Van het aardgas af...! Ook in Almelo Centrum

Van het gas af … !

Het staat dagelijks in de krant: Nederland moet van het gas af.

Veel argumenten spelen daarbij een belangrijke rol; de aardbevingsschade, als gevolg van gaswinning in Groningen, de toename van koolstofdioxide in de atmosfeer, het effect van broeikasgassen op de opwarming van de aarde, de niet-onuitputtelijke voorraad fossiele brandstof, etc., etc. Als alternatief voor gas worden genoemd zonnepanelen, windenergie, waterstof in plaats van aardgas, atoomenergie.

Maar hoe zit het nu precies? In een reeks van drie artikelen zullen we proberen over deze materie wat meer klaarheid te verschaffen. Een heel klein beetje scheikunde leidt daarbij tot een beter begrip, maar laat u dat, als lezer, vooral niet afschrikken: hier en daar zullen alleen maar wat zeer algemene scheikundige begrippen om de hoek komen kijken.

Energie en milieu.

Waar komt bij ons op aarde alle energie vandaan? Het antwoord op die vraag luidt: het meeste komt van de zon, een klein beetje komt uit de natuurlijke bronnen op aarde. Maar om dit goed te kunnen begrijpen is eerst een heel klein beetje scheikundige kennis nodig. We bespreken hier heel in het kort enkele basisbegrippen:

Element: op zichzelf staande basis grondstof, welke niet meer opgebouwd gedacht kan worden uit andere basis grondstoffen. Voorbeelden: zuurstof, waterstof, koolstof, ijzer, uranium, etc. In totaal komen meer dan 90 elementen in de natuur voor. Chemisch worden alle elementen aangeduid met een hoofdletter, als afkorting van hun (Latijnse) naam: zuurstof (oxigenium) is O, waterstof, (hydrogenium) is H, koolstof (carbonium) is C, stikstof (nitrogenium) is N, etc.

Sommige elementen kunnen zich verbinden met andere elementen. Wat ontstaat heet dan een verbinding Voorbeelden van een (chemische) verbinding: water (bestaat uit twee delen waterstof en één deel zuurstof), suiker, azijn, hout, keukenzout, plastic, etc.

Atoom: het allerkleinste deel van een element, wat nog alle eigenschappen van dat element bezit. Als een element zich met een ander element verbindt, ontstaat dus een verbinding. Het kleinste deel van zo’n verbinding heet een molecuul. Een molecuul wordt chemisch weergegeven in de combinatie van de elementen, waaruit het is opgebouwd, waarbij het cijfer achter elk element de verhouding aangeeft. Voorbeeld: een molecuul water is H2O en bestaat aldus uit twee atomen waterstof (H) en één atoom zuurstof (O). Zuurstof, zoals dat in de lucht voorkomt en wat wij als mens nodig hebben om te kunnen ademen, bestaat uit twee gekoppelde atomen zuurstof. Samen vormen ze het molecuul O2. Ander voorbeeld: het gas koolstofdioxide, wat bij verbranding van b.v. hout vrijkomt, bestaat uit één deel koolstof (C) en twee delen zuurstof (O). Men schrijft dat chemisch als CO2. (Er bestaat ook koolmonoxide, aangegeven als CO, wat als gas bij onvolledige verbranding vrijkomt. Inademing ervan leidt tot aantasting van de zuurstoftransporteur hemoglobine in ons bloed, waardoor het zuurstoftransport in ons lichaam stagneert, wat uiteindelijk fataal kan aflopen).

📷

Om hun werking van atomen beter te kunnen begrijpen, werken chemici met modellen. De eenvoudigste modellen gaan ervan uit, dat een atoom bestaat uit een elektrisch positief geladen kern, waarom heen, als een soort miniatuur zonnestelseltje, negatief geladen elektronen een baan hebben. De kern bestaat dan weer uit positief geladen protonen en neutrale neutronen. Protonen en neutronen zijn ongeveer even zwaar; het gewicht van de elektronen is verwaarloosbaar. Elektronen in de buitenste baan, of schil, zijn vaak flexibel en mobiel.

