Geothermische Energie

vroeg stadium van ontwikkeling (zgn. Blauwe energie).

Ten slotte zijn er temperatuurverschillen (verschillen tot ±20 graden) tussen ’lagen’ water op ver-schillende dieptes. De potentie hiervan is een factor 2 groter dan die van getijden en golven. Echter, de opwekking hiervan is lastig door de diepteverschillen en omdat het om een relatief klein temperatuur-verschil gaat is de effici¨entie laag.

7.9 Geothermische Energie

In de aarde wordt warmte gegenereerd door de gesmolten kern en door het ’terugvallen’ van isotopen. Ook al is deze warmtebron duizenden malen minder sterk dan de energie uit zonnestralen, er zijn toch veel plaatsen op aarde waar deze energie dicht onder het aardoppervlak of zelfs aan het aardoppervlak vrij komt. De bekendste voorbeelden zijn geisers en vulkanen. Met name op plaatsen waar water in de bodem op natuurlijke wijze sterk wordt verhit wordt geothermische stoom wordt gebruikt om elektriciteit mee op te wekken. Slechts 0.3% van ’s werelds elektriciteit wordt hieruit opgewekt. De produktie van elektriciteit gebeurd wederom met thermische centrale techniek: een Rankine cyclus met stoomturbine. Als de stoom uit de ondergrond direct wordt gebruikt, dan zijn er een aantal stappen nodig om deze te ontdoen van corrosieve stoffen als H₂S.

In Nederland word geothermische energie, aardwarmte, op dit moment verkend. Het Delft Aard-warmte Project heeft met steun van het Ministerie van Economische Zaken een eerste succesvolle boring uitgevoerd bij het glastuinbedrijf van de familie Ammerlaan in Pijnacker. Met een boring van ruim 2 km wordt een aquifer aangeboord die water bevat met een temperatuur van 80-90◦C . De put zal onge-veer 80 [MW] thermisch kunnen produceren, en zal worden aangesloten op een net voor verwarming van kassen, woningen, een sporthal en zwembad. Een volgende boring zal bij succes een productieput opleveren die kan worden aangesloten op het warmtenet van de campus van de TU Delft.

Hoofdstuk 8

Het Klimaatsysteem

8.1 Inleiding

Negen van de 10 warmste winters in Nederland van de afgelopen 300 jaar vielen na 1990 (Kattenberg, 2008).

”^{Het eerste decennium van de 21}

eeeuw is het warmste tijdvak van tien jaar sinds het begin van de temperatuurmetingen.” (van Dorland et al., 2010, 11). Wereldwijd smelten gletsjers. In 2007 kwam het bericht dat de Beringstraat (tussen Alaska en Rusland) voor het eerst zomers weer bevaarbaar is door de hoeveelheid zeeijs op de Noordpool dramatisch is afgenomen.

De ijskap van de Kilimanjaro, de hoogste berg in Afrika en de enige met eeuwige sneeuw, zal naar verwachting binnen 20 jaar geheel zijn afgesmolten.

”^{In 1912 was het oppervlak van de tropische gletsjer} op de Kilimanjaro in Tanzania ruim 12 km2. In 1950 was dit bijna gehalveerd en in 2008 resteerde er nog 1,8 km2, waarbij de afgelopen 8 jaar is vastgesteld dat ook de dikte van het ijs snel afneemt. Hoogstwaarschijnlijk zal het ijs binnen 20 jaar verdwenen zijn. In hoeverre dit wordt veroorzaakt door temperatuurstijging, valt door een gebrek aan betrouwbare metingen van neerslag en temperatuur niet eenduidig vast te stellen, maar vast staat wel dat dit niet eerder in het Holoceen (de periode van 11.700 jaar geleden tot nu) is voorgekomen. Ook niet tijdens een uiterst droge periode 4200 jaar geleden die 300 jaar duurde.”(van Dorland et al., 2010, 15)

De afgelopen decennia is er in toenemende mate bezorgdheid ontstaan over de stabiliteit van ons klimaat. Bovenstaande effecten zijn in verband gebracht met de toename van de CO₂concentratie in de atmosfeer door de verbranding van fossiele grondstoffen. Met name de uitstoot van het broeikasgas CO2krijgt in deze discussie veel aandacht, maar ook de verandering van landgebruik speelt een rol – met name ontbossing ten behoeve van vergroting van het landbouwareaal.

Het Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) is in 1988 opgericht om wereldwijd weten-schappers bij elkaar te brengen en onze kennis over het klimaat bij elkaar te brengen, en te komen tot een zo goed mogelijk onderbouwde ’assessment‘ van de toestand van ons klimaat en de voorspelling welke klimaatveranderingen ons te wachten staan.

Zorgen over ons klimaat zijn niet van gisteren. Svante Arrhenius was de eerste die al in de 19eeeuw voorspelde dat door de aanwezigheid van broeikasgassen in een planetaire atmosfeer die planeet kan opwarmen. Op basis van een eerste model van het klimaatsysteem en de waargenomen CO₂ concentra-tie voorspelde hij in 1906 voor de aarde een gemiddelde temperatuursverhoging van 2.1^◦C als de CO₂ concentratie in de atmosfeer zou verdubbelen. Tot 1960 kreeg de broeikastheorie echter niet veel aan-dacht, omdat een andere wetenschapper, Milutan Milankovi´c, een geaccepteerde theorie had ontwik-keld voor het komen en gaan van de ijstijden, gebaseerd op ’orbital forcing’, variatie in zonnestraling ten gevolge van verandering van de baan van de aarde rond de zon.

