Iets over duurzame energie en CO2     (2 maart 2009)

Een kleine beschouwing over duurzame energie en CO2

Op 6 maart en 27 maart j.l. schreef ik hier een paar stukjes commentaar n.a.v. discussies rond CO2 sekwestratie.  Bij het stukje commentaar aan het adres van Greenpeace verwees ik ook nog naar een recent rapport: energy [r]evolution, a sustainable global energy outlook.  Ik wil daar nu wat verder op door gaan.

In het rapport worden een aantal richtingen aangegeven waar ik het in grote lijnen mee eens ben.  Ik doel op de 8 punten die zij op pagina 11 noemen.  Ik denk echter dat de kans dat het door hen geschetste scenario zal worden gehaald niet zo groot is.  Op die zelfde pagina 11 (en op p. 58) geven zij t.o.v. een referentie scenario een trend weer naar de energie mix in 2050.

Een paar dingen er uit (de 2050 prognose):

Zon groeit veel harder dan wind. (~70 versus ~20 ExaJoule/jaar)
In het referentie scenario stijgt de vraag naar ~850 ExaJoule/jaar
Voor geothermische energie wordt ~40 ExaJoule/jaar verwacht.
40% van de energievoorziening is nog steeds op basis van "fossiel".
Door energie besparing is in 2050 de vraag even groot als nu.

Ik heb al eens gesteld in mijn stukje "Prietpraat van de heer Rutte" dat het ombouwen van de huidige energievoorziening naar duurzaam een reuzenkarwei zal blijken te zijn.  Het zou mij niet verbazen als er 3 4% van het bruto nationaal product over vele decaden nodig zal zijn om dit mogelijk te maken.  Daar kom ik aan het eind nog even op terug.

Zon en wind
Als men naar scenario studies kijkt dan laat de introductie van een nieuwe energievorm altijd ruw weg het volgende beeld zien: Gedurende een aanloopfase van zo'n 20 jaar groeit het vrij snel (15 tot in extreme gevallen wel 30% per jaar behoort tot de mogelijkheden).  Gedurende deze 20 jaar neemt de totale omvang met een factor 100 toe.  Daarna kan je spreken van een "mature" bron.  De groei neemt af tot een veel bescheidener ~5% per jaar of minder.

Als men nu de huidige aandelen van "zon" en "wind" bekijkt ziet men het volgende: In 2007 was het totaal aan geleverde windenergie (electriciteit) ca. 0.75 ExaJoule per jaar.  Voor zonne-energie was dat 0.06 ExaJoule electrisch en 0.8 ExaJoule warmte.

Om nu in 20 jaar op een "mature" status te komen (ik neem daarvoor ongeveer 10 ExaJoule per jaar, wat op ca. 300 000 MegaWatt continue neerkomt) is er voor zonne-electriciteit een groeipercentage van 30% per jaar nodig.  Voor windenergie kan het iets minder snel gaan: Ongeveer 15% per jaar.  Maar denk er aan:  Dit moet dan 20 jaar achtereen worden volgehouden.

Of dat gaat lukken is de vraag. Het is zr ambitieus.

Het betekent voor windenergie het bouwen van ca. 300 000 3 MW windmolens (ik neem een benuttingsgraad van 1/3 aan, hetgeen enigszins optimistisch is).  Ook moet een reusachtige koppelnet infrastructuur (1 miljoen volt gelijkspanning) daarbij worden inbegrepen.  Immers: Als je windenergie betrouwbaar wilt inzetten, zonder back-up op basis van aardgas centrale's nodig te hebben, dan is zo'n koppelnet absoluut noodzakelijk.

Voor de zonnenergie is dan (per 2030) netto zo'n 15000 km aan zonnecel oppervlak nodig.  Ook hier geldt: Een koppelnet en/of grootschalige energieopslag (op basis van flow batterijen? Pumped hydro?) is nodig.

Als het bovenbeschreven tussenpunt in 2030 wordt gehaald, zou het eindpunt in 2050 van het Greenpeace scenario mogelijk kunnen zijn.  Ik houd echter mijn vraagtekens.  Het is zr ambitieus.

