogasproductie van het verse materiaal in m3 per ton 20 - 30
Varkensdrijfmest
20 - 35
Kippenmest
70 - 90
Snijmaïs
180 - 220
Bieten
180 - 220
Glycerine
600 - 700
36
Rekenen met vergisting… Vraag •
•
•
Rekensom: Kan Nederland in zijn eigen stroombehoefte voorzien met co-vergistinginstallaties met WKK systemen? Laten we rekenen met ons verbruik van 120 miljard kWh per jaar en met een gemiddelde productietijd van 7.700 uur per jaar. Hoeveel systemen van 1MW zijn dan nodig?
37
Rekenen met vergisting… • •
Rekensom: Kan Nederland in zijn eigen stroombehoefte voorzien met co-vergistinginstallaties met WKK systemen? Laten we rekenen met ons verbruik van 120 miljard kWh per jaar. Met een gemiddelde productietijd van 7.700 uur per jaar is er een geïnstalleerd vermogen nodig van 15.600 MW, dus 15.600 middelgrote agrarische vergisters.
•
Per MW zijn op jaarbasis ca. 15.000 ton drijfmest en 15.000 ton co-substraten nodig, bijvoorbeeld maïs.
•
Totaal dus 234 miljoen ton mest en 234 miljoen ton maïs. Nederland produceert nu ca. 70 miljoen mest per jaar. Voor de maïs zou 4,5 miljoen ha. grond nodig zijn, maar Nederland heeft slechts 2 miljoen ha. landbouwgrond....
38
Rekenen per ha. Vraag Wat levert meer energie op: 1 ha PV of maïs of windmolens?
39
Rekenen per ha. Wat levert meer energie op? 1 ha PV of maïs of windmolens?
10.000 m2 PV (1,2MWp) * 100 kWh = 1 miljoen kWh e 1 ha maïs = 50 ton * 220 m3 gas = 11.000 m3 gas * 22 MJ /3600 * 0,4 (rendement) = 24.400 kWh e
1 * 4 MW windmolen * 2000 uren = 8 miljoen kWh (1/15 = 500.000 kWh e) ( 1 molen per 10 – 20 ha is reëel)
40
Verbranden van biomassa Brandstof Aardappels
kJ
kWh
3.140 kJ per kg
0,872 per kg
Aardgas
31.000 kJ per m3
8,61 per m3
Benzine
35.000 kJ per ltr
9,7 per ltr
Benzine
47.000 kJ per kg
13,05 per kg
Steenkool
20.000 kJ per kg
5,55 per kg
Geperste turf
16.000 kJ per kg
4,44 per kg
Droog hout (25% vocht) 14.000 kJ per kg Pellets
http://www.avih.nl/biomassakaart/
17.000 kJ per kg
3,88 per kg 4,72 per kg
http://www.youtube.com/watch?v=3-8qWheKIIg
41
1 m3 gas = 2-3 kg hout
• Wat mag 1 ton hout kosten als gas 50 cent per m3 kost? • Hoeveel hout in kilo is nodig om 20 ton houtpellets 300km te transporteren? (60 liter benzine)
42
•
Wat mag 1 ton hout kosten als gas 50 cent per m3 kost?
1 m3 gas = 2,5 kilo hout dus 50/2,5 = 20 cent per kg = €200,- per ton.
•
Hoeveel houtpellets in kilo is nodig om 20 ton pellets 300 km te transporteren? (60 liter benzine)
60 liter benzine = 140 kilo pellets. Van de 20.000 kilo is 0,7% verloren gegaan.
43
Hout areaal in de wereld (4.000 miljoen hectare, ¼ is Europa w.v. 80% v.m. Rusland)
Toename in Europa 120 miljoen hectare in 15 jaar, tweemaal NL per jaar
Totale areaal
Afname per 5 jaar Afname ‘90 -05
1990
2000
2005
4.077.291.000
3.988.610.000
3.952.025.000
88.681.000
36.585.000 125.266.000 (= 3%)
44
Boom
Aangroei per jaar per hectare in m3 Houtvolume na 40 jaar per hectare
Populier
12 m3
480 m3
Es
5 m3
200 m3
Eik
3 m3
100 m3
http://www.youtube.com/watch?v=3-8qWheKIIg
45
• Hoeveel hout en bos is nodig om een dorp met 400 huishoudens van warmte te voorzien?
