Rekenen met Energie (presentatie verzend versie)

Transcriptie

1 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 (onder rapporten staan de gebruikte publicaties).

2 Energie komt in fysieke vorm ons huishouden binnen. De eenheid is Joule. Een Nederlander heeft ongeveer kj per dag nodig uit zijn voedsel. Brandstof Aardappels Ei Suiker Olijf- of koolzaadolie kj kj per kg kj per kg kj per kg kj per kg Aardgas kj per m 3 Benzine Benzine Steenkool Geperste turf Droog hout (25% vocht) Loodaccu kj per kg kj per ltr kj per kg kj per kg kj per kg 100 kj per kg 2

3 Vermogen= energie per tijdseenheid Watt = J/sec of J= Watt sec I kj = 1000 Ws = 0,277 Wh= 0, kwh kj kwh delen door J = 1 Watt seconde energie= vermogen * tijd 1 kwh = 1000*3600 Ws= J = 3600 kj kwh kj vermenigvuldigen met 3600 kwh = kw * h kw= kwh/h h= kwh/kw 3

4 Energiewaarden in kj en kwh van voedsel en brandstof Brandstof kj kwh Aardappels kj per kg 0,872 per kg Ei kj per kg 1,588 per kg Suiker kj per kg 4,72 per kg Olijf- of koolzaadolie kj per kg 10 kwh per kg Aardgas kj per m 3 8,61 per m 3 Benzine kj per kg 13,05 per kg Benzine kj per ltr 9,7 per ltr Steenkool kj per kg 5,55 per kg Geperste turf kj per kg 4,44 per kg Droog hout (25% vocht) kj per kg 3,88 per kg 4

5 Voorvoegsels voor grote waarden SI voorvoegsel SI verkort voorvoegsel Waarde Hoofdtelwoord kilo k duizend 10 3 mega M miljoen 10 6 giga G miljard 10 9 tera T biljoen peta P biljard exa E triljoen zetta Z triljard Machten van 10 5

6 Verbruik van een gemiddeld huishouden jaarverbrui k Energie in MJoule in kwh % gas 1500 m 3 31 MJ/ m % elektriciteit 3300 kwh % % benzine 1000 ltr 35 MJ/ltr

7 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

8 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 = MWh) 27 molens van 3 MW *2200 uur= 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

9 Verbruik van een gemiddeld huishouden in Euro jaarverbruik per eenheid Energie in MJoule in kwh % In Euro gas 1500 m 3 0,50 31 MJ/ m % 750 elektriciteit 3300 kwh 0, % % benzine 1000 ltr 1,70 35 MJ/kg Prijs per MJ Prijs per Kwh Marktprijs per kwh Gas 0,50/31 1,61 cent 0,50/8,61 0,058 0,026 ½ Elektra 0,22/3,6 6,11 0,22 0,047 1/5 Benzine 1,70/35 4,8 1,70/9,7 0,175 w.apxendex. com/ 9

10 Energiebelasting Aardgas In Euro per m 3 Tot 5000 m 3 0,1629 0,1639 0, ,1411 0,1419 0, miljoen 0,0391 0,0393 0, miljoen 0,0124 0,0125 0,0127 Stroom In Euro per kwh kwh 0,1114 0,1121 0, ,0406 0,0408 0, miljoen 0,0108 0,0109 0,0111 Meer dan 10 miljoen zakelijk 0,0005 0,0005 0,

11 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

12 Energieverbruik Nederland aanvoer van brandstof conversie verbruik 10% steenkool 350 PJ 40% olie 1350 PJ 40% gas 1350 PJ 10% overig 340 PJ (kern- en duurzame energie) Totaal ca PJ 350 PJ kolen van 20 MJ per kg = 17,5miljoen ton 12

13 Energieverbruik Nederland 3400 PJ = 200 GJ per inwoner ( kwh) = 500 GJ per huishouden GJ kwh kwh Per jaar Per dag Congo ,4 Zambia ,0 Verenigde Staten Verenigd Koninkrijk

