Van opmaakenergie naar duurzame energie

Een thema voor de 21e eeuw:

Van “opmaakenergie” naar duurzame energie Waarom is het zo belangrijk? Kijk dan eens naar het volgende lijstje ... Een “top-10” van wereldproblemen: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

Energievoorziening Watervoorziening Voedselvoorziening Milieu / uitputting natuurlijke (hulp)bronnen / klimaat Levenspeil / welvaart (alsmede ongelijkmatige verdeling) Gezondheid (denk aan AIDS, griep, XR-TBC) Gewelddadige conflicten ( (burger)oorlogen, terreur) Onderwijs Bevolkingsbeleid (denk i.h.b. aan positie vrouwen) Lokaal zelfbeschikkingsrecht / democratie

Hier heb je (veel) energie voor nodig,

dit hangt er mee samen, en dit heb je er ook bij nodig.

——» Dit verhaal gaat over het eerste punt van deze lijst «——

Van “opmaakenergie” naar duurzame energie

• Waarom hebben we het nodig? • Waar praten we over? • Hoe kan het? Wat komt er bij kijken? • Hoe snel kan het?

“Over de top”: Wat voorbeelden van olie (en aardgascondensaat) producties

begin ’tight’ oil

? Alaska

Tot wanneer? Denk aan Alaska

Een overzicht van olie, aardgascondensaat en biobrandstof

Opm.: De non-OPEC productie stagneert of daalt al

Een mogelijk scenario

Er is nog veel meer (niet-conventionele!) fossiele brandstof …

Maar: De ‘footprint’ is vaak zeer aanzienlijk … (... en zéér veel groter dan bij conventionele olie & gas)

Een Canadese teerzand mijn ...

...en ter vergelijking het Noordzee kanaal

Ter vergelijking: De ‘footprint’ van conventionele olie & gas is verrassend klein

!

… en er komt ook een ander probleem om de hoek kijken …

Top: Gemiddelde T verandering tussen de 1950’s en 2000’s Beneden: Globale gemiddelde T verandering sinds 1850

Een voorbeeld: De ijsbedekking van de Noordelijke IJszee aan het einde van de zomer

Het 4e IPCC rapport werd al snel achterhaald door de feiten …

Een ander voorbeeld: De gemiddelde temperatuur in Nederland

Waar hebben we deze mazzel aan te danken? Niemand weet het precies. Echter: “Business as usual” kan “pushing one’s luck” betekenen.

“roller coaster”

Stabiel!



Wereld energiegebruik (2014)

~ 580 ExaJoule per jaar = ~ 18.4 x 1012 Watt

Totaal: Ongeveer 580 EJ, dat is gemiddeld ±2500 Watt per persoon!

Energie overzicht [EJ] (2014)

Olie

130.8

Kolen

24.1

Aardgas

1.25

14.0

Nucleair

0.67

35 25

0.3 0.3

2.54 8.07

Hydro Biomassa traditioneel Biomassa modern Bio-diesel

165.2

1.04

Bio-ethanol Wind Zonnew armte

177.3

1.97

Zon, PV en CSP Geo w armte Geo electriciteit

2500 Watt (continue over 24 uur!) ≈ 3 x 3 Paarden (in 3 ploegen)

Meer dan 80% is nog altijd olie, kolen en aardgas ...

Energie overzicht [%] (2014)

Olie

22.6

Kolen

4.2

Aardgas

0.22

2.4

Nucleair

6

0.12

4

0.05 0.05

0.44 1.39

Hydro Biomassa traditioneel Biomassa modern Bio-diesel

28.5

0.18

Bio-ethanol Wind Zonnew armte

30.6

0.34

Zon, PV en CSP Geo w armte Geo electriciteit


Een intermezzo: Waar komt fossiele brandstof vandaan?

Nu is het diepzeewater zuurstof rijk: I.h.a. arm aan organisch materiaal

Dat was in verleden wel anders! In het Jura/Krijt tijdperk was de diepzee veel warmer en zuurstof arm.

