Relevante duurzame energiebronnen op aarde - artikel 2

Ad van Bokhoven, specialist duurzame technieken bij KWA Bedrijfsadviseurs, schrijft iedere maand een artikel over duurzame technieken en de energietransitie. Hierin komen de stappen aan bod om gebouwen duurzaam te verwarmen en/of te koelen.

In mijn eerste artikel heeft u kunnen lezen dat we vooral gezamenlijk haast moeten maken met de energietransitie. Aangezien systeem aarde steeds intenser reageert op de veranderende klimatologische omstandigheden.

In dit tweede artikel ga ik dieper in op de werking van systeem aarde. Met die kennis over de werking, kunt u mijn volgende artikelen beter plaatsen. Daarin ga ik namelijk uitleggen op welke wijze de beschikbare duurzame technieken de aanwezige energie op aarde benutten. Willen we immers overstappen op duurzame energiebronnen, dan moeten we eerst weten welke bronnen er zijn. En pas wanneer we weten wat de eigenschappen van de beschikbare energiebronnen zijn, kunnen we goed beoordelen of een techniek een grote of een kleine duurzame bijdrage oplevert.

Natuurlijke energiebronnen op aarde
Op hoofdlijnen zijn er op aarde oneindige en eindige energiebronnen aanwezig. Bij het gebruik van de term oneindige energiebronnen, bekijken we het woord oneindig vanuit het menselijk perspectief en niet op een miljoenen jaren durende geologische tijdschaal.

Oneindige thermische energiebronnen
Van de vier oneindig aanwezige energiebronnen op onze aarde, zijn er twee oneindige energiebronnen die direct thermische energie leveren:

• de zon
• aardwarmte

De zon zorgt ervoor dat het aardoppervlak, het oppervlaktewater, de atmosfeer, de bodem en alles wat aanwezig is op het aardoppervlak, wordt verwarmd door zon-thermische instraling. Daarnaast zorgt de zon ervoor dat er leven mogelijk is op de aarde. De aanwezige vegetatie op aarde kan, middels het proces van fotosynthese, de inkomende zonne-energie vastleggen in plantaardig materiaal en daardoor groeien. Deze vegetatie zorgt er op haar beurt weer voor dat er voedsel is voor de overige levende organismen op aarde en er CO2 aan de atmosfeer wordt onttrokken en O2 aan de atmosfeer wordt afgegeven. Doordat de intensiteit van de zon niet overal ter wereld gelijk is, ontstaan er hoge- en lagedrukgebieden, waardoor wind ontstaat.

Aardwarmte komt voor een relatief gering deel (30%) voort uit de restwarmte van de tijd van het ontstaan van de aarde (Accretie) en voor een groter deel (70%) uit radioactieve vervalprocessen, die in de aardkorst al vele miljoenen jaren voortdurend warmte hebben opgewekt en dit vandaag de dag nog steeds doen. Ditzelfde proces zorgt overigens ook voor de zon-thermische energie, alleen speelt dit proces zich af op de zon zelf.

De temperatuur in de binnen-kern van de aarde bedraagt, naar verscheidene schattingen, circa 4.500⁰C tot 6.500⁰C. Van de schil rondom de kern is circa 99% van onze planeet warmer dan 1.000⁰C; van het resterende deel is vervolgens nog eens 99% heter dan 100⁰C. Dit gegeven heeft als gevolg dat de bodem in Nederland bijna overal op één kilometer diepte een temperatuur van circa 35⁰C tot 40⁰C heeft. Onder bijzondere geologische omstandigheden, zoals in huidige of voormalige vulkaangebieden, ontstaan geothermische anomalieën. Hierdoor kan de bodemtemperatuur, relatief dicht onder het maaiveld, vele honderden graden Celsius bereiken. Een land waar dit veel voorkomt is bijvoorbeeld IJsland (bron: Wikipedia).

Thermische energieopslagmedia
De oneindige bronnen van energie komen in verschillende vormen voor op onze aarde en zijn aanwezig in media die in staat zijn om de geleverde energie vanuit de oneindige duurzame bron (veelal afkomstig van zonne-energie), zeer tijdelijk tot bijna permanent vast te leggen. Daarnaast kan de aanwezige energie in deze media, met behulp van duurzame technieken, eruit worden onttrokken en in sommige gevallen actief eraan worden toegevoegd. In tabel 1 worden de beschikbare media op aarde en de belangrijkste eigenschappen ervan beschreven. Het betreft de media atmosfeer, oppervlaktewater, vegetatie, ondiepe bodem en diepe bodem.

