EnergieLokaal Wij krijgen Kippen en Debets BV. Rekenen met Energie

Transcriptie

1 Organisatie: Datum: Locatie: Docent: Verslag: en Debets BV 20 februari 2014 Oldschool, Gaasterlandstraat 5. Frans Debets Frank Boon Dit verslag is samengesteld op basis van de cursus op 20 februari en het cursusboek geschreven door Frans Debets. De cursus begint met het gelijk zetten van de klokken. En gaat daarna van start op microniveau (huishoudens) en werkt toe naar grotere schalen (gemeente en landelijk). Tijdens deze cursus wordt ook aandacht besteed aan duurzame energie bronnen (wind, zon pv en zon thermisch). In de bijlage (p.10) zijn drie rekenvoorbeelden opgenomen. De klokken gelijk zetten Eenheden Om iets te begrijpen van de ontwikkelingen op het gebied van energie is het handig om de verschillende eenheden die worden gebruikt uit elkaar te kunnen houden. Er worden verschillende termen gebruikt, maar er zit een zekere samenhang in. Het gaat om de energie- inhoud van brandstoffen, het energiegebruik of de energieproductie, het vermogen etc. Bij elk begrip horen eenheden en met rekenregels kan je met deze eenheden rekenen. Een eenheid die we vooral uit de supermarkt kennen is de calorie. Maar in de algemene energieleer wordt vooral gerekend met de eenheid Joule (J) of kilowattuur (kwh). Van kilo tot zetta Op het niveau van de dagelijkse hoeveelheid calorieën (of Joules) die een mens nodig heeft is het handig om dit in kilocalorieën (kcal) i.p.v. calorieën uit te drukken. Maar wanneer het gaat over de energiebehoefte van meerdere mensen (stad, provincie, land of wereld) is uitdrukken van onze energiebehoefte in kilo s (duizenden) ook niet meer overzichtelijk en worden grotere waardes zoals mega, giga, tera en peta gebruikt. Om het gebruik van te veel nullen te vermijden wordt daarom gewerkt met deze voorvoegsels. In de onderstaande tabel zijn de verhoudingen weergegeven: Voorvoegsel Afkorting Waarde Telwoord Machten 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 Copyleft: Expertsessie: 1

2 Hoeveel verbruikt een huishouden? Een huishouden verbruikt energie uit verschillende bronnen. Bekende voorbeelden zijn de energierekening voor elektra en gas en voor mensen met een auto de benzine die bij de pomp wordt gekocht. Maar naast deze bekende vormen verbruikt een huishouden ook energie die bijvoorbeeld zit opgeslagen in voedsel of minder direct, de energie die nodig is geweest voor het produceren van de verpakkingen, producten en diensten die we gebruiken. Brandstof Energie inhoud in kj Energie inhoud in kwh Aardappels (kg) kj 0,872 kwh Suiker (kg) kj 4,72 kwh Ei (kg) kj 1,59 kwh Aardgas (m 3 ) kj 8,61 kwh (per m 3 ) Benzine (liter) kj 9,72 kwh Benzine (kg) kj 13,05 kwh Droog hout (kg) kj 3,88 kwh Lood (kg) 100 kj 0,027 kwh Ter vergelijking een gemiddeld persoon (man) heeft op een dag ongeveer kcal nodig. Met de volgende vuistregel is het mogelijk om van calorie naar Joule te rekenen: 1 calorie = 4,18 Joule (en 1 kcal = 4,18 kj) kcal is dus ongeveer kj. Om aan de benodigde dagelijkse energie te komen kan een volwassen man dus iets meer dan 3 kilo aardappels eten, zo n 600 gram suiker of een kleine 2 kilo eieren. In theorie heeft een gemiddeld persoon voor zijn dagelijkse energiebehoefte ook voldoende aan een kwart liter benzine of een derde kubieke meter gas. Energie = vermogen * tijd De relatie tussen energie, vermogen en tijd kan als volgt worden uitgelegd: Als een vermogen van 1 Watt gedurende 1 seconde wordt geleverd, is de hoeveelheid energie 1 Joule. Met andere woorden: 1 Joule = 1 Watt * seconde (of 1 Watt = 1 Joule per seconde) 1 kwh = 1 kw * uur 1 kwh = 1000 W * 3600 seconde 1 kwh = Joule = kj = 3,6 MJ Om van kj naar kwh te gaan deel je dus door 3600 (zie de derde kolom in de bovenstaande tabel). 1 MJ = 0,278 kwh (1/3,6) Copyleft: Expertsessie: 2