In de natuur komen erg veel verbindingen voor van koolstof met zuurstof en waterstof. Zij worden aangeduid met de term koolwaterstoffen of koolhydraten en vormen een belangrijk onderdeel van ons dagelijks voedsel. De basis daarvan is suiker (glucose: C6H12O6). In wat meer complexere vorm komt dit vooral voor in granen, knollen, aardappels. Brood, rijst en pastasoorten zijn als voedselbron dus belangrijke leveranciers van koolhydraten.

Interessant is nu om te zien, hoe deze belangrijke vorm van voedsel voor mens en dier, in feite direct afkomstig is van onze zon. We maken even een uitstapje naar de biologie:

Groene planten en bomen hebben bladeren en in die bladeren zit een groene gekleurde stof, die chlorofyl of bladgroen heet. Onder invloed van dit chlorofyl treedt in de bladeren een proces op, waarbij uit water en kooldioxide suiker wordt gevormd. Als energetische prikkel is hiervoor zonlicht nodig. Chemisch verloopt die reactie als volgt:

6 H2O + 6 CO2 + zonlicht ‎→ C6H12O6 + 6 O2

Dit is een buitengewoon belangrijke reactie, die bekend staat als fotosynthese. Het proces levert namelijk, naast voedsel in de vorm van suiker, ook nog eens zuurstof op. Mens en dier kunnen de tot meer complexere koolhydraten omgevormde gevormde suiker als voedsel tot zich nemen en de gevormde zuurstof, via de lucht, inademen.

In onze lichaamscellen worden de opgenomen koolhydraten terug gevormd tot suiker (glucose) en de aldus ontstane suiker wordt met behulp van de ingeademde zuurstof weer omgezet (“verbrand”) tot energie:

C6H12O6 + 6 O2 → 6 H20 + 6 CO2 + energie

Bezien we beide formules, dan blijkt, dat uiteindelijk weer evenveel water en kooldioxide te zijn gevormd, als aanvankelijk door het groene blad werd opgenomen. Dit is de kringloop in de natuur. Maken we de balans op, dan zien we, dat via het chlorofyl in het blad van de plant of de boom, het ons door de zon toegestraalde licht voor onze lichaamscellen als energie beschikbaar is gekomen. Zonder fotosynthese en zonder zonlicht is dus geen dierlijk leven, vergelijkbaar met dat van de mens, op onze aarde mogelijk! In het omgaan met “groen” in de natuur, dient de mens, alleen al om deze reden, dus met uiterste zorgvuldigheid te werk te gaan! Het op grote schaal kappen en zelfs verbranden van grote delen oerwoud en tropisch regenwoud is dus, wat het leven op aarde betreft, buitengewoon kortzichtig en op de langere termijn volstrekt contra-productief!

📷

De wordingsgeschiedenis van de aarde wordt vaak onderverdeeld in verschillende geologische perioden (era), zoals in het schema hiernaast weergegeven. Interessant is daarbij het Carboon, ca. 300 tot 360 miljoen jaar geleden (Ma = miljoen jaar). Tijdens deze era zijn op aarde grote wouden met veel vegetatie gevormd, die daarop vergaan zijn en thans als bruinkool, steenkool, aardgas en aardolie in de bodem liggen opgeslagen. Merk op, dat dit dus allemaal opgeslagen zonne-energie is! Al deze producten zijn meestal niet direct voor de mens bruikbaar, maar moeten eerst nog diverse raffinage handelingen ondergaan. Dit gebeurt in de z.g. petrochemische industrie, die daarbij veel milieu verontreinigende afval produceert, onder andere in de vorm van broeikasgassen.

Broeikasgassen.

