Introductie in Energie- en Industriesystemen


Deze website vormt het webdictaat voor het vak TB141E Introductie in Energie- & Industriesystemen, behorende bij de opleiding Technische Bestuurskunde aan de TU Delft.

Dit dictaat kan op meerdere manieren worden bestudeerd:
• Per college: in het menu links staat een overzicht van dit dictaat ingedeeld per college. Voor elk college wordt staat daar een link naar overzichtspagina van dat betreffende college. Die pagina's bevat een overzicht van de delen uit de reader die relevant zijn voor het betreffende college.
• Op onderzoek: het dictaat bevat een netwerk van onderling verweven pagina's waardoor de stof ook associatief kan worden bestudeerd. De structuur van het dictaat is geïllustreerd.
• Laatst gewijzigd: de pagina's staan hier gesorteerd op datum.
• Alles op één pagina: er is een versie waarin alle pagina's op collegevolgorde zijn opgenomen. Dit kan ook worden gebruikt om het dictaat te printen.
• Op zoek: links in het menu is een zoekfunctie.
• Voor het vak behoren ook enkele externe bronnen tot de leerstof.

Voor contactinformatie en referenties, zie de colofon.

Voor meer informatie over dit vak:
Brightspacew
Studiegidsw
Collegeramaw

Op- en aanmerkingen zijn van harte welkom: e.j.l.chappin@tudelft.nl.

Heel veel plezier en succes met het bestuderen van het materiaal.

Met vriendelijke groet,

Émile Chappin, modulemanager.


Colofon


Editor:
Dr. ir. Emile J. L. Chappin
Contactinformatie: e.j.l.chappin@tudelft.nl.

Auteurs:
Dr. ir. Emile J. L. Chappin
Prof. dr. ir. Margot P. C. Weijnen
Job Veltman
Robert van Rooij
Menno Nederveen
Lisa van Woerden
Elsemiek Smilde
Jelle van der Lugt
Dr. ir. Remco. A. Verzijlbergh
Dr. ir. Marloes Dignum
Jochem Douw, MSc
Ir. Martti van Blijswijk
Dr. Andreas Ligtvoet
Ir. Annemiek Keizer
Ir. Jeroen Paling
Emma Poppelier

Copyright © 2019 TU Delft, E.J.L. Chappin (ed.) en de auteurs. Tenzij anders vermeld is alles in deze publicatie gelicenseerd onder een Creative Commons Naamsvermelding GelijkDelen 4.0. Kijk op deze licentiepaginaw voor een volledige tekst van de licentie.

Creative Commons-Licentie

Refereren

Algemene referentie:
Chappin, E.J.L. (ed.) (2019) Webdictaat Introductie in Energie- en Industriesystemen, http://eduweb.eeni.tbm.tudelft.nl/TB141E.

Referentie naar een specifieke pagina:
Paginatitel, in: Chappin, E.J.L. (ed.) (2019) Webdictaat Introductie in Energie- en Industriesystemen, http://eduweb.eeni.tbm.tudelft.nl/TB141E/pagina.

Disclaimer

Hoewel de auteurs van dit webdictaat de uiterste zorgvuldigheid hebben betracht, aanvaarden de auteurs en de uitgever geen enkele aansprakelijkheid voor eventuele fouten en onvolkomenheden, noch voor de gevolgen daarvan.

Pagina's in college-volgorde


In onderstaande tabel staan de beginpagina's voor elk college en de tentamens:

Week Hoorcollege Werkcollege Tentamen
1 Introductie en systemen Systeemdiagram en kentallen
2 Voorraden en stromen Kritieke materialen en energie-opslag
3 Elektriciteitsvoorziening Energiesysteemberekeningen
4 Elektriciteitstransport Elektriciteitstransport
5 Aardgasvoorziening - Tentamen 1 (wk 1-4)
6 Drink- en afvalwater Excursie
7 Industriële processen Energie- en industrieketens
8 Warmte- en CO$_2$-netwerken CO$_2$-netwerk in Rotterdam
9 Toekomstige energie- en industriesystemen Toekomstige energie- en industriesystemen
10 - - Tentamen 2 (wk 1-9), Hertentamen 1
+5 - - Hertentamen 2

De diverse pagina's zijn onderling sterk verbonden (zie het structuuroverzicht). Om zeker te weten welke pagina's bij welk tentamen worden getoetst, staat hieronder een weekindeling van alle pagina's. Door het dictaat heen zijn diverse externe bronnen opgenomen die onderdeel zijn van de leerstof, welke hier zijn opgesomd per week.

Week 1: Introductie en systemen

introductie-systemen
systemen-ketens-netwerken
systemen-energie
systemen-industrie
energie-eenheden
kentallen-overzicht
energie-schatten-rekenen
werkcollege-kentallen

Week 2: Voorraden en stromen

voorraden-stromen
voorraden-definieren-meten
kritieke-materialen
mineralen-metalen
mineralogische-barriere
aardgas-voorraad
aardolie-voorraad
steenkool
uranium
magnesium
batterijen
energie-opslag
werkcollege-kritieke-materialen

Week 3: Elektriciteitsvoorziening

elektriciteitsvoorziening
elektriciteit-historische-ontwikkeling
elektriciteit-keten
elektriciteit-conversie
kernenergie
windenergie
zonne-energie
biomassa
waterkracht
elektriciteit-gebruik
sankey-diagram-energie-IEA
energievoorziening-india
energievoorziening-canada
energievoorziening-qatar
energievoorziening-japan
werkcollege-energie-balansen

Week 4: Elektriciteitstransport

elektriciteitstransport
elektriciteit-netwerken
elektriciteit-balanshandhaving
elektriciteit-wetten
elektriciteitstransport-vermogensverdeling
elektriciteitstransport-vermogensverdeling-twee-bronnen
elektriciteitstransport-capaciteitsbeperkingen
elektriciteitstransport-verliezen
elektriciteitstransport-beperkingen-analyse
werkcollege-elektriciteit-transport
werkcollege-elektriciteit-transport-uitwerking

Week 5: Aardgasvoorziening

aardgasvoorziening
aardgas-historische-ontwikkeling
aardgas-keten
aardgas-winning
aardgas-winning-waddenzee
aardgas-opslag
aardgas-conversie
aardgas-transport
aardgas-gebruik
LNG

Week 6: Drink- en afvalwater

drink-en-afvalwater
drinkwater-historische-ontwikkeling
grote-waterkringloop
drinkwater-keten
drinkwater-winning-duinwater
drinkwater-winning-grondwater
drinkwater-winning-oevergrondwater
drinkwater-winning-oppervlaktewater
drinkwater-winning
drinkwater-transport-opslag
drinkwater-distributie
drinkwater-gebruik
drinkwater-zuivering
afvalwater-transport
afvalwater-zuivering
drinkwater-balanshandhaving
grijs-water
hemelwater
integraal-waterbeheer
werkcollege-ketens
werkcollege-ketens-uitwerking

Week 7: Industriële processen

industriele-processen
industriele-revolutie
dsm
akzonobel
mijnbouwschade
industriele-processen-overzicht-cbs
chemische-industrie
procesindustrie
industrie-export
industrie-watergebruik
water-in-de-industrie
afvalverwerking
agro-voeding-genotmiddelenindustrie
kunstmest-fosfaten
aluminium
ijzer
cement-beton
chloor
kalksteen
aardolie-keten
aardolie-raffinage
industrie-ontwikkelingen

Week 8: Warmte en CO$_2$ netwerken

warmte-co2-netwerken
co2
warmwater-infrastructuur
aardwarmte
werkcollege-co2-netwerk
werkcollege-co2-netwerk-abm

Week 9: Toekomstige energie- en industriesystemen

toekomstige-energie-industriesystemen
slimme-meters
smart-grid
elektrische-autos
internationale-aardgasrotonde
schaliegas
groen-gas
gashydraten
drinkwater-uit-zeewater
werkcollege-toekomstige-energie-industriesystemen

Externe bronnen die onderdeel zijn van de leerstof


Door het dictaat heen zijn diverse externe bronnen opgenomen die onderdeel zijn van de leerstof. Deze pagina geeft een overzicht van deze externe bronnen.

Week 8 - industriele-processen

CBS, Hoofdstuk 7: Materiaalstromen en grondstofafhankelijkheid van de Nederlandse Economiew
De Agro&Food sector in Nederland w

Week 9 - warmte-co2-netwerken

Nuttige toepassingen van CO2w

Werkcolleges voorbereiden


De werkcolleges zijn niet verplicht, maar vereisen wel voorbereiding. In het algemeen gelden de volgende regels:

Organisatorisch

• De voorbereiding is verplicht voor deelname aan het werkcollege.
• Schrijf je, indien van toepassing, op Brightspace in op een beschikbare groep die hoort bij het werkcollege.
• Stuur op de dag vòòr het werkcollege vòòr 2 uur je voorbereiding op middels de Brightspace-assignment van die week. Neem hiervan een bewijs mee. Op Brightspace zal staan of het op tijd is.
• Neem het resultaat ook op laptop mee naar het werkcollege. We gaan daarmee tijdens het werkcollege verder.
• Heb je niets voorbereid, dan verwacht ik je niet bij het werkcollege. Mocht dat tijdens het werkcollege blijken, dan vraag ik je te vertrekken.

Inhoudelijk

• Wees kort, bondig, maar compleet in je voorbereiding.
• Neem je bronnen op, indien je die hebt gebruikt.





Introductie en systemen


Dit vak heet Introductie in Energie- & Industriesystemen en vormt de basis van het E&I domein van de bacheloropleiding Technische Bestuurskunde aan de TU Delft. We kijken in dit vak dus naar energiesectoren en de industrie. En we kijken met een systeembril. Deze pagina introduceert wat daarmee wordt bedoeld.

Deze pagina bevat een introductie in systemen. Daarna behandelen we drie benaderingen om deze systemen te bekijken:
systemen-ketens-netwerken

Achtereenvolgend is er een overzicht van de systemen die in dit vak worden besproken, zowel voor de energiesector als de industrie.
systemen-energie
systemen-industrie

Ten slotte behandelen we een overzicht van eenheden, kentallen die worden gebruikt in energie- en industriesystemen en beschrijven we een methode om te schatten en te rekenen aan deze systemen:
energie-eenheden
kentallen-overzicht
energie-schatten-rekenen

Wat is een systeem?

Een systeem is een "set van entiteiten die samen een geïntegreerd geheel vormen" (Chappin 2011w). Daarbij wordt vaak de systeemfunctie benadrukt. Systemen zijn overal: een auto is een set van entiteiten - de onderdelen - die samen een geïntegreerd geheel vormen: een (al dan niet) werkende auto. Maar onderdelen van de auto op zich, zoals het motorblok, kunnen ook een geïntegreerd geheel vormen. Zo is bijvoorbeeld de aardolie-industrie een systeem, met daarin olievelden, transportmiddelen, raffinaderijen, en onze auto's als gebruikers. En dan zijn we alweer beland bij de auto: een auto was op zich al een systeem. Zo zijn ook de raffinaderijen systemen, die weer bestaan uit systemen. We gebruiken dit concept van systemen, zodat we een overzicht kunnen krijgen van hoe E&I eruit ziet, wat er allemaal inzit (elementen, entiteiten), welke verbindingen er zijn (netwerken) en hoe het geheel - als een systeem - functioneert.
Systemen en de waarde hiervan voor Technische Bestuurskunde zijn ook aan de orde geweest bij het vak TB112A - Systeemmodellering 1. Voor meer informatie hierover, zie de wikiw van dit vak.

Socio-technische systemen

Dit zijn technische systemen die sterk zijn verweven met onze maatschappij: denk aan hoeveel activiteiten in onze maatschappij mogelijk worden gemaakt door een stabiele elektriciteitsinfrastructuur. Deze infrastructuursystemen kunnen we daarom ook zien als zogenaamde socio-technische systemen. Een voorbeeld is een algemene beschrijving van energiesystemen die is weergegeven in figuur 1. Een overzicht van energiesystemen staat op de pagina systemen-energie.


Figuur 1. Energie-infrastructuur als socio-technische systeem. (Bron: Chappin 2011w)
.
Een systeemplaatje als dit geeft een overzicht van de structuur van het systeem en de elementen waaruit het systeem bestaat. Hierin is de fysieke energiestroom in het technische subsysteem te zien: de energie stroomt (over het geheel genomen) van links naar rechts. Ook is te zien dat een enorme organisatie zich heeft ontwikkeld: wetten, regelgeving van wat wel en niet mag, hoe 'de markt' is georganiseerd, energiemarkten, handel tussen partijen, retail waarbij kleine consumenten energie afnemen, de 'energie-producenten' die doen aan energieconversie, beheerders van transportnetwerken en de gebruikers (zoals jij en ik).

Focus op technologie

In dit vak is er een sterke focus op de technologie. In energie en industrie speelt technologie een belangrijke rol, en begrip daarvan is een voorwaarde om na te denken over hoe we de socio-technische systemen als geheel kunnen vormgeven en verbeteren. Daarom zetten we voor nu de actoren buiten spel. Technologie kan worden gedefinieerd als de praktische toepassing van kennis. Dat is een brede definitie, waaruit je kunt afleiden dat de eerste technologie al het gebruik was van steen, 2,5 miljoen jaar geleden (de Heinzelin 1999w). Energie- en industriesystemen zitten vol met geavanceerde technologie: denk gerelateerd aan de elektriciteitsinfrastructuur aan elektriciteitscentrales, hoogspanningskabels en elektronische apparaten, en bij de aardolie-industrie aan raffinaderijen, chemische fabrieken en auto's. Een overzicht van energiesystemen staat op de pagina systemen-energie en één over de industriële systemen staat op de pagina systemen-industrie. Die technologische elementen staan in dit vak centraal: het biedt je een introductie van Energie- en Industriesystemen.

Lees verder op systemen-ketens-netwerken.

Systemen, ketens en netwerken


Er zijn meerdere manieren om naar deze systemen te kijken, zelfs als we al sterk focussen op technologie. Drie manieren zijn:
• een systeembenadering, waar we kijken naar een systeemgrens en de stromen die dit systeem in- en uitgaan.
• een netwerkbenadering, waar we focussen op de verbindingen tussen verschillende elementen.
• een ketenbenadering, waar we het systeem opdelen in functionele stappen en die op een rij zetten.

Deze drie staan hieronder in het algemeen uitgewerkt. In dit vak gebruiken we alle drie de benaderingen. Voorbeelden van een systeembenadering zijn de sankey-diagrammen in systemen-energie (zij het dat de systeemgrens niet duidelijk in beeld komt), van een netwerkbenadering is elektriciteitstransport-vermogensverdeling en van een ketenbenadering is aardgas-keten.

Systemen van systemen

Als we kijken naar het technologische deel van energie- en industriesystemen, is figuur 2 de meest eenvoudige systeemrepresentatie, die drie generieke stappen bevat:
• Conversie van ruwe materialen naar producten
• Transport van de locatie van productie naar de locatie van gebruik
• Gebruik van het product

Alles buiten die drie stappen, plaatsen we buiten het systeem. Dat geven we aan met de systeemgrens: wat vinden we dat onderdeel is van het systeem en wat niet. De twee pijlen die het systeem in- en uitgaan, laten zien dat het systeem open is, en in interactie staat met zijn omgeving: de ruwe materialen komen ergens vandaan en emissies gaan ergens naartoe maar waar dat is en hoe dat gaat heeft in deze figuur dus niet onze aandacht.


Figuur 2. Systeembenadering van een energie- of industriesysteem

Twee voorbeelden:
• Benzine voor de auto: onttrekking van olie uit aardolievelden, conversie naar benzine in een raffinaderij, transport naar een tankstation en gebruik in de auto.
• Elektriciteit in huis: onttrekking van gas en kolen, conversie in een elektriciteitscentrale, transport van stroom over elektriciteitskabels, gebruik van de elektriciteit in huis. De emissies en verontreiniging vinden daar met name plaats in de conversiestap, niet zozeer bij de gebruiker.

Kun je zelf ook een aantal voorbeelden bedenken en het in dit systeemplaatje passend maken?

Netwerken zijn systemen

Een tweede benadering is die van netwerken, welke heel algemeen is weergegeven in figuur 3. Een netwerk bevat diverse nodes die met elkaar zijn verbonden. Hier zijn bijvoorbeeld drie nodes die producenten voorstellen (p1-p3) met drie nodes die consumenten voorstellen (c1-c3) via een transportnetwerk met twee nodes (t1-t2). Deze nodes kunnen ook geografisch worden geordend (dus waar bevindt zich welke node).

Een voorbeeld:
• Elektriciteit in huis: drie elektriciteitcentrales hangen aan elkaar via een regionaal stroomnetwerk. Er zijn twee routes om de stroom te transporteren naar de consumenten. Of van p1, via t1 en t2, of van p2 direct naar t2. Ook de consumenten zitten in een lokaal netwerk.


Figuur 3. Netwerkbenadering van een energie- of industriesysteem

Het netwerk zoals dit voorbeeld is natuurlijk ook een systeem. Maar bij netwerken focust men zich op verbindingen en vertakkingen. In dit voorbeeld zijn er geen verbindingen tussen nodes binnen het systeem en daarbuiten. Dat kan natuurlijk wel (denk binnen het gekozen voorbeeld aan een verbinding tussen het transportnetwerk met dat van een ander land).

Ketens zijn netwerken

Een derde benadering is die van ketens. Wat bij een keten centraal staat is dat de producten meestal één kant op lopen. Bij de keten die hieronder staat in figuur 4 is dat van links naar rechts. Niet in alle ketens zullen al deze stappen even relevant zijn, in sommige ketens kan het nuttig zijn om stappen verder op te delen.


Figuur 4. Ketenbenadering van een energie- of industriesysteem

• Winning: extractie van materialen/energiedragers uit de natuurlijke omgeving
• Transport: transport van winning naar, en tussen, conversielocaties
• Opslag: opslag om fluctuaties in vraag en aanbod op te vangen
• Conversie: conversie van materialen/energiedragers tot bruikbare (tussen)producten. Na deze conversiestap gaan producten richting de gebruiker. Tussenproducten gaan, middels de aangegeven feedback, via een aanvullende transportstap naar een volgende conversiestap.
• Transport: transport over relatief lange afstanden naar distributienetwerken.
• Distributie: regionaal transport naar lokale gebruikers
• Gebruik: gebruik van bruikbare producten
• Import en export: uitwisseling van materialen/energiedragers of producten met andere landen.

Een keten is in essentie een relatief simpel netwerk, en daarmee ook een systeem. Bij ketens ligt de focus op het systeem op de delen in functionele stappen en die op een rij te plaatsen.

Het kijken naar ketens kan helpen om een inschatting te doen van rendementen aan de hand van inschattingen van elk van de stappen.

Overzicht van energiesystemen


Energiesystemen zijn lastiger te classificeren dan industriële systemen. Zo kan worden gekeken naar:
• Energiebronnen: aardolie, aardgas en kolen
• Energiedragers: elektriciteit, warmte (en de energiebronnen)
• Stromen: productie, gebruik, doorvoer (import en export)
• Energie-intensieve sectoren: gebouwde omgeving, industrie, huishoudens, elektriciteitsopwekking, transport

Een mooi overzicht van de systemen is aan de hand van energiestromen, door middel van een Sankey diagram. De IEA laat mooi zien hoe moeilijk het is om energiesystemen in te delen en weer te geven. Twee verschillende systemen staan hieronder in het klein (klik op de bronverwijzing voor schermvullende versies bij het IEA zelf).

Energiegebruik in Nederland

Figuur 5 laat het energiegebruik in Nederland zien, uitgesplitst naar sector en energiedrager. Wat gelijk opvalt is dat er drie dominante energiedragers zijn: olie (paars), aardgas (donkerblauw) en elektriciteit (lichtblauw). Als bijdrage aan het totale energiegebruik, zijn olie en aardgas aan elkaar gewaagd. Onderaan de figuur is te zien dat dit al 30 jaar zo is. In tegenstelling tot de energievolumes van aardgas en olie, groeit elektriciteit gestaag, een teken van de verdere elektrificatie van onze maatschappij en een algemene toename van ons energiegebruik.


Figuur 5. IEA's Sankey diagram van de energiegebruik in Nederland. Bron: IEA 2013aw

Wat niet zo duidelijk wordt, is hoe de energiedragers samenhangen. Bijvoorbeeld wordt aardgas gebruikt om stroom op te wekken en dit blijkt niet uit deze figuur. En kolen worden niet direct gebruikt, maar dit is wel een relevante energiedrager. Daarom hebben we een andere blik nodig op hetzelfde systeem. Een mogelijkheid is de energiebalans, die hieronder staat uitgewerkt.

Energiebalans van Nederland

Figuur 6 laat de energiestromen zien die de Nederlandse energiebalans bepalen.


Figuur 6. IEA's Sankey diagram van de energiebalans in Nederland. Bron: IEA 2013bw

In dit diagram staan productie en import links, consumptie rechts en export beneden. Wat daarmee al in deze kleine versie opvalt is de enorme rol van aardolie (de paarse stroom). De export daarvan is veel groter dan de consumptie. Als je beter gaat kijken (bekijk de versie van het IEA zelf), zie je dat er met name wordt geïmporteerd: olieproductie is nagenoeg verwaarloosbaar. Hier zie je duidelijk de rol van de Rotterdamse haven, waar raffinage een belangrijke activiteit is en ruwe olie en aardolieproducten van de hele wereld worden geïmporteerd en naar Europa worden doorgevoerd.


Figuur 7. Olietanker in de Rotterdamse haven (bron: Wikimedia Commons)

Voor aardgas (in blauw) is dit verhaal anders. De consumptie is in dezelfde orde van grootte als de export. Maar productie vindt met name plaats in Nederland zelf (zie de pagina over aardgaswinning). Ook wordt duidelijk dat voor elektriciteitsopwekking met name aardgas wordt gebruikt (zie ook elektriciteit-conversie). De rol van kolen en andere energiedragers is veel kleiner.

Overzicht van industriële systemen


Industriële systemen zijn in te delen in de typen activiteiten en/of producten, waar dat bij energiesystemen lastiger is. Een belangrijke indeling is die van het CBS: het CBS verzamelt een scala van gegevens, waarin de bedrijven zijn gegroepeerd volgens die indeling. Ook zijn er verschillende aggregatieniveaus (wat je het best kunt zien aan de hand van de sectorcodes). Hieronder staat een overzicht van de belangrijkste industriële sectoren in Nederland, volgens de indeling die het CBS gebruikt (CBS 2013aw):

• Voedings-, genotmiddelenindustrie
• Textiel-, kleding-, lederindustrie
• Houtindustrie
• Papier- en grafische industrie
• Raffinaderijen en chemie
• Bouwmaterialenindustrie
• Basismetaal, metaalprod.-industrie
• Elektrische en elektronische industrie
• Machine-industrie
• Transportmiddelenindustrie
• Meubelindustrie
• Overige industrie

Om een indruk te krijgen van de relevantie van deze sectoren voor de Nederlandse economie, zie figuren 8 en 9:


Figuur 8. Netto omzet van de Nederlandse industrie. Data: CBS 2013aw


Figuur 9. Banen in de Nederlandse industrie. Data: CBS 2013aw

De belangrijkste groep, zoals het CSB het hanteert, voor de Nederlandse industrie is Raffinaderijen en chemie, welke in 2011 113 miljard euro aan netto-omzet genoot (CBS 2013aw).
Binnen deze categorie, hanteert het CBS de volgende indeling (CBS 2013bw):

Raffinaderijen en chemie
• Aardolie-industrie (waaronder raffinaderijen)
• Overige anorganische basischemie
• Overige organische basischemie, waaronder de petrochemische industrie
• Kunstmestindustrie
• Kunststofindustrie
• Verf-, vernis- en drukinktindustrie
• Overige chemische productenindustrie
• Synthetische vezelindustrie
• Farmaceutische industrie
• Rubber- en kunststofproductindustrie

Ook daarvan staat hieronder in figuren 10 en 11 een overzicht van hun relevantie voor de Nederlandse economie. Opvallend is de omzet die de aardolie-industrie en de organische basischemie (waar ook de petrochemische industrie onder valt) genereren. De enorme omzet die de economisch belangrijkste sectoren vormen, uit zich meestal niet in het aantal banen: het zijn sectoren waar relatief weinig arbeid nodig voor is. Dat is ook de reden dat die in Nederland het zo goed doen: arbeid is hier relatief duur.


Figuur 10. Netto omzet van de Nederlandse raffinaderijen en chemie. Data: CBS 2013bw


Figuur 11. Banen in de Nederlandse raffinaderijen en chemie. Data: CBS 2013bw

Eenheden in energiesystemen


De grootste verwarring ontstaat door verkeerd of onvolledig gebruik van eenheden. Het blijkt lastiger dan verwacht om dit consistent te doen. Dat geldt ook voor het omrekenen in verschillende eenheden.

Hoeveelheden energie

Eerst zijn er de eenheden die *hoeveelheden* energie aangeven:
• J is de energie die nodig is om een object 1 meter te verplaatsen met een kracht van 1 Newton.

En daarvan zijn afgeleid:
• kJ (kilojoule, 10$^3$ J)
• MJ (megajoule, 10$^6$ J)
• GJ (gigajoule, 10$^9$ J)
• TJ (terajoule, 10$^12$ J)
• PJ (petajoule, 10$^15$ J)
• EJ (exajoule, 10$^18$ J)
• ZJ (zettajoule, 10$^21$ J)

Een aantal alternatieven zijn in omloop. De MTOE, de megaton olie equivalent die duidt op de energie-inhoud van een miljoen ton aardolie, dat is ongeveer 42 gigajoule. Andere energiehoeveelheden zijn de BTU (Britisch Thermal Unit, ongeveer 1055 joule), de kilocalorie (ongeveer 4,2 joule) en het vat ruwe olie (barrel of oil, ongeveer 159 L).

Een van de verwarringen ligt bij de veelgebruikte eenheid kWh, of kilowattuur. Dit is namelijk, in tegenstelling tot wat de 'W' doet vermoeden ook een hoeveelheid energie en geen vermogen (zoals hieronder wordt genoemd).

Vermogen


Dan zijn er de eenheden vermogens aanduiden en deze hebben altijd een tijdscomponent. Gangbaar is om de watt te gebruiken, die staat voor joule per seconde. Een voorbeeld van minder gebruikelijke vermogenseenheden is de paardekracht (pk) die 0,7 kW bedraagt.

Energiedichtheden


Om energiebronnen (of voorraden) te vergelijken zijn energiedichtheden belangrijk. Dit betreft altijd een energiehoeveelheid per volume- of massaeenheid.

Een paar belangrijke voorbeelden zijn:
• Benzine 47,2 MJ/kg
• Steenkool 24,0 MJ/kg

Met dichtheden kan dan worden omgerekend naar energiedichtheden in volumes.

Gebruikelijke eenheden


Omdat energiesystemen zo uiteenlopend zijn in omvang zijn ook veel van de eenheden in gebruik. Het vermogen van een elektriciteitscentrale wordt veelal in megawatt uitgedrukt, maar het vermogen van een lamp thuis in watt. De Nederlandse jaarconsumptie van elektriciteit gaat normaliter in terrawattuur of petajoule. Dat is even wennen.

Aan de eenheden kun je vaak niet zien of er sprake of een eventueel rendement is meegenomen, maar het is belangrijk dat dat evident blijkt uit de context. Is bijvoorbeeld het vermogen van een elektriciteitscentrale 800 MW, dan duidt dat op een output en deze 800 MW bevindt zich naast de restwarmtestroom. Dat betekent dan ook dat de energie-input nog een stuk groter is in omvang.

Een systeemdiagram van de energiestromen biedt vaak uitkomst: wat is het systeem? Hebben we het over een input, een output, en welke input of output is het dan? Welke andere energiestromen zijn er?

Van kW naar kWh/jaar

Behendigheid en alert zijn op eenheden kan veel helpen bij de energiesysteemanalyses. Een voorbeeld is het omrekenen van kW naar kWh per jaar. Stel je hebt een apparaat dat 1 kilowatt gebruikt en altijd aanstaat. Hoeveel is het verbruik per jaar? Kijkend naar de eenheden wil je graag weten: kWh/jaar. We weten dat het aantal kW gelijk is aan 1. Wat nog ontbreekt is 'h/jaar'. Dat weten we wel, namelijk 365 dagen * 24 uur = 8760 uur/jaar. Het antwoord is dus 1 kW * 8760 h/jaar = 8760 kWh/jaar.

Van kWh naar kJ

Een ander voorbeeld van is het rekenen van watturen naar joules. Een wattuur is per definitie een joule per seconde gedurende een uur. Als je dat voor kilowatturen in eenheden uitschrijft krijg je: kWh = k*J/s*h. En als je dat omschrijft: kJ*h/s.

Als je maar weet dat er 3600 seconden er in een uur zitten, maakt dit het mogelijk om van joules naar watturen om te rekenen, ook als je de de omrekenfactor niet meer weet. 1 kWh = 1 * 1000 J * 3600 s/uur = 3.600.000 J of 3,6 MJ.

Schatten en rekenen aan energiesystemen


Het schatten en rekenen aan energiesystemen is nodig om gevoel te krijgen voor problemen en mogelijke oplossingen. Een goede inschatting wordt vaak belemmerd door verwarring tussen eenheden, precieze systeemkennis en ontbrekende informatie. De hier beschreven stappen maken het mogelijk om, als je het eenmaal goed beheerst, relatief snel tot een redelijke inschatting te komen. Ook stelt het je in staat een juiste berekening op te stellen. Aan de hand van een voorbeeld uit een oud tentamen doorlopen we de stappen. Een kritische blik en veel oefenen geeft je het benodigde tempo en de vaardigheid om je door dit soort vragen heen te worstelen.

Stappenplan

Een inschatting of berekening kan worden gemaakt aan de hand van de volgende zes stappen:

1. Maak een systeemdiagram met de energiestromen
2. Bedenk welke grootheid gevraagd wordt en welke eenheid hierbij hoort en geef een eerste schatting van het gevraagde
3. Maak de benodigde aannames en bedenk een strategie om de vraag op te lossen
4. Bereken het gevraagde
5. Interpreteer je resultaat en maak indien nodig een iteratieslag
6. Schrijf de analyse compact op

Voorbeeldvraag: jaaropbrengst windmolens in Duitsland

We nemen deze vraag, uit het eerste tentamen in 2016:
In Duitsland stonden in 2012 al 23 duizend windmolens opgesteld. Geef een inschatting van de jaarlijkse opbrengst, druk dit uit in TWh/jaar en interpreteer je resultaat.

Stap 1 - Systeemdiagram

Een systeemdiagram dwingt je een overzicht te maken van de energiestromen.
1. Beslis eerst over de systeemgrens en teken die expliciet.
2. Bepaal dan of je verschillende componenten wil weergeven. Deze geef je als blokjes weer in het diagram.
3. Identificeer de energiestromen die het systeem ingaan en de energiestromen die eruit komen. Als je hebt besloten om geen componenten van het systeem weer te geven (zoals het diagram bij de voorbeeldvraag over windturbines, zie figuur 12, dan lopen de energiestromen van of naar de systeemgrens. Mocht je hebben besloten om wel componenten op te nemen, dan lopen de energiestromen van of naar één van de componenten in het systeem (en dus niet naar de systeemgrens). Daarvan staat aan het eind van deze pagina een voorbeeld van een tentamenvraag over een LED-lamp.
4. Benoem alle pijlen, inclusief de bijbehorende eenheden.

Stel bij het opstellen van het diagram de volgende vragen:
• Heb je de systeemgrens aangegeven en benoemd?
• Ben je compleet? Zijn alle stromen geïdentificeerd? Geen verliezen vergeten?
• Zijn alle stromen verbonden? Geen loslopende pijlen?
• Zijn alle stromen wel energiestromen? Of verwar je sommige stromen met massastromen? Elektriciteit is bijvoorbeeld een energiestroom, maar geen massastroom en CO$_2$ is een massastroom maar (als het niet heel heet is) in principe geen energiestroom.

Zie ook het overzicht van energiesystemen.

Voorbeeldvraag - stap 1

In deze vraag staan windturbines centraal. De systeemgrens ligt hieromheen, de input is de wind(energie) en de output is elektriciteitsproductie. Schrijf eerst die systeemgrens op en de pijlen input en output. Ben je compleet? Nee, want een deel van de windenergie wordt niet opgevangen. Maak daarmee je diagram compleet.

Als je de pijlen benoemt komt het voor dat je vermogens en energiehoeveelheden door elkaar gebruikt. Dat heb je pas door als je de eenheden benoemt: daarom is dat zo belangrijk. Als de eenheden niet bij elkaar passen is er iets aan de hand. Wat is er mis? Als dat niet direct duidelijk is, moet je dat in ieder geval noteren.


Figuur 12. Systeemdiagram windturbine.

Stap 2 - Grootheid en eenheid bepalen

Deze stap forceert je om je systeemdiagram te gebruiken. Wat wil je nu eigenlijk weten? Is dat één van de pijlen? Of staat het eigenlijk nog niet in je diagram?

Stel dan ook deze vragen:
• Wat kun je van de stromen zeggen? En over het systeem als geheel? Bijvoorbeeld: waar staat wat ik wil uitrekenen? Alle eenheden benoemd? Passen de eenheden bij elkaar?
• Heb je het systeem onder specifieke condities getekend? Welke condities zijn dat? Wat heb je weggelaten?
• Ben je het eens met al je keuzes? Helpen die bij het beantwoorden van de vraag?

Er zijn een aantal dingen die in eenheden in energiesystemen ook worden benadrukt:
• Een capaciteit (MW) geeft een productie/verbruik van energie aan per tijdseenheid (bijvoorbeeld de energieproductie van een windmolen in MW (MW = MJ/s)
• Een hoeveelheid energie (MWh) geeft een bepaalde voorraad of hoeveelheid energie aan (bijvoorbeeld de jaarlijkse energieproductie van een windmolen in MWh = MW * uur. Dus niet delen door het aantal uur!)
• Vergeet niet de efficiënties van conversiestappen.

Verwerk het resultaat van deze stap in je systeemdiagram!

Geef daarna een eerste schatting van het gevraagde. Heb je een idee wat het kan zijn? Binnen welke marge verwacht je het antwoord?

Voorbeeldvraag - stap 2

Er wordt gevraagd naar de jaarlijkse opbrengst. Dit is een hoeveelheid energie en de eenheid is dus MWh (of een veelvoud, GWh, TWh, etc.). In de vraag wordt ook al aangegeven dat de gewenste eenheid TWh/jaar is. Zorg ervoor dat je niet vergeet de uitkomst in deze eenheid om te rekenen.

Hoe gaat dit voor deze vraag? Een manier om eenheden te kiezen is te denken vanuit de kentallen die we steeds bij energie- en industriesystemen gebruiken. Van elektriciteitscentrales benoemen we altijd het vermogen. Ga daarom dus uit van het vermogen (gemeten in MW), dan benoem je feitelijk de maximale elektriciteitsproductie in een seconde. Hiermee neem je eigenlijk aan dat je in de conditie zit van een harde (maar niet te harde) wind. En dat moet je vooral niet vergeten bij het verder uitwerken van de vraag. Dus hoe verwerk je dit in je systeemdiagram? Maak het expliciet! Zet bijvoorbeeld erbij: 'dit is dus wel het maximum', of 'maar dit geldt alleen bij harde wind', of 'maar het waait niet altijd hard'.

In dit geval is het dus belangrijk om op te merken dat 1) het niet altijd waait zodat niet altijd het vermogen wordt benut en 2) dat niet alle windenergie wordt opgevangen. Dit zijn twee heel verschillende dingen! Om dat niet te vergeten - en het onderscheid tussen geleverde energie en vermogen duidelijk te maken is het goed voldoende te benoemen. Zie dus het uitgewerkte systeemdiagram in figuur 13: maar een deel van de windenergie die het systeem bereikt wordt omgezet in stroom. En maar een deel van de tijd waait het hard genoeg om het vermogen van de turbine te benutten.

Het maken van dit systeemdiagram leidt tot daarmee tot deze vragen:
• Wat is gemiddeld het vermogen van een turbine?
• Hoeveel is de gemiddelde productie ten opzichte van het vermogen?
• Wat is de efficiëntie van de omzetting?


Figuur 13. Systeemdiagram windturbine met eenheden.

Stap 3 - Aannames en oplossingsstrategie maken

De benodigde informatie is niet altijd gegeven. Toch zijn er verschillende manieren om achter de informatie te komen voor het beantwoorden van de vraag:
• Kentallen die we in energie- en industriesystemen gebruiken
• Redelijke inschattingen van onderliggende energiestromen en -factoren.

Er zijn een aantal dingen waar op gelet moet worden bij deze stap:
• Het is aan te raden een onder- of een bovenschatting te maken. Een onderschatting gaat uit van de laagste schatting die redelijkerwijs kan worden verwacht. Daarvoor moet kun je wat onzeker is ongunstig inschatten. Dan weet je zeker dat de werkelijke waarde boven de verkregen uitkomst ligt. Een bovenschatting is precies andersom. Schat de benodigde aannames hoog in, zodat je kunt aannemen dat de werkelijke waarde onder de verkregen uitkomst ligt. Afhankelijk van de vraag is een boven- of onderschatting nuttig. Bijvoorbeeld: hoeveel kolencentrales zijn er nodig om straatverlichting in Nederland te verzorgen kan vragen om een bovenschatting: met x kolencentrales kun je in Nederland zeker toe.
• Er zijn vaak verschillende ‘routes’ mogelijk om tot een inschatting te komen. De benodigde stroom voor straatverlichting in Nederland kan geschat worden door het verbruik van één lamp vermenigvuldigen met het geschatte aantal lampen en door het totale energieverbruik van Nederland vermenigvuldigen met het geschatte aandeel hierin van straatverlichting. Afhankelijk van welke (en hoeveel) gegevens je paraat hebt en je analytisch vermogen ontdek je verschillende mogelijkheden. Veel oefenen helpt hierbij.

Voorbeeldvraag - stap 3

De voorgaande stappen laten zien welke getallen moeten worden ingeschat voor het beantwoorden van deze vraag:
• Het vermogen van één windturbine in Duitsland: er is bekend dat het vermogen per turbine over de jaren snel stijgt, er zijn nu al windmolens die een vermogen hebben van 6 MW, maar die staan op zee.
Oudere windmolens staan op land en zijn ouder, dus zal het vermogen van die windmolens ver onder deze 6 MW liggen. Een schatting is 1 MW per windturbine, en deze inschatting draagt bij aan een onderschatting.
• De productiefactor van een windturbine (de gemiddeld over een jaar werkelijke geleverde hoeveelheid energie ten opzichte van het vermogen). Dit is een kental dat je kunt vinden in elektriciteit-conversie, deze factor is gemiddeld gelijk aan 25%. Offshore is dit iets hoger en daarom is ook dit een onderschatting.

Stap 4 - Uitrekenen

In deze stap wordt het antwoord uitgerekend. Daarbij zijn de volgende aanwijzingen van belang:
• Doe bij het maken van de berekening een eenheidsanalyse. Schrijf hiervoor in de berekening de eenheden bij de getallen.
• Controleer de eenheid van het antwoord: was dat waar ik naar op zoek was?
• Controller het aantal significante cijfers van het antwoord.

Voorbeeldvraag - stap 4

Er wordt gevraagd naar de jaarlijkse opbrengst in TWh/jaar. We hebben aannames voor het vermogen per turbine en de productiefactor. De jaarlijkse productie kan nu bepaald worden door:

1 MW/turbine * 23.000 turbines * 25% * 8760 uur/jaar * 1e-6 [TWh/MWh] = 50 TWh/jaar

Door de eenheden zo expliciet op te schrijven, dus niet 1 MW maar 1 MW/turbine wordt gelijk duidelijk of de berekening klopt: vermenigvuldig je de juist factoren? Had je niet moeten delen?

De eenheidsanalyse geeft dan ook: [MW/turbine] * [turbines] * [-] * [uur/jaar] * [TWh/MWh] = [MW] * [uur/jaar] * [TWh/MWh] = [MWh/jaar] * [TWh/MWh] = [TWh/jaar]. Dus de eenheden in de berekening kloppen.

Stap 5 - Interpretatie en iteratie

In deze stap wordt de verkregen uitkomst geïnterpreteerd. Hoe dit moet gebeuren hangt af van de vraag. Gebruik deze tips:
• Lees nogmaals de vraag goed. Vaak staat er een aanwijzing bij hoe de verkregen uitkomst moet worden geïntepreteerd.
• Kijk nog eens naar je systeemdiagram en denk na over kentallen/andere situaties die een vergelijking mogelijk maken.
• Wat is opvallend? Is het meer of minder dan verwacht? Is het erg onzeker?
• Schrijf in ieder geval iets van een interpretatie op, en doe dat bondig. Lange verhalen leveren vaak minder op omdat ze de interpretatie onduidelijk maken. En ze kosten meer tijd.

Mocht je tot de ontdekking komen dat het antwoord niet kan kloppen, dan zal je een iteratieslag moeten maken.

Voorbeeldvraag - stap 5

Het verkregen antwoord is 50 TWh/jaar. Er wordt in de vraag niet naar een specifieke interpretatie gevraagd. Er zal dus nagedacht moeten worden over relevante kentallen. Bijvoorbeeld kentallen die dezelfde ordegrootte hebben. 50 TWh/jaar is bijvoorbeeld ongeveer de helft van de Nederlandse elektriciteitsvraag. Vind je dat verrassend?

Stap 6 - Hoe schrijf ik dit compact op?

Om nu antwoord te geven op de vraag moet het volgende worden opgeschreven:
• Het systeemdiagram alleen als dit expliciet wordt gevraagd en dat is hier niet het geval.
• De gemaakte aannames
• De berekening inclusief eenheidsanalyse
• De interpretatie

Voorbeeldvraag - stap 6

• Aannames: Het gemiddeld vermogen zal best laag zijn omdat het veel oude turbines zijn. Maximaal is nu 6 MW, maar dat is snel gegroeid. Stel gemiddeld 1 MW. Productiefactor is gemiddeld 25%.
• Berekening: 1 MW/turbine * 23.000 turbines * 25% * 8760 uur/jaar * 1e-6 TWh/MWh = 50 TWh/jaar.
• Interpretatie: Dat is ongeveer de helft van de Nederlandse elektriciteitsvraag, dat is veel!

Wat maakt dit lastig?

Elke vraag heeft iets waardoor die lastig is - het is een kunst om, ook als je er niet alles van weet, tot een goede inschatting te komen. Wat is er nu zo lastig is aan deze vraag?
• Dat je mogelijk de productiefactor vergeet. Hoe komt dit tot uiting in je systeemdiagram? En dat je dit verwart met de efficiëntie, die hier niet relevant is!
• Dat je mogelijk niet weet wat het vermogen van een windmolen is en je geen referentiekader hebt om tot een redelijke inschatting te komen.
• Dat het niet juist lukt om van een vermogen (MW) naar een jaaropbrengst (TWh/jaar) om te rekenen.

Voorbeeldvraag LED-lamp


Bij elke vraag deze stappen doorlopen voorkomt veelgemaakte fouten. Bij de volgende oude tentamenvraag moet het systeemdiagram helpen om de vraag te structureren.

Een LED-lamp verbruikt 7 W. Voordat er licht wordt gemaakt, wordt stroom eerst omgezet naar 12 V gelijkstroom en daarbij treedt 20% verlies op. Dat gebeurt door middel van de elektronica die zich binnen in de lamp bevindt. Wat is de stroomsterkte van de elektriciteit die naar de lamp toe stroomt?

Stap 1 - Systeemdiagram

Bij dit voorbeeld is het maken van een systeemdiagram erg belangrijk. De systeemgrens ligt intuïtief om de lamp heen. Maar wat gebeurt er nu in de lamp? Welke energiestromen zijn er allemaal? De uitwerking hiervan staat in figuur 14.


Figuur 14. Systeemdiagram lamp.

De belangrijkste valkuil omzeil je nu. Waar is het energiestroom 'verlies' nu precies? Wat bevindt zich nu precies in de lamp? Waar is het wisselstroom en waar gelijkstroom? De omzetting naar gelijkstroom bevindt zich namelijk in de lamp zelf en hier zou je overheen kunnen kijken wanneer je geen systeemdiagram tekent. Dat is ook de reden waarom voor dit systeemdiagram het belangrijk is om het systeem in verschillende componenten (weergegeven in blokjes) uit te werken. De stromen mogen dan niet 'zomaar' in en uit het systeem lopen, maar moeten naar één van de systeemcomponenten lopen.

Stap 2 - Grootheid en eenheid bepalen

Er wordt in de vraag duidelijk gevraagd naar een stroomsterkte, de eenheid hiervan is Ampère.
Bedenk goed welke eenheden je bij welke pijl gaat zetten in je systeemdiagram. Kloppen al je pijlen nu nog wel? Welke pijl wil je nu bepalen? Wat we weten uit de vraag aan gegevens kan allemaal worden genoteerd in het diagram, zie daarvoor figuur 15.


Figuur 15. Systeemdiagram lamp met alle bekende gegevens.

Hier is het belangrijk om je te realiseren dat je van veel energiestromen niets weet. Bijvoorbeeld ontbreekt er informatie over hoeveel licht er nu daadwerkelijk uitkomt en wat de efficiency van de lamp als geheel is. We zullen zien dat we daar niet eens aannames over hoeven te maken.

Stap 3 - Aannames en oplossingsstrategie maken

Wat heb je nodig hebt om je antwoord te bepalen? We zijn op zoek naar de stroomsterkte moet bepalen, in Ampere. Alleen het vermogen van de lamp als geheel is gegeven, dus dat is het vermogen in Watt dat het systeem ingaat.
Wat is het verband tussen vermogen (W) en stroomsterkte (A)? Vermogen (W) = stroomsterkte (A) * spanning (V). Dus stroomsterkte (A) = vermogen (W) / spanning (V). We missen dus nog de spanning. Omdat de vraag gaat over de stroom die naar de lamp toe stroomt (let ook hierbij goed op het systeemdiagram!), kan worden uitgegaan van de standaard spanning die over het net gebruikt wordt in huishoudens: 230 V. Mocht je dat nog niet hebben gerealiseerd, dan zet je het nu ook erbij in het systeemdiagram.

Hebben we nu voldoende informatie? Ja! Het verlies dat we kennen (20%), treedt bij de conversie op, dus dat zegt niets over de stroomsterkte die de lamp ingaat. En de andere stromen zijn niet eens van belang! Pas nu je het diagram hebt, en je nadenkt over de aannames weet je zeker dat we verder niets nodig hebben. We hebben structuur aangebracht en houden daardoor overzicht bij het verdere beantwoorden van de vraag.

Stap 4 - Uitrekenen

Wanneer het systeemdiagram goed uitgewerkt is, wordt duidelijk dat de waarden van vermogen (W) en spanning (V) aan de buitenkant van de lamp moeten worden genomen, en de 20% verlies van energie voor de omzetting naar gelijkstroom dus geen rol speelt in de berekening. De berekening wordt dan: 7 W / 230 V = 0,030 A.
De eenheidsanalyse is in dit geval relatief simpel: [W] / [V] = [A], en ook dit klopt, want [W] = [VA].

Stap 5 - Interpretatie

In deze vraag is de interpretatie minder belangrijk dan bij sommige andere vragen. In deze vraag wordt namelijk gewoon naar een getal gevraagd, in plaats van naar bijvoorbeeld een vergelijking. Vraag jezelf toch altijd af: is het verkregen antwoord wel logisch? Als je per abuis uitrekent dat er 20 [A] naar een lamp loopt, wat meer is dan een stop kan hebben, dan zou je dat bij deze stap toch zeker moeten opmerken!

Stap 6 - Hoe schrijf ik dit compact op?

• Aannames: De spanning over het elektriciteitsnet uit het stopcontact is 230 V. Het verlies zit pas in de lamp en niet ervoor en is daardoor niet relevant. Vermogen lamp is 7 W.
• Berekening: 7 W / 230 V = 0,030 A
• Interpretatie: Dus de stroomsterkte van de elektriciteit die naar de lamp toestroomt is 0,030 A. Dit is een logische waarde voor stroomsterkte.

Wat maakt dit lastig?

Wanneer geen of een foutief systeemdiagram wordt gemaakt, wordt gedacht dat de 20% verlies ook een rol zal spelen in de berekening. Er moet worden ingezien dat dit pas in de lamp zelf gebeurt en geen invloed heeft op de stroomsterkte die naar de lamp toestroomt.

Kentallen overzicht


Deze pagina bevat een set van kentallen over energie- en industriesystemen. Van de eerste twee tabellen wordt verwacht dat je ze paraat hebt in de domeinvakken van de bacheloropleiding Technische Bestuurskunde, domein Energie en Industrie. Het gaat om een lijst van systeemkentallen en een lijst van typische eigenschappen van apparaten voor elektriciteitsopwekking. De laatste tabel bevat een set van kentallen die handig kunnen zijn om energiesysteemberekeningen te doen, maar waarvan we niet verwachten dat je ze kunt reproduceren.


Kental Waarde Eenheid Bron Noot
Verbrandingswaarde steenkool 25-30 MJ/kg Bijv. Energieconsultantw Steenkool zoals gebruikt in Nederlandse kolencentrales, sterk afhankelijk van kwaliteit
Verbrandingswaarde aardgas 31,65 MJ/m$^3$ Wikipedia Verbrandingswarmtew Bij normaalcondities
CO$_2$ emissie kolencentrale ~0,8 ton CO$_2$/MWh stroom Afhankelijk van efficiëntie centrale en kwaliteit steenkool
CO$_2$ emissie aardgascentrale ~0,3 ton CO$_2$/MWh stroom Afhankelijk van efficiëntie centrale
Capaciteit thermische centrale ~800 MW Varieert sterk, geldt voor kolen-, kern- en aardgascentrales.
Elektriciteitsverbruik in Nederland (totaal) 119 TWh/jaar CBS 2015w Dit is niet alleen huishoudens
Hoogspanningsniveaus transmissienet 380, 220, 150, 110 kV elektriciteit-netwerken
Aardgaswinning Nederland 48 miljard m$^3$/jaar CBS 2016w
Aardgasgebruik Nederland 40 miljard m$^3$/jaar CBS 2016w Berekend als winning + invoer - uitvoer + onttrekking uit voorraad
Gemiddeld elektriciteitsverbruik Nederlands huishouden 3.300 kWh/jaar Milieu Centraalw
Gemiddeld gasverbruik Nederlands huishouden 1.500 m$^3$/jaar Milieu Centraal 2017w
Elektriciteitsprijs voor Nederlands huishouden 0,20 euro/kWh Milieu Centraal 2017w Afhankelijk van aanbieder en contractvorm. Hiervan is ongeveer 5 cent stroom, 11 cent is energiebelasting en 4 cent is BTW. Daarnaast zijn er vaste kosten voor de netbeheerder.
Gasprijs voor Nederlands huishouden 0,63 euro/m$^3$ Milieu Centraal 2017w Afhankelijk van aanbieder en contractvorm. Hiervan is ongeveer 25 cent voor het gas zelf, 27 cent voor energiebelasting en 11 cent is BTW. En er zijn vaste kosten voor de netbeheerder
Zekering stroomgroep huishouden 16 A Standaardgroep van één fase
Gemiddeld watergebruik Nederlander 46 m$^3$/jaar Nibud 2017w Dit komt overeen met 126 L/dag en is op basis van een eenpersoonshuishouden. Voor grotere huishoudens gaat het verbruik per persoon naar beneden.
Tabel 1. Kentallen van energiesystemen. Sommige van deze cijfers zijn stabiel. Andere kunnen sterk variëren over de tijd. Deze cijfers zijn desondanks opgenomen omdat ze kenmerkend voor onze energie- en industriesystemen.



Energiebron Elektrische efficiëntie Efficiency bepaald door Typische inzet Reden voor inzet
Aardgascentrale 45-60% Stoomdruk/-temperatuur en inrichting koeling, type centrale 30-70% Pieklast, hoge variabele kosten, goed regelbaar
Kolencentrale 30-45% Stoomdruk/-temperatuur en inrichting koeling, type centrale 80-90% Basislast, lage variabele kosten, lastig regelbaar
Kernenergie 30-35% Stoomdruk/-temperatuur en inrichting koeling, type centrale 80-90% Basislast, erg lage variabele kosten, lastig regelbaar
Biomassa 20-40% Afhankelijk van de bron, vaak meegestookt in kolencentrale 10-20% Beperkte meestook mogelijk in kolencentrale zonder aanpassingen, variabele kosten afhankelijk van de bron van biomassa
Windenergie ~30% Beperkt door hoe wind op wordt gevangen 10-30% Off-shore hoger dan op land, beperkt door locatie en windsterkte, geen variabele kosten.
Zonnecellen 10-15% Technologiespecifeke beperking 10-30% Afhankelijk van de locatie en zonnesterkte, geen variabele kosten
Concentrated solar power ~30% Wegkoelen warmte 10-30% Afhankelijk van de locatie en zonnesterkte, geen variabele kosten
Waterkracht - Afhankelijk van technologie 10-30% Afhankelijk van regenval/waterstroom, geen variabele kosten
Tabel 2. Richtlijnen voor efficiency en inzet van energiebronnen. Dit zijn typische cijfers, er bestaan ook minder meer efficiënte centrales en onder omstandigheden kan de inzet van centrales anders zijn.



Kental Waarde Eenheid Bron Noot
Wereldwijd energiegebruik ~400 EJ/jaar IEA 2013 Gegevens over 2013, Exajoule is 10$^18$ Joule
Wereldwijd elektriciteitsgebruik 21 duizend TWh/jaar Wikipedia 2017w
Wereldwijde olieconsumptie 91 miljoen vaten/dag Index Mundi 2017w Gegevens over 2013
Aardolieprijs ~45 euro/vat Index Mundi 2017w Sterk variabel, Brent Oil, 2017
Steenkoolprijs ~70 euro/ton Index Mundi 2017w Sterk variabel, Colombia Coal, 2017
Capaciteit interconnector NL-UK 1.000 MW Hoogspanningskaart 2017w BritNed
Capaciteit interconnector NL-NO 800 MW TenneT 2016w NorNed: Eemshaven-Feda DC
Capaciteit interconnector NL-DE 1.370 + 1.645 + 1.700 MW TenneT 2016w Resp. Meeden - Diele, Hengelo - Gronau, Maasbracht Selfkant
Capaciteit interconnector NL-BE 1.645 + 1.645 + 1.350 MW TenneT 2016w Resp. Borssele - Zandvliet, Geertruidenberg - Zandvliet, Maasbracht - van Eyck
Capaciteit elektriciteitsaansluiting huishouden 1x25, 1x35, 3x25, 3x35 A Liander 2017w Afhankelijk van contract met aanbieder, van apparaten in huis (bijv. krachstroom voor elektrische auto)
Capaciteit aardgasaansluiting huishouden 6 of 10 m$^3$/uur Gaslicht.com 2017w G4 respectievelijk G6 gasmeter
Typisch benzinegebruik auto ~5-10 L/100 km Bijv. MulitTankcard 2017w Sterk afhankelijk van model, omstandigheden en rijgedrag. Jaargebruik 10.000 km betekent 500-1.000 liter.
Typisch dieselgebruik auto ~4-8 L/100 km Bijv. MulitTankcard 2017w Sterk afhankelijk van model, omstandigheden en rijgedrag. Jaargebruik 20.000 km betekent 800-1.600 liter.
Tabel 3. Kentallen van energiesystemen, die je niet noodzakelijk paraat hoeft te hebben. Sommige van deze cijfers zijn stabiel. Andere kunnen sterk variëren over de tijd. Deze cijfers zijn desondanks opgenomen omdat ze kenmerkend voor onze energie- en industriesystemen.


Werkcollege systeemdiagram en kentallen


Voorbereiding


Bekijk de pagina werkcollege-voorbereiding-algemeen voor de regels rondom de voorbereiding van werkcolleges.

Bestudeer de pagina's introductie-systemen, systemen-ketens-netwerken, systemen-industrie, systemen-energie en kentallen-overzicht. Voor dit werkcollege hoeft geen voorbereiding te worden ingeleverd.



Voorraden en stromen


In het college voorraden en stromen gaan we in op een aantal definities van voorraden en bekijken we hoe we voorraden en stromen kunnen meten en wat de rol is van verschillende mineralen voor onze maatschappij.

Dit college bespreken we aan de hand van de volgende pagina's:
• De pagina mineralen-metalen geeft definities van mineralen en metalen.
• De mineralogische-barriere geeft schematisch aan waardoor veel mineralen maar beperkt kunnen worden gewonnen.
• Op de pagina voorraden-definieren-meten staat een overzicht van definities van voorraden en bespreken we hoe voorraden voornamelijk in beeld worden gebracht.
• Wat betreft voorraden en stromen van de energiedragers, zie hier: steenkool, aardgas-voorraad, aardgas-winning, aardolie-voorraad en uranium.
kritieke-materialen bevat een overzicht van de door de Europese Commissie gedefinieerde kritieke materialen, de 14 economische relevante materialen met leveringsrisico's (EC 2013w).
• Voorraden en stromen relateert sterk aan ontwikkelingen in technologie voor batterijen en energie-opslag.

Voorraden definiëren en meten


Er worden verschillende termen gebruikt om voorraden aan te duiden. De termen lijken in bewoording erg op elkaar, maar kunnen erg ver uiteen liggen door de gekozen definities. En er is regelmatig verwarring over die definities. De belangrijkste voorraadtermen en hun meest gebruikte definities zijn hieronder samengevat. Tussen haakjes staat de door de EU gehanteerde Engelstalige term.

• Bewezen voorraad (mineral/proven reserve): geologisch aangetoonde voorraad die commercieel en technisch kan worden gemijnd. Dit is daarmee een voorraadniveau dat vlot kan variëren door ontwikkelingen in het mijnen, de economie, de wetgeving, etc. Soms wordt ook de legaliteit van winning betrokken in deze definitie, maar dat kan het best worden gezien als een uitzondering.
• Geïdentificeerde voorraad (mineral resource): alle bewezen voorraden die mogelijkerwijs ooit winbaar worden. De chemische/fysieke eigenschappen van deze voorraden zijn in een concentratie en omvang dat deze ooit economisch winbaar zouden kunnen worden.
• Hypothetische voorraad (hypothetical resource): verwachte maar niet-aangetoonde voorraden die waarschijnlijk voorkomen in regio's waar ook bewezen voorraden zijn.
• Speculatieve voorraad (speculative resource): verwachte maar niet-aangetoonde voorraden die mogelijk voorkomen vanwege de geologische eigenschappen van een gebied.


Figuur 16. Definities van voorraden van mineralen

Een voorbeeld is de voorraad van schaliegas, een recente ontwikkeling die de wereldwijde gasmarkt heeft beïnvloed (zie voor meer info de pagina over schaliegas).
Na de enorme groei van schaliegas in de VS is momenteel een heftig debat gaande over de rol van schaliegas in Nederland en Europa: wat zijn de veiligheidsrisico's mbt drinkwater? Is schaliegaswinning ook in Europa haalbaar? Onderstaande kaart geeft de locaties weer van schaliegasvoorraden. Welke term voor de voorraden, zoals aangemerkt op de kaart is hier dan passend? Zijn dit wel bewezen voorraden? Zijn ze slechts geïdentificeerd? Of ook dat niet?


Figuur 17. EIA World Shale Gas Map (bron: Wikimedia Commons)

Een belangrijke maat voor voorraden is de R/P ratio, gemeten in jaren. De R staat voor reserve, in dit geval de bewezen voorraad. De P staat voor production, oftewel het huidige productieniveau. De R/P ratio is daarmee het aantal jaren dat we met de huidige bewezen voorraden kunnen doen bij de huidige productie. R/P ratio's nemen af door de jaarlijkse productie, nemen sneller af bij een stijging in de productie, maar kunnen toenemen door nieuwe vondsten.


Kritieke materialen in de Europese Unie


De EU heeft een analyse gedaan van de voor haar zogenaamde 'kritieke' materialen (EC 2010w).

De mate waarin materialen kritiek zijn voor de EU is bepaald aan de hand van twee criteria:
• De mate waarin leveringsrisico's kunnen worden verwacht
• De mate waarin het materiaal belangrijk is voor de Europese economie

Het resultaat is een overzicht van 14 materialen die zowel economisch belangrijk zijn als een risico hebben met de voorzieningszekerheid. Deze 14 materialen staan in de rechterbovenhoek in figuur 18. Het moet daarbij gezegd worden dat de materialen rechtsonder ook kritiek kunnen worden, en dat die verwachting sterk afhankelijk is van wereldwijde ontwikkelingen.


Figuur 18. Kritieke materialen in de Europese Unie (Bron: EC 2010w)


Overzicht van kritieke materialen

De analyse laat zien dat de volgende lijst kritieke ruwe materialen zijn voor de Europese Unie. De getallen tussen haakjes zijn de elementen uit het periodiek systeem (indien van toepassing).
• Antimonium (51)
• Beryllium (4)
• Kobalt (27)
• Fluoriet (fluorspar, vloeispaat)
• Gallium (31)
• Germanium (32)
• Grafiet
• Indium (49)
Magnesium (12)
• Niobium (41)
• Tantalium (73)
• Wolfraam (tungsten)
• Platinumgroep metalen (PGMs, Platinum Group Metals), dat zijn platina, palladium, iridium, rodium, ruthenium en osmium.
• Zeldzame aardmetalen (rare earths), dat zijn yttrium (39), scandium (21) en de lanthaanreeks, dwz lanthaan (57), cerium (58), praseodymium (59), neodymium (60), promethium (61), samarium (62), europium (63), gadolinium (64), terbium (65), dysprosium (66), holmium (67), erbium (68), thulium (69), ytterbium (70) en lutetium (71))

Voor zover van toepassing staan de kritieke materialen hieronder in figuur 19 weergegeven in het rood in het periodiek systeem. Voor meer informatie over de materialen, zie deze sitew van de VNCI over het periodiek systeem.


Figuur 19. Periodiek systeem met daarin de kritieke materialen voor de EU

Een mooi overzicht wordt gegeven door BGS 2013w.

Concentratie in productielocaties

In figuur 20 staan de voornaamste productielocaties van de 14 kritieke materialen. Een deel van de mate waarin materialen kritiek zijn voor de EU komt door het feit dat ze maar in een beperkt aantal plaatsen voorkomen, wat een belangrijke bron is om de leveringszekerheid aan te tasten.


Figuur 20. Productielocaties van kritieke materialen in de EU (Bron: EC 2010w)

Redenen voor kritiekheid per materiaal

De belangrijkste redenen voor de kriteke positie van deze materialen staan hieronder samengevat:

Antimonium

• Geen effectief substituut voor de belangrijkste toepassing (brandvertrager)
• De levering van het ruwe materiaal voor de antimonium waardeketen wordt gedomineerd door China, die ook de grootste reserves antimoniumerts bevat
• Weinig recycling vanwege toepassingen in kleine hoeveelheden
• Risico op wereldwijd verlies van know-how in brandvertraging

Beryllium

• Ongeveer 99% van de wereldproductie komt van de VS en China
• Weinig recycling
• Moeilijk te vervangen, en waar mogelijk gaat dit ten koste van de performance

Kobalt

• Congo heeft een groot aandeel in de wereldproductie
• Geen eerlijk speelveld in de primaire productie, met name vanwege Chinese competitie
• Beperkte vervangbaarheid

Fluoriet

• 75% wordt geimporteerd van buiten de EU, voornamelijk vanuit China die export quota en belastingen hanteert
• Het hergebruik in de EU wordt geschat beneden 1%
• Het lijkt erop dat er maar beperkt substitutiemogelijkheden zijn

Gallium

• China is de blangrijkste producent, met een aandeel van 75%. In de EU vindt productie in Hongarije en Slowakije plaats.
• Zuid-Afrika, China en Rusland hebben handelsrestricties
• Gallium wordt niet gerecycled uit schroot
• Slechts voor sommige doeleinden zij substituten beschikbaar

Germanium

• Wordt in de EU niet teruggewonnen, maar geïmporteerde ertsen worden hier verwerkt en germaniummetaal wordt geëxporteerd. De EU is erg afhankelijk van importen uit China, met een aandeel van meer dan 71% van de wereldproductie in 2009
• Slechts 30% wordt gerecycled

Grafiet

• EU is voor 95% afhankelijk van importen, voornamelijk uit China
• Hergebruik is zeer beperkt mogelijk, omdat een overvloed aan grafiet op de wereldmarkt de prikkel daartoe wegneemt

Indium

• Meer dan 81% van de EU's importen komen uit China
• De enige mogelijkheid voor recycling is door resten bij de productie
• Substitutie is maar in een beperkt aantal toepassingen mogelijk

Magnesium

• De EU importeert bijna 47% van de wereldproductie van magnesium. China is verreweg de grootste producent, met 93% van de wereldproductie
• China, Rusland en Zuid-Afrika hebben handelsrestricties
• Recyclingmogelijkheden zijn beperkt

Zie ook magnesium

Niobium

• Er is geen productie in de EU, meer dan 92% is geproduceerd in Brazilië, 7% in Canada
• Naar schatting is 20% van de consumptie hergebruikt niobium. Ondanks dat substitutie van niobium mogelijk is, kan het zijn dat dat tegen hogere kosten is en dat de prestaties lager zijn

Tantalum

• Groot aandeel van de productie in Congo
• Hergebruik beperkt
• Moeilijk vervangbaar, en gebruik van alternatieven gaat ten kosten van de prestatie

Wolfraam (tungsten)

• China domineert de ruwe materialenlevering, alsmede de grootste wolfraamreserves. Er zijn op leverings- en prijsrisico's.
• Groeiend risico op levering vanwege China op de schrootmarkt voor wolfraam
• Substitutiemogelijkheden worden beperkt door de kosten van de alternatieven en de gevolgen qua prestaties en de bijkomende milieu-effecten.
• Wereldwijd verlies van know-how als de wolfraamwaardeketen in de EU instort

Zie ook video over Tungstenw

Platinumgroep metalen (PGMs, Platinum Group Metals)

• Er is geen primaire productie in de EU, de belangrijkste bronnen zijn Zuid-Afrika (ongeveer 60%) en Rusland (meer dan 30%)
• Terugwinning van platinumgroep metalen is beperkt
• De metalen binnen deze groep kunnen elkaar vaak vervangen, maar omdat platinum en palladium mijning/productie production van dezelfde omvang zijn, verplaatst dit het probleem van het ene metaal naar het andere

Zeldzame aardmetalen (rare earths)

• Worden niet in de EU geproduceerd, China verzorgde 97% van de wereldproductie in 2009. China heeft exportrestricties op zeldzame aardmetalen
• Nieuwe mijningsprojecten worden in andere landen opgezet, maar dit vergt veel tijd en kent specifieke problemen
• Terugwinningsprocessen zijn ontwikkeld, maar zijn niet economisch haalbaar. Substitutie gaat ten koste van de prestaties voor de meeste toepassingen

Mineralen en metalen als grondstoffen


De inrichting van productieprocessen in de procesindustrie wordt voor en belangrijk deel bepaald door de grondstoffen. Industriële mineralen zijn materialen die direct als input in industriële processen kunnen worden ingezet. Voorbeelden zijn het vervaardigen van staal, chemische producten, glas, kunstmest, in de farmaceutische industrie en cosmetica, ceramiek, plastics, verf en papier. Voorbeelden van industriële mineralen zijn bariet, bentoniet, boraten, klei, datomiet, veldspaat, vloeispaat, gips, kalksteen, zand en talk (EC 2013).

Een belangrijk onderscheid is het onderscheid tussen ‘Verlustrohstoffe’ en ‘Reinrohstoffe’. Met de Duitse term Verlustrohstoffe worden grondstoffen bedoeld die veel materiaalverlies veroorzaken bij hun verwerking. Die grondstoffen bestaan, met andere woorden, voor een groot deel uit ongewenste componenten. Reinrohstoffe daarentegen kunnen vrijwel geheel worden omgezet in gewenste producten, waarbij in verhouding weinig materiaal verloren gaat.

Aardolie is een Reinrohstof. Elke aardolie bestaat vrijwel geheel uit koolwaterstoffen die tijdens hun verwerking in een olieraffinaderij en daarop volgende petrochemische productieprocessen, vrijwel geheel in gewenste koolwaterstofverbindingen kunnen worden omgezet. De verschillen tussen verschillende soorten aardolie zijn vooral merkbaar uit grote verschillen in viscositeit. Hoe stroperiger de olie, des te meer lange koolwaterstofmoleculen met een hoog molecuulgewicht en complexe molecuulstructuren worden aangetroffen. Zeer visceuze aardolie, ook wel bekend als ‘zware’ olie, is moeilijker winbaar en vraagt een complexere olieraffinaderij dan lichte aardolie, die gemakkelijk stroomt en gemiddeld veel kleinere moleculen bevat.

Minerale grondstoffen

Bij minerale grondstoffen, waaronder ook de metaalertsen, bestaat slechts een klein deel van de grondstof uit de gewenste component. Mineralen zijn ingebed in een moedergesteente of ganggesteente, wat betekent dat er veel meer materiaal moet worden gedolven dan het gewenste mineraal zelf. Mineralen zijn ontstaan door geologische processen, waarbij hoge temperatuur en druk vaak een rol hebben gespeeld. Een metaalerts wordt door de EU gedefinieerd als een mineraal, waarvan een metaal op economische wijze kan worden gewonnen (EC 2013). Dit duidt dus plekken aan waar de massapercentages metaal in een mineraal zo hoog is, dat het winningsproces gegeven de huidige prijzen en prijsverwachtingen economisch haalbaar is. Deze bronnen bevinden zich op zeer specifieke plekken waar de geologische omstandigheden zo zijn geweest dat zich mineraalophopingen hebben voorgedaan.

Mineralen worden doorgaans gewonnen ofwel om de anionische component te isoleren, ofwel om de kationische component te isoleren. Koper wordt bijvoorbeeld in de natuur meestal aangetroffen in de vorm van kopersulfide. In die verbinding is koper het (positief geladen) kation, sulfide het (negatief geladen) anion van zwavel. Om koper als zuiver metaal te isoleren moet de sulfidische component dus verwijderd worden. Dat betekent dat er bij de industriële verwerking van mineralen per definitie veel ‘afval’ ontstaat.

Meer weten: Mineraalw

Mineralen in Nederland

In Nederland winnen we nauwelijks mineralen, met uitzondering van grind en zand als bouwmaterialen, klei voor de productie van bakstenen en dakpannen, mergel (een soort kalksteen) voor de productie van cement, en steenzout voor de productie van chloor en natronloog.

Meer weten:
• Over mineralen wereldwijd, waar ze voorkomen, in welke vorm, en waarvoor ze gebruikt worden, USGS, Commodity Statistics and Informationw
• Over de eigenschappen van bepaalde elementen en hoe ze worden gewonnen WebElements: the periodic table on the webw
• Over metalen: Metaalw

Mineralogische barrière


De meest tekenende aanduiding voor wat deze voorraden betekenen, kan worden gezien in de 'mineralogische barrière' (Skinner 2001). Daarin staat de rol van de concentratie van een bepaald materiaal in een erts. Figuur 21 geeft aan dat materialen normaliter worden gemijnd uit een relatief klein deel van de voorraad. De barrière zorgt ervoor dat een groot deel van de fysiek aanwezige voorraad - die zich in zeer kleine concentratie in het aardoppervlak bevinden - niet economisch winbaar is.


Figuur 21. De mineralogische barrière (Bron: Skinner 2001)

De relevantie van de mineralogische barrière wordt duidelijk als je kijkt naar de hoeveelheid energie die nodig is in het winningsproces, welke een belangrijke indicator is voor de economische haalbaarheid van dat winningsproces: wanneer de concentratie van het metaal omlaag gaat, gaat die energiebehoefte meer dan lineair omhoog. Figuur 22 laat zien wat de energiebehoefte is voor het verwerken van aluminium en ijzer, beide uit verschillende bronnen. Daarmee kan worden verwacht dat - gegeven de in deze tijd voorkomende prijzen - die barrière onoverkomelijk is.


Figuur 22. Energiebehoefte bij de winning van ijzer en aluminium Meadows 2004


Aardgasvoorraden


Introductie

Aardgas is een fossiele brandstof en bestaat uit korte ketens van koolwaterstoffen. Deze zijn ontstaan uit sedimenten rijk aan organisch materiaal die in het geologische verleden zijn gevormd en daarna onder invloed van de afzetting van nieuwe sedimentpakketten (grondlagen) op de eerdere brongesteenten zijn gekookt. Door de druk en warmte die hoger zijn dieper in de aarde ontstaan uit organisch-rijke bronlagen belletjes olie en gas, die lichter zijn dan grondwater en dus een weg omhoog zoeken. Het zoekt zich zo een weg naar reservoirgesteenten (omsluitende gesteenten van koolwaterstoffen met een bepaalde porositeit en permeabiliteit van het gesteente) alwaar het gas of de olie winbaar is.

Wereldwijde gasreserves

De bekende gasreserves bedragen op dit moment ongeveer 1,885 biljoen kubieke meter wereldwijd. In figuur 23 vind je de verdeling naar landen. Vooral Iran (18%) en Rusland (18%) en het Midden-Oosten als regio (39,6%) bezitten een sleutelrol in de voorraadsituatie van de wereldwijd bekende reserves. De huidige R/P ratio voor aardgas is 60 jaar (Enipedia 2013w).


Figuur 23. Bewezen aardgasvoorraden. Bron: Wikipedia 2013w

Nieuwe ontdekkingen

Hoewel er nagenoeg geen aardgas bijkomt (het productieproces duurt honderdduizenden zo niet miljoenen jaren) worden exploratietechnieken steeds verfijnder. Exploratie staat voor de zoektocht die olie- en gasbedrijven continu voeren om de bewezen voorraad op te schroeven, omdat dat hun lange termijn productiecapaciteit bepaalt. Het Nederlandse bedrijf Fugro is een wereldspeler op het gebied van dieptemetingen naar olie en gas. Hieronder in figuur 24 is te zien dat de bewezen gasreserves door technologische ontwikkeling afgelopen 20 jaar meer dan is verdubbeld.


Figuur 24. Verloop van de bewezen aardgasvoorraad tussen 1980 en 2012 (bron: Wikimedia Commons)

Voorraadpositie Nederland

Waar wereldwijd nog veel nieuwe gasreserves worden gevonden (denk aan het Russische Sachalin, waar voor 2.700 km$^3$ gas gevonden is) kan in Nederland de exploratie de exploitatie niet meer bijbenen. Dat betekent dat de voorraad aardgas in Nederland daalt; op dit moment is de voorraad 1200 miljard m$^3$, waar deze op het maximum nog tegen de 4000 miljard m$^3$ was. In figuur 25 is te zien waar de gasvoorraden van Nederland zich bevinden. Deze zijn ook goed te bekijken op deze interactieve kaartw.