3 Vermogen Een mens, paard of apparaat kunnen energie omzetten met een zeker vermogen. Vermogen van elektrische apparaten wordt uitgedrukt in Watt (W) en dat van auto s vaak in pk. Het vermogen van een mens kun je ook uitrekenen. We weten dat een gemiddeld persoon ongeveer kj (of 2,77 kwh) per dag nodig heeft. 2,77 kwh is 2770 Watt. Een dag heeft 24 uur dus 2770 delen door 24 is een vermogen van 115 Watt. Wat verbruikt een huishouden? Op basis van CBS gegevens is het gemiddelde verbruik van een Nederlands huishouden 3300 kwh en 1500 m 3 gas per jaar. We weten uit de tabel hierboven dat 1 m 3 gas een energie inhoud heeft van kj kj is hetzelfde als 31 MJ. Om van kj naar kwh te gaan deel je door 3600, dus om van MJ naar kwh te komen deel je door 3,6. Hierboven werd ook duidelijk dat 1 kwh = 3,6 MJ kwh is dus MJ (3300 * 3,6). Jaarverbruik Energie per Jaarverbruik in Jaarverbruik Percentage eenheid MJ in kwh (ongeveer) Gas 1500 m kj of 1500 * 31 = / 3,6 = 80% 31 MJ per m MJ kwh Elektra 3300 kwh 1 kwh = MJ 3300 kwh 20% kj of 3,6 MJ Totaal MJ kwh 100% Een huishouden met een auto kan ook worden meegenomen in de berekeningen. Als voorbeeld kan een benzine auto worden genomen waarmee het gezin op jaarbasis 1000 liter benzine verbruikt. Dit is niet gemiddeld maar hypothetisch. Jaarverbruik Energie per Jaarverbruik in Jaarverbruik Percentage eenheid MJ in kwh (ongeveer) Gas 1500 m kj of 1500 * 31 = / 3,6 = 50% 31 MJ per m MJ kwh Elektra 3300 kwh 1 kwh = MJ 3300 kwh 12% kj of 3,6 MJ Benzine 1000 liter kj of MJ / 3.6 = 38% 35 MJ per liter kwh Totaal MJ kwh 100% Besparen Waar kun je als huishouden dan het beste op besparen? Als je kijkt naar de energie die je in huis gebruikt gaat dus ongeveer 80% op aan gas en slechts 20% aan elektra (scenario zonder auto). Daarbij komt kijken dat ongeveer 80% van het totale gasverbruik (die Copyleft: Expertsessie: 3