Voorbeeld: Een studie m.b.t. de zeeën ten tijde van het Jura tijdperk

Van microben naar olie

De Golf van Mexico en de Tethys Oceaan waren in het in het verre verleden ideale plekken voor bacterieel leven

Zwarte modder: De depositie van dood biogeen materiaal is groter dan de ontbinding. Daardoor zetten zich lagen modder rijk aan organisch materiaal af. Die worden later door sediment lagen bedekt.

Vorming Olie:

Olie:

Het organisch materiaal dat in het gesteente zit wordt bij geschikte temperaturen omgezet in olie. On deze op z’n plek te houden is een dichte laag gesteente (leisteen, steenzout of Anhydriet) nodig die de olie afsluit.

De microben die gedijden in de Thetys Oceaan en de Golf van Mexico vormen de basis voor de huidige olie voorkomens in het Midden-Oosten en de Golf van Mexico

Hedendaags Voorbeeld: Oostelijke Middenlandse Zee

Hedendaags voorbeeld: Zwarte Zee

“Olie venster”: 60 – 140°C Lagere temperatuur geeft zware olie, hoe hoger hoe lichter de olie wordt. Bij nog hogere temperatuur (>140°C) krijg je aardgas. (vooral methaan)

Nog een plaatje; Kolen vormt zich uit een aaneengesloten laag veen.



24 kWh/d = 1 kW = 31.5 GJ/yr = 0.75 toe/yr

Voor een voldoende kwaliteit van bestaan is er een zeker minimum aan energie nodig.


Wat is er ruw weg nodig bij een hoog levenspeil? • Landbouw en voedsel productie: ~ 0.5 – 1 kW per capita • Huishoudens: ~ 0.5 – 1 kW per capita • Transport: ~ 0.5 – 1 kW per capita • Materialen: ~ 0.5 – 1 kW per capita

Ergo: ± 3 kW per capita



Wedges

Wind:

Koolzaad:

1 – 2 W/m² (land)

“bio-diesel” 1 – 1.5 ton per ha per jaar

tot 5 W/m² (offshore) Zon PV:

~ 0.2 W/m² Maïs:

~ 8 à 10 W/m² (Nederland)

ethanol 2.5 – 3.5 ton per ha per jaar

~ 20 W/m² (woestijn)

0.3 – 0.4 W/m²

Zon CSP:

Miscanthus:

~ 20 W/m² (woestijn)

ethanol ± 7 ton per ha per jaar ~ 0.65 W/m². direct gebruik: max. ~ 1 W/m²

Pratend over wind  … turbulentie … waarom je ruimte nodig hebt

Wat aandachtspunten bij Windenergie: • Er is ook hier ruimte nodig + Op open land: ~ 1 à 2 MW/km² + Op zee voor onze kust ~ 2 MW/km² (*) + Bij de Shetland eilanden ~ 5 MW/km²

(er kunnen bijv. wèl koeien rondlopen)

(*) Om een idee te geven: Het elektriciteitsverbruik van Nederland is gemiddeld in de tijd ruim 12 000 MW. Voor “Elektrisch Nederland op Wind” heb je daar dus zo’n 6000 km² in de Noordzee nodig.

• De wind waait vaak onregelmatig. Je hebt dus een zeer groot koppelnet (over grote afstanden) nodig en/of (grootschalige) opslag van energie.

• Wind op zee is relatief duur; op land wordt er vaak over “gemauwd”. “Het is geen gezicht”. (NIMBY)

• De materiaal intensieteit is aanzienlijk. (Bijv.: Een 2 MW wind turbine ≈ 250 ton staal) Dit betekent dat voor de totale wereld elektriciteits productie (gem. ~2 TW) dat er 1 miljard ton staal nodig is ( de 2008 wereld staalproductie)!