Energie beparing
Er wordt de facto een besparing van ongeveer 1.75% per jaar in totaal gebruik ingeboekt; dat moet kunnen.  Men moet zich echter wel realiseren dat dit alleen gaat als je naar "contraction and convergence" scenarios gaat. Anders wordt het in voldoende mate verhogen van de levensstandaard in de ontwikkelende wereld illusior. Immers: 850 ExaJoule/jaar als referentie scenario impliceert een gematigd groei pad.

Geothermische energie
Dit deel van het Greenpeace scenario vind ik onrealistisch.  De geothermisch warmtestroom in de aardkorst is genmiddeld 60 80 milliWatt/m.  Alleen bij vulkanische hotspots is het aanzienlijk meer.  De voorraad is weliswaar gigantisch, maar als je het "wint" is het een eenmalige extractie.

Neem als voorbeeld een porueze aardlaag van 100 meter dik.  Uit 10 km daarvan ga ik warmte winnen. Laten we aannemen dat ik er zoveel uit haal dat het aldaar 50C afkoelt.  Op bais van een dichtheid van 2500 kg/m en een soortlijke warmte van 1 kiloJoule/kg.C kom ik dan op een hoeveelheid warmte equivalent met het verbranden van ~3 miljoen ton olie.

Echter, nadat ik deze warmte heb gewonnen duurt het 5000 7000 jaar voordat de warmte weer is "teruggestroomd" in dit stukje aardkorst (op basis van de 60 80 milliWatt/m).

Naschrift 7/4/2009:
Ik heb hier wat pessimistisch gerekend.  Als de warmte is onttrokken neemt de temperatuur gradint toe en zal het dus sneller gaan (maar niet naar de oorspronkelijke temperatuur - dat gaat bijna even langzaam!!).
Als men de Fourier tijd voor een platte laag van 100 meter rots uitrekent (thermische diffusie cofficint ~10-6 m/s) dan levert dat 100 jaar op.  Het is echter zo dat de laag waarvanuit de warmte toestroomt ook in de beschouwing moet worden meegenomen, en dan wordt het al snel minstens ~400 jaar.

Kortom: Het ziet er op papier wel heel leuk uit, maar onderschat de realisatie er niet van. Ik denk dat de ~40 ExaJoule per jaar uit het Greenpeace rapport onrealistisch is.  Het totaal is thans 0.2 ExaJoule per jaar. (zie verder Some numbers on fossil fuel and CO2)  Ook moet men problemen als de oplosbaarheid van kwarts in heet water niet onderschatten.

40% fossiel
Ook Greenpeace ziet in dat het vervangen van energie op basis van fossiele brandstof een weerbarstig verhaal is. Als dit lukt zou het al prachtig zijn.  Maar persoonlijk, op basis van wat ik zoal gelezen heb in boeken als bijvoorbeeld "Energy at the crossroads" door Vaclav Smil, twijfel ik daar ernstig aan.

Is sekwestratie een optie? Is het nodig?
En dat brengt mij bij de vraag of CO2 sekwestratie als optie beschikbaar moet zijn. Op die vraag is mijn persoonlijke antwoord ja.  Ik denk dat we deze mogelijkheid moeten kunnen inzetten.  Om een goed idee van de werkelijke kosten en operationele praktijk te krijgen zal je een aantal bij voorkeur wat grotere projecten moeten optuigen.  Dus: Orde een paar miljoen ton CO2 per jaar.  Wat dat betreft was het voorstel bij Barendrecht (dat nu vrijwel zeker niet door gaat) een tussenstap.

Nadat je er ervaring mee hebt gekregen weet je waar je aan begint.  Het vangen van CO2 kan nu technisch al, en is hooguit een onderwerp van verdere optimalisaties.

Een argument dat wordt gebruikt is: CO2 sekwestratie verdringt investeringen in andere meer duurzame energievoorziening.  Ik twijfel daar aan.  Het is nog maar de vraag of het daarmee berhaupt wel snel genoeg zal gaan.  Er is namelijk nog een ander aspect aan duurzame energie, en dat is het veel grotere ruimtebeslag.  Kijk maar eens naar deze figuur uit het bovengenoemde boek van Vaclav Smil:

Het neerzetten van 300 000 windmolens per 2030 (over ten minste 100 000 km!) zal nog heel wat voeten in de Aarde hebben.  En dan praat je tegen die tijd nog altijd over niet meer dan ongeveer 1% van de totale energie voorziening.