De aarde, waarop wij leven, krijgt vrijwel alle energie van de zon. Maar niet alles, wat de zon ons toestraalt is voor ons even gezond. We weten allemaal, dat je huid van zonlicht fraai bruint, maar dat teveel blootstelling aan direct zonlicht juist een vervelende verbranding oplevert. Deze bruinwording en verbranding wordt veroorzaakt door de ultraviolet (UV) component in het zonlicht. Gelukkig wordt een belangrijk deel van deze UV straling in de buitenste sferen van onze dampkring tegengehouden door de zogenaamde ozonlaag. Ozon is een zuurstof gas, waarbij zich drie atomen zuurstof aan elkaar hebben verbonden (O3). Gaten in de ozonlaag, bijvoorbeeld veroorzaakt door bepaalde drijfgassen in spuitbussen of door de koelvloeistof in onze ijskasten, zijn verantwoordelijk voor plaatselijk optredende hoge concentraties van schadelijk UV licht. Zonder de absorberende werking van de ozonlaag, zou onbeschermd verblijven buiten in de zon voor ons niet mogelijk zijn.

Naast deze beschermede werking tegen kosmische UV straling houdt ozon bovendien de aardwarmte vast. De temperatuur op aarde wordt voor een deel veroorzaakt door de opwarming door de zon, maar voor een belangrijk deel ook door de aarde zelf, in de vorm van aardwarmte. De aarde straalt nu zijn warmte, via de dampkring, naar buiten, dus naar het heelal, uit. Echter, een aantal stoffen in deze dampkring absorberen een deel van deze warmte uitstraling en kaatsen dit weer naar het aardoppervlak terug. Er ontstaat op die manier een stabiel evenwicht waardoor de aarde zich op een zekere temperatuur instelt. Het klimaat overal op aarde is direct afhankelijk van deze aardtemperatuur en reageert onverbiddelijk op elke verandering daarin.

📷

Het warmte absorberende effect van de ozonlaag noemt men ook wel het broeikaseffect. Naast ozon vertonen vele andere gassen in de atmosfeer eveneens dit broeikaseffect. En de meeste van die gassen zijn het gevolg van tal van industriële, of andere, door de mens veroorzaakte of opgeroepen processen. Een toename van deze gassen zal het broeikaseffect verhogen en daarmede de aardtemperatuur doen stijgen, wat klimatologisch gezien, ernstige, wellicht catastrofale gevolgen zal hebben. Alle reden dus, om de toename van broeikasgassen in onze atmosfeer goed in de gaten te houden en te trachten te reguleren.

Enkele van deze broeikasgassen gassen zullen we hier bespreken. In de eerste plaats is dat kooldioxide en daarnaast methaan en lachgas (stikstof monoxide). Daarnaast spelen er nog vele andere gassen een belangrijke rol. Om de invloed van deze broeikasgassen te kunnen vergelijken, heeft men het zogenaamde CO2 equivalent ingesteld, waardoor de bijdragen aan het broeikaseffect gemakkelijk onderling kunnen worden vergeleken. In het spraakgebruik heeft dit geleid tot de “CO2 uitstoot”, als eigenlijk de uitstoot van alle broeikasgassen wordt bedoeld. Ten onrechte is daardoor het idee ontstaan, dat CO2 de enige boosdoener zou zijn, maar dat is beslist een foutieve conceptie!

Uit de tabel blijkt, dat het broeikaseffect van methaan (CH4) 28 maal dat van CO2 is en dat van lachgas (N2O) maar liefst 265 maal! Methaan komt vrij bij de verteringsprocessen van o.a. gras door rundvee. Lachgas, dat overigens veel gebruikt wordt in spuitpatronen voor slagroom, ontstaat bij de omzetting van dierlijke mest in de bodem. Naast het verkeer, waarbij door de verbranding van benzine of diesel enorm veel CO2 en fijnstof vrijkomt, is dus ook de landbouw als grote veroorzaker van de uitstoot van broeikasgassen aan te merken.