Wat aandachtspunten bij zonne-energie • De materiaal intensiteit is belangrijk Veronderstel het plaatsen van 1 km² zonnepanelen (bijv. in de Sahara; 20 MW). In dat geval heb je 5000 – 10000 ton staal nodig. (5 – 10 kg/m², een lichte fiets) Voor de totale wereldcapaciteit aan elektriciteit (~2 TW, 100000 km²) komt dit neer op 0.5 – 1 miljard ton staal (1 GT  de 2008 wereld staalproductie)!

—» Dit gaat véél tijd kosten! (Dit geldt ook voor de andere vormen van duurzame energie …)

• Er is ruimte nodig (maar minder dan bij biomassa of wind) + In Nederland: Ruw weg 4 à 5 MW/km² (netto 9 MW/km², maar je kunt de boel niet “massief volleggen”) + In zonnige gebieden is ~ 20 MW/km² zeker haalbaar.

• Ook hier is een zeer groot koppelnet (over grote afstanden) en / of grootschalige energieopslag nodig. + Iets om over na te denken: politiek / veiligheidsrisico? (in het geval van “zonne-energie uit de Sahara”)

Wat aandachtspunten bij biomassa: • Er is véél ruimte nodig! + Koolzaad: + Maïs: + Miscanthus:

~ 0.2 MW/km² ~ 0.3 – 0.4 MW/km² ~ 0.7 – 1 MW/km² (*)

• Het gebruik van kunstmest levert N2O op. N2O is een zeer effectief broeikas gas (300 x CO2!) 1 à 3% van de kunstmest eindigt als N2O

• Kunstmest, proces omzettingen en logistiek vergen allen energie (b.v. 1 ton ammoniak = ~ 1 ton olie!) Het “eigen” energie verbruik kan – zeker bij Maïs – hard aantikken. Het water gebruik is in drogere gebieden een belangrijk aandachtspunt.

(*) Om een idee te geven: Het totale energie verbruik van Nederland is ~ 3 · 1018 J/yr, ofwel: 100 000 MW primaire energie gemiddeld in de tijd. Voor “Nederland op Miscanthus” heb je dus minimaal 100 000 km² nodig.

Biomassa: Een blik op energiedragers

Benzine │ Diesel │—» Kerosine │

MJ/kg

MJ/liter

43 – 45

35 – 38

Het “non plus ultra” van energiedragers

Indien geproduceerd uit biomassa: Een 5-voudige (droge!) massa aan biomassa is nodig.

Op wereldschaal: (de huidige vraag naar transportbrandstoffen) ~ 100 EJ/yr ≈ ~2.3 Gton fuel ≈ ~12 Gton biomassa —» 6

miljoen km² (0.5 W/m²)

Dit is problematisch: Electrifikatie daar waar maar mogelijk!

Source: Food and Agriculture Organization of the United Nations ftp://ftp.fao.org/docrep/fao/010/ag049e/ag049e00.pdf

Extent, ‘000 km2

Extent, %

Data source

Forest

39886

30

FAO(2006a)

Woodland / Grassland

34421

26

FAO(2006b)

Agricultural crops

15335

11

FAO(2006b)

Category

Urban area

400

Other land

44143

33

134185

100

Total

0.3

Angel et al. (2005) balance FAO (2005)

(+ kleine correcties)

Biomassa in water: Algen

Biomassa in water: Algen

Typische opbrengst per ha per jaar:

~70 ton olie ~17500 m³ “bio-gas” (methaan) Dit komt neer op ~5 Watt/m², ofwel 5 à 10 maal zoveel als bij biomassa op land

Wat aandachtspunten bij biomassa in water: Algen • Je hebt veel minder ruimte nodig dan bij biomassa op land; (~5 MW/km²) Echter: De extra investeringen zijn aanzienlijk. • Pas op voor concurrerende soorten (zeg maar “onkruid”) • Onderschat de lastigheid van de verwerking (b.v. de olie extractie) niet! Je hebt vaak minder dan 1% algjes in water. Het is een zeer waterige zooi! • Je moet zorgen voor voldoende voedingstoffen. Naast koolstof / CO2 en water heb je ook stiktof bemesting, zwavel en fosfor nodig. Onthoudt: Leven = koolstof, zuurstof, waterstof, stikstof, zwavel en fosfor!