Ik denk dat je in een overgangs situatie nog altijd centrales op fossiele brandstof zal moeten bouwen om niet tegen energie tekorten aan te lopen.

Sekwestratie: Waar?
Ik denk dat je moet kijken naar de plaatsen waar er (naast oude lege olie- en gasvelden) zout water lagen (saline aquifers) in de aardkorst zitten.  Het aardige is dat deze ruw weg op de zelfde plaatsen zitten als waar olie en gasvelden voorkomen.  Een goede combinatie is hier dus denkbaar, zonder dat er zeer lange CO2 pijpleidingen moeten worden aangelegd.  En wat te doen met kolencentrales in Binnen-Mongoli?  Ja, daar zit een (geologisch - de ondergrond) probleem.  Het zou wellicht beter zijn als er Siberisch aardgas naar China wordt gesluisd, en de Chinezen de kolen lekker in de grond laten zitten.

U kunt zeggen: Dat is politiek lastig.  H'm, dat geldt evenzeer voor het hele Greenpeace scenario ...   Dus dat laat ik nu even voor wat het is.

Tot slot nog iets over besparing
In het Greenpeace scenario wordt ook flink op warmte kracht koppeling ingezet. 
Ik denk dat je beter op electriciteit in combinatie met warmtepompen + warmte en koude buffers in grondwater lagen kan gaan.  Ik heb daar zelf (voor m'n werk bij Shell) wel wat sommen aan gemaakt, en kwam tot de (voorzichtige) conclusie dat je misschien beter warmte pompen in combinatie met een zo hoog mogelijk rendement van de electriciteits centrale kan gaan, dan voor warmte kracht koppeling.

Waarom?  Omdat je voor verwarming slechts 35C (vloerverwarming!) nodig hebt.  En dan wint een wamtepomp (met een behoorlijk hoge 'coefficient of performance') het al gauw van een warm water net. Electriciteits leidingen aanleggen is heel wat goedkoper dan een warm water net.  Bovendien: Als er duurzame elektriciteit beschikbaar komt hoef je niets meer te veranderen. ()

Epiloog
Ik heb diverse studies gezien waarbij werd gesteld dat de benodigde investeringen om de energie voorziening om te bouwen in de orde van 1 2% van het bruto nationaal product uit kwamen.  Ik denk dat zulks gezien mijn vermoeden dat ook CO2 sekwestratie in de overgangsperiode nodig is wel eens te laag zou kunnen zijn.  Ik denk ook dat het geen f / f maar n / n zal worden, tenzij men willens en wetens een extra risico met het klimaat wilt nemen.

Mazzel & broge, Evert

1 ExaJoule = 1 000 000 000 000 000 000 = 1018 Joule

Nog wat oudere stukjes:
Het einde van 'business as usual'?
Luistert niet naar economen
De grenzen aan de groei
Een kleine beschouwing over energie

Een paar artkelen over alternatieve power cycles:
Artikel over de Kalina cycle
Artikel over de Graz en Matiant cycle

Een recent artikel over hoe CO2 zich ondergronds gedraagt:
Carbon capture has a sparkling future (een berichtje)
Solubility trapping in formation water as dominant CO2 sink in natural gas fields (het artikel)

() Dit geldt voor verwarming (en koeling) van woningen en kantoren.  In geval van industrile toepassingen ligt dit anders.  Daar is het temperatuur nivo van de te leveren warmte hoger (veelal aanzienlijk boven 100C).  Dan is klassieke warmte kracht feitelijk minder efficinte electriciteits productie met warmte als bij- of zelfs hoofdproduct een betere keus.  Nederland loopt op dit terrein redelijk voorop.  De hoeveelheid warmte-kracht in Nederland bedraagt ca. 8000 MegaWatt (dat is ~8% van de totale Nederlandse energievoorziening).

(Kleine correctie en toevoeging: 7/4/2009); (Kleine correcties 30/12/2009)

Naschrift 8/4/2009:
Kolen zijn niet oneindig, en dat geldt ook voor 'clean coal' (met CO2 sekwestratie). Overigens, 'clean coal' is in mijn ogen so-wie-so vaak een oxymoron van de bovenste plank als je de impact van de mijnbouw bekijkt.
Hieronder zet ik een link neer naar een rapport waarin de voorraden nog eens een keer tegen het licht worden gehouden:

Forecasting coal production until 2100