Om te kunnen bepalen, in welke mate het houden van vee bijdraagt aan de productie van broeikasgassen, heeft men de zogenaamde carbon footprint ingesteld. Hierbij wordt aangegeven, hoeveel kg CO2 equivalent er door het eindproduct van 1 kg vlees wordt veroorzaakt. Hierbij probeert men dan alle invloeden mee te nemen, zoals stalverwarming/verlichting, transport van veevoer, invloed van de mest, transport naar het slachthuis, de verwerking van het vlees en het transport uiteindelijk naar de consument. Bij de berekening van de carbon footprint worden alle broeikasgas effecten bij elkaar opgeteld.

📷

Het blijkt nu, dat de verschillende vleessoorten aanmerkelijk in de waarden van hun carbon footprint kunnen verschillen. Nevenstaande tabel geeft daarvan een overzicht. Rundvlees is in de tabel niet ingevuld, omdat de carbon footprint daarvan zeer sterk afhangt van de wijze, waarop het rundvee wordt gehouden: intensive veeteelt, zoals in Nederland (met een waarde van ongeveer 22 kg CO2 eq. per kg vlees) of extensieve veeteelt, zoals in Brazilië (met een waarde van ca. 330!). (N.B.: De equivalente CO2 uitstoot wordt altijd aangegeven in kg. Maten in liters voor gassen zijn sterk afhankelijk van temperatuur en druk. Bij normale temperatuur en druk komt 1 kg CO2 overeen met ongeveer 500 liter).

Broeikasgassen zijn dus in belangrijke mate de oorzaak voor de opwarming van de aarde, met alle mogelijk catastrofale klimatologisch gevolgen van dien. Naast de Groningse aardbevingsellende is dit dus meer dan voldoende reden, om van het gas af te willen.

Van het gas af. Wat zijn de alternatieven?

Sinds de industriële revolutie is het gebruik van fossiele brandstoffen als energiebron explosief toegenomen en de huidige stand van zaken is, dat we er gewoon niet meer zónder kunnen! En toch zal dat op de één of andere manier moeten. Welke alternatieven zijn er?

📷

In het brandpunt van onze alledaagse belangstelling staan momenteel zonnepanelen en windturbines en beide worden aangeprezen als alternatief voor het gebruik van fossiele brandstoffen. Wind- en watermolens zijn al eeuwen lang in ons land een bekende energieopwekker. Moderne windturbines zijn van echter een ander kaliber met overeenkomstige bijkomende nadelen. Zo is er onder andere veel verzet tegen deze turbines als vorm van horizonvervuiling. Ook de geluidsproductie is een belangrijk punt van overweging bij het verkrijgen van een plaatsingsvergunning. Momenteel wordt onderzocht, of de milieuaantasting als gevolg van het geluid door deze turbines, niet catastrofaal verstorend werkt op bijvoorbeeld bruinvissen en zeehonden, bij plaatsing van windturbines in zee.

📷

Actueel ook zijn de zonnepanelen. Er zijn plannen voor grote energieparken en veel particulieren gaan, aangelokt door de vanwege de overheid verstrekte subsidies, over tot de plaatsing ervan op de daken van hun woningen en flatgebouwen.

Toch kleven er aan het gebruik van windturbines en zonnepanelen de nodige nadelen. Om te beginnen leveren zij energie in de vorm van elektrische stroom. Elektrische stroom moet direct gebruikt worden en kan niet zo maar ergens worden opgeslagen. De technologie van de ontwikkeling van accu’s is nog niet zover, dat langdurig grote hoeveelheden elektrische energie voor bijvoorbeeld stadsverlichting, moeiteloos kan worden opgeslagen. Het liefst moet de met turbines en zonnecellen energie direct verwerkt worden.

