Van opmaakenergie naar duurzame energie

Transcriptie

1 Een thema voor de 21 e eeuw: Van opmaakenergie naar duurzame energie Waarom is het zo belangrijk? Kijk dan eens naar het volgende lijstje... Een top-10 van wereldproblemen: 1. Energievoorziening 2. Watervoorziening 3. Voedselvoorziening 4. Milieu / uitputting natuurlijke (hulp)bronnen / klimaat 5. Levenspeil / welvaart (alsmede ongelijkmatige verdeling) 6. Gezondheid (denk aan AIDS, griep, XR-TBC) 7. Gewelddadige conflicten ( (burger)oorlogen, terreur) 8. Onderwijs 9. Bevolkingsbeleid (denk i.h.b. aan positie vrouwen) 10. 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 «

2 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?

3 Over de top : Wat voorbeelden van olie (en aardgascondensaat) producties begin tight oil? Alaska Tot wanneer? Denk aan Alaska

4 Een overzicht van olie, aardgascondensaat en biobrandstof Opm.: De non-opec productie stagneert of daalt al

5 Een mogelijk scenario

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

7 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

8 Ter vergelijking: De footprint van conventionele olie & gas is verrassend klein!

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

10 Top: Gemiddelde T verandering tussen de 1950 s en 2000 s Beneden: Globale gemiddelde T verandering sinds 1850

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

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

13 Een ander voorbeeld: De gemiddelde temperatuur in Nederland

14 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!

15 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?

16 Wereld energiegebruik (2014) ~ 580 ExaJoule per jaar = ~ 18.4 x Watt

17 Totaal: Ongeveer 580 EJ, dat is gemiddeld ±2500 Watt per persoon! Energie overzicht [EJ] (2014) Olie Kolen Aardgas Nucleair Hydro Biomassa traditioneel Biomassa modern Bio-diesel Bio-ethanol Wind Zonnew armte Zon, PV en CSP Geo w armte Geo electriciteit 2500 Watt (continue over 24 uur!) 3 x 3 Paarden (in 3 ploegen)

18 Meer dan 80% is nog altijd olie, kolen en aardgas... Energie overzicht [%] (2014) Olie Kolen Aardgas Nucleair Hydro Biomassa traditioneel Biomassa modern Bio-diesel Bio-ethanol Wind Zonnew armte Zon, PV en CSP Geo w armte Geo electriciteit

19 Van opmaakenergie naar duurzame energie Een intermezzo: Waar komt fossiele brandstof vandaan?

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

21 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

22 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: 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. Olie: 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

23 Hedendaags Voorbeeld: Oostelijke Middenlandse Zee Hedendaags voorbeeld: Zwarte Zee

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

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

26 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?

27

28 24 kwh/d = 1 kw = 31.5 GJ/yr = 0.75 toe/yr

29 Voor een voldoende kwaliteit van bestaan is er een zeker minimum aan energie nodig. 24 kwh/d = 1 kw = 31.5 GJ/yr = 0.75 toe/yr

30 Wat is er ruw weg nodig bij een hoog levenspeil? Landbouw en voedsel productie: ~ kw per capita Huishoudens: ~ kw per capita Transport: ~ kw per capita Materialen: ~ kw per capita Ergo: ± 3 kw per capita

31 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?

32 Wedges

33

34 Wind: 1 2 W/m² (land) tot 5 W/m² (offshore) Zon PV: ~ 8 à 10 W/m² (Nederland) ~ 20 W/m² (woestijn) Koolzaad: bio-diesel ton per ha per jaar ~ 0.2 W/m² Maïs: ethanol ton per ha per jaar W/m² Zon CSP: ~ 20 W/m² (woestijn) Miscanthus: ethanol ± 7 ton per ha per jaar ~ 0.65 W/m². direct gebruik: max. ~ 1 W/m²

35 Pratend over wind turbulentie waarom je ruimte nodig hebt

36 Wat aandachtspunten bij Windenergie: Er is ook hier ruimte nodig + Op open land: ~ 1 à 2 MW/km² (er kunnen bijv. wèl koeien rondlopen) + Op zee voor onze kust ~ 2 MW/km² (*) + Bij de Shetland eilanden ~ 5 MW/km² (*) Om een idee te geven: Het elektriciteitsverbruik van Nederland is gemiddeld in de tijd ruim 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)!

37 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 ton staal nodig. (5 10 kg/m², een lichte fiets) Voor de totale wereldcapaciteit aan elektriciteit (~2 TW, km²) komt dit neer op 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 )

38 Wat aandachtspunten bij biomassa: Er is véél ruimte nodig! + Koolzaad: ~ 0.2 MW/km² + Maïs: ~ MW/km² + Miscanthus: ~ MW/km² (*) Het gebruik van kunstmest levert N 2 O op. N 2 O is een zeer effectief broeikas gas (300 x CO 2!) 1 à 3% van de kunstmest eindigt als N 2 O 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 ~ J/yr, ofwel: MW primaire energie gemiddeld in de tijd. Voor Nederland op Miscanthus heb je dus minimaal km² nodig.

39 Biomassa: Een blik op energiedragers MJ/kg MJ/liter Benzine Diesel» Het non plus ultra van energiedragers Kerosine 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!

40 Source: Food and Agriculture Organization of the United Nations ftp://ftp.fao.org/docrep/fao/010/ag049e/ag049e00.pdf Category Extent, 000 km 2 Extent, % Data source Forest FAO(2006a) Woodland / Grassland FAO(2006b) Agricultural crops FAO(2006b) Urban area Angel et al. (2005) Other land balance Total FAO (2005) (+ kleine correcties)

41 Biomassa in water: Algen

42 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

43 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 / CO 2 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 CO 2 (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!