14 Energieverbruik Nederland ca PJ PJ Twh % Huishoudens Transport Energiebedrijven Industrie Overig (diensten, landbouw, overheden) Totaal Per huishouden (6.8 miljoen h.h.) Per Nederlander (17 miljoen) Ca. 490 GJ Ca. 200 GJ 136 MWh 56 MWh Wat levert 50% besparing op gas bij huishoudens? 50%*80%*13% = 5% 14

15 Stroomproductie in NL vermogen * tijd 2010 Opgesteld vermogen MW ongeveer 44% (12 GW) is WKK Max belasting MW Miljoen kwh Productie 10% duurzaam Miljoen kwh Verbruik 432 PJ Productie in NL 15

16 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

17 Beleid en uitvoering in Nederland Duurzame Energie Duurzame energiebeleid is vooral klimaatbeleid. Ambities zijn (ten dele) gekwantificeerd: 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)

18 Trias Energetica is leidend: (hoewel??) 1. eerst besparen, 2. dan alternatief opwekken, 3. dan conventionele productie verbeteren. 18

19 19

20 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

21 Plantengroei is de basis van fossiele energie Water uit de bodem + kooldioxide uit de lucht = suikers + zuurstof Assimilatie: 6 H2O + 6 CO2 = C6H12O6 + 6 O2 6 H2O + 6 CO2 = C6H12O6 + 6 O2 Verbranding: C6H12O6 O2 6 = H2O CO2 C6H12O6 + 6 O2 = 6 H2O + 6 CO = H= 1 C= 6 O= 8 21

22 Over CO 2 : Diesel (C 13 H 28 ) geeft bij verbranding 13 CO 2 moleculen, per kg diesel is dat 2,7 kg CO 2. C 13 H O 2 --> 13 CO H 2 O = * 6+16=286 14* 2+8 = 140 H= 1 C= 6 O= 8 De wereld produceert ca. 30 miljard ton CO 2 per jaar. Nederland produceert ca. 210 miljoen ton CO 2 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

23 Duurzame Energie: EU en CBS rekenen met % van bruto eindverbruik niet 3400 PJ maar 2200 PJ hh 425 transport 505 ind. 710 overig duurzaam Elektriciteit 43 PJ = 12 TWH = miljoen kwh = 10% Warmte 37 PJ Vervoer 13 PJ Totaal 93 PJ 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

24 Totaal 93 PJ = 4,3% van 2200 PJ (4,4 in 2012) 16% = 352 PJ van % = 308 PJ van % = 280 PJ van

25 Verdeling van de opgave over de EU landen 25

26 26

27 6000 MW op land, wat levert dat op?? 6000 MW * 2500 uur= MWh 15 TWh = TJ = 54 PJ 54/2200 = 2% van 2200 PJ 27

28 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 Hoeveel molens van 4MW zijn dat? Productiefactor = urenvollast per jaar/ 8760 = 0,26 of 26% 28

29 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 uur is er dan een molenvermogen nodig van MW. Met moderne grote windmolens van 4 MW zijn er dan nodig. Als we ze 500 meter uit elkaar zetten kunnen er 4 per km 2 geplaatst worden. Dan is ruim km 2 nodig of ha. Dat komt overeen met het oppervlak van de provincie Groningen (2.960 km 2 ). Met deze berekening gaan we voorbij aan de reservecapaciteit die nodig is bij windstil weer. Een windmolen op land kost ongeveer per kw of 1.4 miljoen per MW. De benodigde MW kost dus 70 miljard of 4.000,- per Nederlander. 29

30 De prijs van zonnepanelen drukken we uit in Euro per Watt (Wattpiek) Wp prijs zakt. Een paneel is ca. 1,6 m 2, bij Wp van 1,50 en 250 Watt per paneel dus 375,- 30

31 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

32 Opbrengsten van een systeem van 1170 Wp 32

33 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 m 2 vlakkeplaatcollector (= 3 GJ) en 100 liter opslagvat kost inclusief installatie en BTW ongeveer 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

34 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

35 Rekenen met PV Rekensom: Kan Nederland in zijn eigen stroombehoefte voorzien met PV systemen? Nederland gebruikt produceert miljoen kwh Met 100 kwh/m2 dus 1200 miljoen m2. Of ha. = 1200 km2 (Groningen is 2960 km2) 35

36 Vergisting.. productietijd: 8000 uren per jaar een koe produceert ca. 40 ton mest per jaar, dus 1000 m3 biogas = 600 m3 aardgaseq. Substraat Biogasproductie van het verse materiaal in m 3 per ton Runderdrijfmest Varkensdrijfmest Kippenmest Snijmaïs Bieten Glycerine

37 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 uur per jaar. Hoeveel systemen van 1MW zijn dan nodig? 37

38 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 uur per jaar is er een geïnstalleerd vermogen nodig van MW, dus middelgrote agrarische vergisters. Per MW zijn op jaarbasis ca ton drijfmest en 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

39 Rekenen per ha. Vraag Wat levert meer energie op: 1 ha PV of maïs of windmolens? 39

40 Rekenen per ha. Wat levert meer energie op? 1 ha PV of maïs of windmolens? m2 PV (1,2MWp) * 100 kwh = 1 miljoen kwh e 1 ha maïs = 50 ton * 220 m3 gas = m3 gas * 22 MJ /3600 * 0,4 (rendement) = kwh e 1 * 4 MW windmolen * 2000 uren = 8 miljoen kwh (1/15 = kwh e) ( 1 molen per ha is reëel) 40

41 Verbranden van biomassa Brandstof kj kwh Aardappels kj per kg 0,872 per kg Aardgas kj per m 3 8,61 per m 3 Benzine kj per ltr 9,7 per ltr Benzine kj per kg 13,05 per kg Steenkool kj per kg 5,55 per kg Geperste turf kj per kg 4,44 per kg Droog hout (25% vocht) kj per kg 3,88 per kg Pellets kj per kg 4,72 per kg

42 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

43 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 kilo is 0,7% verloren gegaan. 43

44 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 (= 3%) 44

45 Boom Aangroei per jaar per hectare in m 3 Houtvolume na 40 jaar per hectare Populier 12 m m 3 Es 5 m m 3 Eik 3 m m

46 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= kg hout = 1860 ton hout = ca m3 Bijgroei per jaar per ha in een bos: 7 m /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

47 Meerdere conversie routes, meerdere eindproducten Hydrogen (H2) Gasification Syngas Water gas shift + separation Catalysed synthesis Methanol (CH3OH) DME (CH3OCH3) Lignocellulosic biomass Sugar/starch crops Anaerobic digestion Flash pyrolysis Hydrothermal liquefaction Hydrolysis Milling and hydrolysis Biogas Bio oil Sugar Purification Hydro treating and refining Fermentation FT Diesel (CxHy) SNG (CH4) Biodiesel (CxHy) Ethanol (CH3CH2OH) Oil plants Pressing or extraction Vegetable oil Esterification Biodiesel (alkyl esters) RVO / animal fat Bio oil (vegetable oil) 47

48 Ethanol en biodiesel, groei door bijmenging verplichting Jaar Ethanol productie Wereld productie (in vaten per dag) Jaar Biodiesel Wereld productie (in vaten per dag) 48

49 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 per jaar = 76 miljard liter (*159). 1 ha. levert 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

50 PPO= koolzaadolie als pure brandstof 4000 kg zaad per ha kg olie eiwit koek kg stro 50

51 Rekenen aan scenario s (16.00 uur). Beschrijf een mogelijke situatie of stel je doel of bereken het effect van opties. (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) Doelen: energieneutraal (wat bedoel je daarmee) X% reductie (waarvan?: kosten, CO2, energie, afhankelijkheid ) Effect: kosten, baten, reductie etc. Methode: hoe bereken je het? 51

52 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

53 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 Noord Nederland o.b.v. 1.7 miljoen inwoners TWh PJ Groningen o.b.v inwoners (3,4%) Stad Groningen, inwoners (1,14%) o.b.v. 60 GJ of 16,5 MWh per h.h. 6, GJ p.p. = 6,6 MWh p.p Gem. Xx 38,000 inwoners (0,22%) 13 PJ = 3,8 TWh Prv Gron 1,3 4,8 53