Een ander punt is, dat de carbon footprint, zoals hiervoor al voor vleesproducten ter sprake kwam, van zonnepanelen en windturbines onbekend is en de vraag rijst, of die wel in balans is met de hoeveelheid geleverde energie, afgezet tegen hun aangenomen lifecycle. Bekend is in ieder geval wèl, dat windturbines en zonnepanelen in hun ontwerp gebruik maken van een aantal z.g. zeldzame aardmetalen, waarvan de winning in vele gevallen niet direct milieuvriendelijk kan worden genoemd en waarvan de wereldvoorraad beperkt is. In Amerika wordt al gewaarschuwd voor een wereldwijde schaarste aan deze grondstoffen, wat mogelijk tot geopolitieke spanningen kan leiden.

📷

Een goede aanvulling op de energiewinning door windturbines en zonnepanelen is de omzetting van de aldus opgewekte elektrische energie in waterstof. Dit kan in principe zeer eenvoudig door middel van elektrolyse. Dit is een bekend proces, waarbij een gelijkstroom door water wordt geleid, waarbij zich aan de negatieve pool (de kathode) waterstofgas ontwikkelt en aan de positieve pool (de anode) zuurstofgas en wel in de juiste chemische verhouding van twee delen waterstof op één deel zuurstof. Men kan de twee gassen makkelijk gescheiden opvangen, waarbij dan het brandbare waterstofgas als brandstof voor bijvoorbeeld verwarmingsketels aangewend kan worden. En verbrand geeft waterstof als verbrandingsrest uitsluitend water. Gemengd leveren de ontstane waterstof en zuurstof het zeer explosieve knalgas. Bestaande aardgasleidingen in het huidige aardgas distributienet kunnen gemakkelijk aangepast en gemodificeerd worden voor het transport van waterstofgas. Het aanpassen van branders in verwarmingsketels is in principe niet moeilijk of onoverkomelijk. Dit lijkt een hoopvolle ontwikkeling en een goede aanvulling op de energieopwekking door windturbines en zonnepanelen.

Een consortium van waterstofleverancier Hygro, windmolenbouwer Lagerwey en onderzoeksinstituut ECN gaat in de Wieringermeer een windmolen neerzetten, die elektriciteit direct omzet in waterstof. Hierop moeten vanaf 2019 tot honderd vrachtwagens gaan rijden. (zie hiervoor: https://www.bright.nl/nieuws/artikel/3922571/deze-windmolen-maakt-direct-waterstof-uit-elektriciteit ) Dit is een ontwikkeling, die met grote belangstelling wordt gevolgd.

📷

En dan is er, natuurlijk, atoomenergie. In Duitsland is een toename van de kernenergie lobby al duidelijk waarneembaar. Waar gaat het in de kernenergie over? Al vóór 1900 ontdekte Becquerel, later gevolgd door het echtpaar Curie, radioactiviteit. Hierbij doet zich het effect voor, dat sommige elementen langzaam uiteenvallen in andere, in principe lichtere elementen, onder gelijktijdige afgifte van straling. Deze straling moet daarbij opgevat worden als een vorm van energie. Men kan voor sommige elementen dat proces versnellen of in gang zetten, door het betreffende element te beschieten met ongeladen deeltjes, dus neutronen. Het bekendste voorbeeld daarvan is uranium (meer specifiek uranium 235, aangeduid met 235U; het getal 235 geeft aan het totaal van de kernmassa, als som van alle protonen en neutronen). Volgens het plaatje hiernaast vervalt daarbij het uranium tot krypton (92Kr, een edelgas) en barium (141Ba, een metaal), maar daarnaast verschijnen er drie nieuwe neutronen. Gelijktijdig komt er ook energie vrij in de vorm van warmte. De drie extra ontstane neutronen kunnen nu ieder voor zich op een nieuwe atoom 235U botsen en ook daar weer drie neutronen vrijmaken, waardoor er nu in totaal al 9 neutronen zullen zijn gevormd. Als het volume van het 235U nu maar groot genoeg is, zullen alle nieuw ontstane neutronen ook in het materiaal ingevangen worden, waardoor er een kettingreactie gaat ontstaan. Door dit proces beheersbaar te maken kan men dus gestuurd warmte laten ontwikkelen. In de kerncentrale noemt men dit afremmen van het proces modereren. In de centrale heeft men het splijtbare materiaal in staven opgehangen met een zekere tussenruimte. De tussenruimte kan men naar believen opvullen, door daarin staven koolstof als neutronenremmer te laten zakken. Dit in het kort is het proces binnen een kernreactor. In de atoomkop van een kernwapen laat men juist een kettingreactie ontstaan met alle gevolgen van dien, inclusief de daarbij vrijkomende straling.