Figuur 25. Aardgasvoorraden Nederland. Legenda: donkergroen, producerend gasveld, lichtgroen: nog niet ontwikkeld gasveld. Donkerrood: producerend olieveld. Lichtrood: nog niet ontwikkeld olieveld. Blauw: gasopslag. Bron: NLOG 2015w

Exploratiepotentieel

In het Jaarverslag Olie en Gas 2006 en prognose 2007 van TNO worden zoals elk jaar verwachtingen gegeven voor het exploratiepotentieel; in dit geval werd de maximum hoeveelheid nog te vinden gasvoorraden geschat op 350 miljard m$^3$, en het minimum nog te vinden voorraden op 160 miljard m$^3$. In vergelijking tot de initiële hoeveelheid kan de reserve nog 4-10% hoger uitvallen, en in vergelijking met de huidige voorraden nog 11-25%. Dit exploratiepotentieel staat los van economische factoren. Gaswinning is duidelijk een commerciële bezigheid, waarbij de kosten voor het omhoog halen van het gas de opbrengsten bij verkoop niet mogen overstijgen. Wanneer een gasveld minder vol is, moet je het gas om die reden naar boven pompen, doordat de druk in het veld vermindert. Vermindert de gasstroom, dan gaan de kosten per m$^3$ omhoog (vanwege het aandeel aan vaste kosten).

Exploreermogelijkheden

Zoeken naar nieuwe gasbronnen gebeurt in het algemeen op drie manieren. Deze zijn:
• Geologisch onderzoek (hier niet verder behandeld)
• Geofysisch onderzoek
• Proefboringen

Geofysich onderzoek

Met geofysisch onderzoek wordt getracht een beeld te krijgen van de bodemopbouw van de onderzoekslocatie. Hierbij zijn veel methoden in gebruik:

• Metingen op magnetisme
• Gravimetrische metingen
• Geo-elektrische metingen
• Seismisch onderzoek
• Geochemische metingen
• Onderzoek van proefmonsters

Proefboringen

Alleen met proefboringen kunnen de eigenschappen van het gas nauwkeurig bepaald worden, zoals de porositeit van het reservoirgesteente of de hoeveelheid aanwezig water in de laag. Op basis van proefboringsgegevens kunnen twee belangrijke indicators worden vastgesteld. Het eerste is GIIP (Gas Initial In Place); de hoeveelheid kubieke meters die het door verschillende proefboringen afgebakende veld wordt verwacht te bevatten, en ERR (Economically Recoverable Resources) wat rekening houdt met de technische mogelijkheden van het boren naar gas, en belangrijker: de kosten van het boren naar het gas, dat op een bepaalde diepte ligt en onder een bepaalde druk ligt, met natuurlijk nog veel andere parameters die de kosten van het omhoog halen van het gas bepalen. De belangrijkste factoren in de economische rentabiliteit van een gasbel:

• Grootte van de gasbel (hoeveelheid m$^3$)
• Kwaliteit van het gas (meting in $G_{eq}$, Groningen equivalent in calorische waarde)
• Porositeit van het reservoirgesteente (mate van vochtdoorlating)
• Waterconcentratie in het reservoir (verontreiniging van het gas)
• Vereiste aan te leggen infrastructuur (afstand tot bestaande infrastructuur)
• Benodigde conversiehandelingen (hoe meer hoe duurder)

Wanneer de hoeveelheid ERR kubieke meters hoog genoeg is kan overgegaan worden tot exploitatie. Gasboringen zijn enorm kostbaar; vooral de initiële kosten zijn gigantisch. Hier wordt in deze module niet op in gegaan, maar een goed voorbeeld is wel het Sakhalin-II veld in het uiterste oosten van Rusland. De initiële kosten voor het produceren van gas op dit eiland worden door (net minder dan) 50% aandeelhouder Royal Dutch/Shell op dit moment begroot op 37 miljard euro, waartegenover natuurlijk nog veel hogere verwachte opbrengsten staan.

Aardolievoorraden, winning en transport


Introductie

Aardolie is ontstaan uit dode resten van planten en plankton op de zeebodem. In de loop der tijd kwamen grote hoeveelheden zand, grind en klei over deze laag dode organismen te liggen. Door de druk van deze aardlagen steeg de temperatuur in de laag met de dode organismen en ontstond via een ingewikkeld chemisch proces aardolie. Deze olie zit meestal in een zandsteenlaag tussen de zandkorrels, omringd door ondoordringbare aardlagen van bijvoorbeeld zout. De olie in Nederland bevindt zich voornamelijk in zandsteenlagen die tussen de 60 en 120 miljoen jaar oud zijn (Shell 2007).

Voorraad

Elk olieveld bevat ruwe olie met een voor dat veld unieke samenstelling. Ruwe olie kan erg verschillen in samenstelling. Ruwe olie is vaak een zwarte, stroperige massa, maar kan ook helder als water zijn. De kwaliteit van ruwe olie kan daardoor sterk verschillen. Ruwe olie bestaat gemiddeld uit:
• Koolstof 84%
• Waterstof 14%
• Zwavel 1-3%
• Stikstof < 1%
• Zuurstof < 1%
• Metalen < 1%
• Zouten < 1%

De bronnen van olie zijn geografisch zeer verspreid over de wereld. Figuur 26 laat de bewezen reserves zien. Hierin is te zien dat veruit de meeste olie zich in het Midden-Oosten bevindt. Dit relatief kleine gebied bezit meer olie dan de rest van de wereld bij elkaar.


Figuur 26. De verdeling van de bewezen voorraden aardolie over de wereld (bron: Wikimedia Commons)

Naast de totale bewezen reserves wordt vaak gepraat over de R/P ratios. Dit ratio wordt bepaald door de totale bewezen reserves te delen door het de hoeveelheid olie die jaarlijks geproduceerd wordt. Hieruit komt het aantal jaren voort dat er nodig olie beschikbaar is met de huidige productie.

Het EIA schat de R/P ratio in op 47 jaar (zie figuur 27).

Figuur 27. Het verloop van de R/P ratio voor aardolie (bron: Wikimedia Commons)

Winning

Voordat er olie gewonnen kan worden, moet er eerst uitgebreid onderzoek gedaan worden. Exploratie kan door middel van vijf methoden:
• Proefboren
• Geologische kaart
• Gravimetrische studies
• Magnetische studies
• Seismografie

Proefboren is de methode die de meeste zekerheid oplevert, maar ze brengt hoge kosten met zich mee. Daarom wordt er slechts geboord indien met behulp van de andere methoden is vastgesteld dat het waarschijnlijk is dat zich olie in de bodem bevindt. Het bepalen van deze waarschijnlijkheid gebeurt onder andere op basis van een geologische kaart, gemaakt door een geoloog. Deze kaart wordt samengesteld met behulp van luchtfoto's en talloze proefmonsters uit de bodem. De geologische kaart geeft een impressie van de bodem. Daarnaast kan de aanwezigheid van fossielen aanwijzingen geven met betrekking tot de aanwezigheid van olie.

In Nederland geeft de bovenstaande methode weinig bruikbaar resultaat, omdat de dikke bovenste lagen zo recent zijn neergelegd, dat deze weinig informatie verschaffen over eventueel aanwezige aardolie. In Nederland wordt daarom gebruik gemaakt van gravimetrische studies, magnetische studies en seismografie.

Bij gravimetrische studies wordt de zwaartekracht op diverse plaatsen zeer precies gemeten met gravimeters. Hiermee wordt gemeten welke dichtheid de verschillende aardlagen hebben, waaruit conclusies kunnen worden getrokken met betrekking tot de kans op aanwezigheid van aardolie. De dichtheid van aardlagen neemt toe naarmate ze langer bestaan door de grote druk. Deze methode werkt slechts bij vrij ondiepe lagen. Bij magnetische studies wordt gekeken naar het lokaal, door de bodem verspreide magnetische veld. Vaak zijn magnetische studies een basis voor seismografie. Seismografie wordt veelal gebruikt bij onderzoek naar diepere lagen, omdat alleen seismografie daarvoor geschikt is. Bij seismografie worden trillingen de grond in gebracht. Van deze trillingen wordt gemeten met welke frequentie, amplitude en op welke locatie deze reflecteert. Analyse van deze informatie levert gegevens op over diepte, dikte, helling en samenstelling van ondergrondse aardlagen.

Nadat men weet waar olie verwacht kan worden zal daar worden geboord. Een proefboring kan uitsluitsel geven over de vraag of er zich aardolie in de bodem bevindt. Met de gegevens die nu zijn verzameld wordt vastgesteld of het eventuele aardolieveld groot genoeg is om te exploreren. Nadat de olievelden uitgebreid onderzocht zijn kan er begonnen worden met de winning. Om te demonstreren hoe olie wordt gewonnen zal eerst beschreven worden hoe een olieboorplatform werkt. De boor wordt aangedreven door een een machine die de elektrische energie van de generator omzet in bewegensenergie. De boor ‘hangt’ in de toren waar telkens nieuwe delen in geplaatst kunnen worden. Om te voorkomen dat de geboorde tunnel instort wordt tijdens het boren een betonnen fundering aangebracht. Deze fundering helpt ook bij het omhoog pompen van de grondresten. Deze resten worden afgevoerd naar een put. De boor zelf is gemaakt van een diamant en koolstof composiet, waarmee het sterk genoeg is om door de grond en rotsen heen te boren. Om te voorkomen dat de olie onder de druk van de aarde door de boortunnel omhoog spuit, is er een speciale blowout preventer geplaatst. Tegenwoordig zijn de platformen steeds complexer van bouw om naar diepere en moeilijk bereikbare bronnen te boren, maar het principe is hetzelfde. Na het aanleggen van een boortunnel wordt de boor verwijderd en vervangen door een installatie die de olie vervolgens omhoog pompt (HowStuffWorks 2007). In het begin van de winning is het vaak niet nodig om al te pompen; de druk die aarde levert op het olieveld zorgt ervoor dat de olie er vanzelf uitkomt.

Transport en opslag

Ruwe aardolie kan op twee manieren worden getransporteerd, namelijk over zee en via oliepijpleidingen. Het transport over zee met tankschepen of tankers is zeer flexibel. De bestemming van de lading kan op elk ogenblik worden aangepast. De capaciteit van de tankschepen bedraagt vaak meer dan 200.000 ton. Hiermee kan een gemiddelde raffinaderij 1 tot 2 weken vooruit. De grootste olietanker van dit moment is 453 meter lang en kan 555.000 ton aardolie vervoeren. Deze schepen worden steeds groter omdat hier veel schaalvoordelen te behalen zijn. Deze schepen gaan niet meer door het panama of seuz kanaal omdat ze er niet inpassen. Door hun grootte is het goedkoper om rond de continenten heen te varen.


Figuur 28. Olietanker (bron: Wikimedia Commons)

De eenvoudigste manier om ruwe aardolie te vervoeren, is via oliepijpleidingen. De aardolie wordt dan constant door een buis gepompt. Pompstations om de 60 tot 100 km zorgen ervoor dat de aardolie onder druk blijft staan met een snelheid van 1,8 tot 2 m/s. Deze grote leidingen over land of onder zee vormen netwerken. Nadelen zijn echter wel de grote investeringen en de beperkte flexibiliteit.

Steen- en bruinkool voorraden, winning en transport


Introductie

Kolen, in de vorm van steen- en bruinkool, is één van de belangrijkste primaire energiedragers op aarde. Steen- en bruinkool voorzien in 40% van de huidige wereldwijde elektriciteitsproductie. Voor individuele landen kan dit aandeel uiteraard veel hoger zijn. In Polen bijvoorbeeld wordt 94% van de totale elektriciteitsproductie uit kolen geproduceerd, in China is dit 77% en in Australië 76%. Hoewel kolen vaak negatief in het daglicht staan wegens de relatief "vuile" verbranding (er komt ordergrootte 1 ton CO$_2$ per MWh elektriciteit vrij), is het gebruik van kolen voor elektriciteitsopwekking de laatste jaren sterker gegroeid dan het gebruik van gas, olie, uranium of duurzame energiebronnen.

Ontstaan van kolen

Kolen ontstaan uit resten van dode planten die dikke veenlagen vormen in moerassen. Deze laag komt onder klei of zand te liggen. Gedurende miljoenen jaren wordt het veen door hoge druk en temperatuur samengeperst tot bruinkool. Aan hogere temperaturen en drukken blootgesteld, vordert het verkolingsproces van turf, naar bruinkool, steenkool en tenslotte anthraciet. Daarbij verandert de samenstelling naar een hoger koolstofgehalte; naarmate het verkolingsproces voortschrijdt, neemt het percentage waterstof, stikstof en zuurstof af. Deze ontsnappen in de vorm van gassen, zoals mijngas en koolzuur.

Verschillende soorten kolen

Het onderscheid tussen de verschillende soorten kolen wordt gemaakt op basis van het restgehalte aan vluchtige bestanddelen, volgens onderstaande tabel:

Soort kolen Percentage vluchtige bestanddelen
Anthraciet minder dan 8%
Magerkolen 8%-12%
Esskool 12%-20%
Vetkool tot 33%
Askool meer dan 33%

Tabel 4. Soorten kolen, op basis van het percentage vluchtige bestanddelen. Bron: TU Delft 2007

Een hoogwaardige harde koolkwaliteit wordt dus gekenmerkt door een hoog koolstofgehalte. Laagwaardige kolen zoals bruinkool en presteenkool, is zachter en vochtiger en ziet er aardachtig uit. Door het relatief lage koolstofgehalte en de relatief lage energie inhoud per volume-eenheid, verloopt de verbranding veel minder efficiënt dan bij hoogwaardige harde kolen.

De verschillende soorten kolen verschillen qua energieinhoud, vochtgehalte (moisture) en gebruiksfuncties. In figuur 29 is te zien dat vooral laagwaardige kolen hun weg vinden naar de elektriciteitsproductie; de beste kwaliteiten worden vooral gebruikt in de industrie.


Figuur 29. Soorten steenkool, hun energieinhoud en gebruiksfuncties. Bron: World Coal Institute 2009w

Voorraad

De voorraden van kolen zijn, anders dan bij aardolie en aardgas, redelijk over de wereld gespreid. Grote, gemakkelijk winbare steenkoolvoorraden zijn vooral te vinden in de Verenigde Staten, Rusland, China, India en Australië, Zie figuur 30.


Figuur 30. De landen met de grootste kolenvoorraden, gemeten in megaton, data 2008. Bron: Wikipedia 2013kw

In figuur 31 is per werelddeel de voorraad aangegeven. De wereldvoorraad steenkool is naar schatting over 2012 toereikend voor de komende 109 jaar (BP 2013w). Nieuwe technieken waarmee laagwaardige en diep gelegen koolvoorraden economisch winbaar zouden kunnen worden, zijn volop in ontwikkeling, zodat de verwachte R/P ratio mogelijk nog fors kan toenemen.


Figuur 31. Kolenvoorraden, huidige waarden en de trends per werelddeel, gemeten als R/P ratio (in jaren), data 2012. Bron: BP 2013w

Een overzicht van de steenkoolmijnen in onze regio is in figuur 32 weergegeven. Ook in Nederland worden steenkoolreserves aangetroffen, in Zuid-Limburg en in de Achterhoek. De Nederlandse steenkoolvoorraden dateren uit het steenkooltijdperk. Alleen in Zuid-Limburg werden de koolvoorraden gedurende decennia commercieel geëxploiteerd. Door concurrentie met goedkope steenkool uit de VS (dagbouw) en de opkomst van de aardolie en aardgas, werd de Nederlandse steenkoolwinning onrendabel. Op 31 december 1974 werd de laatste Nederlandse kolenmijn gesloten.


Figuur 32. Steenkoolmijnen in Nederland, Duitsland, België en Frankrijk. De genummerde steenkoolmijnen zijn in 2012 nog actief. (bron: Wikimedia Commons)

Winning

Er bestaan twee manieren om steenkool te winnen; ondergrondse winning en oppervlaktewinning (open pit). De keuze voor het type winning is grotendeels afhankelijk van geologische ligging van de steenkool. Van de wereldwijde steenkoolproductie wordt 60% gewonnen door middel van ondergrondse mijnbouw.

Ondergrondse winning

Ondergrondse winning gebeurt met room-and-pillar mining en longwall mining. Bij room-and-pillar mining worden er grote kamers gegraven waarin er pilaren van steenkool overgehouden worden om ondersteuning voor het dak te bieden. Deze pilaren worden vaak in een later stadium alsnog afgebroken om de steenkool uit de pilaren te winnen. De mijn stort hierbij dan gedeeltelijk in. Bij longwall mining wordt steenkool verwijderd door grote machines die steeds een laag van een lange wand afschrapen. Deze wanden kunnen tot wel 350 meter lang zijn. Door mechanische steunpilaren wordt voorkomen dat de mijn instort.

Het grote voordeel van room-and-pillar mining is dat de winning zeer snel kan beginnen, doordat er mobielere machines worden gebruikt die rond de 5 miljoen euro kosten. Longwall mining vergt hoge up front investeringen omdat er steunpilaren en machines gebouwd moeten worden in de mijn (World Coal Institute 2009w). De keuze voor room-and-pillar mining lijkt hiermee voor de hand liggend, maar de hoeveelheid te winnen steenkool verschilt per type. Bij room-and-pillar mining wordt circa 40% van het steenkool gebruikt als pilaar, waardoor er maar 60% gewonnen kan worden. Dit terwijl er bij longwall mining in totaal 75% gewonnen kan worden. De mogelijkheid tot het herwinnen van de steunpilaren speelt een grote rol. Uiteindelijk wordt er per mijn een kostenanalyse gemaakt waarop de keuze voor het type winning gebaseerd wordt.

Oppervlaktewinning

Oppervlaktewinning (open pit mining) is een zeer effectieve manier van het winnen van steekool; 90% van alle steenkool kan gewonnen worden. De winning vind plaats door zeer grote oppervlaktes af te graven met enorme grafmachines. De velden zijn veelal meerdere km$^2$ groot. Om de grond klaar te maken voor de graafmachines worden vaak explosieven gebruikt, waarna de kool opgegraven kan worden en overgeladen in grote trucks die de kool naar een preparatiefabriek brengen.

Transport

De wijze waarop steenkool wordt getransporteerd hangt in grote mate samen met afstand tussen bron en gebruiker. Voor de kleinere afstanden worden vrachtwagens gebruikt, op de middenlange afstand treinen en op de lange afstand schepen. Net als voor het transport van aardolie en LPG worden er ook voor kolentransport reusachtige schepen gebouwd die samen rond de 630 miljoen ton steenkool per jaar transporteren. Dit transport is vrij kostbaar, in tegenstelling tot bijvoorbeeld olietransport per tankerschip, gezien het grote volume dat getransporteerd moet worden in relatie tot de energie-inhoud. In het geval van steenkool kunnen de transportkosten oplopen tot 70% van de kostprijs. Gezien het grote aandeel van de transportkosten valt de wereldmarkt voor steenkool min of meer in twee delen uiteen, de Atlantische markt en de Pacifische markt. Het transport van landen in de Indische en de Stille Oceaan vindt grotendeels naar andere landen rond de Pacific plaats. Steenkool dat in Nederland wordt aangevoerd komt voor meer dan 40% uit Colombia en verder voornamelijk uit Australië, de VS, Zuid-Afrika, Rusland en Letland.

Uranium - voorraden, winning en transport


Introductie

Uranium is de energiebron voor kernenergie. Zuiver uranium is een zilverwit, radioactief metaal dat buigzaam en vervormbaar is en een zeer hoge dichtheid heeft (18,95 kg per dm$^3$ of kg per liter, dat is 65% dichter dan lood). Zuiver uranium blijft tot een temperatuur van ongeveer 1400 K in vaste toestand en het kookpunt ligt op ongeveer 4400 K. Isotopen zijn atomen van hetzelfde chemische element, en dus met hetzelfde aantal protonen, waarin het aantal neutronen verschilt. De twee belangrijkste uraniumisotopen die op aarde voorkomen zijn $^{238}$U (99,3%) en $^{235}$U (0,7%). Voor kernenergie wordt gebruik gemaakt van $^{235}$U, omdat dit isotoop splijtbaar is door thermische neutronen. Ook $^{238}$U is belangrijk, omdat het vervalt naar $^{239}$Pu, plutonium, de splijtstof voor kweekreactoren. Alle uraniumisotopen zijn radioactief en kunnen in het lichaam genetische schade aanrichten. Uranium en verbindingen waar uranium in voorkomt zijn giftig. Bij blootstelling kunnen organen (o.a. de lever) onherstelbaar beschadigd raken.

Voorraad


Primaire voorraden

Uranium komt niet als zuiver element voor in de natuur, maar alleen chemisch gebonden in uraniumertsen. Het meest gebruikelijke uraniummineraal voor de winning van uranium is het zogenoemde uraniniet, dat voornamelijk uit uraniumdioxide (UO$_2$) bestaat. Uraniumertsen komen verspreid over de aarde voor, echter met grote verschillen in uraniumgehalte en winbaarheid. De belangrijkste bewezen voorraden zijn weergegeven in figuren 33 en 34. Dit overzicht laat zien dat ongeveer de helft van de bewezen mondiale primaire uraniumvoorraad te vinden is in Australië, Kazachstan en Canada. Enkele ertsvoorraden in Canada hebben een zeer hoog percentage U, tot circa 10%. De meeste andere vindplaatsen betreffen echter veel laagwaardiger ertsen. Daarnaast zijn er verschillende locaties waar uranium als bijproduct van koper of goud wordt gewonnen.


Figuur 33. Bewezen uraniumvoorraden (bron: Wikimedia Commons)


Figuur 34. Overzicht van de belangrijkste bewezen uraniumvoorraden (>0,5% van de wereldvoorraad). Bron: Wikipedia 2013fw

Secundaire voorraden

Naast de uraniumertsvoorraden die in de natuur aanwezig zijn, bestaat de beschikbare uraniumvoorraad voor een aanzienlijk deel (ruim 20%) uit secundair uranium, in de vorm van gebruikte splijtstof uit kerncentrales, militaire voorraden en verarmd uranium:

Gebruikt splijtstof

Na het gebruik van uranium als splijtstof in een kernenergiecentrale, resteert er nog bruikbaar (secundair) uranium. Bij de opwerking van gebruikte splijtstaven wordt dit uranium afgescheiden (en daarmee gescheiden van bijv. plutonium dat in de kerncentrale is gevormd), om in nieuwe splijtstaven te kunnen worden (her)gebruikt. Net als bij de verrijking van uranium voor de primaire productie van splijtstaven, ontstaat er ook bij de opwerking van gebruikte splijtstaven radioactief afval. In verband met de bijzondere technologie van opwerking en de stringente veiligheids- en milieu-eisen (onder meer rondom de opslag van hoog radioactief afval), zijn er maar enkele plaatsen in de wereld waar commerciële opwerking van gebruikt uranium plaatsvindt. Dit zijn onder andere Sellafield in het Verenigd Koningrijk en La Haye in Frankrijk.

Militaire voorraden

Een ander deel van de secundaire uraniumvoorraden is afkomstig uit militaire voorraden, die vrijgekomen zijn in het kader van ontwapeningsverdragen tussen onder andere de Verenigde Staten en de voormalige Sovjet-Unie. Dit hoogverrijkte uranium, geschikt voor het maken van kernwapens, moet eerst worden gemengd met verarmd uranium om zo weer tot een geschikt percentage van 2-5% $^{235}$U te komen. In 2006 was nog ongeveer 70.000 ton geschikt uranium beschikbaar. Dit komt overeen met een ruime jaarvoorraad voor alle kerncentrales in de wereld.

Verarmd uranium

Tenslotte zijn er grote voorraden verarmd uranium, die als restproduct bij het maken van verrijkt uranium zijn ontstaan. Hoewel het technologisch mogelijk is uit verarmd uranium nog verrijkt uranium te maken van de vereiste kwaliteit voor een kerncentrale, is dit economisch (nog) niet aantrekkelijk. Bij dit proces ontstaat een nog sterker verarmde kwaliteit uranium als restproduct (tot ongeveer 0,25% $^{235}$U). Deze optie komt pas in beeld als de prijzen van uranium sterk zouden gaan stijgen.

Onbewezen voorraad

Naast de bewezen primaire en secundaire uraniumvoorraden, wordt de nog niet bewezen voorraad uranium in de vorm van winbare ertsen geschat op een totaal van circa 35 miljoen ton uranium. Bij het huidige tempo van exploitatie en eindgebruik (ca. 50.000 ton per jaar), zouden we daarmee nog eeuwen gebruik kunnen maken van uranium als energiebron.

Winning


Productie

De drie landen waar het meeste uraniumerts voorkomt, zijn ook de drie landen waar het meeste uraniumerts wordt gewonnen. Ongeveer een derde van de winning komt op naam van Kazachstan, gevolgd door Canada en Australië, zie figuur 35.


Figuur 35. Productie van uranium, data van 2012. Bron: World Nuclear Association 2013aw

De laatste jaren is de uraniumproductie weer een beetje aan het stijgen, na een periode van stagnatie tussen 1982 en 1993. Op dit moment bedraagt de primaire uraniumproductie 61% van de totale vraag naar uranium voor elektriciteitsproductie.

Winningsmethoden

Voor ertswinning worden in het algemeen drie mijnbouwmethoden gebruikt, te weten oplossingsmijnbouw (in situ leach(ISL)), ondergrondse mijnbouw (underground) en dagbouw (open pit). Rond juli 2013 was de wereldwijde productie als volgt over de typen mijnbouw verdeeld:

Winningsmethode Engelse benaming Gebruik
Oplossingsmijnbouw In Situ Leach (ISL) 45.0%
Ondergrondse mijnbouw Underground 27.9%
Dagbouw Open pit 20.4%
Bijproduct By-product 6.6%

Tabel 5. Verdeling van winningsmethoden van uranium. Bron: World Nuclear Association 2013aw

Dagbouw wordt toegepast voor minder rijke en dichter bij het oppervlak liggende ertslagen, ondergrondse mijnbouw voor juist de dieperliggende, rijkere ertslagen (ertslagen met een hoog uraniumgehalte (>1,0%). Oplossingsmijnbouw wordt gebruikt bij armere of kleinere, dieper gelegen ertslagen in poreus gesteente. Overigens wordt uranium ook voor een gedeelte gewonnen als bijproduct van andere metalen. De laatste jaren wordt steeds meer gebruik gemaakt van oplossingsmijnbouw.

Dagbouw en ondergrondse mijnbouw

Als dagbouw of ondergrondse mijnbouw worden toegepast, wordt het uraniumrijke erts bij de mijn van het moedergesteente gescheiden. Het onbruikbare moedergesteente (te laagwaardig om er economisch uranium uit te kunnen extraheren) wordt bij de mijn gestort als 'waste rock'. Het afgescheiden uraniumrijke erts wordt fijn gemalen en opgelost; afhankelijk van het type mineraal gebeurt dat in zwavelzuur of in een oplossing van natrium(bi)carbonaat.

Oplossingsmijnbouw

Bij oplossingsmijnbouw worden een aantal gaten geboord naar de aardlaag waarin zich het uranium bevindt. Door deze boorgaten wordt zwavelzuur of een oplossing van natrium(bi)carbonaat in de ondergrond gepompt. De oplossing wordt opgepompt. Oplossingsmijnbouw wordt voornamelijk toegepast voor de winning van goed oplosbare mineralen, bijvoorbeeld ook voor bepaalde oplosbare ertsen van koper, zink en lood. Het is echter alleen mogelijk wanneer het uranium zich in een waterdoorlatende horizontale laag bevindt en de boven- en onderlaag beide waterafsluitend zijn. Deze mijnbouwtechniek is ook voor relatief arme ertslagen vaak nog economisch rendabel.

Figuur 36 laat zien hoe de oplossingsmijnbouw, in situ leaching, in zijn werk gaat.


Figuur 36. Overzicht van oplossingsmijnbouw. Bron: World Nuclear Association 2013bw

Extractie

Het uranium wordt uit de voorgaande mijnbouwmethodes uit de oplossing geëxtraheerd. Bij extractie met natriumcarbonaat, kan het uranium direct vanuit de oplossing worden neergeslagen. De extractie uit zwavelzuur vraagt meerdere stappen, aangezien ook nikkel en arseen uit het erts oplossen in zwavelzuur. Daarnaast komt een vervalproduct van uranium, het edelgas radon, vrij. Om uranium selectief af te scheiden wordt een organisch oplosmiddel gebruikt, waaruit het uranium vervolgens weer geïsoleerd moet worden met gebruikmaking van ionenwisseling. Vervolgens wordt uranium neergeslagen met ammoniak of loog, zodat het in vaste vorm wordt gebracht. Nadat het precipitaat is afgefilterd, gecentrifugeerd en thermisch gedroogd, wordt de zwavelzuuroplossing geneutraliseerd met kalk en barium (om het radioactieve radon te binden) en in het 'tailingsreservoir' gestort.

De tailings, het restproduct van de uraniumextractie, bevatten nog ongeveer 70% van de radioactiviteit van het oorspronkelijke erts. Het gaat dan vooral om de radioactieve elementen thorium, radium en radon. Tijdens het vullen van het tailingsreservoir worden de tailings met een laag water afgedekt, om zo het gasvormige radon niet te laten ontsnappen en verwaaiing van overig radioactief stof naar de omgeving te voorkomen. Na een aantal jaren wordt het reservoir afgedekt met klei en aarde. Om vroegtijdige lekkages op te sporen, wordt door middel van boringen rondom het reservoir de kwaliteit van het grondwater gemeten.

Transport

Nadat het uranium uit het erts is geïsoleerd, wordt het vanaf de mijn naar de zogenaamde conversiefabriek getransporteerd. Het transporteren van radioactieve materialen dient uitermate zorgvuldig te gebeuren en er zijn dan ook speciale transportmaatregelen. De ‘International Atomic Energy Agency’ (IAE) heeft internationale regels opgesteld voor het transport van radioactieve stoffen als uranium. Afhankelijk van de soort en hoeveelheid radioactiviteit worden verschillende verpakkingen voorgeschreven. Voor het uraniumertsconcentraat dat bij de mijn is geïsoleerd, wordt vervoer voorgeschreven in verzegelde 200 litervaten in standaard zeecontainers. De verpakkingen voor het uraniumertsconcentraat moeten onder andere bestand zijn tegen een watergordijn, een vrije val en moeten gestapeld kunnen worden.

Magnesium


Voorraden

Magnesium komt niet als vrije stof in de natuur voor, dit komt doordat het zeer gemakkelijk reageert met zuurstof. Dolomiet, magnesiet en serpentiet zijn rotsachtige magnesiumertsen. In 1988 kwam de productie van magnesium voor 42% van dolomiet, 36% van metaalzouten, 18% van zeewater en 4% van magnesiet (Wikipedia 2014aw). De productie is relatief energie-intensief, maar naar het volume gekeken is het energiezuiniger dan bijvoorbeeld aluminium of zink. Onder de grond zitten echter de grootste magnesiumvoorraden, in de vorm van magnesiumzout (of magnesiumchloride). Uit pekel in ondergrondse zoutlagen wordt het magnesiumzout gewonnen dat met elektrolyse omgezet wordt in magnesium. Ook in zeewater komt magnesium voor.

China heeft de grootste magnesiumvoorraden, maar de Verenigde Staten heeft de grootste marktmacht op het gebied van verwerking van magnesiumzout. De prijzen voor magnesium zijn relatief hoog, omdat in de VS hoge importprijzen worden gevraagd voor magnesiumbronnen uit China. Nederland heeft zelf de beschikking over hoogwaardig magnesiumzout, dit wordt ook wel bischofite genoemd. In Nederland wordt het nog niet gebruikt voor het maken van magnesium, maar voor vuurvaste materialen.

Winning

Wereldwijd werd in 2002 1,8 miljoen ton magnesium geproduceerd. De EU importeert 47% van de wereldproductie (zie kritieke-materialen). Door het grote gebruik van magnesium en het feit dat de Europese Unie niet zelf magnesium kan leveren maar dit moet kopen van landen zoals China, Rusland en Canada is magnesium een kritiek materiaal. Het winningsproces van magnesium gebeurt meestal door middel van elektrolyse of met behulp van metallothermische reductie. In 2003 waren metallothermische reductieprocessen verantwoordelijk voor 25% van de magnesiumproductie in de wereld, de rest werd geproduceerd middels elektrolyseprocessen. Bij metallothermische reductie vindt onder hoge temperatuur (1000 $^o$C) een reductiereactie plaats waarbij (positieve) metaalionen worden omgezet in metaalatomen. Bij elektrolyse wordt MgCl$_2$ opgesplitst in Mg en Cl. (Wikipedia 2014bw).

Toepassingen

De belangrijkste eigenschap van magnesium dat het erg sterk is bij een bijzonder laag soortelijk gewicht. Dit maakt het aantrekkelijk voor auto-onderdelen die traditioneel van staal werden vervaardigd (zie ook Key To Metalsw). Een van de belangrijkste lichtgewicht alternatieven in de transportindustrie is koolstofvezel. Ook binnen de markt van de communicatie-onderdelen is het materiaal gewild voor laptop- en telefoononderdelen en het wordt vaak gebruikt in bijvoorbeeld grasmaaimachines en schrijfmachines. Legeringen van aluminium en magnesium worden veel gebruikt in de luchtvaartindustrie. Hier is 'lichtgewicht' immers van groot belang. Behalve de toepassing van magnesium in constructies, dient dit metaal soms ook als katalysator in biochemische reacties in de landbouw. Chlorofyl, de stof die ervoor zorgt dat groene bladeren zuurstof produceren, bevat magnesium (VNMI 2014w).

Batterijen


Ontwikkeling

De ontwikkeling van batterij met Lithium kwam op gang doordat Lithium een zeer goede reductor (een stof die in een chemische reactie elektronen kan afstaan) is en ook het lichtste metaal in het periodieke systeem. Dit geeft de mogelijkheid tot werking met hoge voltages, een licht gewicht en een hoge energieopslag dichtheid. Dit betekent dat je kleine lichte batterijen kunt maken die wel veel energie kunnen opslaan.

De eerste Lithium-ion batterijen konden niet herladen worden. Pas in 1960 werd er in een testfase de eerste oplaadbare lithium-ion batterij gemaakt, maar deze batterij had een werktemperatuur van ongeveer 450 graden Celsius. In de vroege jaren 70 was er eindelijk een doorbraak: “electrochemical intercalation”. Dit proces zorgt ervoor dat ‘gastmoleculen’ in het Lithium geplaats konden worden. Deze moleculen worden tussen laagjes Lithium geplaatst waardoor de eigenschappen van de stof veranderen. Nu kan de stof zowel energie vasthouden als loslaten, en dat op kamertemperatuur. De eerste commerciële Li-ion batterij werd in 1977 op de markt gebracht maar net zoals de drie andere grijze cirkels in het figuur, faalde deze door technische mankementen of door een zeer laag gebruik-gemak. De eerste succesvolle Li-ion batterij werd in 1991 aangeboden door Sony. Hierna werden de batterijen door technologische ontwikkeling steeds energie compacter en goedkoper, zoals te zien is in figuur 37 (Crabtree et al., 2015w).


Figuur 37. De ontwikkeling van Lithium-ion batterijen. Bron: Crabtree et al. (2015)w


Gebruik

Eerste werden Li-ion batterijen vooral gebruikt voor telefoons, camera’s en computers. De laatste jaren worden de batterijen ook gebruikt voor elektrische (of hybride) auto’s, elektrische fietsen en in de toekomst de opslag van wind- en zonne-energie. Dit laatste is erg belangrijk. Met veel vormen van duurzame energie is de opwekking geen continue stroom, hierom moet de energie eerst opgeslagen kunnen worden. Met de rol van Li-ion batterijen in veel van onze producten zijn ze inmiddels niet meer uit onze samenleving weg te denken. Lees meer over het gebruik van batterijen op de pagina over energie-opslag.

Materialen

Een lithium-ion batterij bestaat uit een anode, meestal koolstof in de vorm van grafiet en een kathode gescheiden door een organisch elektrolyt. Overige componenten bestaan uit koper, plastic en aluminium. Kathodematerialen die geschikt zijn voor het gebruik in elektrische auto’s en fietsen bestaan uit de LiMO2 materiaalfamilie, waarbij de M een combinatie is van kobalt, nikkel, aluminium en mangaan (Binnemans en Jones, 2018w). Zoals ook te lezen is op de pagina over kritieke-materialen zijn grafiet en kobalt kritiek in de EU. Een tekort aan Lithium zelf, daarentegen is onwaarschijnlijk. In mate van absolute hoeveelheden wordt er nu geschat dat er nog tussen de 13 en 22 Mt Lithium is in reserves (Toekomstige Lithium voorradenw). In een Tesla Model S zit ongeveer 63kg Litium, wat zou betekenen dat er nog ruim 300 miljoen Tesla’s gemaakt zouden kunnen worden met de huidige bekende reserves (Tesla batterijw). Hoewel er op dit moment nog voldoende Lithium is, geeft dit geen garantie voor de toekomst wanneer de vraag naar deze batterijen verder toeneemt.

Recycling

In bijna alle auto’s met een verbrandingsmotor zit een loodaccu, en de recycling van deze accu’s is inmiddels routine. Ook voor de nikkel-metaalhydride-accu’s die in hybride auto’s zitten loont het om te recyclen. De prijs voor de losse materialen die in de accu zitten zijn hoger dan de kosten van het ontmantelen. Bij lithium batterijen gaat dit helaas lastiger. Dit komt doordat er veel verschillende materialen in zitten en doordat de accu bij ondeskundige ontmanteling in brand kan vliegen. Hierdoor vallen de kosten van dit proces een stuk hoger uit, gemiddeld een paar euro per kilo. Het is goedkoper om de oude accu te dumpen dan hem te laten verwerken. Als de accu wel ontmanteld wordt, worden vooral aluminium, koper en kobalt teruggewonnen (ongeveer 60% van het oorspronkelijke gewicht). Lithium, ongeveer 1%, wordt in het algemeen niet teruggewonnen. Dit zou kunnen veranderen als de vraag naar Lithium stijgt (Recyclen van Lithium batterijenw).





Energieopslag


Er is een groot belang bij het handhaven van de balans van ons elektriciteitsnetwerk. Door de opkomst van duurzame energieopwekking wordt het aanbod steeds wisselender en is de balans lastiger te behouden, lees hier verder over op de pagina elektriciteit-balanshandhaving. Het kan bijvoorbeeld voorkomen dat de zon een hele dag achter de wolken blijft of de wind volledig gaat liggen, hierdoor is het aanbod op het netwerk te laag. Het omgekeerde is ook mogelijk. De zon is de volledige dag aan het schijnen en de wind is fors, hierdoor is het aanbod op het netwerk groter dan de vraag op dat moment. Het is duidelijk dat een te laag aanbod problemen oplevert, maar een te groot aanbod kan tot congestiew op het net leiden. Dit hoeft echter niet altijd het geval te zijn. Zelfs als de vraag en het aanbod in balans zijn, kan er congestie optreden. Congestie heeft namelijk te maken met hoeveel elektriciteit er door het net kan. Als de vraag en aanbod gelijk zijn maar beiden zo hoog dat het net de elektriciteit niet van de plek van aanbod kan verplaatsen spreekt men van congestie. Om de vraag en het aanbod zo goed mogelijk aan elkaar te kunnen matchen wordt er geprobeerd de vraag op bepaalde momenten te verschuiven of door het aanbod aan te passen. Een van de manieren om het aanbod aan te passen in met opslag. Hierdoor kun je energie opslaan op momenten van lage vraag om deze te gebruiken als het wel nodig is.

Energieopslag technieken

Er zijn verschillende manieren van energie opslag. Al deze technieken hebben hun eigen voor- en nadelen. Hierdoor zijn ze voor verschillende functies geschikt. In figuur 38 worden acht verschillende technieken met elkaar vergeleken. Hiervan zijn de loodzuur, Li-ion, nikkel en natrium elektrochemische batterijen, redoxflow is een flow batterij. Pumped Hydroelectric Storage, Compressed Air Energy Storage en het vliegwiel zijn daarentegen mechanische technieken voor energieopslag.
• Loodzuur, Li-ion, nikkel, natrium en zijn dus allemaal elektrochemische batterijen Het grootste verschil tussen deze batterijen is het materiaal waarvan de anode en kathode zijn gemaakt. Het verschil tussen de conventionele batterijen en de redoxflow batterij is dat is de flow batterij de energie in de elektrolyt wordt opgeslagen i.p.v. als electrode. Deze elektrolyt wordt ook niet opgeslagen rondom de elektrodes, zoals bij de elektrochemische batterijen, maar los hiervan en komt pas in aanraking met de elektrodes als de energie nodig is.
• Het vliegwiel (FES): Flywheel Energy Storage is een techniek waar met elektriciteit een vliegwiel in beweging wordt gebracht, in een vacuüm. Dit vacuüm is nodig om het vliegwiel met zo min mogelijk weerstand te laten draaien, weerstand zou namelijk leiden tot energieverlies. Als de energie weer nodig wordt er een generator aangedreven met de beweging van vliegwiel. Hierdoor kan de energie weer gebruikt worden en is het vliegwiel afgeremd.
• Compressed Air Energy Storage (CAES) is een techniek waarmee elektriciteit wordt opgeslagen door het te gebruiken om lucht samen te persen. Als de elektriciteit weer nodig is wordt de samengeperste lucht gebruikt om een generator aan te drijven.
• Pumped Hydroelectric Storage (PHS) is een techniek waar elektriciteit wordt gebruikt om water omhoog te pompen, bijvoorbeeld naar een hoger gelegen meer. Als de elektriciteit weer nodig is worden de sluizen open gezet en worden generatoren aangedreven door het vallende water. In Nederland is deze techniek niet relevant vanwege het gebrek aan hoogteverschil, lees verder op de pagina over waterkracht.


Figuur 38. Energieopslag technieken. Data uit:Sabihuddin et al. (2015)w

Let op, figuur 38 heeft een logaritmische schaal, het verschil tussen het middelpunt en de eerste cirkel is dus maar 0,99, maar het verschil tussen de buitenste en de een-na-buitenste cirkel is 9000.

LoodzuurLithiumNikkel(NiMH)Natrium(NaS)Flow(VRB)PHSCAESVliegwiel
Specific energy [Wh/kg]29,8143,966,514524,40,8728,558,16
Energy density [kWh/m3]59,629018521321,71,077,1995,16
Specific Power [W/kg]195606408176110,460,0516,136592
Power density [kW/m3]123366,438321,817,960,053,03816,29
Self-discharge rate [%/day]0,330,1581,168,01 - 0,010,0164,61
Cyclelife [cycles]10531018112927717759290001600041100
Scale [MW]10,340,931,5113,13,581542467,721,96
Lifespan [y]8,3310,136,3312,2210,549,23017,5
Efficiency [%]76,989,965,881,577,076,668,389,3
Energy captial cost [USD/kWh]3031,11451387488,157,9435,6712454
Power capital cost [USD/kW]3832,3253621,73624611414649,55296,14

De batterijen en mechanische opslagtechnieken worden op 11 eigenschappen met elkaar vergeleken:
Specific energy beschrijft de capaciteit van de opslagtechniek. Hoeveel Wh kan er opgeslagen worden per kg materiaal. De Li-ion (143,9 Wh/kg) en natrium batterijen (145 Wh/kg) scoren hier het beste op en pumped hydro scoort het laagst (0,9 Wh/kg). Dit is bijvoorbeeld belangrijk voor een telefoon of laptop. Je wilt niet een zware batterij in dit soort apparaten. Deze eigenschap van de Li-ion batterij in combinatie met de lage kosten per opgeslagen kWh (zie energy capital costs) hebben er mede voor gezorgd dat Li-ion batterijen nu in zoveel telefoons en laptops worden gebruikt.
Energy density beschrijft hoeveel energie (W) er per m3 opgeslagen kan worden. In dit opzicht lijkt het dus op de specific energy. Het verschil is echter dat het er hier om gaat hoeveel ruimte een eenheid energie inneemt en bij specific energy werd er gekeken naar hoe zwaar een eenheid opgeslagen energie is. Hier komt de Li-ion batterij weer als beste naar voren (290 kWh/m3). Dit is ook een van de redenen waarom li-ion batterijen zoveel in telefoons en laptops worden gebruikt. Ze zijn klein en licht voor de hoeveelheid energie die ze op kunnen slaan. De laagst scorende techniek in de pumped hydro (1,1 kWh/m3). Het valt dus op dat pumped hydro een ‘zware’ en veel ruimte innemende techniek is. Deze techniek heeft echter wel andere voordelen, die later meer worden toegelicht.
Specific power geeft een indicatie van de vermogen t.o.v. het gewicht van de opslag. Hoe snel kan de opslag volgeladen worden t.o.v. een eenheid gewicht. De term specific power wordt vaker gebruikt bij het vergelijken van auto’s. Welke auto kan per kg gewicht het meeste vermogen produceren. Hoe snel kan een energieopslag techniek zijn energie weer vrijgeven? Op deze eigenschap is de grootste spreiding te zien onder de verschillende techniek. Bij het vergelijken van de opslagtechnieken scoort het vliegwiel hier het hoogst (6592 W/kg) en pumped hydro het laagst (0,1W/kg).
Power density geeft aan wat de dichtheid van het vermogen is. Net zoals het verschil tussen specific energy en energy density is er een verschil tussen specific power en power density. Waar het bij specific power om een eenheid vermogen per kg van de opslagtechniek ging, gaat het hier over het vermogen per m3. Wat is het vermogen van de opslagtechniek t.o.v. de ruimte die de opslagtechniek inneemt? Hier scoort het vliegwiel (816,3 kW/m3) weer het hoogst en pumped hydro (0,1 kW/m3) het laagst. Dit betekent dat het vliegwiel niet alleen snel energie kan leveren voor het gewicht van de techniek maar ook m.b.t. de ruimte die het inneemt.
Self-discharge rate gaat over energieverliezen. Hoeveel procent energie gaat er per dag verloren in opslag. Denk hier bijvoorbeeld aan je telefoon die langzaam leegloopt zelfs als je hem de hele dag niet gebruikt. Pumped hydro en CAES hebben allebei een energieverlies van 0 procent per dag, in tegenstelling tot het vliegwiel, wat een verlies van 64,6% heeft per dag. van de mechanische opslagtechnieken zijn Pumped hydro en CAES dus geschikter voor het opslaan van energie op de lange termijn dan het vliegwiel.
Cyclelife geeft aan hoeveel cyclussen de batterijtechniek aan kan. Hoe vaak kan de opslag volgeladen en daarna weer ontladen worden voordat hij niet meer (goed) werkt? Het vliegwiel heeft het hoogste aantal cyclussen (41100) en de Li-ion batterij kan het laagste aantal cyclussen aan (1018).
Scale (= Power Rating) gaat over het vermogen (MW) van de opslagtechniek . Om een indicatie te geven: minder dat 1 MW wordt gebruikt voor je mobiel en elektrische voertuigen. Tussen de 10 en de 100 MW vermogen wordt gebruikt voor bedrijfspanden en afgelegen gemeenschappen. Een vermogen van meer dan 300 MW wordt ingezet voor bijvoorbeeld energiecentrales. De hoogst scorende opslagtechniek op dit gebied is pumped hydro (1542 MW), de laagste scorende techniek is de Li-ion batterij (0,9 MW).
Lifespan geeft aan hoe lang een batterij gemiddeld meegaat. Dit begrip is natuurlijk verbonden aan het aantal cyclussen, hoe vaker een batterij wordt opgeladen en ontladen hoe sneller de batterij niet meer zal werken. Maar het gaat hier om de gemiddelde levensduur. De hoogste levensduur heeft de pumped hyro (49,2 jaar), de laagst scorende opslagtechniek is de Nikkelbatterij (6,33 jaar).
Efficiency geeft aan hoe efficiënt de energie kan worden omgezet naar opslag en dan weer terug naar gebruik (roundtrip). De efficiëntie van de verschillende technieken liggen redelijk dicht bij elkaar. De laagste efficiëntie is van de Nikkelbatterij (65,8%) en de hoogste efficiëntie heeft de Li-ion batterij (89,9%) en het vliegwiel (89,3%).
Energy capital cost zijn de operationele kosten die gemaakt worden per opgeslagen eenheid energie. De hoogst scorende techniek is het vliegwiel (12454 USD/kWh), de laagste scorende opslagmethode is Li-ion batterij (1,1 USD/kWh).
Power capital cost zijn de operationele kosten die gemaakt worden per eenheid vermogen. De hoogst scorende techniek is de redoxflow batterij (2461 USD/kW), de laagste scorende opslagmethode is de Natrium batterij (1,7 USD/kW).

VertalingEenheidDefinitie
Specific energySpecifieke energieWh/kgOpslagcapaciteit per kg
Energy densityEnergiedichtheidkWh/m3Opslagcapaciteit per kubieke meter
Specific powerSpecifiek vermogenW/kgVermogen per kg
Power densityVermogensdichtheidkW/m3Vermogen per kubieke meter
Self-discharge rateZelfontladingsnelheid%/dayProcent energieverlies per dag
CyclelifeCycluslevensduurCyclesGemiddeld aantal keren van volledige opgeladen naar volledig leeg
Scale = Power ratingVermogenMWVermogen
LifespanLevensduurYearsGemiddelde levensduur
EfficiencyEfficiëntie%Efficiëntie van een roundtrip
Energy capital costEnergie kapitaalkostenUSD/kWhOperationele kosten per opgeslagen eenheid energie
Power captial costVermogen kapitaalkostenUSD/kWOperationele kosten per gebruikte eenheid vermogen

Gebruik opslagtechnieken

Doordat alle technieken dus verschillende scoren op deze eigenschappen zijn ze geschikter of minder geschikt voor bepaalde functies. Dit wordt nu toegelicht aan de hand van drie voorbeelden.
• Seizoenswisselingen, hoger aanbod in de zomer hogere vraag in de winter, kunnen opgevangen worden met opslag. Maar aan welke criteria moet deze opslag voldoen? Om te beginnen moet de energie over een lange tijd opgeslagen worden. Een opslagtechniek met een lage self-discharge rate is dus essentieel. Het tweede belangrijke criterium is de grootte van de opslag. Het gaat hier om grote hoeveelheden energie die voor langere tijd opgeslagen moeten worden. Het is dus ook belangrijk dat deze opslagtechniek op een grote schaal toegepast kan worden. De twee best scorende technieken op self-discharge rate zijn Pumped Hydroelectric Storage (PHS) en Compressed Air Energy Storage (CAES). Deze twee technieken scoren ook het beste op het criteria ‘scale’. Hierdoor zijn deze twee technieken de beste keus voor de opslag van elektriciteit met de functie om seizoenswisselingen op de vangen.
• Huishoudens kunnen zelf gebruikmaken van ‘energieopslag achter de meter’. Op momenten van lage vraag kunnen ze dan de vraag verhogen en energie opslaan in hun eigen huis. Deze energie kunnen ze dan weer gebruiken als de vraag op het net hoog is. Maar welke opslag technieken zouden hiervoor geschikt zijn? Als eerste criterium kun je kijken naar de energiedichtheid van de verschillende technieken. Het moet in een huis passen en ook nog een degelijke hoeveelheid energie kunnen opslaan. Hier scoren de elektrochemische batterijen en het vliegwiel het beste op. Het tweede criteria voor een consument is natuurlijk de prijs. Als er echter gekeken wordt naar de energy capital costs valt op dat het vliegwiel eigenlijk gelijk weer afvalt als mogelijkheid. De andere batterijen zijn ongeveer even duur behalve de Li-ion. Deze is meer dan 300 USD goedkoper per opgeslagen kWh dan de andere elektrochemische batterijen. Het is daarom ook geen verassing dat de thuisbatterij van Tesla, de Powerwallw, een Lithium ion batterij heeft. Voor het gebruik als energieopslag achter de meter zijn deze batterijen echter nog niet aantrekkelijk. Ze kosten te veel ten opzichte van de korting die je bijvoorbeeld krijgt door ‘s nachts energie te gebruiken i.p.v. overdag. Voor het opslaan van eigen opgewekte zonne-energie zou het wellicht een interessantere investering kunnen zijn.
• Zoals wordt uitgelegd op de pagina elektriciteit-balanshandhaving, maakt TenneT onder andere gebruik van regel- en reservevermogen om de balans op het net te handhaven. Voor regelvermogen moet de elektriciteit snel, binnen een kwartier, geleverd kunnen worden. Bij reservevermogen is de tijdsdruk iets minder hoog met een activatietijd van een uur. Het gaat hier dus in eerste instantie over de ontlaadsnelheid van de opslagtechnieken. Als een oplaadtechniek een hoge ontlaadsnelheid heeft betekent dit dat er snel veel energie geleverd kan worden, dus een hoog vermogen. Er moet dus gekeken worden naar de power rating (is het zelfde als scale in #FIGUP#). Hier kun je zien dat zowel PHS als CAES hoog op dit criterium scoren. Ook het feit dat deze technieken een zeer lage self-discharge rate hebben komt goed van pas. Je kunt dat energie lang opslaan en vervolgens snel inzetten als het nodig is.

Balanshandhaving zonder opslag

Er zijn ook methodes voor balanshandhaving zonder het gebruik van opslag. Een voorbeeld hiervan is Demand Responsw. Demand respons heeft als doel de vraag (tijdelijk) aan te passen. Bedrijven kunnen tijdelijk hun productie, en daarmee hun vraag, verminder. Hiervoor worden de bedrijven vergoed. Naast demand respons voor bedrijven kan er door huishoudens ook gebruikt worden gemaakt van verschillende tarieven gedurende de dag en de nacht. Hierdoor zou er een economische stimulans zijn om je elektriciteitsverbruik naar de avond te verplaatsen. Dit zou de piekvraag kunnen verminderen op het net, en in samenwerking met slimme-meters ook nog een voordelige energierekening opleveren.



Werkcollege kritieke materialen en energie-opslag


Voorbereiding

Bekijk de pagina werkcollege-voorbereiding-algemeen voor de regels rondom de voorbereiding van werkcolleges.

Lees dit artikel van de NOSw. En bestudeer de pagina’s over energie-opslag en batterijen en kritieke materialen.

1. Maak een schatting van het aantal huishoudens die kunnen worden voorzien met alle energie die volgens het artikel niet gebruikt zou kunnen worden?
2. Zou PHS en/of CAES geschikt kunnen zijn om stroomoverschot op te slaan? Gebruik de gegevens uit het dictaat om dit te onderbouwen: waarom wel of niet? (Hint: als je niet weet hoe te starten: zou je het Groningen gasveld kunnen gebruiken voor CAES als het leeg zou zijn?)
3. Welke andere oplossingen (naast PHS/CAES) kun je bedenken die mogelijk dit probleem oplossen? Waarom wel/waarom niet? Ontstaan daar nieuwe problemen bij?



Opdracht

Deel 1

Vergelijk en bespreek de voorbereidingsvragen in tweetallen:
1. Bekijk en vergelijk de feedback die je hebt gekregen.
2. Vergelijk en bespreek elkaars uitwerkingen: zie je verschillen? Zijn er tegenstrijdigheden? Waar komt dat door?
3. Maak een lijst van dingen die je vooraf niet wist. Waren er verrassingen? Komen er nieuwe vragen bij je op?
4. Maak een overzichtje van aspecten die je lastig vindt aan deze voorbereiding. Zie jij als uitdaging bijvoorbeeld het uitzoeken, het rekenen, het interpreteren en/of het systeemdenken?

We bespreken dit klassikaal.


Deel 2

Uit de voorbereidingsvragen blijkt dat opslag een zeer belangrijke plaats kan innemen in het energiesysteem. Deze opslag wordt niet alleen gebruikt voor opslag op zulke grote schaal maar bijvoorbeeld ook in je mobiele telefoon, laptop en elektrische auto’s.
Lees deze paginaw over het gebruik van Lithium en de huidige reserves. Werk in tweetallen of alleen.

1. Bereken de huidige R/P ratio van lithium. Interpreteer je resultaat. Wat zegt je dit? Hoe verhoudt je dit met R/P ratio van de verschillende energiebronnen zoals steenkool, uranium, aardgas, aardolie?
2. Onderbouw kwantitatief de schatting van in dictaat dat er nog 300 miljoen Tesla’s gemaakt zouden kunnen worden met de huidige bekende reserves. Welk deel van de personenvoertuigen wereldwijd kan worden vervangen door elektrische auto’s op basis van de huidige lithium voorraad. Zie ook batterijen voor meer gegevens.
3. Wat gebeurt er als al deze auto’s na 10 jaar een nieuwe batterij nodig hebben met je schatting?
4. Lithium staat niet op de lijst met kritieke materialen uit 2010. Bekijk de figuur en beredeneer waarom je denkt dat het niet als kritiek wordt aangemerkt. Verwacht je dat dit gaat veranderen?
5. We gaan nu kritisch kijken naar nieuwsitems over dit onderwerp. Zoek online naar een aantal nieuwsitems die gaan over elektrische auto's en/of batterijen. Bestudeer (en bespreek) deze artikelen aan de hand van de volgende vragen:
• Worden er kentallen gebruikt die je hierboven of in kentallen-overzicht tegenkomt?
• Kun je aannames ontdekken achter de boodschap van deze artikelen? Wat vindt je van die aannames? Sterk of zwak?
• Kun je laten zien of de artikelen feitelijk kloppen met de gegevens zoals we ze tot nu toe hebben verzameld?
• Zien je terugkerende aspecten artikelen die heel scherp of minder scherp vindt gaan?

Bespreek je bevindingen met een ander groepje.



Elektriciteitsvoorziening


Introductie

De elektriciteitsvoorziening is van groot belang voor de Nederlandse samenleving. Onze elektricteitsvoorziening ligt aan de grondslag van veel van onze activiteiten en we zijn gewend geraakt aan een zeer stabiele levering van elektriciteit.

Bestudeer de volgende onderwerpen over elektriciteit:

Historie

elektriciteit-historische-ontwikkeling

De elektriciteitssketen

elektriciteit-keten

Energievoorziening van Canada, India en Qatar

De energievoorziening verschilt erg tussen verschillende landen wereldwijd - door verschillende grondstoffen, historische ontwikkeling en (geo)politieke keuzes. Bij de stof van deze week hoort ook:
energievoorziening-canada
energievoorziening-india
energievoorziening-qatar

In de week opvolgend op het college over de elektriciteitsvoorziening kijken we in het bijzonder naar elektriciteitstransport.

Huidige ontwikkelingen

In de laatste week kijken we ook naar toekomstige ontwikklingen. De elektriciteitssector is onderhevig aan of staat aan de vooravond van grote veranderingen. Denk bijvoorbeeld aan slimme-meters.

Elektriciteit - historische ontwikkeling


De introductie van elektriciteit komt voort uit de uitvindingen die gedaan werden op het gebied van verlichting. In 1878 toonde de Rus Jablochkoff de wereld op de elektriciteitstentoonstelling tientallen lampen die tegelijkertijd brandden op één dynamo. Net als vele andere wetenschappers was W.J. Wisse, onderdirecteur van de Rijkstelegraaf in Nederland, onder de indruk van deze prestatie. Hij stuurde vele gemeentebesturen een brief waarin hij voorstelde dit type verlichting te gaan toepassen in Nederland. Doordat er meerdere lampen op één bron konden branden werd het mogelijk de elektriciteit centraal te laten opwekken en naar meerdere klanten te distribueren. In eerste instantie werd er nog negatief gereageerd op dit voorstel (Van den Noort 1993w).

De komst van de gloeilamp bracht hierin echter verandering. Deze lamp produceerde in een glazen bolletje goedkoop licht met een gebruiksvriendelijke lichtsterkte (veel lampen in die tijd brandden te fel voor gebruik binnenshuis). Het was nu mogelijk om tegen betaalbare kosten elektriciteit centraal op te wekken en te distribueren naar klanten die daarmee een betaalbare lichtvoorziening kregen. In 1885 stemde het gemeentebestuur van Den Haag in met de bouw van een (gelijkstroom-)centrale aan de Hofsingel, die in 1889 in bedrijf werd genomen. Deze centrale voorzag 10.000 gloeilampen in een straal van 500 meter rondom de centrale van elektriciteit (Van den Noort 1993w), Zie figuur 39.


Figuur 39. Eerste Nederlandse elektriciteitscentrale. Bron: Is Geschiedenis 2013w

Het distribueren van elektriciteit over een grotere afstand was met de techniek van toen nog niet mogelijk. De komst van de transformator bracht uitkomst. Deze maakte het mogelijk om elektriciteit met een hoge spanning te transporteren en dan bij de klant om te zetten in een lage spanning. Het gebruik van deze techniek vereiste wel de toepassing van wisselstroom en daarmee ook de aanleg van een nieuwe distributie-infrastructuur.

Overtuigd van de steeds beter wordende elektriciteitsproductie- en transporttechnologie werden er steeds grote centrales gebouwd, met daaruit voortvloeiende schaalvoordelen. Op advies van de staatscommissie Van IJsselsteyn werden er vanaf 1911 belangrijke stappen gezet richting de elektrificatie van Nederland. Deze commissie stelde voor dat er voor grootschaligheid gekozen moest worden vanwege de lage kosten en dat de levering van de elektriciteit niet beperkt moest blijven tot de steden. Door elektrificatie van het platteland zou de trek naar de steden verminderen. Daarnaast zouden centrales aan elkaar gekoppeld moeten worden waardoor overtollige capaciteit van de ene centrale benut kon worden in andere delen van het netwerk. Hiermee ontstonden eerst de provinciale netwerken van elektriciteitskabels en, rond het einde van de 1940'er jaren, het prille begin van een landelijk netwerk (Van den Noort 1993w). Vooral vlak na de Eerste Wereldoorlog versnelde de elektrificatie van Nederland. Het gebruik van kleine elektromotoren in huishoudelijke apparaten versterkte de vraag naar stroom. In 1930 was Nederland zelfs een van de meest geëlektrificeerde landen van Europa vanwege de grote belangstelling voor stofzuigers en strijkijzers (Gabriels 2007).

De Nederlandse centrales produceerden vanaf de jaren 1980 op grote schaal honderden megawatts tegen een zeer lage prijs. Naast de grootschaligheid van de productie speelde daarbij ook de grootschaligheid van elektriciteitstransport en -distributie een grote rol. Alle centrales waren/zijn verbonden in een groot netwerk, waardoor de capaciteit optimaal benut kan worden. Het productiepark werd vooral gestuurd op betrouwbaarheid van de elektriciteitsvoorziening; relatief dure centrales werden gesloten als er voldoende goedkopere productiecapaciteit voorhanden was. Met de aansluiting van buitenlandse netwerken op het Nederlandse netwerk werd deze concurrentiestrijd alleen maar feller. Onder meer om te voorkomen dat Nederlandse centrales buiten spel kwamen te staan, werd er opnieuw voor schaalvergroting gepleit, wat aanleiding was tot sterke concentratie in de Nederlandse elektriciteitssector in de 1990'er jaren.

Elektriciteitsketen


Voordat er uit een stopcontact elektriciteit komt, hebben er heel wat bewerkingen plaatsgevonden in de keten van bron tot eindgebruiker. Een overzicht van de keten staat in figuur 40:


Figuur 40. Elektriciteitsketen

Energiebronnen

De bronnen voor productie van elektriciteit zijn divers. In de meeste Europese landen stoelt de elektriciteitsvoorziening grotendeels op voorraadbronnen, in het bijzonder (bruin)kool (bijv. Duitsland), aardgas (bijv. Nederland) en uranium (bijv. Frankrijk). Kolen, uranium, aardgas en aardolie zijn de primaire energiedragers die uit voorraadbronnen worden geproduceerd. Elektriciteit is een secundaire energiedrager die niet uit de natuur gewonnen kan worden en pas door conversie van een primaire energiedrager wordt verkregen. De voorraadbronnen vergen de nodige stappen (winning, transport en vaak meerdere conversiestappen) voordat elektriciteit kan worden opgewekt.

Bekijk deze pagina's over de voorraadbronnen die worden gebruikt voor elektriciteitsproductie, die ook bij het college voorraden-stromen werden behandeld.
steenkool
uranium
aardolie-voorraad
aardgas-voorraad

Hernieuwbare bronnen zijn weliswaar sterk in opkomst voor de productie van elektriciteit, maar verzorgen nog lang niet het in 2020 door de EU gewenste aandeel van 20% hernieuwbare energie van de consumptie. Bij stromingsbronnen, de hernieuwbare bronnen die voortdurend gesuppleerd worden door de toevoer van zonnestraling aan het systeem aarde, zijn die voorbewerkingsstappen niet aan de orde. Stromingsbronnen kunnen direct lokaal worden benut waar de geografische en klimatologische condities gunstig zijn voor de productie van elektriciteit uit de betreffende voorraadbron.

Bestudeer de diverse stromingsbronnen:
windenergie
zonne-energie
waterkracht
biomassa

Conversie, transport en gebruik

Afhankelijk van de bron en de daaruit voortvloeiende keuze van conversietechnologie, wordt er wisselstroom of gelijkstroom geproduceerd. De grootschalige elektriciteitsinfrastructuur is gebaseerd op grootschalige eenheden voor productie van elektriciteit als wisselstroom. Op de pagina elektriciteit-conversie staan de belangrijkste technologiën op een rij.

Bij elektriciteitstransport (het onderwerp van collegeweek 4) wordt onderscheid gemaakt naar de hoog-, midden- en laagspanningsnetten. De huishoudens worden beleverd vanuit het lokale laagspanningsnet, terwijl grote productie-eenheden vaak direct aan het hoogspanningsnet gekoppeld zijn. Import en export vindt plaats via zgn. interconnectoren, de verbindingen tussen landen in het hoogspanningsnetwerk. Opslag van stroom is nog niet commercieel mogelijk.

Gebruik
Consumenten gebruiken een aanzienlijk deel van de elektriciteit die wordt opgewekt. Voor consumenten is verlichting de grootste elektriciteitsverbruiker.


Kernenergie


In een kerncentrale wordt uranium gebruikt als eneriebron. Alleen het isotoop $^{235}$U is te gebruiken omdat deze splijtbaar is. De splijtingsreactie ontstaat als een neutron met voldoende kinetische energie door de kern van een $^{235}$U wordt ingevangen. Naast de hieruit vrijgekomen energie en eindproducten, komen er weer nieuwe neutronen vrij die nieuwe splijtingsreacties kunnen veroorzaken (kettingreactie), mits er voldoende splijtbare isotopen aanwezig zijn. Gangbaar is om de splijtingsreactie af te remmen met een zogenaamde moderator: een vloeistof, zoals water, die de neutronen afremt, maar niet invangt (Wikipedia 2015w).

Het benodigde percentage $^{235}$U in uranium dat geschikt is als splijtstof in een kerncentrale, is 2% tot 5%. We spreken dan van verrijkt uranium. In de natuur is het $^{235}$U gehalte van uranium slechts 0,7%.

Het voorbereiden van het uraniumconcentraat

Het uraniumconcentraat dat bij de mijn is geproduceerd bestaat vooral uit U$_3$O$_8$, een vaste stof, die vanwege de gele kleur bekend staat als yellow cake. Voordat er aan de isotopenverhouding in het uranium kan worden gesleuteld, moet de yellow cake verder gezuiverd worden en moet heturaniumoxide omgezet worden in gasvormig uranium(hexa)fluoride. De zuivering en omzetting van U$_3$O$_8$(s) naar UF$_6$(g) verloopt in acht stappen, zoals hierna uiteengezet (Clingendael 2006):

• De in yellowcake aanwezige uraniumverbindingen worden opgelost in een warme salpeterzuur oplossing
• Uranium wordt van andere opgeloste verbindingen uit de yellowcake gescheiden door het selectief op te lossen in tributylfosfaat
• Hieruit wordt het weer geïsoleerd door het weer op te lossen in verdund warm salpeterzuur
• Hieruit wordt het geïsoleerd door het te laten neerslaan (als uranylnitraat)
• Uranylnitraat wordt omgezet in UO$_3$
• UO$_3$ wordt gereduceerd tot UO$_2$
• UO$_2$ wordt met waterstoffluoride omgezet in UF$_4$
• UF$_4$ laat men met fluor gas (F$_2$) reageren tot UF$_6$

Transport UF$_6$

Na deze stappen wordt het geproduceerde UF$_6$ naar een verrijkingsbedrijf getransporteerd, zoals te zien is in figuur 41. Dit gebeurt volgens de geldende voorschriften in grote stalen cylinders, die 12,5 ton UF$_6$ bevatten. Die worden gekoeld om het UF$_6$ in vaste toestand te brengen. De stalen cilinders worden onderworpen aan een druktest, welke ze moeten doorstaan zonder lekkage en onaanvaardbare spanning in de cilinders. Daarnaast wordt de cilinder getest op weerstand tegen extreme temperaturen.


Figuur 41. Uraniumtransport. Bron: Bellona 2013w

Verrijking van UF$_6$

Het UF$_6$ moet nu gescheiden worden in een met $^{235}$U verrijkte (2-5% $^{235}$U) en een verarmde (0,2-0,3% $^{235}$U) fractie. Dit scheidingsproces maakt ofwel gebruik van een membraan, ofwel van een ultracentrifuge. Beide methoden werken op het principe dat $^{235}$U lichter is dan $^{238}$U. Bij gebruik van membraantechnologie wordt het gas door een geschikt membraan geperst. De lichtere fractie passeert gemakkelijker door het membraan dan de zwaardere fractie. Hierdoor neemt het $^{235}$U gehalte aan de andere kant toe. Bij gascentrifuge wordt de zwaardere fractie naar de buitenwand van de centrifuge geslingerd en wordt daar afgetapt. Het gas dat in de centrifuge achterblijft, heeft een hogere concentratie van het lichtere isotoop $^{235}$U. Figuur 42 geeft een schematische weergave van een ultracentrifuge, zoals die ook wordt gebruikt in de verrijkingsfabriek van Urenco Nederland B.V.


Figuur 42. Urenco's gascentrifuge. Bron: Urenco

In principe bestaat een ultracentrifuge uit een lange verticale buis, de rotor, die met een snelheid van enkele honderden meters per seconde draait in een aluminium mantel. In de rotor komen drie leidingen uit: de eerste voert gasvormig uraniumhexafluoride in, dat zich in de snel draaiende rotor gaat “ontmengen” in een fractie met minder splijtbare atomen (verarmd uranium), en een fractie met meer splijtbare atomen (verrijkt uranium). Beide fracties worden afzonderlijk afgetapt. Omdat het verschil in gewicht tussen $^{235}$U en $^{238}$U miniem is, moet deze scheidingsstap vaak worden herhaald; met elke volgende stap wordt de verrijkte fractie weer iets verder verrijkt. In de Urenco verrijkingsfabriek staat daarom een cascade van ultracentrifuges opgesteld. Het verrijkte UF$_6$ gaat naar de splijtstofelementenfabriek, de verarmde fractie (0,2-0,3% $^{235}$U) wordt als laag radioactief afval opgeslagen.

Transport verrijkt UF$_6$

Het verrijkte UF$_6$ wordt in kleinere, universele cilinders naar de splijtstofelementenfabriek vervoerd. Deze cilinders hebben een diameter van ongeveer 75 cm en worden in zogenaamde ‘overpacks’ geladen. Vervolgens worden deze ‘overpacks’ op zeecontainers geladen en getransporteerd naar de splijtstofelementenfabriek. Deze ‘overpacks’ dienen een ongewenste kettingreactie, welke het verrijkte UF$_6$ zou kunnen veroorzaken, te voorkomen. Hiervoor worden de cilinders onderworpen aan tests om te garanderen dat een kettingreactie zelfs tijdens een ongeluk (bijv. verkeersongeluk of brand) niet kan optreden.

Productie brandstofstaven

Aangekomen bij de splijtstofelementenfabriek, wordt eerst via een serie chemische conversiestappen het uraniumhexafluoride (UF$_6$) omgezet in uraniumdioxide (UO$_2$). Dit is een zwart poeder, dat tot kleine tabletten wordt geperst en verpakt in hulzen, die in bundels bij elkaar de splijtstofelementen vormen. De splijtstofelementen zijn de brandstofstaven voor de elektriciteitsproductie in de kerncentrale. Na verloop van tijd is er van het splijtbare uranium te weinig over om het splijtingsproces goed in stand te houden. De splijtstofelementen worden dan vervangen door nieuwe, en de oude kunnen na enige jaren opslag, als de meeste radioactiviteit is verdwenen, in een opwerkingsfabriek zo worden behandeld dat er nog bruikbaar uranium vrijkomt. Dit kan dan opnieuw worden omgezet in UF$_6$, verrijkt en tot splijtstof worden verwerkt, waarmee de splijtstofkringloop (deels) gesloten is. Voor het transport van de splijtstofelementen naar de elektriciteitscentrale geldt hetzelfde als het transport van verrijkt UF$_6$, het is aan zeer strenge voorschriften en veiligheidsmaatregelen gebonden.

Opslag kernafval

In Nederland wordt radioactief afval bovengronds opgeslagen door de Centrale Organisatie voor Radioactief Afval (COVRA) in Nieuwdorp, bij Vlissingen Rijksoverheid 2014w. Kijk hierw voor meer informatie.

Windenergie

Update: Data van recente jaren toegevoegd
Wind is de natuurlijke luchtbeweging van de atmosfeer gekenmerkt door richting en snelheid. Wind ontstaat doordat de zon de lucht in de atmosfeer verwarmt. Als gevolg van ongelijkmatige verwarming van de luchtmassa ontstaan er temperatuur- en drukverschillen. De luchtstroming die daardoor ontstaat van een hogedrukgebied naar een lagedrukgebied, herkennen wij als wind. De windsterkte kan sterk variëren. Windsterkte wordt uitgedrukt in een getal op de schaal van Beaufort of in m/s.


Figuur 43. Windturbines (bron: Wikimedia Commons)

Opkomst van windenergie

De laatste jaren is windenergie, evenals zonne-energie en waterkracht, als duurzame hernieuwbare bron van energie steeds belangrijker geworden. De snelle toename van het opgestelde windenergievermogen wereldwijd is in figuur 44 te zien:


Figuur 44 (bron: Wikimedia Commons)



Land Capaciteit (MW) Percentage
China 114.763 31.1
VS 165.879 17.8%
Duitsland 39.165 10.6%
Spanje 22.987 6.2%
India 22.465 6.1%
VK 12.440 3.4%
Canada 9.694 2.6%
France 9.285 2.5%
Tabel 6. De grootste windlanden. Groeicijfers van 2014 Bron: Wikipedia 2019w

Wereldwijd stond in eind 2012 meer dan 282 GW vermogen aan windturbines opgesteld. Windenergie speelt een rol in Europa, Noord-Amerika en Azië (GWEC 2013w). De grootste groeimarkten zijn China, de VS, Duitsland en India. In Europa loopt Nederland bepaald niet voorop.

In sommige Europese landen wordt op grote schaal windenergie opgewekt. In Duitsland, de Europese koploper, stond eind 2012 meer dan 31 GW aan windturbines opgesteld, dat zijn 23 duizend turbines. Daarvan kwam 2415 MW in 2012 online. In 2012 werd 45 TWh en daarmee 7,3 procent van het elektriciteitsgebruik met wind opgewekt (GWEC 2013w).

Windenergie in Nederland

In Nederland (op land en in zee gezamenlijk) is het opgesteld vermogen rondom 2500 MW in 2012 (CBS 2013fw). Het Nederlandse windvermogen is in een klein aantal regio's geconcentreerd. Vijf gemeenten produceren ruim de helft van alle windstroom: Zeewolde, Wieringermeer, Dronten, Rotterdam en Lelystad. In de provincies Flevoland, Noord-Holland, Zuid-Holland en Friesland staan de meeste windmolens. Samen produceren ze bijna 85 procent van alle windstroom in Nederland.


Figuur 45. Opgesteld vermogen aan windenergie in Nederland tussen 2002 en 2012. Bron CBS 2013fw


Figuur 46. Productie windenergie in Nederland tussen 2002 en 2012. Bron CBS 2013fw


Windturbines als conversietechnologie voor windenergie

Een windturbine heeft twee of drie smalle, gestroomlijnde rotorbladen. Deze rotorbladen zitten vast aan de hoofdas of rotoras. In de gondel wordt de draaiende beweging van de as, door middel van tandwielen, versneld. De as drijft een generator aan; de werking daarvan is te vergelijken met een dynamo. Er bestaan tegenwoordig ook windmolens die werken zonder een versnelling met tandwielen. Deze turbines hebben een speciale grote generator, die al bij een laag toerental elektriciteit levert. Voordelen van het laatstgenoemde type windmolen zijn:
• dankzij de afwezigheid van het tandwielsysteem is minder onderhoud nodig
• er wordt 3 tot 5% meer elektriciteit geleverd.

Windmolens zijn volop in ontwikkeling en de nieuwste modellen kunnen per stuk al 6 MW aan elektriciteit opwekken.


Figuur 47. Lillgrund Wind Farm's wind turbines (bron: Wikimedia Commons)

De elektriciteitsproductie van een windturbine heeft een 3e-machtsrelatie met de windsnelheid, volgens:

Vermogen = $P = {1/2} A * ρ * v^3$
met
$P$ = het geleverde vermogen ($W$)
$A$ = oppervlakte turbine (m$^2$)
$ρ$ = dichtheid lucht (kg/m$^3$)
$v$ = windsnelheid (m/s)

Zonne-energie

Update: Data van recente jaren toegevoegd; duidelijke kaart van de zonne-instraling Nederland toegevoegd.
Vrijwel alle energie waarover wij op aarde kunnen beschikken komt van de zon, direct of indirect.
De energie die de zon dagelijks uitstraalt naar de aarde is direct te benutten, middels zonnecellen en zonnecollectoren.

Zonne-energie als stromingsbron


Kernfusie

De energie van de zon is te danken aan het kernfusieproces dat in de kern van de zon plaatsvindt. Bij de kernfusie van twee waterstofatomen ontstaat helium; per seconde wordt er 600 miljoen ton waterstof in 596 miljoen ton helium omgezet. Het verlies in massa komt volgens Einstein's $E=mc^2$ formule vrij als energie. Deze energie bereikt na een periode van miljoenen jaren het oppervlak van de zon en wordt vervolgens uitgestraald in het universum.

Instraling van zonne-energie

De aarde ontvangt slechts een bescheiden deel van de energie uitgestraald door de zon, maar dat is nog altijd zo’n 9000 maal groter dan de wereldwijde energiebehoefte. Op astronomische tijdschaal is ook de zon als energiebron niet onuitputtelijk, want ooit zal de zon zijn opgebrand. Op onze tijdschaal beschouwen we onze zon als stromingsbron, de drijvende kracht achter de aardse stromingsbronnen: licht, warmte, stromend water, stromende lucht en kort-cyclische biomassa.

De figuren hieronder beschrijven de zonne-instraling in Nederland en Europa, in termen van de dag en maand, maar ook de regionale verschillen.


Figuur 48. Zonne-instraling in Nederland over het jaar en over de dag, in W/m$^2$. Bron: Velds 1992w


Figuur 49. Cumulatieve zonne-instraling in Nederland, in kWh/m$^2$. (bron: Wikimedia Commons)


Figuur 50. Zonne-instraling in Europa, gemiddeldes per dag in kWh/m$^2$. Bron: Velds 1992w

Zonne-energie en fossiele energie

Fossiele energiedragers als aardolie, gas en kolen zijn te danken aan de zon; ze zijn immers ontstaan uit sedimenten van (plantaardige) biomassa, die door geologische processen zijn omgezet, geconserveerd en geconcentreerd. Op de tijdschaal van geologische processen zou je zelfs fossiele energie als stromingsbron kunnen beschouwen, want ook vandaag de dag vinden die processen plaats. Op de tijdschaal van de economie, van jaren tot een mensenleven, is de aangroei van fossiele voorraden echter verwaarloosbaar; daarom spreken we van voorraadbronnen.

Opkomst van zonne-energie

Eveneens als windenergie is ook elektriciteit direct op basis van zonne-energie sterk in opkomst. Waar in 1985 nog slechts 25 MW aan zonnepanelen wereldwijd was geïnstalleerd was dit in 2004 al 3,7 GW en in 2010 al 40 GW, zie figuur 51.


Figuur 51. Wereldwijde capaciteit aan zonne-stroom. Bron: Wikipedia 2019w

De groei van zonne-energie heeft vooral te maken met de hoge subsidies die worden gegeven op het gebruik van zonne-energie. De grootste markten voor zonne-energie is Duitsland.

Zie ook: Animatie van de penetratie van zonnnepanelen in Duitslandw

In 2012 was in Nederland de totale elektriciteitsgeneratie afkomstig van zonnecel systemen ongeveer 0,25 TWh, overeenkomstig met 0.22% van het totale elektriciteitsverbruik (CBS 2016xw). In 2012 en 2013 is de capaciteit en daarmee de productie aan zonnestroom in Nederland zeer sterk gegroeid.


Figuur 52. Zonne-energie: capaciteit in Nederland, tussen 1990 en 2013, Bron: CBS 2016xw

Conversietechnologie voor zonne-energie


Zonne-energie wordt actief benut via zonnecellen en zonnecollectoren.

Zonnecollectoren

Bij een zonnecollector gaat het om het invangen van zonnewarmte voor het verwarmen van tapwater. Het door de zon verwarmde water wordt opgeslagen in een zonneboiler; hier kan het water op de conventionele manier worden bijverwarmd als de zon het even laat afweten. Zonnecollectoren hebben geen betekenis voor de productie van elektriciteit.


Figuur 53. Het eerste huis met zonnecollectoren in de VS in 1939 (bron: Wikimedia Commons)

Zonnecellen

Het proces waarbij in zonnecellen elektriciteit wordt opgewekt heet fotovoltaische omzetting. De gebruikelijke aanduiding zon-PV, of PV, staat voor 'photo-voltaic'. Het proces berust op het principe dat elektriciteit gaat stromen tussen twee niet identieke halfgeleiders als deze met elkaar in contact worden gebracht en aan licht worden blootgesteld. Een kenmerk van halfgeleiders is dat ze in vergelijking met metalen maar weinig 'beweeglijke' elektronen hebben. Maar juist door de absorptie van licht worden elektronen vrijgemaakt: die gaan zich daarna verplaatsen waarna een positief geladen gat overblijft. Een scheidingslaag zorgt dat gaten en vrije elektronen gescheiden worden, waardoor een potentiaal, een spanning ontstaat. Wanneer de voor- en achterzijde van de cel met elkaar worden verbonden gaat er gelijkstroom lopen.

Concentrated solar power

Concentrated solar power (CSP), bundelt zonne-energie met spiegels. "Systemen voor geconcentreerde thermische energie bestaan altijd uit spiegels en/of lenzen die het directe zonlicht bundelen en een receptor met daarin een vloeistof die door het gebundelde licht verhit wordt." (Thermische_zonne-energiew). Veelal wordt deze warmte gebruikt om een turbine aan te drijven en stroom op te wekken (zie elektriciteit-conversie).


Figuur 54. Een voorbeeld van concentrated solar power (bron: Wikimedia Commons)

Biomassa

Update: Data van recente jaren toegevoegd
Bio-energie is een verzamelnaam voor energie die uit biomassa en organisch afval wordt gewonnen. Biomassa wordt als stromingsbron beschouwd, omdat het CO$_2$ dat vrijkomt bij de verbranding van biomassa direct weer, onder invloed van zonlicht, door levende planten kan worden opgenomen en zo opnieuw wordt vastgelegd in biomassa. We spreken hier van kort-cyclische koolstof, in tegenstelling tot de lang-cyclische koolstof die we als CO$_2$ in de atmosfeer brengen bij verbranding van fossiele energiedragers.

Biomassa kan worden gebruikt voor de opwekking van elektriciteit, voor het maken van biogas en voor het maken van biobrandstoffen. Een overzicht van de bijdrage daaraan staat hieronder:


Tabel 7. Biomassagebruik voor elektriciteit, warmte gas, en brandstof in Nederland. Data voor 2017 gemeten in TJ, bron: CBS 2019bw.


Figuur 55. Biomassagebruik in Nederland. Bron: CBS 2019bw.

Biowarmte

De oudste vorm van biomassa als energiebron is het gebruik van hout, oogstresten en dierlijk mest als brandstof voor koken en verwarmen. Nog steeds is dat in grote delen van de wereld de dagelijkse realiteit. Ook is het aandeel van biomassagebruik voor directe warmte (in de vorm van houtkachels) nog significant.

Bio-elektriciteit

Biomassa is in Europa sterk in opkomst vanwege de groeiende vraag naar groene elektriciteit. Door bijstoken met biomassa in thermische elektriciteitscentrales (kolencentrales) kon snel op deze vraag worden ingespeeld. Inmiddels zijn er ook installaties die uitsluitend biomassa verstoken voor de productie van elektriciteit. De variëteit in biomassa is enorm. Als biomassa wordt bijgestookt in kolencentrales, kan het gaan om bijvoorbeeld olijfpitten, cacaodoppen, diermeel of speciaal geprepareerde hout- en of papierpallets. Dit zijn de zogenaamde specifiek zuivere biomassastromen. Er zijn ook zelfstandige biomassa-installaties die uitsluitend biomassa verstoken; deze maken veelal gebruik van hout en houtafval (zaagsel e.d.), maar ook van bijv. kippenmest.

Ook in afvalverbrandingsinstallaties wordt veel elektriciteit gegenereerd, die deels als bio-elektriciteit wordt gekarakteriseerd (zie ook de bovenstaande tabel).

Biogas

Biomassa kan ook als groen gas worden gebruikt als het wordt vergast.

Biobrandstoffen

In toenemende mate wordt biomassa gebruikt als grondstof voor brandstoffen. In Duitsland, bijvoorbeeld, wordt zogenaamde 'Super E10' brandstof verplicht aangeboden aan tankstations, tegen een tarief onder dat van reguliere benzine (dat daar 'Super' of 'Super 95' heet). In E10 is minimaal 10% bioethanol bijgemengd. Met behulp van subsidies wordt deze E10 benzine onder de reguliere benzine geprijsd. Deze E10 benzine is geschikt voor de meeste auto's (zie dit overzichtw of doe deze checkw). Desondanks hebben enkele incidenten met kapotgaande auto's ervoor gezorgd dat Duitsers uit angst voor problemen deze E10 benzine geheel niet gebruiken. Ook in Frankrijk wordt E10 overal aangeboden en daar wordt Euro 95 niet meer overal verkocht. In Nederland wordt E10 benzine nog slechts op enkele plekken aangeboden.

Controverses rondom biomassa

Biomassa is mogelijk de meest controversiële hernieuwbare energiebron, het debat focust zich op deze punten:
• De vraag of biomassa CO$_2$ vrij is (en daarmee als hernieuwbare energiebron mag gelden) vanwege indirecte CO$_2$ emissies door transport, extractie en verwerking.
• De vraag of biomassa CO$_2$ vrij is (en daarmee als hernieuwbare energiebron mag gelden) vanwege directe CO$_2$ emissies bij verbranding. De discussie gaat hier over hoeveel van die CO$_2$ emissies komen uit een kortlopende cylcus en of die als neutraal kunnen worden beschouwd, omdat die CO$_2$ kort daarvoor is opgenomen uit de atmosfeer.
• Het standpunt of de Westerse wereld de voedselvoorziening in derdewereldlanden schaadt en daarmee conflicteert met andere pijlers van duurzame ontwikkeling. Onderdeel van deze discussie is ook de verandering in landgebruik en de lokale milieueffecten als gevolg daarvan.

Waterkracht


Energie van de zon drijft de grote-waterkringloop, waarin oppervlaktewater verdampt en vervolgens precipiteert in de vorm van regen of sneeuw. Het (smelt)water voedt onder meer rivieren die het water weer afvoeren naar zee. Als het water voldoende snel stroomt, geholpen door hoogteverschillen in het landschap, kan daarmee direct een turbine worden aangedreven om stroom op te wekken. Om altijd verzekerd te zijn van voldoende aanvoer van water en daarmee van voldoende stroomproductiecapaciteit, ook in tijden van weinig neerslag, worden er dammen opgeworpen om een watervoorraad aan te leggen. Het stuwmeer dat zo ontstaat kan, afhankelijk van de geografie van het gebied, enorm uitgestrekt zijn.

Impact van grootschalige waterkracht

Hoewel waterkracht geen emissies veroorzaakt naar de atmosfeer, is de invloed op de omgeving toch vaak ingrijpend: natuurgebieden en soms ook landbouwgronden gaan verloren en bewoners moeten hun huizen in de steek laten. Voor de omstreden Drieklovendam in de Yangzi-rivier, China, moesten 1,1 miljoen mensen verhuizen. De dam, 2,3 km lang en 185 meter hoog, die in 2006 voltooid is, moet een stuwmeer van 600 km lengte tegenhouden. Behalve talloze dorpen zijn er ook tientallen fabrieksterreinen onder het water verdwenen. De top 3 waterkrachtlanden zijn China, Brazilië en Canada, zoals weergegeven in de onderstaande tabel.


Land Productie (TWh) Deel van de elektriciteitsproductie (%)
China 694 14,8
Brazilië 403 80,2
Canada 376 62,0
VS 328 7,6
Rusland 165 15,7
India 132 13,1
Noorwegen 122 95,3
Japan 85 7,8
Venezuela 84 68
Zweden 67 42,2
Tabel 8. Grootste waterkrachtproducenten, data van 2010. Bron: IEA 2013dw

Rond 20% van de totale wereldelektriciteitsproductie is van waterkracht afkomstig. Er zijn ongeveer 65 landen waar meer dan de helft van de elektriciteitsproductie uit waterkracht komt, 13 landen waar het waterkrachtaandeel meer dan 80% is, en 13 landen die hun elektriciteitsproductie vrijwel uitsluitend op waterkracht hebben gebaseerd. Tot die laatste categorie behoort ook Noorwegen, met een waterkrachtaandeel van meer dan 95%.

Conversietechnologie voor waterkracht

Een waterkrachtcentrale is een elektriciteitscentrale waarbij de elektriciteit wordt opgewekt door stromend of vallend water. Er bestaan drie typen waterkrachtcentrales:
Riviercentrales: In riviercentrales wordt gebruik gemaakt van relatief snelstromende rivieren met een groot debiet. In Nederland zijn er in de Maas en de Lek van deze centrales geplaatst.
Stuwdamcentrales: Een groot stuwmeer waar een grote watervoorraad wordt aangelegd. Via aparte leidingen wordt dit water over een grote afstand naar een lager gelegen gebied geleid. Hierbij krijgt het water voldoende snelheid om een turbine in beweging te zetten, die op zijn beurt een generator aandrijft. Dit type waterkrachtcentrales, dat in Nederland echter niet voorkomt, heeft vaak een enorme productiecapaciteit.
Hooggebergtecentrales: Hooggebergtecentrales werken op een vergelijkbare wijze, maar doen het met een relatief klein spaarbekken. Het met een relatief klein debiet uitstromende water "valt" naar beneden; het gaat bij dit type centrales om hoogteverschillen die vaak meer dan 500 m bedragen. Het water krijgt zo een zeer hoge snelheid, waardoor met een veel kleiner debiet dan bij een stuwdamcentrale een vergelijkbare hoeveelheid elektriciteit opgewekt kan worden.

Met een stuwmeer kan waterkracht ook gebruikt worden als vorm van energie-opslag. De IEA rekent aan de hand van het schema in figuur 56 op ongeveer 70% rendement (Inage 2009w).


Figuur 56. Waterkracht met opslag. Bron: Inage 2009w, welke ook verscheen in: IEA 2013dw

Waterkrachtpotientieel

Het waterkrachtpotentieel is afhankelijk van de beschikbaarheid van stromend water en de geografie van het terrein. Wereldwijd zijn er ongeveer 150 landen met waterkrachtpotentieel. Wereldwijd wordt het totale technisch haalbare potentieel geschat op 14.576 TWh per jaar. Circa 80% van het potentieel is nog niet ontwikkeld, maar zou economisch rendabel ontwikkeld kunnen worden. Het resterende potentieel bevindt zich voor het merendeel in Azië. Met name in Europa is een groot deel van het potentieel gerealiseerd, zie figuur 57.


Figuur 57. Waterkrachtpotentieel. Bron: IEA 2013dw, op basis van data van IPCC 2011

Waterkracht in Nederland

In het vlakke Nederland is het waterkrachtpotentieel beperkt. In onze waterkrachtcentrales kan de energie niet uit een groot hoogteverschil of uit hoge stroomsnelheden worden gehaald, maar wordt de energie gehaald uit het drukverschil voor en achter de turbine; men gebruikt hiervoor een reactieturbine. Nederland heeft vier middelgrote waterkrachtcentrales: in Alphen/Lith, Linne, Maurik en Hagestein. De centrales in Roermond en Gramsbergen zijn aanzienlijk kleiner, zoals te zien is in tabel 9.


Locatie Vermogen (MW) Productie in 2005 (GWh) Vistrap Visgeleidingssysteem Eigenaar In bedrijf sinds
Maas, Alphen/Lith 14 45 Ja Nee Nuon 1990
Maas, Linne 11 32 Ja Nee Essent 1989
Nederrijn, Maurik 10 24 Ja Nee Nuon 1988
Lek, Hagestein 1,8 5 Ja Nee Nuon 1958
Roer, Roermond 0,2 1,3 In ontwerp Nee Nuon 2000
Vecht, Gramsbergen 0,1 0,3 Ja Nee Essent 1988
Tabel 9. Waterkracht in Nederland. Bron Milieucentraal 2013w

De afgelopen jaren (2007-2012) bedroeg het totaal opgesteld vermogen 37 MW (CBS 2013iw). De maximale hoeveelheid energie die geleverd kan worden is daarmee 37 MW maal 8760 uur/jaar = 324.120 MWh/jaar, ofwel 324 GWh/jaar onder optimale omstandigheden. De elektriciteitsproductie van een waterkrachtcentrale wordt beïnvloed door de waterstand en valt daarom in de praktijk lager uit. Waterkracht in Nederland bereikte een productie van 57-105 GWh in de periode 2010-2012 (CBS 2013iw), wat leidt tot een capaciteitsbenutting van 18-32%.

Er zijn overigens nog andere mogelijkheden om elektriciteit te produceren uit waterkracht: langs de kust kan gebruik worden gemaakt van getijden- of golfenergie, of van de overgangszone tussen zout en zoet water. Deze technieken zijn deels nog in ontwikkeling of hebben, zoals in het geval van getijdenenergie, voor Nederland nauwelijks economische betekenis.

Omzetting primaire energiedragers in elektriciteit

Update: Data van recente jaren toegevoegd
De omzetting van de energiedragers naar elektriciteit wordt hier in hoofdlijnen beschreven.

Energiebronnen elektriciteitsproductie Nederland

In Nederland worden hoofdzakelijk aardgas en steenkool gebruikt voor de elektriciteitsproductie. In 2012 bedroeg dat samen driekwart. (CBS 2013dw). Van de hernieuwbare bronnen zijn biomassa en windenergie het belangrijkst. In figuur 58 staat een overzicht van alle energiebronnen.


Figuur 58. Aandeel energiebronnen in de productie van elektriciteit in Nederland. Data over 2017, gemeten in TWh (miljoen MWh). Bron: CBS 2017w

Bij de omzetting van primaire energie in elektriciteit treden diverse verliezen op. Bij thermische centrales wordt de warmte weggekoeld en de efficiency van de centrale is daarmee afhankelijk van de verbrandingstemperatuur en de koelwatertemperatuur. Tevens verschilt de inzet van verschillende centrales. Zo worden kolencentrales normaliter eerder ingezet dan gascentrales vanwege hun (variabele) brandstofkosten. In tabel 10 staat een overzicht van richtcijfers voor efficiency en inzet en de voornaamste redenen daarvoor. Normaliter kennen nieuwere centrales een hogere efficiency en worden die daardoor eerder ingezet.


Energiebron Elektrische efficiëntie Efficiency bepaald door Typische inzet Reden voor inzet
Aardgascentrale 45-60% Stoomdruk/-temperatuur en inrichting koeling, type centrale 30-70% Pieklast, hoge variabele kosten, goed regelbaar
Kolencentrale 30-45% Stoomdruk/-temperatuur en inrichting koeling, type centrale 80-90% Basislast, lage variabele kosten, lastig regelbaar
Kernenergie 30-35% Stoomdruk/-temperatuur en inrichting koeling, type centrale 80-90% Basislast, erg lage variabele kosten, lastig regelbaar
Biomassa 20-40% Afhankelijk van de bron, vaak meegestookt in kolencentrale 10-20% Beperkte meestook mogelijk in kolencentrale zonder aanpassingen, variabele kosten afhankelijk van de bron van biomassa
Windenergie ~30% Beperkt door hoe wind op wordt gevangen 10-30% Off-shore hoger dan op land, beperkt door locatie en windsterkte, geen variabele kosten.
Zonnecellen 10-15% Technologiespecifeke beperking 10-30% Afhankelijk van de locatie en zonnesterkte, geen variabele kosten
Concentrated solar power ~30% Wegkoelen warmte 10-30% Afhankelijk van de locatie en zonnesterkte, geen variabele kosten
Waterkracht - Afhankelijk van technologie 10-30% Afhankelijk van regenval/waterstroom, geen variabele kosten
Tabel 10. Richtlijnen voor efficiency en inzet van energiebronnen. Dit zijn typische cijfers, er bestaan ook minder meer efficiënte centrales en onder omstandigheden kan de inzet van centrales anders zijn.


Nederlandse producenten met thermische centrales

In Nederland zijn de volgende producenten actief met thermische centrales:

Elektriciteitsproducent Aardgas (MW$_e$) Kolen (MW$_e$) Kern (MW$_e$) Totale capaciteit (MW$_e$)
Electrabel 4.455 590 0 5.046
Essent 2.396 1.285 0 3.681
Nuon 2.584 899 0 3.483
E.On Benelux 746 1.070 0 1.816
InterGen 1238 0 0 1.238
EPZ 0 408 504 912
Delta 576 0 0 576
EDF 456 0 0 456
Eneco 260 0 0 260
AES 240 0 0 240
Totaal 12.950 4.252 504 17.706
Tabel 11. Thermische centrales van Nederlandse elektriciteitsproducenten (hernieuwbare energie niet meegenomen). Data van 2010. Bron: Alsem 2013.

Sinds 2016 is E.On's nieuwe kolencentrale op de Maasvlakte operationeel (zie in figuur 59 een foto van 2011, toen deze nog in aanbouw was).


Figuur 59. Centrale Maasvlakte (in aanbouw) (bron: Wikimedia Commons)

Locaties van elektriciteitscentrales

De technologie om primaire energie in stroom om te zetten zijn uiteenlopend. De stroomsector kent zich traditioneel door grote thermische centrales. Het eerste beeld wat bij veel mensen opkomt is dat van koeltorens (zie de foto hieronder) en dat beeld wordt veelal gekoppeld aan kernenergie. Maar dit is een met koeltorens gekoelde kolencentrale. Alle thermische centrales hebben een grote behoefte aan koeling: omdat koeltorens relatief duur zijn, staan de centrales daarom waar mogelijk dichtbij rivieren of de zee.


De koeltorens bij E.ON's kolencentrale 'Ratcliffe on Soar' in het VK. (bron: Wikimedia Commons)

Factoren die locatiekeuze beïnvloeden

Er zijn meer factoren die van invloed zijn op de keuze voor een locatie van een elektriciteitscentrale. Uit empirisch onderzoek naar investeringsbeslissingen van elektriciteitsproducenten in Nederland blijkt dat een aantal aspecten een grote rol spelen (gebaseerd op Groot 2013):
Technische vereisten: centrales kennen elk hun eigen technische vereisten. Thermische centrales vereisen veel koeling en staan daarom veelal dichtbij rivieren of de zee. Daarnaast is een goede aanvoer van energiebron een vereiste. Kolencentrales staan om die reden vaak bij een haven.
Aansluiting op het hoogspanningsnet: centrales vereisen een goede aansluiting op het hoogspanningsnet.
Risico voor vergunningen: elektriciteitsproducenten lopen het risico dat er juridische problemen ontstaan gedurende de vergunningsprocedure en de bouw van de elektriciteitscentrale. Deze juridische problemen kunnen de bouw vertragen, aangezien locale partijen en overheden inspraak hebben in de vergunningsprocedure en het verlenen van een vergunning kunnen aanvechten in de rechtbank. Elektriciteitsproducenten proberen locaties te vermijden met een hoog risico op problemen met de vergunningverlening. Veelal dichtbevolkte, rijkere gebieden hebben een grotere kans op protesten en procedures tegen het verlenen van een vergunning voor een elektriciteitscentrale, dat bekend staat als het ‘not in my backyard (NIMBY)’ fenomeen.

Beschikbare locaties in Nederland

Er is een beperkt aantal locaties in Nederland beschikbaar voor elektriciteitscentrales (zie figuur 60, Paling 2013). In Nederland worden de locaties voor elektriciteitscentrales bepaald door de bevoegde overheidsorganen. Hierin wordt onderscheid gemaakt tussen elektriciteitscentrales met een capaciteit boven en onder de 500 MW.

De locaties voor elektriciteitscentrales met een capaciteit van boven de 500 MW worden bepaald in de Derde Structuurvisie Elektriciteitsvoorziening (SEVIII) (Rijksoverheid 2009). Deze structuur visie wordt om de 10 jaar aangepast en meerdere malen in de looptijd geëvalueerd. De structuurvisie wordt opgesteld door het Ministerie van Economische Zaken. Op de meeste van locaties bevinden zich al elektriciteitscentrales.


Figuur 60. Locatievoorkeuren voor grote elektriciteitscentrales in Nederland. Bron: Paling 2013, achtergrond kaart: Jan-willem van Aalstw

Voor de potentiële locaties van elektriciteitscentrales onder de 500 MW (zoals windturbines en kleinere thermische centrales) zijn provincies en gemeenten verantwoordelijk. Een vergunningaanvraag voor een elektriciteitscentrale op een locatie zal worden beoordeeld, waarna toestemming voor de bouw en exploitatie gegeven zal worden. De locaties moeten worden opgenomen in de bestemmingsplannen.

Om een vergunning te krijgen moeten er in alle gevallen (onder en boven de 500 MW capaciteit) milieucompensatiemaatregelen genomen worden. Dit kan gedaan worden met bijvoorbeeld het aanleggen van parken of creëren van natuur. De effecten van een potentiële elektriciteitscentrale worden geanalyseerd in een milieu-effectrapportage waarna wordt besloten of en hoeveel natuur compensatie er nodig is.

Eenheden

Grote elektriciteitscentrales worden in eenheden gebouwd (zie bijv. info over de Clauscentrale in Maasbrachtw). Op locatie kunnen centrales worden uitgebreid of gemoderniseerd door nieuwe eenheden bij te bouwen, oude eenheden te sluiten of eenheden te vervangen. Normaal kunnen delen van de installatie blijven staan. Het vermogen van centrales kan door het samennemen van diverse eenheden erg groot zijn; moderne centrales zijn opgebouwd uit eenheden van 400-1000 MW$_e$.

Energiebronnen en conversietechnologiën

Elke elektriciteitscentrale is uniek en wordt ontworpen en gebouwd naar de laatste standaarden, waarbij gebruik gemaakt wordt van een scala aan conversietechnologiën. Omdat thermische centrales lang blijven staan (sommige meer dan 40 jaar), is er een heel scala aan moderne en ouderwetse installaties, elk met hun eigen kenmerken, zoals efficiency, regelbaarheid en eisen aan de brandstof. De toegepaste technologiën in Nederland staan in tabel 12, met daarbij de energiebronnen die worden gebruikt en de productie van 2011 en capaciteit. Ook staat het aantal eenheden vermeld.


Conversietechnologie Productie (TWh) Capaciteit (MW$_e$) Aantal Gebruikt voor Opmerkingen
STEG eenheid 52,12 11.075 63 Steenkool, aardgas, biomassa Zeer hoge efficientie
Stoomturbine 32,11 8.962 62 Steenkool, aardgas, biomassa, concentrated solar power Hoge efficientie
Gasmotor 13,58 3.609 4.256 Aardgas Lage efficientie, klein
Gasturbine 5,60 1.322 76 Aardgas, biomassa Evt vergassing van de energiebron
Kerncentrale 4,14 510 1 Kernenergie Aparte categorie, maar ook een STEG eenheid
Windturbine 5,10 2.316 1.978 Wind
Zonnecellen 0,10 130 niet bekend Zon
Waterkrachtcentrales 0,06 37 7 Water
Tabel 12. Conversietechnologieën, Bron van data productie, capaciteit en aantallen eenheden (over 2011): CBS 2013ew

De hernieuwbare bronnen windenergie, zonne-energie en waterkracht hebben hun specifieke conversietechnologie die is besproken bij de energiebron zelf. De zogenoemde thermische centrales (met een gasmotor, stoomturbine of gasturbine) worden gebruikt voor alle fossiele bronnen, voor biomassa, voor kernenergie en voor concentrated solar power. Deze technologiën worden op hoofdlijnen besproken.

Thermische conversietechnologiën


Stoomturbine

Bij een conventionele stoomturbine, een condensatieturbine, wordt met de inzet van fossiele brandstof of nucleaire energie in een ketel (boiler) stoom opgewekt die onder hoge druk in een stoomturbine (steam turbine) wordt ingebracht. De turbine-as drijft een generator aan waarin elektriciteit wordt opgewekt terwijl de stoom wordt gereduceerd naar atmosferische druk en een lage temperatuur. Het retourcondensaat wordt als ketelwater naar de stoomketel teruggeleid. De omzettingsrendementen van deze installaties liggen onder de 40%, en is hoofdzakelijk afhankelijk van de verbrandingstemperatuur. Hoewel bij enkele condensatieturbines een mogelijkheid is aangebracht om in geringe mate stoom af te tappen, zijn condensatieturbines bijna nooit ontworpen om als warmtekrachtinstallatie te fungeren.

Gasturbine

Bij gasturbines wordt gasvormige brandstof in een hogedrukverbrandingskamer gespoten waar deze wordt verbrand. De hete uitlaatgassen worden door een gasturbine geleid. Deze drijft een generator aan voor elektriciteitsopwekking. Meestal worden gasturbines gebruikt voor de productie van processtoom in een afgassenketel. Bij gasturbine-installaties zijn vermogens gerealiseerd van 500 kW$_e$ tot 250 MW$_e$. Biomassa wordt eerst in een gasgenerator vergast waarna het gas in de gasturbines wordt geleid.

STEG

STEG eenheden - SToom En Gascentrales, zijn een combinatie van een stoomturbine en een gasturbine (zie figuur 61 hieronder). Daarmee kunnen hogere omzettingsrendementen worden gehaald (tot tegen de 60% voor een moderne gascentrale). STEG eenheden worden ook vaak als warmte-kracht-installatie ingericht: het apparaat wordt dan niet alleen voor elektriciteitsproductie geoptimaliseerd, maar voor een balans tussen elektriciteitsproductie en bruikbare warmteproductie. Vermogens van STEG eenheden variëren. De typische grootte van een STEG eenheid is 400-1000 MW$_e$.


Figuur 61. Geoptimaliseerde STEG eenheid met een stoom-cycles en een gasturbine. (bron: Wikimedia Commons)

Gasmotor

Gasmotoren zijn zuigermotoren die als brandstof meestal aardgas en soms fermentatiegas gebruiken. De gasmotor drijft rechtstreeks een generator aan waarmee de elektriciteit wordt opgewekt. De uitlaatwarmte wordt meestal voor verwarmingsdoeleinden gebruikt. Gasmotoren worden vaak toegepast in de glastuinbouw en in de gezondheidszorg. De vermogens van gasmotoren variëren van enkele kW$_e$ tot ongeveer 2 MW$_e$.


Elektriciteitsgebruik


In 2011 bedroeg het totale Nederlandse energiegebruik 2497 PJ (IEA 2013aw). In het overzicht in figuur 62 is elektriciteit als energiebron opgenomen, terwijl die zelf wordt geproduceerd uit de andere energiebronnen. Het overzicht betreft het verbruik van brandstoffen, warmte en elektriciteit door energieafnemers en het verbruik van primaire energiedragers voor omzetting door energiebedrijven. De energievraag van huishoudens is in totaal 408,2 PJ, maar daar is transport niet bij inbegrepen. Voor de industrie is de opdeling over verschillende energiedragers in figuur 62 aangegeven:


Figuur 62. Energiebalans met daarin de een overzicht van de bijdrage van energiedragers aan de industrie. Bron: IEA 2013aw. Meer info: sankey-digram-energie-IEA

Het elektriciteitsverbruik in huishoudens is tussen 2000 en 2010 gestegen van 3230 tot 3480 kWh per jaar, hetgeen neerkomt op een groei van bijna 8% over dat decennium (ECN 2012w). Het gasverbruik neemt al langer geleidelijk af en is nu ongeveer 1500 m$^3$ per huishouden. De enorme toename van aantal en variëteit van elektrische apparaten in huishoudens heeft geleidt tot een toename in het elektriciteitsverbruik. De koelkast, vriezer, TV, wasdroger en wasmachine zijn de individuele apparaten met het grootste verbruik (ECN 2012w). Uitgesplitst naar functie, is verlichting de meest energie-intensieve: van de 3500 kWh verbruikt verlichting 562 kWh, oftewel 16% wordt gebruikt voor verlichting.

Energiebesparing


Energielabels

Om consumenten te stimuleren zuiniger en bewuster met energie om te gaan, is onder meer in 1992 het Energielabel geïntroduceerd (Energielabel.nl 2013w). Het Energielabel is een door de Europese Unie verplicht informatielogo. Het geeft met letters (A tot en met G) en kleuren (donkergroen tot en met rood) informatie over het energieverbruik van een apparaat, zoals te zien is in figuur 63. In de tussentijd zijn er ook de nog zuinigere labels A+, A++ en A+++ bijgekomen. Het label zit verplicht op nieuwe afwasmachines, airconditioners, koelkasten en vriezers, ovens, televisies, verlichting, wasdrogers, was-droog combinaties, en wasmachines. Deze betreffen (op ovens na) allemaal elektrische apparaten en daarmee kan het Energielabel dus primair worden gezien als middel om de elektriciteitsconsumptie te beperken.

Een uitzondering op deze regel is de labels van auto's en woningen, waar het gaat om respectievelijk het brandstofverbruik en de warmtebehoefte. De aanschaf van zuinige auto’s wordt gestimuleerd met een belastingkorting op de zuinigste auto in zijn klasse. Vanaf 1 januari 2008 wordt het ook voor verkopers en verhuurders van woningen verplicht een energielabel te laten zien, dat alleen door een erkende adviseur mag worden vastgesteld.


Figuur 63. Voorbeeld van een energielabel voor een televisie. Bron: Energielabel.nl 2013aw

Slimme meters

Een andere manier om consumenten te stimuleren bewuster om te gaan met energie, en elektriciteit in het bijzonder, is de introductie van slimme meters. De oude vertrouwde stroommeter is een analoge meter. Als een huishouden teruglevert aan het net, loopt de meter terug. Het enige wat de meter meet, is feitelijk het nettoverbuik dat jaarlijks wordt afgelezen (door de meteropnemer of door de eigenaar) en doorgegeven aan de leverancier. Slimme meters zijn er in verschillende soorten, maar het principe is dat ze het elektriciteitsverbruik vaker lezen (tot een frequentie van 10 seconden) en daarmee het verbruik voor de consument en/of de netbeheerder real-time inzichtelijk maakt. De gedachte is dat als de consument inzicht krijgt in zijn consumptiepatroon en kan nagaan in hoeverre hij dat kan bijstellen, om bijv. gebruik te maken van goedkope daluren. Door toepassing van informatie- en telecommunicatietechnologie zijn de meters op afstand uitleesbaar en wordt het mogelijk om huishoudelijke apparaten op afstand te laten aansturen, bijv. door de netbeheerder. Lees verder op de pagina slimme meters.

Sankey diagrammen van de energiesector per land


De IEA heeft een website met hun statistische data over energiegebruik en conversie ingericht. Deze data wordt gepresenteerd door middel van zogenaamde Sankey diagrammen (IEA 2013cw), zie figuur 64 en 65. Hierin kun je de omvang van alle stromen zien. De verschillen tussen landen zijn interessant. Op de website van de IEA kun je de Sankey diagrammen van andere landen opvragen. Ook is het interessant om te kijken welk deel van de energiesector in een land bestaat uit doorvoer (import en export) en welk deel voor binnenlands gebruik.

Voor Nederland heeft de IEA de volgende twee overzichten gemaakt, die zijn toegelicht op de pagina systemen-energie.


Figuur 64. IEA's Sankey diagram van de energiegebruik in Nederland. Bron: IEA 2013aw


Figuur 65. IEA's Sankey diagram van de energiebalans in Nederland. Bron: IEA 2013bw

Energievoorziening van India


Groeiende economie

India is na China de snelst groeiende economie en is het sterkst groeiende land in energiebehoefte. 300 miljoen mensen hebben geen vaste elektriciteitsvoorziening (Wikipedia 2014fw). De industrie verbruikt momenteel zo’n 7000 PJ op jaarbasis, wat bijna de helft van de totale verbruikte elektriciteit inhoudt. Deze sector levert bijna 30% van het BNP (Wikipedia 2014cw).

Steenkool

India produceert vooral zijn elektriciteit uit steenkool (Wikipedia 2014ew). Deze fossiele brandstof is echter van lage kwaliteit en wordt vooral in India zelf verbruikt. Mede doordat de kwaliteit van de gebruikte steenkool zo laag is, is het rendement erg laag. 7% van de steenkoolproductie wordt gewonnen in India, het hoeft hierdoor alleen China en de VS voor zich te dulden als het gaat om de grootste steenkoolproductie. India kan deze positie nog lang vasthouden aangezien de steenkoolvoorraad wordt geschat op 200 miljard ton (Wikipedia 2014dw).

Aangezien het zelf vooral elektriciteit uit steenkool moet halen is het afhankelijk van andere landen om aan andere bronnen te komen. Ruwe olie wordt voornamelijk geïmporteerd door India, vanuit Saoedi Arabië en Iran. Gas wordt voornamelijk uit Qatar geimporteerd (Central Statistics Office India 2014w). Exporteren doet India vooral met kolen aan omliggende landen. De Indian Oil corporation is een van de grootste bedrijven in India. Daarnaast zijn er nog een aantal enorme raffinaderijen. Tata Steel is een groot staalbedrijf in India, onder meer eigenaar van de Hoogovens in IJmuiden. Coal India is het grootste kolen bedrijf (Rediff Business 2014w).

Duurzame energie

Diesel wordt zeer veel geconsumeerd door aggregaten die nodig zijn voor als de stroom uitvalt. Olie is er bijna niet in India dus wordt er veel geïmporteerd. Het grootste deel wordt vanuit Qatar geïmporteerd. Daarom wil de regering in 2020 aan 20% van de vraag naar diesel voldoen met biodiesel.

De overheid investeert veel in duurzame energie. De duurzame energie-sector alleen al levert nu zo’n 200.000 banen op (EcoSeed 2014w). Het is dan ook een grote producent van wind- en zonne-energie. Een van de redenen om te investeren in duurzame energie is het aantal mensen dat overlijdt aan de gevolgen van de slechte luchtkwaliteit van India.

Energievooziening Canada


Groot en energierijk

Canada is ongeveer 10 miljoen km$^2$ groot met slechts een bevolkingsomvang van 33 miljoen mensen. In Canada wordt 566.8 TWh per jaar aan energie geproduceerd, terwijl dit in Nederland in 2013 ongeveer 110 TWh was. Met een bevolkingsomvang 2 keer zo groot dan Nederland produceert Canada dus ongeveer 5 keer zoveel energie als Nederland (Wikipedia 2015aw). De meest energie-intensieve sector in Canada is de industriële sector (37%, grootgebruikers van elektriciteit zijn de papierindustrie en mijnindustrie (IEA 2012w)), en daarna is transport (30%) ook een grote energieverbruiker, zij verbruikt ongeveer de helft van de olie (Natural Resources Canada 2015w).

Canada als wereldenergiespeler

Canada produceert zo’n 6% van de totale energieproductie wereldwijd en heeft zich als supermacht op het gebied van energie neergezet. Canada heeft enorme hoeveelheden gas, kool en olievoorraden in de grond en is nummer drie op de wereldranglijst van gasproducent en zevende als olieproducent. Ook is Canada werelds grootste leverancier van uranium (33%). Canada produceert ook veel Hydro-elektriciteit (13% van de wereldproductie (RVO 2015aw)), maar investeert ook veel in schone energie-technologieën zoals zonne- en windenergie, CO$_2$ afvang en opslag (CCS) en biobrandstoffen.

Aardolie

Canada heeft een enorme hoeveelheid olievoorraad. De bewezen olievoorraad werd geschat op 180 miljard vaten in 2011. Deze olie ligt opgeslagen in zgn. olie-zand. Canada produceert 1,2 miljoen vaten per jaar. Ter vergelijking heeft het Midden-Oosten een bewezen voorraad van 800 miljard vaten en produceert ongeveer 3 keer zoveel aardolie. Canada exporteert 70% van de geproduceerde olievaten waarvan 99% naar de VS. Ondanks dat Canada veel olie produceert, wordt er ook veel olie geïmporteerd. Dit is opvallend aangezien er genoeg wordt geproduceerd om aan de binnenlandse vraag te kunnen voldoen. Een verklaring hiervoor is dat winplekken op zo'n grote afstand liggen van bewoonde delen in Canada dat het goedkoper is deze olie te vervoeren naar andere plekken van de wereld dan naar het binnenland (Wikipedia 2015bw).

Aardgas

Canada heeft eveneens een enorme hoeveelheid gas. Schaliegas niet mee gerekend heeft Canada een bewezen voorraad van 1650 miljard m$^3$ en ze produceert 520 miljoen m$^3$ gas per dag. Een deel van dit gas wordt gebruikt voor eigen elektriciteitsopwekking, maar zo’n 60% wordt naar de VS geëxporteerd (Wikipedia 2015cw).

Energie en economie

De belangrijkste bedrijven actief in de Canadese energiesector zijn Hydro-Québec, Hydro One, BC Hydro en Fortis Inc (Wikipedia 2015dw). Dit zijn allen bedrijven in de duurzame energiesector. Het aantal banen in de duurzame energiesector groeit gestaag. De werkgelegenheid tussen 2009 en 2013 is met 37% toegenomen en de Canadese duurzame energiesector verschaft inmiddels bijna 24 duizend banen (Sublime News 2015w). De energiesector als geheel zorgt voor 360.000 banen en het BBP bestaat voor ongeveer 7% uit activiteiten in de energiesector (IEA 2009w).

Energievoorziening van Qatar

Hoewel Qatar maar een klein land is met een populatie van 2,3 miljoen mensen is het een bekende speler in de energiesector. Dit wordt verklaard door de enorme aardgas- en oliereserves – respectievelijk 25,4 biljoen kubieke meter in 2011 (14% van de bekende wereldvoorraad) (Kukemelk 2011w) en 25 miljard vaten in 2015 (EIA 2015w). Qatar heeft sinds januari 2015 de derde-grootste aardgasreserves van de wereld (Kukemelk 2011w.

Een enorm deel van de productie wordt geexporteerd; in 2014 ontving het land 86 miljard US dollar alleen al door het exporten van aardgas (Almeida 2015w). Sinds 2006 staat Qatar bekend als ’s werelds grootste exporteur van LNG (vloeibaar aardgas). Daarvan werd in 2014 72% naar Azië verscheept en 23% naar Europa (EIA 2015w). Azië blijkt dus Qatar’s grootste klant, met als belangrijkste afnemers Japan, Zuid-Korea, India, China en Singapore (OEC 2016w). Verder meldt het OPEC Annual Statistical Bulletin dat Qatar in 2015 bijna 600.000 vaten ruwe olie per dag exporteert. Hierdoor verdiende het land in 2014 maar liefst 38 miljard US dollar (OPEC 2016w). Voor de economie blijkt de export van olie en aardgas ook cruciaal: 56% van Qatar’s BNP is hieruit afkomstig (Salacanin 2015w), en het land staat bekend als een van de landen met het hoogste BBP per hoofd van de bevolking (OPEC 2016w).

In Qatar zelf is de consumptie - 671 PJ - maar een beperkt deel van de productie (3000 PJ aan olie en 6000 PJ aan aardgas, IEA 2013ew). Desalniettemin groeit consumptie gestaag: tussen 2010 en 2013 steeg consumptie met 46% door toenemend elektriciteit- en water-gebruik (EIA 2015w). In vergelijking met andere landen in het Midden-Oosten consumeert Qatar relatief weinig; 21 TWh in 2014, vergeleken met 200 TWh in Iran (IndexMundi 2014w), zij het dat Qatar veel kleiner is. Verder lijkt Qatar zich geen zorgen te hoeven maken over de voorraad aardgas en -olie; de R/P ratio van het land ligt nog boven de 100 jaar (WEC 2004w).

Qatar’s aardgas-opwerking is zo opgezet dat meerdere partijen betrokken zijn. In deze samenwerking-projecten wordt vaak geinvesteerd door IOCs (International Oil Companies). Zo zijn ExxonMobil, Shell en Total actief in Qatar. Qatargas en RasGas de grootste eigenaars van Qatar’s LNG-ondernemingen. Qatar Petroleum (QP), een nationaal bedrijf verantwoordelijk voor alle olie- en gas-industrie in Qatar, bezit 65% van deze LNG-ondernemingen (EIA 2015w).

Qatar investeert mogelijk in kernenergie (De Ingenieur 2014w), om de groeiende economie en de daarmee gepaard gaande stijgende elektriciteitsvraag te kunnen blijven voldoen. De opwekkingscapaciteit zou moeten groeien van 8,6 gigawatt in 2015 naar 13 gigawatt in 2018 (EIA 2015w). Verder plant Qatar 1800 MW aan zonnepanelen, wat zou lijden tot een aandeel van 16% duurzame energie, iets dat in 2012 nog 0% was (Groene Courant 2012w).

Energievoorziening van Japan


Energiebronnen

In 2010 werd ongeveer 13% van de totale Japanse energieconsumptie opgewekt uit nucleaire energie. Echter werd in 2011 de kernreactor in Fukushima getroffen door een zeer zware aardbeving en opvolgende tsunami. De Japanse overheid heeft naar aanleiding van de ramp besloten alle kerncentrales te sluiten. Hierdoor is het huidig aandeel van nucleaire energie gedaald tot zo goed als nihil (EIA 2007w).

Van de energie die in Japan wordt geconsumeerd, is 92% afkomstig uit fossiele brandstoffen (en 42% van het totaal is afkomstig uit aardolie). Behalve twee kleine olievelden in het Noordelijke Honshu en Hokkaido, heeft Japan bijna geen natuurlijke grondstoffen. Bijna alle bronnen van energie worden dus geïmporteerd. Dit is dan ook te zien in de drie grootste importproducten: petroleum en andere vloeistoffen, aardgas en kolen. Olie komt voornamelijk uit het Midden-Oosten; aardgas komt voornamelijk uit Azië en Australië komt.

Energiegebruik

Het gebruik van energie is het relatief evenwichtig verdeeld over de industrie, huishoudens en transport. Ongeveer 39% gaat naar de industriesector, kort daarop volgen de huishoudens en de agrarische sector met samen ongeveer 38%. Tot slot heeft de transportsector nog een groot aandeel in het gebruik met 23% (Trends in global energy efficiency 2011w).

Efficiëntie en CO2

Opvallend is de relatief lage energie-intensiteit van de activiteiten in Japan. Als je dat uitgedrukt in de energiekosten per eenheid BNP dan zijn die in Japan dus relatief laag. Meestal zie je dit terug in landen waar fossiele brandstoffen in overvloed aanwezig zijn en daarom erg goedkoop kunnen worden gebruikt. De energiekosten van Japan zijn echter vanwege de enorm hoge import, erg hoog per hoeveelheid energie geïmporteerd. De lage energie-intensiteit betekent voor Japan dus dat zij relatief efficiënt omgaan met de inzet van energie. De geavanceerde technologie die het land bezit heeft daar een doorslaggevende rol in (Okajima & Okajima 2013). En in tegenstelling tot Europa concentreert Japan zich, tot zover, minder op duurzame energiebronnen om CO2-emissie te reduceren maar, voornamelijk op het terugdringen van het energiegebruik en de energie intensiteit. Zeker omdat de CO2 emissions sinds het terugdringen van kernenergie zijn gestegen.

Werkcollege energiesysteemberekeningen


Voorbereiding

Bekijk de pagina werkcollege-voorbereiding-algemeen voor de regels rondom de voorbereiding van werkcolleges.

1) Maak een systeemdiagram met de energiestromen in een Nederlands huishouden. Let daarbij op het volgende:
• Volg de regels van het maken van een systeemdiagram.
• Waar dat kan, verwerk belangrijke kentallen voor de energiestromen van de pagina kentallen-overzicht
• Maak een korte toelichting waarin je belangrijke keuzes toelicht.
• Moet je aannames maken over het huishouden om je systeemdiagram compleet te maken, schrijf deze dan op in de toelichting.

2) Maak een inschatting van het volgende. Geef aan in hoeverre je dit had verwacht.
• Hoe vaak kan een was draaien met de jaarproductie van een windmolen van 2,3 MW?
• Hoeveel Tesla’s heb je nodig om de gemiddelde dagproductie van een windmolen van 2,3 MW op te slaan?




Elektriciteitstransport


Introductie

Een stabiele en betrouwbare elektriciteitsvoorziening vereist een goed stroomnetwerk.

Bestudeer de volgende onderwerpen over elektriciteitstransport:

Netwerken

• Een introductie in hoe netwerken voor elektriciteitstransport zijn georganiseerd
• En een overzicht van hoe de balans van die netwerken wordt gehandhaafd.

Wetten

• De pagina elektriciteit-wetten geeft een overzicht van de definities van wetmatigheden rondom stroomtransport.

Elektriciteitstransportanalyses (load flow analyses)

• Uit de verschillende wetten wordt afgeleid dat het vermogen zich omgekeerd evenredig aan de weerstand verdeelt over de verschillende routes.
• Daarna wordt gekeken naar stroomtransport in een simpel netwerk met twee bronnen.
• De analyse wordt ingewikkelder bij elektriciteitstransport-capaciteitsbeperkingen.
• Bestudeer ook de beperkingen aan deze analyses.

Verliezen

elektriciteitstransport-verliezen

Elektriciteitsnetwerken


Voor het overgrote deel zijn we afhankelijk van elders in (meestal grootschalige) centrales opgewekte stroom die van de centrales naar de eindgebruikers wordt getransporteerd en gedistribueerd. In het transport- en distributienet zijn geen opslagmogelijkheden voor elektriciteit. Opslag van elektriciteit is (voorlopig nog) alleen betaalbaar bij kleine hoeveelheden in accu’s.


Elektriciteitstransport in Nederland


Hoofdtransportnet

Het Nederlandse hoofdtransportnet voor elektriciteit, ook wel het transmissienet genoemd, bestaat uit het hoogspanningsnet waar elektriciteit op een spanning van 110.000 tot 380.000 volt getransporteerd wordt. Dit is het systeem dat bovengronds zichtbaar is: de masten in het landschap en de elektriciteitstransportlijnen die er overheen hangen. Het Nederlandse transmissienet is rechtstreeks verbonden met dat van Duitsland en België, en door middel van gelijkstroomkabels tevens met Noorwegen (NorNed) en Groot-Brittannië (BritNed). Het transmissienet wordt door TenneT beheerd. Zie figuur 66 voor een overzicht van dit netwerk.


Figuur 66. TenneT's hoofdspanningsnetwerk in Nederland, data eind 2012. Bron: TenneT 2013w

In essentie heeft TenneT twee taken, namelijk het verzorgen van transportdiensten als transportnetbeheerder en het verzorgen van zgn. systeemdiensten als systeembeheerder. Een netbeheerder met een dergelijke 'gecombineerde taak' wordt in het Engels ook wel aangeduid met de term Transmission System Operator (TSO). De taken van TenneT omvatten in Nederland in grote lijnen het volgende:

Transportdiensten:
• Beheer, onderhoud en ontwikkeling van het landelijk hoogspanningsnet
• Oplossen van transportbeperkingen (congestie)
• Compenseren van netverliezen
• Instandhouden van spannings- en blindvermogenshuishouding
• Afstemmen met regionale netbeheerders en buurlanden

Systeemdiensten:
• Veiligheid/doelmatigheid van transport over alle netten waarborgen
• Oplossen grootschalige storingen
• Handhaven/herstellen energiebalans op alle netten in Nederland: voor meer info: elektriciteit-balanshandhaving

Een dergelijke vorm van netbeheer is in Europa gebruikelijk. De TSOs in de ons omringende landen hebben dan ook een takenpakket dat in grote lijnen gelijk is aan dat van TenneT. Hoewel deze vorm van netbeheer in Europa erg gebruikelijk is, worden er echter ook andere vormen van netbeheer toegepast. Soms worden de transport- en systeemtaken door afzonderlijke partijen uitgevoerd, en spreekt men van een Transmission Owner (TO) resp. een (Independent) System Operator (ISO). Ook komt het voor dat de gehele elektriciteitsketen, van productie, transmissie, distributie tot levering, door één partij wordt bedreven, een zgn. Vertically Integrated Utility (VIU). Met de liberalisering van de elektriciteitssector in de Europese Unie wordt deze laatste vorm, die in veel landen (ook in Nederland, zij het in iets andere vorm) toegepast werd, in principe niet langer gebruikt.

Tennet maakt scenario’s om inzicht te krijgen in waar potentiële nieuwe elektriciteitsproductie zal worden opgesteld en wat voor effect dat heeft op de bestaande hoogspanningsnetten. Daarmee heeft TenneT recentelijk een sterke 380 kV ring in het westen van Nederland gerealiseerd. Doordat elektriciteitstransporten in toenemende mate een grensoverschrijdend karakter hebben, gebeurt dit ook in samenwerking met andere Europese hoogspanningsnetbeheerders.

Hoogspanningsnetuitbreidingen moeten vaak over lange afstanden aangelegd worden en dat betekent ook dat er veel verschillende partijen bij betrokken zijn. Investeringen in het hoogspanningsnet nemen daardoor vaak ook meer tijd in beslag dan de voorbereiding en de bouw van elektriciteitscentrales zelf. Het effect dat dit kan hebben is duidelijk geworden in Duitsland, waar de snelheid van de ‘Energiewende’ niet voorzien was en het hoogspanningsnet niet genoeg capaciteit heeft om de elektriciteit van het noorden (waar de windmolens staan) naar het zuiden te transporteren (waar de grote verbruiklocaties zijn).

Distributienetten

Huishoudens zijn niet direct aangesloten op het transmissienet; dat is bijv. wel het geval voor een aantal industriële grootverbruikers. Huishoudens en andere relatief kleine gebruikers zijn aangesloten op het distributienet (en vertakkingen daarvan). De fijnmazige distributienetwerken vallen niet onder de verantwoordelijkheid van de nationale transmissienetbeheerder, TenneT, maar onder de verantwoordelijkheid van regionale distributienetbeheerders (onder andere Delta Netwerkbedrijf, Stedin, Enexis en Liander).

Meer weten over distributienetten: lees de resultaten van 2012 van Stedinw. Daar staat bijvoorbeeld dat Stedin eind 2012 44.343 km elektriciteitskabel heeft liggen en dat de gemiddelde uitval van elektriciteit in 2012 35,6 minuten was en dat met name het middenspanningsnet zorgt voor uitval. Ook interessant is het kwaliteits- en capaciteitsdocument elektriciteit 2012-2021 van Enexisw, met een scherpe analyse van welke onderdelen sterker en zwakker zijn. Als onderdelen in het net zelf falen, gaat dit vaak om zogenaamde 'moffen'.


Elektriceitstransport in Europa

Vrijwel alle hoogspanningsnetten in Europa zijn in de loop der jaren met elkaar verbonden. Oorspronkelijk is men met deze grensoverschrijdende verbindingen begonnen om de leveringszekerheid te vergroten, door in het geval van calamiteiten (bijv. bij de uitval van centrales) van de reserves van aangrenzende systemen gebruik te kunnen maken. Sinds de liberalisering van de elektriciteitssector in Europa zijn ook economische factoren een belangrijke rol gaan spelen bij dergelijke verbindingen, want verbindingen met het buitenland maken het mogelijk om goedkopere stroom elders vandaan te halen. De laatste jaren speelt tevens daarnaast de potentie van grensoverschrijdende verbindingen om hernieuwbare bronnen te ontsluiten een rol van betekenis bij dergelijke projecten: elektriciteit kan immers maar moeilijk worden opgeslagen en de vraag sluit vaak niet aan bij het fluctuerende aanbod van wind en zon, waardoor het interessant kan zijn om de stroom elders af te zetten.

Momenteel bestaat Europa uit vijf zgn. synchrone gebieden (zie de afbeelding hieronder), waarbinnen de wisselspanningsnetwerken (AC) direct aan elkaar gekoppeld zijn. Binnen deze gebieden is de netfrequentie dan ook te allen tijde gelijk. Onderling zijn de verschillende synchrone gebieden daarnaast ook nog verbonden, doorgaans door middel van gelijkstroomkabels (DC). Nederland kent op dit moment twee DC kabels: NorNed (700 MW) verbindt de Eemshaven met Noorwegen en BritNed (1000 MW) verbindt de Maasvlakte met Groot-Brittannië. De haalbaarheid van een derde kabel naar Denemarken wordt momenteel onderzocht.


Synchrone stroomgebieden in Europa (bron: Wikimedia Commons)

Binnen het European Network of Transmission System Operators for Electricity (ENTSO-E) werken 41 Europese hoogspanningsnetbeheerders uit 34 verschillende landen samen. Deze samenwerking bestrijkt verschillende gebieden, zoals balanshandhaving, systeemintegratie, marktkoppeling en lange-termijnplanning. De organisatie bestaat weliswaar pas sinds 2008, maar is voortgekomen uit een aantal reeds bestaande (regionale) samenwerkingsverbanden tussen netbeheerders. De positie van ENTSO-E is sinds 2009 wettelijk verankerd in de Europese wetgeving (Verordening (EG) nr. 714/2009), die bovendien een aantal taken vastlegt die ENTSO-E moet uitvoeren (Art. 7). Een van de belangrijkste taken is het opstellen van netcodes en het publiceren van een tweejaarlijks plan waarin de belangrijkste ontwikkelingen voor de komende tien jaar in kaart worden gebracht. Dit rapport wordt aangeduid als Ten Years Network Development Plan (TYNDP) en vormt een aanvulling op de nationale ontwikkelplannen die door de netbeheerders (vaak wettelijk verplicht) worden gepubliceerd.


Het Europese hoogspanningsnetwerk. Bron: ENTSO-Ew

Grote versie van de kaartw

Elektriciteit - Balanshandhaving


TenneT is als landelijk netbeheerder verantwoordelijk voor het handhaven van de balans van ons elektriciteitsnetwerk. Het belang van balanshandhaving werd wel duidelijk op 4 november 2006, toen een storing in het Duitse net ervoor zorgde dat de frequentie in een deel van het Europese net tot 49 Hz daalde. In heel Europa zijn toen grote delen van het netwerk automatisch afgesloten om de balans te kunnen herstellen. Dit betekende een grote elektriciteitsstoring waarin miljoenen mensen zonder stroom kwamen te zitten.

Vraag en aanbod moeten altijd in balans zijn

De elektriciteitsinfrastructuur is bijzonder grootschalig: alle huishoudens zijn aangesloten op het elektriciteitsnet, naast zeer vele andere groot- en kleinverbruikers. Al die aangeslotenen hebben hun eigen individuele consumptiepatroon. Het is de taak van TenneT ervoor te zorgen dat op elk moment het aanbod in balans is met de vraag. Door het ontbreken van (grootschalige) mogelijkheden voor opslag van elektriciteit, is de balanshandhaving een grote uitdaging in het complexe elektriciteitssysteem. Op elk moment, real time, moet ervoor gezorgd worden dat er geen overschotten of tekorten ontstaan. Vooral bij tekorten kunnen delen van het netwerk uitvallen, niet alleen in Nederland zelf, maar ook in andere landen en delen van Europa. Omgekeerd kunnen storingen elders in Europa gevolgen hebben voor de stabiliteit van ons netwerk. Hieronder in figuur 67 staat het verloop van de onbalansvolumes in het Nederlandse netwerk in 2012. Hierin is te zien dat de onbalans veelal binnen een bandbreedte van +/- 100 MWh in 15 minuten blijft.


Figuur 67. Onbalansvolumes over 2012. De afspraak in dit soort grafieken is dat positief het opregelen van het aanbod betekent en dat is nodig bij stroomtekorten. Negatief betekent het afregelen van aanbod en dat is nodig bij stroomoverschotten. Bron: TenneT data

Programmaverantwoordelijke partijen

Omdat er geen grootschalige opslag is, kan er op geen enkel moment meer elektriciteit op het net worden ingevoerd dan er wordt afgenomen. TenneT kan voor moment van levering aanbod en vraag al goed op elkaar afstemmen dankzij het systeem van programmaverantwoordelijkheid. Programmaverantwoordelijke (PV) partijen zijn vereist een dag tevoren bij TenneT aan te geven hoeveel elektriciteit zij per kwartier plannen aan te bieden dan wel af te nemen op straffe van het betalen van een onbalansprijs per MWh voor afwijkingen van de planning. Dit laatste heet onbalansverrekening. De grote stroomproducenten, de retailers van wie consumenten hun stroom afnemen en andere grote afnemers behoren tot die partijen. Hoewel de huishoudens zelf niet programmaverantwoordelijk zijn, kan de retailer als PV partij hun geaggregeerd verbruikspatroon op basis van historische consumptieprofielen redelijk inschatten.

Primair vermogen

In de praktijk zal de totale vraag en aanbod in Nederland niet precies gelijk zijn, een situatie die onbalans genoemd wordt. Dit kan het gevolg zijn van verkeerde inschattingen van productie en consumptie van elektriciteit door PV partijen. Een eerste balanceringsdienst die wordt ingezet om de balans te herstellen is primair vermogen. Primair vermogen wordt automatisch geleverd door grote centrales binnen enkele seconden om de netfrequentie te corrigeren wanneer deze teveel naar boven of beneden afwijkt. Productie-eenheden die hiervoor worden ingezet leveren dan een of een paar procent meer of minder vermogen, zodat de netfrequentie zo dicht mogelijk bij 50 Hz blijft. In continentaal Europa wordt de primaire reserve automatisch geactiveerd zodra een deviatie van 20 mHz naar boven (> 50,02 Hz) of beneden (< 49,98 Hz) geconstateerd wordt. Zie www.mainsfrequency.comw voor real-time netfrequentie en huidige inzet van primair vermogen (zgn. primary control).

Regel-, reserve-, en noodvermogen

TenneT heeft als taak ervoor te zorgen dat Nederlanse systeemonbalans op de goedkoopste manier wordt verholpen. Partijen bieden diverse balanceringsdiensten aan TenneT aan, die zij kan afroepen om de systeembalans te herstellen:
• Regelvermogen
• Reservevermogen
• Noodvermogen

Regelvermogen

Op de markt voor regel- en reservevermogen wordt door partijen die in staat zijn om meer te produceren/minder te verbruiken of juist minder te produceren/meer te verbruiken deze capaciteit aangeboden. Een bieding regelvermogen (in MWh/h) moet binnen 15 minuten geheel kunnen worden geleverd, en automatisch, d.m.v. een elektronisch signaal dat TenneT verstuurt. Regelvermogen wordt in de regel geleverd door flexibele elektriciteitscentrales.

Reserve vermogen

Een bieding reservevermogen (in MW/h) moet binnen het uur zijn geactiveerd. Reservevermogen hoeft niet automatisch activeerbaar te zijn, en wordt meestal afgeroepen na regelvermogenbiedingen vanwege een langere reactietijd.

Noodvermogen

Naast regel- en reservevermogen sluit TenneT ook nog een aantal contracten met voornamelijk grote stroomverbruikers om de elektriciteitsvraag te verminderen in geval van een groot elektriceitstekort. Dit kan bijvoorbeeld het geval zijn bij uitval van een centrale of dreigende overbelasting in een bepaald deel van het hoogspanningsnet. Dit vermogen wordt noodvermogen genoemd, en wordt normaliter slechts enkele malen per jaar afgeroepen.


Figuur 68. Onbalansvolumes op 1 januari 2012. Positief = opregelen (tekort), negatief = afregelen (overschot). Bron: TenneT data

De rol van interconnectoren

Ook met import en export via de interconnectoren (verbindingen tussen landen) kan de balans worden gecorrigeerd. Oorspronkelijk was dit de belangrijkste reden voor de aanleg van de interconnectoren. De interconnectoren zijn niet aangelegd met de bedoeling omvangrijke (door de Europese elektriciteitshandel geïnduceerde) elektriciteitsstromen te accomoderen, die ook nog eens sterk kunnen fluctueren door de sterke toename van vooral in Duitsland en Denemarken opgestelde windturbines en zonnepanelen. Stroom zoekt de weg van de minste weerstand. Dat betekent dat de in Noord-Duitsland opgewekte windstroom niet alleen via de verbinding tussen het Noord- en Zuid-Duitse transmissienet naar de afnemers in Zuid-Duitsland stroomt, maar ook de route via Nederland en België kiest. Ook al is Nederland geen partij in de betreffende stroomhandelstransactie, moet TenneT, onze TSO, wel reageren op de onvoorziene stromen om de stabiliteit van het nationale transmissienet niet in gevaar te brengen. De TSO reserveert (een deel van de beschikbare) interconnectiecapaciteit voor de stabiliteitsbewaking. Dit wordt voornamelijk gebruikt voor de uitwisseling van primair vermogen.

Vanuit de Europese elektriciteitsmarkt is er druk om de beschikbare interconnectiecapaciteit zoveel mogelijk te bestemmen voor "echte" import en export, zodat de prijsverschillen voor elektriciteit in de verschillende lidstaten kleiner kunnen worden. Een bepaalde hoeveelheid is echter gereserveerd als 'veiligheidsmarge', wat de uitwisseling van primair vermogen tussen de Europese landen mogelijk maakt. Figuur 69 laat het verschil tussen geprogrammeerde import en export zien en het daadwerkelijk gemeten gebruik van de interconnector. De doorvoer is veel groter dan bedacht. Daardoor wordt beschikbare interconnectiecapaciteit dus niet volledig benut door de markt.


Figuur 69. Gemeten gebruik van interconnectiecapaciteit en wat was geprogrammeerd in januari 2012. Bron: TenneT data

Stroomwetten


Deze pagina bevat een aantal relevante wetmatigheden rondom stroom.

Wet van Ohm


$$∆U=IR$$
Dat betekent voor lijn $i$:

$$I_i = {{∆U}/R_i}$$
$I$ is de stroomsterkte (Ampère), $∆U$ is het spanningsverlies (Volt), $R$ is de weerstand (Ohm).

Wet van Joule


$$P=UI$$
$P$ is het vermogen (Watt), $U$ is de spanning (Volt), $I$ is de stroomsterkte (Ampère).

Wetten van Kirchhoff


• Kirchhoff’s Stroomsterktewet: het behoud van elektrische stroomsterkte. Deze wet bepaalt dat de som van de stroomsterktes die naar een netwerknode toe gaan gelijk is aan de som van de stroomsterktes die van de node weglopen.
• Kirchoff's Spanningswet: De som van de potentiaalverschillen rondom een gesloten circuit is 0.



Vermogensverdeling bij stroomtransport


Voor het netwerk in figuur 70 is het de vraag hoe de stroom gaat lopen als de consument stroom afneemt. We leiden hier af dat de vermogensverdeling omgekeerd evenredig is aan de weerstandsverdeling van de mogelijke stroompaden.


Figuur 70

De eerste vraag is: hoeveel stroom neemt de consument bij C af? Laten we aannemen dat dat 100 MW is. Dat betekent dat er - als we de verliezen verwaarlozen - ook 100 MW moet worden opgewekt. Er is maar één centrale, dus de kolencentrale levert 100 MW, zie ook figuur 71.


Figuur 71

De energiebalans is nu gewaarborgd en daarmee is aan de eerste hoofdwet van de thermodynamica voldaan. Maar hoe gaan de stromen lopen? Om dat te kunnen berekenen moeten we de weerstanden van de routes weten. In het algemeen is de weerstand afhankelijk van de lengte en die bepaalt daarmee ook het netwerkverlies dat we voorlopig verwaarlozen. Laten we aannemen dat de lengtes niet gelijk zijn, zie figuur 72.


Figuur 72

Laten we de wet van Ohm gebruiken per route om de stroom te transporteren van A naar C. Er zijn twee mogelijke routes, een directe route A-C en een tweede route via B (dus A-B-C).

De wet van Ohm zegt dus:

$$∆U_{AC} = I_{AC} R_{AC}$$ $$∆U_{ABC} = I_{ABC} R_{ABC}$$
Nu brengen we Kirchhoff's Spanningswet in beeld, welke zegt dat de potentiaalverschillen rondom een gesloten systeem 0 is. In andere woorden, als er meerdere routes zijn tussen A en C, dan zijn de potentiaalverschillen van alle routes gelijk.

Dat betekent in ons voorbeeld dat $∆U_{AC}$ gelijk is aan $∆U_{ABC}$. Door hiervan gebruik te maken, worden de twee eerder geformuleerde wetten van Ohm aan elkaar gelijk:

$$∆U_{AC} = ∆U_{ABC} = I_{AC} R_{AC} = I_{ABC} R_{ABC}$$
Dit betekent dat we het spanningsverlies niet hoeven te bepalen en dat we na omwerken meer weten over de verhouding van de stroomsterkte.

$${I_{AC}/I_{ABC}} = {R_{ABC}/R_{AC}}$$
We nemen nu ook aan dat het spanningsverlies verwaarloosbaar is ten opzichte van de spanning zelf. Door gebruik te maken van de wet van Joule wordt de verhouding tussen de vermogens over de verschillende routes $P$ gelijk aan de verhouding tussen de stroomsterktes $I$.

$${P_{AC}/P_{ABC}} = {I_{AC}/I_{ABC}} = {R_{ABC}/R_{AC}}$$
Voor ons voorbeeld, wordt het dus:

$${P_{AC}/P_{ABC}} = {R_{ABC}/R_{AC}} = {4/1} = 4$$
We weten dat het totaal van de routes gelijk is aan 100 MW, en daarmee kunnen we de vergelijking oplossen. Dit resultaat stelt dat het vermogen over route A-C 4 maal het vermogen is over route A-B-C, dus respectievelijk 80 MW en 20 MW.

Voor ingewikkeldere voorbeelden, waar de verhoudingen niet zo eenvoudig zijn te bepalen, is een alternatieve uitwerking mogelijk. Kirchhoff's Stroomsterktewet stelt dat in elke node de uitgaande stroom gelijk moet zijn aan de ingaande stroom. Voor node C geldt dus dat de 100 MW die wordt geconsumeerd (en de node uit gaat) ook binnenkomt. Daaruit volgt dat wat binnenkomt uit verbinding A-C en uit B-C samen 100 MW is. Aangezien B het vermogen slechts doorgeeft, blijkt uit dezelfde wet dat het vermogen A-B gelijk aan B-C, welke we eerder hebben gelabeld als $P_{ABC}$. In formulevorm betekent dit dus:

$$P_{AC} + P_{ABC} = 100$$
Omschrijven geeft $P_{ABC} = 100-P_{AC}$. Dit invullen in de vorige formule geeft:

$${P_{AC}/P_{ABC}} = {P_{AC}/(100-P_{AC})} = 4$$
Oplossen geeft:

$$P_{AC} = 4 (100-P_{AC}) = 400 - 4P_{AC} ⇒ 5P_{AC} = 400 ⇒ P_{AC} = 80$$
Uit $P_{AC} = 80$ MW volgt direct dat $P_{ABC} = 100 - 80 = 20$ MW


Figuur 73

Hier hebben we dus afgeleid dat bij gelijkstroom, zonder verliezen, de volgende vuistregel geldt: Wanneer meerdere routes mogelijk zijn om stroom te transporteren van A naar B, worden de stroomsterkte en het vermogen verdeeld in een verhouding die omgekeerd evenredig is aan de weerstanden van elke route.

Vermogensverdeling bij stroombronnen met twee bronnen


De vuistregel die hier is uitgewerkt (vermogens verdelen zich omgekeerd evenredig aan de weerstandsverdeling), blijft gelden wanneer een netwerk groter wordt en meerdere bronnen en/of consumenten bevat. Het wordt snel moeilijk om dit met de hand te bepalen. Hoe de stroom loopt wordt dan steeds minder intuïtief.