Beschrijving van de verschillende media, waar duurzame technieken (thermische) energie uit onttrekken

Medium: Atmosfeer
Eigenschappen van belang voor de onderzochte duurzame technieken:
De atmosfeer is, als gevolg van de aanwezigheid van broeikasgassen (zoals CO2), in staat om de ingestraalde zon-thermische energie tijdelijk en beperkt vast te houden. Zodra er geen of minder zon-thermische energie wordt toegevoegd aan de atmosfeer, koelt de atmosfeer direct af. De soortelijke warmte van lucht bedraagt daardoor circa 0,7 à 1,0 kJ/kgK, wat een relatief lage opslagcapaciteit is per kilogram atmosfeer.

Als gevolg hiervan zijn er relatief grote temperatuurfluctuaties in een korte tijd (bijvoorbeeld dag- en nachttemperaturen) en seizoenvariaties. Hierdoor komen veelal de hoogste temperaturen voor op de zomerdag en de laagste temperaturen in de winternacht.

De gemiddelde range van atmosferische temperaturen aan het aardoppervlak (buitenlucht) tijdens een gemiddelde winter in Nederland (op basis van het referentiejaar NEN5060-A2), varieert tussen de circa -10⁰C en 10⁰C. De gemiddelde wintertemperatuur (21 dec. tot 20 mrt.) bedraagt circa 4,6⁰C. In een zomersituatie varieert de buitenlucht tussen de circa 13⁰C en 35⁰C, waarbij de gemiddelde buitenluchttemperatuur circa 16,0⁰C bedraagt.

Medium: Oppervlaktewater
Eigenschappen van belang voor de onderzochte duurzame technieken:
Het aardoppervlak bestaat voor circa 2/3 uit water. Het oppervlaktewater is eveneens in staat om de ingestraalde zon-thermische energie tijdelijk en beperkt, vast te houden. Het grootste effect is merkbaar aan het oppervlak van het water; hoe dieper onder water hoe beperkter de invloed nog is van de zon-thermische instraling. Met andere woorden, de gemiddelde watertemperaturen van een oppervlaktewater zijn afhankelijk van de diepte van het oppervlaktewater en de oppervlakte dat warmte kan uitwisselen met de atmosfeer.

Zo warmt een ondiep water (1 à 1,5 meter diep) met een relatief groot temperatuuruitwisselbaar oppervlak, ten opzichte van zijn totale volume, sneller op dan een diep oppervlaktewater met een relatief klein temperatuuruitwisselbaar oppervlak ten opzichte van zijn totale volume. Hierbij volgt de oppervlaktewatertemperatuur met enige vertraging de temperatuur van de atmosfeer, waarbij de atmosferische temperatuur is uitgemiddeld. Door deze vertraging vinden er minder grote temperatuurfluctuaties in korte tijd plaats, maar zijn er zeker seizoenvariaties in de eerste 10 à 20 meter waterkolom waarneembaar. De soortelijke warmte van water bedraagt circa 4,2 kJ/kgK, wat een relatief grote waarde is voor de opslagcapaciteit per kilogram. Tijdens een gemiddelde winter in Nederland (op basis van het referentiejaar NEN5060-A2), varieert de temperatuur van het oppervlaktewater tussen de circa 0⁰C en 10⁰C. Aangezien de daadwerkelijke temperatuur van het oppervlaktewaterlichaam zo afhankelijk is van de diepte in relatie tot het uitwisselbaar oppervlak, is het onmogelijk om een gemiddelde temperatuur van het oppervlaktewater te geven. In algemene zin wordt aangenomen dat de watertemperaturen in de eerste meter waterkolom, variëren tussen de circa 0⁰C en 25⁰C.

Medium: Vegetatie
Eigenschappen van belang voor de onderzochte duurzame technieken:
De aanwezige vegetatie op aarde kan middels het proces van fotosynthese de inkomende zonne-energie vastleggen in plantaardig materiaal en daardoor groeien. Hierbij wordt CO2 aan de atmosfeer onttrokken en O2 aan de atmosfeer afgegeven.
De aanwezige vegetatie zorgt er op haar beurt voor dat er voedsel (lees energie) is voor de overige levende organismen op aarde. Zodra het levende organisme of de vegetatie afsterft, treden er rottingsprocessen op, waardoor de vastgelegde energie en CO2 weer wordt afgegeven aan de atmosfeer of een ander levend wezen. Vegetatie is dus in staat om zonne-energie voor een relatief lange periode vast te leggen. Enkel wanneer het deels (bijvoorbeeld door bladverlies) of volledig afsterft, wordt de opgeslagen energie afgegeven aan de atmosfeer of een ander levend organisme.