4 1500 m 3 ) op de 40 koudste dagen van het jaar wordt verstookt. Een week lang de kachel laag zetten en met een trui aan tegen elkaar kruipen is daarmee erg effectief. Maar wanneer je het verbruik uitdrukt in termen van geld wordt het duidelijk dat de kosten op jaarbasis voor gas en elektra niet zo heel veel verschillen. Uit financieel oogpunt kun je beargumenteren dat je ook goed kunt besparen op de energierekening door het elektraverbruik omlaag te brengen. Daarnaast is korte afstanden met de fiets i.p.v. de auto ook een zeer interessante economische afweging. Zie de tabel hieronder: Jaarverbruik Jaarverbruik % MJ Prijs per eenheid Kosten % in in MJ (ongeveer) per jaar Gas 1500 m MJ 50% 0,60 per m % Elektra 3300 kwh MJ 12% 0,22 per kwh % Benzine 1000 liter MJ 38% 1,70 per liter % Totaal MJ 100% % Wanneer je de prijzen voor gas, elektra en benzine in euro s per MJ uitdrukt is er een gemeenschappelijke noemer om ze vergelijken (zie onderstaande tabel). Gas kost per MJ bijna 0,02, elektra ongeveer 0,06 en benzine bijna 0,05. Uitgedrukt in euro s per kwh zijn de verschillen gelijk en kost gas 0,07, elektra 0,22 en benzine 0,18. Gas is dus ruim 3 keer zo goedkoop per MJ of kwh dan elektra! Jaarverbruik Kosten per jaar Jaarverbrui k in MJ Kosten per MJ Jaarverbruik in kwh Kosten per kwh Gas 1500 m MJ 0, kwh 0,07 Elektra 3300 kwh MJ 0, kwh 0,22 Benzine 1000 liter MJ 0, kwh 0,18 Door zelf een paar keer te oefenen of de berekenen op te schrijven blijft de materie beter zitten. In de bijlage staan een paar alledaagse sommen (en antwoorden) die het abstracte meer concreet maken. Hoeveel energie verbruikt Nederland? Het totale energieverbruik van Nederland is dusdanig groot dat het in Peta Joule (PJ) wordt uitgedrukt. In 1980 werd in Nederland ongeveer zo n 3000 PJ verbruikt. Dit is het totale verbruik van alle bewoners, overheden, bedrijfsleven en industrie en inclusief de handel en transport van alle goederen en diensten in Nederland. Tegenwoordig ligt het totale verbruik in Nederland zo rond de 3400 PJ per jaar. Bron Doel In PJ Percentage Steenkool Elektriciteit % Olie Transport % Gas Meerdere doelen: zoals elektriciteit, warmte, etc % Overig Meerdere doelen: zoals elektriciteit, warmte, etc % Copyleft: Expertsessie: 4

5 Onder overig vallen onder andere kern energie en energie uit duurzame bronnen. In Nederland gebruiken we met elkaar dus een slordige 3400 PJ per jaar. Hoeveel is dat per hoofd van de bevolking? Een PJ is een 1 met 15 nullen (= ) dus je kunt ook zeggen 3400 * Joule. In Nederland wonen we met (voor het gemak) 17 miljoen mensen. Een miljoen is een 1 met 6 nullen (= 10 6 ) * / 17 * 10 6 = 3400 * 10 9 / 17 = 200 * 10 9 = 200 GJ per persoon per jaar. (10 9 is een miljard = Giga) Als we over de duim rekenen met een gemiddelde van 2,5 persoon per huishouden weten we dat wanneer we alle ons energieverbruik over de Nederlandse huishoudens verdelen per huishouden gemiddeld 500 GJ per jaar wordt verbruikt! Uit de vergelijking hierboven weten we dat een gemiddeld huishouden in Nederland aan gas en elektra zo MJ per jaar verbruikt MJ is hetzelfde als 60 GJ. Per huishouden verbruiken we dus 60 GJ aan gas en elektra maar verbruiken we als we het totale verbruik over de huishoudens uitsmeren in Nederland 500 GJ per huishouden. Wie verbruikt nou al die energie? Als we de gebruikers categoriseren naar huishoudens, transport, industrie (incl. bedrijven), energiebedrijven (NUON, Essent etc.) en overig wordt het volgende duidelijk: Categorie Huishoudens Transport Industrie Energiebedrijven Overig Totaal Percentage 13% 15% 41% 14% 17% 100% Duurzame energie Er kunnen grofweg 4 motieven worden onderscheiden om duurzame energie te stimuleren: 1. Klimaat en/of milieu motief. Ten grondslag hiervan ligt de toename van CO2 in onze atmosfeer. 2. Minder afhankelijk van fossiele energie (uit instabiele regio s). 3. Tegengaan van vervuiling van het milieu die vaak gepaard gaat met fossiele energie. 4. Economische kansen (bijvoorbeeld het exporteren van kennis). Copyleft: Expertsessie: 5