• Andere belangrijke voedingstoffen: Kalium, calcium, natrium, magnesium, chloor (zout!), silicium (•) • Ook aan spoorelementen moet worden gedacht. (•) Voorbeelden: + + + +

Zink voor opname CO2 (enzym carbonic anhydrase) Molybdeen (en IJzer) voor stikstof binding (enzym nitrate reductionase) IJzer (synthese chlorofyl, zit Magnesium in) etc.

(•) Dit geldt voor vrijwel alle planten!

(•) Uit: “Sustainable energy – without the hot air”



Het ruimtebeslag … Om u een (ruw) idee te geven … Nederland op alléén biomassa zal derhalve nooit kunnen. In landen als Zweden is het wèl haalbaar. Daar is genoeg ruimte. Dus: Op plaatsen met een hogere bevolkingsdichtheid is het telen van energie gewassen problematisch. Je kunt echter wel (als kleine(!) bedrage) aan “afval” bij landbouw denken.

Nogmaals: Biomassa Residu van landen bosbouw, potentieel > 5·109 ton/jaar 1 ton droge biomassa ≈ 18 GJ, dus die 5 miljard ton komt neer op bruto(!) 90 EJ. Netto wordt het iets in de orde van ~50 EJ. Dat is ~10% van het huidige wereld energiegebruik, ofwel ruw weg de helft van het wereldtotaal aan vloeibare brandstoffen.

Hoofdproduct

109 t/jaar

Rijst Suiker Meel Soja Bonen Graan Hout bouw papier

0.60 0.08 0.60 0.16 0.60 0.50 0.50

residu

stro, kaf bagasse stro stro, peulen stelen afval, pulp afval, pulp

109 t/jaar 1.10 0.70 1.00 0.60 1.20 0.30 0.30

Nucleaire energie Nucleaire energie is zeker een optie. • De “footprint” is klein (≥ 1 GW/km²), • Het is relatief “CO2 arm” Echter,

• Het is kostbaar (zie Finland; 1600 MW, € 5 miljard), • Er zijn een paar “weerbarstige” problemen: + Accumulatie van Plutonium. + Reprocessing is geen panacee + Opslag van afval is “open ended” (“nukes are forever”) Ergo: Het debat over hoe belangrijk het wordt is nog open. Zal het een “option of last resort” worden als de inzet van duurzame energie achter blijft? En: Wordt de Thorium optie een mogelijkheid?

CO2 afvangen & “Geologische” opslag van CO2

Een (niet duurzame) tussenoplossing

Conclusie: Er zijn geen ideale antwoorden, en ... “zero impact” bestaat niet. Op een schaal van 100 EJ/jaar zullen er altijd “vervelende” bij-effecten zijn.



En dan komt nu de vraag: Hoe snel werden nieuwe energietechnologiën geïntroduceerd? Daartoe komt het volgende plaatje uit een opiniestukje van de hand van Gert-Jan Kramer en Martin Haigh in Nature in beeld:

Tot 2008: “Deployment history”; Na 2008: “Blueprints” scenario Shell

10³ TJ/yr = 31.7 MW = ± 500 boe/dag

“Snelle” exponentiële groeicurven: Een factor 10 in 10 jaar: ~25% per jaar —» Deze waarde is “historisch”. Een factor 30 in 10 jaar: ~40% per jaar Een factor 100 in 10 jaar: ~60% per jaar

Neem 10 EJ/jaar (≈ 300000 MW) als doel, waar praten we dan over?