De vuistregel om te rekenen met meerdere stroombronnen (en/of consumenten) is als volgt: Zolang het netwerk qua capaciteit niet beperkt is, kunnen de verschillende vermogens die het gevolg zijn van de routes per stroombron-consumentpaar worden opgeteld. Dit staat bekend als het Principle of Superposition.

In figuur 74 is een voorbeeld te zien, waarin de consument meer afneemt, namelijk ook nog 60 MW van een kerncentrale.


Figuur 74

We gaan in dit voorbeeld niet in waarom de kerncentrale voor 60 MW wordt ingezet en de kolencentrale voor 100 MW, maar gebruiken dit slechts als aanname. In de werkelijkheid zou je, binnen de netwerkbeperkingen, de centrale die het goedkoopst is in gebruik het eerst inzetten.

De vuistregel zegt dat de kolenstroom als volgt wordt verdeeld: $P_{AC} = 80$ MW en dat $P_{ABC} = 100 - 80 = 20$ MW. Dit is dus onafhankelijk van het bijplaatsen van de kerncentrale in B.

Vergelijkbaar aan het voorgaande voorbeeld leiden we nu af voor de stroom van de kerncentrale naar de consument:

$${P_{BC}/P_{BAC}} = {R_{BAC}/R_{BC}} = 2/3$$
En vanwege het totale kernstroomvermogen van 60 MW geldt:

$${P_{BC}/P_{BAC}} = {P_{BC}/(60-P_{BC})}$$
Combineren geeft:

$${P_{BC}/(60-P_{BC})} = 2/3$$
De oplossing geeft dat 36 MW komt via route B-A-C en 24 MW via route B-C. Dit geeft dus de volgende oplossing als alleen de kerncentrale stroom zou leveren.


Figuur 75

Het vermogen per verbinding voor het complete netwerk (met beide centrales) kan nu worden bepaald door middel van een optelsom per verbinding, waarbij je de richting in acht neemt. Deze optelsom geeft figuur 76 voor het voorbeeld.


Figuur 76

Het blijkt inderdaad dat de richting van de stroom bij de verbinding A-B tegengesteld is voor de twee stromen en er een vermogen van 36 - 20 = 16 MW overblijft. Interessant is ook dat tussen A en C dus meer vermogen gaat lopen dan je mogelijk zou verwachten, namelijk 116 MW. De capaciteit moet daar dus op worden ingericht.

De uiteindelijke uitkomst is in figuur 77 weergegeven. Daarin kun je zien dat de Kirchhoff's Stroomsterktewet voor elke node klopt. Omdat we aannemen dat het voltageverlies verwaarloosbaar is, moet zowel het vermogen als de stroomsterkte voor alle nodes in balans zijn: de som van de uitgaande vermogens is gelijk aan de som van de ingaande vermogens. Het is verstandig dit achteraf altijd te controleren.


Figuur 77

Capaciteitsbeperkingen bij stroomtransport


Zoals uit het voorbeeld hier blijkt, ontstaan soms niet-intuïtieve stromen tussen verbindingen, vanwege de combinatie van weerstanden, generatoren en gebruikers. Een beperking in de praktijk is de capaciteit van de verschillende verbindingen.

Analytisch wordt dit snel te ingewikkeld om met de hand op te lossen. Een praktische aanpak bespreken we aan de hand van het voorbeeld in figuur 78, waarin elk van de lijnen niet meer mag bedragen dan 100 MW.


Figuur 78

Aangenomen dat we de stroom niet tegen kunnen houden, ontstaat de oplossing die we hier vonden:


Figuur 79

Dit is een probleem, omdat de verbinding A-C wordt overbelast. Er zijn nu meerdere mogelijkheden om ervoor te zorgen dat de stroom niet uitvalt:

• Reduceer de vraag. Als de consumptie in node C lager wordt, wordt ook de stroom A-C lager.
• Verhoog de vraag. Als er consumptie in node A (en mogelijk B) wordt aangekoppeld, zal de stroom tussen A en C ook lager worden.
• Wijzig de inzet van centrales. Als de kerncentrale in node B meer draait en de kolencentrale in A minder, wordt de stroom tussen A en C ook lager.
• Bouw extra capaciteit, of nieuwe lijnen bij.
• Schakel specifieke lijnen af.

Hoe bepaal je nu analytisch welke optie het best is? Dat is in een netwerk van maar 3 nodes al erg ingewikkeld. Als je aanneemt dat een lijn A-C een hele dure lijn is die absoluut niet mag uitvallen, is het zaak om deze capaciteit zorgvuldig te bewaken en het risico op onverwachte stromen te vermijden.

Een pragmatische aanpak is om te een aantal scenario's te proberen en te kijken wat de uitkomst is. Als voorbeeld geven we in figuur 80 de uitkomst voor een gewijzigde inzet van centrales:


Figuur 80

Het toepassen van de analysemethode die hier staat, leidt tot het volgende resultaat.


Figuur 81

Hieruit volgt dat de beperking die met 16 MW werd overschreden helemaal niet wordt opgeheven door een verschuiving van 20 MW. Er wordt maar 4 MW minder capaciteit gebruikt op de beperkende link! Reken dit zelf na.

Als TenneT, de transmission system operator (TSO) van het Nederlandse (en voor een deel ook het Duitse) netwerk doorrekent, wordt van de verschillende opties gebruik gemaakt. Ook kan tot op zekere hoogte op dwarsregeltransformatoren (phase shifting transformers) actief stroom worden omgeleid. Die zijn ook beperkt vanwege hun eigen kosten, regelbaarheid en energieverliezen.

Voor het bepalen van hun acties maakt TenneT gebruik van grote, ingewikkelde optimalisatiemodellen, die ervoor moeten zorgen dat de leveringszekerheid wordt gewaarborgd tegen zo laag mogelijke (extra) kosten. Hiertoe heeft TenneT contracten gesloten met een aantal grote stroomafnemers, die gevraagd kunnen worden om gedurende een bepaalde periode hun vraag te verminderen, en elektriciteitsproducenten, die productiecapaciteit achter de hand houden die TenneT kan inzetten wanneer dat nodig is.

Het regelen van stroomtransport over internationale verbindingen is nog lastiger, omdat het gaat om meerdere actoren die maar beperkt informatie kunnen uitwisselen. In de praktijk leidt dit er onder andere toe dat slechts een gedeelte van de fysiek beschikbare interconnectiecapaciteit wordt toegekend aan de markt, omdat er een ruime veiligheidsmarge moet overblijven om onvoorziene elektriciteitstransporten op te vangen.

Beperkingen van elektriciteitstransportanalyses (load flow analyses)


Wees je bewust van de volgende aspecten van elektriciteitstransport:

• Centrales die goedkoop zijn in gebruik worden het eerst ingezet
• Er kunnen verschillen zijn tussen de verkochte stroom en het fysieke stroomtransport
• De capaciteiten van de verbindingen kunnen beperkend zijn voor welke centrale moet draaien, zodat het licht niet uit gaat.
• In de praktijk gaat het om wisselstroom. Onze gelijkstroomanalyse geeft een eerste indruk van hoe de stroom loopt
• We nemen aan dat het spanningsverlies verwaarloosbaar is ten opzichte van de spanning zelf
• Stroomverliezen kunnen in de praktijk niet worden verwaarloosd, maar het maakt de berekening een stuk eenvoudiger en geeft een redelijke eerste schatting


Verliezen bij stroomtransport


Het netwerkverlies is gemeten in verloren vermogen $P$ (in Watt), gegeven de wet van Ohm en die van Joule:

$$P=UI=I^2R$$
Omdat het verlies met het kwadraat van de stroomsterkte gaat, worden hoge voltages en lage stroomsterktes gebruikt bij elektriciteitstransport. Als je aanneemt dat de verliezen zo klein zijn dat het de verhoudingen tussen de stromen niet beïnvloedt, kun je bij verschillende voltages de verliezen bepalen.

Stel dat we voltages van 230 V (gebruikt in huis) met 380 kV (hoogspanning) willen vergelijken met de in ons voorbeeld op de vorige pagina's gegeven vermogens, dan krijgt men het volgende:

Voor A-B bij 380 kV geldt een stroomsterkte: $P = 20 = UI ⇒ I = 20/380000 = 5,26e^{-5}$A.
Voor A-B bij 230 V geldt een stroomsterkte: $P = 20 = UI ⇒ I = 20/230 = 0.087$A.

Het vermogensverlies is een fractie van $P$, en dus van $I^2R$. De verhouding van $I^2$ bij 380 kV en 230 V is ${380000^2/230^2} = 2,7$ miljoen. Dit betekent dat 2,7 miljoen keer meer energie verloren gaat op 230 V dan op 380 kV. Wat zou dan toch de reden zijn om binnenshuis met zulke lage voltages te werken?

Het is voor lange afstanden niet rendabel om elektriciteit op een laag spanningsniveau te transporteren. Dankzij de hoog- en middenspanningsnetwerken bedragen de transportverliezen over het Nederlandse transmissie geheel slechts circa 4%. Daarbij zijn de verliezen inbegrepen die veroorzaakt worden door het transformeren van en naar hoog-, midden- en laagspanning.

In de distributienetten zijn de transportverliezen per afstandseenheid groter dan in het transmissienet. In verzorgingsgebieden waar de bevolking dun gespreid is en er grote afstanden naar de klanten moeten worden overbrugd, kunnen de transportverliezen behoorlijk oplopen. De transportverliezen van een distributienetwerk zijn een functie van:

• De geografische uitgebreidheid van het verzorgingsgebied
• Het aantal klanten met een aansluiting op het netwerk
• De hoeveelheid gedistribueerde elektriciteit
• De mate waarin de klanten ruimtelijk over het netwerk verspreid zijn
• De verhouding tussen grote en kleine eindgebruikers aangesloten op het netwerk
• Het aandeel/lengte van kabels ondergronds ten opzichte van bovengronds

De Nederlandse situatie is zeker qua afstand, bevolkingsdichtheid en geografie van het terrein erg gunstig.

Werkcollege elektriciteitstransport


Voorbereiding

Bekijk de pagina werkcollege-voorbereiding-algemeen voor de regels rondom de voorbereiding van werkcolleges.

Bestudeer de volgende pagina's over elektriciteitstransport en reken mee/na:
elektriciteit-wetten
elektriciteitstransport
elektriciteitstransport-vermogensverdeling
elektriciteitstransport-vermogensverdeling-twee-bronnen
elektriciteitstransport-capaciteitsbeperkingen
elektriciteitstransport-verliezen

Beantwoord de volgende vragen over voltages en verliezen bij elektriciteitstransport:
• Wat is het maximumvermogen bij zogenaamde 'krachtstroom'?
• Welke hoogspanningsniveaus (voltages) worden gebruikt in Nederland? Kun je vinden waarom deze verschillende niveaus worden gehanteerd?
• Probeer uit te zoeken hoeveel stroomverlies optreedt over 1 kilometer hoogspanningskabel in Nederland. Laat zien wat je waar hebt gevonden.
• Bereken de relatieve verliezen van de hoogspanningsniveaus in Nederland. Doe dat voor elke combinatie van hoogspanningsniveaus.


Opdracht (deel 1)

In deze opdracht gaan we verder met het voorbeeld dat werd gebruikt in de pagina over capaciteitsbeperkingen. We kwamen op een overbelaste lijn uit, wanneer er twee aangekoppelde centrales zijn in node A en B, en de consument in node C. In het huidige voorbeeld, zie figuur 82, werd het vermogen A-C namelijk 116 MW, terwijl alle lijnen zijn beperkt tot 100 MW. Ook hebben we bepaald dat het met deze getallen nauwelijks hielp om productie van de kolencentrale in A over te hevelen naar de kerncentrale in B. De verschuiving van 20 MW bracht niet veel teweeg.


Figuur 82

Reken aan de hand van de methodes uitgelegd in de pagina's in de voorbereiding uit hoe de vermogensverdeling is als:
• Er 20 MW vraag bijkomt in A, waarvoor de kerncentrale in B 20 MW meer gaat draaien.
• Er 20 MW vraag bijkomt in B, waarvoor de kolencentrale in A 20 MW meer gaat draaien.
• Er een extra lijn bij komt tussen B en C met net zoals de andere lijnen een capaciteitsbeperking van 100 MW, met relatieve weerstand $3$Ω.

Aanpak

• Verwerk de gevraagde aanpassingen in het diagram.
• Schrijf je verwachting op van de uitkomst. Zal de overbelasting van de lijn A-C verdwijnen?
• Bepaal voor elke combinatie tussen generator en consument alle mogelijke paden.
• Reken met de uit de wetten van Ohm en Kirchhoff afgeleide vuistregels uit wat de vermogens zijn op de verbindingen veroorzaakt per generator-consument-combinatie.
• Tel de stromen op, rekening houdend met de richting.
• Interpreteer je resultaat. Is het wat je had verwacht?

Opdracht (deel 2)

Schat in:

Wind

"De beste afstand is zes keer de diameter van de rotorbladen." (RO-Webw). Neem aan dat een gemiddelde windmolen met een bladlengte van 50 meter jaarlijks 5,3 GWh produceert. Bepaal het ruimtebeslag als we windenergie willen toepassen voor het elektriceitsverbruik voor alle Nederlandse huishoudens. Noem de belangrijkste aannames.

Zon

Bekijk de zonne-instralingskaart in Europa (figuur 2 op de pagina zonne-energie). We gaan uit van zonnepanelen beschreven in dit rapportw. Neem aan een vermogen van 250 Watt piek per paneel met 60 cellen van 156x156 mm. De prijs van zo'n paneel is 277,09 euro exclusief installatie en de efficiëntie van de module is 15,3%. Wat is de verwachte jaarproductie aan stroom? Hoe snel verdient deze zich terug? Noem de belangrijkste aannames.

Uitwerking

De uitwerking staat op de pagina werkcollege-elektriciteit-transport-uitwerking

Werkcollege elektriciteitstransport - uitwerking


Dit is de uitwerking die hoort bij werkcollege-elektriciteit-transport.

Voorbereiding

Maximaal vermogen

Een stop van 16 A met een spanning van 230 V geeft $P = U * I = 16 * 230 = 3690$ W. Een snelle zoektocht laat zien dat krachstroom in Nederland 400 V is. Daarmee geeft $P = U * I = 16 * 400 = 6400$ W

Hoogspanningsniveau's

De kaart van TenneT laat zien: 380 kV, 220 kV, 150 kV, 110 kV. Alles daaronder is midden- en laagspanning. De reden voor de verschillende niveau's is een combinatie van historische groei, en een afweging tussen verliezen, veiligheid en kosten die voor verschillende capaciteiten en locaties anders uitpakt.

Verliezen per km transport

Het is moeilijk direct een antwoord te vinden. Een eerste mogelijkheid is om een schatting te geven door gebruik maken van het feit dat er 4 procent verlies optreedt in het netwerk als geheel (transmissie en distributie). Aangenomen dat dat gelijk verdeeld is, betreft dat 2 procent op een hoogspanningslijn. Neem bijvoorbeeld aan dat de stroom gemiddeld 75 km wordt getransporteerd. Dan is het verlies per km 2%/75 = 0,027%.

Met onder andere de wet van Pouillet kun je een preciezere inschatting maken. De wet van Pouillet is R = ρ*l/A. Die bepaalt de soortelijke weerstand, wat de basis is voor het verlies.

Aannames:
• 380 kV lijn heeft een doorsnede van 460 mm$^2$, dat is 4,6 cm$^2$ of 4,6 * 10$^{-4}$ m (dat is dus het oppervlak, A) (zie bijvoorbeeld hierw).
• Deze geleiders zijn van aluminium, dat heeft soortelijke weerstand van 2,82*10$^{-8}$ (Ωm) (zegt Wikipediaw).
• Aangezien we het per kilometer bepalen is de lengte l = 1000 m.
• De spanning U is 380 kV = 380 * 10$^3$ V.
• Laten we aannemen dat we een vermogen van P = 1000 MW transporteren.

Nu hebben we alle ingrediënten om het verwachte verlies te bepalen:
• Invullen geeft een weerstand van R = 2,82*10$^{-8}$ * 1000 / 4.6*10$^{-4}$ = 6,13*10$^{-2}$ Ω
• Met de wet van Joule, P = UI, kunnen we de stroomsterkte bepalen: I = 1000*10$^6$ / 380*10$^3$ = 2,6*10$^3$ A
• Met de wet van Ohm bepalen we het spanningsverlies: ΔU = IR = 2,6*10$^3$ A * 6,13*10$^{-2}$ Ω = 159 V.
• Een verlies van 159 V over de kabel betekent een verlies van 159 / 380*10$^3$ = 0,0419%. Dit is gelijk aan het vermogensverlies (want P = UI).

Het resultaat is in dezelfde orde van grootte als de inschatting. Mogelijk is de verdeling over hoogspanning en distributienetten dus niet gelijkwaardig of wordt er gemiddeld over grotere afstanden vervoerd.

Relatieve verliezen

Voor deze vraag heb je de absolute verliezen niet nodig. De pagina elektriciteitstransport-verliezen toont aan dat de verliezen afhankelijk zijn van het vermogen $P$, en dus van $I^2 R$. De verschillende hoogspanningsniveau's verschillen in stroomsterkte. Als we over de verschillende kabels een gelijk vermogen sturen kunnen we de stroomsterktes bepalen. Stel dat we 1000 MW transporteren, dus $P = 1e9$ W

• 380 kV → $I = P/U = 1e9$ W $/ 380e3$ V $= 2632$ A
• 220 kV → $I = P/U = 1e9$ W $/ 220e3$ V $= 4545$ A
• 150 kV → $I = P/U = 1e9$ W $/ 150e3$ V $= 6667$ A
• 110 kV → $I = P/U = 1e9$ W $/ 110e3$ V $= 9091$ A
De verliezen gaan met het kwadraat. Dus de verhouding (380 kV : 220 kV : 150 kV : 110 kv) is $6,9e6 : 2,1e7 : 4,4e7 : 8,3e7$ ofwel $1 : 3,0 : 6,4 : 12$



Opdracht (deel 1)

Extra vraag in A

Verwerk de gevraagde aanpassingen in het diagram.


Figuur 83

Bepaal voor elke combinatie tussen generator en consument alle mogelijke paden.

De 20 MW in node A wordt direct geleverd door de kolencentrale. Daarom wordt het diagram simpeler: er is een nettoproductie van 80 MW. De paden zijn daarmee:
• Productie 80 MW in A, Consumptie 80 MW in C over A-C of A-B-C
• Productie 80 MW in B, Consumptie 80 MW in C over B-C of B-A-C

Reken met de uit de wetten van Ohm en Kirchhoff afgeleide vuistregels uit wat de vermogens zijn op de verbindingen veroorzaakt per generator-consument-combinatie.

De vuistregel is dat de vermogensverdeling omgekeerd evenredig is aan de weerstandsverdeling.
• Productie 80 MW in A, Consumptie 80 MW in C: A-C: 1 Ω, A-B-C 4 Ω. Vermogensverdeling is daarmee ${4/5} * 80$ MW = 64 MW over A-C, ${1/5} * 80 = 16$ MW over A-B-C.
• Productie 80 MW in B, Consumptie 80 MW in C: B-C: 3 Ω, B-A-C 2 Ω. Vermogensverdeling is daarmee ${2/5} * 80$ MW = 32 MW over B-C, ${3/5} * 80 = 48$ MW over B-A-C.

Tel de stromen op, rekening houdend met de richting.
De stromen mogen bij elkaar worden opgeteld.

• A-B: 16 (A-B-C) - 48 (B-A-C) MW ⇒ 32 MW in de richting B-A
• A-C: 64 (A-C) + 48 (B-A-C) = 112 MW in de richting A-C
• B-C: 32 (B-C) + 16 (A-B-C) = 48 MW in de richting B-C

Alle wetten kloppen nu: de in- en uitgaande stromen zijn in elke node in balans. De capaciteitsbeperking is niet behaald, dus dit is geen goede oplossing. De oplossing is in onderstaand schema verwerkt.


Figuur 84

Extra vraag in B

Verwerk de gevraagde aanpassingen in het diagram.


Figuur 85

Bepaal voor elke combinatie tussen generator en consument alle mogelijke paden.

De 20 MW in node B wordt direct geleverd door de kerncentrale. Daarom wordt het diagram simpeler: er is een nettoproductie van 40 MW in node B. De paden zijn daarmee:
• Productie 120 MW in A, Consumptie 120 MW in C over A-C of A-B-C
• Productie 40 MW in B, Consumptie 40 MW in C over B-C of B-A-C

Reken met de uit de wetten van Ohm en Kirchhoff afgeleide vuistregels uit wat de vermogens zijn op de verbindingen veroorzaakt per generator-consument-combinatie.

De vuistregel is dat de vermogensverdeling omgekeerd evenredig is aan de weerstandsverdeling.
• Productie 120 MW in A, Consumptie 120 MW in C: A-C: 1 Ω, A-B-C 4 Ω. Vermogensverdeling is daarmee ${4/5} * 120$ MW = 96 MW over A-C, ${1/5} * 120 = 24$ MW over A-B-C.
• Productie 40 MW in B, Consumptie 40 MW in C: B-C: 3 Ω, B-A-C 2 Ω. Vermogensverdeling is daarmee ${2/5} * 40$ MW = 16 MW over B-C, ${3/5} * 40 = 24$ MW over B-A-C.

Tel de stromen op, rekening houdend met de richting.

De stromen mogen bij elkaar worden opgeteld.

• A-B: 24 (A-B-C) - 24 (B-A-C) = 0 MW
• A-C: 96 (A-C) + 24 (B-A-C) = 120 MW in de richting A-C
• B-C: 16 (B-C) + 24 (A-B-C) = 48 MW in de richting B-C

Alle wetten kloppen nu: de in- en uitgaande stromen zijn in elke node in balans. De capaciteitsbeperking is niet behaald. Sterker nog, de beperking wordt sterker overschreden. Deze oplossing is in onderstaand schema verwerkt.


Figuur 86

Extra verbinding in A-C

Verwerk de gevraagde aanpassingen in het diagram.
Er is een nieuwe verbinding en daarmee ontstaan er feitelijk nieuwe paden. De nieuwe lijn parallel aan B-C noemen we B-C$^*$. De parallelle verbindingen B-C en B-C$^*$ kunnen we vervangen met een vervangingsweerstand, die lijn noemen we dan B-C$_v$ en heeft een weerstand met een waarde van R$_v$ (zie de figuur).


Figuur 87

De formule voor een vervangingsweerstand in parallelle schakelingen is R$_v$ is 1 / ((1/R$_1$) + (1/R$_2$)) = 1 / ((1/3) + (1/3)) = 1/(2/3) = 3/2 = 1,5 Ω. Dat stelt ons in staat de paden te definiëren.

Bepaal voor elke combinatie tussen generator en consument alle mogelijke paden.

Het overzicht wordt als volgt:
• Productie 100 MW in A, Consumptie 100 MW in C over A-C of A-B-C$_v$
• Productie 60 MW in B, Consumptie 60 MW in C over B-C$_v$ of B-A-C

Reken met de uit de wetten van Ohm en Kirchhoff afgeleide vuistregels uit wat de vermogens zijn op de verbindingen veroorzaakt per generator-consument-combinatie.

De vuistregel is dat de vermogensverdeling omgekeerd evenredig is aan de weerstandsverdeling.
• Productie 100 MW in A, Consumptie 100 MW in C: A-C: 1 Ω, A-B-C 2,5 Ω. De verhouding in de weerstand is 1 : 2,5. Dat betekent dat de verhouding in de vermogens omgekeerd evenredig is, dus 2,5 : 1 ofwel 5 : 2. Daarmee worden de vermogensfracties bepaald: de vermogensverdeling is ${5/7} * 100$ MW = 71 MW over A-C, ${2/7} * 100 = 29$ MW over A-B-C$_v$.
• Productie 60 MW in B, Consumptie 60 MW in C: B-C$_v$: 1,5 Ω, B-A-C 2 Ω. De verhouding in de weerstanden is dus 1,5 : 2. De vermogensverdeling is daarom 2 : 1,5 ofwel 4 : 3. Dat betekent dus ${4/7} * 60$ MW = 34 MW over B-C$_v$ en ${3/7} * 60 = 26$ MW over B-A-C.

Tel de stromen op, rekening houdend met de richting.

De stromen mogen bij elkaar worden opgeteld.

• A-B: 29 (A-B-C$_v$) - 26 (B-A-C) = 3 MW in de richting A-B
• A-C: 71 (A-C) + 26 (B-A-C) = 97 MW in de richting A-C
• B-C$_v$: 34 (B-C$_v$) + 29 (A-B-C$_v$) = 63 MW in de richting B-C$_v$. De laatste stap is de vertaling terug te maken naar de twee lijnen. De verdeling van stroomsterkte is in dit geval gelijkwaardig, omdat de weerstanden van de individuele lijnen gelijk zijn. Dat betekent dat het vermogen over B-C$_v$ zich in twee gelijke delen splitst, dus twee maal 32 MW over de lijnen B-C en B-C$^*$.

Alle wetten kloppen nu: de in- en uitgaande stromen zijn in elke node in balans, de afrondingsfouten daargelaten. Ook is de capaciteitsbeperking nu niet overschreden, dus dit is een goede oplossing. Had je dat verwacht? Deze oplossing is in onderstaand schema verwerkt.


Figuur 88


Opdracht (deel 2)


Wind

• 6.000.000 hh * 3480 kWh per hh / 5.300.000 kWh per turbine = 3939 turbines
• Ruimtegebruik per turbine: 𝜋(3d)$^2$ = * 𝜋 * 300$^2$ = 0,28 km$^2$
• Ruimtegebruik is 0,28 * 3939 = 1114 km$^2$

Zon

• Aflezen van de kaart geeft voor Nederland 2,8 kWh/(m$^2$*dag).
• Oppervlak paneel: 0,156 * 0,156 * 60 = 1,46 m$^2$
• Gemiddelde opbrengst: 365 dag * 2,8 kWh/(m$^2$ *dag) * 1,46 m$^2$ * 15,3% = 228 kWh/jaar.
• 228 kWh/jaar * 0,22 €/kWh = 50 €/jaar. Dus 5,5 jaar.
• Belangrijkste aannames: alle lichtinval benut, opbrengst lineair met zonneinstraling, opbrengst niet beïnvloed door partiële verlichting, opbrengst niet beïnvloed door hoek van instraling, geen kosten voor aansluiting aan net en installatie, geen aanvullende verliezen/efficiëntie is een bovenschatting.




Aardgasvoorziening


Introductie

Aardgas is een energiebron die van groot belang is voor de Nederlandse samenleving. Vrijwel iedereen in Nederland gebruikt aardgas voor ruimte- en waterverwarming. Daartoe is een grote infrastructuur aangelegd, en heeft vrijwel ieder huishouden een aansluiting op het fijnmazige gasnetwerk. In dit hoofdstuk maak je kennis met de aardgasinfrastructuur die het mogelijk maakt dat aardgas zo'n belangrijke rol in onze economie speelt.

Bestudeer de volgende onderwerpen over aardgas:

Historie

aardgas-historische-ontwikkeling

De aardgasketen

aardgas-keten

Huidige ontwikkelingen

De aardgassector is onderhevig aan of staat aan de vooravond van mogelijk grote veranderingen. Op deze pagina's wordt daarvan een beeld geschetst.

Liquefied Natural Gas
Schaliegas als nieuwe gasbron
Gashydraten
Nederland als aardgasrotonde

Aardgas - Historische ontwikkeling


Deze pagina bespreekt hoe Nederland komt aan het huidige fijnmazige aardgasnetwerk.

Kolen- en oliegas voor verlichting

De opkomst van de gasinfrastructuur in Nederland begon niet met aardgas, noch met verwarmen of koken. Het huishoudelijke gebruik van gas begon rond 1785 voor verlichtingsdoeleinden. Daarvoor werd voor verlichting gebruik gemaakt van kaarsen (niet brandveilig) en olielampen (geven slechte verlichting en een oliewalm). Met de gaslamp kon goedkoop en relatief veilig voor onder andere stadsverlichting gezorgd worden. De eerste gebruikers van gaslicht zijn vooral bedrijven, en tot 1840 is het alleen beschikbaar voor welgestelde consumenten. Tegen het eind van de 19e eeuw werd gaslicht breder beschikbaar door de introductie van de muntgasmeter. Hierin kon voor een muntje dat 2,5 cent kostte 1/3 kubieke meter gas gekocht kon worden. Alleen voor de allerarmsten bleef het nog steeds bij olielampen.

Gas werd in die tijd niet als als zodanig gewonnen, maar was een conversieproduct van kolen of olie, respectievelijk kolengas of oliegas. In 1681 werd door Bercher in München het eerst opgemerkt, dat door zuurstofloze verhitting van kolen een brandbaar gas ontstond. In Engeland volgden Hales in 1727 en Clayton in 1739. Zij kenden er echter nog geen praktische betekenis aan toe. Dat gebeurde pas aan het einde van de 18e eeuw door de Maastrichtenaar Jan Pieter Minckelers (geboren 1748) die daarmee als ontdekker van de gebruiksmogelijkheden van stadsgas geldt. Of hij zo inderdaad getypeerd kan worden is onduidelijk, omdat Dundonald in 1786 al een ruw hoogovengasmengsel gebruikte voor de verlichting van Cullross Abbey in Engeland. In 1791 ontwikkelde Lebon in Parijs een thermolamp die op steenkoolgas brandde, en in 1792 verlichtte Murdoch zijn huis in Redruth in Cornwell met gaslicht.

Buiten de verhitting van kolen om aan gas te komen, werden in de eerste decennia van de gaslamp ook plantaardige oliën zoals lijnzaad- of raapolie benut. Dat werd dus oliegas genoemd.

Naast productie van gas uit olie is nog geprobeerd gas te bereiden uit dierlijke vetten, turf en hout. Dat leverde minder gas en/of gas van mindere kwaliteit op. Na circa 1835 werd nauwelijks nog geëxperimenteerd met andere grondstoffen voor gas bereiding en vond productie vrijwel uitsluitend plaats door droge destillatie van steenkool.

Voordelen van oliegas

• Oliegas was schoner in het eindgebruik, want er kwam minder roet vrij bij de verbranding
• Oliegas was minder corrosief en de lichtkwaliteit was beter
• De benodigde installaties zijn kleiner en goedkoper vanwege eenvoudigere technologie
• Waar pijpleidingen ontbraken was gedistribueerde levering met gasflessen mogelijk
• In het algemeen was oliegas goedkoper. Wel kon de prijs fluctueren als gevolg van een mee- of tegenvallende oogst van lijnzaad- en raapolie.

Voordelen van kolengas

• De prijzen waren stabiel, doordat kolenmijnen niet afhankelijk waren van het weer
• De technologie werd gaandeweg verbeterd en leidde tot schaalvergroting
• Door schaalvoordelen kon de prijs op een relatief laag niveau stabiel worden gehouden.

Opkomst van gasfabrieken

De eerste (kolen)gasfabrieken in Nederland kwamen tot stand door privaat initiatief van voornamelijk Britse ondernemingen. In verband met de toepassing van kolengas voor stadsverlichting namen steeds meer gemeenten het initiatief om fijnmazige distributienetwerken aan te leggen kregen zijn een toenemend belang in het eigendom van kolengasinstallaties. De eerste stadsgasfabriek in eigendom van een gemeente opende in Leiden in 1848 haar deuren. In 1851 kregen gemeenten formeel het recht om voor hen grondgebied licenties aan private partijen te gunnen voor de exploitatie van het gasnetwerk. In 1875 volgde de Hinderwet, die het concessief mandaat definitief overhevelde van de Koning naar de gemeenten. In 1907 waren nog slechts 23 van de 131 gasfabrieken in Nederland in private handen.

Concurrentie van stadsgas en elektriciteit

Het monopolie van kolengas als bron voor verlichting blijft overeind tot circa 1890. Op de gasmarkt dient zich concurrentie aan met de stadsgasfabrieken; cokesovengas verschijnt als alternatief voor kolengas op het strijdtoneel. De productiewijze van cokesovengas verschilt niet wezenlijk van die van kolengas. Het verschil zit erin dat kolengas werd gemaakt door gasfabrieken met gas als hoofdproduct en bij cokesovens als bijproduct. De belangrijkste cokesfabrieken in Nederland waren die van De Staatsmijnen (het huidige DSM) in Limburg, van Hoogovens (het huidige TATA Steel) in IJmuiden en van de firma ACZdC in Sluiskil.

Vanaf de jaren 1920 beginnen deze bedrijven hun cokesovengas aan omliggende gemeenten af te zetten en worden zij daarmee een concurrent op de gasmarkt. In eerste instantie in Limburg, later ook in de omgeving van IJmuiden en in Zeeuws-Vlaanderen komen dan samenwerkingsverbanden tot stand waarin gemeenten samenwerken in de afname en distributie van cokesovengas. Cokesovengas stond ook wel bekend als ‘afstandsgas’ omdat de ontwikkeling ervan gepaard ging met nieuwe leiding technologie, dat een gasnetwerk op het platteland (buiten de dichtbebouwde stadskern) mogelijk maakte.

Licht, datgene waarvoor de gasindustrie oorspronkelijk was opgericht, werd vanaf 1880 het toneel van een bittere concurrentiestrijd tussen gas en elektriciteit, zoals hiervoor kort genoemd. Toen elektrisch licht, dat het eerst gebruikt werd in de Verenigde Staten en Parijs (nog steeds de lichtstad genoemd) op de markt kwam was het nog niet goedkoper, maar wel veel veiliger en van betere kwaliteit. Hoewel elektriciteit in het begin stuitte op veel weerstand van lokale overheden (vergunningsprocedures voor fabrieken konden wel 10 jaar duren) kon tussen 1920 en 1930 worden gesteld dat de lichtmarkt voor gas verloren was. Maar door nieuwe gebruiksfuncties is gas nu nog steeds een belangrijke bron voor onze samenleving.

Raffinage gas en aardgas voor ruimteverwarming en koken

Het gasnetwerk werd vanaf de jaren 1920 minder voor verlichting gebruikt, maar gas slaagde erin de markten voor ruimteverwarming en koken te veroveren. Vanaf 1930 komen er weer twee serieuze concurrenten op de gasmarkt bij: raffinage gas en aardgas. Raffinage gas wordt geleverd door de oliekraakinstallaties van Pernis waarbij, net als bij cokesgas-fabrieken, het gas aanvankelijk slechts een bijproduct is. De afzetmarkt bevindt zich hierbij ook alleen in de omliggende gemeenten. Aardgas verschijnt vanaf 1932 ten tonele. Over de omvang van de voorraad had men dan nog geen idee en voor zover het werd toegepast kreeg het hetzelfde gebruik als raffinage gas. Dat hield in dat het niet zonder meer geschikt was om als stadsgas gedistribueerd te worden omdat het een veel hogere calorische waarde had. Het moest dus in kleine hoeveelheden worden bijgemengd of worden gekraakt waarbij het werd omgezet in een gas met een lagere calorische waarde. Met name in de jaren 50 gebeurde dit steeds meer, waarmee het aandeel van kolengas navenant verminderde.

Afbouw van kolengas

Na de tweede wereldoorlog waren de meeste infrastructuren in Nederland zwaar beschadigd, zo ook gold de kolengasinfrastructuur. Gezien de veel grotere investeringen die gedaan moesten worden bij de herbouw van kolengasinstallaties in vergelijking tot watergas- of kraak(aard)gasinstallaties koos men vaak voor de goedkopere oplossing zolang er onzekerheid bestond over de grondstoffenvoorziening van steenkool op de lange termijn.

Het einde van het kolengas tijdperk wordt ingeluid wanneer in 1950 de door het Rijk ingestelde Commissie van Iterson een gasvoorziening voor Nederland schetst waarin het Noorden zal worden voorzien met aardgas, het zuiden met cokesovengas van de Staatsmijnen en Sluiskil, het Rijnmondgebied met raffinaderijgas van Pernis, Noord-Holland met cokesovengas van Hoogovens, de Achterhoek met cokesovengas uit Duitsland en slechts een klein deel in het midden van het land met het gas van enkele grote, centraal gelegen gasfabrieken. Zelfs het laatste kwam er niet van, evenals de grootschalige voorziening met gas vanuit Pernis en Hoogovens. Het aardgas komt sneller en in grotere hoeveelheden beschikbaar dan in 1950 werd voorzien. In 1967 sluiten de laatste kolengasinstallaties, in 1969 de laatste gasfabriek.

Aardgasvondst in Nederland

In 1948 werden in Drenthe enkele kleine aardgasvelden gevonden, die vanaf dan door de Nederlandse Aardolie Maatschappij (NAM, 1947) werden geëxploiteerd voor de eerste Nederlandse gemeente die aardgas stookte: Coevorden. Na deze kleine velden was het op 22 juli 1959 pas echt raak: onder de akker van boer K.P. Boon, in Kolham bij Slochteren, werd een gasbel gevonden op 2659 meter diepte. Later bleek de inhoud van de gasbel van Slochteren minstens 2700 miljard kubieke meter te zijn. Hierna werd aangevangen met de aanleg van een landelijk aardgasnetwerk. Omdat toendertijd werd voorzien dat de grootschalige energievoorziening spoedig door kernenergie overgenomen zou worden, was het beleid van de Nederlandse overheid in de 1960’er jaren erop gericht het gas uit Slochteren zo snel mogelijk te exploiteren. Er werden grote, langdurige exportcontracten gesloten en met grote spoed werd de Nederlandse gasinfrastructuur geschikt gemaakt voor het Groningen-gas. Binnen tien jaar werden alle huishoudelijke gasapparaten afgesteld op Groningen-gaskwaliteit. Dit werd de standaard waarop alle andere calorische waarden worden afgesteld. Zie meer hierover verder in dit hoofdstuk.

Samenvatting

Zoals in het voorafgaande was te lezen, hebben allerlei veranderingen in economische (industriële ontwikkeling), sociale (stijgende welvaart, brede toegankelijkheid van energiediensten) en technologische (nieuwe gasbronnen, nieuwe productie- en transporttechnologie, nieuwe eindgebruiksfuncties en –technologie) factoren invloed gehad op de ontwikkeling van de gasinfrastructuur.
Daarvan hier een samenvatting:
• 1785-1840 - Kleine markt: kolengas wordt in beperkte mate toegepast, alleen door grootverbruikers en welgestelde consumenten, in verstedelijkte gebieden.
• 1840-1890 - Uitbreiding van gasgebruik: veel gemeenten openen een eigen gasfabriek, waar voornamelijk kolengas wordt geproduceerd voor stadsverlichting en waterverwarming. Dit is inmiddels betaalbaar voor de middenklasse, en het gebruik raakt wijdverspreid.
• 1890-1964 - Raffinagegas, kraakgas en cokesovengas: waar voorheen in fabrieken gas het eindproduct was van een productieproces, raakten nu verschillende gassen als restproduct interessant voor substitueren met kolen-/oliegas. Cokesovengas of afstandsgas raakte beschikbaar, wat de reikwijdte vergrootte van de cokesovens in Limburg en net over de grens in Duitsland.
• 1950 - Rijkscommissie Iterson: na de tweede wereldoorlog moest gekeken worden naar vervanging van de defecte koolgas-infrastructuur.
• 1964-nu - Aardgas komt als winnaar uit de bus: door onverwachte grootschalige vondst (Slochteren) en voorspoedige exploitatie (NAM) wordt het Noord-Nederlandse aardgas de nieuwe standaard. Vanaf 1964 wordt gestart met de aanleg van een landelijk distributienetwerk, dat tot op de dag van vandaag dienst doet.

Aardgas ketenoverzicht


Aardgas is de huidige standaard in de verwarming van de meeste Nederlandse huishoudens, die elk een eigen aansluiting hebben. Hoe krijg je daar per aansluiting per jaar 1340 m$^3$ gas (EnergieNed 2014w) naar toe? In deze paragraaf wordt de keten van productie, voorraadbeheer en distributie kort toegelicht, te zien in figuur 89.


Figuur 89. De gasketen

Voorraad
Aardgas wordt gevonden in ondergrondse reservoirgesteenten, zoals de bekende gasbel onder Slochteren, in de provincie Groningen. Aardgas ontstaat (significant) niet, omdat het ontstaansproces ontzettend lang duurt. Wereldwijd zit er 1,9 biljoen m$^3$ bewezen reserve van aardgas in de aardkorst, waarvan het grootste deel in Rusland en het Midden-Oosten.

Winning
Wanneer een aardgasveld 'vol' is, is het gas winbaar door een boorleiding te leggen en de kraan open te zetten. 80 tot 90% is met de huidige techniek (bijv. druk opvoeren door waterinjectie) te winnen. Uit aardgaswinning kunnen externaliteiten als bodemdaling en aardbevingen voortkomen.

Behandeling en conversie
Gewonnen aardgas moet van verontreinigingen ontdaan worden en tot een standaard geconverteerd worden voordat het geschikt is voor gebruik.

Transport en distributie
In Nederland wordt aardgas gedistribueerd door middel van leidingsystemen. Het hoofdtransportnet bestaat uit grote leidingen met een groot debiet, van bronnen en opslag naar regionale meet- en regelstations. De Regionale gasnetten kennen een kleiner debiet en vervoeren gas naar gasontvangststations, waarmee het fijnmazige consumentennetwerk verbonden is.

Opslag
Om aan fluctuaties in de vraag te kunnen voldoen is het nodig een buffer in het distributienetwerk te construeren. Door middel van opslag van gebruiksklaar aardgas in leeggepompte velden kunnen middellange en lange termijn fluctuaties worden opgevangen, en door middel van andere methoden korte termijn fluctuaties.

Gebruik
Het gebruik van aardgas kent fluctuaties door weersinvloeden en lange termijn trends. Per jaar verbruikt een Nederlands huishouden zo’n 1340 m$^3$ gas per jaar ten behoeve van ruimteverwarming en koken. In 1980 was dit nog gemiddeld 2460 m$^3$ gas per jaar(CBS 2008w).

Gaswinning


Aardgas is honderdduizenden en miljoenen jaren geleden ontstaan diep in de aarde, en door zijn fysische eigenschappen (het is lichter dan grondwater) naar een relatieve ondiepte in de aardkorst gestegen. De hoeveelheid winbare gassen daarbij hangt samen met de diepte waar je technologisch kan komen met een boorinstallatie, los van de economische rentabiliteit. De op dit moment gebruikelijke boordieptes staan in figuur 90.


Figuur 90. Boordieptes van aardgas, Bron: Weggen et al. 2000w

De belangrijkste informatie in figuur 90 is het verschil tussen de technologische mogelijkheden tot boren (op land maximaal 12.200 meter diepte ten opzichte van NAP, op zee maximaal 6000 meter diepte t.o.v. zeeniveau) en de maximale diepte, waarbij grootschalige exploitatie mogelijk is. Bij gas betreft dit een maximale diepte van ongeveer 8000 meter met een territoir boorstation.

Winningsmethoden

Naar olie wordt al zo’n 150 jaar geboord. Naar gas minder lang (het werd lang gezien als een gevaarlijk ontplofbaar bijproduct) maar de boortechnologieën van beide brandstoffen zijn lang hand in hand gegaan. De onderstaande twee methoden gelden dan ook grotendeels voor olie, zie aardolie-keten voor meer informatie.

Primaire gaswinning

Primaire gaswinning kan plaatsvinden door de druk die van nature op het gasvolume ligt in een natuurlijk reservoir. Gedurende een enorm lange tijd (honderdduizenden tot miljoenen jaren) ligt een gashoeveelheid opgeslagen in een grondlaag. De diepte van het reservoir is grotendeels verantwoordelijk voor de druk op het gas; hoe meer bovenliggende massa, hoe meer druk. Sluit je een pijpleiding (boorgat) aan op een hoeveelheid gas onder druk, dan zal de weg van de minste weerstand genomen worden. Het voordeel van deze winningsmethode is dat de winning goed regelbaar is; door de kraan dicht te draaien kan de winning gestaakt worden, mocht dit nodig zijn voor onderhoud of vraagelasticiteit.

Secundaire gaswinning

Secundaire gaswinning is nodig als de druk onvoldoende is om het gas met voldoende snelheid omhoog te krijgen. Om toch te kunnen winnen, wordt over het algemeen gas of water in een gasreservoir geïnjecteerd, waardoor de druk in het reservoir stijgt. Een nadeel is dat de hoeveelheid gas per m$^3$ opgepompt volume daalt naarmate meer externe injecties plaatsvinden en daarmee de calorische waarde daalt. Daarnaast kunnen deze injecties leiden tot verontreinigingen, waardoor het conversieproces meer tijd en geld kost. Een tweede nadeel is dat het injectieproces een grote opstart- en afschakeltijd kent, waardoor de productie minder flexibel is. Met secundaire gaswinning is tussen de 80 en 90% van de hoeveelheid gas uit een gasveld te produceren. Dit is veel meer dan bij aardolie; de gasvormigheid geeft een veel hogere mobiliteit, waardoor het verhogen van de druk een veel hogere viscositeitafname tot gevolg heeft dan bij het veel stroperigere aardolie.

Aardgas, condensaat en aardolie

Aardgas wordt vaak samen gewonnen met aardolie. Zie ook deze pagina van Natuurinformatiew.

Externaliteiten bij gaswinning


De gassector doet een intensief beroep op de openbare ruimte en het milieu. De belangrijkste gevolgen van gasboring komen voort uit de grote volumes die uit de bodem worden onttrokken.

Bodemdaling is een belangrijke bron van protest rondom gasboorinstallaties. Wanneer honderden miljoenen kubieke meters volume worden weggepompt heeft dit bodemdaling tot gevolg. Zie ook hieronder.
Aardbevingen kunnen het gevolg zijn van het plotseling ineenstorten van leeggepompte aardgasreservoirs. De eerste Nederlandse aardbeving was een direct gevolg van gasextractie, en werd op de tweede kerstdag van 1986 bij Assen waargenomen(KNMI 2015w). Vanaf het het moment van de eerste aardbeving tot 2015 zijn er 941 aardbevingen geteld, waaronder twee met een kracht van 3,5 op de schaal van Richter of hoger (NAM 2015w). De zwaarste aardbeving vond in 2012 plaats in Huizinge en had een kracht van 3,6 op de schaal van Richter. Alle zware aardbevingen vonden plaats in de directe omgeving van aardgaswinningsvelden. Schade als gevolg van aardbevingen kan niet in conventionele verzekeringen gedekt worden, maar wanneer deze het gevolg is van gaswinning kan het wel geclaimd worden bij de betrokken concessionaris.
Leer meer over aardbevingen met interactieve diagrammen op de website van de NAMw.

Verontreinigingen vanwege rampen met gas- en olietransport, zoals de ramp met Esso-olietanker Exxon Valdez bij Alaska.
• Veel pijpleidingen en installaties zijn nodig vanaf het boorgat naar het distributienetwerk.

In figuur 91 zie je de metingen van bodemdaling in de omgeving van het Slochterenveld in 2005. De ecologische gevolgen van bodemdaling en grootschalig grondgebruik kunnen groot zijn.


Figuur 91. Bodemdaling Slochteren. Bron: Commissie Bodemdaling 2008w

Een belangrijke casus is die van het boren naar aardgas in de Waddenzee.

Gaswinning geeft ook veel sociale onrust in de regio waar die winning plaatsvindt. Vaak gaan omwonenden over tot protest en demonstratie, waarbij het bereiken van vertraging voor het project het belangrijkste is. Dit gaat op allerlei niveaus:

• Particulieren die bang zijn voor een onveilige situatie in hun wijk (NIMBY-effect)
• Lokale overheden die zich verzetten tegen grotere overheden
• Kleine milieu-organisaties opgericht ter voorkoming van één specifiek project
• Grote milieuorganisaties, zoals Natuurmonumenten of Greenpeace, die op landelijk niveau proberen invloed te hebben op het project.

Lees verder op deze site van natuurinformatiew over bodemdaling.

Productiecapaciteit


Zoals eerder al naar voren is gekomen betrekt Nederland een groot deel van haar aardgas uit eigen bronnen, voornamelijk bronnen in Noord Nederland, waaronder de bekende grote gasbel onder Slochteren. 76% van het Nederlandse gasverbruik wordt voldaan met Nederlands aardgas. In figuur 92 staat de verdeling van binnenlandse gasherkomst.


Figuur 92. Gas productie in Nederland. Bron: IEA 2008aw

De productiecapaciteit in de toekomst hangt in grote mate af van welke hoeveelheid gemakkelijk winbare reserves nog beschikbaar zijn voor exploitatie. Dit is in grote mate het Slochteren-aardgasveld, maar de winning hieruit is gebonden aan wettelijke bepalingen, en dat heeft te maken met de winning strategie die de Nederlandse overheid hanteert.

Het Nederlandse beleid op het gebied van aardgaswinning


De Nederlandse overheid hanteert het 'kleine velden beleid' met betrekking tot het winnen van het aardgas dat zich in Nederland bevindt. Dit heeft als kern kleine velden eerst te gebruiken en het Slochteren-gas als aanvulling in te zetten.

Het gas in het grote Slochterenveld kan gemakkelijk worden gewonnen, en het is van constante (G-gas) kwaliteit. Het gas in kleine velden kan alleen rendabel worden gewonnen wanneer de afzet zeker is en zonder onderbrekingen kan worden geproduceerd op constant debiet. Het overheidsbeleid zorgt ervoor dat kleine bronnen volledig worden gebruikt, en het Slochterenveld wordt gebruikt om volatiliteit in de vraag op te vangen. Dit heeft twee voordelen:
• Kleine velden worden commercieel voordelig geëxploiteerd
• De meest zekere hoeveelheid kwaliteitsgas wordt zo lang mogelijk bewaard, wat ten goede komt aan de stabiliteit in de sector

In artikel 55 van de Gaswet is vastgelegd dat maximaal 42,5 miljard m$^3$ per jaar mag worden gewonnen uit het Groningenveld, in de periode 2006-2015. Dit artikel geeft aan dat de kleine velden taak door het Groningenveld tot 2030 kan worden uitgevoerd naast een doelmatige winning van het veld.

In figuur 93 vind je de hoeveelheid gas dat zich nog in reserve bevindt tegenover de hoeveelheid cumulatieve (opgetelde) oftewel totale productie in de Nederlandse aardgashoeveelheid. In de jaren 1965 t/m 1976 was er sprake van een grotere stijging van de ERR dan de stijging van de productie. Vervolgens blijft de totale geëxploreerde hoeveelheid gas stijgen, waarbij door een stijgende productie de reserve rond de 2 * 10^9 m$^3$ stagneert. Vanaf 1995 wordt de stijging van de geëxploreerde hoeveelheid insignificant ten opzichte van de bekende reserve en de productie. De reserve daalt vanaf dat moment ongeveer met de (constante) productie.


Figuur 93. Gas reserves en totale geproduceerde gashoeveelheid. Bron: NLOG 2009w

Importafhankelijkheid


Import word steeds belangrijker in heel West-Europa, omdat de lokale gasbronnen (Nederland, Noorwegen en Groot-Brittannië) een dalende productie kennen. Import op grote schaal vindt steeds maar plaats vanuit Rusland, dat als land de grootste bekende gasvoorraden in de wereld heeft. Gasimport uit dit land is afhankelijk van pijpleidingen. De aanleg hiervan is zeer kostbaar, wat terug moet worden verdiend door (het nieuwe kostenvoordeligere) gastransport. Duidelijk moet echter zijn dat Rusland ten alle tijden de kraan dicht kan draaien, waardoor de aanvoer van gas naar Europa gestopt wordt.

De risico’s zijn op dit moment betrekkelijk klein, omdat Europa als (verreweg) de grootste afnemer van Russisch gas ook tegengestelde marktmacht kan uitoefenen – er is sprake van een wederzijdse afhankelijkheidsrelatie. Door het klassieke Russische wantrouwen ten opzichte van het Westen en het even grote wantrouwen van Europa ten opzichte van de oude vijand uit de Koude Oorlog, wordt door beide spelers geprobeerd minder afhankelijk van de ander te worden.

De Russische Federatie voert (samen met Westerse olie- en gasbedrijven) projecten uit in het uiterste oosten van Siberië, net boven Japan, op het eiland Sakhalin. Deze gasvelden worden met pijpleidingen verbonden met het Westen, maar Rusland wil ook een verbinding met China leggen, om op deze manier een tweede exportmarkt voor zichzelf te creëren. Wanneer dit lukt, heeft Rusland ook echt een alternatief voor de gaseuro’s uit het Westen.

Het Westen probeert, terwijl de afhankelijkheid van Russisch gas toeneemt, het gehalte aan alternatieve bronnen op te voeren. Biogas wordt gestimuleerd en LNG krijgt veel aandacht. Het Russische gasbedrijf Gazprom heeft niet geschroomd de pijpleiding dicht te schroeven om bovenliggende politieke doelen van de Russische staat te steunen, zoals in Oekraïne vlak na het aantreden van de pro-Westerse president Joesjenko. Het is belangrijk dat de afhankelijkheidsverhouding tussen Rusland en Europa niet uit balans raakt. Waar Rusland nieuwe afnemers zoekt, moet Europa doorgaan met de zoektocht naar nieuwe gasbronnen.

Aardgaswinning in de Waddenzee


De Waddenzee is het grootste aaneengesloten natuurgebied van Europa, vanaf Texel t/m een groot deel van Denemarken. Het kent een ecologisch uniek milieu, door het warme ondiepe water dat zich met het getijde terugtrekt uit een groot deel van het wad. Meer dan 250 dier- en plantensoorten komen alléén in de Waddenzee voor. Sinds 2005 staan het Duitse en Nederlandse deel van de Waddenzee op de lijst die UNESCO bijhoudt van werelderfgoed.

Het Nederlandse Waddengebied (de Waddenzee met aangrenzend deel Noordzee en vasteland) kent diverse (diepe en ondiepe) voorkomens van delfstoffen. Kort na de publicatie van IPCC 4AR verscheen de planologische kernbeslissing Derde Nota Waddenzee, waarin onder andere het rijksbeleid ten aanzien van delfstoffenwinning is vastgelegd, onder "Ruimte voor menselijke activiteiten", aandachtspunt "k" (11). Voornamelijk ter voorkoming van ongewenste milieu-effecten is de winning van delfstoffen in het Waddengebied gebonden aan bepaalde restricties en enkel toegestaan bij winvergunning. Zo is de winning van zand en schelpen alleen toegestaan bij het uitdiepen van vaargeulen. Steenzout (haliet) wordt momenteel alleen gewonnen vlak achter de Waddendijk bij Harlingen. De belangrijkste delfstof in het Waddengebied is aardgas. Het grote aardgasveld van Slochteren in Groningen strekt zich ten dele uit onder de Waddenzee en daarnaast komen in het gebied diverse kleinere velden voor.

Volgens de Derde Nota Waddenzee bestaat voor het grootste deel van de Friese en Groningse Waddenzee een winvergunning. Ter voorkoming van ecologische verstoring en tot behoud van het open landschap is boren in de Waddenzee echter niet langer toegestaan. Het gas onder de Waddenzee mag dus gewonnen worden, maar de boorinstallaties moeten aan de randen van het gebied staan. Het Waddengas in het Slochteren-veld wordt ook aangesproken door een centrale boring in Groningen. De kleinere, geïsoleerde velden kunnen schuin aangeboord worden, bijvoorbeeld vanaf Ameland of het vasteland.

Door boren in de Waddenzee te verbieden wordt het risico op ecologische aantasting ten gevolge van visuele verstoring, geluidshinder en chemische vervuiling sterk beperkt. De unieke ecologische waarde van de Waddenzee is echter sterk gebonden aan de ondiepte ervan, zodat het vierde risico van delfstoffenwinning, bodemdaling, de belangrijkste mag heten. Over de veronderstelde bodemdaling ten gevolge van gaswinning onder de Waddenzee bestaat veel onenigheid. In theorie leidt de winning van iedere kubieke meter delfstof tot een bodemdaling van dezelfde omvang, die bij aardgaswinning, afhankelijk van de resistentie van het dragende gesteente, echter vertraagd plaatsvindt en die daarnaast in het dynamische waddensysteem niet altijd (direct) aan het oppervlak waarneembaar is. Zo kwam het onderzoek "Integrale Studie Bodemdaling Waddenzee (IBW)" van de NAM uit 1998 niet verder dan te wijzen op de te verwachten herverdeling van zand binnen het Waddensysteem, die eventuele bodemdaling gemakkelijk zou kunnen compenseren. De sedimentbeschikbaarheid in het gebied is echter niet oneindig, zodat een netto bodemdaling wel mogelijk is. Het mechanisme van bodemdaling is in de Waddenzee niet feitelijk anders dan op het vasteland. Ook daar treed bodemdaling op ten gevolge van delfstoffenwinning. Ten gevolge van zoutwinning zal de uiteindelijke bodemdaling bij Tzummarum in Friesland meer dan 30 cm bedragen, waarbij het verwachte dalingsgebied ook een aangrenzend deel van de Waddenzee betreft. Uit onderzoek is ook een maximale bodemdaling (op het vasteland) ten gevolge van gaswinning rond Slochteren vastgesteld. Deze zou rond het jaar 2050 in het centrum van het gasveld ongeveer 40 cm bedragen en ook in het aangrenzende deel van de Waddenzee plaatshebben. In het Eems-Dollard-gebied kan de uiteindelijke bodemdaling meer dan 30 cm bedragen.

Onder de Waddenzee is ook een gasvoorraad aanwezig. De Nederlandse Aardolie Maatschappij wil deze al lange tijd winnen (2005) maar dit leidde altijd tot groot protest ten opzichte van de implicaties die winning voor de ecologie in de Waddenzee zou inhouden. Een oplossing die gevonden werd was schuin boren; de boorinstallaties worden op het vasteland (buiten de Waddenzee) gebouwd, waarna het gat schuin naar onder de Waddenzee geboord wordt, om zo de gewenste gasbel te bereiken. Een oplossing, die in ieder geval grote bouwwerkzaamheden in de Waddenzee vermijdt.

Bodemdaling wordt hierdoor niet tegengegaan – dit wordt veroorzaakt door extractie van het gas uit de bron, met drukvermindering in het reservoir en inzakking van het reservoirgesteente tot gevolg. De ecologische waarde van de Waddenzee ligt in de matige diepte van het water en vooral het bestaan van getijdegeleide overstroming van het gebied. Door bodemdaling vermindert dit, daar het systeem meer onder water staat wanneer de bodem daalt. Tegelijk is er sprake van het broeikaseffect, waardoor de zeespiegel de komende decennia (waarschijnlijk) zal stijgen; een bodemdaling en een zeespiegelstijging leiden samen tot meer water in de Waddenzee, wat schadelijk kan zijn. De NAM probeerde dit argument te ontkrachten met het ‘hand aan de kraan’-principe: wanneer bodemdaling zou optreden, wordt de gaswinning onmiddellijk stopgezet. Door de grote onzekerheid omtrent precieze bodemdalingen (gelaagdheid bodem, vorm van gasreservoirs) is het onduidelijk of bodemdaling zal optreden, maar wanneer dit gebeurt wordt door groeperingen tegen de Waddenzee-boringen verwacht dat het ‘hand aan de kraan’-principe niet werkt, omdat bodemdalingen pas inzetten lang na winning, en lang doorgaan nadat dit beëindigd is.

In 2006 is door de Tweede Kamer het besluit genomen om boren in de Waddenzee toe te staan, onder de voorwaarde van het schuin boren. Het economische aspect (vergroting van de aardgasbaten) won het van het milieu-aspect (bodemdaling) omdat dit in waarde verminderde door het plan om schuin te boren. Een beslissing die genomen is onder invloed van lobbygroepen van beide kanten (gassector en milieugroeperingen), en onderhevig is aan complexe technische detaillering. Wanneer onomstotelijk zou blijken dat de Waddenzee als uniek natuurgebied zou verdwijnen zou boring nooit toegestaan zijn, en wanneer onomstotelijk zou zijn bewezen dat schuin boren geen enkele invloed op het milieu zou hebben gehad was dit reden geweest onmiddellijk met boren te beginnen.

Aardgasopslag


Opslag vormt een belangrijke stap voor een stabiele aardgasinfrastructuur. In tegenstelling tot de elektriciteitsinfrastructuur wordt aardgas op diverse plekken opgeslagen om te allen tijde aan de vraag te kunnen voldoen en daarmee de voorzieningszekerheid hoog te houden. Die vraag is beperkt voorspelbaar en varieert onder meer vanwege:
• Korte termijn weersinvloeden: is het koud, dan schiet het aardgasverbruik plotseling omhoog.
• Seizoensgebonden trends: in de winter is de vraag veel hoger dan in de zomer.
• Lange termijn trends: een stijging in de gemiddelde temperatuur leidt tot minder warmteverbruik, maar een stijgende welvaart leidt tot meer aardgasgebruik.

Productiefaciliteiten zelf kunnen niet snel genoeg reageren op de fluctuerende vraag. Voor verschillende typen fluctuaties is opslag ingericht, zie tabel 13.


Pieken Dagelijks Wekelijks Seizoenstrend
Lagedrukcontainers Goed - -
Gasbollen of andere hogedrukcontainers Goed Goed -
Opslag in leidingen Goed Beperkt -
Aquifers, gasvelden, zoutcavernes Beperkt Goed Goed
Tabel 13. Aardgasopslag en fluctuaties

Hoe groter de afstand tussen de opslag, de bron en de gebruiker, hoe moeilijker vraag en aanbod op elkaar af te stellen zijn. Dit heeft enkele commerciële activiteiten tot gevolg.

Speculatie op vraag en aanbod

Door te speculeren op weersomstandigheden of productiefluctuaties kunnen handelaren winst behalen. Speculatie is mogelijk door productieoverschotten op te kopen en die met winst van de hand te doen wanneer een vraagpiek zich voordoet. Daarnaast speculeren handelaren op de hoeveelheid productieoverschot door opslagcapaciteit te leasen.

De mogelijkheden voor opslag hangen samen met de eigenschappen van de opslagreservoirs en de pompcapaciteit van de bijbehorende gasinstallaties. In tabel 14 vind je de kenmerken van drie grote Nederlandse opslaglocaties in de lege velden Norg, Grijpskerk en Alkmaar.


Faciliteit Type Systeembeheerder Capaciteit (miljoen m$^3$) Piekonttrekking (miljoen m$^3$ per dag) Piekinjectie (miljoen m$^3$ per dag)
Grijpskerk NAM Gasveld 1500 55 12
Norg (Langelo) NAM Gasveld 3000 55 24
Maasvlakte Gasunie LNG peak shaving 78 31 0,25
Alkmaar TAQA Energy BV Leeg gasveld 500 36 3,6
Bergermeer TAQA Energy BV leeg gasveld, in ontwikkeling 3200 - -
Zuidwending I en II Zuidwending aardgasbuffer zoutcavernes, in ontwikkeling 720 - -
Tabel 14: Opslagplaatsen aardgas Nederland. Bron: IEA 2008w


Ook Europees gezien wordt veel aardgas opgeslagen. In figuur 94 staat de gebruikte opslag in de EU.


Figuur 94. gebruik per type gasopslag EU


Gasopslag is het laatste decennium aanzienlijk gegroeid. Figuur 95 laat dit zien.


Figuur 95. Gas opslag in Europa per land. Bron: ECN 2009w

Aardgasconversie


Aardgas is niet direct geschikt voor eindgebruik wanneer het uit de grond gepompt wordt. Het gas wordt eerst ontdaan van verontreinigingen zodat aan de kwaliteitsstandaard voor een set van eindgebruikers wordt voldaan.

Verontreinigingen

De meest voorkomende verontreinigingen van aardgasbronnen zijn:
Water veroorzaakt corrosie en vorming gashydraten
Zwavelhoudende bestanddelen zijn giftig en corrosief
CO$_2$ verlaagt de calorische waarde, is corrosief, en geeft extra transportkosten
Hogere koolwaterstofketens geven een verkeerde Wobbe-index (zie onder), veroorzaken schade aan leidingen en kleppen, hebben van zichzelf een economische waarde

In de praktijk zijn enkele gassamenstellingen veel voorkomend:
Droog gas komt vooral voor in losse kleine velden, en bevat weinig condenseerbare bestanddelen zoals water of hogere koolstofketens.
Nat gas komt voor in verbonden aardgasvelden en velden dichtbij aardolievelden. Het bevat veel condenseerbare stoffen.
Zuur gas bevat veel H$_2$S.
Basisch gas bevat veel CO$_2$.

Kwaliteit van aardgas: de Wobbe-index

De classificatie voor de kwaliteit van aardgas (letterlijk gezien de verbrandingssnelheid) wordt berekend met de Wobbe-index, waarvoor de formule luidt:

$$W = {H_S/√{d}}$$
$W$ = Wobbe-index (${MJ}/{m^3}$)
$H_S$ = Bruto calorische waarde (${MJ}/{m^3}$)
$d$ = Relatieve dichtheid gas ten opzichte van lucht (-)

In Nederland is de omvang van luchtinlaten van gasfornuizen en CV-ketels zo gemaakt dat de luchttoevoer precies past bij de calorische standaard van Nederlands (G-)gas: de luchtstroom wordt in apparaten daarmee afgesteld op een bepaalde Wobbe-index. Is de Wobbe-index te laag, dan dooft de vlam plotseling uit. De verbrandingssnelheid is dan te laag om het gaande te houden gedurende het verbrandingsproces. Is de Wobbe-index te hoog, dan vormt zich het giftige koolmonoxide (CO) bij de verbranding.

Wobbe-labels in Nederland

In Nederland zijn 4 verschillende categorieën gas in gebruik. In figuur 96 vind je deze grafisch ten opzichte van elkaar op het gebied van de Wobbe-index en de calorische waarde.


Figuur 96. Wobbe-index in Nederland en de calorische waarde van diverse gasvelden. Bron: Van der Wal 2003

• G-gas of Groningengas is de standaard voor huishoudelijk Nederlands gasgebruik. De calorische waarde is die van het Slochterenveld. De aardgas-hoofdinfrastructuur is grotendeels gebouwd met het oog op deze calorische waarde en andere kenmerken.
• G+-gas is de gascategorie bedoeld voor export. Deze is calorisch verrijkt om aan buitenlandse standaarden te voldoen.
• L-gas is laagcalorisch gas.
• H-gas is hoogcalorisch gas, dat bijvoorbeeld wordt gebruikt voor elektriciteitsopwekking of energie-intensieve industriële processen. Het wordt ook gebruikt om G-Gas te opwaarderen naar exportgas.

Kwaliteitsconversie

Het meest gangbare proces voor de conversie tussen gaskwaliteiten is door te mengen. GasTerra, het (geliberaliseerde) bedrijf dat deze mengprocessen beheert, zorgt ervoor dat aan de hand van de vraag (naar een bepaalde soort gas) en het aanbod (welke categorie gas komt uit welke productielocatie) een aantal processen plaatsvindt. Onderstaande mengprocessen vinden plaats, waarbij moet worden aangegeven dat er over het algemeen een overschot aan H-gas is:
• Vermengen L-gas met H-gas tot G-gas (voor algemeen gebruik).
• Vermengen G-gas met H-gas om de calorische waarde zo hoog mogelijk voor algemeen Nederlands gebruik te maken, of om het tot exportgas op te waarderen.
• Vermengen H-gas met stikstof, om het terug te brengen tot G-calorische waarde.

Aardgastransport en distributie


Een cruciale functie van onze aardgasinfrastructuur is aardgastransport.

Elementen in het Nederlandse transportnetwerk

De volgende stations en apparaten representeren de meest vitale delen van het Nederlandse aardgastransportnetwerk (zie figuur 97):

Leidingen

• Gescheiden leidingen voor H-gas, G-gas en stikstof (resp. geel, donkergrijs, lichtgrijs)

In- en uitvoer

• Voedingsstations (grijze cirkels): Entree van het aardgas in het netwerk.
• Exportstations (cirkel met grijze driehoek): Doorlaatstation vanuit en naar buitenland.
• Opslag van LNG (Liquefied Natural Gas, cirkel met L)
• Ondergrondse opslagreservoirs (grijze cirkel, half gevuld).

Conversie

• Stikstofinjecties (cirkels met N): conversie H- naar G-kwaliteit gas
• Compressors (dubbele cirkels): regelen druk in leidingen
• Mengstations (dikgedrukte grijze cirkel): conversie naar G-gas
• Meet- en regelstations: Omslag van hogedruk transportnet naar regionaal transportnet, drukbeveiliging en odorisatie


Figuur 97. Hoofdtransportnetwerk voor aardgas in Nederland in 2012. Legenda: geel: H-gas, donkergrijs: G-gas, rood: stikstof, lichtgrijs: ontzwaveld gas, cirkels: stations (voeding, opslag, compressor, mengen, stikstofinjectie, export). Bron: NLOG 2013aw

Hoofdtransport en regionaal leidingnet

Het hoofdnet moet veel meer gas over grotere afstand sneller en onder hogere druk verplaatsen dan het regionale net. In tabel 15 zijn diverse verschillen in specificaties te zien.


Aspect Hoofdtransportleidingnet Regionaal leidingnet
Druk 65 tot 80 bar 40 bar
Geur Reukloos Geodoriseerd (18 mg/m$^3$ tetrahydrothiofeen)
Lengte 5.330 km 5.926 km
Diepte ca. 1,75 m dekking ca. 80 cm dekking
Wanddikte 12-15 mm 5-12 mm
Tabel 15. Verschillen tussen het hoofdtransportleidingnet en het regionaal leidingnet



Een overzicht van het hoofdnet en de regionale leidingnetten staat in de kaart in figuur 98. De regionale leidingnetten komen uit in de distributienetten die alle huishoudens met de gasinfrastructuur verbindt.


Figuur 98. Volledige transportnetwerk voor aardgas in Nederland in 2012. Bron: NLOG 2013bw

Aardgasgebruik


Het gebruik van aardgas als brandstof voor ruimteverwarming, vloeistofverhitting, koken, industriële processen, elektriciteitsopwekking en in kleine mate transportbrandstof.

We onderscheiden verschillende soorten eindgebruikers:
• Kleinverbruikers (huishoudens, dienstverleners) die een aansluiting hebben op het G-gas distributienet
• Middelgrote gebruikers (o.a. glastuinbouw) die ook een conventionele aansluiting hebben
• Elektriciteitsproducenten en industrieel gebruikers (centrales, staalfabrieken) met een directe specifieke aansluiting op H-gas of gas uit een nabijgelegen veld.
• Exporteurs van G+-gas.

In figuur 99 is de onderverdeling te zien, exclusief export.


Figuur 99. Aandeel verbruikersgroepen

Verlaging aardgasgebruik door efficiëntieslag

Door veel meer aandacht voor isolatie, hoog rendement en zeer hoog rendementsketels (resp. HR en HR+) en andere milieusparende activiteiten op het niveau van een huishouden is de hoeveelheid gebruikt aardgas per huishouden sterk gedaald in de afgelopen 25 jaar. Het verbruik voor huisverwarming is gedaald van zo’n gemiddeld 2750 m$^3$ per huishouden per jaar in 1980 tot zo’n 1500 m$^3$ per huishouden per jaar in 2010, zoals ook te zien is in figuur 100.


Figuur 100. Aardgasverbruik huishoudens. Bron: ECN 2012w

Korte- en langetermijn fluctuaties in de gasconsumptie

De belangrijkste factor voor de gasconsumptie is de buitentemperatuur. Uit onderzoek is gebleken dat het gasverbruik recht evenredig toeneemt met de afname van de temperatuur (zie figuur 101), waarbij het niet meer stijgt beneden een bepaalde temperatuur, (Weggen et al. 2000w).


Figuur 101. Gasgebruik als functie van de temperatuur. Bron: Weggen et al. 2000w

De seizoensfluctuerende vraag wordt geïllustreerd in figuur 102. Hierin is duidelijk te zien dat er een enorme piek plaatsvindt tijdens de winter op het noordelijk halfrond (laatste en eerste kwartaal van elk jaar) in de gasvraag.


Figuur 102. Fluctatie in de gasconsumptie per regio. Bron: IEA 2013fw

Op de lange termijn is de gasconsumptie en productie in Nederland al decennia behoorlijk stabiel, zoals is te zien in figuur 103. De totale Nederlandse aardgasconsumptie schommelt de laatste jaren tussen 40 en 50 miljard m$^3$. De productie ligt rond 80 miljard m$^3$ (CBS 2013hw).


Figuur 103. Aardgasproductie en -gebruik in Nederland. Bron: CBS 2013hw

Liquefied Natural Gas (LNG)


"Liquefied/liquid natural gas, afgekort tot LNG, in het Nederlands ook wel vloeibaar aardgas genoemd, is een mengsel van voornamelijk methaan met mogelijke restgassen als stikstof, propaan en ethaan. Methaan is bij normale druk vloeibaar bij cryogene temperaturen van ca. -162°C." (Wikipedia 2013dw)

Door sterke koeling wordt het volume van aardgas ongeveer 600 keer verkleind, waarbij het een vloeibare vorm aanneemt. Speciale LNG-tankers met enorme gekoelde LNG-bollen distribueren over de hele wereld. De haven van Rotterdam wil hier graag een grote rol in spelen. Door middel van een proces genaamd regasification wordt uit LNG weer gangbaar aardgas geproduceerd en in het netwerk geïnjecteerd.

Opkomst van LNG

Over het algemeen verwachten analisten een grote toename in het gebruik van de LNG-methode voor de distributie van aardgas, en de trends onderschrijven deze ontwikkeling (zie figuur 104). Door de enorme volumeverkleining is het transport ook over grote afstand betaalbaar. LNG is flexibeler dan een vaste infrastructuur omdat een LNG-schip kan worden gebruikt voor verschillende routes. Dit betekent dat kleine velden meer economische potentie krijgen, en een relatief kleine periode van winning en distributie geen probleem is.


Figuur 104. Opkomst van LNG handel. Bron: Cedigaz 2013w

Ook politisering kan verkleind worden door het gebruik van flexibele distributiemethoden ten opzichte van de aardgaspijpleiding. In de winter van 2007 heeft Rusland de pijpleiding naar Oekraïne tijdelijk gesloten, waardoor de aardgastoevoer naar West-Europa in gevaar kwam. In het geval van LNG-routes is het alleen zaak wereldwijd ergens anders aardgas in te kopen en dat te vervoeren, zonder afhankelijkheid van de specifieke geografische en geopolitieke situatie rondom een pijpleiding.

Hieronder staan in figuur 105 en 106 de op dit moment grootste importeurs en exporteurs van LNG.


Figuur 105. Grootste importeurs van LNG. Bron: Enipedia 2013aw


Figuur 106. Grootste exporteurs van LNG. Bron: Enipedia 2013aw

LNG in Nederland

Rotterdam neemt een prominente plaats in bij de ontvangst van LNG-schepen in West-Europa, met een moderne LNG-terminal op de Maasvlakte. Met de bouw daarvan was een investering van € 300 tot 400 mln gemoeid. De terminal op de Maasvlakte heeft een jaarlijkse capaciteit van vier tot zes miljard m$^3$ gas en concurreert dan met een al bestaande faciliteit in de haven van Zeebrugge. De Zeebrugge terminal is eigendom van de Belgische netbeheerder Fluxys, heeft nu nog een capaciteit van 9 miljard m$^3$ per jaar.


Drink- en afvalwater


Water is van groot belang voor de mens als bron voor de eigen consumptie, industrie en landbouw. In Nederland zijn (anno 2006) 10 bedrijven verantwoordelijk voor de drinkwaterbereiding en het transport ervan (Vewin 2012w). Zij zijn wettelijk verplicht om te allen tijde voldoende drinkwater te leveren onder voldoende druk en van de vereiste kwaliteit (Ministerie van VROM 2001).

Bestudeer de volgende onderwerpen over drink- en afvalwater:

Historie

drinkwater-historische-ontwikkeling

Waterkringlopen

grote-waterkringloop
drinkwater-keten

Balanshandhaving

drinkwater-balanshandhaving

Huidige ontwikkelingen

In de waterinfrastructuur spelen een aantal ontwikkelingen die in de toekomst een grote rol kunnen spelen in de voorziening van drinkwater. Als eerst zal de bereiding van drinkwater uit zeewater behandeld.

Een andere recente toepassing is die van een warmwater infrastructuur, waarbij industriële restwarmte wordt gebruikt voor het verwarmen van huishoudens, bedrijven en kassen.

De laatste ontwikkelingen zijn die van integraal-waterbeheer. Relevante discussies rondom waterkwaliteit zijn die over grijs-water en hemelwater.

Drinkwater: historische ontwikkeling


Uitgebreide watervoorzieningen zijn niet het primaat van de moderne tijd. Ook in de oudheid bestonden er in verschillende civilisaties al infrastructuren voor drink- en badwatervoorziening, en voor afvalwater verwijdering die niet onderdeden voor de waterinfrastructuren die we vandaag de dag gewoon vinden. In 1925, zo is te lezen (Hidrodoe Pidpa 2013w), ontdekten oudheidkundigen in Pakistan de resten van stad Mohenjo-Daro uit de oudheid waar de watervoorziening al buitengewoon geavanceerd was. Er zijn openbare badinrichtingen, warmwaterinstallaties, badkamers en een uitgebreid draineringsysteem gevonden. Het afvalwater werd via een apart rioleringsstelsel afgevoerd. Deze stad kende zijn glorietijd rond 2500 voor Christus. Dit illustreert overtuigend dat de westerse beschaving niet de uitvinder is van hygiënische watervoorzieningen; op zijn best hebben we die herontdekt.

De bekendste historische voorbeelden van waterinfrastructuren zijn die uit de Romeinse tijd. Via elf grote aquaducten met een gezamenlijke lengte van 600 kilometer werd er dagelijks 1,75 miljoen m$^3$ water per dag naar Rome geleid. Een afbeelding van zo'naquaduct is te zien in figuur 107. In die tijd had Rome circa één miljoen inwoners, zodat er per inwoner 1750 liter water per dag beschikbaar was (Romeins_aquaductw). Dat is meer water dan er nu voor de burgers van Rome beschikbaar is, en overstijgt het gemiddeld dagelijks gebruik in Nederland per persoon van 126 liter dramatisch. Deze grote waterhoeveelheden waren nodig om de grote thermae, badhuizen en fonteinen te voorzien van water. De thermae leverden een belangrijke bijdrage aan de Romeinse beschaving. Zelfs voor de allerarmsten waren deze warmwaterbadhuizen toegankelijk, doordat de thermae meestal gesponsord werden door de keizers of de allerrijksten. Het afvalwater werd samen met het regenwater afgevoerd via riolen die door de straten liepen. Een grote stroomsnelheid van het afvalwater (dankzij een slim gebruik van het natuurlijke verval) zorgde ervoor dat het water nooit ging stinken in de steden.


Figuur 107. Romeinse Aquaduct, Pont du Gard (bron: Wikimedia Commons)

Na de Romeinse tijd is er lange tijd geen goede watervoorziening meer gebouwd. Het water in de Middeleeuwen was zelfs van zulke slechte kwaliteit, dat bier volksdrank nummer 1 werd (Anno.nl 2006w). Bierbrouwers gebruikten namelijk relatief schoon water als bron, en kookten het bovendien tijdens de productie. Bier was hierdoor zo populair dat zelfs kinderen het dronken. De mensen werden er echter niet snel dronken van aangezien het bier nauwelijks alcohol bevatte. In Nederland kwam de ontwikkeling van een uitgebreide waterinfrastructuur pas op gang aan het eind van de 19$^e$ eeuw. In die tijd trokken steeds meer mensen naar de stad als gevolg van de industriële revolutie. De fabrieken die in de steden stonden, waren verantwoordelijk voor een sterke verontreiniging van het oppervlakte- en grondwater. Het gebrek aan goed drinkwater en een hygiënische afvalwaterverwijdering waren mede oorzaak van grootschalige cholera-epidemieën. Die gaven op hun beurt de doorslag tot de oprichting van de eerste gemeentelijke leidingwaterbedrijven. Zij legden in de grote steden een uitgebreid netwerk van waterleidingen en riolen aan en konden dankzij subsidies van de overheid na de Tweede Oorlog hun netwerken uitbreiden tot in het platteland. Pas tegen het eind van de 1970'er jaren was iedereen in Nederland aangesloten op het drinkwaterleidingnet.

In 1972 kwam het Rijksinstituut voor de Drinkwatervoorziening met een rapport waarin het adviseerde om een integraal watermanagement beleid te maken waarin het beleid voor de drinkwatervoorziening werd gekoppeld aan het beleid voor oppervlakte- en grondwater. De rijksoverheid stelde zich tot doel om gelegenheid te bieden aan de waterleidingbedrijven tot het ongestoord leveren van water van een goede en constante kwaliteit op de plaats en in de hoeveelheid die verlangd wordt door de consument. Vanwege een verwachte toenam van de bevolking én een toename van de verontreiniging van drinkwaterbronnen door de industrie zou deze goede en constante voorziening in de toekomst gevaar lopen. Verheul stelde dat een integraal beleid nodig was om het natuurlijke evenwicht te herstellen. Het advies werd overgenomen in de vorm van de nota 'Waterhuishouding' waarin expliciet wordt erkend dat de drinkwatervoorziening nauw samenhangt met het beheer van het geheel van oppervlaktewater én grondwater en de bijbehorende waterbodems, oevers, flora en fauna, waterkeringen en technische infrastructuur.

De grote waterkringloop


Als we de cyclus beschouwen die water doorloopt maken we daarin onderscheid tussen twee kringlopen; de grote waterkringloop en de kleine waterkringloop, ofwel de drink- en afvalwaterketen. In deze module staat de kleine waterkringloop centraal, maar in deze paragraaf zal een korte opfrissing van de kennis gegeven worden over de grote waterkringloop omdat deze de bron van de kleine waterkringloop vormt. In figuur 108 is de grote waterkringloop grafisch weergegeven. Water uit de oceaan verdampt onder invloed van de warmte van de zon en stijgt op in de atmosfeer.


Figuur 108. De grote waterkringloop (bron: Wikimedia Commons)

Al stijgend, komt de waterdamp terecht in steeds koudere luchtlagen (tussen de -10 en 20 °C). Koude lucht kan minder waterdamp bevatten dan warme lucht waardoor er verzadiging optreedt. Door de afkoeling en de verzadiging wordt het dauwpunt bereikt; er ontstaan waterdruppeltjes die zo klein zijn dat ze in de lucht blijven zweven. Deze kleine waterdruppeltjes gezamenlijk vormen de wolken. Onder invloed van de wind bewegen de wolken zich (onder meer) landinwaarts; afhankelijk van de luchttemperatuur bestaat de neerslag uit regen, hagel of sneeuw.

Neerslag kan op twee verschillende manieren ontstaan:
• Coalescentie (Wikipedia 2013gw). Bij temperaturen boven het vriespunt smelten de kleine waterdruppeltjes samen waarbij ze steeds groter worden. Ze hebben dan nog niet het punt bereikt waarop de zwaartekracht ze naar de aarde trekt maar worden dan wel beïnvloed door turbulentie in de lucht. Deze turbulentie zorgt er voor dat de druppeltjes tegen elkaar aan botsen (attritie) en daardoor nog groter worden. Op een zeker moment worden ze zo zwaar dat er neerslag ontstaat. Tijdens hun val botsen de druppeltjes ook tegen elkaar waardoor ze uiteindelijk een grootte krijgen van tussen de 0,5 en 6 mm. Niet alle druppels smelten overigens samen; tijdens de val verdampt een groot deel weer terug in de lucht.
• Kristallisatie. Bij temperaturen lager dan het vriespunt, ontstaan er ijskristallen en onderkoelde waterdruppeltjes in de wolk. De ijskristallen en waterdruppeltjes (verschillend verzadigingspunt) worden ook door attritie samengevoegd. De onderkoelde waterdruppels kristalliseren dan uit op het aanwezige ijskristalletje (dat als kiem dient voor het kristallisatieproces). De ijskristallen worden dan steeds groter en vallen op een zeker moment ook uit de wolk naar de aarde. Ze blijven intussen toenemen in grootte of smelten als de lagere luchtlagen te warm zijn.

Neerslag die op het land valt kan verschillende transportwegen volgen:
• Het water wordt opgenomen door de bodem en komt via het grondwater terug (met veel vertraging) in het oppervlaktewater en uiteindelijk in zee;
• Het water wordt niet opgenomen door de bodem en loopt via het oppervlaktewater terug naar de zee;
• Het water verdampt direct terug in de atmosfeer of wordt eerst opgenomen door planten en verdampt vervolgens via de bladeren terug de atmosfeer in;
• Het water wordt door de mens "gevangen" en komt in de kleine waterkringloop terecht.

Eenmaal weer in de oceaan aangeland, begint de grote waterkringloop weer van voor af aan. De jaarlijkse hoeveelheid neerslag die zo ontstaat, bedraagt ongeveer 480.000 km$^3$ water. Daarvan komt 110.000 km$^3$ terecht op het landoppervlak en 370.000 km$^3$ op zee. De warmte die nodig is voor deze verdamping, waarmee de grote waterkringloop wordt aangedreven, is circa 20% van alle warmte die de zon op aarde uitstraalt (Wikipedia 2013hw).

Drink- en afvalwaterketen: de kleine waterkringloop


Hier wordt behandeld hoe water aan de grote kringloop onttrokken wordt en in de kleine kringloop, oftewel de drink- en afvalwaterketen terechtkomt. Hieronder staat in figuur 109 die kleine waterkringloop schematisch weergegeven. De kringloop bestaat uit twee gekoppelde ketens: de drinkwaterketen en de afvalwaterketen. Elk kennen hun eigen infrastructuur.


Figuur 109. De drink- en afvalwaterketen

De drink- en afvalwaterketen wordt besproken op pagina's per stap:
drinkwater-winning: de drinkwaterketen begint bij de winning van water uit diverse bronnen.
drinkwater-transport-opslag: dit water wordt getransporteerd en opgeslagen.
drinkwater-zuivering: dit water wordt getransporteerd naar een drinkwaterzuiveringsinstallatie waar het gezuiverd wordt tot een kwaliteit die voldoet aan wettelijke eisen.
drinkwater-distributie: via een uitgebreid netwerk wordt drinkwater getransporteerd naar de gebruikers.
drinkwater-gebruik: drinkwater wordt veel en veelvuldig gebruikt.
afvalwater-transport: na gebruik wordt het afvalwater verzameld en via het riool getransporteerd naar een afvalwaterzuiveringsinstallatie.
afvalwater-zuivering: na gebruik wordt het afvalwater in een aantal zuiveringsstappen geschikt gemaakt voor lozing in het oppervlaktewater.

Na de afvalwaterzuivering wordt het water geloosd in het oppervlaktewater. Vanaf dat moment neemt het water weer deel aan de grote waterkringloop, van waaruit het vroeger of later opnieuw in de kleine waterkringloop kan worden “gevangen”.



Duinwater


Drinkwater bereiden uit duinwater is een op de wereld unieke methode. Als bron worden langzaam stromende meren of afgedamde rivieren gebruikt die over een groot zelfreinigend vermogen beschikken. In het voorjaar en in de zomer halen microzeven een groot gedeelte van het organische materiaal uit het water. Doordat het water zo goed voor de gezondheid is, is men het overmatig veel gaan gebruiken. Hierdoor droogden de vochtige duinvalleien uit.

Oppervlakte-infiltratie

Men is toen overgestapt op oppervlakte-infiltratie, zie figuur 110; rivierwater wordt hierbij naar de duinen gevoerd alwaar het in een infiltratiekanaal gebracht wordt. In dit kanaal zakt het water de grond in waar de natuurlijke zuivering plaatsvindt. Ongeveer 30 meter verderop wordt het water dan weer opgepompt. Doordat het rivierwater echter relatief verontreinigd was en voedselrijk, nestelden zich steeds plantensoorten zoals brandnetels in de duinen die daar niet thuishoren. Niet alleen is de duinspecifieke flora en fauna zo grotendeels verloren gegaan, ook leidde de toepassing van oppervlakte-infiltratie tot landschapsverwoesting door de noodzakelijke aanleg van leidingen, putten en kanalen. Duizenden hectaren natuurgebied zijn door de duinwaterwinning verloren gegaan. Het herstel van deze natuurgebieden verloopt uiterst moeizaam (Natuurinformatie 2005w).


Figuur 110. Oppervlakte-infiltratie. Bron: Natuurinformatie 2005w

Diepte-infiltratie

De waterleidingbedrijven zijn inmiddels in de meeste duingebieden gestopt met de waterwinning of overgegaan op diepte-infiltratie, zie figuur 111. Bij laatstgenoemde techniek wordt het oppervlaktewater in 50 tot 70 meter diepe putten ingebracht, zodat er aan de oppervlakte geen verstoring van natuur en landschap meer optreedt. Het gevolg van de natuurherstellende maatregelen in de duinen is wel dat duinwater nog maar 1% van de totale waterwinning voor zijn rekening neemt (Vewin 2012w).


Figuur 111. Diepte-infiltratie. Bron: Natuurinformatie 2005w

Drinkwaterwinning met grondwater


Grondwater komt op zeer veel plaatsen in Nederland voor en is hygiënisch betrouwbaar doordat het wordt gezuiverd door de grond zelf. Er bestaan twee soorten grondwaterbronnen: freatisch grondwater en artetisch grondwater (Wikipedia 2013iw). Freatisch grondwater is grondwater dat in open verbinding staat met de atmosfeer; het is daardoor aëroob, en het wordt sterk beïnvloed door toe- en afstromen van oppervlakte water. Artetisch grondwater is afgesloten door een slecht doorlatende laag (bijvoorbeeld door een kleilaag). Het water is daardoor licht anaëroob of in sommige gevallen zelfs diep anaëroob. Dit is in figuur 112 afgebeeld:


Figuur 112. Freatisch en artetisch grondwater (bron: Wikimedia Commons)

In de figuur is 1. Watervoerende laag, 2. Ondoorlatende laag, 3. Regeneratie door neerslag, 4. Kunstmatige artesische bron (boring), 5. Piëzometrisch niveau, 6. Peilbuis, freatische put (freatisch grondwater), 7. Natuurlijke artesische bron.

Aan de ene kant biedt de lange verblijftijd van het artetische grondwater in de bodem veel tijd voor zuivering van het water door natuurlijke processen. Aan de andere kant kunnen, door het ontbreken van zuurstof, later opgeloste stoffen (bijv. ten gevolge van bodemverontreiniging) vaak niet meer afgebroken worden. In het algemeen is de kwaliteit van artetisch grondwater dan ook slechter dan van freatisch grondwater (TUDelft 2007w).

Winning

Er zijn drie manieren om grondwater te winnen:

• Putten
• Drainage
• Captering

Putten

In Nederland wordt het meeste gebruik gemaakt van putten om grondwater te winnen. Deze putten komen in vijf soorten voor: (Moel 2004)
• Gegraven: De oudste vorm van een waterbron. Er wordt hierbij een gat gegraven totdat de waterlaag bereikt wordt. Het betreft hier dus alleen ondiepe bronnen. In Europa zijn bijna alle gegraven putten inmiddels vervangen door geslagen en gespoten putten. In ontwikkelingslanden worden nog wel veel putten gegraven aangezien ze eenvoudig en goedkoop aan te leggen zijn.
• Geslagen: Een geslagen put bestaat uit een zeer lange stalen buis die in de grond wordt geslagen totdat de juiste diepte is bereikt. Aan de onderzijde van de buis is verhard staal aangebracht om de ondergrond te verbrijzelen. Kort daarboven is de buis geperforeerd, zodat water in de buis kan stromen en opgepompt kan worden.
• Gespoten: Bij een gespoten put wordt een stalen buis in de grond gezet. Via de buis wordt water onder hoge druk in de ondergrond gespoten, zodat de ondergrond vergruist en de buis geleidelijk aan verder in de bodem zakt. De vergruisde grond komt met het overtollige water mee naar boven. Als de buis eenmaal op diepte is, in de gewenste watervoerende laag, wordt het grondwater opgepompt. Net als bij de geslagen put is de buis daartoe geperforeerd.
• Geboord: Bij het boren van een put wordt eerst apart een put geboord waarna er een buis wordt aangelegd tegen de wand. Als de put diep genoeg is wordt onder waterdruk eerst de vergruisde grond uit de buis verwijderd, waarna er een pomp geïnstalleerd wordt voor de grondwaterwinning.
• Radiaal: Radiale putten zijn een speciale vorm van gespoten putten. Bij een radiale put wordt er eerst een verticale put gespoten tot een diepte van 20 tot 60 meter. Hierna worden door zijwaartse openingen in de buis nieuwe horizontale putten gespoten. Vervolgens worden er buizen door deze nieuwe putten gedrukt tot over een afstand van 40 tot 100 meter. De totale put bestrijkt zo een groot gebied.

Welke type put gebruikt moet worden is afhankelijk van de dikte en diepte van de watervoerende laag; bij ondiepe waterlagen worden drainagemiddelen gebruikt en bij dieper gelegen waterlagen een van bovengenoemde typen putten, zie ook figuur 113.


Figuur 113. Verschillende configuraties van waterputten: Hier wordt ook de gegraven put (dug well) genoemd. Gravel-packed bevatten onderin grind waardoor het water heen kan. Waterputten uitgerust met pompen worden hier niet afgebeeld. (bron: Wikimedia Commons)

Drainage


Drainagesystemen bestaan uit een netwerk van geperforeerde buizen (de perforaties maken de toetreding van water mogelijk uit een watervoerende laag). Drainagesystemen bestrijken vaak een groot gebied; ze zijn vooral geschikt voor de aan- en afvoer van ondiep grondwater. Het zijn goedkope systemen, die echter gemakkelijk verstopt kunnen raken. In Nederland worden drainagesystemen wel gebruikt om water af te voeren (bijv. om drassige landbouwgebieden geschikt te maken voor bewerking met landbouwwerktuigen), maar niet voor de winning van drinkwater, aangezien het ondiep gelegen grondwater in het algemeen te verontreinigd is en/of te weinig constant van kwaliteit.

Captering


Bij captering wordt gebruik gemaakt van de natuurlijke uitstroming van grondwater. Voor Nederland is deze optie nauwelijks relevant. Deze vorm van waterwinning is in de praktijk alleen toepasbaar in bergachtige gebieden, waar grondwater via spleten en gaten in bergformaties uitstroomt en rechtstreeks kan worden opgevangen.

Kwaliteit en kwantiteit grondwater


In een dichtbevolkt land als Nederland worden zowel de kwantiteit als kwaliteit van het grondwater al decennia lang sterk beïnvloed door de mens. De belangrijkste door de mens veroorzaakte veranderingen zijn verdroging, vermesting en verzuring (Paulissen et al. 2007w). Sinds 1950 is het grondwaterpeil in Nederland sterk gedaald, zie figuren 114 en 115.


Figuur 114. Grondwaterstand over de tweede helft van de 20$^e$ eeuw. Bron: Compendium voor de Leefomgeving 2003aw


Figuur 115. Verandering van de grondwaterstand gedurende tweede helft van de 20$^e$ eeuw. Bron: Compendium voor de leefomgeving 2003bw

De belangrijkste veroorzakers van deze verdroging zijn de landbouwsector, de industrie en de drinkwaterbedrijven. De landbouwsector is na de Tweede Wereldoorlog sterk gegroeid in omvang. Hierbij zijn op grote schaal ruilverkavelingen en landinrichtingsprojecten uitgevoerd om het waterpeil beter te beheersen. Circa 60% van het verdrogingprobleem is door dit soort landbewerkingen veroorzaakt. De aanleg van drainagestelsels is een tweede oorzaak. De drainagestelsels hebben namelijk tot gevolg dat regenwater sneller afgevoerd wordt en dat de bodem minder water kan vasthouden. Zomers treedt dan ook steeds vaker verdroging op waardoor kunstmatige beregening nodig is. Naast de kwantiteit van het grondwater is ook de kwaliteit van de bodem de afgelopen decennia verminderd. Hierbij moet in Nederland vooral gedacht worden aan vermesting en verzuring, met alle gevolgen vandien voor de kwaliteit van het grondwater. De agrarische sector is in Nederland de grootste gebruiker van grond en bemest deze om de productiviteit te verhogen. Vaak wordt er meer mest (zowel kunstmest als dierlijke mest) in de grond verwerkt dan de bovenste grondlaag op kan nemen met als gevolg dat de nutriënten, zoals nitraten en fosfaten, in overmaat in het grondwater terecht komen (Alterra 2007). In figuur 116 worden de herkomst en stromen van stikstof (ammoniak, nitraten) en fosfor (in de vorm van fosfaten) in het nederlandse milieu schematisch weergegeven.

Figuur 116. Stikstof- en fosforstromen in het Nederlandse milieu. Bron: MNP 2006w

Omdat vermesting van de bodem een serieus milieu- en gezondheidsprobleem vormt, heeft de Europese Unie in 1991 een richtlijn opgesteld om het gebruik van (met name stikstofhoudende) meststoffen terug te dringen. In deze richtlijn zijn maatregelen opgenomen die de boeren moeten nemen om nitraatuitspoeling naar het grondwater te verminderen. Deze brengen onder meer met zich mee dat de boeren hun mineralenhuishouding op orde moeten hebben: ze mogen niet méér kunstmest of dierlijke mest op het land brengen dan er daadwerkelijk door de planten wordt opgenomen. Dit betekende een groot probleem voor de afzet van dierlijke mest (met name drijfmest uit de varkenshouderij). Nederland heeft de richtlijn aangevochten, omdat de hoge gewasopbrengst per m$^2$ in Nederland een intensievere landbouw mogelijk maakt dan het niveau waar de EU van uitgaat. De regering heeft afspraken kunnen maken met de EU over aangepaste regels voor Nederland (VROM 2007). Zie ook figuur 117.
Integraal waterbeheer is dus zeer belangrijk om het natuurlijke evenwicht te behouden c.q. te herstellen, zodat niet alleen natuurwaarden voor Nederland worden behouden, maar er ook voldoende drinkwaterbronnen van voldoende kwantiteit en kwaliteit voor de drinkwaterbereiding beschikbaar zijn. In de beleidsvorming van de afgelopen jaren is integraal waterbeheer dan ook één van de leidende principes geworden. De waterwetgeving is hier echter sterk achtergebleven. Dat heeft geleid tot één integrale 'Waterwet', waarin alle regels ten aanzien van het waterbeheer in brede zin zijn opgenomen.


Figuur 117. Trends in de milieukwaliteit in het landelijk gebied 1985-2005 en raming van het halen van doelen in de periode 2009-2015 (EU: Europese verplichting). Bron: MNP 2006w


Oevergrondwater


Oevergrondwater is grondwater dat wordt gewonnen in de directe omgeving van oppervlaktewater, meestal een rivier. Een belangrijk voordeel boven directe onttrekking van oppervlaktewater is dat het oeverwater de bodem is gepasseerd. Hierdoor heeft het water een constante temperatuur en is het biologisch betrouwbaarder. Daarnaast zijn alle grove bestandsdelen zoals slib en algen al door de bodem uit het water gefilterd.

Oevergrondwater is in Nederland vanwege de vele rivieren in grote hoeveelheden beschikbaar. Door de grote hoeveelheden water die de rivieren leveren zijn deze bronnen altijd goed gevuld. De winning vindt plaats door middel van het slaan van putten (zie drinkwater-winning-grondwater). Het water heeft een verblijftijd in de grond van tussen de 1-50 jaar.


Oppervlaktewater


Al het water dat via stroompjes, beekjes, meren, rivieren en kanalen naar zee reist, heet oppervlaktewater. Er zijn drie soorten oppervlaktewaterbronnen die waterleidingbedrijven kunnen gebruiken: rivieren, meren en zeeën. Voor Nederland geldt het volgende:
• Rivierwater is de belangrijkste bron van drinkwater in het westen van Nederland. Hier is het grondwater minder geschikt voor drinkwaterbereiding als gevolg van een verhoogd zoutgehalte, veroorzaakt door kwel van zeewater (zeewater dringt als het ware onder de duinen door landinwaarts en "verontreinigt" daardoor het zoete grondwater).
• Grondwaterbronnen zijn de dominante drinkwaterbron in het oosten van het land (Water.nl 2007w)
• Zeewater wordt in Nederland (nog) niet gebruikt als bron voor drinkwater; het zoutgehalte maakt een energie-intensieve en daardoor kostbare zuivering noodzakelijk (zie ook drinkwater-uit-zeewater).

Rivieren

De Rijn is een gletsjerrivier die behalve regenwater ook smeltwater afvoert. De Maas is een pure regenrivier. Gezien de grote fluctuaties in neerslag per seizoen, zijn er ook grote fluctuaties in de waterafvoer van beide rivieren. In figuur 118 is de gemiddelde maandafvoer van de Rijn weergegeven bij Basel en bij Lobith. Bij Basel in Zwitserland gaat het voornamelijk om smeltwater, waarin kleinere verschillen over het jaar waar te nemen zijn. Bij Lobith, bij de grens met Nederland, zijn er aanzienlijk grotere verschillen over het jaar te zien als gevolg van de wisselende hoeveelheden regen. In het diagram van de Maas is te zien dat er in de zomermaanden nauwelijks water afgevoerd wordt (Borgharen ligt op de grens tussen Nederland en België).


Figuur 118. Afvoer van de Rijn gedurende een jaar. De Rijn is een gecombineerde smeltwater - regenrivier. Vanuit Zwitserland komt in de zomer het meeste water in de Rijn, terwijl de bijdrage van de Duitse zijrivieren in de winter het grootst is. Daardoor is de Rijnafvoer bij Basel in de zomer het hoogst, terwijl dit bij Lobith in de winter het geval is. De rivieren voeren het meeste water af in de winter. Bron: Natuur Dichtbij 2013w

De jaarlijkse seizoensfluctuaties - zoals te zien in figuur 119 - in de waterafvoer van de Maas zijn veel groter dan die van de Rijn. Leidingwaterbedrijven moeten rekening houden met deze fluctuaties om toch een constante hoeveelheid drinkwater aan de consument te kunnen leveren of in te kunnen spelen op een verhoogde watervraag in een droge zomer.


FIguur 119. Afvoer van de Maas gedurende een jaar. De Maas is een regenrivier. De afvoer is in de winter het hoogst. In de zomer stroomt er maar heel weinig water door de Maas. De verdamping en watergebruik is dan bijna gelijk aan de regenval in het stroomgebied. Bron: Natuur Dichtbij 2013w

Meren

Naast de rivieren worden het Haringvlietmeer en het IJselmeer gebruikt als bron van drinkwater. Door middel van sluizen kunnen we de watervoorraden in deze reservoirs reguleren (waarbij we overigens wel moeten bedenken dat dit niet alleen uit het oogpunt van drinkwatervoorziening gebeurt). Deze bronnen zijn daardoor, qua kwantiteit, betrouwbaarder dan de rivieren als zodanig.

Verontreinigingen

Naast de verschillen in kwantiteit zijn er ook grote verschillen in kwaliteit tussen de diverse bronnen. Oppervlaktewater is heel gevoelig voor verontreinigingen. Jarenlang was de Rijn het symbool van watervervuiling op Europese schaal. Vooral in de naoorlogse periode van wederopbouw en industriële ontwikkeling ging de waterkwaliteit schrikbarend achteruit. In de periode 1960-1975 trad massale vissterfte op als gevolg van gebrek aan zuurstof in het water. Voor de Maas was het niet veel anders, ook daar vervuilden Franse en Belgische industrieën het water sterk, met als gevolg dat het water dat Nederland binnenkwam zeer sterk verontreinigd was. Aangezien de industriële lozingen (bij normaal bedrijf) betrekkelijk constant zijn gedurende het jaar, terwijl het waterdebiet in de zomer aanzienlijk kleiner is dan in de winterperiode, betekent dit dat het rivierwater als drinkwaterbron in de zomermaanden veel sterker verontreinigd is dan in de wintermaanden. Vanwege de benedenstroomse ligging van Nederland, als “afvoerputje” van Europa, moeten de verontreinigingen die Zwitserland, Duitsland, Frankrijk en België bovenstrooms op onze rivieren lozen, hier dus verwijderd worden. Het gevolg is dat drinkwater dat uit oppervlaktewater gewonnen wordt, een hogere kostprijs heeft dan drinkwater dat uit grondwater is bereid.

Om de verontreiniging van de grensoverschrijdende oppervlaktewateren effectief aan te pakken, is een aanpak nodig die het gehele stroomgebied bestrijkt. Om deze reden zijn resp. de Rijn- en Maascommissie in het leven geroepen. In deze commissies worden door alle landen die deel uitmaken van het betreffende stroomgebied afspraken gemaakt over een verantwoord beheer van de rivier. Inmiddels is de verontreiniging van Rijn en Maas al sterk teruggedrongen, waarmee de kwaliteit van het oppervlaktewater in Nederland sterk is verbeterd.

Drinkwater: winning


In Nederland worden er vier verschillende bronnen gebruikt voor drinkwater. Onderstaand is een opsomming gegeven waarbij tussen haakjes vermeld is welk deel van ons drinkwater uit die bron wordt gewonnen (Vewin 2012w):

Grondwater (675 miljoen m$^3$)
Oppervlaktewater (456 miljoen m$^3$)
Oevergrondwater (74 miljoen m$^3$)
Duinwater (12 miljoen m$^3$)


Figuur 120. Bijdrage van grondwater, oppervlaktewater, oevergrondwater en duinwater in Nederland. Data van 2012. Bron: Vewin 2012w

Drinkwatertransport en -opslag


Nadat het water aan de bron is onttrokken, wordt het voor een deel getransporteerd naar een waterzuiveringsinstallatie en voor een deel wordt het opgeslagen in bekkens. Zo zijn er in de Brabantse Biesbosch drie grote spaarbekkens aangelegd waarin Maaswater wordt opgeslagen. De totale opslagcapaciteit van deze bekkens bedraagt 80 miljoen m$^3$, wat goed is voor een overbrugging van een maand zonder dat de drinkwaterproductie in gevaar komt. Behalve het belang van de voorraadfunctie als zodanig, levert de beschikbaarheid van deze spaarbekkens de mogelijkheid het Maaswater selectief in te nemen als de kwaliteit het beste is (dus niet midden in een droge zomer als de Maas weinig water afvoert en de concentraties van verontreinigingen het hoogst zijn, zie voor meer informatie drinkwater-winning-oppervlaktewater). Als er verontreinigingspieken zijn door ongelukken (bijv. met schepen of in bovenstrooms gelegen fabrieken), wordt de inname van Maaswater uiteraard ook tijdelijk gestaakt. Tijdens de opslag van het water in de spaarbekkens wordt het water door natuurlijke processen al vergaand gezuiverd; de gemiddelde verblijftijd in de spaarbekkens is namelijk vijf maanden (Evides 2007w).

Drinkwaterdistributie


In de moderne drinkwatervoorziening is grootschalige distributie een zeer belangrijk onderdeel. Distributie mag dan wel, vanwege de vele ondergrondse leidingen, minder zichtbaar zijn dan de productie, maar de omvang ervan is wel zodanig dat de uiteindelijke jaarlijkse kosten voor distributie veelal hoger zijn dan die voor de productie (TUDelft 2007w).

Distributie vereist voor de afnemers twee belangrijke doelstellingen:
• Comfort van de aflevering
• Kwaliteit van het afgeleverde product

Vanuit oogpunt van comfort wil de gebruiker het drinkwater niet alleen thuis afgeleverd hebben, maar ook onder voldoende druk (2 bar) en in voldoende mate, zelfs bij extreme vraag. Drinkwaterbedrijven leveren een minimale druk van 2 bar op de begane grond. Na de watermeter is de waterdruk afhankelijk van leidingen, kranen en de locatie van het warmwatertoestel in huis. Vooral hoogteverschillen zorgen voor veel drukverlies, evenals lange, dunne leidingen en leidingen met veel bochten. Met een verlies van 0,5 bar per etage, is er op een 3$^e$ woonlaag meestal 1 à 1,5 bar waterdruk over om het warmwatertoestel te vullen. Om een watervoorraad te hebben en de druk in het waterleidingnet constant te houden, werden vroeger watertorens gebruikt. De waterdruk is dan evenredig met de hoogte van de watertoren: voor iedere tien meter stijgt de druk met 100 kiloPascal. Tegenwoordig is het gebruik van watertorens in Nederland vrijwel afgeschaft en wordt de druk in het waterleidingnet onderhouden door elektrische pompen (Wikipedia 2007w).

Vanuit het oogpunt van kwaliteit moeten de volgende aspecten tijdens transport en distributie van drinkwater bewaakt worden:
• Stroomsnelheid van het water: als het water te langzaam door het netwerk voortbeweegt krijgen chemische en biologische processen meer kans om zich te ontwikkelen. Om de groei van een biofilm op de leidingwanden tegen te gaan moet het water met voldoende snelheid blijven stromen; snelheden tussen 0,4 en 1,5 m/s zijn daartoe gewenst. Een bekende bacterie die zich in zo’n biofilm zou kunnen ontwikkelen is bijvoorbeeld de legionella-bacterie (Bohmer 2001). Om ongewenste bacteriegroei te verhinderen, worden er tijdens het transport bovendien zeer kleine hoeveelheden chloor toegevoegd aan het leidingwater (in elk geval te weinig om merkbaar invloed te hebben op geur en smaak).
• Verblijftijd van het drinkwater in het netwerk (gemiddeld 14 uur): als de verblijftijd in het leidingnet te groot is de kans op een bacteriële infectie ook groter.
• Materiaalkeuze pijpen: in Nederland zijn de leidingen voor drinkwater voornamelijk gemaakt van PVC, polyetheen, asbestcement of gietijzer (Vewin 2012w). Er mag geen nadelige interactie tussen drinkwater en leidingmateriaal optreden, waarbij stoffen oplossen in het water en een gevaar voor de volksgezondheid gaan vormen.
• Verhinderen indringing: er mogen ook geen verontreinigingen van buiten het leidingnet doordringen tot het water. Zo kan grondwater doordringen tot het water of kan er diffusie plaatsvinden van verontreinigingen. Door de overdruk in het waterleidingnet wordt indringing tegengegaan.

Om de kwaliteit van het water tijdens de distributie te meten zijn er een groot aantal meetpunten in het netwerk. Hier wordt continu bekeken of het water nog aan de standaard voldoet.

Drinkwatergebruik


In Nederland wordt jaarlijks 1090 miljoen m$^3$ drinkwater afgenomen door de leidingwaterbedrijven (data van Vewin 2012w). 72% hiervan is bestemd voor de consument, de rest voor de zakelijke markt (industrie en landbouwbedrijven). Dit is ook te zien in figuur 121. Het watergebruik is de afgelopen decennia sterk gestegen, maar vlakt de laatste jaren af. Dit komt vooral door een afnemende consumptie van de zakelijke markt, en in mindere mate door een lichte daling van de consumptie door huishoudens, die in 2010 gemiddeld 104,5 m$^3$ was. De prijs voor huishoudens is gemiddeld 1,43 €/m$^3$. Voor de zakelijke markt gelden gemiddeld lagere tarieven (1,05 €/m$^3$).


Figuur 121. Afzet drinkwater in 2010, in miljoen m$^3$ per jaar, Bron: Vewin 2012w
.
In het overzicht in figuur 122 is te zien dat de consument drinkwater voornamelijk gebruikt voor douchen, toilet en het wassen van kleden. De daling in de consumptie van de laatste jaren is vooral het gevolg van efficiëntere wasmachines en het gebruik van watersparende toiletspoelsystemen.


Figuur 122. Gebruik van drinkwater, in liter per persoon per dag voor 2010. Bron: Vewin 2012w
.

Drinkwaterzuivering


Drinkwaterzuivering vindt plaats in een aantal stappen. Die stappen verschillen enigszins voor verschillende bronnen. Per drinkwaterbron zal beschreven worden hoe de zuivering tot veilig drinkwater plaatsvindt.

Grondwaterzuivering

Zoals in paragraaf over het grondwater al is aangegeven zijn er drie soorten grondwaterkwaliteiten; aeroob (freatisch grondwater), licht anaeroob (artetisch), en diep anaeroob (artetisch). Per soort zijn andere zuiveringsstappen nodig. Aeroob (freatisch) grondwater staat in open verbinding met de atmosfeer. Dit water voldoet in sommige gevallen meteen aan de drinkwatereisen. Anders dient het alleen belucht te worden. Het water kan wel kalkagressief zijn (water met zeer weinig kalk), als het in zandgronden gewonnen wordt, of juist te hard, als het uit kalkhoudende gronden komt. In het laatste geval wordt een extra onthardingsbehandeling toegepast.
Licht anaeroob grondwater bevindt zich onder een afsluitende laag. Het bevat vaak weinig zuurstof en er is relatief veel ammonium, ijzer en mangaan aanwezig. Voor de zuivering is beluchting nodig en een nafiltratratie om de vlokken te verwijderen die tijdens de beluchting gevormd zijn door de bacteriële zuiveringsprocessen.

Diep anaeroob grondwater bevat helemaal geen zuurstof meer doordat het water is afgesloten door een afsluitende laag. Organisch materiaal wordt in de grond afgebroken door bacteriën die sulfaat in plaats van zuurstof gebruiken als oxidator. Het water bevat daardoor waterstofsulfide, ijzer, mangaan, ammonium en methaan. Beluchting en extra zuivering zijn dus vereist om die concentraties te minimaliseren. Hieronder is schematisch weergegeven hoe het zuiveringsproces plaatsvindt. Er wordt begonnen met een beluchting door sproeiers waarna er een zandfiltratie plaatsvindt. Hierna vindt er een tweede beluchting plaats door middel van een cascade die gevolgd wordt door een tweede filtratie, de nafiltratie. Het gereinigde water wordt naar een reinwaterkelder gepompt, vanwaar het doorgepompt wordt naar het drinkwaterleidingnet. Zie ook figuur 123.


Figuur 123. Grondwaterzuivering (Bron: Milieucentraal)

Oppervlaktewater- en oevergrondwaterzuivering

Oppervlaktewaterzuivering en oevergrondwater ondergaan dezelfde zuivering. Deze zuivering vindt plaats in twee stappen; voorzuivering en directe drinkwaterzuivering. Als eerste wordt bij de voorzuivering er voor gezorgd dat er geen vissen en grofvuil in het proces terecht komen. Nadat het water het inlaatfilter is gepasseerd worden er ijzerzouten, natronloog en katalysatoren aan het water toegevoegd. De ijzerzouten reageren met het natronloog waardoor er ijzerhydroxide ontstaat, middels de reactie Fe$^{3+}$ + 3OH$^{-}$ → Fe(OH)$_3$, waaraan allerlei zwevende deeltjes zich hechten. De roerwerken zorgen ervoor dat het ijzerhydroxide zich goed over het water verspreidt om zoveel mogelijk deeltjes te hechten. De gevormde vlokken bezinken vervolgens in een bezinkbak en worden afgevoerd. Omdat niet alle vlokken bezinken wordt er een tweede filtratie toegepast, het water wordt hier door een zandfilter geleid. Zie ook figuur 124.


Figuur 124. Voorzuivering oppervlakte water (Bron: Milieucentraal)

Vervolgens wordt het water door een actief koolfilter geleid dat schadelijke stoffen als pesticiden, maar ook geur en kleur uit het water haalt. De stoffen worden geadsorbeerd aan het koolstofoppervlak, in de poriën van de kool. Het water wordt vervolgens in een filtraatkelder geleid, waarna het getransporteerd wordt naar opslagbekkens of naar de duinen, voor verdere zuivering. Hieronder zijn deze stappen weergegeven.

Uit oppervlaktewater kan ook rechtstreeks schoon en veilig drinkwater worden bereid. De tussenopslag in spaarbekkens, of infiltratie in de duinen, wordt niet voor alle oppervlaktewater toegepast. Het proces om oppervlaktewater direct te zuiveren tot drinkwater begint met dezelfde stappen als hierboven beschreven voor de voorzuivering van oppervlaktewater. Na de slibverwijdering (bezinking en zandfiltratie) behandeling vindt er in dit geval een ozonbehandeling plaats. Ozon is een sterke oxidator; organisch materiaal in het water wordt door de ozonbehandeling geoxideerd en daarmee onschadelijk gemaakt. In deze stap draait het vooral om de verwijdering van potentiële ziekteverwekkende micro-organismen; de ozonbehandeling is vooral een desinfecterende behandeling. Na de ozonbehandeling kan er een tweede behandeling met ijzerzouten nodig zijn om nieuw ontstane deeltjes (dood organisch materiaal) uit het water te halen. Eerst volgt een “gewone” filtratie om de ontstane deeltjes/vlokken te verwijderen. Tenslotte volgt nog een actiefkoolfiltratie om het water op geur en smaak te brengen, waarna, zo nodig, nog een na-desinfectie kan worden toegepast met chloor en/of UV-licht. Dan is het drinkwater op kwaliteit en kan het naar de klanten worden getransporteerd. In figuur 125 zijn deze stappen weergegeven.


Figuur 125. Directe zuivering oppervlaktewater (Bron: Milieucentraal)

Duinwaterzuivering

Duinwater is net als grondwater van nature al zeer schoon waardoor er niet veel zuiveringsstappen nodig zijn. Het water wordt ten eerste belucht door middel van cascades. Hier vindt een natuurlijke oxidatie van organische stoffen plaats. De grove deeltjes worden uit het water verwijderd in een zandfilter. Het water wordt vervolgens in een reinwaterkelder geleid waar het na een desinfectiestap klaar is om naar de klant getransporteerd te worden. In figuur 126 zijn deze stappen weergegeven.


Figuur 126. Duinwater zuivering (Bron: Milieucentraal)

Problemen met zuivering

Er zijn drie soorten problemen met de zuivering van water:
• Onderhoud van de zuiveringsinstrumenten: De installaties en instrumenten die in de drinkwaterzuivering worden gebruikt, vervuilen zelf door de verontreinigingen die ze uit het ruwe water halen. Het spreekt vanzelf dat de apparatuur regelmatig gereinigd moet worden. Er mag zich geen vuil (“fouling”) ophopen in dode hoeken, filters moeten regelmatig teruggespoeld en/of vervangen worden, actief koolfilters moeten worden geregenereerd. Ook de waterkwaliteit in het drinkwaterleidingsnet zelf moet regelmatig gecontroleerd worden.
• Afhankelijkheid van de bron: Zoals eerder is gesteld varieert het oppervlaktewater sterk in kwantiteit en kwaliteit. Een zuiveringsinstallatie dient hierop ingesteld worden. Langs de Rijn en Maas staan vele sensoren die continu verontreinigingen meten. Als er gevaarlijke stoffen worden gemeten, dan worden de inlaten onmiddellijk gesloten zodat gezond drinkwater gegarandeerd kan worden.
• Veiligheid: Drinkwater dient daarnaast goed beschermd te worden tegen ongelukken en daarnaast ook tegen doelgerichte verontreiniging (terroristische aanslagen). Een nieuw probleem is verontreiniging van oppervlaktewater met medicijnen (en hormoonpreparaten) die met het afvalwater (ook na rioolwaterzuivering) in het oppervlakte water terecht (kunnen) komen en zeer moeilijk te verwijderen zijn in de drinkwaterbereiding. Een waterleidingbedrijf dient met deze drie aspecten rekening te houden om te allen tijde drinkwater te kunnen leveren dat veilig is voor de volksgezondheid.

Afvalwatertransport


In Nederland wordt bijna al het drinkwater (behalve het water dat gebruikt wordt voor beregening en besproeiing) na gebruik ingezameld in het leidingnet voor huishoudelijk en industrieel afvalwater, het riool. Omdat Nederland plat is moet ook in het rioleringsstelsel het water verpompt worden om een redelijke doorstroming te waarborgen. Hoewel de druk waaronder het afvalwater in het
rioleringsstelsel wordt getransporteerd lager is dan bij de drinkwaterdistributie, kost het afvalwatertransport ongeveer net zoveel energie als het drinkwatertransport.

De meeste rioleringsstelsels ontvangen niet alleen gebruikt drinkwater van huishoudens en industrie, maar ook het hemelwater dat uit de gebouwde omgeving van straten en daken wordt afgevoerd. We spreken in dat geval van een gemengd rioolstelsel, dat in Nederland (nu nog) bij zo’n 75% van alle huishoudens wordt toegepast (zie het diagram in figuur 127). Een nadeel van dit stelsel is dat het bij hevige buien (piekbelasting) de grote hoeveelheid water niet aan kan en overbelast wordt. Het riool kan dan overstromen, als gevolg waarvan door mensen (o.m. met fecliën) verontreinigd water terecht kan komen in sloten en ander oppervlaktewater, met alle risico’s vandien voor de natuur en de gezondheid van mens en dier.


Figuur 127. Gemengd riool. Bron: Rioned 2013aw

Er is een verbeterde versie van het gemengde rioolstelstel, waarin aparte bergings- en bezinkings-voorzieningen zijn aangebracht om bij hoge belasting zoveel mogelijk regenwater direct af te kunnen voeren naar het oppervlaktewater, zie figuur 128. Daarmee kan nog steeds niet worden uitgesloten dat het riool overstroomt en dat er afvalwater in het oppervlaktewater terechtkomt, maar de frequentie en omvang van overstorten uit het riool worden in elk geval verminderd.


Figuur 128. Verbeterd gemengd riool. Bron: Rioned 2013aw

Gezien de natuur- en gezondheidsbedreigende effecten van overstorten uit het gemengde riool, wordt tegenwoordig de voorkeur gegeven aan gescheiden rioolstelsels voor hemelwater en afvalwater, zoals hieronder afgebeeld. Bij een gescheiden rioolstelsel worden het door gebruik verontreinigde drinkwater en het hemelwater via gescheiden buizenstelsels afgevangen en getransporteerd. Het vervuilde afvalwater wordt via het afvalwaterriool naar een rioolwaterzuiveringsinstallatie (RWZI) gebracht, waar het wordt gezuiverd alvorens het op het oppervlaktewater te lozen. Het relatief schone regenwater wordt direct afgevoerd naar het oppervlaktewater, zodat er ook minder RWZI-capaciteit nodig is. Overigens is het hemelwater dat uit dicht bevolkte gebieden wordt afgevoerd niet echt “schoon”. Bij de afspoeling van daken en straten neemt het regenwater wel degelijk diverse verontreinigingen op (koper, zink, olie, straatstof). Het grote voordeel van een gescheiden rioolstelsel is dat in elk geval voorkómen wordt dat er ongezuiverd afvalwater (dat onder meer verontreinigd is met fecaliën en daardoor gevaar voor de volksgezondheid oplevert) in de natuurlijke omgeving wordt overgestort. De afvalwaterproductie door huishoudens en industrie is betrekkelijk voorspelbaar, in termen van kwaliteit en kwantiteit (incl. fluctuaties), zodat de capaciteit van het afvalwaterriool daarop uitgelijnd kan worden.


Figuur 129. Gescheiden riool. Bron: Rioned 2013bw

Neerslagpatronen daarentegen vertonen enorme fluctuaties. Bij hevige stortbuien kan het nog steeds voorkomen dat het regenwaterriool de belasting tijdelijk niet aankan en er dus overstort naar het oppervlaktewater noodzakelijk is, maar als dat nodig is, is het overstort in elk geval niet extra vervuild met afvalwater. Meestal maakt men, ook in een gescheiden rioolstelsel, wel een koppeling tussen de beide stelsels, zodat een deel van het afgevoerde hemelwater ook naar de RWZI wordt vervoerd en daar wordt gezuiverd. Dit is vooral van belang voor de eerste hoeveelheid neerslag na een relatief droge periode, die de straten schoonspoelt en veel (straat)vuil in het riool brengt. Te allen tijde wordt echter voorkomen dat huishoudelijk afvalwater in het hemelwaterriool terecht komt. Zie figuur 130 voor het verbeterde gescheiden riool.


Figuur 130. Verbeterd gescheiden riool. Bron: Rioned 2013bw

Afvalwaterzuivering


Afvalwaterzuivering vindt in twee stappen plaats:
• De mechanische of primaire zuivering waarbij grove deeltjes en niet opgeloste afvalstoffen verwijderd worden
• De biologische of secundaire zuivering waarbij zwevende deeltjes en opgeloste stoffen verwijderd worden. Bij hoge concentraties fosfaat in het afvalwater wordt er nog een chemische zuivering gedaan voor de fosfaatverwijdering.


Figuur 131. Afvalwaterzuiveringsinstallatie in Antwerpen (bron: Wikimedia Commons)

Mechanische of primaire zuivering

De eerste stap in de zuivering van afvalwater is het verwijderen van niet-opgeloste materialen. De grootste onzuiverheden (hout, steentjes, papier, plastics) worden met roosters verwijderd (zie de foto in figuur 132). Daarna worden voorbezinktanks gebruikt (zie foto in figuur 133). Dit zijn de grote blikvangers van afvalwaterzuiveringsinstallaties: de typische grote ronde bekkens gevuld met water. Het water komt in het midden binnen en stroomt langzaam naar de buitenkant. Zware deeltjes zakken onderweg naar de bodem en vormen slib. Op de foto zijn de schrapers te zien die het slib continu van de bodem weggeschrapen en afvoeren. Wanneer afvalwater veel zand bevat, wordt gebruik gemaakt van een zandvanger, een slimme overstroomconstructie waarbij het water zo langzaam stroomt dat de zanddeeltjes achterblijven (Wikipedia 2013ew).


Figuur 132. Mechanische zuivering met een rooster (bron: Wikimedia Commons)


Figuur 133. Bezinktank (leeg) (bron: Wikimedia Commons)

Biologische of secundaire zuivering

Opgeloste en organische stoffen in het water worden verwijderd door gebruik te maken van bacteriën en andere kleine organismen. Het rioolwater wordt in een selectortank gemengd een zogenaamde 'actieve slibmassa'. In een beluchtingbekken wordt het mengsel belucht: door ronddraaiende borstels of schroeven worden grote hoeveelheden zuurstof ingebracht. De organismes breken het organische materiaal aëroob af tot tot koolstofdioxide (CO$_2$), stikstofgas (N$_2$) en water (H$_2$O). Door de keuze van de organismes en het inbrengen van veel zuurstof verloopt het proces in een zuiveringsinstallatie met hoge snelheid (Aquafin 2013w).

Nabezinking

Na de biologische zuivering wordt het actieve slib gescheiden van het gezuiverde water in grote ronde nabezinktanks (zie foto in figuur 134, net zoals bij de verontreinigingen in de voorbezinktanks). Door een voldoende lange verblijftijd en een rustige stroming zakt het slib naar de bodem van de tank. Daar leidt een bodemschraper het slib naar een centrale put. Bovenaan bevindt zich het gezuiverde water (effluent), dat zachtjes overstort en via een meetinstallatie naar een nabije waterloop stroomt. Een groot deel van het slib wordt verzameld in een selectortank om te worden hergebruikt. Omdat het slib groeit wordt ontstaat een overschot, zogenaamd spuislib. Dat wordt meestal afgevoerd naar afvalverbrandingsinstallaties (Aquafin 2013w).


Figuur 134. Nabezinktank in de Harnaschpolder, de dichstbijzijnde afvalwaterzuiveringsinstallatie (bron: Wikimedia Commons)

Drinkwater: balanshandhaving


De grootste complexiteit in de drinkwatervoorziening is de uitdaging om adequaat te reageren op de fluctuaties van de vraag in de tijd. In de normale fluctuaties in de drinkwatervraag kunnen we globaal drie tijdconstanten onderscheiden:
• Per dag: de vraag naar water is niet de hele dag door constant. Er is een ochtendpiek, die veroorzaakt wordt doordat de meeste mensen zich rond die tijd douchen, koffie zetten etc. In de avond is er opnieuw een piek in verband met koken en afwassen. Zie figuur 135.
• Per week: de vraag kan ook per dag in de week fluctueren. Het drinkwaterconsumptiepatroon verloopt op werkdagen anders dan in het weekeinde (in het laatste geval zijn is de dagelijkse piekvraag meer afgevlakt).
• Per seizoen: in de zomer is de gemiddelde vraag naar drinkwater groter dan in de winter. De seizoenspiek hangt erg samen met de buitentemperatuur. In een droge warme zomer (2003) wordt er veel meer drinkwater gevraagd dan in een koude natte zomer (2007). Denk hierbij bijvoorbeeld aan de extra watervraag voor het besproeien van de tuin en het beregenen van landbouw- en weidegronden. Zie figuur 136.


Figuur 135. Fluctuatie in waterverbruik gedurende de dag. Bron: TU Delft 2013w

Om de fluctuaties op te vangen wordt gebruik gemaakt van watervoorraden, vroeger vooral in watertorens, tegenwoordig in reinwaterkelders. Op tijden dat het aanbod groter is dan de vraag, 's nachts, dan worden deze voorraden aangevuld. De drinkwaterbedrijven worden ’s nachts niet stil gelegd, aangezien de technisch-economische prestatie van de drinkwaterzuiveringsinstallatie het beste is bij constante productie onder stationaire condities. Overdag wordt van de 's nachts aangelegde voorraden (die natuurlijk ook overdag kunnen worden aangevuld op momenten dat de productie groter is dan de vraag) gebruik gemaakt als de vraag het aanbod overstijgt. Er wordt ongeveer een kwart van het maximale dagverbruik opgeslagen.


Figuur 136. Seizoensfluctuatie in waterverbruik. Bron: TU Delft 2013w

Grijs water


Vanaf het midden van de jaren negentig heeft het idee postgevat dat er veel hoogwaardig drinkwater wordt gebruikt voor laagwaardige toepassingen, dat wil zeggen toepassingen waar feitelijk geen drinkwaterkwaliteit voor noodzakelijk is. Het drinkwater in Nederland is van zeer hoge kwaliteit door een uitgebreide zuivering en kwaliteitscontrole. Om kostbaar drinkwater te sparen en daarmee ook verdroging van natuurgebieden tegen te gaan, zijn er daarom plannen ontwikkeld voor een tweede waterleidingnetwerk voor de levering van water met een lagere kwaliteit, zogenaamd grijs water, waarvan de naam komt van de kleur die dit water krijgt door de zeepresten die het water na verloop van tijd bevat (Wikipedia 2013jw). Een andere term is huishoudwater. Dat laagwaardige water is dan bestemd voor toepassingen als toiletspoeling, wasmachines en tuinbesproeiing.

Huishoudwater hoeft niet aan alle kwaliteitseisen te voldoen maar in het waterleidingbesluit is wel opgenomen dat het water geen micro-organismen, parasieten of stoffen mag bevatten in concentraties die nadelige gevolgen kunnen hebben voor de volksgezondheid. Dit is geoperationaliseerd in een maximaal infectierisico van 10$^{-4}$ per persoon per jaar (voor drinkwater is het 10$^{-5}$ per persoon per jaar). Om dit, en de algemene werking van het gebruik van huishoudwater, te testen zijn er enkele proefprojecten opgezet met een dubbel waterleidingnet. In vier verschillende wijken heeft het ministerie van VROM een inspectie ingesteld waar het zich op drie aspecten heeft gericht (Oesterholt et al. 2003);
• Volksgezondheid: hieronder valt het onderzoek naar de aanwezigheid van pathogene micro-organismen, legionella en schadelijke chemische stoffen en de stabiliteit van het water.
• Milieu: met een levenscyclus analyse (LCA) werden de milieu-effecten onderzocht (zijn er voordelen voor het milieu en zo ja, welke?)
• Klant: Hieronder valt de klanttevredenheid van de consument.

Uit het onderzoek is naar voren gekomen dat er nog wel een aantal zaken niet naar wens zijn en verholpen moeten worden voordat er gedacht kan worden aan landelijke invoering. Zo is voor de volksgezondheid het risico op ziekteverwekkende micro-organismen na de zuivering nog steeds aanwezig. Het risico zit wel binnen de norm, maar de marges zijn klein. Op de langere termijn is het water biologisch instabiel wat inhoudt dat er in de leidingnetten hoge concentraties van biofilm gemeten zijn. Het risico op de groei van ongewenste ziekteverwekkers als legionella is hierdoor aanwezig (Oesterholt et al. 2003).
Vanwege de gezondheidsrisico's heeft staatssecretaris Pieter van Geel in 2003 besloten om de grootschalige levering van huishoudwater door waterleidingbedrijven niet meer toe te staan in Nederland (Wikipedia 2013lw).

Daarnaast is de milieuwinst, waar het uiteindelijk om te doen is, beperkt. Het gebruik van huishoudwater voor toiletspoeling en de wasmachine kan het drinkwatergebruik met circa 40% verminderen. Het totale watergebruik, van huishoudwater en drinkwater tezamen, is echter bij de testgroep wel toegenomen met 18% (er lijkt hier sprake van het "rebound"-effect, zoals zich dat bijvoorbeeld ook heeft voorgedaan bij het gebruik van spaarlampen). Uit de gebruikte levenscyclus analyse is gebleken dat ‘de jaarlijkse milieuwinst per huishouden als gevolg van de levering van huishoudwater in absolute zin zeer beperkt is’ (Oesterholt et al. 2003). Daarbij komt dat de verbeteringen die nodig zijn om de microbiologische kwaliteit van het huishoudwater beter te waarborgen, het milieuvoordeel ten opzichte van drinkwater alleen nog maar kleiner maken.Een ander aspect dat nog niet in de beschouwing is opgenomen zijn de kosten. Een aparte huishoudwatervoorziening vereist een hele nieuwe infrastructuur die naast de bestaande aangelegd moet worden, zowel buitenshuis als binnenshuis. De kosten daarvan lijken prohibitief voor grootschalige landelijke invoering. Sinds het fiasco in 2005 in Leidsche Rijn (een van de proeflocaties), waar door een slordige installateur een drinkwatertappunt op het huishoudwaternet werd aangesloten, staat grijswater in een slecht daglicht. De voordelen wegen vooralsnog niet op tegen de risico’s en extra kosten.

Hemelwater


In gebieden waar niet altijd schoon leidingwater voorhanden is of waar er geen aansluiting is op het netwerk is het opvangen van regenwater voor gebruik in huis gebruikelijk (RIVM 2005w). In Nederland is er overal genoeg leidingwater beschikbaar, maar wordt het opvangen van hemelwater gezien als een stap naar een duurzamere watervoorziening. Hemelwater wordt opgevangen in speciale tanks of regentonnen en kan gebruikt worden voor o.a. toiletspoeling en tuinbesproeiing. Het gebruik van hemelwater is duurzaam omdat er geen uitgebreide infrastructuur aan te pas komt die veel energie vraagt en verdroging wordt tegengegaan. Daarnaast bespaart de consument daarmee direct op zijn waterrekening. Naast deze voordelen van het gebruik van hemelwater kleven er een aantal nadelen aan het
gebruik:
• Regenwater is aanvankelijk onbesmet, maar bij afstromen langs oppervlakken en tijdens opslag in reservoirs kan besmetting optreden met micro-organismen die ziekte bij de mens kunnen veroorzaken. (RIVM 2005w).
• Dieren kunnen het water besmetten indien ze toegang tot het reservoir hebben. Bij de locaties die het RIVM in 2005 onderzocht was dit niet het geval (RIVM 2005w).

Het stilstaande water in het reservoir vormt een leefomgeving waarin bacteriën zich graag nestelen. Bacteriën als legionella, salmonella en E. coli of virussen en parasieten kunnen zo een gevaar voor de gezondheid opleveren. Onderzoek naar deze systemen heeft uitgewezen dat de verontreinigen vaak boven de norm van het drinkwaterbesluit lagen en daardoor risico’s met zich meebrengen voor de volksgezondheid. Het ministerie van VROM heeft daarom uitgebreide meetprogramma’s voorgeschreven aan de eigenaren, waaruit is gebleken dat er bij 36% sprake was van gezondheidsrisico’s. Het gebruik van regenwater voor toiletspoeling is daarom niet meer toegestaan. Grootschalige toepassing van hemelwater dat decentraal opgevangen wordt voor gebruik in het huishouden, ligt daardoor nog in de toekomst. Zuivering is nodig om gezondheidsrisico’s uit te sluiten. We zijn daarbij weer terug bij het hierboven beschreven probleem van de grijswaterinfrastructuur.

Integraal waterbeheer: winning, kwaliteit en connecties tussen landen


Voor onze drinkwatervoorziening zijn we afhankelijk van de kwaliteit van de bronnen. De Europese Unie heeft in 2000 de Kaderrichtlijn water (KRW) opgesteld die gericht is op de verbetering van de kwaliteit van het oppervlakte- en grondwater (VROM 2007w). De KRW maakt het mogelijk om waterverontreinigingen gezamenlijk aan te pakken in internationaal verband. Eerdere richtlijnen als de zwemwaterrichtlijn, de nitraatrichtlijn e.d. hebben niet het gewenste effect gehad; integraal waterbeheer is daarmee onvermijdelijk geworden. Dit is voor Nederland extra relevant, gegeven de geografische ligging als “afvoerputje” van enkele grote internationale stroomgebieden. In de richtlijn is onder meer afgesproken dat de chemische en ecologische kwaliteit van het oppervlaktewater niet achteruit mag gaan ten opzichte van het niveau van 2000. Er zijn dan ook normen gesteld voor een groot aantal stoffen, waarin is vastgelegd welke concentraties van die stoffen maximaal in het oppervlaktewater mogen worden aangetroffen.

De Kaderrichtlijn water gaat uit van een aanpak waarin internationale stroomgebieden centraal staan. Tot het internationale stroomgebied van een rivier behoort niet alleen het water van de rivier zelf maar al het water in de betreffende regio, dus ook vertakkingen, meertjes - zelfs zandafgravingen voor zover die niet in contact staan met andere oppervlaktewateren. Zo'n internationaal stroomgebied wordt een stroomgebieddistrict genoemd. Verschillende landen kunnen deel uitmaken van een stroomgebieddistrict. In het geval van de Rijn zijn dat Zwitserland, Frankrijk, Duitsland en Nederland. Door voor een dergelijke aanpak te kiezen tracht men te voorkomen dat het ene land beslissingen neemt die negatief uitpakken voor andere meer stroomafwaarts gelegen landen.

De Nederlandse wateren behoren tot de stroomgebieden van de Eems, Rijn, Maas en Schelde. Nederland maakt voor elk van deze stroomgebieden aparte beheersplannen. De informatie voor deze plannen wordt ontleend aan de plannen van het Rijk (nota waterhuishouding), provincie (waterhuishoudingsplannen) en waterschappen (waterbeheersplannen).

In stroomgebiedbeheersplannen worden alle milieudoelstellingen voor het grond- en oppervlaktewater en de beschermde gebieden opgenomen. Ook staan de maatregelen erin om deze doelstellingen te bereiken. Hierbij moet men denken aan herstel- en inrichtingsmaatregelen voor oppervlaktewateren, zoals het verwijderen van vervuilde waterbodems en het verleggen van waterlopen, verbetering van het zuiveringsvermogen van rioolwaterzuiveringsinstallaties en verminderd gebruik van bestrijdingsmiddelen. De normen voor de ecologische, chemische en kwantitatieve doelstellingen worden vastgelegd in een algemene maatregel van bestuur op basis van de Wet Milieubeheer. In 2009 is bepaald dat de lidstaten van de EU voor ieder stroomgebied district een stroomgebied beheersplan moeten hebben. Dit plan wordt elke zes jaar herzien (VROM 2007w).

Werkcollege energie- en industrieketens


Voorbereiding

Bekijk de pagina werkcollege-voorbereiding-algemeen voor de regels rondom de voorbereiding van werkcolleges.

Bestudeer de volgende pagina's:
systemen-energie
aardolie-keten

Maak een zo volledig mogelijk ketendiagram waarin de energiestromen van personenvervoer met een 'pluggable hybrid' tot uitdrukking komen.

Opdracht deel 1

Schets de volgende ketens en schat de energie-efficiëntie:
• Met aardgas uit Slochteren water te koken met een ketel.
• Met aardgas uit Slochteren middels een aardgascentrale water te koken met een elektrische waterkoker.
• Met aardgas uit de Pacific water te koken met een ketel.
• Met kolen uit Zuid-Amerika middels een kolencentrale water te koken met een elektrische waterkoker.

Aanpak

• Schets de ketens. Bestudeer en zoek informatie om de ketens te kunnen schetsen. Denk na welke delen van de ketens overlappen, welke delen uniek zijn.
• Schat rendementen af per stap. Maak eerst een ruwe inschatting.
• Schat de ketenrendementen op basis van de rendementen per stap.
• Zoek gegevens en kentallen en maak berekeningen om de eerste afschatting te verbeteren. Houd je bronnen bij en vermeld die. Wat betekenen de verbeterde schattingen voor het ketenrendement?
• Interpreteer je resultaat. Had je dit verwacht? Hoe zeker ben je van je resultaat? In hoeverre zijn de uitkomsten van de 4 ketens vergelijkbaar?

Tips

• Schat de efficiëntie van een aardgascentrale, een kolencentrale, een ketel en een waterkoker. Kan je ook wat meten en berekenen?
• Schat het energieverlies van stroomtransport.
• Bepaal het energiegebruik bij aardgastransport met transportpijpleiding.
• Neem aan dat aardgas uit de Pacific als LNG wordt verscheept naar Rotterdam en schat het energieverlies bij een liquefaction cyclus en een regasification cyclues in een LNG keten.
• Maak en gebruik berekeningen zoals deze excel filew om de efficiency van stappen, in dit geval de waterkoker, te schatten.

Opdracht deel 2


Na het berekenen van de efficiëntie is het van belang om ook de robuustheid je uitkomst te bepalen. Daartoe kijken we naar een aantal aanpassingen in het systeem en de gevolgen voor de ketenefficiëntie.

Voor de volgende aanpassingen in de systemen: 1) Wat is het effect van de volgende aanpassingen op de keten? Kun je dit zichtbaar maken in de ketendiagrammen? 2) Wat is de verwachte invloed op de ketenefficiëntie daarvan? Gaat die omhoog, omlaag, en hoeveel?

• Van een gemengd naar een gescheiden rioleringssysteem
• Bij een tijdelijke sluiting van Slochteren (als gevolg van aardbevingen)
• Wanneer de huidige AWZI wordt vervangen door een state-of-the-art AWZI
• Overgaan naar AVI voor groene stroom voorziening
• Overstappen op grijs water
• 10 % groen gas bijmengen

Resultaat

De uitwerking staat hier: werkcollege-ketens-uitwerking

Werkcollege energie- en industrieketens - uitwerking


Dit is de uitwerking van het werkcollege energie- en industrieketens. Door te kijken naar het rendement van een de stappen van een keten kan een inschatting gedaan worden van het ketenrendement.


Opdracht deel 1


Stap 1. Schets de ketens



Een schets van de vier ketens

• Aardgas uit Slochteren wordt na behandeling via het hoofdnet en het distributienet naar het huishouden getransporteerd. Daar vindt verbranding plaats. De warmte wordt gebruikt om water met een ketel te koken.
• Aardgas uit Slochteren wordt na behandeling via het hoofdnet naar een elektriciteitscentrale getransporteerd. Daar vindt verbranding plaats en wordt elektriciteit opgewekt. Elektriciteit wordt via de transport- en distributienetten naar het huishouden vervoerd, om daar in een waterkoker in warmte te worden omgezet om water te koken.
• Aardgas uit de Pacific wordt na behandeling omgezet in LNG in een liquefaction-installatie. LNG wordt per tanker naar Rotterdam vervoerd. Nadat een regasification-stap wordt het aardgas via het hoofdnet en het distributienet naar het huishouden getransporteerd. Daar vindt verbranding plaats. De warmte wordt gebruikt om water met een ketel te koken.
• Steenkool wordt gewonnen in Zuid-Amerika en per tanker naar een elektriciteitscentrale in Rotterdam vervoerd. Daar hoofdnet naar een elektriciteitscentrale getransporteerd. Daar vindt verbranding plaats en wordt elektriciteit opgewekt. Daar vindt verbranding plaats en wordt elektriciteit opgewekt. Elektriciteit wordt via de transport- en distributienetten naar het huishouden vervoerd, om daar in een waterkoker in warmte te worden omgezet om water te koken.

Het wordt duidelijk dat delen van de keten overlappen. Links zijn de bronnen grotendeels verschillend. Middenin bevindt zich een gas- en/of een elektriciteitsnetwerk, dus daar is een overlap. Aan de rechterkant van de ketens zijn twee varianten, een op basis van aardgas en een op basis van elektriciteit.

Stap 2. Schat rendementen af per stap


Voor elk van de stappen kan een rendement worden afgeschat. Advies is om dit in twee fases te doen:
• Voorafgaand aan het zoeken van gegevens een ruwe inschatting te geven.
• Per inschatting, data te zoeken en verifiëren hoe goed de eerste inschatting was.

Door deze twee fases te gebruiken is het mogelijk om binnen afzienbare tijd tot een redelijke eerste schatting te komen. Je hebt altijd een eerste schatting en die kan alleen maar beter worden.
Hier is een voorbeeldschatting uitgewerkt, waar het nog nodig zou zijn aanvullend materiaal te zoeken. Andere schattingen, op basis van andere data zijn goed mogelijk. Hieronder zijn de verschillende blokjes in types opgedeeld. Zie de labels in de blokjes als referentie.

Winning

• Winning aardgas: geen rendementsverlies, het gas komt er door de druk vanzelf uit ($η_{w1}=1$). Aangenomen wordt dat dit geldt voor Slochteren en voor de Pacific.
• Winning steenkool: Aanname energiegebruik 10% van energie-inhoud. ($η_{w2}=0,90$).

Transport

• Transport gas naar behandeling: geen rendementsverlies, behandeling is nabij het gasveld ($η_{t1}=1$).
• Transport aardgas hoofdnet: Aanname 5% verlies ($η_{t2}=0,95$).
• Transport aardgas distributienet: Aanname 5% verlies ($η_{t3}=0,95$).
• Transport elektriciteit hoofdnet: Aanname 4% verlies ($η_{t4}=0,96$). Aangenomen wordt dat hetzelfde rendement geldt voor transport van aardgas van de behandeling naar een aardgascentrale en naar het distributienetwerk.
• Transport elektriciteit distributienet: Aanname 4% verlies ($η_{t5}=0,96$).
• Transport LNG: Aanname energiegebruik 20% van energie-inhoud ($η_{t6}=0,80$).
• Transport steenkool: Aanname energiegebruik 20% van energie-inhoud. ($η_{t7}=0,80$).

Conversie

• Behandeling gas: relatief goed aardgas, weinig behandeling nodig, neem aan ($η_{c1}=0,98$).
• Aardgascentrale: een gemiddelde aardgascentrale in Nederland haalt 55% rendement ($η_{c2}=0,55$).
• Steenkoolcentrale: een gemiddelde steenkoolcentrale in Nederland haalt 45% rendement ($η_{c3}=0,45$).
• Liquefaction/regasification cyclus: Aanname goed geoptimaliseerd systeem, 2% verlies ($η_{c4}=0,98$).

Gebruik

• Aardgas verbranden en water koken in een keten: warmte verdwijnt door slechte isolatie en op het gasfornuis naar de zijkanten ($η_{g1}=0,75$).
• Elektriciteit omzetten in warmte om water te koken met een waterkoker: dit gaat met een zeer hoge efficiency door goed ontwerp van moderne waterkokers ($η_{g2}=0,98$).

Stap 3. Schat de ketenrendementen op basis van de rendementen per stap


$η_{keten 1} = η_{w1} * η_{t1} * η_{c1} * η_{t2} * η_{t3} * η_{g1} = 1 * 1 * 0,98 * 0,95 * 0,95 * 0,75 = 0,66 $
$η_{keten 2} = η_{w1} * η_{t1} * η_{c1} * η_{t2} * η_{c2} * η_{t4} * η_{t5} * η_{g2} = 1 * 1 * 0,98 * 0,95* 0,55 * 0,96 * 0,96 * 0,98 = 0,46 $
$η_{keten 3} = η_{w1} * η_{t1} * η_{c1} * η_{c4} * η_{t6} * η_{t2} * η_{t3} * η_{g1} = 1 * 1 * 0,98 * 0,98 * 0,80 * 0,95 * 0,75 = 0,55 $
$η_{keten 4} = η_{w2} * η_{t7} * η_{c3} * η_{t4} * η_{t5} * η_{g2} = 0,90 * 0,80 * 0,45 * 0,96 * 0,96 * 0,98 = 0,29 $

Stap 4. Interpreteer je resultaat


Een vereenvoudigde analyse als deze maakt in een oogopslag duidelijk hoe gevoelig het rendement over de keten is voor het rendement van elk van de (conversie)stappen in de keten: transport, omzetting van primaire energiedragers naar elektriciteit, conversie van en naar LNG, de omzetting naarnuttige energie voor de betreffende eindgebruiksfunctie.

De eerst keten, om met aardgas uit Slochteren water te koken met een ketel, lijkt het meest efficiënt. Te zien is dat de conversie naar elektriciteit met een thermische centrale relatief duur qua efficiëntie. In het algemeen is een keten met minder stappen is snel voordeliger, zeker als grote delen van de ketens overlappen. De stap of stappen met de laagste inefficiënties zijn doorslaggevend voor de eindscore.

Ook is het belangrijk te zien in welke stappen onzekerheid in de data het belangrijkst is: dat is in de stappen met lage efficiëntie! Tien procent afwijking in een stap die 4% energieverlies oplevert(zoals het transmissienetwerk voor elektriciteit), maakt nauwelijks uit: 3,6%-4,4% energieverlies is een relatief kleine marge.


Opdracht deel 2


Een aantal van deze voorbeelden hebben zeker invloed, maar vergroten ook de systeemgrens. Denk daarom aan het uitbreiden van de ketens: welk energiegebruik vindt er plaats in de waterketen: drinkwaterbereiding, drinkwatertransport, afvalwatertransport, afvalwaterzuivering, etc. Welke stappen zijn daar erg efficient?

Ter voorbeeld: het introduceren van een gescheiden rioleringssysteem zorgt ervoor dat alleen het afvalwater van huizen wordt gezuiverd, dit zal zeker een positief effect hebben op de prestatie in die stap. Maar je zal dan ook moeten opzoeken hoe groot het energieverbruik ongeveer is per liter water gezuiverd. Als dat relatief maar klein is, valt het weg tegen de efficiëntieverliezen in de hoofdketen (aardgas, elektriciteit). Voor elk van de genoemgde voorbeelden kun je dus een dergelijke redenering opzetten. Daarmee krijg je niet altijd een heel duidelijke uitkomst, maar je kunt proberen gevoel te ontwikkelen voor hoe precies je eerste analyse is en waar de belangrijkste gevoeligheden en kritieke aannames zitten.



Industriële processen


Industrie is een containerbegrip. Het staat voor een enorm gevarieerde verzameling van bedrijvigheid. Het gemeenschappelijke kenmerk daarvan is dat er materiële producten gemaakt worden uit grondstoffen of halffabrikaten.


De Calvéfabriek in Delft. Bron: Bouwmeester 2013w

Verwarrend is dat er in het Engels ook wel gesproken wordt over bijv. de service industry. In het Nederlands gebruiken we liever de term dienstensector en reserveren we de term industrie voor die onderdelen van de economie waar materiële producten worden gemaakt. In Nederland en in andere economisch ver ontwikkelde landen gebeurt dit in fabrieken met vergaand geautomatiseerde en gemechaniseerde, grootschalige productieprocessen. Daarin onderscheiden industriële productieprocessen zich van ambachtelijke productieprocessen, die kleinschalig zijn ingericht en waarbij veel menskracht wordt ingezet voor de productie.

Indelingen van de industrie

Omdat industrie zo’n breed containerbegrip is, kom je in het algemeen spraakgebruik allerlei indelingen tegen, bijvoorbeeld:
• Zware industrie / lichte industrie
• Kapitaalgoederenindustrie / consumptiegoederenindustrie
Procesindustrie / maakindustrie

Op hun beurt kunnen die categorieën nog verder worden opgedeeld. Het Centraal Bureau voor de Statistiek (CBS) hanteert een zogenaamde Standaard Bedrijfsindeling (SBI) voor alle economische activiteiten. Ook de industrie is gecodeerd in de SBI.

Meer weten: Industriew, Zware_industriew, Lichte_industriew, Procesindustriew


Overzicht

Dit college bespreken we aan de hand van de volgende pagina's:

De historie van de industrie

De industriële revolutie in Engeland, België en Nederland
De historie van DSM
De historie van AkzoNobel
Mijnbouwschade

Overzicht van de industrie

industriele-processen-overzicht-cbs
chemische-industrie
procesindustrie
industrie-export
industrie-watergebruik
afvalverwerking

Takken van de industrie in detail

Agro:
agro-voeding-genotmiddelenindustrie
kunstmest-fosfaten

Metalen:
aluminium
ijzer

Andere ketens en stoffen
aardolie-keten
cement-beton
chloor

Stenen en zouten
kalksteen
En lees verder over
steenzoutw
bodemdaling door zoutwinningw
vuursteenw
klei en leemw
grindw
grindwinning op de Noordzeew
zandw
zandwinning op zeew

Nieuwe ontwikkelingen

industrie-ontwikkelingen

Industriële revolutie


Engeland

Kenmerkend voor de industrialisatie is de omschakeling van handmatige vervaardiging van goederen in ambachtelijke en kleinschalige werkplaatsen naar grootschalige machinale vervaardiging van goederen. De industriële revolutie werd mogelijk gemaakt door grootschalige toepassing van gemechaniseerde arbeid, die geleverd werd door stoommachines. Stoommachines vervingen paarden, mensen, windmolens en watermolens als leverancier van arbeid.

De industriële revolutie begon in Engeland, rond 1750. De stoommachine was het resultaat van een reeks uitvindingen van achtereenvolgens Denis Papin, Thomas Savery, Thomas Newcomen en John Cally. De eerste Newcomen stoommachine werd in 1702 gebouwd. Stoommachines werden aanvankelijk vooral gebruikt voor de aandrijving van waterpompen in mijnen, waarmee het mogelijk werd die mijnen te exploiteren op diepten ruim onder het grondwaterpeil. De ingrijpende verbeteringen die de industriële revolutie mogelijk maakten, werden pas in de tweede helft van de achttiende eeuw ontwikkeld door James Watt. Watt kreeg in 1763 de opdracht een Newcomen stoommachine van de universiteit van Glasgow te verbeteren. Hij wist het rendement op te voeren van 1% naar 4% (!). De eerste machine volgens het ontwerp van James Watt werd opgesteld in een mijngroeve in Cornwall, in 1777.

De textielindustrie in Engeland was een van de aanjagers van de industriële revolutie. De textielindustrie was in het pre-industriële tijdperk al geconcentreerd in fabrieken. Dankzij de door James Watt verbeterde stoommachine, in combinatie met een reeks van innovaties (mechanisering en semi-automatisering) in de weeftechniek, kon de productiviteit van die fabrieken enorm vergroot worden. Thuiswevers konden onmogelijk concurreren met de gemechaniseerde weverijen en werden zo gedwongen in de textielfabrieken te gaan werken om in hun onderhoud te voorzien, net als hun vrouwen en kinderen. In steden als Manchester en andere vroeg-industriële Engelse steden leidde dit in de loop van de negentiende eeuw tot ongekende lucht- en watervervuiling.

De industrialisering werd verder aangejaagd door de toepassing van stoomtractie bij treinen en schepen. Transport over lange afstanden van kolen voor de stoommachines, grondstoffen voor en producten van de fabrieken werd steeds goedkoper.

België

Op het vasteland van Europa was België het eerste land waar de industriële revolutie zich voltrok. De bestaande textielindustrie (wol, katoen en vlas) in Verviers en Gent werd al in het begin van de negentiende eeuw gemoderniseerd. De textielondernemers gingen daarbij voortvarend te werk: in Verviers werd William Cockerill aangesteld, die zijn ervaring uit Engeland meebracht en gebruik maakte van Engelse octrooien die in Frankrijk niet beschermd waren. Een Belgische textielondernemer uit Gent ging zelfs over tot het smokkelen van moderne, gemechaniseerde Engelse machines en geschoold personeel naar België en legde daarmee de basis voor de razendsnelle ontwikkeling van een grootschalige katoen- en vlasindustrie in Gent. John Cockerill, de zoon van William Cockerill, stond aan de wieg van de grootschalige ijzer- en staalindustrie in Luik. Hij bouwde de eerste hoogovens op cokes, dat gemaakt werd uit steenkool die in de lokale mijnen werd gedolven (voorheen werd houtskool als reductiemiddel gebruikt). Behalve ijzer en staal als basismetaal, leverde hij ook machines, schepen, locomotieven en ander spoorwegmaterieel. Na de onafhankelijkheid van België (uitgeroepen op 4 oktober 1830) leverde John Cockerill het materieel voor de ontwikkeling van de Belgische spoorwegen.

Nederland

In Nederland kwam de industriële revolutie pas laat op gang, ruim honderd jaar na die in Engeland. Die late industrialisatie van Nederland wordt vooral verklaard door:
• De dominantie van handel in onze nationale economie.
• De brede toepassing van wind- en watermolens als alternatieve bronnen van gemechaniseerde arbeid.
• Het verlies van een groot deel van onze koloniën in de Franse tijd, zodat er veel minder grootschalige aanvoer van grondstoffen was dan in Engeland – en dus minder behoefte aan grootschalige verwerkingsprocessen.
• De afsplitsing van België: in Wallonië kwam de industrialisatie al vroeg op gang, mede dankzij de infrastructuurwerken (kanalen en spoorwegen) van koning Willem I, waardoor de kosten van aanvoer van grondstoffen en energiedragers (steenkool) fors omlaag werden gebracht en de fabrieksproducten relatief goedkoop naar de markt getransporteerd konden worden. De economie in het noorden van Nederland bleef echter leunen op handel en landbouw. Met de afsplitsing van België raakte Nederland zijn economisch meest ontwikkelde provincies kwijt, terwijl de overheid (aanvankelijk) geen financiële middelen had (vooral als gevolg van de oorlog) om ook in het noorden te investeren.

De industriële structuur van Nederland is niet spontaan ontstaan ten tijde van de industriële revolutie. De vroegste ontwikkeling van grootschalige gemechaniseerde industrie op bepaalde plaatsen in Nederland is toe te schrijven aan een combinatie van:
• ambachtelijke tradities in bepaalde regio’s (bijv. textielweven in Twente);
• nieuwe kennis uit landen die ons in de industriële revolutie al waren voorgegaan (bijv. stoommachines en gemechaniseerde weefgetouwen uit Engeland);
• de aanwezigheid van materiële grondstoffen in Nederland en haar koloniën (bijv. steenzout in de Twentse bodem);
• gebrek aan toegang tot belangrijke grondstoffen of producten door oorlogen en/of restricties op de internationale handel (bijv. stagnatie van zwavelzuurimporten uit België ten gevolge van de afscheidingsoorlog na 1830).

Wie kijkt naar de grootste industriegebieden in het huidige Nederland komt wellicht op de gedachte dat de grootschalige industrie zich vooral rond de haveninfrastructuur aan de Noordzeekust heeft ontwikkeld, maar dat is niet waar. De industrialisatie van Nederland begon feitelijk in de periferie: profiterend van de industriële kennis in het nabije Luik (Wallonië), kon zich in Maastricht een bloeiende glas-, kristal- en aardewerkindustrie ontwikkelen, dankzij het pionierswerk van Petrus Regout. Hij bouwde in 1834 de eerste stoomglasfabriek in Maastricht, gevolgd door een aardewerkfabriek in 1836. Voor de bereiding van glas wordt zilverzand gebruikt, dat in Nederland uitsluitend voorkomt in Zuid-Limburg, in de omgeving van Heerlen en Brunssum. De onderneming van Regout was de basis voor de latere Sphinx fabrieken. De onderneming Koninklijke Sphinx bestaat inmiddels niet meer zelfstandig; het laatste restje, BV De Sphinx Maastricht, werd in 2015 overgenomen door Geberit.

Net als in Engeland en België was ook in ons land de textielindustrie een voorloper in de industriële revolutie. In Enschede werd in 1834 de eerste stoomkatoenspinnerij geïnstalleerd. In Nijverdal werd in 1853 de eerste stoomweverij in gebruik genomen. De textielindustrie in Twente kon pas echt een grote vlucht nemen na forse investeringen in infrastructuur: tussen 1851 en 1855 werd tussen Zwolle en Almelo het Overijssels kanaal aangelegd. In de jaren 1864-1868 werd Enschede op het Nederlandse spoorwegennet aangesloten via een nieuwe verbinding van Zutphen via Hengelo en Enschede naar Glanerbrug, waardoor Twente werd verbonden met het Duitse Gronau. In 1874 kwam er een spoorverbinding van Enschede met het Ruhrgebied tot stand. De kolen voor de stoommachines werden aangevoerd uit Duitsland. In Twente was er voldoende zoet stromend water voor het bleken en wassen van de katoen. De Twentse textielindustrie floreerde onder meer dankzij het alleenrecht op de export van katoen naar Nederlands-Indië.

Uiteindelijk is het de opkomende concurrentie in lagelonenlanden die de Twentse textielindustrie de nek omdraait in de 1960’-er jaren. Alleen Ten Cate (Koninklijke Ten Cate BV) heeft de neergang van de Twentse textielindustrie overleefd. De wortels van Ten Cate gaan terug tot de Koninklijke Stoom Weverij (KSW) in Nijverdal en de firma H. ten Cate Hzn. & Co in Almelo, die in 1957 fuseerden tot de NV Koninklijke Textielfabrieken ten Cate / KSW. Het huidige Ten Cate is een multinational die gespecialiseerd is in hoogwaardige, innovatieve textielproducten, die toepassing vinden in weg- en waterbouw, in de lucht- en ruimtevaartindustrie, defensie, etc.
Andere industriële iconen van Nederland zijn pas later tot ontwikkeling gekomen. We bespreken als voorbeelden DSM en AkzoNobel. Beide bedrijven hebben hun ontstaan grotendeels te danken aan grondstofvoorraden in de Nederlandse bodem, maar beide bedrijven zijn ook een goede illustratie van grote transformaties die zich in de loop van de Nederlandse industriële ontwikkeling hebben voorgedaan. In het geval van DSM is de oorspronkelijke binding aan Nederlandse grondstofvoorraden inmiddels geheel verloren gegaan.

Deze pagina is onder meer gebaseerd op: Lintsen 1993, Wikipedia 2016aw, Wikipedia 2016bw, Sphinx 2016w, Wikipedia 2016cw, en Historien 2016w.

DSM


DSM ging in 1902 van start als staatsmijnbouwbedrijf: Nederlandse Staatsmijnen (Dutch State Mines), opgericht om de ondergrondse steenkoolreserves in Zuid-Limburg te exploiteren. De eerste kolenmijn was de Staatsmijn Wilhelmina, die in 1906 kolen begon te leveren. In 1913 volgden de Staatsmijnen Emma en Hendrik, en in 1926 Staatsmijn Maurits. De Staatsmijnen produceerden ook cokes in cokesfabrieken Emma (1919) en Maurits (1929). Als bijproduct van de cokesfabriek (waar gemalen steenkool droog wordt vergast bij circa 1000$^o$C in een zuurstofvrije atmosfeer) ontstaat cokesovengas: een mengsel van voornamelijk methaan en waterstof, ontstaan door het kraken van de hogere koolwaterstoffen in steenkool (het gas bevat echter veel verontreinigingen, zoals benzeen, teer, waterstofsulfide en ammoniak). Dat leidde in 1928 tot de oprichting van een eigen gasdistributiebedrijf. In 1927 startte het bedrijf ook met de bouw van een kunstmestfabriek: het stikstofbindingsbedrijf SBB voor de productie van ammoniak (uit stikstof en waterstof met het Haber-Boschproces) en nitraatkunstmest. De oude cokesfabrieken Emma en Maurits worden resp. in 1945 en 1954 gesloten, en in 1954 wordt een nieuwe cokesfabriek Emma II in gebruik genomen.

De stikstofbindingsfabriek kan gezien worden als de eerste stap in een proces van diversificatie en transformatie, waarin DSM van een mijnbouwbedrijf eerst veranderde in een petrochemisch bedrijf, dat inmiddels volledig getransformeerd is naar een bedrijf dat specialiteitenchemicaliën en -materialen produceert. Tegenwoordig heeft de naam DSM niets meer met “Dutch State Mines” te maken: de laatste Limburgse steenkoolmijn werd in 1973 gesloten. De Nederlandse steenkoolwinning kon onmogelijk concurreren met andere landen waar kolen in dagbouw worden gedolven en door de gasvondst in Slochteren was er geen behoefte meer aan kolen als energiedrager. De Nederlandse Staat verkocht in 1996 haar laatste aandelen DSM, als uiterste consequentie van de verzelfstandiging van DSM in 1967.

In 1952 startte DSM met de productie van caprolactam, een bouwsteen voor nylon 6. In 1959 werd de eerste hoge druk polyetheenfabriek in productie genomen, en in 1963 de eerste naftakraker. Naast de petrochemische ontwikkelingen, bleef DSM actief op het gebied van kunstmest; in 1956 werd de productie van ureum (kunstmest) gestart. In 1964 begon DSM met de productie van melamine, grondstof voor melamineharsen en –coatings. In de 70’-er jaren wordt het productiepalet uitgebreid met het co-polymeer acrylonitril-butadieen-styreen (ABS, een thermoplastische rubber) en polypropeen (PP).

De laatste decennia van de vorige eeuw zijn een periode van grote overnames en ingrijpende herstructurering. DSM start met de productie van aspartaam (1988), een kunstmatige zoetstof, en met de productie van stanyl (een high performance polyamide) en dyneema (een supersterke kunststofvezel op basis van polyetheen). Nieuwe overnames in de late jaren 1990 richten zich vooral op de fijnchemie (Bristol-Myers Squibb, 1993) en de farmacie (Gist-Brocades, 1998). De petrochemische bulkchemie wordt in 2002 afgestoten met de overdracht aan SABIC. De ontwikkeling naar een steeds hoogwaardiger productenpalet wordt in de eenentwintigste eeuw krachtig voortgezet met onder meer de overname van het Amerikaanse Catalytica Pharmaceuticals in 2000, de vitaminen- en fijnchemicaliëndivisie van het Zwitserse Roche in 2003, en de voedingsenzymen en – technologie van het Amerikaanse Verenium in 2012. De productie van aspartaam wordt in 2008 gestopt. In 2008 doet DSM alle bulkchemicaliënactiviteiten in de verkoop; alleen caprolactam en acrylonitril worden behouden. In 2010 worden DSM Agro, Melamine en Elastomeren verkocht.

Inmiddels is DSM een bedrijf dat gespecialiseerd is in voedings- en gezondheidsproducten en in hoogwaardige materialen voor bijzondere toepassingen. Alleen de naam herinnert nog aan de ontstaansgeschiedenis van het bedrijf als Dutch State Mines.

Deze pagina is onder meer gebaseerd op Schot et al. 2000, Van Rooij 2007, DSM 2016w, Wikipedia 2016dw, Wikipedia 2016ew, Wikipedia 2016fw, Wikipedia 2016gw, en Wikipedia 2016hw.

AkzoNobel


Sikkens

Ook AkzoNobel is een bedrijf dat zichzelf in de loop van zijn historie min of meer opnieuw heeft uitgevonden. In deze beschrijving beperken we ons voornamelijk tot de geschiedenis van Akzo. Die voert ons ver terug in de tijd naar Wiert Willem Sikkens, die in 1792 in Groningen een fabriek vestigde voor de productie van verven en lakken. Sikkens verhuisde in 1939 naar Sassenheim, waar het nog steeds gevestigd is. Innovatie werd enerzijds afgedwongen door de klanten; al in 1924 had Sikkens een laboratorium voor kwaliteitsbewaking en ontwikkeling van nieuwe producten. Anderzijds werd innovatie afgedwongen door de oorlog; het nijpende tekort aan grondstoffen na de tweede wereldoorlog was in feite de aanleiding voor de ontwikkeling van lakken op basis van kunstharsen.

Ketjen

Ketjen was een andere firma die aan de wortels van Akzo staat. Ketjen is genoemd naar de Amsterdamse handelaar Gerard Tileman Ketjen, één van de drie oprichters van het bedrijf voor de productie van vitrioololie, beter bekend als zwavelzuur. Ketjen, opgericht in 1835, dankte zijn bestaan aan grondstoffenschaarste ten gevolgde van de toenmalige afscheidingsoorlog met België, dat voorheen zwavelzuur leverde aan de Noordelijke Nederlanden. Het bedrijf was gevestigd aan de toenmalige stadsrand van Amsterdam, maar door de bevolkingsgroei en de daarmee gepaard gaande stadsuitbreidingen kwamen er steeds meer klachten van omwonenden over stank en stof en de kwalijke dampen die het bedrijf veroorzaakte.

De grondstof die toen voor de bereiding van zwavelzuur werd gebruikt was pyriet, ijzersulfide (FeS2). Het pyriet werd geroost: roosten houdt in dat het materiaal verhit wordt onder toetreding van lucht: daarbij oxideert het naar ijzertrioxide, Fe2O3, en zwaveldioxide, SO2. Het daarbij gevormde zwaveldioxide werd met behulp van het lodenkamerproces (voor het eerst in 1746 op industriële schaal toegepast in Birmingham) omgezet in zwavelzuur (ook wel kamerzuur genoemd, verwijzend naar het lodenkamerproces). Pas in 1960 zou Ketjen pyriet als grondstof vervangen door (elementaire) zwavel.

Dat Ketjen in 1856 verplicht werd om de schoorsteen te verhogen tot een hoogte van “25 ellen en een doorsnee van 50 Nederlandse duimen” om de milieuoverlast te verminderen, kon een verhuizing van het bedrijf niet afwenden. In 1880 werd het bedrijf verplaatst naar de Kostverlorenvaart aan het einde van de Overtoom, maar ook daar bleef het klachten regenen, vooral van naburige tuinders die door de giftige dampen en neerslag veel schade ondervonden aan hun gewassen en daarvoor schadevergoedingen afdwongen bij Ketjen. Het leegstromen van een oleumketel (oleum is zogenaamd rokend zwavelzuur, een oplossing van zwaveltrioxide in geconcentreerd zwavelzuur), waardoor de hele buurt in corrosieve nevelen werd gehuld (oleumdamp is ongeveer driemaal zwaarder dan lucht en verspreidt zich dus over de grond), noodzaakte Ketjen in 1900 tot een nieuwe verhuizing naar de noordzijde van het IJ, waar het bedrijf (zij het niet meer onder de naam Ketjen) nu nog steeds gevestigd is. In de nieuwe fabriek werd zwavelzuur gemaakt met het efficiëntere contactproces. In 1916 kwam er een zoutzuurfabriek bij. In 1929 werd een nieuwe zwavelzuurfabriek gebouwd, die in 1937 fors werd uitgebreid. Ketjen ging een breder scala van zwavelverbindingen produceren, onder meer voor toepassing in de productie van sacharine (E954), een krachtige kunstmatige zoetstof die al in 1879 ontdekt is. Intussen ontwikkelde Ketjen zelf innovatieve producten en productieprocessen voor de bereiding van actieve kool en voor waterontharding (belangrijk voor stoomketels).

Tijdens de Tweede Wereldoorlog werd het bedrijf zwaar beschadigd en kwam de productie tot stilstand. Die werd in oktober 1945 hervat. In 1947 kwam er een fabriek voor zwaveldioxide en in 1953 bouwde Ketjen, in samenwerking met en onder licentie van Cyanamid, zijn eerste katalysatorfabriek. Met de snel groeiende olieraffinagecapaciteit in die jaren was er enorme vraag naar katalysatoren voor ontzwaveling en voor het kraken van zware koolwaterstoffen. Samen met het, eveneens Amerikaanse, Cabot bouwde Ketjen in 1959 in de Botlek een roetfabriek, die roet leverde voor de productie van autobanden. In 1960 volgden fabrieken voor resp. sulfoproducten, difenylolpropaan (DPP of bisfenol A, grondstof voor epoxyharsen) en dioctylftalaat (DOP, weekmaker voor plastics).

In 1962 fuseerde Ketjen met de Koninklijke Nederlandse Zoutindustrie tot Koninklijke Zout Ketjen, een belangrijke bouwsteen van het latere Akzo en het hedendaagse AkzoNobel. De Ketjen zwavelzuurfabrieken zijn nog steeds onderdeel van AkzoNobel (met uitzondering van de periode 1999-2004); de katalysatorfabrieken zijn sinds 2004 onderdeel van Albemarle Catalyst Company.

Koninklijke Nederlandse Zoutindustrie

In de Nederlandse bodem werd zout gevonden bij een “mislukte” boring naar drinkwater in 1886 op het landgoed Twickel in Delden. In plaats van zoet water werd er op een diepte van enkele honderden meters een artesische bron aangeboord waaruit zout water spoot. Zout werd in die tijd geleverd door kleinschalige zoutzieders die hun ruwe grondstof, steenzout, uit Duitsland betrokken. Het zou nog tot 1919 duren voordat de Nederlandse zoutwinning een feit was; ondanks succesvolle proefboringen werden plannen daarvoor tegengewerkt door het kartel van zoutzieders (de Zoutconventie, waarvan alle Nederlandse zoutzieders lid waren) en de aangevraagde concessie voor zoutwinning in Boekelo werd in 1911 getorpedeerd door de Tweede Kamer. Het was de Eerste Wereldoorlog die de risico’s van grondstoffenschaarste op het nationale netvlies bracht en de doorslag gaf voor de “Wet tot ontginning van steenzout te Buurse”. Het was deze wet die de weg vrijmaakte voor exploitatie van de Nederlandse steenzoutvoorraden.

Natuurinformatie 2016w: "Steenzout komt vooral voor in Noord- en Oost-Nederland, in de vorm van zoutkussens (op diepten van enkele tientallen meters tot 1700 m onder NAP, vooral in Noord-Nederland) en zoutpijlers (die wel tot 3,5 km diepte kunnen reiken). De dichtheid van steenzout neemt niet toe met de diepte; op een diepte van 500 m en meer is het lichter dan de omringende gesteenten en heeft daardoor de neiging zich naar boven te bewegen, als er verstoringen (bijv. breuken) zijn in het omringende sedimentpakket. Steenzout gedraagt zich in de ondergrond als een dikke stroop. Bij stroming in horizontale richting (naar de plaatsen waar de druk van het afdekkende sedimentpakket het laagst is) ontstaan eerst lokale verdikkingen in het zoutpakket, de zogenaamde zoutkussens. Zoutpijlers ontstaan als het zout vervolgens door afdekkende sedimentlagen heen breekt en naar boven beweegt."

De Koninklijke Nederlandse Zoutindustrie werd formeel opgericht op 18 juni 1918. De Staat nam deel aan de onderneming (150 aandelen van de in totaal 1500) en ook de Nederlandse zoutzieders konden deelnemen. Ko Vis, een zoutzieder uit de Zaanstreek, was de oorspronkelijke initiatiefnemer en een van de oprichters van de KNZ. De zoutwinning begon in 1919 in Boekelo, op 325 m diepte. In 1931 werd de onderneming uitgebreid met een zoutchemisch productiebedrijf voor de bereiding van chloor, chloorbleekloog (een oplossing van natriumhypochloriet, NaClO, in water), zoutzuur, natriumhydroxide (NaOH, caustische of bijtende soda) en natronloog (een oplossing van NaOH in water). In 1933 startte de KNZ de zoutwinning in Hengelo; dat werd vanaf 1935 de hoofdvestiging. Infrastructuur was ook voor de KNZ een factor van betekenis; een grote verbetering voor het transport van zout was het Twentekanaal, dat in 1938 gereed kwam.

Aan het eind van de jaren 1950 nam KNZ de Albatros Superfosfaatfabrieken en de Albatros Zwavelzuur- en Chemische fabrieken over, die in 1961 weer verkocht werden aan Mekog, de Maatschappij tot Exploitatie van Kooksovengas in IJmuiden. Mekog, een in 1929 opgerichte joint venture van Hoogovens en Shell, benutte het cokesovengas van de cokesfabriek op het terrein van de Hoogovens voor de productie van stikstofkunstmest. De in 1961 ontstane Verenigde Kunstmestfabrieken MEKOG-Albatros, beter bekend als VKF, richtte in 1964 samen met BASF de Ammoniak Unie op, die in Pernis een fabriek bouwde voor de bereiding van ammoniak uit raffinaderijgas van Shell. In 1970 fuseerde VKF met de kunstmestfabrieken van DSM en was de vorming van de Unie van Kunstmestfabrieken een feit. Al in 1974 trokken Hoogovens en KNZ (toen al opgegaan in Akzo) zich terug; het belang van Shell (1/4 van de onderneming) werd in 1979 verkocht en UKF ging geheel op in DSM Agro.

Intussen sloopte de KNZ in 1957 de fabriek in Boekelo en vestigde zich Delfzijl. Daar was in 1954 de NV Koninklijke Nederlandse Soda Industrie (NSI) van start gegaan met zoutwinning en –verwerking. De NSI, een onderneming van KNZ, DSM, Ketjen en Mekog, werd in 1958 geheel overgenomen door de KNZ. In 1962 volgt de fusie van KNZ en Ketjen in Koninklijke Zout Ketjen (KZK). Ketjen gaat vervolgens (1967) op in Koninklijke Zout Organon. Het latere AKZO ontstond in 1969 uit de fusie van Koninklijke Zout Organon en de Algemene Kunstzijde Unie.

Algemene Kunstzijde Unie

De vroegste voorloper van de vezelactiviteiten van Akzo was de Nederlandse Kunstzijdefabriek in Arnhem, opgericht in 1911 door Jacques Coenraad Hartogs, zoon van een textielkoopman die rouwcrêpe importeerde van de Britse onderneming Courtaulds. Die crêpe was vervaardigd van viscose, een kunstvezel op basis van cellulose (uit hout). Jacques Coenraad studeerde scheikunde aan de Universiteit van Amsterdam en ging na zijn doctoraal aan de slag bij Courtaulds, waar hij een nieuw procédé uitvond voor het spinnen van de vezels. Omdat Courtaulds geen belangstelling had voor zijn vinding, ging hij terug naar Nederland, hij promoveerde in 1910 op zijn vinding en besloot zijn eigen kunstzijdefabriek (onder de naam Enka) te bouwen in Arnhem, vanwege de lage grondprijs en de beschikbaarheid van goedkoop water.

De productie van de Enka fabriek in Arnhem startte in 1913. Dankzij de textielschaarste in de Eerste Wereldoorlog liepen de zaken voorspoedig. In 1919 startte Enka met de bouw van een tweede, grotere kunstzijdefabriek in Ede, die in 1922 begon te produceren. Beide fabrieken werden in de loop van de jaren 1920 meermalen uitgebreid. Onder dreiging van de opkomende economische crisis zocht Enka naar mogelijkheden voor internationalisering en diversificatie van de activiteiten. Dit resulteerde onder meer in de fusie van Enka met de Duitse Vereinigte Glanzstoff Fabrieken (VGF); de Algemene Kunstzijde Unie was in 1929 een feit.

Een deel van de activiteiten in Ede werd in 1948 verhuisd naar Emmercompascuum. In Emmen werd een nieuw complex gebouwd voor de productie van nylon, dat in 1952 in bedrijf werd genomen. Het nylongaren werd tot kousen en panties verwerkt in de Danlon fabrieken. Gaandeweg werden de activiteiten uitgebreid met andere vezelproducten, zoals Twaron en Terlenka.
De crisis van de jaren 1930 en de Tweede Wereldoorlog waren een moeilijke tijd voor de AKU. Na de oorlog moest de Duitse invloed in het bedrijf terug worden gedraaid en werden overeenkomsten van vóór de oorlog opgezegd. Pas in 1969 kwam het tot een nieuwe definitieve fusie van Enka met VGF, die nog in datzelfde jaar werd gevolgd door de fusie met Koninklijke Zout Organon: het ontstaan van AKZO.

Vanaf 1970 ging het bergafwaarts met de vezelactiviteiten; er was sprake van een wereldwijde vezelcrisis en er werden grote verliezen gemaakt door de kunstvezelfabrieken. De fabrieken in Arnhem, Emmercompascuum, Breda en Ede werden respectievelijk in 1976, 1977, 1982 en 2002 gesloten.

Een nog levende erfenis van AKU is Twaron, een supersterke en hittebestendige para-aramidevezel voor bijzondere toepassingen bijv. in kogelwerende vesten en als asbestvervanger. De eerste proefinstallatie voor Twaron ging van start in 1976, onder de vlag van AKZO. Tegenwoordig wordt Twaron gemaakt in Arnhem (Twaron pulp), Delfzijl (Twaron polymeer) en Emmen (spinnen en nabewerking van Twaron garens). Sinds 2000 zijn de Twaron activiteiten overgenomen door Teijin Aramid, onderdeel van de Japanse Teijin group.

Van AKZO naar AkzoNobel

AKZO ontstond in 1969 uit de fusie van Koninklijke Zout Organon en de Algemene Kunstzijde Unie. Het bedrijf bestrijkt op dat moment een enorm scala van productieactiviteiten, variërend van zout en daaraan gerelateerde bulkchemicaliën tot kunstvezels, geneesmiddelen, verven en lakken. Sindsdien heeft Akzo een turbulente geschiedenis van zeer grote overnames en het afstoten van onderdelen. Grote overnames waren onder meer: Stauffer Chemical Company in 1987, de fusie met Nobel in 1994, de overname van Courtaulds (coatings en vezels) in 1998, en ICI (Imperial Chemical Industries) in 2007. De vezelactiviteiten (oorspronkelijk Enka, later onder meer Twaron) en de farmaceutische activiteiten (Organon BioSciences) worden afgestoten. Het huidige Akzo Nobel is actief in drie sectoren: chemie, decorative paints en performance coatings.

Deze pagina is onder meer gebaseerd op
Schot et al. 2000, Steffen 2008, Roordink 1993, AkzoNobel 2016w, Ten Cate 2016w, Wikipedia 2016iw, Wikipedia 2016jw, Wikipedia 2016kw, Wikipedia 2016lw, Wikipedia 2016mw, Wikipedia 2016nw, Wikipedia 2016ow, Wikipedia 2016pw, Wikipedia 2016qw en Wikipedia 2016rw.


Mijnbouwschade


Mijnschade aan gebouwen en infrastructuur, als gevolg van aardbevingen en verzakkingen, is niet een verschijnsel dat exclusief gekoppeld is aan de aardgaswinning in Groningen. Ook bij de winning van steenkool en steenzout waren (en zijn) dergelijke problemen aan de orde. Ook bij deze vormen van mijnbouw ontstaan holten in de ondergrond die door het gewicht van bovenliggende gesteentelagen dicht worden gedrukt; dit verschijnsel wordt convergentie genoemd. Het gevolg daarvan is ook bovengronds zichtbaar in de vorm van verzakkingen.

Steenzout wordt gewonnen door oplosmijnbouw: zoet water wordt in de zoutformatie gepompt, het zout lost daarin op en wordt als pekel weer opgepompt, waarna de pekel gezuiverd wordt in een zoutraffinaderij. Bij deze vorm van zoutwinning ontstaan zogenaamde zoutcavernes: langwerpige holten rond het boorgat in de zoutformatie, die een inhoud van honderden kubieke meters kunnen hebben.

Tegenwoordig is er veel meer kennis dan vroeger over de mechanische eigenschappen van de zoutpakketten en worden de afmetingen van de zoutcavernes met sonarmetingen gemonitored. Zo tracht men te voorkomen dat de cavernes instabiel worden, met bodemdaling aan het oppervlak tot gevolg. Bovengronds worden geodetische technieken toegepast om bodemdaling te monitoren. Op oude winlocaties, onder meer in Hengelo, zijn oploscavernes op een diepte van 300 tot 400 m diepte ingestort, waarbij in een enkel geval een instortingstrechter aan het aardoppervlak is ontstaan. Bij de diepe cavernes in het zoutkussen van Harlingen (op 2500 tot 3000 m diepte) bedraagt de tot nu toe gemeten maximale bodemdaling ruim 30 cm.

Ter vergelijking: in Zuid-Limburg zijn gevallen bekend van lokale bodemdaling tot 10 meter als gevolg van de steenkoolmijnbouw. Medio 2015 zijn het Rijk, DSM en twaalf oud-mijnbouwgemeenten in Zuid-Limburg het eens geworden over een noodfonds voor mijnschade aan woningen. Mijnbouwschade wordt daar overigens niet alleen direct veroorzaakt door instorting van oude mijngangen en –schachten, maar ook door het stijgende grondwater nadat gestopt is met het wegpompen van grondwater ten behoeve van de mijnbouw.

Deze pagina is onder meer gebaseerd op Natuurinformatie 2016w, Kamp 2014 en Provincie Limburg 2016w.

Industriële processen overzicht CBS


Materiaalstromen en grondstofafhankelijkheid van de Nederlandse economie

Nederland beschikt over relatief weinig eigen natuurlijke hulpbronnen, terwijl de economie zwaar leunt op de export en sectoren die veel energie en materialen gebruiken. Een goed inzicht in het gebruik en de afhankelijkheid van grondstoffen is van belang om de toekomstige voorziening van belangrijke materialen veilig te stellen. Dit artikel: CBS, Hoofdstuk 7: Materiaalstromen en grondstofafhankelijkheid van de Nederlandse Economiew, die onderdeel is van de leerstof, analyseert de materiaalstromen in de Nederlandse economie, de grondstofafhankelijkheid en de efficiëntie waarmee grondstoffen worden ingezet.

In dit artikel worden de volgende onderwerpen behandeld:

De winning, export en import van natuurlijke hulpbronnen. Hierover worden gegevens van verschillende grondstoffen in Nederland gegeven, en wordt geconcludeerd dat er sprake is van een fysiek handelstekort en een monetair surplus. Ook worden de gevolgen hiervan behandeld voor de handelspositie van Nederland

De grondstofafhankelijkheid van Nederland. Er wordt behandeld uit welke landen veel geïmporteerd wordt, dit is belangrijk voor de voorzieningszekerheid van grondstoffen. Ook wordt uitgelegd waarom de afhankelijkheid van grondstoffen ook afhangt van de materiaalconsumptie. De geïmporteerde materialen zitten in verschillende productiestadia. Er zijn drie productiestadia: grondstoffen, halffabricaten en eindproducten. In het artikel worden de productiestadia van geïmporteerde materialen behandeld. Als laatste wordt verteld dat de grondstofafhankelijkheid ook afhangt van de mate waarin het importmateriaal belangrijk is voor het eindproduct. Hiermee wordt uitgelegd wat de grondstof-footprint inhoudt.

Grondstofefficiëntie. Omdat de voorraad grondstoffen eindig is, is het belangrijk om efficiënt om te gaan met grondstoffen. Een grotere efficiëntie zal ook de grondstofafhankelijkheid en de kosten verlagen. De efficiëntie wordt behandeld door de materiaalconsumptie per persoon en de efficiëntie per bedrijfstak te beschrijven.

Materiaalsubstitutie en hergebruik. Bedrijven moeten steeds minder afhankelijk worden van de steeds schaarser wordende grondstoffen. Daarom wordt in het artikel de mogelijkheid van het hergebruiken van materialen in verschillende sectoren beschreven. Daarna wordt het aandeel afval per eenheid geproduceerd product beschreven. Dit verschilt ook per industriesector.

Chemische industrie


Net als de term ‘industrie’ is ook ‘chemische industrie’ een verzamelterm, waaronder een scala van groot- en kleinschalige chemische productie-installaties valt. De chemische industrie maakt meestal geen producten voor de consumentenmarkt; zij valt vrijwel geheel onder de noemer procesindustrie. Daartoe behoren zeer grootschalige installaties waar in continue productieprocessen bulkchemicaliën worden gemaakt, maar ook kleinschaliger installaties voor de productie van fijnchemicaliën en speciality chemicals. In de laatstgenoemde takken van de chemische industrie vinden we verhoudingsgewijs veel batch-gewijze productieprocessen, zoals bijvoorbeeld in de verfindustrie en in de productie van ingrediënten voor geneesmiddelen en voedingssupplementen.

Basisproducten chemische industrie

In Nederland worden veel grondstoffen grootschalig in de chemische procesindustrie verwerkt tot basisproducten, die op hun beurt als bouwstenen of als hulpstoffen dienen voor de productie van hoogwaardiger producten.

Voorbeelden van zulke basisproducten zijn:
Chloor
• Methanol (meer weten: Methanolw)
• Etheen (meer weten: Etheenw)
• Propeen (meer weten: Propeenw)
• Fosforzuur
• Zwavelzuur
• Salpeterzuur

Een aantal belangrijke tussenproducten zijn:
• Natriumhydroxide of natronloog is een koppelproduct van chloor. Het vindt op ruime schaal toepassing in de chemische industrie, in de papier- en in de textielindustrie.
• Polyvinylchloride (meer weten: Polyvinylchloridew)
• Polyurethaan (meer weten: Polyurethaanw)
• Polyetheen (meer weten: Polyetheenw)
• Polypropeen (meer weten: Polypropeenw)
• Polyetheentereftalaat (meer weten: Polyetheentereftalaatw)

Procesindustrie in Nederland


Het ontstaan van en het karakter van de procesindustrie in Nederland hebben veel te maken met de grondstoffen in de Nederlandse bodem, de grondstoffen van de agrarische sector en de geografische ligging van Nederland.

Bodemschatten

De grondstoffen die in de Nederlandse ondergrond aanwezig zijn:
• Steenzout: basis voor de productie van chloor en natronloog
Aardgas: energiedrager (grondstof voor de elektriciteitsproductie) en grondstof voor de productie van waterstof, methanol, ammoniak en ureum
Steenkool: de laatste Nederlandse kolenmijnen werd medio 1970’-er jaren gesloten. Steenkool was lang in gebruik als energiedrager (kolenkachels voor ruimteverwarming en koken) en is nog steeds een belangrijke grondstof voor elektriciteitsproductie (nu uit geïmporteerde kolen). Uit de Zuid-Limburgse steenkoolwinning is DSM ontstaan.

Agrarische sector

De grondstoffen die door de agrarische sector worden voortgebracht:
• Melk: basis voor de zuivelindustrie
• Suikerbiet: basis voor de productie van suiker, zoetwaren en ethanol
• Aardappelen: basis voor aardappelzetmeelindustrie
• Tarwe en andere granen
• Oliehoudende gewassen: basis voor onder meer detergenten (wasmiddelen en zeep)
• Hout en andere vezelgrondstoffen: basis voor meubel-, textiel- en papierindustrie

Geografische ligging

De geografische ligging van Nederland: gunstig voor bulkaanvoer van grondstoffen en energiedragers en voor export van producten naar het Europese achterland:
• Steenkool: grondstof voor elektriciteitsproductie en de productie van cokes (bijv. voor de hoogovens)
• Aardgas: grondstof voor elektriciteit en voor de chemische industrie: waterstof, methanol, ammoniak en ureum
• Aardolie: grondstof voor elektriciteit, transportbrandstoffen (benzine, diesel, kerosine) en petrochemische industrie
• Palmolie en andere plantaardige oliën
• Anorganische grondstoffen: grondstoffen voor chemische industrie (bijv. kunstmestindustrie) en metaalindustrie (bijv. hoogovens en aluminiumindustrie)
• Agrobulk (o.m. soja): grondstof voor voedingsmiddelenindustrie, inclusief veevoederindustrie.

Industrie, economie en export


Afgemeten aan de bijdrage van de industrie aan het BBP, het Bruto Binnenlands Product, is de industrie één van de belangrijkste sectoren van de Nederlandse economie. Wat opvalt in onderstaande figuur is hoe groot het aandeel van de export is in de waarde die de industrie in Nederland bijdraagt aan het BBP. Daaraan kun je zien dat een groot deel van de productie van de Nederlandse industrie bestemd is voor de export.


Opbouw bijdrage aan bbp door bedrijfstakken in 2009. Bron: CBS, CPB 2012w

Een recente onderzoeksnotitie van ING International Trade Research, december 2012, laat zien dat Nederland in een aantal industriesectoren tot de wereldwijde top tien van exportlanden behoort. Dat geldt onder meer voor de chemie (6e plaats), voor voedsel en voedingsmiddelen (2e plaats) en ook voor genotmiddelen: dranken en tabak (2e plaats).

Meer weten: ING - Nederland over vijf jaar nog steeds in top van wereldhandelw

Zie ook: systemen-industrie

Watergebruik in de industrie


Verreweg het meeste watergebruik in de industrie betreft koelwater, dat naar schatting voor 80 à 90% van het industriële watergebruik verantwoordelijk is. Het grote aandeel oppervlaktewater in het industriële watergebruik wordt daarmee verklaard. In onderstaande grafiek vind je voor 2011 het aandeel oppervlakte-, grond- en leidingwater in het industriële watergebruik in Nederland.


Waterwinning en -verbruik door de industrie. Bron: CBS, PBL, Wageningen UR 2014w

Als we naar meer in detail gaan kijken naar welke takken van industrie grondwater winnen en gebruiken, dan blijkt de voedingsmiddelenindustrie daarin het grootste aandeel te hebben, bijna de helft:


Winning en verbruik van grondwater door de industrie. Bron: CBS, PBL, Wageningen UR 2014w

Het spreekt vanzelf dat de voedingsmiddelenindustrie veel water gebruikt. Omdat het eindproduct vaak veel water bevat (denk alleen al aan frisdranken en bier), moet het water van hoge kwaliteit zijn. De totale grondwaterwinning door de industrie in 2011 bedroeg 141 miljoen m$^3$. Ter vergelijking: in 1976 werd er nog 433 miljoen m$^3$ grondwater ontrokken door de industrie.
Voor drinkwaterbereiding werd er in 2011 737 miljoen m$^3$ grondwater onttrokken door de drinkwaterbedrijven. Het leidingwaterproduct van de drinkwaterbedrijven wordt niet alleen aan huishoudens geleverd, maar voor een deel ook aan de industrie. In 2011 leverden de drinkwaterbedrijven in totaal 1083 miljoen m$^3$ drinkwater, waarvan 782 Mm$^3$ aan huishoudens en 299 Mm$^3$ aan de zakelijke markt (de resterende 2 Mm$^3$ werden geleverd aan het buitenland).


Winning en verbruik van leidingwater door de industrie. Bron: CBS, PBL, Wageningen UR 2014w

Ook in het industriële gebruik van leidingwater heeft de voedingsmiddelenindustrie een verhoudingsgewijs groot aandeel , samen met de chemische industrie. Het totale leidingwatergebruik door de industrie in 2011 bedroeg 143 miljoen m$^3$, ongeveer evenveel als de industriële grondwaterwinning.

Van het industriële gebruik van oppervlaktewater (voor het merendeel als koelwater) neemt de chemische industrie 62% voor zijn rekening:


Winning en verbruik van oppervlaktewater door de industrie. Bron: CBS, PBL, Wageningen UR 2014w

Lees hier verder: Compendium voor de Leefomgeving over Waterwinning en -verbruik van de industriew



Water in de industrie


Deze pagina is gebaseerd op: RVO 2015

In vrijwel ieder bedrijf wordt water gebruikt als transportmiddel, koelvloeistof of warmtetransporteur. Een unieke eigenschap van water is de hoge soortelijke warmte in vergelijking met andere vloeistoffen. Dat maakt het een zeer geschikt medium voor opslag van energie in koelings- en verwarmingssystemen. De zuiverste vorm van water is als H2O, zonder aanwezigheid van andere stoffen. In de praktijk komt dit echter niet voor vanwege het oplosvermogen van bijvoorbeeld natuurlijke mineralen en lucht. Hierdoor is het vaak noodzakelijk om de samenstelling van water zodanig aan te passen dat het geschikt is voor bepaalde toepassingen in de industrie.

Water wordt in de industrie gebruikt als:
• Spoelwater
• Ketelvoedingswater (in stoominstallaties)
• Koelwater
• Proceswater (water dat in contact komt met reactanten en (bij)producten)

Iedere toepassing vraagt zijn specifieke waterkwaliteit. Voor spoelwater volstaat vaak drinkwaterkwaliteit, behalve in de voedings- en genotmiddelenindustrie en in de farmaceutische industrie, waar een hogere zuiveringsgraad wordt vereist. De gewenste kwaliteit en eigenschappen van het water voor een bepaalde toepassing in de industrie worden bereikt door het op een specifieke manier te behandelen.

Tabel 16 geeft een overzicht van verschillende typen water, waarbij de geleidbaarheid is aangegeven als maat voor de waterkwaliteit, c.q. zuiverheid.


Type water Geleidbaarheid (µS/cm) Noot
Regenwater 30 - 60 Ruraal – stedelijk/industrieel gebied
Drinkwater 300 - 700 Afhankelijk van drinkwaterbedrijf
Grondwater 200 - 1500 Afhankelijk van locatie
Koelwater bij open koeltoren circa 1000 Richtwaarde voor spuien
Zeewater 54000 Afhankelijk van locatie
Tabel 16. Verschillende typen water met karakteristieke geleidbaarheid (uitgedrukt in micro-Siemens per cm)

Waterinname


Bedrijven moeten water innemen om te kunnen produceren. De beschikbaarheid en de kwaliteit van het ingenomen water worden bepaald door de lokale omstandigheden. Meestal is een drinkwateraansluiting aanwezig voor de watervoorziening. Afhankelijk van de geografische locatie kan ook grondwater en/of oppervlaktewater worden ingenomen.

Levering door drinkwaterbedrijven: Drinkwaterbedrijven leveren tot “voor de deur”. Drinkwater is vrij van zwevende stof en is van consumptieve kwaliteit. De kwaliteit is (per leverancier) redelijk constant en de temperatuurverschillen zijn gering. Voor het toepassen van drinkwater als proceswater is meestal een extra waterbehandeling nodig om tot de gewenste, hogere kwaliteit te komen.
Drinkwater is, tot op zekere hoogte, in iedere gewenste hoeveelheid beschikbaar. De innameprijs, vaak gekoppeld met de in te nemen hoeveelheid, is relatief hoog. In sommige gebieden biedt het drinkwaterbedrijf ook alternatieve waterkwaliteiten aan die, afhankelijk van de kwaliteit, goedkoper of juist aanzienlijk duurder zijn dan drinkwater.
Inname van oppervlaktewater (rivier, kanaal, meer, eventueel zee): Oppervlaktewater wordt in het algemeen gebruikt als koelwater. De samenstelling en beschikbaarheid van oppervlaktewater is in het algemeen wisselend en seizoensafhankelijk. In de winterperiode bijvoorbeeld, dient rekening gehouden te worden met ijsgang. De hoeveelheid zwevende stof in het ingenomen oppervlaktewater kan sterk worden beïnvloed door variërende stroomsnelheden ten gevolge de effecten van bijvoorbeeld scheepvaart en hoeveelheid neerslag. Inname van oppervlaktewater vraagt een uitgebreid filtersysteem voor het tegengaan van inname van drijvende delen, modder en vissen. Micro-organismen (bacteriën), organisch materiaal en andere fijne deeltjes kunnen vaak bio-fouling veroorzaken, zoals slijmafzettingen en aangroei van mosselen. Hierdoor neemt het koelvermogen van warmtewisselaars af en door een verhoogde stromingsweerstand in het systeem neemt het elektriciteitsverbruik van de koelwaterpompen toe. Periodiek reinigen is noodzakelijk. De frequentie van reinigen wordt verlaagd door het doseren van chemicaliën in de ingaande stroom.
Inname van grond- of bronwater: Het gebruik van grond- of bronwater wordt steeds meer gebonden aan zeer strenge overheidseisen, waardoor de beschikbaarheid voor industriedoeleinden zeer wordt beperkt. Dit geldt in het bijzonder voor laagwaardige toepassingen zoals proceskoeling. Wanneer echter het gebruik is toegestaan, is de lage temperatuur (5 – 10°C) voor koeldoeleinden een voordeel. Vaak bevat grond- of bronwater mangaan- en ijzerverbindingen die hardnekkige afzettingen in de apparatuur kunnen geven. De bruine kleur van bronwater kan bij contact met producten aanleiding tot problemen geven. Daarom moet dit water ontdaan worden van ijzer en mangaan. De klassieke methode hiervoor is beluchten waardoor ijzer en mangaan oxideren tot onoplosbare verbindingen die te verwijderen zijn door filtratie. Alternatief kan het nog anaerobe water met membraantechnologie (nanofiltratie) ontdaan worden van de meeste Fe2+- en Fe3+- en Mn2+- ionen (ijzer en mangaan zijn dan in opgeloste vorm).
Hergebruik van waterstromen: Vaak kunnen bedrijven voor een deel in hun waterbehoefte voorzien door recirculatie van gebruikte waterstromen voor hergebruik. Indien de kwaliteit het toelaat, kan de gerecirculeerde waterstroom direct worden hergebruikt. Voorbeelden hiervan zijn: koelwaterretour, stoomcondensaatretour, hergebruik van productcondensaat en gereinigd afvalwater.

Tabel 17 geeft een overzicht van industriële toepassingen voor verschillende waterkwaliteiten en geeft aan welke waterbehandelingstechnieken worden toegepast om de betreffende waterkwaliteit uit drinkwater te produceren.


Type water Onthard water Demiwater Hoge kwaliteit Zeer hoge kwaliteit en ultra-zuiver
Geleidbaarheid (µS/cm) 5-50 <5 <0,1 <0,05
Ketelvoedingswater Lage druk, <1,5 bar Middendruk, 1,5 – 20 bar Hoge druk, >20 bar Hoge druk-ketels met stoomturbines
Koel/verwarmings-circuits Lage druk systemen n.v.t. n.v.t. Bij kerncentrales
Proceswater (voorbeelden) Voedings-industrie Voedings-industrie Farma-industrie, injectiewater gasturbines Halfgeleiderindustrie, farma-industrie, kritische procesapplicaties
Technologie (uitgaande van drinkwater) Deelbehandeling met ionenwisseling of ultra/nanofiltratie Omgekeerde osmose of ionenwisseling en/of destillatie Omgekeerde osmose en volledige ionenwisseling Omgekeerde osmose en volledige ionenwisseling en polishing behandeling
Tabel 17. Vuistregels voor toepassing van verschillende waterkwaliteiten en bereiding daarvan uitgaande van drinkwater.

Soorten proceswater


Wanneer water voor een specifieke toepassing, onvoldoende van kwaliteit is, kan dit negatieve effecten hebben voor leidingwerk procesinstallaties, voor het product en voor de gezondheid van werknemers (en consumenten van het product). Onvoldoende waterkwaliteit blijkt bijvoorbeeld uit vervuiling door zwevende deeltjes, afzettingen in apparatuur en leidingen, microbiologische vervuiling en corrosie. Het is daarom belangrijk dat voor de specifieke toepassing de juiste waterkwaliteit wordt gebruikt. De meest gangbare waterkwaliteiten voor proceswater zijn (zie ook tabel 17):
• gefiltreerd water
• onthard water / gedeeltelijk onthard water
• demiwater
• condensaat
• gedestilleerd water en ultra-zuiver water.

Waterbehandelingsprocessen
De meest toegepaste waterbehandelingen zijn:
• ionenwisseling
• membraantechnologie
• koelwaterbehandeling
• ketelwaterbehandeling
• stoomcondensaatbehandeling.

Ionenwisseling: Ionenwisselharsen zijn kunststofkorrels waar actieve groepen in zijn aangebracht die de eigenschap hebben om te reageren met in water aanwezige ionen. Afhankelijk van het soort actieve groep worden kationen of anionen uit het water opgenomen en uitgewisseld tegen een ion uit de actieve groep. Vandaar de naam ionenwisselaars, zie ook figuur 137. Wanneer alle actieve groepen zijn bezet met de opgenomen ionen wordt de hars geregenereerd. Door de hoge concentratie van het regenerant worden de opgenomen ionen weer vervangen door actieve ionen en het hars is weer gebruiksklaar. Er bestaan ook harsen die aan één korrel beide groepen verenigen en een gunstig regeneratierendement hebben. Na de regeneratie worden de restanten regenerant en uitgedreven ionen verwijderd door de harskolom te spoelen. Alle reacties zijn evenwichtsreacties. Om tijdens de regeneratie de opgenomen ionen zo goed mogelijk te verdrijven, is een grotere hoeveelheid zout, zuur of loog nodig dan theoretisch vereist is. Hoe groter deze overmaat, hoe lager het regeneratierendement. De hoogte van deze overmaat (meestal 1,1 tot 1,5) bepaalt de slip van ionen door het filter. De overmaat regenerant spoelt meestal weg en wordt niet opgevangen voor hergebruik, maar verdwijnt naar de afvalwaterzuiveringsinstallatie, eventueel via een neutralisatiebassin om sterke pH-fluctuaties van de overmaat regeneranten uit te vlakken, aangezien die de effectiveit van de afvalwaterzuivering negatief beïnvloeden. Een alternatief voor demineralisatie met ionenwisselaars is de toepassing van Omgekeerde Osmose, met eventueel een nageschakeld mengbed voor polishing, zie hierna.

Figuur 137. Ionenwisseling


Membraantechnologie: Bij watersoorten met een hoog zoutgehalte kan het voordeliger zijn om met membraantechnologie te werken. Door snelle technologische ontwikkeling zijn er tegenwoordig veel verschillende membranen beschikbaar, en zijn de betrouwbaarheid en levensduur daarvan sterk toegenomen. Ook is het elektriciteitsverbruik van de voedingspompen van reverse osmose units lager geworden door gebruik te maken van de druk in de brijnstroom bij het aandrijven van de voedingspomp. Hierdoor is een dalende tendens in het energiegebruik waarneembaar, wat toepassing ook aantrekkelijker maakt.
Afhankelijk van de poriëngrootte in de membranen kan een klassering worden opgesteld naar de grootte van de deeltjes die verwijderd kunnen worden, zie tabel 18.


Klasse Deeltjes (µm) Poriën (µm) Voordruk (bar) Toepassing
Microfiltratie >0,08 >0,1 0,1 – 0,3 Ruwwaterzuivering
Ultrafiltratie 0,008 <0,1 3-10 Ruwwaterzuivering/desinfectie
Nanofiltratie 0,0008 <<0.1 10-30 Verwijdert ook 2+ en 3+ ionen
Omgekeerde osmose 0,0004 <<0,1 20-60 Demineralisatie
Tabel 18. Verschillende typen membraantechnologie.

Belangrijk bij membraantechnologie is het voorkomen van vervuiling van de membranen. Regelmatige spoeling en periodieke reiniging met chemicaliën zijn essentieel en dragen daarmee fors bij aan de variabele kosten van membraantechnologie. Luchtspoeling wordt steeds veelvuldiger toegepast als energiezuinige en milieuvriendelijke reinigingsmethode. Micro- en ultrafiltratie worden al veelvuldig ingezet voor de directe reiniging van oppervlaktewater, dat daarna verder kan worden gereinigd voor verschillende toepassingen als proceswater. Soms worden deze technieken gecombineerd met een coagulatiestap om zo de membranen schoner te houden. Er zijn inmiddels ook installaties waarbij in één stap met behulp van nanofiltratie een goede kwaliteit water uit oppervlaktewater wordt geproduceerd voor verdere verwerking tot demi-, ketelvoeding- en proceswater. Het is een energiezuinige techniek met een laag chemicaliëngebruik.

Koelwaterbehandeling: Het koelvermogen van een open koeltoren is direct gerelateerd aan de waterverdampingscapaciteit. Via waterverdamping wordt de warmte afgevoerd wat tot verlaging van de koelwatertemperatuur leidt. Doordat het koelwater in direct contact komt met omgevingslucht, kunnen micro-organismen in het koelwater zich ontwikkelen en bio-fouling in het koelwatersysteem veroorzaken. Om ongewenste groei van micro-organismen tegen te gaan, wordt veelal een biocide toegevoegd. Het meest gebruikte is chloorbleekloog (ook bekend als natriumhypochloriet).Daarnaast worden de opgeloste componenten in het koelwater geconcentreerd bij de onttrekking van water door verdamping. Bij overschrijding van de oplosbaarheidsconcentraties gaan opgeloste zouten over naar een vaste vorm (precipitatie), wat tot scaling (te vergelijken met ketelsteen) leidt. Om vaste afzettingen in het koelsysteem te voorkomen, worden meestal specifieke chemicaliën gedoseerd, zogenaamde inhibitors, die de precipitatie van opgeloste minerale zouten voorkomen of aanzienlijk vertragen. Ook kan het koelwater het materiaal van leidingwerk en apparatuur aantasten en corrosie veroorzaken. Om vervuiling en aantasting van het koelsysteem te voorkomen, dient enerzijds een deel van het koelwater te worden afgevoerd (spuien) en anderzijds worden chemicaliën gedoseerd die bio-fouling, scaling en corrosie tegen gaan. De verliezen door spuien en verdamping worden gecompenseerd door toevoeging van vers suppletiewater.
Ketelwaterbehandeling: Afhankelijk van het type stoomketel (werkdruk, vlampijp- of waterpijpketel) wordt een ketelwaterbehandeling ontworpen. Zoals eerder al vermeld zijn uit het voedingswater de niet gewenste ionen verwijderd en wordt het water vervolgens ontgast (meestal thermisch) om de zuurstof te verwijderen. Na de ontgassing worden de laatste spoortjes zuurstof meestal verwijderd door ze chemisch te binden. Zelfs in het zeer schone ketelwater kunnen op langere termijn nog afzettingen worden gevormd die de warmteoverdracht negatief beïnvloeden, ondanks het periodiek of continu spuien van de ketelinstallatie. Daarom worden er vrijwel altijd specifieke waterbehandelingschemicaliën gebruikt die dispergerende eigenschappen hebben en zo afzettingen van calcium- en ijzerverbindingen tegengaan.
Stoomcondensaatbehandeling: Stoomcondensaat kan zeer corrosief zijn wanneer het geringe hoeveelheden zuurstof en/of koolzuur bevat die via een buffertank of onderweg in het retourleidingsysteem door beluchting zijn opgenomen. Corrosieschade aan de condensaatleidingen en een verhoogd ijzergehalte in het retourstoomcondensaat zijn de gevolgen. Om de invloed van zuurstof te minimaliseren, zijn een goede ontgassing en zuurstofbinding bij het ketelvoedingswater belangrijk. Na het stoomverbruik wordt de temperatuur van het condensaat, over het algemeen, zo hoog mogelijk (bij voorkeur boven 85°C) gehouden, omdat daardoor het energieverlies wordt beperkt (dat geldt echter niet voor elke systeemconfiguratie) en er zo min mogelijk opname van zuurstof plaatsvindt. Daarom zijn goede isolatie en gesloten systemen vereist voor condensaatsystemen.


Afvalverwerking


In Nederland wordt het meeste afval, nadat recycleerbare componenten verwijderd zijn, verbrand (zie ook onderstaande kaart). In 2012 is er in 13 afvalverbrandingsinstallaties (AVIs) in totaal 7480 kton verbrand. Op dit moment is er feitelijk overcapaciteit voor afvalverbranding: er is bij de planning van afvalverbrandingscapaciteit op meer afval gerekend dan er nu wordt aangeboden. Dat betekent dat er zelfs afval wordt geïmporteerd om de afvalverbrandingsinstallaties voldoende te belasten (onder een bepaalde belastingsgrens kan de AVI niet schoon verbranden).


(bron: Wikimedia Commons)

De verbrande hoeveelheid afval per installatie


Afvalverwerking per installatie. Bron: Rijkswaterstaat 2012w

Provincie Installatie 2008 2009 2010 2011 2012
Groningen EEW Energy From Waste Delfzijl BV* - - 115 249 317
Friesland REC Harlingen - - - 154 228
Drenthe Attero Noord BV GAVI Wijster 625 609 598 639 677
Overijssel Twence Afval en energie 282 493 588 613 608
Gelderland ARN B.V. 273 268 281 261 294
Gelderland AVR Afvalverwerking BV 354 361 365 397 383
Noord-Holland HVCafvalcentrale locatie Alkmaar 662 682 664 608 640
Noord-Holland Afval Energie Bedrijf 1.309 1.284 1.401 1.473 1.473
Zuid- Holland AVR Afvalverwerking Rijnmond 1.195 1.168 1.186 1.242 1.293
Zuid- Holland AVR Afvalverwerking Rotterdam 384 355 - - -
Zuid- Holland HVCafvalcentrale locatie Dordrecht 196 189 233 288 301
Zuid- Holland ZAVIN CV 7 8 9 9 9
Noord-Brabant AEC Moerdijk 709 859 960 985 924
Noord-Brabant SITA ReEnergy 57 57 59 288 334
Totaal 6.053 6.333 6.459 7.207 7.480

De verbrande hoeveelheid afval per afvalcategorie


Afvalverwerking per installatie. Bron: Rijkswaterstaat 2012w

Verbrand afval (kton) 2008 2009 2010 2011 2012
Gemengd stedelijk afval - 2.763 3.727 2.613 3.222
(Grof) huishoudelijk afval 2.932 1.103 458 992 524
Bedrijfsafval, kantoor-, winkel- en dienstenafval 2.158 600 415 1.057 672
Reststoffen na sorteren en scheiden van huishoudelijk afval en niet proces gerelateerd bedrijfsafval 876 1.409 1.451 2.197 2.686
Overig / niet gespecificeerd 50 413 353 294 311
Gevaarlijk afval 36 44 56 53 66
Totaal 6.053 6.333 6.459 7.207 7.480

Totaal aan gemengd stedelijk en huishoudelijk afval, bedrijfsafval en scheidingsresiduen per verwerkingstechniek


Niet alle afval wordt verbrand; een deel wordt gecomposteerd. Voor compostering wordt, behalve gft-afval uit huishoudens, ook ander gescheiden ingezameld organisch materiaal gebruikt, zoals veilingafval en landbouwafval. Daarnaast wordt er nog altijd afval gestort; het gaat dan bijvoorbeeld om bouw- en sloopafval, grond en grondreinigingsresiduen, en om AVI-reststoffen.
Overzicht verwerkte hoeveelheden afvalstoffen per verwerkingsmethode


Afval. Bron: Rijkswaterstaat 2012w


Energie uit afval

Alle Nederlandse AVIs wekken elektriciteit en/of warmte op voor nuttig gebruik. Van de geproduceerde elektriciteit wordt een klein deel door de AVI zelf gebruikt. In 2012 leverden de AVIs circa 82% van de opgewekte elektriciteit aan het net of direct aan externe gebruikers en leverden zij 14,1 PJ aan warmte aan tuinders en industriële gebruikers en voor stadsverwarming.

Door Nederlandse AVIs geproduceerde elektriciteit (bruto) en aan derden geleverde warmte. Bron: Rijkswaterstaat 2012w

2008 2009 2010 2011 2012
Geproduceerde elektriciteit (GWh) 2.898 3.120 3.356 3.805 4.014
Geleverde warmte (PJ) 10,3 10,2 11,2 12,8 14,1
Totaal (PJ) 20,7 21,4 23,3 26,5 28,5

In Amsterdam worden steeds meer stadswijken verwarmd met restwarmte van het gemeentelijke Afval- en Energiebedrijf (AEB).


Recycling in Nederland


Nederland in recycle-top van Europa

Lees dit NU.nl bericht over Recycling in Nederlandw.

Afvalproductie Nederlanders

Volgens Milieu Centraal (Milieucentraal 2014w) bedroeg de huishoudelijke afvalproductie van Nederlanders in 2011 per persoon 533 kg. Daarvan werd 268 kg gescheiden ingeleverd: 67 kg via de milieustraat, de rest via andere kanalen, zoals de afvalbakken en inzamelingsdiensten voor oud papier, glas, textiel, plastics en klein chemisch afval. Van het gft-aandeel, zo’n 164 kg per persoon, werd in 2011 48% gescheiden ingezameld. Van papier en karton (86 kg per persoon) was het gescheiden inzamelingspercentage 73%.

Meer weten: Milieucentraal 2014w

Overigens worden ook bij de AVIs nog allerlei materialen teruggewonnen uit het afval, voor een deel vóór de verbranding, voor een deel uit de bodemas die in de oven achterblijft na de verbranding.

Afvalscheiding

Op het gebied van afvalscheiding zijn er een aantal innovaties aan de gang. Zo is er in delft een technologie ontwikkeld die door middel van wervelstroomscheiding waardevolle non-ferro metalen en schone bouwstoffen, zoals granulaat en zand, wint uit bodemas (Hartman 2006w). Non-ferro metalen zijn metalen die geen ijzer bevatten, en legeringen waar ijzer niet het hoofdbestanddeel van is.
Het hart van een gewone wervelstroom scheider is een krachtige, zeer snel ronddraaiende permanente magneet, zie figuur 138 voor een visualisatie van de wervelstroom scheider. De bodemas valt vlak langs die magneet, waardoor in de metaaldeeltjes wervel stromen (eddy currents) ontstaan, die een elektromagnetisch veld opwekken. De metaaldeeltjes worden tijdelijk zelf kleine magneetjes met een polariteit tegengesteld aan die van de roterende magneet. Terwijl het andere materiaal onverstoord naar beneden valt, worden de metaaldeeltjes afgestoten en belanden ergens anders. De stroom ander materiaal zijn na de wervelstroom scheiding vrij van non-ferro metalen, en daarom kunnen die als schone bouwstof worden gebruikt. De bouwstoffen, gemaakt uit bodemas, zijn granulaat en zand en worden verkocht aan de industrie. De granulaatfracties worden geleverd aan de betonindustrie en veranderen daar in beton met duidelijke granulaatstructuur. De fijnere fracties die uit de bodemas worden gewonnen, worden gebruikt in de kalkzandsteenindustrie. Het enige verschil met traditioneel vervaardigde kalkzandsteen is de kleur.

De jaarlijkse stroom van 1 miljoen ton bodemas in Nederland bevat 30.000 ton non-ferro metalen. In deze stroom zit koper, aluminium, roestvrijstaal (rvs; staal met ongeveer 10% nikkel en 20% chroom), lood, tin, zink, zilver, en goud, en is goed voor een waarde van 60 miljoen per jaar.

Lees meer over afvalscheiding:
Wervelstroomscheidingw
Animatie van wervelstroomscheidingw
Dichtheidsscheiding in magnetische vloeistofw

Van afval tot grondstof

Lees meer over van afval tot grondstof:
Brief naar de Tweede * Kamer over programma van afval tot grondstofw
Programma van afval tot grondstofw
Landelijk afvalbeheerplanw
Scientias over restafvalw


Agro-, voedings- en genotmiddelenindustrie


De Agro&Food sector in Nederland

Nederland is een Agro&Food land. De Agro&Food sector is een van de sterkste industrieën die ons land kent en is van vitaal belang voor de Nederlandse economie en werkgelegenheid. De Agro&Food sector levert totaal bijna 10% van het BBPen 10%van de werkgelegenheid, hiermee is het verreweg de grootste economische sector van Nederland. De Agro&Food sector is ook erg belangrijk voor een gezond voedingspatroon, waardoor ouderen langer bijdragen aan het BBP, en levert een bijdrage aan duurzaamheid en de groei in wereldvoedselvraag. Het belang van de Agro&Food sector zal door mondiale veranderingen de komende jaren ook alleen nog maar stijgen. Nederland is na de VS de grootste exporteur van Agro&Food producten, en in Nederland bevinden zich dan ook veel Agro&Food bedrijven. De Nederlandse kennisinstellingen, met name Universiteit Wageningen, behoren tot de top op het gebied van onderzoek naar Agro&Food.

In dit artikel: De Agro&Food sector in Nederland w, (onderdeel van de leerstof) is de volgende informatie te vinden over de Agro&Food sector in Nederland:

• De toegevoegde waarde van de Agro&Food sector wordt gegenereerd in 4 hoofdonderdelen van de sector. Dit zijn: primaire productie (11%), verwerkings- en levensmiddelenindustrie (19%), distributie, retail en horeca (40%) en toeleveranciers (27%). In de link staan deze onderdelen uitgewerkt.
• De Agro&Food sector levert een grote bijdrage aan de Nederlandse economie, gezondheid en duurzaamheid. In de link staat hoe deze bijdrage tot stand komt, en waarom deze belangrijk is.
• Door mondiale trends zal de vraag naar voedingsmiddelen de komende tijd enorm toenemen. Hierdoor zal het belang van deze sector blijven stijgen. In de link staan deze trends uitgelegd en wat de gevolgen van deze trends zijn op de sector.
• Nederland is een enorme speler op het gebied van Agro&Food in de wereld. Dit komt door een aantal factoren. Deze zijn: Het Nederlandse Agro&Food bedrijfsleven staat aan de internationale top, Nederland is de nummer 1 in innovatie met betrekking tot Agro&Food, de geografische ligging van Nederland is gunstig, en de organisatie van de sector in Nederland is traditioneel goed. In de link staan deze redenen voor de toppositie van Nederland op het gebied van Agro&Food uitgebreid uitgelegd.


Nederlandse export

Nederland behoort tot de wereldwijde top van exportlanden voor agrarische producten, voedings- en genotmiddelen. Veel informatie daarover kun je halen uit de statistieken van de FAO (Food and Agricultural Organisation). In onderstaande grafiek kun je zien dat sigaretten en kaas onze exportlijst van agro-, voedings- en genotmiddelen aanvoeren.


Export van Nederlandse producten in de agro-industrie. Bron: FAO 2014w

Nederland is niet alleen een topexporteur van zuivelproducten uit koemelk, maar ook van bijvoorbeeld cacaopoeder:


Export van Cacao. Bron: FAO 2014w

Zuivelindustrie

In de export van zuivelproducten behoort Nederland tot de wereldwijde top van exportlanden. Een greep uit de FAO statistieken:

Vollemelkpoeder


Export van volle melk poeder. Bron: FAO 2014w

Gecondenseerde volle melk


Export van gecondenseerde volle melk. Bron: FAO 2014w

Kaas van volle koemelk


Export van kaas van volle koemelk poeder. Bron: FAO 2014w

Die positie is enerzijds te danken aan de efficiëntie en kwaliteit van de melkproductie in Nederland, maar ook aan de efficiënte en innovatieve zuivelindustrie. Tegenwoordig levert een Nederlandse koe gemiddeld per jaar meer dan 8000 kg melk, tot wel 8500 kg. Dat geldt ook voor bijvoorbeeld Denemarken en Finland, maar in landen als Bulgarije en Roemenië ligt de jaarlijkse melkproductie per koe nog onder de 4000 kg.

De melk van een koe is anders van samenstelling dan die van andere melkgevende zoogdieren. Zo zijn er grote verschillen in vetgehalte van de melk: in de volle melk van een koe ligt het vetgehalte rond de 4 g vet per 100 g. Voor een paard is dat een stuk lager: 1,6 g vet per 100 g melk. Voor een rendier is het een stuk hoger: rond de 18 g vet per 100 g melk. Door het jaar heen mag je enige schommeling verwachten in de samenstelling van de melk, gegeven de verandering in de voeding van de koe. In het voorjaar is het gras dat zij eet anders van samenstelling dan in het najaar, en in de winter is er geen vers gras beschikbaar.

FrieslandCampina is, gemeten naar omzet, de nummer 2 op de wereldranglijst van zuivelcoöperaties, met een omzet van 8,8 miljard Euro in 2010. De lijst wordt aangevoerd door Fonterra uit Nieuw-Zeeland, met een omzet van 9,1 miljard Euro in 2010.

Zuivelindustrie en broeikasgassen

Koeien zijn een belangrijke bron van broeikasgasemissies. Uit het ingewikkelde spijsverteringsstelsel van de koe komt methaan vrij; dat geldt ook voor andere herkauwers. Daarnaast komt er methaan (CH$_4$) vrij uit de mest, en komt er lachgas (N$_2$O, niet te verwarren met NO$_x$) vrij uit zowel de mest als de landbouwgrond (gevolg van stikstofbemesting). Zowel methaan als lachgas zijn broeikasgassen, en dat in veel sterkere mate dan CO$_2$. Ook andere delen van de zuivelketen, waar de melk verzameld, getransporteerd, gekoeld en verwerkt wordt en vervolgend de producten gekoeld en getransporteerd worden, dragen bij aan broeikasgasemissies; daar heeft het vooral te maken met direct energiegebruik en gaat het dus vooral om CO$_2$ emissies.

Meer weten: een kort maar erg inzichtelijk verslag van CE over broeikasgasemissies in de zuivelketenw

Voedingsmiddelenindustrie en kwaliteit

Bij de bereiding van voedingsmiddelen is hygiëne een cruciale factor. Veel voedingsmiddelen zijn bederfelijk. Dat betekent dat de grondstoffen vers moeten zijn en dat er tijdens het transport van de grondstoffen en de producten en tijdens de verwerkingsprocessen in de fabriek allerlei maatregelen worden genomen om verontreiniging met en groei van ongewenste, met name pathogene (ziekmakende) organismen (ongewenste bacteriën, virussen, schimmels) te voorkomen. Koeling is bijvoorbeeld noodzakelijk voor verse melk en zuivelproducten. Hittebehandelingen worden vaak toegepast om ongewenste bacteriën te doden: bij het pasteuriseren van melk wordt een lagetemperatuurbehandeling (75$^o$C) toegepast. Voor lang houdbare melk wordt een sterilisatiebehandeling gedaan bij hoge temperatuur (tot 120$^o$C). Vooral bij behandeling op hoge temperatuur is het van belang dat de verblijftijd van de melk zo kort mogelijk is, omdat smaak en voedingswaarde er anders onder lijden.

Voedingsmiddelenproducenten hanteren kwaliteitszorgsystemen, waarin alle processen van bemonsteren en analyse (van grondstoffen en (tussen)producten), productie, verpakken, schoonmaken apparatuur e.d. worden beschreven. Hierin zijn in detail de voorschriften beschreven voor de temperatuurbeheersing in de verschillende processtappen, de reinigingsmiddelen die toegepast moeten worden voor reiniging van de apparatuur en hoe vaak die gereinigd moet worden, hygiënevoorschriften voor de productiemedewerkers (beschermende kleding, handen wassen), enz. Onafhankelijke instanties komen regelmatig (ook onaangekondigd) controleren of de kwaliteitszorgvoorschriften adequaat in de praktijk worden toegepast.

Bij voedingsmiddelen, maar ook bij geneesmiddelen, wordt ‘tracking and tracing’ toegepast. Dat betekent dat van elk product dat in de winkelschappen terechtkomt de herkomst getraceerd moet kunnen worden: uit welke batch is het product afkomstig, op welke dag en hoe laat is die batch geproduceerd, uit welke grondstoffen, van welke leverancier? Zo kan, als een product niet aan de kwaliteitseisen blijkt te voldoen, altijd de oorzaak van het probleem worden opgespoord en kunnen er passende maatregelen worden genomen.
Behalve koelen, invriezen en verhitten (pasteuriseren of steriliseren) zijn er nog andere mogelijkheden om voedingsmiddelen lang(er) houdbaar te maken:
• Drogen (incl. vriesdrogen, bijvoorbeeld toegepast om melkpoeder te maken)
• Zouten (bijvoorbeeld zuurkool wordt gemaakt door inzouten van witte kool)
• Suiker toevoegen (bijvoorbeeld gecondenseerde melk, jam en vruchtensiroop)
• UV behandeling voor desinfectie van proceswater en vloeistoffen in de voedingsmiddelenindustrie
• Toevoegen van conserveermiddelen, bijv. nitriet, sulfiet en benzoëzuur (meer weten: Consumentenbond over conserveermiddelenw).


Kunstmest en fosfaten


Introductie over kunstmest

Planten hebben voedingsstoffen nodig om te kunnen groeien. In hoeveelheid zijn water en CO$_2$ de belangrijkste voedingstoffen voor planten, maar daarnaast hebben planten ook stikstof, fosfaat, kalium en zwavel nodig voor hun ontwikkeling. De bovengenoemde stoffen haalt de plant in de vorm van mineralen uit de bodem, zo wordt stikstof ontrokken als nitraat (NO$_3^{-}$) of ammonium (NH$^{4+}$) (Brinkman 2008). Wanneer voedingstoffen in onvoldoende mate in de bodem voorkomen kan dit de kwaliteit of snelheid van de groei van planten verminderen. Om maximale opbrengst te realiseren worden de ontbrekende voedingsstoffen aangevuld, vroeger werden uitwerpselen van vee gebruikt als mest, tegenwoordig wordt vooral gebruik gemaakt van kunstmest. Kunstmest is een kunstmatig samengestelde mengsel van essentiële voedingstoffen die worden samengesteld afhankelijk van het soort gewas op een bepaalde bodem.

Risico's van kunstmest

Meer kunstmest aanbrengen op akkers dan de planten kunnen opnemen leidt tot negatieve milieu effecten. Niet opgenomen nitraten spoelen uit naar het grondwater wat leidt tot negatieve verandering in de diversiteit en samenstelling van het water. Overmatig gebruik van fosfaten en ammoniak zorgt voor verzuring van de bodem. Voor het beperken van negatieve effecten van kunstmest zijn er strenge regels omtrent het gebruik van kunstmest. Voor boeren is de uitdaging om precies de juiste hoeveelheid kunstmest te gebruiken voor zijn specifieke gewas en bodem. Hiervoor kunnen boeren gebruik maken van computermodellen of precisiebemesting.

"In 2015 is in Nederland in totaal 176,3 miljoen kilo fosfaat geproduceerd. Dat is 3,4 miljoen kilo boven het door Europa vastgestelde fosfaatplafond." (Rijksoverheid 2016w). In maart 2016 is besloten om nieuw beleid in te voeren die een beperking geeft aan het aantal beschikbare fosfaatrechten om zo de fosfaatproductie onder het Europese plafond te krijgen. Meer weten: Rijksoverheid 2016w.

Fosfaten

Fosfaaterts wordt op veel plaatsen in de wereld gewonnen. Het is ofwel een sedimentair gesteente, ofwel een magmatisch gesteente. De chemische samenstelling van fosfaaterts varieert, maar de hoofdcomponent is altijd apatiet, een fosfaatmineraal dat ook in onze botten en tanden voorkomt. Apatiet is een groep van mineralen, die onderverdeeld wordt in:
• Fluorapatiet: Ca$_5$(PO$_4$)$_3$F
• Chloorapatiet: Ca$_5$(PO$_4$)$_3$Cl
• Hydroxyapatiet: Ca$_5$(PO$_4$)$_3$OH
Het is vooral fluorapatiet dat als grondstof voor de productie van fosfaat wordt gebruikt.
Er zijn twee routes om fosfaaterts te verwerken tot zuiver fosforzuur (en fosforproducten):

Thermische of droge route

In Nederland werd het thermische fosfaatproces, ook wel bekend als de droge procesroute, tot voor kort uitgevoerd door Thermphos in Vlissingen. Een beschrijving van het productieproces bij Thermphos en een inventarisatie van de mogelijkheden om in dit proces primair fosfaat te vervangen door secundair fosfaat (bijv. uit afvalwater) zijn te vinden in het CE Rapport Fosforkringloop voor Thermphosw (geen verplicht onderdeel van de stof).

Natte route

Bij de natte procesroute wordt fosfaaterts opgelost in zwavelzuur. Daaruit wordt, meestal in meerdere kristallisatiestappen, calciumsulfaat afgescheiden, zodat er schoon fosforzuur overblijft. Dit calciumsulfaat is een bijproduct van het fosforzuurproces, en wordt daarom ook wel fosforgips genoemd. Veel van de verontreinigingen uit het fosfaaterts komen uiteindelijk in het fosforgips terecht, waardoor het niet gemakkelijk geschikt te maken is voor bijv. de bouw. In dat geval is het een problematische afvalstof.

Meer weten: Fosfaatw

Fosfaat recycling

Van de enorme hoeveelheden fosfaat die wereldwijd als kunstmest worden toegepast of die als dierlijke mest op landbouwgronden worden verspreid, komt een groot deel in ons voedsel terecht. Wat niet door de planten wordt opgenomen, spoelt af naar oppervlakte- en grondwater. In Nederland is fosfaatbelasting van het grondwater vooral op de zandgronden een groot probleem. Het fosfaat dat wij opnemen met ons voedsel wordt niet geheel opgenomen door ons lichaam, maar grotendeels weer afgescheiden met onze ontlasting. Omdat primair fosfaat wereldwijd schaarser wordt en omdat de winning ervan veel schade doet aan het landschap, is er steeds meer belangstelling voor fosfaatrecycling uit huishoudelijk afvalwater in rioolwaterzuiveringsinstallaties of uit de as die overblijft na verbranding van RWZI-slib.

Meer weten: Website Fosfaatrecyclingw

Aluminium


Aluminium is een van de meest voorkomende elementen in de aardkorst, het wordt aangetroffen in de vorm van aluminiumoxide, meestal gebonden met ijzeroxiden en –silicaten. Winbare concentraties (rond de 50%) worden aangetroffen in bauxiet, een mineraal dat wijd verspreid over de wereld wordt gevonden. De voorraden liggen doorgaans dicht aan het aardoppervlak en worden in dagbouw gewonnen.

Productie aluminium

De productie van aluminium gebeurt in twee stappen:

Het Bayerproces: van bauxiet naar alumina (zuiver aluminiumoxide)

In de eerste stap moet eerst het bauxiet geïsoleerd worden van het omringende gesteente. Vervolgens wordt het (gemalen) bauxiet gemengd met natronloog. Aluminiumoxide lost hierin op (als natriumaluminaat). IJzeroxide (en andere verontreinigingen in het ruwe bauxiet) lost niet op en kan worden afgefilterd. De natte slurrie die op het filter achterblijft, staat bekend als red mud. De rode kleur is het gevolg van het hoge ijzeroxide-gehalte (vergelijk de rode kleur van roest). De alkalische red mud wordt opgeslagen in grote bassins; het duurt zeker tien jaar voordat de slurry weer is geneutraliseerd door reactie met CO$_2$ uit de lucht. Uit de schone natrumalumininaat-oplossing die is overgebleven laat men nu zuiver aluminiumhydroxide (Al(OH)$_3$) uitkristalliseren. Hieruit wordt tenslotte aluminiumoxide (Al$_2$O$_3$) gevormd door verhitting.

Deze stap staat ook bekend als het Bayer-proces, dat overigens nergens in Nederland wordt uitgevoerd. Aangezien we in Nederland zelf geen bauxietvoorraden hebben, zou uitvoering van het Bayer-proces in Nederland inhouden dat er heel veel ongewenst materiaal met het ruwe bauxiet getransporteerd zou moeten worden en dat we hier in Nederland afvalbekkens voor red mud zouden moeten inrichten.

Meer weten: Bayerprocesw

Het Hall-Héroult proces: van alumina naar metallisch aluminium

Deze stap staat bekend als het Hall-Héroult proces. Dit is een elektrolyseproces, waarbij metallisch aluminium gevormd wordt aan de kathode. Anders dan bij de productie van chloor uit zout, kan alumina niet opgelost worden in water; het oplosmiddel voor alumina in het Hall-Héroult proces is vloeibaar cryoliet (natrumhexafluoroaluminaat, Na$_3$AlF$_6$). Het elektrolyseproces wordt uitgevoerd bij een temperatuur van circa 1000$^o$C. Het metallische aluminium is zwaarder dan het vloeibare cryoliet en zakt naar de bodem. Het wordt periodiek afgetapt uit de elektrolyse-cel. Aan de anode (van grafiet) komt kooldioxide vrij, die ontstaat door dat de zuurstof die aan de anode vrijkomt (uit het opgeloste alumina) zich daar verbindt met koolstof van de anode zelf. De anode wordt dus langzaam ‘opgegeten’ en moet periodiek worden vervangen. Behalve CO$_2$ ontstaan er ook andere gasvormige emissies, met name waterstoffluoride (HF) afkomstig is van het gesmolten cryoliet.

Meer weten: Hall-Héroult-procesw en in de Engelse Wikipediaw

Het Hall-Héroult proces wordt wel in Nederland uitgevoerd, tot voor kort op twee plaatsen: in Delfzijl (Aldel) en in Vlissingen. De procesinstallaties voor het proces staan bekend als aluminiumsmelters. Dat woord is in het Nederlands misleidend, want bij ‘smelten’ denken wij aan de fase-overgang van vast naar vloeibaar materiaal, zonder dat daarbij de samenstelling van het materiaal chemisch verandert. De verwarring ontstaat doordat wat wij in het Nederlands ‘smelten’ noemen in het Engels ‘melting’ heet. Voor de chemische reactie waarbij een vloeibaar metallisch product ontstaat uit een oplossing in gesmolten zout, gebruikt het Engels de term ‘smelting’. In het Nederlands kunnen wij het onderscheid tussen het Engelse ‘melting’ en ‘smelting’ niet maken.

Inmiddels is de aluminiumsmelter in Vlissingen al enkele jaren gesloten, en dit jaar lijkt ook de smelter in Delfzijl definitief zijn deuren te sluiten. Het probleem voor deze installaties is de enorme energie-intensiteit. Aluminiumsmelters verslinden energie in de vorm van elektriciteit. De productie van 1 kg aluminium vraagt ongeveer 15 ± 0,5 kWh ofwel 52 tot 56 MJ. De allermodernste smelters halen circa 46 MJ per kg primair aluminium. Omdat aluminiumsmelters die energie gebruiken in de vorm van elektriciteit, is het voor de levensvatbaarheid van zo’n smelter van levensbelang dat er goedkope elektriciteit beschikbaar is en dat transportverliezen minimaal zijn. Afhankelijk van de geografische locatie en de stroomkosten, maakt elektriciteit zo’n 20% tot 40% uit van de productiekosten van primair aluminium. Veel smelters zijn direct verbonden met een elektriciteitscentrale om kostbare transmissieverliezen te voorkomen. De smelter in Vlissingen lag dicht bij de kerncentrale in Borssele en de vestiging van de smelter in Delfzijl (in 1966 in bedrijf genomen door de toenmalige Hoogovens) was indertijd een logische keuze omdat daar ruimschoots goedkope elektriciteit uit gasgestookte centrales beschikbaar was. Op dit moment zien we dat aluminiumsmelters vooral gebouwd worden in landen waar goedkope elektriciteit overvloedig beschikbaar is, bijv. in Noorwegen en Brazilië (goedkope waterkracht), IJsland (waterkracht en overvloedige geothermische energie) en in het Midden Oosten (overvloedige gasvoorraden).

Als vuistregel kun je aanhouden dat er uit 4 ton droog bauxiet 2 ton alumina (zuiver aluminiumoxide, Al$_2$O$_3$) kan worden gewonnen, waaruit dan weer 1 ton primair metallisch aluminium (Al) kan worden geproduceerd.

Meer weten: Aluminiumw

Aluminium recycling

Aluminium kent talloze toepassingen. Omdat het een licht metaal is helpt het bijv. bij vervanging van staal in auto’s, om energie te besparen tijdens de levensduur van de auto. Aluminium wordt volop gerecycled, zodat de energie-inhoud van het primaire materiaal grotendeels behouden blijft. Recycling van aluminium kost slechts 5% van de energie die nodig is voor de productie van primair aluminium. Aluminium wordt zowel toegepast in producten met korte levensduur (drankblikjes met een levensduur van enkele maanden) als in producten met een lange levensduur, zoals auto’s (gemiddelde levensduur 10 jaar), vliegtuigen en hoogspanningskabels (levensduur van decennia).

Bij het recyclen van aluminium wordt het metaal eerst gescheiden van andere materialen (papier, plastics etc.), in kleinere stukken gehakt en goed gereinigd. Vervolgens wordt het in ovens verhit tot het smelt (bij temperaturen van rond de 750$^o$C). Verontreinigingen komen bovendrijven op het vloeibare aluminium en kunnen zo worden verwijderd. De smelt wordt bovendien ontgast. Afhankelijk van de zuiverheid van de smelt en de gewenste kwaliteit, worden tenslotte nog elementen als koper, zink, mangaan, silicium e.d. in kleine hoeveelheden toegevoegd om de gewenste legering te maken. Een legering kun je vergelijken met een vaste oplossing: door bepaalde elementen in lage concentraties toe te voegen aan een metaalsmelt, kun je eigenschappen als buig- en treksterkte, geleidbaarheid e.d. heel precies beïnvloeden.

Meer weten: Infoblad van het Aluminium Centrum over recycing van aluminiumw

IJzer en staal


IJzer is een veel gebruikt metaal dat wordt gewonnen uit ijzererts. Om ijzererts nuttige toepassingen te geven wordt de ijzererts in hoogovens zoals bij Tata Steel in IJmuiden verwerkt tot staal (een legering van ijzer en koolstof). De ijzererts wordt gewonnen in ijzermijnen verspreid over de wereld, maar de grootste producenten van ijzererts zijn China, Brazilië, Australië, Rusland en India, samen zijn die landen goed voor ongeveer 70% van de wereldproductie (Wikipedia 2016uw)

Staal productie

Staal wordt in de volgende stappen omgezet van erts in staal. Ten eerste wordt de ruwe erts vergast of vermalen, waarna het aan een hoogoven wordt toegevoegd. In de hoogoven vindt het proces plaats, zoals schematisch is weergegeven in figuur 138. In de hoogoven wordt de erts verhit tot vloeibaar ruwijzer met een temperatuur van 1500 $^o$C. In het proces van ruwijzer productie komt als reststroom slakken vrij die worden gebruikt in de productie van cement.

Om van ruwijzer ruwstaal te maken wordt het vloeibare ruwijzer belucht. Het doel van het beluchten is het koolstofgehalte te laten dalen om het hiermee geschikt te maken voor lassen en bewerken. Door het ruwijzer te beluchten met zuurstof loopt de temperatuur op tot 2000 $^o$C en wordt de koolstof uit het ruwijzer verbrand. Na dit proces blijft er ruwstaal over, klaar om gewalst te worden tot staalplaten.

Figuur 138 Staalproductie. Bron: ThiemeMeulenhoff Educatiefw

Toepassingen van ijzer en staal

IJzer wordt gebruikt voor veel verschillende producten. Vooral in de bouw en bij de productie van bijvoorbeeld auto, vliegtuigen en boten is staal veelal onmisbaar. Volgens World steel zal de vraag naar staal komende jaren blijven toenemen, momenteel is de vraag naar staal 1.544 miljoen ton staal per jaar (FD 2015aw). De vraag naar staal is voor een groot deel een afgeleiden van wereldeconomieën. Het inzakken van de economie in China heeft met een kleine vertraging een groot effect op de vraag naar staal.


Voorkomen

IJzererts is een veel voorkomend erts en is relatief goedkoop. Volgens het FD (FD 2015bw) kosten dankzij een wereldwijd overaanbod een ton ijzererts 40 dollar per ton. De lage prijs is vooral te danken aan het feit dat ijzererts veel in de aardkorst zit en vaak geconcentreerd. De erts kan gewonnen worden uit Hematiet of Magnetiet. Hetmatiet is een erts met een ijzer gehalte van ongeveer 66% en kan direct worden gebruikt in hoogovens. Magnetiet heeft ijzergehalte van tussen de 25% en 40% en heeft eerst voorbewerking nodig om het ijzergehalte te verhogen alvorens het gebruikt kan worden in de hoogovens.

Cement en beton


Cement is in alle landen een belangrijke bouwstof. Cement wordt vervaardigd uit kalksteen of mergel. Die grondstoffen bestaan grotendeels uit calciumcarbonaat (CaCO$_3$). In Nederland wordt mergel gewonnen bij Maastricht. Na voorbehandeling van de grondstof (drogen, vermalen en zeven) wordt die gemengd met ijzer-, aluminium- en siliciumoxides, die het cement de gewenste eigenschappen moeten geven. Dan wordt het mengsel verhit tot zo’n 1450$^o$C. Deze behandeling wordt ook wel ‘calcineren’ genoemd: het calaciumcarbonaat ontleedt bij deze temperatuur in calciumoxide, CaO, en kooldioxide, CO$_2$. Calciumoxide, dat ook bekend staat als ongebluste kalk, is zeer reactief en verbindt zich met de ijzer-, aluminium- en siliciumoxides tot aluminaat- en silicaatverbindingen. Omdat de calcinering in een roterende trommel wordt uitgevoerd, vormen zich korrels van die nieuwe verbindingen, Die korrels worden ook ‘klinkers’ genoemd. Die korrels worden vermalen. Door andere materialen bij te mengen kunnen er verschillende soorten cement en beton worden gemaakt, met verschillende constructieve eigenschappen.


Holcim cementfabriek in Obourg (België) (bron: Wikimedia Commons)

Meer weten:
Cementindustriew
• De editie ‘beton’ van Chemische Feitelijkhedenw

Chloor


Chloor is een belangrijke grond- en hulpstof voor de chemische industrie (meer weten: Chloor_(element)w).
Chloor is buitengewoon corrosief en gevaarlijk voor mensen. Bij kamertemperatuur is het een groenachtig gekleurd gas dat brandwonden op de huid en ernstige schade aan de slijmvliezen: ogen, luchtwegen en longen, veroorzaakt. In de eerste wereldoorlog is het gebruikt als gifgas.

Toepassingen van chloor

De bekendste kunststof die chloor bevat is polyvinylchloride (PVC). Veel mensen realiseren zich niet dat chloor ook belangrijk is voor de bereiding van heel veel andere producten die zelf geen chloor bevatten. In die gevallen is chloor een belangrijke hulpstof in het productieproces. In zo’n procesroute wordt vaak gebruik gemaakt van gechloreerde tussenproducten omdat die heel reactief zijn en zeer selectieve reacties mogelijk maken. In volgende stappen van het productieproces onderweg naar het gewenste product, wordt chloor dan weer verwijderd. Zo is chloor een belangrijke hulpstof voor de bereiding van MDI (methyleendifenyldi-isocyanaat), een bouwsteen voor de productie van polyurethaan (PU), dat onder meer belangrijke toepassingen vindt in verven en coatings, inclusief autolakken.

Productie van chloor

Chloor wordt gemaakt uit ‘gewoon’ zout: natriumchloride, dat we allemaal kennen als keukenzout. Voor de grootschalige productie van chloor wordt in Nederland gebruik gemaakt van steenzout, dat in het oosten en noorden van het land uit de bodem wordt gewonnen door zogenaamde oplosmijnbouw. Daarbij wordt water in de steenzoutlaag geïnjecteerd. Het zout lost daarin op; de pekeloplossing wordt opgepompt en bovengronds gereinigd. De bereiding van chloor vindt plaats door elektrolyse (meer weten: Elektrolysew). Bij de elektrolyse van een pekeloplossing komt het (gasvormige) chloor vrij aan de anode; aan de kathode wordt (gasvormig) waterstof gevormd en ontstaat er een oplossing van natronloog (natriumhydroxide, NaOH). Het chloorgas wordt vervolgens gekoeld, gedroogd, gecomprimeerd en gecondenseerd om als vloeibaar chloor te worden getransporteerd naar afnemers.

Chloortransport

In Nederland wordt chloor alleen nog per buisleiding getransporteerd. Op 10 augustus 2006 reed de laatste chloortrein door Nederland (VROM 2008w). Omdat buisleidingen op zichzelf ook een risico inhouden, zijn de chloortreinen die vroeger van Hengelo naar Pernis reden niet vervangen door een buisleiding. Risico’s van chloortransport worden tot het uiterste beperkt door chloor alleen nog te produceren op het industrieterrein waar het ook gebruikt wordt. In Nederland vinden we daarom alleen zeer lokale chloortransportleidingen binnen het Rotterdamse haven- en industriecomplex en binnen het Eemsdelta haven- en industriegebied, bij Delfzijl. Opmerkelijk is dat chloor zoveel mogelijk in kringloop wordt gehouden.

Chloorkringloop

In Nederland worden chloor en chloorhoudende stoffen die vrijkomen uit productieprocessen waarin chloor wordt gebruikt, zoveel mogelijk weer teruggevoerd in de chloorkringloop. Daarmee wordt het ontstaan van chloorhoudende afvalstoffen en emissies naar afvalwater en atmosfeer zoveel mogelijk aan de bron gereduceerd. In het Rotterdamse haven- en industriegebied wordt chloor geproduceerd door AkzoNobel. AkzoNobel levert het vervolgens via een buisleiding aan Hexion (voor de productie van epoxyharsen) en aan Huntsman (voor de productie van polyurethaan). Epoxyharsen en polyurethaan bevatten zelf geen chloor. In deze processen wordt chloor als hulpstof gebruikt om bepaalde selectieve conversiereacties mogelijk te maken, maar uiteindelijk wordt het weer uit het productieproces verwijderd. Het komt grotendeels vrij als zoutzuurgas (waterstofchloride of HCl). Dat zoutzuurgas is op zijn beurt een grondstof voor de productie van vinylchloride (de bouwsteen voor PVC, polyvinylchloride) bij Shin-Etsu. De chloorhoudende reststoffen die als ongewenste bijproducten van al deze productieprocessen ontstaan, worden teruggestuurd naar AkzoNobel, waar ze zoveel mogelijk worden herverwerkt tot zoutzuur, dat weer nuttig gebruikt kan worden. De chloorhoudende reststoffen die dan nog overblijven, moeten tenslotte afgevangen worden in de waterzuiveringsinstallatie.

Lees meer over Chloor in Chemische Feitelijkheden over Chloor - secties 4, 5 en 6w


Kalksteen


Naturalis schrijft over kalksteen: "zuivere kalksteen is vrij wit of lichtgrijs van kleur, wanneer kalksteen gele of bruingele tinten heeft, is het kalksteen gemengd met ijzerverbindingen. Kalksteen wordt ook wel carbonaat genoemd, dit is de chemische verbinding CO$_3$. Kalksteen wordt het meest gebruikt als grondstof voor cement. Jaarlijks gebruikt de Nederlandse cementindustrie ruim 2,5 miljoen ton kalksteen. Daarnaast wordt gemalen kalksteen toegepast voor industriële doeleinden, zoals voor kalkmeststof, voor de mengvoederindustrie, de papierindustrie, voor rookgasontzwaveling en als vulstof in diverse toepassingen. Voor industriële toepassing is op jaarbasis ongeveer een half miljoen ton kalksteen nodig" (Naturalis 2016w). In de Nederlandse ondergrond komt veel kalksteen voor en wordt voornamelijk in Zuid-Limburg, specifiek nabij Houthem, Maastricht en Gulpen gewonnen, omdat het daar dichtbij het oppervlak ligt (Naturalis 2016w).

Over de winning schrijft Naturalis: "Tot aan het begin van de twintigste eeuw werd kalk alleen gewonnen uit schelpen. Dit gebeurde langs de stranden en in ondiepe delen van de Noordzee en de Waddenzee. Deze schelpen gingen voor verdere bewerking naar kalkovens. Tegenwoordig komt kalk uit de kalksteengroeven in Zuid-Limburg en bij Winterswijk. Voor dat doel vindt afgraving van zachte kalksteen, of mergel, in de St. Pietersberg plaats" (Naturalis 2016w).

Aardolieketen


De aardolieketen is complex omdat olie vele toepassingen kent. Hieronder staat een overzicht van de belangrijkste stappen.


De aardolieketen

Voorraad, winning, transport en opslag

Ten eerste wordt olie uit de voorraden gewonnen waarna het getransporteerd wordt naar een afnemer.

Raffinage

De belangrijkste eerste stap is om de aardolie te raffineren. In een raffinaderij ontstaan er drie type producten; restproducten, transportbrandstoffen en grondstoffen voor de petrochemische industrie.

Verwerking en gebruik

De transportbrandstoffen ondergaan kleine bewerkingen, voornamelijk toevoegingen van stoffen, waarna ze gedistribueerd worden naar de afnemer. De grondstoffen voor de petrochemische industrie kennen een groot aantal verscheidene stappen waarbij stoffen ontstaan die gebruikt worden als grondstoffen voor eindproducten. De restproducten kunnen of direct gebruikt worden voor bijvoorbeeld het maken van asfalt of ze kunnen omgezet worden in transport of petrochemische grondstoffen. Deze omzetting vindt vaak plaats omdat de reststoffen een lage economische waarde hebben.

Aardolieraffinage


Een moderne raffinaderij, zoals die van Shell Pernis, bestaat uit 40 fabrieken die 44.000 liter per minuten aan ruwe olie verwerken. De samenstelling van aardolie per veld verschilt. Om de aanwezige installaties in een raffinaderij optimaal te kunnen benutten is olie met specifieke eigenschappen nodig. In complexe raffinaderijen wordt hiertoe een mengsel (zgn. 'crude-mix') gemaakt van olies die afkomstig kunnen zijn van olievelden van over de hele wereld. Het is daarom niet meer erg van belang in de buurt te zijn van een bepaald olieveld. Hierdoor heeft sinds de jaren vijftig een verschuiving plaats gevonden van de soort locatie waar raffinaderijen zich vestigen: raffinaderijen werden vooral in de buurt van de afzetmarkt, de consumenten geplaatst. Daarvoor zijn drie redenen:
• De hoeveelheid en kwaliteit olie gevonden per land of gebied hoeft niet aan te sluiten op de lokale marktvraag. Een lokale raffinaderij kan daarom moeilijk kostenoptimaal werken.
• Transport van grote hoeveelheden ruwe olie brengt lagere kosten met zich mee dan het transport van de producten, omdat de ruwe olie in z’n geheel omgezet kan worden in eindproducten.
• Lokale politieke belangen pleiten voor een eigen raffinage. Veel landen willen liever niet afhankelijk zijn van het buitenland voor hun (transport)brandstofvoorziening. Het is gemakkelijker strategische olievoorraden aan te houden dan voorraden van alle producten (zie voorgaande punt).

Bij het vinden van een nieuwe locatie voor raffinaderijen speelt tegenwoordig een nieuw aspect mee; de grootte van de olietankers. Deze supertankers hebben diepe en grote aanloophavens nodig. Daarnaast spelen vervuiling en veiligheid ook een belangrijke rol. Zo moeten nieuwe raffinaderijen een flinke afstand van omringende bebouwing gebouwd worden.

Aardolie bestaat uit duizenden verschillende koolwaterstoffen. Elke van deze verbindingen heeft een uniek kookpunt. In een raffinaderij wordt begonnen met een destillatie van de ruwe olie. Hier worden op basis van het kookpunt een aantal fracties gescheiden;
• Gas (C$_4$)
• Nafta (C$_8$)
• Benzine (C$_8$)
• Kerosine (C$_{12}$)
• Gasolie/stookolie (C$_{16}$)
• Residu (C${_16+}$)

Het residu heeft, zoals eerder gesteld, een lage economische waarde. Daardoor wordt een groot deel ervan gekraakt. Hierbij breken de grote koolstofketens onder hoge druk en temperatuur in stukken.

Ontwikkelingen in de industrie


Traditioneel worden in de chemische industrie producten door fabrieken met steeds grotere capaciteit geproduceerd om zo de productiekosten zo laag mogelijk te houden. De realisatie van een dergelijke fabriek vergt een grote investering die niet eenvoudig ongedaan gemaakt kan worden. In recente jaren zijn er meerdere ontwikkelingen gaande die deze gang van zaken in de toekomst kunnen veranderen.

Procesintensificatie

Een eerste ontwikkeling is procesintensificatie. Procesintensificatie houdt in dat het ontwerp van het proces dusdanig is dat er optimaal gebruik gemaakt kan worden van de chemische en fysieke eigenschappen van de producten die verwerkt worden. In de praktijk betekent dit bijvoorbeeld dat grote batch reactorvaten vervangen worden door een veel kleinere buis waarin een continue stroom van reactanten met elkaar gemengd worden en kunnen reageren. Door het gebruik van kleiner materieel is het veel beter mogelijk om materialen gelijkmatig te verwarmen (koelen), kunnen reactanten preciezer met elkaar gemengd worden, en is er veel minder pijpwerk (met bijbehorende verwarming of koeling) tussen de verschillende onderdelen van een fabriek nodig. Al met al zorgt dit voor een lager energiegebruik en voor een lagere verspilling van producten. Door de lagere capaciteit van deze opstellingen lijkt het er echter voorlopig op dat deze enkel rendabel zijn voor producten waarvan kleine hoeveelheden verkocht worden (zoals specialty chemicals).

Modulaire fabrieken

De tweede ontwikkeling is het modulair opbouwen van fabrieken. Als een fabriek modulair is opgebouwd wordt niet in een keer de gehele fabriek gebouwd, maar wordt slechts een basis (infrastructuur en ondersteunende voorzieningen) voor de gehele fabriek en een gedeelte van de uiteindelijke capaciteit gerealiseerd. Na verloop van tijd, als de vraag zich ontwikkelt zoals verwacht, worden extra 'modules' aan de fabriek toegevoegd. Op deze manier wordt uiteindelijk een volledige - zij het een wat duurdere - fabriek gerealiseerd. De modulaire opbouw van een fabriek maakt het ook mogelijk om bij het ontwerp van de fabriek al rekening te houden met de mogelijkheid dat er regelmatig geschakeld moet worden tussen productieprocessen. De installaties in een dergelijke fabriek worden hiervoor op zo'n manier opgesteld dat ze vanuit de controlekamer eenvoudig uit het productieproces gehaald kunnen worden of aan het productieproces toegevoegd kunnen worden. Deze configuratie van een fabriek is enkel rendabel voor producten waar het volume relatief laag van is en voor producten waar de marge relatief groot van is. Omdat deze fabrieken duurder zijn dan de traditionele fabrieken is het van belang dat er relatief vaak geschakeld moet worden tussen opstellingen en dat er voldoende marge op de producten zit zodat de grotere investering terugverdiend kan worden. Dit sluit aan bij de algehele trend in de chemische industrie dat er een bewustere keuze gemaakt wordt voor het type fabriek op basis van het volume en de marge van de producten die geproduceerd moeten worden.

Voorbeeld

De eerste figuur toont de technologie die gebruikelijk wordt toegepast. Deze technologie gebruikt batchverwerking, wat betekent dat een bepaalde hoeveelheid van de 3 feedstocks in de reactor gedaan wordt. Als de gewenste hoeveelheid in de reactor aanwezig is wordt de reactie gestart, wat resulteert in het gewenste product. Als de reactie is afgelopen wordt het product uit de reactor verwijderd en opgeslagen in de product tank. Deze opslag is nodig omdat de verwerkingsstap die hierna volgt niet direcht de geproduceerde "batch" kan verwerken.


Traditionele opzet. Image used with the permission of the Department of Chemical Engineering and Biotechnology, University of Cambridge, Bron: University of Cambridge 2014w

In de tweede figuur wordt het geïntesifeerde proces getoond. Deze technologie maakt gebruik van continue verwerking, wat betekent dat een continue stroom van de 3 feestocks (in een bepaald verhouding) in de reactor geïnjecteerd wordt. De reactor is een lange buis waarin bladen gemonteerd zijn die de feedstock met elkaar mengen als ze door de reactor heen gaan. Aan het eind van de buis komt het gewenste product uit de reactor. Omdat door middel van deze techologie een stabiele stroom van het product wordt geproduceer is er geen grote product tank nodig. De volgende verwerkingsstap kan namelijk deze stroom direct verwerken. Echter, om schommelingen in het process op te kunnen vangen wordt er wel een veel kleinere buffer tank gebruikt, zodat de volgende verwerkingsstap continue van het product voorzien kan worden.


Geïntensifeerde opzet. Image used with the permission of the Department of Chemical Engineering and Biotechnology, University of Cambridge. Bron: University of Cambridge 2014w


Hernieuwbare kunststoffen

Tegenwoordig worden er steeds meer kunststoffen gemaakt uit hernieuwbare bio-grondstoffen. De meeste bio-plastics zijn gemaakt op basis van zetmeel uit maïs, aardappelen of tarwe. Om die kunststoffen voldoende houdbaar te maken, worden ze met (afbreekbare) weekmakers beschermd tegen inwerking van water en bacteriën.

Andere bioplastics worden gemaakt uit melkzuur: polymelkzuur of poly-lactic acid (PLA), dat wel waterbestendig is.

Om het verwarrend te maken: niet alle bio-plastics zijn composteerbaar, terwijl sommige kunststoffen die uit aardolie worden gemaakt wel composteerbaar zijn.

Meer weten: Milieucentraal over composteerbaar kunststofw


Warmte- en CO$_2$netwerken


In dit college staan twee onderwerpen centraal: warmtenetten en co2-netwerken.

Bij dit college worden het volgende behandeld:

Warmtenetwerken

warmwater-infrastructuur
aardwarmte

Meer weten:
• Het dossier warmtenetten van De Ingenieur 2012w.
Natuurinformatie over aardwarmtew
Aardwarmtew
RWS over bodemenergiew
• Lees bij NLOGw over de vergunningensituatie aardwarmte opsporing en winning op 1 jan 2015.
• Lees Koude-warmteopslagw over koude-/warmteopslag in de bodem.

CO$_2$-netwerken

CO$_2$
Technische Weekblad over CO2w, onderdeel van de leerstof.








Warmwater infrastructuur


Naast de infrastructuur voor drinkwater is er zich een tweede waterinfrastructuur aan het ontwikkelen die niet draait om watervoorziening, maar om warmtevoorziening. Het gaat hierbij om de overdracht van industriële restwarmte aan woningen, kassen en bedrijven. In deze infrastructuur wordt water van rond de 80 graden Celsius getransporteerd van afvalverbrandingcentrales en grote industriële complexen als raffinaderijen naar huishoudens. De warmtenetwerken die daarvoor worden aangelegd transporteren niet de warme reststromen direct van het bedrijfsterrein naar de klant; het warmtenetwerk is gesloten. De restwarmte wordt via warmtewisselaars overgedragen aan het water in het gesloten warmtenetwerk. In de regio Rotterdam alleen al is er jaarlijks 15 tot 20 petajoule beschikbaar aan restwarmte. Dat is voldoende om 500.000 huishoudens van verwarming te voorzien.

Een warmwaternet heeft als voordeel dat het schoon, duurzaam en gebruiksvriendelijk is. Bij het verbranden van gas in CV-installaties ontstaan CO$_2$ en NOx als verbrandingsproducten. Naast het terugdringen van schadelijke emissies naar de lucht, heeft het benutten van industriële restwarmte als bijkomende milieuvoordelen dat er minder opwarming van het oppervlaktewater ontstaat en dat de geluidshinder ten gevolge van koelsystemen in het industriegebied afneemt. Zoals in eerdere hoofdstukken gezien, vertegenwoordigen energiedragers een economische waarde en zijn daarnaast, in het geval van fossiele brandstoffen, schaars en onvervangbaar. Hergebruik van restwarmte uit de industrie, betekent een efficiëntere benutting van de kostbare en schaarse fossiele energiedragers. Bij gebruik van warm water afkomstig uit industriële processen is het milieurendement hoog (vergelijk het met wkk). Hergebruik van deze warmte draagt daarmee bij aan een duurzame energiehuishouding.

Woningcorporaties en andere verhuurders reageren mede om die reden enthousiast op het idee. Voor de consument is warmte betrekken van een warmwaternet gemakkelijk en comfortabel; de warmte is altijd beschikbaar en individueel te regelen. Er is geen CV-installatie meer nodig die ruimte inneemt en onderhoud vraagt.


Kooldioxide


Broeikasgas

Kooldioxide, CO$_2$, is een belangrijk broeikasgas. De broeikaseffect-versterkende werking van CO$_2$ is veel geringer dan die van bijvoorbeeld methaan of lachgas, maar het gaat om reusachtige hoeveelheden, omdat CO$_2$ vooral vrijkomt bij verbranding van fossiele brandstoffen, en dat is nog steeds de belangrijkste vorm van energievoorziening in de wereld. Natuurlijk komt er ook CO$_2$ vrij bij verbranding van biomassa, maar dat is kort-cyclisch CO$_2$ dat weer opgenomen kan worden door groeiende planten, aannemend dat het landoppervlak voor plantengroei (natuur en landbouw) gelijk blijft. De mens veroorzaakt per jaar zo’n 8 miljard ton CO$_2$ emissies naar de atmosfeer. Daarvan wordt 55% opgeslagen in oceanen en planten; de rest blijft in de atmosfeer. Op zo’n 100 meetstations over de hele wereld wordt de concentratie van CO$_2$ in de atmosfeer gemeten. Sinds het begin van de metingen in 1958 is de concentratie gestegen van 315 ppm naar 400 ppm.

Ontwikkeling CO$_2$ concentratie

De ontwikkeling van de CO$_2$ concentratie in de atmosfeer geeft aanleiding tot zorgen over anthropogene klimaatverandering (klimaatverandering die veroorzaakt wordt door de mens, anders dan door natuurlijke processen), en over de ecologische en economische schade die daarvan het gevolg kan zijn (bijvoorbeeld door zeespiegelrijzing en extreme stormen). Daarom is er klimaatbeleid ontwikkeld. Dat heeft ten doel de wereldgemiddelde temperatuurstijging tot niet meer dan 2 graden te beperken (ten opzichte van het pre-industriële tijdperk).

Afvang en opslag van kooldioxide (CCS)

Het bevorderen van energiebesparing (bijv. door energieneutrale woningen te bouwen) en het gebruik van duurzame energie (uit zon, wind, water en biomassa) zijn belangrijke componenten van het klimaatbeleid. Het tempo waarmee langs die wegen structurele reductie van CO$_2$ emissies bereikt kan worden, is echter niet voldoende om de klimaatdoelstellingen te halen. Daarom wordt er ook veel onderzoek gedaan naar technieken om CO$_2$ op te vangen en het veilig op te slaan, zodat het in geen geval in de atmosfeer terecht komt. We spreken hier van CCS: Carbon Capture and Storage.

CCS technologie

Carbon Capture and Storage (CCS) is een verzamelnaam voor verschillende (combinaties van) technieken om te voorkomen dat de CO$_2$ die ontstaat bij de verbranding van fossiele brandstoffen, in de atmosfeer terecht komt. Er wordt wel gesproken van ‘schoon fossiel’ als energievoorziening uit fossiele brandstoffen gecombineerd wordt met CCS.
Om bij een elektriciteitscentrale die kolen, gas of olie verstookt CO$_2$ emissies te voorkomen zijn er drie mogelijkheden:
• CO$_2$-verwijdering na verbranding (post-combustion). Dat kan a) uit de rookgassen na verbranding met lucht of b) na verbranding met zuivere zuurstof (oxyfuel)
• CO-verwijdering vóór verbranding (pre-combustion). Dat kan alleen wanneer eerst syngas (een mix van CO en H$_2$) wordt gemaakt, bijvoorbeeld door kolen eerst te vergassen.

Voor bestaande centrales komt alleen de eerste route in aanmerking. In alle gevallen kost de verwijdering van CO$_2$ na verbranding veel energie. Bij toepassing van het oxyfuel-proces kost de verwijdering van CO$_2$ uit het (geconcentreerde) rookgas van de centrale veel minder energie dan bij de verwijdering uit ‘gewoon’ rookgas, maar daar staat tegenover dat je eerst zuivere zuurstof moet maken (door scheiding van lucht in zuurstof en stikstof).

De pre-combustion route verdient speciale vermelding: hier wordt feitelijk synthesegas (syngas) gemaakt. Dat is een mengsel van koolmonoxide (CO) en waterstof (H$_2$). Syngas wordt in raffinaderijen gemaakt voor de productie van waterstof (die nodig is om uit zware olie toch zoveel mogelijk ‘lichte‘ producten als bijvoorbeeld benzine te maken). In de chemische industrie wordt syngas gemaakt uit aardgas voor de productie van methanol. Met betrekking tot elektriciteitscentrales, zou dat ook kunnen met aardgascentrales en door vergassing van kolen.

Afgevangen kooldioxide wordt vervoerd via pijpleidingen of schepen naar de opslag. Kooldioxide kan worden opgeslagen in lege aardgasvelden, in lege zoutcavernes en in diepe aquifers. In de loop der tijd lost het op in het daar aanwezige (brakke) formatiewater, waarna het geadsorbeerd wordt aan het formatiegesteente en tenslotte door mineralisatie (waarbij carbonaatgesteenten ontstaan) voorgoed geïmmobiliseerd wordt. Dat proces kost duizenden jaren.

Maatschappelijke discussie rond CCS

Er is een heel scala aan argumenten voor en tegen CCS in het kader van klimaat, energie, milieu, economie, veiligheid en ethiek. TNO heeft deze argumenten in kaart gebracht in de Argumentenkaart CO2-afvang en -opslagw. Er is een grote diversiteit aan argumenten voor en tegen. CCS kan helpen bij het behalen van klimaatdoelstellingen, het belang voor CCS is te zien in de grote reductiebijdrage van 18 Mton in de indicatieve toedeling voor reductie tot 2030 Regeerakkoord (2017)w. Maar er zijn ook argumenten tegen, bijvoorbeeld omtrent de kosten die aanzienlijk zijn. De benodigde investering kan dan niet naar andere maatregelen. Een eerder CCS project in Barendrecht is berucht geworden vanwege de publieke weerstand: zonder maatschappelijk draagvlak bleek de uitvoer niet mogelijk Barendrecht CCSw. Onafhankelijk onderzoek heeft aangetoond dat de opslag veilig plaats zou kunnen vinden, het is echter een nieuwe techniek die nog nooit grootschalig is toegepast, waardoor de risico's niet volledig bekend zijn.

Eigenschappen van CO$_2$

Bij kamertemperatuur en atmosferische druk is CO$_2$ gasvormig. Als je bij atmosferische druk de temperatuur verlaagt, gaat CO$_2$ bij -78,5 $^o$C over van de gasfase naar de vaste fase (koolzuurijs). Bij atmosferische druk kan vloeibaar CO$_2$ niet bestaan. Het tripelpunt, dat is de combinatie van temperatuur en druk waarbij CO$_2$ zowel gasvormig, vloeibaar als vast kan zijn ligt bij -56,4 $^o$C en 5,11 atmosfeer. In onderstaand fasendiagram van CO$_2$ zie je, behalve het tripelpunt, nog een opvallend punt: het zogenaamde kritische punt, waarbij gasvormig en vloeibaar CO$_2$ overgaan naar een andere ‘toestand’: de superkritische fase.


Fasendiagram voor CO$_2$. Bron: Leitner 2000w

Superkritische CO$_2$ heeft zowel chemisch als fysisch andere eigenschappen dan vloeibaar of gasvormig CO$_2$. Je zou gemakshalve kunnen zeggen dat het qua fysische eigenschappen het meeste lijkt op gasvormig CO$_2$ (het stroomt gemakkelijk door een zeer lage viscositeit) en qua chemische eigenschappen en dichtheid meer lijkt op vloeibaar CO$_2$ (het heeft een veel hogere dichtheid dan de gasfase, hoewel minder hoog dan die van de vloeibare fase). De bijzondere eigenschappen van superkritisch CO$_2$ worden onder meer nuttig gebruikt in de voedings- en geneesmiddelenindustrie. Zo wordt superkritisch CO$_2$ tegenwoordig bijvoorbeeld gebruikt om cafeïne te extraheren uit koffie (vroeger werd decaf gemakt door extractie van cafeïne met organische oplosmiddelen).

Als CO$_2$ bij elektriciteitscentrales of andere installaties wordt afgevangen en getransporteerd moet worden naar een opslaglocatie, dan moet er, afhankelijk van de hoeveelheden en de afstand die overbrugd moet worden, een keuze worden gemaakt om het ofwel als gecomprimeerd gas te transporteren, ofwel (bij aanzienlijk hogere temperatuur en druk) als superkritisch CO$_2$. Voor grote hoeveelheden en lange afstanden is de superkritische fase te prefereren vanwege de lagere stromingsweerstand en de veel hogere dichtheid dan die van gecomprimeerd gas. Zo wordt er in de VS superkritisch CO$_2$ over grote afstanden getransporteerd van raffinaderijen naar olie- en gasproductievelden, waar het CO$_2$ vervolgens wordt geïnjecteerd voor enhanced oil/gas recovery. In Nederland loopt er een CO$_2$ transportleiding van Shell Pernis (waar het vrijkomt als bijproduct van de waterstoffabriek) naar tuinders in Bergschenhoek, Berkel & Rodenrijs en Bleiswijk, die het gebruiken als nutriënt voor de planten in hun kassen. In dit geval wordt CO$_2$ getransporteerd als gas, bij 40 bar.

Lees verder:
Nuttige toepassingen van CO2w (onderdeel van de leerstof)

Aardwarmte


Aardwarmte of geothermie is energie dat ontstaat door temperatuurverschil tussen het aardoppervlak en (diep) in de aarde gelegen warmtereservoirs. Aardwarmte kan zowel direct gebruikt worden, bijvoorbeeld om te verwarmen of te koelen, of voor het opwekken van elektrische stroom.

Elektriciteit productie

Bij het produceren van elektriciteit wordt water, van minstens 100 *C uit de grond gepompt en wordt vervolgens gebruikt om een stoomturbine aan te drijven (Aardwarmtew).
Naarmate er dieper in de aardkorst wordt geboord, hoe meer de temperatuur stijgt. Over het algemeen stijgt de temperatuur 35 tot 40 *C per kilometer (Geothermw), plekken waar de temperatuurstijging sterk afwijkt van de normale stijging worden warmteanomalieën genoemd. Vooral warmteanomalieën met een veel hogere temperatuur zijn interessant voor geothermie.
In vulkanische gebieden, zoals in IJsland, zijn warmteanomalieën op geringe diepte aan te treffen, en worden wereldwijd gebruikt voor stroomopwekking. In figuur 139 staan de top 5 landen die geothermie gebruiken voor het opwekken van energie.


Figuur 139. Top 5 landen met Geothermie. (bron: Wikimedia Commons)

Ondiepe bodemenergie

Voor het verwarmen of koelen van huizen, kassen en kantoren wordt ondiepe bodemsystemen gebruikt. Bij ondiepe bodemenergie kan onderscheid gemaakt worden tussen enerzijds onttrekking van warmte in de winter en anderzijds onttrekking van koude in de zomer. Grondwater wordt op een diepte tussen de 20 en 300 meter gewonnen. In de zomer wordt dit grondwater van tussen de 5 en 10 graden gebruikt om een gebouw te koelen. Na het koelen is dit water opgewarmd tot tussen de 10 en 15 graden en wordt het water op een andere plek weer in de grond op een vergelijkbare diepte teruggepompt.
In de winter wordt verwarmt water opgepompt en gebruikt om te verwarmen, waarna het afgekoelde water weer terug de bodem in gaat.
Ondiepe bodemenergie wordt ook warmte/ koudeopslag genoemd (CBS 2011.)

Meestal wordt het warme water niet direct gebruikt voor verwarming maar wordt het water gebruikt in een warmtepomp. De warmtepomp zorgt ervoor dat de relatief lage temperatuur van het water uit de bodem, op een hoge temperatuur gebracht wordt, zie figuur 140. Waterpompen kunnen ook dienst doen als koelmachine, in dat geval wordt koud water gebruikt voor koeling. Het principe van de warmtepomp wordt bij koeling omgedraaid. In de module TB242E wordt er dieper ingegaan op de werking van de warmtepomp.

Verschillende opslag systemen

Binnen de ondiepe bodemenergie kan onderscheid worden gemaakt tussen twee type systemen, open en gesloten systemen. In figuur 140 zijn de twee systemen schematisch weergegeven.


Figuur 140. Warmtekoudeopslagsystemen. Boven: open. Onder: gesloten. Bron: Soilpediaw

Bij open systemen wordt grondwater uit de bodem naar de oppervlakte gepompt en gebruikt in een warmtepomp. Bij een gesloten systeem worden buizen ingebracht tot een diepte van 50 tot 100 m. In deze buizen stroomt een vloeistof die wordt opgewarmd of gekoeld via de wand van de buis.

Om aantasting van de bodemkwaliteit te voorkomen bevat het Wijzigingsbesluit bodemenergiesystemen uniforme voorschriften voor alle bodemenergiesystemen. Deze hebben betrekking op energiebalans, retourtemperatuur, interferentie, circulatievloeistof, buitengebruikstelling en monitoring (Rijkswaterstaat 2013). Hierin is ook bepaald dat de afkoeling van het grondwater met een paar graden acceptabel is, er is alleen vereist dat een per vijf jaar een eventueel warmteoverschot moet zijn weggewerkt.

In 2010 waren er 1500 open bodemenergiesystemen gerealiseerd en circa 40.000 gesloten systemen aanwezig (Cahier 2012)

Werkcollege CO$_2$-netwerk in Rotterdam


Voorbereiding

Bekijk de pagina werkcollege-voorbereiding-algemeen voor de regels rondom de voorbereiding van werkcolleges.

We maken in dit werkcollege een eerste ontwerp voor een CO$_2$ netwerk in de haven van Rotterdam. Deze partijen nemen mogelijk deel.


Nummer Participant
1 Uniper elektriciteitcentrale (eerder E.On)
2 Engie elektriciteitcentrale (eerder Electrabel)
3 Shell raffinaderij
4 Abengoa
5 Air liquide

Het ontvangststation, de plek waar het verzamelde CO$_2$ de Noordzee opgaat, wordt gepland aan de Noordwestkant van de Maasvlakteweg. Daar moeten alle pijpleidingen dus uitkomen.

• Zoek de locaties van deze installaties op en teken een kaart van de locatie. Markeer ook het ontvangststation. Gebruik hiervoor bijvoorbeeld Google Maps. Neem deze kaart mee.


Opdracht

Maak gebruik van de volgende gegevens:


Kostenpost Kosten Noot
Pijpleiding 1 k€/m à jaarcapaciteit 1 Mton CO$_2$ Kosten $K=C^{0.6}$, $K$ kosten (k€/m), $C$ capaciteit Mton/jaar
Bocht 10 k€ Onafhankelijk van hoek
Koppelpunt 50 k€ Per koppelpunt (waar twee buizen samenvoegen)
Tunnel Kosten van een pijpleiding maal 10 Onder de Yangtzehaven bestaat al een tunnel

Deel 1: Schatten en tekenen

• Breng de kaarten bij elkaar. Hebben jullie allemaal dezelfde locaties gevonden? Zijn er onduidelijkheden over locaties?
• Ga op zoek naar de jaarlijkse CO$_2$ productie (in Mton) van elk van de locaties.
• Maak een eerste ontwerp van de pijpleidingen, waarbij je probeert de kosten te minimaliseren.
• Schat de kosten af van het netwerk. Verdeel de kosten onder in de verschillende categorieën.

Denk ook terug:
• Welk doel heeft dit netwerk? Een beleidsdoel? Wat is het verwachte beleidsresultaat? Welk beleid is nodig om dit soort netwerken te kunnen aanleggen?
• Hoe relateert dit netwerk aan de opdracht over investeringsadvies in het werkcollege van week 3? Wie investeert, wat zijn de criteria?
• Welke samenwerking is nodig? Wat zijn de belangen?

Deel 2: ABM

Open de pagina werkcollege-co2-netwerk-abm. Maak gebruik van het Ant Colony Optimization dat daar op staat. Dit is een ABM van mieren die de goedkoopste wegen zoeken vanuit hun nest (het ontvangststation) naar voedselbronnen (de participanten). Ze bewegen zich semi-willekeurig door de ruimte. Als ze een voedselbron hebben gevonden keren ze terug naar het nest, waarbij ze aangetrokken worden door zowel de nestgeur als delen van het netwerk die al vastgelegd zijn.

Simuleer met behulp van het model alternatieve ontwerpen en bestudeer:
• Kom je op vergelijkbaar ontwerpen?
• Kom je op vergelijkbare kostenschattingen?
• Wat kun je leren van het verschil tussen je zelf getekende ontwerp en de gesimuleerde ontwerpen?


Uitwerking


Nummer Participant Locatie X Locatie Y Capaciteit (Mton/jaar)
0 Ontvangststation 20 247 niet beperkt
1 E.On centrale 41 223 5,5
2 Electrabel centrale 34 213 4
3 Shell raffinaderij 174 165 10
4 Abengoa 103 206 5
5 Air liquide 130 185 0,5


Werkcollege warmte en CO$_2$ netwerken: ABM


Dit agent-based model gebruikt mieren die de goedkoopste wegen zoeken vanuit hun nest (het ontvangststation) naar voedselbronnen (de participanten). Ze bewegen zich willekeurig door de ruimte. Als ze een voedselbron hebben gevonden keren ze terug naar het nest, waarbij ze aangetrokken worden door zowel de nestgeur als delen van het netwerk die al vastgelegd zijn.

Gebruik van het model

Met feromonen wisselen de mieren uit waar het gunstig zou zijn een netwerk te bouwen. De locaties zijn al vastgezet.
• Geef eerst de capaciteit per locatie in Mton op
• Kies gunstige instellingen (laat de eerste keer de instellingen staan)
• Klik Setup, dit kan een paar minuten duren
• Klik Go, de simulatie start
• Maak een snapshot van het resultaat en noteer de kosten.
• Herhaal dit proces

De volgende parameters zijn relevant:

Gedrag mieren

Het gedrag van de mieren kan met diverse parameters worden beïnvloed:
• Het aantal mieren
• Hoe lang er wordt gewacht voordat een deelnetwerk wordt aangelegd
• In welke mate ze een randomkant kiezen om naartoe te gaan (wiggle-probability en angle)

Feromonen

Welke feromonen?
• Feromonen waar mieren wandelen terwijl ze op zoek zijn naar een bron
• Feromonen waar mieren wandelen terwijl ze op weg zijn naar het nest nadat ze en bron hebben gevonden
• Feromonen vanuit het gedeeltelijk neergelegde netwerk

Verder kan worden gevarieerd:
• De sterktes van deze feromonen
• De verdampingssnelheid
• De diffusiesnelheid

Aannames in het model

• Kosten voor bochten en koppelpunten worden niet berekend

Het agent-based model

Download het model met 2 bijbehorende files hier (alle 3 downloaden!):
modelw
sourcesw
kaartw

Bron: Heijnen et al. 2013w


Toekomstige energie- en industriesystemen


Dit college staat in het teken van een aantal ontwikkelingen in energie- en industriesystemen.

Slimme infrastructuur

slimme-meters
elektrische-autos
smart-grid

Nieuwe vormen van gas

internationale-aardgasrotonde
schaliegas
groen-gas
gashydraten

Watervoorziening

drinkwater-uit-zeewater

Slimme meters


De Europese Unie heeft zich tot doel gesteld dat in 2020 80% van de Europese huishoudens een slimme meter heeft (mits het installeren van deze meters een positief economisch effect heeft). In Nederland worden momenteel steeds meer slimme meters geïnstalleerd.

'Domme' meters

Klassieke elektriciteits- en gasmeters hebben een simpele teller waarop af te lezen valt wat het verbruik in kilowattuur (kWh), of kubieke meter gas is sinds de installatie van de meter. Deze manier van meten is prima geschikt om energie mee af te rekenen waarbij een vaste prijs per kWh of m$^3$ gerekend wordt. Domme meters kennen de volgende beperkingen:
• De dynamiek in verbruik - het verloop van het energiegebruik - is alleen te bepalen door telkens op de meter te kijken
• Flexibele stroomtarieven, buiten piek-dal tarieven, zijn niet mogelijk
• De teller telt terug als er meer stroom binnenhuis wordt opgewekt dan gebruikt (dit heet 'salderen') – zodat daadwerkelijk gebruik en levering niet meer te onderscheiden zijn.
• Domme meters bieden nauwelijks inzicht in welke apparaten hoe veel energie gebruiken.

Wat is er slim aan slimme meters?

Slimme meters registreren voor een bepaalde tijdseenheid (bijvoorbeeld elk kwartier) hoe veel energie er verbruikt wordt. Hiermee kunnen consumenten, en ieder ander die beschikt over deze gegevens, inzicht krijgen in wat er precies wanneer verbruikt wordt. Ook wordt het mogelijk om voor verschillende tijden van de dag verschillende tarieven te rekenen. Veel slimme meters hebben ook de mogelijkheid om het stroomverbruik door te sturen naar derde partijen, zoals de netbeheerder, die diensten zoals online overzichten kunnen leveren.

Slimme meters zijn veelal apparaten die stroom- en gasverbruik niet alleen in detail registreren, maar die gegevens ook doorsturen. Dit laatste aspect is problematisch vanwege de privacyaspecten (zie meer hieronder). Het is daarbij belangrijk om te weten dat er ook alternatieve systemen ontwikkeld zijn. Deze zijn in staat om een variabele prijs af te rekenen, zonder dat het daarbij nodig is gedetailleerde verbruiksgegevens door te sturen: de verrekening wordt gedaan binnen de slimme meter en alleen de geaggregeerde gegevens worden gedeeld met de buitenwereld. Met de slimme meter kunnen tariferingsprikkels ingezet worden die het verbruikspatroon van de consument kunnen beïnvloeden. Daardoor kan het piekverbruik worden verminderd, waardoor er minder piekvermogen en daarmee productiecapaciteit nodig is om in de behoefte aan energie te voorzien.


Voorbeeld van een slimme meter (bron: Wikimedia Commons)

Er zijn binnen Europa grote verschillen in de introductie van slimme meters. Zo is in Italië de landelijke uitrol van slimme meters al sinds 2007 een feit. Vooralsnog vindt het werken met flexibele stroomprijzen slechts op experimentele basis plaats in Nederland in pilotprojecten waar een beperkt aantal huishoudens aan meedoet. Tussen januari 2012 en december 2013 vond er een kleinschalige uitrol van slimme meters plaats bij nieuwbouw- en renovatieprojecten. Op basis van de bevindingen van deze uitrol bij circa 500.000 huishoudens wordt gekeken hoe de definitieve uitrol tot 2020 vorm moet krijgen.

Huidige regelgeving: vereisten aan slimme meters in Nederland

In 2007 is een Nederlandse Technische Afspraak (NTA 8130) tot stand gekomen waarin de basisfuncties voor de meetinrichting zijn vastgelegd. Deze is uitgebreid met verschillende versies van de "Dutch Smart Meter Requirements" (DSMR, de laatste versie is van april 2011, een nieuwe versie is in de maak). Dit is een gedetailleerde standaard voor slimme meters op basis van wetgeving en de NTA 8130.

De overheid stelt de eisen aan slimme meters over meten, signaleren en communiceren:

Meten

Slimme meters moeten op afstand afgenomen en aan het net teruggeleverde energie kunnen uitlezen. Daarmee wordt gezorgd voor:
• Verbetering inzicht afnemer in actuele energieverbruik en kosten
• Faciliteren operationele taakuitvoering netbeheerder
• Ondersteuning van bepaalde betalingsmethoden zoals prepaid – slimme meters met een schakelfunctie en/of prepaid worden getolereerd, maar zijn geen vereiste

Signaleren

Slimme meters moeten op afstand de kwaliteit van de stroomlevering signaleren. Daarmee wordt gezorgd voor:
• Verbetering operationele bedrijfsvoering netbeheerder
• Detectie van lekkages of fraude (behalve dat fraude vaak voor de meter plaatsvindt)
• Detectie van leveringsfluctuaties, onderbrekingen en schakeleffecten

Communicatie

Slimme meters moeten online interactie toestaan tussen afnemers en leveranciers. Daarmee wordt gezorgd voor:
• De mogelijkheid om online innovatieve producten en diensten aan te kunnen bieden (energiebesparingsadviezen, bijzondere tarieven voor bepaalde uren)
• De mogelijkheid voor afnemers om realtime te reageren op markt/product/prijsontwikkelingen van leveranciers

Voordelen van slimme meters

Er zijn verschillende redenen die de Europese en Nederlandse beleidsmakers hiervoor noemen.

Integratie van duurzame energie

Een belangrijke reden voor de installatie van slimme meters is het kunnen integreren van wind- en zonne-energie in het elektriciteitsnetwerk. Deze duurzame bronnen zijn beperkt beschikbaar: alleen als de wind waait of de zon schijnt. Omdat het opslaan van elektriciteit op grote schaal met de huidige stand van de techniek veel te duur is, moet deze energie grotendeels direct verbruikt worden. Daarom is het idee dat het verbruik aan het aanbod aangepast wordt, in plaats van andersom, zoals in het huidige elektriciteitsnet grotendeels het geval is. Dit kan onder andere worden bereikt via een flexibele prijs, waarbij de stroom duurder is bij een klein aanbod (bijvoorbeeld 's nachts als het windstil is), en de stroom goedkoper is bij een groot aanbod. Deze zogenaamde demand response zou ervoor kunnen zorgen dat huishoudens hun energieverbruik beter afstemmen op de beschikbaarheid. Dit heeft bovendien als gevolg dat de netbeheerders beter inzicht krijgen in op welke plekken het elektriciteitsnetwerk verzwaard zou moeten worden.

Variabele prijs voor zelf opgewekte elektriciteit

Naast het consumeren van stroom wekken huishoudens ook steeds meer zonne- en windenergie zelf op. Als mensen meer stroom opwekken dan ze zelf gebruiken, leveren ze dit terug aan het netwerk en krijgen ze daarvoor betaald. Slimme meters maken het mogelijk dit tegen een flexibele prijs te doen, net als grotere stroomproducenten. Dit is anders dan het 'salderen' van een domme meter, waar de elektriciteitsteller terugloopt.

Naast het mogelijk maken van grootschalige integratie van duurzame energie, zou dit ook goed zijn voor het creëren van een (nieuwe) vrije markt. Dit laatste is iets waar de Europese Unie veel belang aan hecht.

Inzicht in energieverbruik en gedragsverandering

Een andere belangrijke reden die veel genoemd voor het invoeren van slimme meters is dat consumenten meer inzicht krijgen in hun eigen energieverbruik. Door per tijdseenheid te zien wat je aan gas en elektriciteit verbruikt, kan je bijvoorbeeld zien hoe veel gas een douche kost, of hoe veel de stroom het opwarmen van een pizza met je elektrische oven kost. Bij een flexibel tarief komt daar het inzicht bij hoe veel stroom op dat moment eigenlijk kostte. Men hoopt dat door dit inzicht te vergroten mensen hun gedrag zullen veranderen, en daardoor hun energieverbruik zullen verplaatsten naar de momenten waarop dat duurzaam opgewekt kan worden en/of goedkoper is. Het is echter nog onduidelijk hoe gevoelig mensen zijn voor dit soort prijssignalen, en dus ook hoe zinvol dergelijke system nu precies zijn.

Belangrijkste nadeel van slimme meters: privacy

Er zit echter ook een keerzijde aan de introductie van slimme meters. Gedetailleerde informatie over wat een huishouden verbruikt op welk moment geeft de mogelijkheid om allerlei persoonlijke dingen over iemand te weten te komen. Als de metingen bijvoorbeeld elke halve seconde gedaan worden, is het theoretisch mogelijk om te bepalen naar welk tv-programma er in dat huishouden gekeken wordt. Echter ook als de tijdsinterval veel groter is, zijn nog altijd zaken vast te stellen zoals wanneer mensen op vakantie zijn.

In andere landen, onder andere de Verenigde Staten, wordt de straling van de communicatieverbinding van de slimme meter als een probleem gezien. Nederlandse consumenten lijken dit een minder belangrijk nadeel te vinden, temeer dat de bijdrage van slimme meters niet groter is dan die van mobiele telefoons of wifi-netwerken, en dat sommige meters ook gebruik maken van communicatie via elektriciteitskabels (PLC oftewel Power Line Communication).

Ervaring met slimme meters in Nederland

Privacyproblemen zijn in Nederland de reden geweest voor de Eerste Kamer om in 2009 niet in te stemmen met een wetsvoorstel dat verplichte uitrol van slimme meters in heel Nederland regelde. Problemen met het wetsvoorstel waren onder meer dat het stroomerbruik per kwartier van huishoudens doorgestuurd moest worden aan de netbeheerder, die het ook aan andere partijen zoals de energieproducenten moest doorgeven. Het was niet duidelijk wie precies toegang zouden hebben tot die gegevens, en voor welk doel deze gegenens precies gebruikt mochten worden. Volgens onderzoek van de Universiteit Tilburg was onder meer het ontbreken van dit doel, gecombineerd met het verplichte karakter, reden om te concluderen dat het wetsvoorstel in strijd was met het recht op privacy zoals geformuleerd in het Europees Verdrag voor de Rechten van de Mens (EVRM).

Uiteindelijk is in 2011 door de Eerste Kamer wel ingestemd met een gewijzigde versie van het wetsvoorstel. Dit voorstel geeft mensen de keuze om slimme meters te weigeren, en ook als mensen een slimme meter installeren hebben ze de mogelijkheid om de verzamende gegevens voor zichzelf te houden.

Smart grid


Een smart grid kan gedefinieerd worden als een elektriciteitsnetwerk, dat het gedrag en de acties van alle verbonden gebruikers intelligent verenigt. De gebruikers van het netwerk kunnen generatoren, consumenten, of beide zijn. Smart grids doen dit om te voorzien in een duurzame, economische en zekere levering van elektriciteit (ETP SmartGrids, 2010). Deze vereniging van gedrag wordt gedaan door een tweezijdige uitwisseling van informatie en vermogen tussen leveranciers en consumenten, met gebruik van intelligent toezicht op communicatie en beheersystemen (European Commission, 2012). Technisch gezien is het niet eenvoudig te zeggen wanneer een grid 'smart' is. De meeste elektriciteitssystemen, in ieder geval die met hoge voltages, hebben controlesystemen en gegevensverzamelingen(SCADA) om de betrouwbaarheid van de levering te verzekeren. Distributienetten worden traditioneel op een passieve manier beheerd en daarom refereren smart grids meestal naar ontwikkelingen in dit deel van het elektriciteitsnet.

De huidige definitie van een smart grid is doorgaans een combinatie van drie aspecten van het distributiedeel van het net. Het eerste aspect is de technische kant, de installatie van smart grid apparatuur. Figuur 141 geeft een indruk van hoe de technische kant van smart grids eruit kunnen zien. Het tweede aspect is de technisch-economische aard, namelijk het real-time operationeel beheer van deze apparatuur (Geelen et al., 2013). Het derde aspect, alleen van institutionele aard, zijn de mogelijke veranderingen van de rol en functie van actoren door operationele veranderingen. Deze drie aspecten zullen nu verder worden toegelicht.


Figuur 141. Een smart grid. Bron: Geelen et al., 2013

Technische aspecten: smart grid apparatuur

Het meeste technische aspect van een smart grid zijn de apparaten en informatie en communicatie systemen, die geïnstalleerd zijn om interacties mogelijk te maken. De smart meter wordt vaak genoemd als onderdeel van de smart grid, het is een factor die het mogelijk maakt voor dit soort systemen om te functioneren (dit verschilt echter wel in real-live gevallen). De smart meter is een digitale meter, die het mogelijk maakt om eindgebruikers te controleren. Hij verschilt van traditionele elektriciteitsmeters, omdat hij digitaal de consumptie en productie meet in intervallen van 15 minuten. Deze data kan gecommuniceerd worden met verschillende actoren. Ten eerste naar de consument, die zijn consumptie erdoor zou kunnen aanpassen. Ten tweede naar de verkoper van elektriciteit, om de prijsniveaus voor consumptie te bepalen en mogelijk een dynamisch tarief te kunnen voorstellen. Ten derde is de informatie van de smart meter interessant voor de beheerder van het distributienet (DSO), die ook dynamische prijzen kan hanteren op basis van de kwaliteit en betrouwbaarheid van het net. Als laatste is de gemeten elektriciteitsconsumptie interessant voor nieuwe actoren, zoals aggregators (een tussenpersoon van de producent en de handelaar) en 'electricity service companies' (ESCO's), die dit kunnen gebruiken om contracten voor de eindgebruiker op te stellen, die de gebruiker in flexibiliteit voorzien met directe controle en/of dynamische prijzen. De informatie over gebruik en prijssignalen zijn de belangrijkste componenten van de 'homeostatische feedback', die Schweppe voor ogen had en centraal voor elke smart grid.

Naast gebruik van de smart meter zijn er verschillende andere apparaten die inzicht en automatisering mogelijk maken met in-home displays en in-home automatisering. Naast apparatuur in huishoudens, zijn er gedistribueerde energiebronnen (DER). Dit zijn verschillende types eenheden voor de lokale opwekking, consumptie en opslag van elektriciteit. Deze kunnen buiten huis geplaatst worden. Voorbeelden hiervan zijn zonnecellen en warmte-krachtinstallaties. Voor opslag bestaan batterijen en elektrische auto's. Deze eenheden kunnen zorgen voor flexibiliteit van het net en het verbruik verhogen van zelf opgewekte elektriciteit.

Technisch-economisch aspect: Real-time beheer en controle

Naast de genoemde smart grid apparatuur, zijn er methodes om de werking van deze apparatuur te beheren, doordat gedistribueerde energiebronnen en smart meters niet direct efficiënt werken na de installatie. De installatie van zulke apparaten wordt voordelig, wanneer het gecombineerd wordt met een contract voor variabele prijzen, directe controle en automatisering (Aghaei and Alizadeh, 2013; Faruqui et al., 2010; Geelen et al., 2013). Deze interactie tussen apparaten wordt ook wel flexibiliteit aan de vraagzijde genoemd, of Demand Response (DR). Demand Response staat voor de activiteit dat de vraag naar elektriciteit kan reageren op gebeurtenissen als prijsveranderingen of directe controle. Ook wordt wel de term 'demand side flexibility' gebruikt, omdat de veranderingen in de vraag naar elektriciteit niet het enige aspect is van smart grids, maar ook de productie en opslag aan de vraagkant. Elektrische flexibiliteit kan omschreven worden als een aanhoudende vermogensaanpassing op een gegeven moment voor een gegeven tijd van een specifieke locatie (Eid et al., 2015a). Gedistribueerde energiebronnen, zoals elektrische auto's, zonnecellen, warmte-krachtinstallaties en opslag eenheden zijn mogelijke leveranciers van elektrische flexibiliteit (Eid et al., 2015b). Er zijn verschillende doelen waarvoor elektrische flexibiliteit kan worden gebruikt, bijvoorbeeld voor economische, milieu- en netwerk doelen (Conchado et al.,2011). De levering van flexibiliteit door de eindgebruiker wordt per definitie gezien als één van de grote toevoegingen van een smart grid, doordat het zorgt voor betrouwbaarheid, betaalbaarheid en duurzaamheid Faruqui et al., 2010.

Institutionele aspecten: de mogelijke verandering van de rollen van actoren en marktmodellen

Traditioneel beheert de TSO de balans van vraag en aanbod in een nationaal elektriciteitssysteem en dze gebruikt ICT om het voltage en de frequentie bij te houden, zonder in strijd te zijn met de beperkingen van het transmissienet. Zoals hiervoor beschreven, bevat het concept van de smart grid eenzelfde real-time beheer in het distributienet. Omdat dit voorheen niet bestond, blijft het de vraag welke actor verantwoordelijk zou moeten zijn voor het beheer van deze flexibiliteit en hoe dit zou moeten worden gecoördineerd, wanneer dit door meer actoren gedaan zou worden. Voorbeelden van deze gedecentraliseerde concepten van het beheer van elektriciteitssystemen zijn al door anderen gepresenteerd (NREL, 2004; Pérez-Arriaga et al., 2013).

De situatie in Nederland

Om de duurzaamheidsdoelstellingen te halen, staat het beleid in Nederland steeds meer 'bottum-up' initiatieven toe voor de lokale productie en beheer van energie. Een wet uit 2014 staat bijvoorbeeld een verlaagde energiebelasting toe voor duurzame energieopwekking, in handen van een gemeenschap. Dit wordt ook wel de 'postcode regeling' genoemd. De partijen die hiervoor in aanmerking komen zijn energiecoöporaties en Verenigingen van Eigenaren, die gezamenlijk een zonne-energiecentrale bezitten, en gevestigd zijn in het postcodegebied rond de centrale.

In de 'Experimenteer AMVB' worden ontwikkelingen aangemoedigd omtrent afwisselende prijzen voor netwerk en elektriciteit retail (ACM, 2015). Dit maakt het mogelijk voor Verenigingen van Eigenaren en energiecoöporaties om lokale energiesystemen te bouwen en te laten werken. Naast de verschillende energiecoöporaties in Nederland, zijn 30 smart grid pilot projecten uitgevoerd sinds 2012. De projecten werden gesubsidieerd door de overheid en om de omvang van het experiment te vergroten, is het toegestaan dat deze buiten de Nederlandse regelgeving om functioneren. De verschillende projecten geven nieuwe inzichten in de technische mogelijkheden voor energiemanagement en de benodigde aanpassingen in de regelgeving om dit te laten werken. Binnen ieder project zijn één DSO en vele andere actoren zoals handelaren, IT leveranciers en lokale energiecoöporaties betrokken.

Elektrische auto's (EV's)


Drijfveren

De belangrijkste drijfveren voor een transitie naar elektrisch vervoer zijn ruwweg dezelfde als die voor de transitie naar een duurzame energievoorziening in het algemeen: milieu, geopolitiek en economie:
Mileu: de elektrische auto (Electric Vehicle of EV, we zullen hierna deze afkorting gebruiken) kent een aantal voordelen ten opzichte van de conventionele auto. De (volledig) elektrische auto kent geen uitstoot van schadelijke uitlaatgassen, tenminste niet lokaal, door de auto zelf. Luchtvervuilingsproblemen die in veel grote steden een rol spelen kunnen zo sterk teruggedrongen worden. Ten tweede kan met EV's ook de uitstoot van CO$_2$ sterk gereduceerd worden. Er wordt natuurlijk wel CO$_2$ uitgestoten bij de productie van de elektriciteit die als brandstof voor de EV dient, wat het exacte besparingspotentieel van EV's niet zo eenvoudig te bepalen maakt. In principe is met de huidige brandstofmix voor elektriciteitsproductie een EV iets schoner dan een zuinige benzine-auto. Bij meer duurzame elektriciteitsproductie wordt de EV steeds groener tov de gewone auto.
Geopolitiek: De overstap naar elektrisch rijden levert een verminderde afhankelijkheid van olie op. Hoewel Nederland ook voor een deel afhankelijk is van het importeren van fossiele brandstoffen voor elektriciteitsproductie, zijn de verwachtingen van de winbare voorraden olie een stuk kleiner. Elektrisch rijden maakt dus ook de ontkoppeling van transport met de hoge olieprijs mogelijk.
Economie: Naast het genoemde voordeel van lage brandstofprijzen voor transport, erkent de Nederlandse overheid ook de economische kansen die de overstap naar EV's Nederland biedt, bijvoorbeeld als toeleverancier voor de auto-industrie.


Chevrolet Volt (bron: Wikimedia Commons)

Snelheid van de introductie van EV's

Schattingen over de snelheid van de opkomst van EV's lopen uiteen. Onderstaande figuur laat de S-curve zien waarmee de Nederlandse overheid de geambieerde introductie-snelheid van EV's in Nederland in 2009 presenteerde. Deze curve gaat uiteindelijk naar ruwweg 75% EV's in 2040 toe, wat neerkomt op een aantal van 6 miljoen op een totaal van ongeveer 8 miljoen personenauto's. Te zien valt ook dat we nu nog aan het begin van deze curve staan. De eerste miljoen EV's wordt door de Nederlandse overheid omstreeks 2025 verwacht. Hoewel deze curve bij publicatie door velen als zeer optimistisch werd gezien, liggen we nu vóór op de curve: in oktober 2013 waren al meer dan 15.000 EV's (incl. de zogenaamde Plug-In Hybrid Electric Vehicles zoals de Opel Ampera) op de weg. We doen het hiermee een stuk beter dan omringende landen, met bijvoorbeeld slechts 7.500 EV's in de UK.


Het aandeel EV's als percentage van alle auto's volgens een scenario van de Nederlandse overheid uit 2009. Bron: Rijksoverheid 2013aw.

Technische specificaties

Een aantal relevante technische specificaties van een drietal EV's zijn weergegeven in de onderstaande tabel. De gegevens komen van Wikipedia en de websites van de autofabrikanten zelf (Bronnen: Wikipedia 2013aw, Wikipedia 2013bw, Wikipedia 2013cw, Nissan 2013w, Opel 2013w en Tesla 2013w).


AspectNissan LeafOpel AmperaTesla Model S
TypeFull EVPlug-In Hybrid EVFull EV
Accucapaciteit24 kWh16 kWh60 of 85 kWh
Actieradius120-200 km56-83 km (+ 500 benzine)426-500 km (85kWh)
Laadvermogen3,3kW (230V, 16A)3,3 kW (230V, 16A)Standaard 11 kW (230V, 40A of 3x16A) en 'supercharge' tot 100 kW
Prijs (exclusief subsidie)€ 23.890€ 44.500€ 69.000 (60 kWh) of € 79.000 (85 kWh)

Net als bij gewone auto's bestaan er belangrijke verschillen in de prestaties en prijs. Een belangrijk deel van de prijs zit in de kosten voor de accu. Aan het prijsverschil van de Tesla modellen met 60 kWh en 85 kWh is te zien dat de accukosten rond de 400 EUR/ kWh liggen. In vergelijking met conventionele auto's is de kostenpost voor de energiebron (elektriciteit) een stuk kleiner. Uit de vergelijking tussen de accucapaciteit en actieradius zien we dat het verbruik zo rond de 5 km/kWh ligt. Met een consumentenprijs van ca. 0,20 €/kWh komt de prijs per km dan rond de 0,04 €/km uit.

De prijs en technische specificaties van de accu's worden echter nog wel als obstakel voor een snelle grootschalige introductie van EV's gezien. Technologische doorbraken die de kosten per kWh, maar ook de levensduur, energiedichtheid (kWh/kg) en laadsnelheid van de accu kunnen verbeteren zijn hiervoor nodig.


Nissan Leaf (bron: Wikimedia Commons)

Beleid rond elektrische auto's

Het overheidsbeleid tot dusver heeft zich met name geconcentreerd op het stimuleren van elektrisch rijden, zie o.a. Rijksoverheid 2013aw, Rijksoverheid 2013bw, en Agentschap NL 2013w. Een van de problemen die men hiermee geprobeerd heeft aan te pakken is het zogenaamde kip-ei probleem: zolang er geen groot aantal EV's zijn, komt de benodigde infrastructuur moeilijk van de grond, en vice versa. Een van de concrete speerpunten van het beleid is daarom het faciliteren van oplaadpunten geweest, wat door de stichting E-laad (een samenwerking van o.a. netbeheerders en regionale overheden) is uitgevoerd. Daarnaast zijn diverse fiscale stimuleringsmaatregelen ingevoerd:
• vrijstelling van BPM
• vrijstelling motorrijtuigenbelasting
• 0% bijtelling voor lease-rijders
• diverse subsidies voor investeringen in milieuvriendelijke technologie.

Mede door deze maatregelen is het aantal EV's en oplaadpunten (ca. 7000 in november 2015 (RVO 2015w) de laatste jaren snel gegroeid.

Op dit moment buigt de overheid zich ook over beleid wat de later de grootschalige introductie van elektrisch vervoer moet mogelijk maken. Hierbij wordt bijvoorbeeld gekeken naar het meest wenselijke marktmodel voor elektrische vervoer. In zo'n model worden de rollen, relaties en verantwoordelijkheden van diverse actoren die een rol spelen bij elektrisch vervoer beschreven. Dit zijn onder andere de consumenten (EV rijders), netbeheerders, energieleveranciers en laadpunt-exploitanten. Met de juiste beleidsinstrumenten proberen overheden een aantal uitgangspunten zoals concurrentie, keuzevrijheid, gemak, toekomst-bestendigheid te waarborgen.

Er is op het moment nog veel onzekerheid omtrent het marktmodel van elektrisch vervoer en het daarvoor in te richten stimuleringsbeleid. Moet snelladen bijvoorbeeld worden gesubsidieerd terwijl het nog niet duidelijk is in welke mate autofabrikanten daarop zullen inzetten?


Opel Ampera (bron: Wikimedia Commons)

Elektrische auto's als onderdeel van een duurzaam en intelligent energiesysteem

Elektrische auto's hebben de laatste jaren in de wetenschappelijke wereld ook de nodige aandacht gekregen als belangrijk onderdeel van het toekomstige elektriciteitssysteem. Een van de eerste studies hierover is gedaan door Kempton in 2005 (Kempton 2005), die de nu veelgebruikte term Vehicle-to-Grid heeft geïntroduceerd. Hun concept maakt gebruik van het feit dat EV's in principe flexibel kunnen opladen: uitgaande van een gemiddelde accu-grootte en de gemiddelde rijafstand hoeft een EV slechts eens in de 3 à 4 dagen op te laden. Dit betekent dat het opladen in principe zo gepland zou kunnen worden, dat het gunstige effecten heeft op het elektriciteitssysteem als geheel.

Vanuit het perspectief van het netwerk bestaat dat gunstige effect er vooral uit dat er zonder grote investeringen in netwerkverzwaringen overgestapt kan worden op elektrisch vervoer, wat toch een aanzienlijke toename van de elektriciteitsvraag veroorzaakt. Als het slim plannen van het opladen niet wordt gedaan zullen de netwerkkosten mogelijk met 20% stijgen (Verzijbergh 2013). De onderstaande figuur laat de verschillen zien in de vraagprofielen van het ongestuurd en gestuurd laden van EV's. De extra avond-piek die de EV's veroorzaken verdwijnt als het opladen naar de nacht wordt verschoven. Daardoor hoeft het netwerk minder zwaar te zijn en zijn minder elektriciteitscentrales nodig. Beide gevolgen maken onze elektriciteitsinfrastructuur goedkoper.


Elektriceitsvraag van EVs in het scenario met ongestuurd laden (uncontrolled 3 kW en 10 kW) en gestuurd laden. De vraagprofielen zijn opgeteld bij het normale profiel van een groep huishoudens. Bron: Verzijbergh 2013

Misschien nog veelbelovender dan het bovenstaande voorbeeld is de combinatie van duurzame energie en het slim laden van elektrische auto's. Hierbij wordt het opladen van EV's zo gepland, dat de schommelingen in het aanbod van wind- en zonne-energie kunnen worden opgevangen. Het aanpassen van de elektriciteitsvraag aan het aanbod wordt ook wel demand response genoemd, en wordt over het algemeen gezien als een belangrijke technologie om met de grilligheid van duurzame energie om te kunnen gaan. Hieronder staat een voorbeeld hoe de vraag van EV's kan worden gepland om de 'daling' in elektriciteitsvraag die worden veroorzaakt door windenergie op te vullen. Dit heeft een positief effect op het gehele elektriciteitssysteem. Dit soort vormen van slim laden vergt natuurlijk wel een bepaalde ICT infrastructuur, zoals slimme meters en laadpalen die van extra communicatiekanalen zijn voorzien.


Residuele vraag (elektriciteitsvraag minus de opwek van duurzame energie) en optimaal geplande EV vraag. Bron: Verzijbergh 2013

Internationale aardgasrotonde


Groningen heeft het op 3e grootste aardgasveld van de wereld, Slochteren. Dat maakt het vanaf het begin van de aardgaswinning al een knooppunt in het internationale distributienetwerk. Vanuit Noord-Nederland lopen pijpleidingen naar Duitsland en vanaf Noorwegen. De aardgasproductie in Noord-Nederland is dalende, doordat de aanvoer vanuit kleine velden stagneert en het Slochterenveld maar een bepaalde maximumproductie (momenteel 42,5 miljard m$^3$ per jaar) mag worden afgenomen. Een Nederlandse macro-economische strategie is om Groningen tot aardgasrotonde te maken, ook na het tijdperk van Nederlandse aardgasproductie.

Gasunie (inmiddels GasTerra) maakte in 2006 bekend een investering van 1,1 miljard euro te doen in het Nederlandse leidingnet. Hiermee wordt de capaciteit van het Nederlandse leidingnet aanzienlijk vergroot, ten behoeve van de hierboven geponeerde strategie. De investering zorgt voor de aanleg van vierhonderdvijftig kilometer nieuwe pijpleiding en de bouw van enkele compressorstations. Met de aanleg wordt bereikt dat Nederland een logisch tussenstation is voor de betrekking van aardgas, doordat hier pijpleidingen van bron (Noorwegen en Rusland) naar consument (Frankrijk, Zuid-Europa) liggen met voldoende capaciteit. Duitsland en Rusland leggen een nieuwe pijpleiding aan over de bodem van de Baltische golf aan. Er gaan stemmen op om deze ook tot Groningen door te leggen, ter versterking van de strategie om Groningen tot een gasrotonde te maken. Rusland bezit ongeveer 35% van de wereldgasvoorraad, terwijl de West-Europese voorraden slinken. Verwacht wordt dat de Russische import komende jaren sterk zal stijgen. Buiten de pijpleiding van Rusland naar Duitsland overweegt Gazprom, het Russische staatsgasbedrijf, een nieuwe leiding te leggen naar Groot-Brittannië. GasTerra probeert met een Duits-Nederlands dochterbedrijf de Russen te bewegen de pijpleiding over Groningen aan te leggen.

Zie ook LNG.

Schaliegas


Schaliegas is aardgas dat opgesloten zit in steenachtige bodemlagen, ook wel 'schalies' genoemd. Conventioneel aardgas zit opgeslagen in zandsteen. Schalielagen hebben een veel lagere permeabiliteit dan zandsteen waardoor het veel moeilijker om schaliegas te winnen dan aardgas. De boortechniek is daardoor ook anders. Boren naar schaliegas gebeurd door eerst verticaal de grond in te boren, net zoals bij een conventionele boring. Daarna volgt een horizontale boring. Vervolgens worden er kleine fracks gecreëerd door gerichte explosies. Deze fracks worden uitgebreid door onder hoge druk fracking vloeistof de grond in te pompen. Deze fracking vloeistof bestaat uit een mengsel van water, zand en chemicaliën. Door de druk ontstaan er scheurtjes in de aardlaag en komt het gas vrij. Het zand in de fracking vloeistof zorgt ervoor dat de scheurtjes niet meteen dichtvallen zodat het aardgas vrijelijk naar de boorput kan stromen (zie het onderstaande figuur). Een animatie van dit proces is te vinden via deze link: fracking filmpjew.


Proces van schaliegaswinning. Bron: Zijp 2012w, pagina 1.

De samenstelling van de chemicaliën is afhankelijk van de ondergrond. Bij een proefboring in Boxtel zou het gaan om twee chemicaliën: polyacrylamide en glutaraldehyde. Polyacrylamide is een verdikkingsmiddel dat zorgt dat het water de juiste viscositeit krijgt. Glutaraldehyde is een bacteriëndodend middel dat algengroei voorkomt Als er drinkwater gebruikt zou worden voor de fracking vloeistof, dan is het laatste middel niet nodig (De Vries et al. 2013).

Voorraden

Het is lastig om de voorraden schaliegas juist in te schatten. Eigenlijk moeten er een aantal proefboringen gedaan worden om te kijken hoeveel schaliegas er in de schalielagen zit. Huidige schattingen worden altijd omgeven met een voorzichtigheid. Eigenlijk weet je pas wat er zit als je daadwerkelijk gaat boren. De VS heeft grote voorraden en daar wordt schaliegas al op grote schaal gewonnen. In Polen blijkt er vooralsnog veel minder te zitten dan verwacht. In de UK zijn na de eerste boringen de schattingen juist naar boven bijgesteld. Recente gegevens schatten dat de grootste winbare mondiale hoeveelheden schaliegas te vinden zijn in China, Argentinië, Algarije, VS, Canada, Mexico en Australië (EIA 2013w).

In sommige schalielagen zit geen gas, maar olie. Dit heet dan schalie-olie. Schalie-olie zit waarschijnlijk voornamelijk in Rusland, VS, China, Argentinië en Libië. De figuur hieronder geeft een recente inschatting van de wereldwijde hoeveelheden schaliegas en schalie-olie.


Schattingen van wereldwijde schaliegas- en schalie-olievoorraaden. Bron: EIA 2014w

In Nederland zitten twee schalieformaties in de grond (zie onderstaande figuur). De Posidonia schalie formatie en de Greverik laag op een diepte van 2 tot 4.5km. De Posidonia formatie heeft een dikte van ongeveer 30 meter. Het Greverik Laagpakket is zo’n 50 meter dik (Zijp 2012w). In deze lagen zit waarschijnlijk schaliegas, maar zonder proefboringen is het lastig om te bepalen wat de concentratie is van het schaliegas in de lagen. Deze concentratie kan ook sterk verschillen op verschillende locaties binnen een laag.

De afgelopen jaren zijn ook de Nederlandse schattingen regelmatig bijgesteld. In 2011 schatte de U.S. Energy Information Administration de technisch winbare schaliegasvoorraden op 481 miljard m$^3$ (EIA 2011w). In 2013 werd die verwachting bijgesteld tot 736 miljard m$^3$ (EIA 2013w).
Minister Kamp gaat ervan uit dat de Nederlandse winbare schaliegasvoorraden tussen de 200-500 miljard m$^3$ liggen (Rijksoverheid 2013w). Een dergelijke voorraad zou neerkomen op een binnenlands gasverbruik van 4-10 jaar. Indien schaliegas winning door zou gaan, dan is de schatting dat er jaarlijks zo’n 2-4 miljard m$^3$ gewonnen zou worden. Dit zou neerkomen op 130-200 miljoen euro extra per jaar voor de schatkist (De Vries et al. 2013).


Schaliegaslagen in Nederland. Bron: Zijp 2012w, pagina 2.

Risico’s en acceptatie

Op dit moment wordt er niet naar schaliegas geboord in Nederland. Er is ook veel maatschappelijke weerstand tegen proefboringen. Verschillende actorgroepen schatten de risico’s anders in.

In augustus 2013 werd een onderzoek dat in opdracht van het Ministerie van Economische Zaken door het ingenieursbureau Witteveen & Bos was uitgevoerd over de veiligheid van schaliegaswinning openbaar. Dit onderzoek concludeerde dat de risico’s van schaliegaswinning in Nederland beheersbaar zijn. Het onderzoek kreeg veel kritiek omdat het te weinig aandacht zou hebben voor bovengrondse effecten van schaliegaswinning en het concept veiligheid te beperkt opvatte. Aspecten zoals kwaliteit van de leefomgeving alsmede de gevolgen voor ruimtelijke kwaliteit en de natuur zouden te beperkt naar voren komen (Commissie M.E.R. 2013w). Dit heeft geleid tot het instellen van een nieuw en breder onderzoek dat eind dit jaar klaar zal zijn en tot die tijd zullen er in Nederland geen boringen plaatsvinden.

Hierbij wordt meteen duidelijk dat het mogelijk is om op verschillende manieren naar schaliegaswinning te kijken. Antwoorden op de vraag of een risico acceptabel is hangt dus deels af welke aspecten als belangrijk worden gezien en meegenomen worden in de afweging. Het nieuwe onderzoek vanuit het ministerie van Economische Zaken rekt het kader dat als relevant gezien wordt verder op dan het rapport van Witteveen & Bos. Die bredere opvatting leefde op dat moment al in de maatschappij. Dat was onder meer zichtbaar in een intens, en gepolariseerd, publiek debat.

De argumentenkaart van TNOw geeft een aardig beeld van de verschillende argumenten die actoren voor en tegen schaliegas kunnen aandragen in Nederland.

Verschillen in deze kaarten geven niet alleen weer dat er een verschil is tussen de argumenten in Nederland en die van Europa, het ook dat argumenten zich kunnen ontwikkelen en dat er nieuwe argumenten in het debat kunnen komen en anderen uit het debat kunnen verdwijnen. Zo’n zelfde ontwikkeling kan ook plaatsvinden in wat verschillende actorgroepen (of de maatschappij) als geheel als acceptabele risico’s ziet.

Om meer gevoel te krijgen met de mogelijke bezwaren die in de maatschappij leven stippen we er enkele aan. Het is hier niet de bedoeling om een uitputtend beeld te geven van alle mogelijke bezwaren en inschattingen van de risico’s van de verschillende actorgroepen. Het is meer om een idee te krijgen dat je tegen dezelfde feiten en onzekerheden anders kunt aankijken.

Seismiek is een van de risico’s die met schaliegas in verband gebracht wordt. De seismische risico’s die met schaliegaswinning gepaard gaan in principe kleiner dan de seismische risico’s van conventionele gaswinning. Conventioneel gas ligt opgeslagen in zandsteen. Deze steensoort heeft een lage permeabiliteit waardoor het gas er gemakkelijk uitstroomt. Door de verwijdering van het gas kan het gesteente gemakkelijk inzakken omdat er ruimte is ontstaan. Bij schaliegas ligt dat anders doordat het gesteente een hoge dichtheid heeft. Na verwijdering van het gas is er weinig ruimte voor inzakking. Een ander risico op seismische activiteit ontstaat als winning nabij een natuurlijke breuklijn plaatsvindt.

Deze natuurlijke breuklijnen lopen door de aardlagen en zorgen ervoor dat de aarde gemakkelijker in beweging gebracht kan worden langs deze lijnen. Het wordt dan lastig om in te schatten wat het risico op seismische activiteit is en hoe groot de seismische beweging dan zal worden als schaliegaswinning in de buurt van deze breuklijnen plaats zou vinden. In Noord-Brabant lopen veel van deze breuklijnen. En dat is nu juist een van de regio’s waar naar verwachting ook veel schaliegas zit.

Een ander risico zijn mogelijke lekkages langs de boortoren. Dit heeft in de VS enkele malen tot problemen geleid. In Nederland zijn de wet en regelgeving rondom boringen veel strenger. Hierdoor wordt de kans op dergelijke lekkage veel kleiner. Een concreet voorbeeld vormt de casing van de boorput. De casing van de boorput is de afdichting van het boorgat in de ondergrond. Dit gebeurd met een stalen buis en een laag cement. In de VS is deze soms enkelwandig terwijl het in Nederland rondom de water aquifers driewandig uitgevoerd zou worden.

Dit is een technische oplossing die een specifiek risico sterk beperkt. Vervolgens is het een inschatting of het resterende risico acceptabel is. Volledig, 100%, veilig is namelijk met geen enkele techniek mogelijk, dus ook niet bij schaliegaswinning. De risico-inschatting en acceptatie kan per actorgroep verschillen.

Zo zijn drinkwaterbedrijven bijvoorbeeld erg kritisch ten aanzien van schaliegaswinning. Zij zijn verantwoordelijk voor de kwaliteit van het drinkwater en zien dat veel schaliegasgebieden tevens waterwingebieden zijn. Volgens Vitens ligt ongeveer een kwart van hun waterwingebieden in een gebied waar ook schaliegas in de grond zit (Vitens 2013aw). Oasen heeft een kaart met overlappende gebieden van heel Nederland op haar website staan (zie onderstaande figuur). Zij vinden de extra casing van boortorens onvoldoende en daarnaast hebben zij verschillende andere bezwaren zoals het risico voor besmetting van het grondwater van bovenaf door lekkage of ongelukken met frackingvloeistof dat doorsijpelt naar het grondwater (Vitens 2013bw). Ook denken ze dat er mogelijk (zeer) lange termijn effecten zijn die we nu mogelijk nog niet kunnen overzien. Verschillende andere actoren schatten deze risico’s wat lager in dan de waterbedrijven.


Overlap schalielagen en grondwaterwinning (zonder diepte weergave). Bron: Oasen 2013w
.
Een ander argument dat wel eens gebruikt wordt is het gebruik van oppervlakte of drinkwater voor het fracken. Omdat dit type water in de toekomst in toenemende mate schaars wordt, zou het een overweging kunnen zijn dit zoete water voor andere doeleinden te gebruiken. Voor bijvoorbeeld de landbouw of als drinkwater. Relevant hierbij is de internationale schaarste van water. Concreet zou de levering van water als component van de fracking vloeistof in Nederland op dit moment geen probleem zijn.

Met deze kleine greep uit de stellingen en argumenten wordt het al snel duidelijk dat er veel voor en tegens zijn en dat verschillende actoren andere belangen hebben en andere inschattingen van (aanvaardbare) risico’s. Alleen met de feiten wordt het lastig om consensus te bereiken over de (on)wenselijkheid van schaliegas. Hiervoor is ook een dialoog nodig over wat de verschillende actorgroepen en de maatschappij als geheel acceptabel vinden. Daarbij is het ook van belang dat er goede procedures zijn waarin alle actoren vertrouwen hebben zodat er een breed gedragen besluit kan worden genomen.

Groen gas


De opkomst van biogas en groen gas is een van de ontwikkelingen met het oog op hernieuwbare-energie. Het onderscheid tussen biogas en groen gas is als volgt:
• Biogas is elke gassoort die wordt gemaakt van hernieuwbare bronnen. Vaak zijn de verbrandingswaardes hiervan lager dan gebruikelijke aardgasstromen.
• Groen gas is biogas dat is opgewaardeerd tot G-gas kwaliteit.


Voorbeeld van een biogasinstallatie. (bron: Wikimedia Commons)

Productie van biogas

Biogas wordt met name op twee manieren geproduceerd: vergisting en vergassing

Vergisting van natte biomassa

Om uit natte biomassa biogas te kunnen produceren is een vergistingsproces nodig dat plaatsvindt zonder toevoeging van zuurstof, zogenaamde 'anaerobe vergisting'. Dit is een biologisch proces waarbij verteerbare delen van biomassa door vergistingsbacteriën worden omgezet in biogas. De onverteerbare delen en het water blijven over en worden digestaat genoemd (BioBased Economy 2014w).

Er wordt vaak onderscheid gemaakt tussen mono- en co-vergisting:
• Monovergisting: door gebruik te maken van 1 reststroom.
• Co-vergisting: waarbij verschillende reststromen worden gebruikt. Bij co-vergisting wordt meestal gebruik gemaakt van min. 50% dierlijk mest en max. 50% andere reststromen zoals mais.

De belangrijkste bronnen van natte biomassa zijn (afval)stromen van de bio-industrie (bijv. resten van suikerbieten en mais), industriële processen (bijv. rioolslib) en van afvalstromen van kleine bedrijven (bijv. gft).

Vergassing van droge biomassa

Uit droge biomassa kan door middel van vergassing ook biogas worden geproduceerd. Vergassing is een conversietechniek waarbij de moleculen van biomassa dusdanig worden verhit (900-1300 °C) dat ze kapot trillen en in kleinere moleculen uiteenvallen. Vergassing vindt net als vergisting meestal onder anaerobe (zuurstofloze) omstandigheden plaats (Stichting Groen Gas Nederland 2014w en TNO 2014w).

De belangrijkste bronnen van droge biomassa zijn houtpallets. Dit zijn gecomprimeerde houtsnippers, meestal afkomstig uit gebieden met grote hoeveelheden bos, zoals Canada en Rusland. In Nederland is de bruikbare hoeveelheid droge biomassa niet ruimschoots aanwezig waardoor op dit moment de houtpallets worden geïmporteerd (Greenpeace 2011w).

Verschil tussen vergisting en vergassing

• Per volume hoeveelheid biomassa wordt er bij vergassing meer biogas geproduceerd dan bij vergisting
• Het vergistingsproces is een natuurlijk proces dat moeilijk te controleren is. Daarentegen is vergassing makkelijker te beheersen.
• Vergisting duurt weken en vergassing slechts enkelen minuten
• Vergisting is minder energie-intensief dan vergassing. Dat levert een kostenvoordeel op.
• In Nederland is een overvloed aan natte biomassa zoals mest, droge biomassa voor vergassing wordt voornamelijk geïmporteerd vanuit landen zoals Canada. Hierbij spelen controverses rondom bossenkap voor geld of omdat het natuurlijk nodig is (Greenpeace 2011w).

Opwerking tot groen gas

De samenstelling van biogas is afhankelijk van de biomassa die is vergast of vergist. Methaan en waterstofgas – beide brandbare gassen – zijn veel voorkomende eindproducten. Om de kwaliteit te waarborgen kan het biogas omgezet worden in groen gas. Biogas kan worden opgewerkt tot groen gas door het verwijderen van de koolstofdioxide, water en andere verontreinigingen. Het resulterende gas krijgt dan dezelfde eigenschappen als aardgas en kan worden ingevoed in het aardgasnetwerk (Keizer 2012).

Het opwerken brengt kapitaalskosten en energiekosten met zich mee (ongeveer 10% van de verbrandingswaarde van het resulterende groen gas), maar groen gas kan via het gasnet wel overal worden toegepast.

Wie produceert biogas?

Drie typen bedrijven maken biogas van biomassa (Keizer 2012):
• Boeren met hun eigen productiefaciliteit die hun eigen afvalstromen verwerken
• Industriële bedrijven die hun afvalstromen gebruiken
• Afvalverwerkingsbedrijven en afvalwaterzuiveringsbedrijven

Certificering

Certificering van groen gas is nodig om ervoor te zorgen dat het 1)van voldoende kwaliteit is en daarmee de stabiliteit van de aardgasinfrastructuur niet in gevaar brengt, 2) het duidelijk wordt waar de biomassabron vandaan komt en 3) of deze bron duurzaam is en het gas daarmee groen. Certificering gaat middels richtlijnen door gespecialiseerde bedrijven zoals Vertogas of KEMA (Vertogas 2012w).

Toepassing: gebruik van biogas en groen gas

Uiteraard is directe verbranding van het niet-opgewerkte biogas mogelijk. In de meeste gevallen wordt het biogas verbrand in een gasturbine, waarbij elektriciteit en warmte vrijkomt. Het is van groot belang dat de branders worden afgesteld op de juiste chemische eigenschappen van het biogas, om ongelukken te voorkomen.

Directe toepassing van biogas is, mits nuttig gebruikt, efficiënter dan opwaardering en invoeding in het aardgasnet, omdat er bij beiden processen energie verloren gaat. Echter, aanbod van biomassa en vraag naar energie zijn vaak niet op dezelfde locatie. Transport van biomassa is erg energie-inefficient vanwege de lage energiedichtheid van biomassa. Hierdoor kan het soms toch aantrekkelijker zijn om biogas op te waarderen tot groen gas.

Voor groen gas zijn er bredere toepassingen mogelijk (Keizer 2012):
• Opgewerkt naar groen gas vervangt het regulier aardgas door de injectie in de aardgasinfrastructuur. Dat betekent dat groen gas voornamelijk wordt gebruik voor ruimteverwarming door huishoudens.
• Voor het opwekken van (bio-)elektriciteit: een energiebedrijf gebruikt biogas in een WKK of een reguliere gascentrale.
• Als transportbrandstof (voor uitgebreidere info hierover zie Energy Valley 2013w).
• Als grondstof voor de chemische industrie.

Rol van de (lokale) overheid

Vergunningen voor een biogasproductiefaciliteit worden gegund door de lokale gemeente of provincie.
De Nederlandse overheid heeft een positieve houding tegenover biogas en/of groen gas om een bijdrage te leveren aan het behalen van de duurzaamheidsdoelstellingen (ELI 2011). De Nederlandse regering heeft als doelstelling dat in 2020 tussen 8 en 12% van het aardgas in het gebruik is vervangen door groen gas. Hiertoe moet het volume van groen gas stijgen naar minimaal 4 miljard m$^3$ per jaar (Energy Valley 2010w).
Stimulering: Ondanks de hogere kosten voor groen gas productie wil Nederland meer energie uit duurzame bronnen. De overheid heeft hiertoe de Stimuleringsregeling Duurzame Energie (SDE) in het leven geroepen. De regeling biedt een vergoeding van het verschil tussen productiekosten van duurzame energie en de huidige energieprijs op basis van conventionele bronnen (Energy Valley 2010w).

Gashydraten


Dit zijn kristallen, waarin water en (methaan)gas gecombineerd zijn. Combineer je 1 m$^3$ water met methaan tot gashydraat, dan levert dit 1,26 m$^3$ hydraat op door toevoeging van 207 m$^3$ methaan. De concentratie (en bijkomende calorische waarde) is dus enorm veel groter dan van normaal aardgas. Eén volume-eenheid hydraat bevat 164 volume-eenheid methaan.

Natuurlijke gashydraten zijn een onconventionele energiebron. Potentiële reserves van gehydrateerd gas bedragen meer dan 1,5 * 10$^{16}$ m$^3$ en zijn wijdverspreid te vinden over de hele aarde, zowel on- als offshore. Tegenwoordig bestaan er in veel landen onderzoeksprogramma’s naar de productie van aardgas uit afzettingen van gashydraten. Er zijn meer dan 220 voorkomens ontdekt, meer dan 100 proefboringen gedaan en vele kilometers van hydraatkernen zijn onderzocht. Commercieel is de exploitatie succesvol met goede resultaten, maar nog steeds moeten complexe problemen worden opgelost voordat het hiervoor genoemde volume te winnen is.


Drinkwater uit zeewater


De laatste jaren is het produceren van drinkwater uit zeewater een sterk opkomende ontwikkeling. In het Midden-Oosten is deze techniek op grote schaal in gebruik, doordat daar zoetwaterbronnen voor drinkwater schaars zijn en de energie (door de ruime beschikbaarheid van aardolie) ter plaatse relatief goedkoop is. Van de totale wereldproductie aan drinkwater wordt zo’n anderhalf procent uit zeewater en brak water gemaakt. In Nederland wordt er geen drinkwater uit zeewater gewonnen. De energie-intensieve ontzilting van zeewater kan hier niet concurreren met de gebruikelijke winning van drinkwater uit zoet oppervlakte- en grondwater. Behalve voor het Midden-Oosten, is zeewaterontzilting echter ook in andere delen van de wereld onontbeerlijk om in de lokale drinkwaterbehoefte te voorzien. Denk maar aan eilanden (bijv. Cyprus en Malta in de Middellandse zee; Curaçao en vele andere eilanden in het Caribisch gebied) en andere zoetwaterschaarse gebieden, zoals Australië, waar de eerste zeewaterontziltingsinstallatie recent in gebruik is genomen (Perth).

Er zijn diverse processen om zeewater te ontzilten, die alle gebaseerd zijn op hetzij destillatie, hetzij omgekeerde osmose:
• Destillatie is de meest gebruikte techniek voor zeewaterontzilting. Het principe is eenvoudig: zeewater wordt verwarmd tot het verdampt waarna de zuivere waterdamp vervolgens weer condenseert. De zouten verdampen niet mee en blijven achter. Er zijn diverse technische uitvoeringen mogelijk van dit proces; de meest gebruikte zijn meertrapsverdamping- en dampcompressiedestillatie (zie aanvullende literatuur). Alle destillatiesystemen vereisen veel energie. Het opwarmen van het water tot het verdampingspunt kost ongeveer 2400 kJ per liter. Deze warmte kan wel acht tot tien keer hergebruikt worden zodat er uiteindelijk gemiddeld tussen de 200 en 300 kilojoule per liter vereist is. In het Midden-Oosten wordt dampcompressiedestillatie op grote schaal toegepast, omdat de energie daar zeer goedkoop is. In andere delen van de wereld wordt gebruik gemaakt van een meertrapsverdamping, Hierbij wordt in ieder van de trappen de warmtebron gebruikt van de voorgaande trap wat nog een extra reductie oplevert van de warmte. Zoals bij elk zeewaterontziltingsproces blijft ook bij de destillatieporcessen een geconcentreerde zoutstroom over (brijn) die in zee geloosd wordt.
• Omgekeerde osmose is een proces waarbij gebruikt wordt gemaakt van een semipermeabel membraan om opgeloste stoffen (zouten), organische stoffen en bacteriën van het water te scheiden. In het proces wordt water onder druk (20-100 bar) door een selectief membraan geperst. Omgekeerde osmose is in staat om 95 tot 99% van alle opgeloste stoffen en 99% van alle bacteriën te verwijderen. In combinatie met een actiefkoolfilter wordt hiermee water geproduceerd dat qua kwaliteit en veiligheid superieur is. Er kleven wel twee nadelen aan het gebruik van omgekeerde osmose: (1) het membraan raakt snel vervuild en kan scheuren en (2) de opbrengst van drinkwater is relatief gering, slechts 20% tot 30% van de waterinvoer. De rest van het water verlaat het proces weer als een geconcentreerde zoutstroom (brijn), die in zee wordt geloosd. De brijn moet geloosd worden op een plek waar de schade voor de lokale flora en fauna (denk bijv. aan koraalriffen) tot een minimum wordt beperkt.

TNO is de laatste jaren bezig met de ontwikkeling van een nieuwe veelbelovende techniek voor membraandestillatie. Deze moet het mogelijk maken om in één stap en op voordelige wijze zeer zuiver water uit zout water te winnen (TNO 2007). Deze techniek staat inmiddels bekend als de Memstill technologie, welke membraanfiltratie en destillatie combineert. Er kan eventueel gebruik worden gemaakt van industriële restwarmte die vaak zeer goedkoop of zelfs gratis te verkrijgen is. In Singapore wordt op dit moment een installatie gebouwd waarmee onderzocht wordt hoe de techniek het op grote schaal doet. Singapore is zeer geïnteresseerd in deze techniek omdat Singapore zelf nauwelijks drinkwaterbronnen heeft en zeer afhankelijk is van zijn buurlanden. De voorspelling van TNO van de kosten per m$^3$ drinkwater voor verschillende zeewaterontziltingstechnieken is dat destillatietechnieken een factor twee duurder zullen blijven dan omgekeerde osmose en de Memstill techniek.


Werkcollege toekomstige energie- en industriesystemen


Voorbereiding

Bekijk de pagina werkcollege-voorbereiding-algemeen voor de regels rondom de voorbereiding van werkcolleges.

Bestudeer de volgende pagina's:
elektrische-autos
smart-grid
groen-gas
elektriciteit-conversie

• Denk na over de stelling: "Elektrisch vervoer staat de energietransitie in de weg."
• Maak een lijst van voor- en tegenargumenten, ten minste 5 argumenten vòòr en 5 argumenten tegen deze stelling. Formuleer een argument zo precies mogelijk, maar probeer ook overtuigend te zijn.
• Zoek bronnen om je argumenten te onderbouwen. Kun je de argumenten kwantificeren?
• Denk ook hierover na: welke voor- en tegenargumenten zijn aan elkaar gerelateerd?

Opdracht

We bereiden ons verder voor op en voeren debatten over de stelling: Elektrisch vervoer staat de energietransitie in de weg."

Deel 1: Analyse en voorbereiding (10.45-11.00)

• We delen ons op in 3 groepen.
• Elke groep bereid het debat voor op basis van de voorbereidingen.
• Binnen de groepen worden de taken over de argumenten verdeeld.

Deel 2: Eerste debat 11:00-11:30

• We voeren een gestructureerd en strak debat over dit onderwerp. De debatten volgen dit gereguleerde tijdsschemaw:
• Opening statements (2x 1.5 min.)
• Break (3 min.)
• Rebuttals (2x 2 min.)
• Break (3 min.)
• Closing statements (2x 2 min.)
• Jury deliberation time (3 min.)
• Verdict (2 min.)

De jury verdeelt onderling de taken en let per team op:
• Inhoud: kwaliteit van de argumenten/argumentatie, geen belangrijke argumenten vergeten?
• Respons: worden ingegaan op alle argumenten van de andere partij?
• Stijl: worden de argumenten helder gebracht? Is het overtuigend?

De verdeling is als volgt:
• VOOR: groep 1
• TEGEN: groep 2
• JURY: Groep 3

Deel 3: Analyse en voorbereidingen 11:45-12:00

We analyseren de resultaten van het eerste debat.

Deel 4: Tweede debat 12:00-12:30

We voeren een tweede debat, waar we sprekers en jury als volgt rouleren:

De verdeling is als volgt:
• VOOR: groep 3
• TEGEN winnaar ronde 1
• JURY: verliezer ronde 1

De timing van het debat kan eenvoudig hiermeew worden gehandhaafd.


Bronnen

Velds 1992w,
Chappin 2011w,
EC 2010w,
EC 2010w,
Enipedia 2013aw,
FAO 2014w,
TU Delft 2013w,
Weggen et al. 2000w,
Kukemelk 2011w,
CBS 2013hw,
CBS 2013fw,
CBS 2013iw,
CBS 2013aw,
CBS 2013bw,
CBS 2013bw,
CBS 2016xw,
CBS 2013dw,
CBS 2019bw,
CBS 2013aw,
Aquafin 2013w,
BP 2013w,
University of Cambridge 2014w,
CBS, PBL, Wageningen UR 2014w,
ECN 2012w,
EIA 2013w,
Energy Valley 2010w,
Inage 2009w,
Greenpeace 2011w,
GWEC 2013w,
IEA 2013aw,
IEA 2013dw,
Van den Noort 1993w,
Milieucentraal 2014w,
Natuur Dichtbij 2013w,
Natuurinformatie 2005w,
Naturalis 2016w,
OPEC 2016w,
MNP 2006w,
Rijksoverheid 2013aw,
Rioned 2013aw,
RIVM 2005w,
Rijkswaterstaat 2012w,
Vewin 2012w,
VROM 2007w,
World Nuclear Association 2013aw,
World Coal Institute 2009w,
Crabtree et al. (2015)w,
EIA 2015w,
Sabihuddin et al. (2015)w,
Rijksoverheid 2016w,
Zijp 2012w,
ACM, 2015, ACM, 2015. Hoe beoordeelt de ACM de tarieven van experimenten.
Agentschap NL 2013w, Diverse beleidsstukken elektrisch vervoer, geraadpleegd 26 november 2013
Aghaei and Alizadeh, 2013, Aghaei, J., Alizadeh, M.-I., 2013. Demand response in smart electricity grids equipped with renewable energy sources: A review. Renew. Sustain. Energy Rev. 18, 64–72.
AkzoNobel 2016w, AkzoNobel - Historie, laatst geraadpleegd 9 februari 2016
Almeida 2015w, Iris Almeida, Iran is no Qatar, even with world’s second-biggest gas reserves, October 20, 2015, geraadpleegd 23 februari 2016
Alsem 2013, J. D. Alsem, Future profitability of fossil-fuelled power plants in the Netherlands - An exploratory research on the profitability of Dutch fossil-fuelled power production capacity in 2020, 2013
Anno.nl 2006w, Anno.nl (2006), Bier als water, geraadpleegd op 8 augustus 2007
Aquafin 2013w, Aquafin - Rioolwaterzuiveringsinstallatie - In een rioolwaterzuiveringsinstallatie, geraadpleegd 25 november 2013
BGS 2013w, BGS, Critical Raw Materials, geraadpleegd 21 oktober 2013
BP 2013w, BP Statistical Review of World Energy. De 2013 versie is gebruikt. Geraadpleegd 5 november 2013
Bellona 2013w, The Bellona Foundation - More uranium tails to be greeted in St. Petersburg with protests and bitter public opinion, geraadpleegd 26 november 2013
Binnemans en Jones, 2018w, Binnemans, K., & Jones, P. T. (2018). Kritieke metalen voor een transitie naar een koolstofarme economie. In B. Pattyn, & P. D'Hoine (Reds.), Lessen voor de eenentwintigste eeuw: Opinie, feit en oordeel (24e ed., pp. 143–172). Leuven, België: Universitaire Pers Leuven.
BioBased Economy 2014w, BioBased Economy, Biogas, Geraadpleegd 28 januari 2014
Bohmer 2001, Bohmer, L. J. (2001) Een jaar legionellabestrijding
Bouwmeester 2013w, Jeannebouwmeester.nl, geraadpleegd 15 november 2013
Brinkman 2008, Brinkman. E. (2008). Kunstmest. Chemische feitelijkheden 56, 2-3.
CBS 2008w, Gasverbruik van huishoudens, geraadpleegd 18 november 2015
CBS 2011, Centraal Bureau van de Statistiek. (2011). Hernieuwbare energie in Nederland. Den Haag, Nederland: Tuijtel
CBS 2013aw, CBS, Overzicht van de hoofdsectoren van de industrie, geraadpleegd 11 november 2015, data van 2013.
CBS 2013bw, CBS, Overzicht van de deelsectoren van raffinaderijen en chemie, geraadpleegd 21 oktober 2013, data van 2011.
CBS 2013ew, CBS Statline - Elektriciteit; productie en productiemiddelen, geraadpleegd 6 november 2013
CBS 2013fw, CBS, Windenergie; elektriciteitsproductie, capaciteit en windaanbod per maand, geraadpleegd 6 november 2013.
CBS 2013hw, CBS Aardgasbalans; aanbod en verbruik, geraadpleegd 20 november 2013
CBS 2013iw, CBS, Hernieuwbare energie; capaciteit, binnenlandse productie en verbruik, geraadpleegd 6 november 2013
CBS 2016xw, CBS 2016, Data over capaciteit en opbrengst zonnepanelen in Nederland, geraadpleegd 22 februari 2016
CBS 2017w, CBS Statline - Elektriciteit; productie naar enegiebron, geraadpleegd 20 februari 2019
CBS 2019bw, CBS, Biomassa; verbruik en energieproductie uit biomassa per techniek, geraadpleegd 20 februari 2019
CBS, CPB 2012w, CBS, CPB, Export draagt 29 procent bij aan Nederlandse economie, geraadpleegd 31 januari 2014
CBS, PBL, Wageningen UR 2014w, CBS, PLB, WUR, Waterwinning en watergebruik door de industrie, 1976-2011 (indicator 0018, versie 10, 28 januari 2014). www.compendiumvoordeleefomgeving.nl. CBS, Den Haag; Planbureau voor de Leefomgeving, Den Haag/Bilthoven en Wageningen UR, Wageningen
Cahier 2012, Boer, S., Dinkla. I., Drijver, B., Hartog, B., Koeders, M., Marhijssen, H. (2012). Meer met bodemenergie. skb
Cedigaz 2013w, Cedigaz, Natural Gas in the World 2012 (Released - 24 October 2012), geraadpleegd 20 november 2013
Central Statistics Office India 2014w, Central Statistics Office India 2014, Energy statistics 2013, geraadpleegd 3 maart 2014
Chappin 2011w, Chappin, E. J. L. (2011), 'Simulating Energy Transitions', PhD thesis, Delft University of Technology
Commissie Bodemdaling 2008w, Commissie Bodemdaling door aardgaswinning in Groningen - Metingen, geraadpleegd 15 november 2013
Commissie M.E.R. 2013w, Beoordeling effectenstudie schaliegaswinning, Advies commissie M.E.R., 19 september 2013, geraadpleegd 6 februari 2014.
Compendium voor de Leefomgeving 2003aw, CBS, PBL, Wageningen UR (2003). Grondwatersituatie, landelijk beeld, 1950-1990 (indicator 0283, versie 03, 2 december 2003)
Compendium voor de leefomgeving 2003bw, CBS, PBL, Wageningen UR (2003). Grondwaterstijghoogte, 1950-1999 (indicator 0281, versie 03, 2 december 2003). www.compendiumvoordeleefomgeving.nl. CBS, Den Haag; Planbureau voor de Leefomgeving, Den Haag/Bilthoven en Wageningen UR, Wageningen.
Conchado et al.,2011, Conchado, A., Linares, P., Lago, O., Santamaría, A., 2011. How much should we pay for a DR program? An estimation of network and generation system benefits. Madrid.
Crabtree et al., 2015w, Crabtree, G., Kócs, E., & Trahey, L. (2015). The energy-storage frontier: Lithium-ion batteries and beyond. MRS Bulletin, 40(12), 1067–1078. https://doi.org/10.1557/mrs.2015.259
DSM 2016w, DSM - Geschiedenis, laatst geraadpleegd 9 februari 2016
De Ingenieur 2012w, De Ingenieur - Dossier Warmtenet - Restjes rondpompen
De Ingenieur 2014w, De Ingenieur, Nucleair landschap verandert ingrijpend, 23 Maart 2014, geraadpleegd 23 februari 2016
De Vries et al. 2013,
EC 2010w, Critical raw materials for the EU, Report of the Ad-hoc Working Group on defining critical raw materials, version of 30 July 2010
EC 2013,
ECN 2009w, Aardgasopslag in Europa, geraadpleegd 18-11-2015
ECN 2012w, Energietrends 2012, ECN, geraadpleegd 11 november 2013
EIA 2007w, EIA. (2017, February 2). U.S. Energy Information Administration - EIA - Independent Statistics and Analysis. Retrieved February 28, 2017
EIA 2011w, Technically recoverable shale oil and shale gas resources, U.S. Energy Information Administration, geraadpleegd 31 januari 2014.
EIA 2013w, Technically recoverable shale oil and shale gas resources, U.S. Energy Information Administration, geraadpleegd 31 januari 2014.
EIA 2014w, EIA, Analysis & Projections, Technically Recoverable Shale Oil and Shale Gas Resources: An Assessment of 137 Shale Formations in 41 Countries Outside the United States. Geraadpleegd, 7 februari 2014
EIA 2015w, U.S. Energy Information Administration, Qatar: International energy data and analysis, October 20, 2015, geraadpleegd 23 februari 2016
ELI 2011, Ministerie van ELI, Energierapport 2011. Den Haag
ETP SmartGrids, 2010, ETP SmartGrids, 2010. Smart Grids: strategic deployment document for Europe’s electricity networks of the future, Strategic Deployment Document
EcoSeed 2014w, EcoSeed - Indian renewable energy sector to create 2.4 million jobs by 2020 - report, geraadpleegd 3 maart 2014
Eid et al., 2015a, Eid, C., Codani, P., Chen, Y., Perez, Y., Hakvoort, R., 2015a. Aggregation of Demand Side flexibility in a Smart Grid : A review for European Market Design, in: 12th International Conference on the European Energy Market (EEM). Lisboa, pp. 1–5.
Eid et al., 2015b, Eid, C., Codani, P., Perez, Y., Reneses, J., Hakvoort, R., 2015b. Managing electric flexibility from Distributed Energy Resources : A review for incentives , aggregation and market design, Working Paper. Delft.
EnergieNed 2014w, verbruik 2012 Energietrends 2014, geraadpleegd 18 november 2015
Energielabel.nl 2013w, Nieuwe energielabels, Energielabel.nl, geraadpleegd 14 november 2013
Energielabel.nl 2013aw, Energielabel Televisie, Energielabel.nl, geraadpleegd 14 november 2013
Energy Valley 2010w, Energy Valley, Groen Gas Hubs, geraadpleegd 28 januari 2014
Energy Valley 2013w, Energy Valley Energiemonitor Noord Nederland 2013, geraadpleegd 21 januari 2014
Enipedia 2013w, Enipedia Reserves to production ratio
Enipedia 2013aw, Enipedia - LNG Trade, geraadpleegd 20 november 2013
European Commission, 2012, European Commission, 2012. Directive 2012/27/EU of the European Parliament and of the Council of 25 October 2012 on energy efficiency, amending Directives 2009/125/EC and 2010/30/EU and repealing directives 2004/8/EC and 2006/32/EC
Evides 2007w, Evides Waterbedrijf, Waterzuivering, geraadpleegd 12 juli 2007
FAO 2014w, FAO, FAOSTAT, data 2011, geraadpleegd 31 januari 2014
FD 2015aw, Financieel dagblad - vraag naar staal groeit voorzichtig, april 2015
FD 2015bw, Financieel dagblad - Prijs van ijzererts duikt onder $40 per ton, 2015
Faruqui et al., 2010, Faruqui, A., Harris, D., Hledik, R., 2010. Unlocking the €53 billion savings from smart meters in the EU: How increasing the adoption of dynamic tariffs could make or break the EU’s smart grid investment. Energy Policy 38, 6222–6231.
Geelen et al., 2013,
Geelen et al., 2013, Geelen, D., Reinders, A., Keyson, D., 2013. Empowering the end-user in smart grids: Recommendations for the design of products and services. Energy Policy 61, 151–161. doi:10.1016/j.enpol.2013.05.107
Greenpeace 2011w, Greenpeace, Import houtpellets voor biomassa vernietigt Canadese bossen, geraadpleegd 21-01-2014.
Groene Courant 2012w, Groene Courant, Qatar investeert tot 15 miljard in zonne-energie, 3 December 2012, geraadpleegd 23 februari 2016
Groot 2013, Groot, D. T. (2013). Power plant investment processes. Master thesis, Delft University of Technology
Hartman 2006w, Dap Hartman (2006), Goud uit afval - Delftse technologie haalt in Amsterdamse proeffabriek waardevolle metalen uit verbrand huishoudvuil, in Delft Integraal 2006 (2), laatst geraadpleegd 3 februari 2016
Heijnen et al. 2013w, P.W. Heijnen, E.J.L. Chappin, I. Nikolic (2014), Infrastructure network design with a multi-model approach - Comparing Geometric graph theory with an agent-based implementation of an Ant Colony Optimization, Journal of Artificial Societies and Social Simulation 17(4)1
Hidrodoe Pidpa 2013w, Hidrodoe Pidpa, Water door de eeuwen, geraadpleegd 22 oktober 2013
Historien 2016w, Historien, Opkomst van de Twentse Textielindustrie, laatst geraadpleegd 9 februari 2016
IEA 2008w, Energy Policies of IEA Countries, The Netherlands, 2008 Review, geraadpleegd 20 november 2013
IEA 2008aw, Energy Policies of IEA Countries - The Netherlands 2008 Review, geraadpleegd 15 november 2013
IEA 2009w, IEA (2009), Energy Policies of IEA countries - Canada, geraadpleegd 1 maart 2015
IEA 2012w, IEA (2012), Sankey Diagram van Canada. geraadpleegd 1 maart 2015
IEA 2013aw, IEA's Sankey diagram van het energiegebruik in Nederland, geraadpleegd 21 oktober 2013
IEA 2013bw, IEA's Sankey diagram van de energiebalans in Nederland, geraadpleegd 21 oktober 2013
IEA 2013cw, IEA Sankey Diagrams, opgevraagd 14 oktober 2013
IEA 2013dw, IEA Technology Roadmap Hydropower, geraadplaagd 6 november 2013
IEA 2013ew, International Energy Agency, Qatar – balance, 2013, geraadpleegd 23 februari 2016
IEA 2013fw, IEA Statistics, Monthly Gas Survey, With data up to August 2013, Geraadpleegd 20 november 2013
IPCC 2011, IPCC (2011), Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation, Special Report prepared by Working Group III of the IPCC: Executive Summary. Cambridge University Press, Cambridge, UK and New York, NY, USA.
Inage 2009w, Inage, S. Prospects for Large-Scale Energy Storage in Decarbonised Power Grids, IEA Working Paper, IEA/OECD, Paris, geraadplaagd 6 november 2013
IndexMundi 2014w, IndexMundi, Consumptie elektriciteit, 2014, geraadpleegd 23 februari 2016
Is Geschiedenis 2013w, Is Geschiedenis, Eerste Nederlandse elektriciteitscentrale, geraadpleegd 5 november 2013
KNMI 2015w, Aardbevingen door gaswinning, geraadpleegd 11 november 2015
Kamp 2014, Nazorg steenkolenwinning Limburg. Brief van Minister Kamp aan de Tweede Kamer, 20 juni 2014
Keizer 2012,
Keizer 2012, Keizer, A. (2012) An Analysis-of-Options approach to comprehend decision making in the Dutch biogas system - trying to resolve the impasse in the biogas system. Master thesis, Delft University of Technology
Kempton 2005, W. Kempton and J. Tomic, "Vehicle-to-grid power fundamentals: Calculating capacity and net revenue," Journal of Power Sources, vol. 144, no. 1, pp. 268– 279, 2005
Kukemelk 2011w, Joel Kukemelk, Qatar – the biggest exporter of liquid gas in the world, LHV Persian Gulf Fund, geraadpleegd 23 februari 2016
Leitner 2000w, Walter Leitner, Green chemistry: Designed to dissolve, in: Nature 405, 129-130 (11 May 2000), doi:10.1038/35012181
Lintsen 1993, H.W. Lintsen (1993). Geschiedenis van de techniek in Nederland. De wording van een moderne samenleving 1800-1890. Deel III. Textiel. Gas, licht en elektriciteit. Bouw. Stichting Historie der Techniek. Walburg Pers, Zutphen.
MNP 2006w, Milieu- en Natuurplanbureau, Milieubalans 2006
Meadows 2004, Meadows, D., Randers, J., Meadows, D., Limits to Growth - The 30-Year Update, Chelsea Green Publishing Company, 2004, ISBN 1-931498-51-2
Milieucentraal 2013w, Milieucentraal - Waterkracht, geraadpleegd 6 november 2013
Milieucentraal 2014w, Milieu Centraal, Afvalscheiding, geraadpleegd 3 februari 2014
Ministerie van VROM 2001, Ministerie van VROM (2001), Waterleidingwet, Den Haag
NAM 2015w, Aantal aardbevingen in het Groningen-gasveld, geraadpleegd 11 november 2015
NLOG 2015w, Geografische selectie, geraadpleegd 6 januari 2016
NLOG 2009w, NL Olie- en Gasportaal, geraadpleegd 15 november 2013
NLOG 2013aw, NL Olie- en Gasportaal, geraadpleegd 18 november 2013
NLOG 2013bw, NL Olie- en Gasportaal, hoge resolutie netwerkkaart, geraadpleegd 18 november 2013
NREL, 2004; Pérez-Arriaga et al., 2013, NREL, 2004. Aggregated Dispatch of Distributed Generation Units Aggregated Dispatch of Distributed Generation Units Final Report. New York.
Natural Resources Canada 2015w, Natural Resources Canada (2015), Energy Efficiency Trends in Canada, 1990 to 2008, Chapter 5: Industrial Sector, Overview — Industrial energy use and GHG emissions, geraadpleegd 1 maart 2015
Naturalis 2016w, Naturalis, geraadpleegd op 26 januari 2016
Natuur Dichtbij 2013w, Natuur Dichtbij, Rijn en Maas, geraadpleegd 23 oktober 2013
Natuurinformatie 2005w, Natuurinformatie, De duinen voor de waterwinning, geraadpleegd 23 oktober 2010
Natuurinformatie 2016w, Natuurinformatie - Steenzout, laatst geraadpleegd 9 februari 2016
Nissan 2013w, Prijzen en specificaties Nissan Leaf, geraadpleegd 26 november 2013
OEC 2016w, OEC, Qatar, geraadpleegd 23 februari 2016
OPEC 2016w, OPEC. Qatar facts and figures, geraadpleegd 23 februari 2016
Oasen 2013w, Trouw: schaliegaszone overlapt veel Nederlandse grondwaterwinningen, Oasen Drinkwater, geraadpleegd 7 februari 2014
Oesterholt et al. 2003,
Okajima & Okajima 2013, Okajima, S., & Okajima, H. (2013). Analysis of energy intensity in Japan. Energy Policy, 61, 574-586. doi:10.1016/j.enpol.2013.05.117
Opel 2013w, Prijzen en specificaties Opel Ampera, geraadpleegd 26 november 2013
Paling 2013,
Paling 2013, Jeroen Paling (2013) Assessing the impact of power plant siting on the long term development of the power sector, Master thesis, Delft University of Technology
Paulissen et al. 2007w, M.P.C.P. Paulissen, R.C. Nijboer en P.F.M. Verdonschot, Grondwater in perspectief, Een overzicht van hydrochemische watertypen in Nederland, Alterra Wageningen UR, geraadpleegd 23 oktober 2013
Provincie Limburg 2016w, Provincie Limburg - Stichting Calamiteitenfonds Mijn(water)schade Limburg, laatst geraadpleegd 9 februari 2016
RIVM 2005w, RIVM rapport 703719009/2005, F.M. Schets, H.H.J.L. van den Berg, W.J. Lodder, A.E. Docters van Leeuwen, S. in ’t Veld, A.M. de Roda HusmanDe microbiologische kwaliteit van hemelwater toegepast voor toiletspoeling, schoonmaken en tuinsproeien. Inventariserend onderzoek 2005
RVO 2015, Best Practice Proceswater, Rijksdienst voor Ondernemend Nederland, juli 2015. Publicatienummer: RVO-120-1501/RP-DUZA
RVO 2015w, cijfers elektrisch vervoer, geraadpleegd 16 december 2015
RVO 2015aw, RVO (2015), IA-netwerk Canada: duurzaamheid en energie, geraadpleegd 1 maart 2015
Rediff Business 2014w, Rediff Business, India's 20 biggist companies, geraadpleegd 3 maart 2014
Rijksoverheid 2009, Rijksoverheid (2009) Derde Structuurschema Elektriciteitsvoorziening (SEVIII)
Rijksoverheid 2013w, Antwoord van de Minister van Economische Zaken op door belanghebbenden gestelde beleidsvragen die niet zijn voorgelegd aan Witteveen & Bos, geraadpleegd 6 februari, 2014
Rijksoverheid 2013aw, Kamerstukken - Plan van Aanpak Elektrisch Rijden, geraadpleegd 26 november 2013
Rijksoverheid 2013bw, Plan van Aanpak Elektrisch Vervoer: 'Elektrisch Rijden in de Versnelling', geraadpleegd 26 november 2013
Rijksoverheid 2014w, Radioactief afval, geraadpleegd 6 januari 2015
Rijksoverheid 2016w, Rijksoverheid - Duidelijkheid over invulling stelsel van fosfaatrechten. 03-03-2016
Rijkswaterstaat 2012w, Afvalverwerking in Nederland, gegevens 2012 / Werkgroep Afvalregistratie, Utrecht: Rijkswaterstaat, 2013. ISBN 978-94-91750-03-8.
Rijkswaterstaat 2013, Rijkswaterstaat, Wet- en regelgeving bodemenergie, geraadpleegd 20 januari 2016
Rioned 2013aw, Stichting Rioned - Gemengd riool, geraadpleegd 20 november 2013
Rioned 2013bw, Stichting Rioned - Gescheiden riool, geraadpleegd 20 november 2013
Roordink 1993, R. Roordink (1993). De Koninklijke Nederlandse Zoutindustrie. Zout uit de bodem van Twente. De geschiedenis van de KNZ 1918-1940. In: Overijsselse historische bijdragen: verslagen en mededelingen van de Vereeniging tot Beoefening van Overijsselsch Regt en Geschiedenis, ISSN 0165-6465, vol. 108 (1993) p. 97-129.
Salacanin 2015w, Stasa Salacanin, Oil and Gas reserves: how long will they last? Feb 1, 2015, geraadpleegd 23 februari 2016
Schot et al. 2000, J.W. Schot, H.W. Lintsen en A. Rip (2000). Techniek in Nederland in de twintigste eeuw. Deel II. Delfstoffen, Energie, Chemie. Stichting Historie der Techniek, Walburg Pers, Zutphen.
Skinner 2001,
Sphinx 2016w, Sphinx - Geschiedenis, laatst geraadpleegd 9 februari 2016
Steffen 2008, J. Steffen (2008). Tomorrow’s answers today. De geschiedenis van AkzoNobel sinds 1646. Akzo Nobel NV, Walburg Pers, Zutphen.
Stichting Groen Gas Nederland 2014w, Stichting Groen Gas Nederland, Wat is groen gas, geraadpleegd 21 januari 2014
Sublime News 2015w, Sublime News (2015), Flinke groei werkgelegenheid in duurzame energiesector in Canada, geraadpleegd 1 maart 2015
TNO 2007, TNO (2007), Nieuwe technologie Memstill belooft ongekend economisch potentieel voor waterzuivering, Rijswijk
TNO 2014w, Superkritische vergassing van biomassa, geraadpleegd 21 januari 2014
TU Delft 2007, TU Delft, Coalpage, geraadpleegd 2007
TU Delft 2013w, TU Delft, Inleiding Water Management, geraadpleegd 22 oktober 2013
TUDelft 2007w, TUDelft (2007), Inleiding watermanagement, geraadpleegd op 13 juli 2007
Ten Cate 2016w, Ten Cate - Geschiedenis, laatst geraadpleegd 9 februari 2016
TenneT 2013w, TenneT, Elektriciteitsnet, geraadpleegd 25 november 2013
Tesla 2013w, Prijzen en specificaties Tesla Model S, geraadpleegd 26 november 2013
ThiemeMeulenhoff Educatiefw, Staalproductie, geraadpleegd 02-03-16
Trends in global energy efficiency 2011w, Country reports Japan, by Enerdata and the Economist Intelligence Unit
University of Cambridge 2014w, University of Cambridge, Department of Chemical Engineering and Biotechnology, OFM: Process Intensification, geraadpleegd 28 januari 2014.
VNMI 2014w, VNMI, Magnesium, geraadpleegd 24 februari 2014
VROM 2007w, Ministerie van VROM (2007). Dossier kaderrichtlijn water, geraadpleegd op 20 augustus 2007
VROM 2008w, De beëindiging van het chloortransport in Nederland, geraadpleegd 31 januari 2014
Van Rooij 2007, A. van Rooij (2007). The Company that changed itself: R&D and the transformations of DSM. Amsterdam University Press.
Van den Noort 1993w, J. van den Noort Licht op het GEB - Geschiedenis van het Gemeente-Energiebedrijf Rotterdam, 1993, geraadpleegd 5 november 2013
Van der Wal 2003, van der Wal, W., The Technological Infrastructure of the Gas Chain, in National Reforms in European Gas, M.J. Arentsen and R.W. Kunneke, Editors. 2003, Elsevier Ltd: Oxford, UK. p. 13-30.
Velds 1992w, C.A. Velds, Zonnestraling in Nederland, KNMI, 1992
Vertogas 2012w, Vertogas - Vijf erkende keuringsinstanties, 6 juli 2012, geraadpleegd 13 augustus 2012
Verzijbergh 2013,
Vewin 2012w, Vewin, Drinkwaterstatistiek 2012, de watercyclus van bron tot kraan, opgevraagd 22 oktober 2013
Vitens 2013aw, Kwart waterwingebieden in ‘schaliegaszone’, Vitens, geraadpleegd: 7 februari 2014
Vitens 2013bw, Zorgen schaliegas drinkwaterwinning, Vitens, geraadpleegd 7 februari 2014
WEC 2004w, World Energy Council. 2004 Survey of Energy Resources. 2004. Elsevier Ltd. Oxford. p147, geraadpleegd 23 februari 2016
Water.nl 2007w, Water.nl (2007), Drinkwaterzuivering, geraadpleegd op 16 augustus 2007
Weggen et al. 2000w, Weggen, K., Pusch, G. and Rischmüller, H. 2000. Oil and Gas. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry
Wikipedia 2007w, Wikipedia - Watertoren, geraadpleegd 13 augustus 2007
Wikipedia 2013w, Wikipedia - List of countries by natural gas proven reserves, geraadpleegd 18 november 2013
Wikipedia 2013aw, Wikipedia - Chevrolet Volt, geraadpleegd 26 november 2013
Wikipedia 2013bw, Wikipedia - Tesla Model S, geraadpleegd 26 november 2013
Wikipedia 2013cw, Wikipedia - Nissan Leaf, geraadpleegd 26 november 2013
Wikipedia 2013dw, Wikipedia - Lng, geraadpleegd 14 november 2013
Wikipedia 2013ew, Wikipedia 2013 - Rioolwaterzuiveringsinstallatie, geraadpleegd 25 november 2013
Wikipedia 2013fw, Wikipedia, Uranium reserves per land, geraadpleegd 5 november 2013
Wikipedia 2013gw, Wikipedia - Coalescentie, geraadpleegd op 22 oktober 2013
Wikipedia 2013hw, Wikipedia - Waterkringloop, geraadpleegd op 22 oktober 2013
Wikipedia 2013iw, Wikipedia, Grondwaterhydrologie, geraadpleegd 23 oktober 2013
Wikipedia 2013jw, Wikipedia - Grijs water, geraadpleegd 22 oktober 2013
Wikipedia 2013kw, Wikipedia - Coal, geraadpleegd 5 november 2013
Wikipedia 2013lw, Wikipedia - Huishoudwater, geraadpleegd 22 oktober 2013
Wikipedia 2014aw, Wikipedia - Magnesium, geraadpleegd 24 februari 2014
Wikipedia 2014bw, Wikipedia - Metallothermische reductie, geraadpleegd 24 februari 2014
Wikipedia 2014cw, Wikipedia, Electricity sector in India, geraadpleegd 3 maart 2014
Wikipedia 2014dw, Wikipedia, Energy in India
Wikipedia 2014ew, Wikipedia, Energy policy of India, geraadpleegd 3 maart 2014
Wikipedia 2014fw, Wikipedia, India, geraadpleegd 3 maart 2014
Wikipedia 2015w, Wikipedia, Moderator, geraadpleegd 21 januari 2015
Wikipedia 2015aw, Wikipedia - Canada, geraadpleegd op 1 maart 2015
Wikipedia 2015bw, Wikipedia - Petroleum production in Canada, geraadpleegd 1 maart 2015
Wikipedia 2015cw, Wikipedia - Natural gas in Canada, geraadpleegd 1 maart 2015
Wikipedia 2015dw, Wikipedia - List of Canadian Electric Utilities, geraadpleegd 1 maart 2015
Wikipedia 2016aw, Wikipedia - Industriële revolutie, laatst geraadpleegd 9 februari 2016
Wikipedia 2016bw, Wikipedia - Industriële revolutie in Nederland, laatst geraadpleegd 9 februari 2016
Wikipedia 2016cw, Wikipedia - Koninklijke Sphinx, laatst geraadpleegd 9 februari 2016
Wikipedia 2016dw, Wikipedia - Koninklijke DSM NV, laatst geraadpleegd 9 februari 2016
Wikipedia 2016ew, Wikipedia - Caprolactam, laatst geraadpleegd 9 februari 2016
Wikipedia 2016fw, Wikipedia - Ureum, laatst geraadpleegd 9 februari 2016
Wikipedia 2016gw, Wikipedia - Melamine, laatst geraadpleegd 9 februari 2016
Wikipedia 2016hw, Wikipedia - Aspartaam, laatst geraadpleegd 9 februari 2016
Wikipedia 2016iw, Wikipedia - AkzoNobel, laatst geraadpleegd 9 februari 2016
Wikipedia 2016jw, Wikipedia - Sikkens, laatst geraadpleegd 9 februari 2016
Wikipedia 2016kw, Wikipedia - Ketjen, laatst geraadpleegd 9 februari 2016
Wikipedia 2016lw, Wikipedia - Zwavelzuur, laatst geraadpleegd 9 februari 2016
Wikipedia 2016mw, Wikipedia - Maatschappij tot Exploitatie van Kooksovengas, laatst geraadpleegd 9 februari 2016
Wikipedia 2016nw, Wikipedia - Koninklijke Nederlandse Zoutindustrie, laatst geraadpleegd 9 februari 2016
Wikipedia 2016ow, Wikipedia - ENKA (bedrijf), laatst geraadpleegd 9 februari 2016
Wikipedia 2016pw, Wikipedia - Algemene Kunstzijde Unie, laatst geraadpleegd 9 februari 2016
Wikipedia 2016qw, Wikipedia - Jacques Coenraad Hartogs, laatst geraadpleegd 9 februari 2016
Wikipedia 2016rw, Wikipedia - Twaron, laatst geraadpleegd 9 februari 2016
Wikipedia 2016uw, Wikipedia - IJzer (element), laatst geraadpleegd 2 maart 2016
Wikipedia 2019w, Wikipedia, geraadpleegs 20 februari 2019
Wikipedia 2019w, Wikipedia, geraadpleegd 20 februari 2019
World Coal Institute 2009w, World Coal Institute, The Coal Resource, a comprehensive overview of coal. Geraadpleegd 7 februari 2014
World Nuclear Association 2013aw, World Nuclear Association, World Uranium Mining Production, geraadpleegd 5 november 2013
World Nuclear Association 2013bw, World Nuclear Association, In Situ Leach (ISL) Mining of Uranium, geraadpleegd 5 november 2013
Zijp 2012w, Zijp M., (2012) “Schaliegas in Nederland: potenties en risico’s”, Geografie, KNAG, 21:3(6-9)
de Heinzelin 1999w, de Heinzelin, J.; Clark, J. D.; White, T.; Hart, W.; Renne, P.; WoldeGabriel, G.; Beyene, Y. & Vrba, E. (1999), 'Environment and Behavior of 2.5-Million-Year-Old Bouri Hominids', Science 23, 625.

Bronnen-check

Geelen et al., 2013, Geelen, D., Reinders, A., Keyson, D., 2013. Empowering the end-user in smart grids: Recommendations for the design of products and services. Energy Policy 61, 151–161. doi:10.1016/j.enpol.2013.05.107
Keizer 2012, Keizer, A. (2012) An Analysis-of-Options approach to comprehend decision making in the Dutch biogas system - trying to resolve the impasse in the biogas system. Master thesis, Delft University of Technology
Paling 2013, Jeroen Paling (2013) Assessing the impact of power plant siting on the long term development of the power sector, Master thesis, Delft University of Technology
RVO 2015w, cijfers elektrisch vervoer, geraadpleegd 16 december 2015
Wikipedia 2019w, Wikipedia, geraadpleegd 20 februari 2019