6 Europese doelen Op Europees niveau zijn er doelen gekwantificeerd voor de hoeveelheid duurzame energie die Europese landen in 2020 opwekken. De deelnemende Europese landen hebben zich gezamenlijk gecommitteerd aan de doelstelling om in % duurzame energie op te wekken. De doelstelling per land verschilt sterk. Zo heeft Zweden toegezegd 50% van de totale energiebehoefte duurzaam op te wekken en is dat in Nederland 14%. De Europese doelen zijn in 2009 vastgelegd in de Renewable Energy Directive of in het Nederlands EU- Richtlijn Hernieuwbare Energie : lex.europa.eu/lexuriserv/lexuriserv.do?uri=oj:l:2009:140:0016:0062:en:pdf In Nederland heeft de doelstelling van 14% duurzame energie de laatste jaren een paar keer ter discussie gestaan. In 2009 heeft Nederland getekend voor 14% maar is de ambitie door Balkenende IV verhoogd naar 20% in Bij het aantreden van Rutte I is de doelstelling weer teruggebracht tot het Europese minimum van 14%. Een regeerperiode verder werd door Rutte II de lat een stukje hoger gelegd naar 16% maar uit het SER akkoord dat afgelopen zomer werd gepresenteerd is de doelstelling weer terug op wat Europa minimaal van Nederland vraagt: 14%. Waar staat Nederland nu? Momenteel is het aandeel duurzame energie 4,4%. In de Renewable Energy Directive is vastgelegd dat Nederland in de komende 6 jaar dus nog 10% extra moet realiseren. Zoals besproken gebruiken we met elkaar 3400 PJ energie in Nederland. Maar als er wordt gesproken over 14% duurzame energie is dat niet 14% van 3400 PJ. De doelstelling is namelijk geijkt op het zogenaamde Bruto Energetisch Eindverbruik. Met energetisch wordt bedoeld het eindverbruik van energiedragers waarvan de energie- inhoud wordt benut. Concreet betekent dit dat bunkervoorraden in havens, input voor de chemische industrie en warmteverliezen bij het opwekken van elektriciteit in een kolencentrale niet worden meegeteld in het Bruto Energetisch Eindverbruik. Als deze verliezen (het niet energetisch eindverbruik) buiten beschouwing worden gehouden bedraagt het Bruto Energetisch Eindverbruik in Nederland momenteel 2200 PJ. Als we 14% duurzame energie in 2020 moeten opwekken is dat op basis van het huidige verbruik zo n 300 PJ (14% van 2200). De allocatie van deze 2200 PJ is als volgt: Categorie PJ Percentage Huishoudens * % Transport % Industrie % Overig % Totaal % * Zie ook het compendium voor de leefomgeving: Huishoudelijk- energieverbruik- per- inwoner.html?i=6-40 Copyleft: Expertsessie: 6

7 Opwek duurzame energie In Nederland wordt nu ongeveer 93 PJ aan duurzame energie opgewekt (4,3%). Hiervan wordt 43 PJ aan elektriciteit en 37 PJ aan warmte opgewekt. De overige 13 PJ is toe te schrijven aan duurzaam vervoer. Als we de totale elektriciteitsproductie vergelijken met de elektriciteit die duurzaam wordt opgewekt wordt 10% van het totaal duurzaam opgewekt. Wind Windmolens zijn al eeuwen onderdeel van het Nederlandse landschap. De klassieke molens leveren zo n kw en werd voor verschillende doeleinden gebruikt. Maar sinds de jaren 70 is de windmolen terug in een modern jasje en hoofdzakelijk in gebruik voor de opwek van elektriciteit. In de loop der jaren is het vermogen van windmolens flink toegenomen. Waar een molen van 85 kw in de jaren 80 nog als fors werd bestempeld hebben moderne windmolens tegenwoordig een vermogen van zo n 3 tot 4 MW. In 2012 was het opgestelde vermogen toegenomen met 118 MW tot een totaal van MW. Bij elkaar werd er door windmolens in miljard kwh (of miljard kj = 18 PJ) opgewekt. Als we er voorzichtig van uitgaan dat het rendement van een kolencentrale rond de 45% ligt, werd met de MW aan windmolens in totaal 40 PJ (18/0,45) aan fossiele brandstof uitgespaard. In het SER akkoord is beschreven dat er 6000 MW aan wind op land bij zal komen en 4500 MW aan wind op zee om de doelstelling voor 2020 te gaan halen. Dat is bij elkaar MW en daarmee ruim 4 maal zoveel als er nu staat. Om uit te kunnen rekenen hoeveel elektriciteit een windmolen per jaar produceert is het nodig om te weten hoeveel vermogen de molen heeft en hoeveel uur per jaar deze op vollast kan draaien. Afhankelijk van waar een windmolen staat (bijvoorbeeld op zee, vlakbij de kust of in het binnenland) varieert het aantal uren waarop een windmolen op vollast uren kan draaien. De gemiddelde productietijd van een moderne molen ligt rond de uur per jaar. Een molen van 4 MW die uur per jaar in productie is, wekt daarmee op jaarbasis 4 * = MWh. 1 MWh is 1000 kwh dus deze molen wekt op jaarbasis kwh op. Op de website i- n- d.nl/ is veel informatie over alle windmolens en windparken in Nederland te vinden. Zon Dagelijks straalt de zon ruim voldoende energie op de aarde om onze energiebehoefte te dekken. De hoeveelheid zonne- energie is namelijk 175 PWatt en wat wij ongeveer nodig hebben is 14 TWatt. Dat is dus net iets minder dan 0,01% (14/ ) van wat de zon ons te bieden heeft. Copyleft: Expertsessie: 7

8 Omdat de zon niet statistisch aan de hemel staat en zich beweegt gedurende de dag, is de intensiteit van de straling niet altijd gelijk. Midden op de dag (tussen 11:00 en 15:00) is de straling het sterkst. Ook door de seizoenen heen varieert de intensiteit van de zon en is deze het sterkst in de zomermaanden. Op een zomerdag tussen 11:00 en 15:00 is het vermogen van de zon gelijk aan 1000 Wat per m 2. Zonne- energie kan worden geoogst in de vorm van warmte (thermisch) en elektriciteit (photovoltaisch - PV). Een PV zonnepaneel haalt een rendement van ongeveer 12 tot 14%. Dat betekent dat van de 1000 Watt per m 2, een PV zonnepaneel 120 tot 140 Watt per m 2 kan opwekken. Dit is het maximale vermogen dat een zonnepaneel kan opwekken en wordt aangeduid met Wattpiek (Wp). Huidige zonnepanelen hebben vaak een vermogen van 250 Wp per paneel. Als het rendement per m Watt is dan is het oppervlak van het paneel dus 1,8 m 2. In de praktijk is het oppervlak van de meeste panelen ongeveer 1,65 m 2. Met een huidig rendement van 140 W per m 2 ligt het vermogen van deze panelen in werkelijkheid eerder rond de 230 Wp (140*1,65). Met andere woorden, de 250 Watt die men opgeeft is zeldzaam gedurende het jaar. Waar een windmolen per jaar gemiddeld uren productief is, wekt een zonnepaneel ongeveer 850 uur per jaar het maximale vermogen op. Het merendeel van deze uren 500 uur wordt opgewekt in maanden april tot en met augustus. Een zonnepaneel van dat 140 W per m 2 opwekt en 850 uur per jaar productief is, wekt dus op jaarbasis 140 W * 850 uur = Wattuur = 119 kwh per m 2 op. Een gemiddeld Nederlands huishouden gebruikt op jaarbasis 3300 kwh en zal op het hele jaarverbruik op te wekken dus 28 m 2 aan zonnepanelen moeten plaatsen (met een vermogen van 140 Watt per m 2 ). Naast elektriciteit kan er ook warmte worden gewonnen uit de instraling van de zon. Met zon thermische panelen kan het tapwater worden verwarmt en in combinatie met een andere warmtebron (bijvoorbeeld een houtpellet of cv- kachel) kan een zon thermisch systeem ook je huis verwarmen. Thermische systemen benutten ongeveer 25 tot 30% van de ingestraalde zonne- energie. Dat ligt dus ruim boven dat van PV panelen. Een zon thermisch paneel van 1 m 2 wekt volgens Holland Solar ongeveer 1,17 GJ per jaar op. Door de opbrengst van een PV paneel (119 kwh) met 3600 te vermenigvuldigen krijg je het aantal kj. Dat is kj en 428,4 MJ en 0,4234 GJ. Ook hiermee is duidelijk dat in termen van energie een zon thermisch systeem een hoger rendement heeft. Maar is het vanuit financieel oogpunt ook rendabeler? Een zon thermisch systeem van 2,5 m 2 en opslagvat van 100 liter kost rond de Met 2,5 m 2 aan oppervlak kan op jaarbasis bijna 3 GJ worden opgewekt. 1 m 2 gas heeft een energie- inhoud van kj. Met een opbrengst van 3 GJ (= kj) wordt dus een kleine 100 m 2 gas uitgespaard. Per m 2 gas betalen huishoudens 0,60 en besparen op jaarbasis dus 60 met een zon thermisch systeem. Uit financieel oogpunt levert een PV paneel dus meer op dan een thermisch paneel. Het feit dat gas per GJ veel goedkoper is dan elektriciteit is de reden waarom zon thermische systemen economisch minder interessant zijn dan PV panelen. Copyleft: Expertsessie: 8