(“Nu” = 2008)

Zon (PV, CSP): Nu 0.11 EJ/jaar ——» 2028 (25% groei), [ 2021 (40% groei), 2018 (60% groei) ] Wind: Nu 1.4 EJ/jaar ——» 2017 – 2018 (25% groei) Biobrandstof: Nu totaal 1.9 EJ/jaar ——» 2015 (25% groei) (•) Wat betekent 300000 MW in termen van ruimtebeslag? Zonne-energie: Minstens 15000 km² netto(!) zonnecel (20 W/m²) oppervlak. Windenergie: Minstens 100000 km² (3 W/m²) oppervlak Biobrandstof: Minstens 600000 km² (0.5 W/m²) oppervlak (≈ Frankrijk)

Maar denk er aan: 10 EJ/jaar is slechts 2% van het huidige totale energieverbruik! En daarbij komt: Vanaf 10 EJ/jaar gaan de groeicurven (aanzienlijk) afvlakken. (•) Of dit wordt gehaald is thans al zeer twijfelachtig!

Een aanbeveling door klimaat wetenschappers: ≤ 1.5 ton CO2 per persoon per jaar per 2050, … en liever nog ~1 ton CO2 …

Dat wordt zelfs in dit Greenpeace scenario niet gehaald. (~2 ton CO2 per persoon per jaar) En dat terwijl er bijv. een weinig realistisch totaal van ~40 EJ/jaar aan geothermische energie in zit.

Daarom is CO2 sekwestratie noodzakelijk als men dit doel (de ≤ 1.5 ton CO2) ècht wilt halen.

CO2 sekwestratie voor 300000 MW aan kolencentrales Rendement kolencentrales: 40% —» Ergo: ~2.2 miljard ton CO2 per jaar Dichtheid CO2 bij injectie (~200 bar, ~30°C) van ~ 900 kg/m3 betekent: ~2.2 miljard ton CO2 per jaar —» 42 miljoen barrel per dag

Om de gedachten te bepalen: De huidige conventionele olieproductie bedraagt ~73 miljoen barrel per dag. (1 barrel = 160 liter). Dus voor iets equivalent aan ~5% van het huidige energie verbruik heeft men al een “schaduw” infrastructuur (leidingen, boorputten, etc.) nodig die qua omvang de helft van de huidige ruwe olie infrastructuur groot is!

Duurzame energie, enkele consequenties: • De fysieke “footprint” is groter (dan bij conventioneel olie & gas) • Het is veel materiaal- en arbeidsintensiever • Het beslag op de algemene middelen wordt groter (Met zonne-energie gaat het echter snel omlaag!)

Epiloog Concluderend: Aan de hand van de vorige voorbeelden wordt duidelijk dat het “halen” van een doelstelling als “niet meer dan 50% fossiel” per 2050 nog een hele kluif zal worden. In het Shell “blueprints” scenario wordt 10 EJ/jaar equivalent aan CO2 sekwestratie per rond 2025 opgevoerd. Dit impliceert een zeer steil exponentieel groeipad van 2 decades in 10 jaar (60% per jaar!). Ook dat zal nog een hele kluif worden …

We praten in feite over een globaal soort “energie Manhattan project”, en niets minder dan dat! Ook zouden we (in het welvarende deel van de wereld) mogelijk een verandering van levensstijl onder ogen moeten willen zien. “Food for thought” voor politici?

Reserve sheets voor vragen

Nog een voorbeeld: De ‘footprint’ van schaliegas en olie

Koolstof in de aardkorst: Een reusachtige hoeveelheid ...

Ter vergelijking:

• Olie (conventioneel) • Aardgas (conventioneel) • Kolen

ca. 0.25 · 1012 ton koolstof ca. 0.15 · 1012 ton koolstof ca. 3.5 · 1012 ton koolstof

Koolstof in de aardkorst: Echter, het grootste deel (>99.99%) is onbereikbaar.

De prognoses van het IEA worden steeds verder naar beneden bijgesteld!