44 ( ) Uit: Sustainable energy without the hot air

45 24 kwh/d = 1 kw = 31.5 GJ/yr = 0.75 toe/yr

46 24 kwh/d = 1 kw = 31.5 GJ/yr = 0.75 toe/yr

47 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.

48 Nogmaals: Biomassa Residu van land- en bosbouw, potentieel > 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 10 9 t/jaar residu 10 9 t/jaar Rijst 0.60 stro, kaf 1.10 Suiker 0.08 bagasse 0.70 Meel 0.60 stro 1.00 Soja Bonen 0.16 stro, peulen 0.60 Graan 0.60 stelen 1.20 Hout bouw 0.50 afval, pulp 0.30 papier 0.50 afval, pulp 0.30

49 Nucleaire energie Nucleaire energie is zeker een optie. De footprint is klein ( 1 GW/km²), Het is relatief CO 2 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?

50 CO 2 afvangen & Geologische opslag van CO 2 Een (niet duurzame) tussenoplossing

51 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.

52 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?

53 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:

54 Tot 2008: Deployment history ; Na 2008: Blueprints scenario Shell 10³ TJ/yr = 31.7 MW = ± 500 boe/dag

55 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 ( 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» (25% groei) Biobrandstof: Nu totaal 1.9 EJ/jaar» 2015 (25% groei) ( ) Wat betekent MW in termen van ruimtebeslag? Zonne-energie: Minstens km² netto(!) zonnecel (20 W/m²) oppervlak. Windenergie: Minstens km² (3 W/m²) oppervlak Biobrandstof: Minstens 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!

56 Een aanbeveling door klimaat wetenschappers: 1.5 ton CO 2 per persoon per jaar per 2050, en liever nog ~1 ton CO 2 Dat wordt zelfs in dit Greenpeace scenario niet gehaald. (~2 ton CO 2 per persoon per jaar) En dat terwijl er bijv. een weinig realistisch totaal van ~40 EJ/jaar aan geothermische energie in zit. Daarom is CO 2 sekwestratie noodzakelijk als men dit doel (de 1.5 ton CO 2 ) ècht wilt halen.

57 CO 2 sekwestratie voor MW aan kolencentrales Rendement kolencentrales: 40%» Ergo: ~2.2 miljard ton CO 2 per jaar Dichtheid CO 2 bij injectie (~200 bar, ~30 C) van ~ 900 kg/m 3 betekent: ~2.2 miljard ton CO 2 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!

58 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!)

59 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 CO 2 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? Epiloog

60 Reserve sheets voor vragen

61 Nog een voorbeeld: De footprint van schaliegas en olie

62 Koolstof in de aardkorst: Een reusachtige hoeveelheid... Ter vergelijking: Olie (conventioneel) Aardgas (conventioneel) Kolen ca ton koolstof ca ton koolstof ca ton koolstof

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

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

65 Nog wat nadere details m.b.t. nucleair Nucleaire energie zou kunnen. Het ruimtebeslag is gering ( 1 GW/km²), en het is CO 2 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: U 238 n» U 239 β» Np 239 β» Pu 239 n» Pu 240 α» U 236 Np 237 n» Np 238 β» Pu 238 α» U 234 (U 234 komt ook van nature voor) U 235 n» U 236 n» U 237 β» Np 237 n, 2n» Np 236 β» Pu 236 α» U 232 Door de opbouw van U 236,U 234 en U 232 wordt de kernbrandstof uiteindelijk onbruikbaar. Ergo: Het laatste woord is er nog niet over gezegd. Een option of last resort?

66 Waarom is olie zo succesvol? Welnu, kijk dan eens naar het hieronder staande lijstje van energiedragers MJ/kg MJ/liter Benzine Diesel» Het optimum qua energie inhoud Kerosine per eenheid gewicht en volume H 2 (liq.) C ; koelen kost veel energie C 4 H 9 OH (*) C 2 H 5 OH (*) Uit bio routes CH 3 OH NH 3 (liq.) Boranen Kunnen alleen via chloriden worden Silanen 44.5 gemaakt, kost teveel energie Li 43 Kost teveel energie, net als bij Mg en Al (resp en MJ/kg!)

67 Een voorbeeld van biomassa» biobrandstof C x H 2x O x» CO / CO 2 / H 2 / H 2 O» x CO / 2x H 2» C x H 2x + x H 2 O O 2 1. Torrefactie, malen 2. Entrained flow vergassing 3. Shift stap (CO + H 2 O» CO 2 + H 2 ), CO 2 en water afvangen 4. Fischer-Tropsch stap, gevolgd door hydro-cracking Dit alles geeft dieselbrandstof van hoge kwaliteit als einderesultaat. 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 km² voor nodig!

68 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 Wereldwijde CO 2 emissies (2008) Totaal (exclusief grondgebruik) Kolen Electriciteit uit kolen 73 EJ/jaar 48 EJ/jaar 30 EJ/jaar (± 40% van het totaal) 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 CO 2 emissies willen doen, dan moeten we naar CCS kijken...

69 CO 2 afvangen, de mogelijke routes

70 Injectie in zout water houdende lagen: Het Sleipner project

71 Het opslag potentieel is aanzienlijk Het Potentieel voor Nederland: (bron: TNO KNAW symposium) 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 CO 2!

72 De schoon fossiel optie