In het kader van klimaatverandering geldt dat, wanneer de hoeveelheid vastgelegde energie en CO2 in vegetatie in balans is met de aanwezige CO2 in de atmosfeer, er een stabiel evenwicht zal ontstaan tussen de hoeveelheid vegetatie en de
CO2-concentratie in de atmosfeer. Met andere woorden, door het afsterven van vegetatie en/of andere organismen, wordt geen extra CO2 aan de atmosfeer toegevoegd, wanneer er dezelfde hoeveelheid aan nieuwe vegetatie voor terugkomt. Wanneer er door menselijk handelen (bijvoorbeeld door het kappen van bossen) vegetatie verdwijnt, wordt er wel extra CO2 toegevoegd aan de atmosfeer, wat de opwarming van de aarde versnelt. Desalniettemin is het met behulp van de groei van vegetatie ieder jaar mogelijk om zonne-energie op te slaan.

Medium: Ondiepe bodem
Eigenschappen van belang voor de onderzochte duurzame technieken:
De ondiepe bodem, tot circa 500 m-mv, onder het grootste gedeelte van Nederland bestaat uit een aantal losse zand-, klei- en veenlagen die elkaar verticaal afwisselen. In de poriën van deze sedimentlagen is grondwater aanwezig.
Grofweg kan worden gesteld dat 33% van de ondiepe bodem bestaat uit grondwater en 67% uit vaste (sediment)deeltjes.

De ondiepe ondergrond is goed in staat om (ingestraalde zon-)thermische energie tijdelijk en relatief langdurig vast te houden, doordat de bodem een uitstekende isolator is. De soortelijke warmte van een verzadigde bodem bedraagt circa 2,5 kJ/kgK, wat een relatief hoge waarde is in vergelijking met de atmosfeer. Deze waarde is echter lager dan in de situatie dat alleen (grond)water wordt benut, aangezien deze een soortelijke warmte heeft van 4,2 kj/kgK.

In de eerste 10 meter minus maaiveld is er een seizoensgebonden temperatuurfluctuatie waarneembaar. Op diepten groter dan 10 meter minus maaiveld, heerst er een niet aan fluctuatie onderhevige achtergrondtemperatuur van circa 10⁰C op tien meter diepte, oplopend tot circa 13 à 15⁰C op een diepte van circa 250 m-mv, waaraan desgewenst (zon-)thermische energie van hogere temperatuur kan worden toegevoegd en tijdelijk kan worden opgeslagen.

Medium: Diepe bodem
Eigenschappen van belang voor de onderzochte duurzame technieken:
De diepe bodem, met diepten groter dan 500 m-mv, bevat, naast steeds hogere temperaturen in de diepte als gevolg van de aanwezige aardwarmte, ook allerlei grondstoffen, waaronder de door de mensheid gebruikte, fossiele steenkool, aardgas en aardolie.

Zoals al is beschreven neemt de bodemtemperatuur toe met de diepte. In Nederland is de grondwatertemperatuur op circa 1.000 meter minus maaiveld rond de 35 à 45⁰C. Uit recent onderzoek naar de mogelijkheden om de aanwezige aardwarmte te winnen met behulp van geothermie, blijkt dat op sommige plaatsen in Nederland op diepten van meer dan 5.000 meter minus maaiveld, bodemtemperaturen heersen van boven de 120⁰C, die mogelijk gewonnen kunnen worden met behulp van geothermie.

Naast een toename van de temperatuur in de diepte is het, net als bij de ondiepe bodem, mogelijk om thermische energie, bijvoorbeeld restwarmte, tijdelijk op te slaan in de bodem. Bij de opslag van hoge temperaturen met behulp van grondwater, wordt specifiek gekeken naar bodemlagen tussen de 300 en 800 meter minus maaiveld.

Tot slot biedt de bodem mogelijkheden voor het opslaan van gas. In het kader van de energietransitie kan deze mogelijkheid worden benut voor de opslag van CO2-gas, waterstofgas, stikstofgas, als ook aardgas.

Eindige energiebronnen
De term ‘eindige bronnen van energie’ gebruik ik voor allerlei (grond)stoffen die door middel van chemische reacties worden verbrand of omgezet naar andere, vaak niet meer bruikbare materie ten behoeve van energieopwekking. Wanneer er onbeperkt gebruik wordt gemaakt van de inzet van deze eindige energiebronnen, raken de benodigde (grond)stoffen uitgeput.