Reken met 10 MJ per kg. en 600 kg per m3 (=6 GJ per m3) 400 hh * 1500 m3 gas * 31 MJ / 10 MJ= 1.860.000 kg hout = 1860 ton hout = ca. 3100 m3 Bijgroei per jaar per ha in een bos: 7 m3. 3100 /7 = 442 ha. bos. (1 ha per huishouden) Of 3100/200 = 15,5 ha bos kappen. Of korte omloop wilgenteelt: 1860/20 ton (200 GJ per ha per jaar) eenmaal per drie jaar = 93 ha. kort omloop wilgenbos.
46
Meerdere conversie routes, meerdere eindproducten
Hydrogen (H2) Water gas shift + separation
Methanol (CH3OH)
Catalysed synthesis
DME (CH3OCH3)
Syngas Gasification Lignocellulosic biomass
Flash pyrolysis Hydrothermal liquefaction Hydrolysis Sugar/starch crops
Milling and hydrolysis
Oil plants
Pressing or extraction
RVO / animal fat
FT Diesel (CxHy)
Anaerobic digestion Biogas
Bio oil
Purification
SNG (CH4)
Hydro treating and refining
Biodiesel (CxHy)
Fermentation
Ethanol (CH3CH2OH)
Esterification
Biodiesel (alkyl esters)
Sugar
Vegetable oil
Bio oil (vegetable oil) 47
Ethanol en biodiesel, groei door bijmenging verplichting Jaar
2000
Ethanol productie Wereld productie (in 1.000 vaten per dag)
297
2005
584
2009
1.310
Jaar
Biodiesel Wereld productie (in 1.000 vaten per dag)
2000
16
2005
77
2009
291
48
Is 1.3 miljoen vaten ethanol per dag veel?
Niet in vergelijking met de 85 miljoen vaten olie per dag.
1.3 miljoen vaten is 478.000.000 per jaar = 76 miljard liter (*159). 1 ha. levert 4.000 liter. 76 miljard liter/ 4000= 19 miljoen hectare. 19 miljoen hectare = 1,2 % van het wereld akkerbouwareaal (1500 miljoen hectare) Restproducten zijn waardevolle grondstof.
49
PPO= koolzaadolie als pure brandstof 4000 kg zaad per ha. 1400 kg olie + 2600 eiwit koek +4.000 kg stro
50
Rekenen aan scenario’s
(16.00 uur)
.
http://www.energietransitiemodel.nl
Beschrijf een mogelijke situatie of stel je doel of bereken het effect van opties. Doelen: energieneutraal X% reductie Effect:
(wat gebeurt er als de fossiele brandstof op raakt) (wat moeten we doen om 100% van fossiel af te komen) (wat gebeurt er als we 20 molens neerzetten)
(wat bedoel je daarmee) (waarvan?: kosten, CO2, energie, afhankelijkheid )
kosten, baten, reductie etc.
Methode: hoe bereken je het?
51
Voorbereidende vragen Energie neutraal… Hoeveel energie rekenen we aan ons zelf toe? Willen verrekenen of echt onafhankelijk? Energie besparen… Hoeveel verbruiken we nu, hoe meten we de voortgang?
52
Hoeveel verbruikt een stad of regio? Op basis van bruto eindverbruik: 2200 PJ Gebruik Nederland in: PJoule
Per inwoner o.b.v. 17 miljoen inwoners
TWh
PJ
MWh
GJ
611
2200
36
129
Noord Nederland o.b.v. 1.7 miljoen inwoners
TWh
PJ
61
220
Groningen o.b.v. 582.000 inwoners (3,4%) 21
75
Stad Groningen, 195.000 inwoners (1,14%) 6,7
25
Gem. Xx 38,000 inwoners (0,22%) 1,3
o.b.v.
60 GJ of 16,5 MWh per h.h.
24 GJ p.p.
=
13 PJ
=
6,6 MWh p.p
3,8 TWh Prv Gron
4,8 53