De radioactieve brandstof uranium 235U wordt verkregen door zogenaamde verrijking van het in de natuur voorkomende uranium 238U. Dit proces gebeurt in Almelo, bij Urenco, met behulp van het, door de Nederlander Jacob Kistemaker uitgevonden ultra centrifuge proces.

Het grote voordeel van een atoomcentrale is de enorme energieverkrijging, zonder enige CO2 uitstoot. Het grote nadeel is het achterblijven van (hoog)radioactief kernafval, wat gedurende soms duizenden jaren een gevaarlijke straling kan afgeven. Radioactief afval kan niet worden vernietigd en moet veilig opgeborgen worden. Een afdoende oplossing voor dit probleem is er niet. Rampen met een kerncentrale, zoals in Tsjernobyl (1986) en recent nog in Fukushima, zijn ronduit catastrofaal en treffen grote bevolkingsgroepen.

Is er dan geen schonere methode? Ja en nee. In de eerste plaats is er de methode van kernfusie, waarbij b.v. twee waterstofatomen worden samengevoegd tot één heliumatoom. Dit is het proces, wat in de zon plaats vindt en wat, zonder achterlating van enig radioactief afval, een buitengewoon hoge hoeveelheid energie oplevert. Het ontwerpen en bouwen van een dergelijke kerncentrale stuit op vooralsnog onoverkomelijke technische problemen. Er is namelijk een reactorvat nodig met een zodanig hoge temperatuur, dat de materie erbinnen overgaat in plasma vorm. De daarbij optredende temperatuur, is vergelijkbaar met die binnen een bliksemstraal. In een laboratoriumopstelling is men er weliswaar in geslaagd, om gedurende een zeer korte tijd fusie van waterstofatomen te realiseren, maar de weg naar een mogelijke praktisch toepassing ligt nog lang niet voor ons open. De enige toepassing van atoomfusie op dit ogenblik is de waterstofbom, maar het is zéér te hopen, dat die nooit voor enig doel gebruikt zal gaan worden.

Blijft over een kerncentrale, niet op basis van uranium (235U), maar op basis van thorium (283Th). Deze vorm van kerncentrale is een stuk veiliger. De basis van het te spijten materiaal is namelijk een gesmolten zoutoplossing van thorium en moet niet gekoeld, maar juist verwarmd worden om te kunnen werken. Bij een storing valt de verwarming al dan niet automatisch uit en stopt het proces. Een melt-down, zoals in Tsjernobyl is daarmee uitgesloten. Bovendien levert de centrale veel minder nucleair afval, die ook nog eens veel minder lang bewaard behoeft te worden. Onderzoek naar thoriumcentrales verkeerd nog in een verkennend en experimenteel stadium. De resultaten zijn echter hoopgevend, hoewel er ook kritisch geluiden te horen zijn. In Nederland wordt door de TU te Delft aan dit onderwerp gewerkt door professor Jan Leen Kloosterman. Het zal echter nog wel een enige tientallen jaren duren, voordat één en ander operationeel zal kunnen werken.

Conclusie:

Van het gas af? Ja en dat kan uitstekend lukken met behulp van zonnecellen, windturbines, waterstofproductie met behulp van elektrolyse, aanpassing van het gasdistributienet, de ombouw of vervanging van aardgasketels en de plaatsing van warmtepompen. Inmiddels gaat dan het onderzoek naar betere accu’s en andere vormen van energievoorziening gewoon door.