Een goed voorbeeld hiervan is het verbranden van de gewonnen steenkool, aardolie en aardgas uit de bodem. Deze bronnen dreigen op te raken. Feitelijk zijn steenkool, aardgas en aardolie vormen van opgeslagen zon-thermisch energie van miljoenen jaren geleden. Deze zon-thermische energie is destijds aan de atmosfeer onttrokken en in eerste instantie opgeslagen in vegetatie. In tweede instantie en als gevolg van allerlei natuurlijke processen, is deze energie vervolgens opgeslagen in de bodem. Hierdoor is in de loop der tijd CO2-onttrokken aan de atmosfeer.

Een uitzondering hierop zijn sommige vormen van zogenaamde Phase changing materials (fase veranderende materialen) en enkele chemische reacties die kunnen worden bewerkstelligd met behulp van zonne-energie. Wanneer stoffen van fase veranderen, komt er een hoop energie vrij. Zo komt er bij het smelten van ijs naar water ook energie vrij. Wanneer dergelijke stoffen op één of andere manier (zonne-)energie kunnen opslaan en weer kunnen afgeven op het moment dat we het nodig hebben, is eveneens sprake van een duurzame bron. Een voorbeeld is de al genoemde fotosynthese, maar ook het maken van waterstof door middel van elektrolyse is een voorbeeld, al gaat bij deze laatste nogal wat energie verloren.

Het mechanisme van klimaatverandering
Tot slot, het mechanisme van klimaatverandering. Het is uiteraard belangrijk om te snappen hoe klimaatverandering op hoofdlijnen werkt. Zo kunt u beoordelen welke bijdrage een bepaalde duurzame techniek kan leveren, om daadwerkelijk klimaatverandering tegen te kunnen gaan.

De verbranding van fossiele brandstoffen leidt ertoe dat de reeds miljoenen jaren geleden aan de atmosfeer onttrokken CO2, weer vrijkomt in de atmosfeer. Doordat de mensheid het verbranden van de fossiele brandstoffen op grote schaal en in een zeer korte periode (op een geologische tijdschaal) uitvoert, is er op dit moment een enorm snelle toename van CO2-concentraties in de atmosfeer.

Deze snelle toename aan CO2-contraties in de atmosfeer wordt door veel wetenschappers gezien als de belangrijkste oorzaak van de huidige, snelle opwarming van het klimaat. CO2-gas zorgt er namelijk voor dat de soortelijke warmte van de atmosfeer toeneemt, waardoor het beter zon-thermische energie kan vasthouden.

Om de opwarming stop te zetten of te beperken, zijn wereldwijd afspraken gemaakt om de CO2-uitstoot te beperken tot het minimum (bijvoorbeeld het Klimaatakkoord van Parijs). Het toepassen van duurzame technieken zal in de nabije toekomst tot een aanzienlijke vermindering van de uitstoot van CO2 moeten leiden, zodat daarmee de snelle opwarming van de aarde een halt kan worden toegeroepen en het natuurlijke evenwicht zich weer kan herstellen.

Slotwoord
Zo, nu ik in hoofdlijnen de belangrijkste duurzame energiebronnen en mechanismen van klimaatverandering heb beschreven, ga ik in mijn volgende artikelen in op de wijze waarop de verschillende duurzame technieken deze beschikbare duurzame energie op aarde benutten.

Ik hoop dan ook dat u mijn volgende artikelen net zo aandachtig zult doorlezen als deze. 

Mis geen artikel in de reeks
Vanuit mijn beroep specialist duurzame technieken bij KWA Bedrijfsadviseurs, heb ik het idee opgevat om 1x per maand een artikel te publiceren over de energietransitie. Hierin geef ik uitleg over de te nemen stappen om bestaande gebouwen en woningen op een duurzame manier te verwarmen en/of te koelen. In de afzonderlijke artikelen neem ik onder andere de technieken warmte- en koudeopslag in de bodem, warmtepompen, zonnecollectoren, biomassaketels en pellet kachels onder de loep.

Wilt u deze artikelen automatisch ontvangen zodra ze zijn gepubliceerd? Meld u dan aan via onderstaande link. Zo mist u geen enkel artikel.

Inschrijven op artikelen Ad van Bokhoven.

Klik hier voor de pdf-versie van dit artikel.

Bekijk ook: