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.


Laatste wijziging: 27-03-2019
Creative Commons-Licentie
Deze publicatie valt onder een Creative Commons licentie. Zie hiervoor het colofon.