Nog wat nadere details m.b.t. “nucleair” Nucleaire energie zou kunnen. Het ruimtebeslag is gering (≥ 1 GW/km²), en het is “CO2 arm”. Echter, het is kostbaar (bijv. Finland; 1600 MW, € 5 miljard), en er zijn nog een aantal weerbarstige problemen zoals Plutonium accumulatie. Ook reprocessing van de kernbrandstof is bepaald geen panacee, … … want … , na 2 à 3 maal reprocessing is het gedaan … men zie: n β β n α U238 ——» U239 ——» Np239 ——» Pu239 ——» Pu240 ——» U236 β n α Np237 ——» Np238 ——» Pu238 ——» U234

(U234 komt ook van nature voor)

n n β n, 2n β α U235 ——» U236 ——» U237 ——» Np237 ——» Np236 ——» Pu236 ——» U232 Door de opbouw van U236 ,U234 en U232 wordt de kernbrandstof uiteindelijk onbruikbaar.

Ergo: Het laatste woord is er nog niet over gezegd. Een “option of last resort”?

Waarom is olie zo succesvol? Welnu, kijk dan eens naar het hieronder staande lijstje van energiedragers MJ/kg

MJ/liter

43 – 45

35 – 38

Het optimum qua energie inhoud per eenheid gewicht en volume

H2 (liq.)

120

8.5

– 253°C ; koelen kost veel energie

C4H9OH C2H5OH CH3OH

33 29 20

26 22 16

(*) (*) Uit bio routes

NH3 (liq.)

18.6

11.4

Benzine │ Diesel │—» Kerosine │

Boranen Silanen Li

60 – 73 ≤ 44.5 43

Kunnen alleen via chloriden worden gemaakt, kost teveel energie Kost teveel energie, net als bij Mg en Al (resp. 130 – 150 en 150 – 200 MJ/kg!)

Een voorbeeld van biomassa —» biobrandstof 1. 2. 3. 4.

Torrefactie, malen “Entrained flow” vergassing Shift stap (CO + H2O —» CO2 + H2), CO2 en water afvangen Fischer-Tropsch stap, gevolgd door hydro-cracking

Dit alles geeft dieselbrandstof van hoge kwaliteit als einderesultaat. CxH2xOx ┐ │ —–» CO / CO2 / H2 / H2O —» x CO / 2x H2 —» CxH2x + x H2O O2 ┘ Echter: Men heeft een ongeveer 5-voudige massa aan biomassa nodig! Dat betekent voor een echt grote “bio-raffinaderij” (~20 miljoen ton per jaar, zo groot als Pernis) dat er ~100 miljoen ton biomassa per jaar nodig is. Daar heb je derhalve minimaal maar liefst 40000 km² voor nodig!

Nog wat meer getallen … Kolen reserves:

(getallen uit “BP statistical review of world energy”)

• Bitumineuze kolen & antraciet ~500 Gton (~2500 Gbbl olie equivalent) • Sub-bitumineuze kolen & bruinkool ~400 Gton (… ten minste; mogelijk meer …) Wereld electriciteit productie (2008) • Totale electriciteitsproductie • Electriciteit uit fossiele brandstof • Electriciteit uit kolen

73 EJ/jaar 48 EJ/jaar 30 EJ/jaar (± 40% van het totaal)

Wereldwijde CO2 emissies (2008) • Totaal (exclusief grondgebruik) • Kolen • Electriciteit uit kolen

32 Gton/jaar 13 Gton/jaar 8 Gton/jaar

! —» Kolen & electriciteit uit kolen zal (nog) vele decennia onder ons zijn, dus als we iets aan deze CO2 emissies willen doen, dan moeten we naar CCS kijken ...

CO2 afvangen, de mogelijke routes

Injectie in zout water houdende lagen: Het Sleipner project

Het opslag potentieel is aanzienlijk

(bron: TNO – KNAW symposium) Het Potentieel voor Nederland: • 60 gas velden (incl. het Groningen veld) • 7 olievelden > 4 Mt (incl. het Schoonebeek veld) • UR geschat van het veld oppervlak, geschaald naar bewezen reserves • Totale opslag capaciteit ~ 11 Gt CO2!

De “schoon fossiel” optie

Van opmaakenergie naar duurzame energie

Recommend Documents