9 Dit verslag is een samenvatting van de cursus van 20 februari en het cursusboek. Er wordt tijdens de cursus en in het boek dieper ingegaan op de beschreven materie en aandacht besteed aan niet beschreven onderdelen zoals bijvoorbeeld CO2 en biomassa. Is je enthousiasme gewekt? Kijk voor op de website van Debets BV waar en wanneer de volgende cursus wordt gegeven ( Voor wie niet kan wachten kan zich ook alvast verdiepen in het artikel De rekening voorbij. Deze is gratis te downloaden de website van KIVI: de- rekening- voorbij.html. Copyleft: Expertsessie: 9

10 Bijlage - rekenvoorbeelden Stofzuiger Als er in een huishouden drie maal per een half uurtje met de stofzuiger wordt rondgelopen en deze stofzuiger een vermogen heeft van 1500 Watt, hoeveel energie wordt er dan per verbruikt door de stofzuiger? Energie = vermogen * tijd Energie = 1500 Watt * (0,5*3*52) Energie = 1500 Watt * 78 uur per jaar Energie = Wattuur (Wh) Energie = 117 kwh per jaar (en kost dit huishouden zo n 26 per jaar). Deurbel In Nederland hebben we 7 miljoen huishoudens die allemaal een deurbel hebben. In veel gevallen zijn die elektrisch. Stel dat alle deurbellen een vermogen hebben van 3 Watt en het hele jaar dit vermogen vragen. Hoeveel verbruikt deze deurbel op jaarbasis? En als elk huishouden dezelfde deurbel heeft, hoeveel verbruiken alle deurbellen in Nederland dan op jaarbasis? Energie = vermogen * tijd. Energie = 3 Watt * (24 uur * 365 dagen) Energie = 3 Watt * 8760 uur per jaar Energie = Wattuur (Wh) Energie = 26,3 kwh per jaar per deurbel (een slordige 6,00 per jaar). Met 7 miljoen huishoudens hebben we voor al deze deurbellen dus 26,3 * 7 miljoen = 184 miljoen kwh nodig. Wind Om uit te rekenen hoeveel energie een windmolen kan opwekken kunnen we de rekenregel: energie = vermogen * tijd gebruiken. Het vermogen wordt bij moderne windmolens uitgedrukt in MW en draaien gemiddeld uur per jaar op vollast. Op de windkaart van AgentschapNL ( i- n- d.nl/) is veel informatie over windmolens en parken te vinden. Kan Nederland in zijn eigen elektriciteitsbehoefte voorzien met alleen windmolens? In Nederland verbruiken we op jaarbasis 120 miljard kwh. Als we uit gaan van een gemiddelde van vollast uren per windmolen hebben we in Nederland een opgesteld vermogen van MW nodig (120 miljard kwh = vermogen * 2300 uur. Dus kwh / kw = MW). Als we alleen windmolens van 4 MW zouden neerzetten zijn er dus windmolens nodig. Hoeveel oppervlak nodig is om molens te planten kun je ook berekenen door te stellen dat er 4 molens per km 2 geplaatst kunnen worden. In totaal is er dus km 2 nodig. Ter vergelijking: de provincie Friesland heeft een oppervlak van km 2. Copyleft: Expertsessie: 10