In haar vierde assesment rapport (IPCC, 2007)1stelt het IPCC dat het likely is dat de waargenomen opwarming van de aarde het gevolg is van menselijk handelen. Ze geeft aan dat in het meest waarschijn-lijk geachte scenario de wereld te maken zal krijgen met een gemiddeld temperatuurstijging van ± 0.6

◦C tot aan 2100. De stand van de wetenschappelijke onderbouwde kennis over de mogelijke effecten van de toename van broeikasgassen in de atmosfeer samen met de andere effecten die de energieba-lans van de aarde verstoren heeft geleid tot de zogenaamde ’2-graden grens’. Boven deze grens zal de mensheid te maken krijgen met extreme klimaatveranderingen. Het IPCC stelt verder dat all´e´en als de

1Het vijfde assessment rapport wordt naar verwachting in 2013 afgerond

8.1. Inleiding

atmosferische concentratie CO₂onder de 450 [ppm] blijft dat we er zo goed als zeker van kunnen zijn dat de uiteindelijk wereldwijde gemiddelde temperatuurstijging niet hoger zal zijn dan deze 2^◦C2. Is de mensheid niet in staat haar CO₂uitstoot zo ver te beperken dat de concentratie hoger wordt dan 450 ppm, dan zegt de IPCC in feite dat een instabiel, door meekoppelingen (zie §8.3) wellicht “runaway” situatie dreigt, waarbij uiteindelijk de aardse broeikas de gemiddelde temperatuur met maar liefst 6^◦C doet oplopen.

Vraag: maak een schatting hoeveel fossiele grondstoffen we nog kunnen gebruiken voordat deze grens is bereikt

8.1.1 Klimaatmodellen

Met de komst van krachtige computers en het werk van klimaatwetenschappers zijn vanaf de jaren ’70 grote modellen ontwikkeld die zijn bedoeld om het klimaat te omschrijven en te komen tot een voorspelling van de gevolgen van de uitstoot van broeikasgassen, verandering van landgebruik, stof in de atmosfeer enz.. In deze “Global Circulation Models” of GCM-modellen zijn in de loop der tijd steeds meer sources en sinks voor broeikasgassen opgenomen. Ook zijn diverse mee- en tegenkoppelingen (zie §8.3) ge¨ımplementeerd.

E´en voorbeeld van een meekoppeling - met een potentieel destabiliserend effect op het klimaat - is de mate van verdamping van water. Als de energiebalans van de aarde verstoord raakt en er netto accumulatie van energie in het systeem aarde optreedt, dan zal een groot deel van deze energie in de wereldzee¨en terechtkomen. Daardoor neemt de temperatuur van het zeewater enigzins toe, maar belangrijker, ook de snelheid van verdamping ´en de evenwichtsconcentratie van water in de atmosfeer. Omdat water in de atmosfeer net als CO₂ een sterke broeikaswerking heeft ontstaat zo een zichzelf versterkend effect: meer water in de atmosfeer leidt tot vasthouden van nog meer energie, wat leidt to nog meer opname in de oceanen en meer verdamping.

Er bestaan ook destabiliserende meekoppelingen die zowel kunnen leiden tot sterke opwarming als tot afkoeling. E´en zo’n meekoppeling is ijsaangroei op de polen. Als door klimaatverandering het kou-der wordt op de polen, dan zal de ijsbedekking daar toenemen. Door de toename van de ijsbedekking wordt meer zonlicht gereflecteerd, waardoor de aarde nog verder afkoelt. Andersom, als door enige oorzaak de ijsbedekking van de polen afneemt neemt wordt aan de polen meer zonlicht geabsorbeerd, waardoor het nog warmer wordt, er meer ijs afsmelt enzovoort.

De ontwikkeling van het Noordpoolklimaat is verontrustend. De temperatuur in het Noordpoolge-bied (’the Arctic’) stijgt twee keer zo snel als gemiddeld wereldwijd. Deze zogenaamde ’polaire ver-sterking’ treedt op door de ijs-albedo meekoppeling, terwijl ook veranderende patronen van warmte transport een rol spelen. De zeeijsbedekking in de zomer is sneller gekrompen dan de voorspellingen gemaakt met klimaatmodellen, zoals weergegeven in figuur 8.1. Sinds 1980 is de afname 10% per 10 jaar, met het dieptepunt in 2007. De huidige bedekking is 5.1 miljoen km2 (van Dorland et al., 2010). Onduidelijk blijft wanneer het punt bereikt wordt dat de opwarming zo groot is dat de ijsaangroei in de arctische winter sterk afneemt, en daarmee de kans op herstel van de ijsbedekking.

Ook in het Zuidpoolgebied (Antarctica) neemt de temperatuur toe, maar minder snel als aan de Noordpool. Hier is de gemiddelde zeeijsbedekking toegenomen.

Gelukkig zijn er ook stabiliserende tegenkoppelingen. E´en voorbeeld is de aanwezigheid van stof-deeltjes in de atmosfeer. Zelfs door een kleine toename van de temperatuur kunnen gebieden op aarde verwoestijnen. Daardoor zal echter, net als bij een vulkaanuitbarsting, gemiddeld meer stof in de at-mosfeer komen. Stof heeft, doordat het netto zonlicht reflecteert, gemiddeld een afkoelend effect. Hier is dus sprake van een stabiliserende tegenkoppeling in het klimaatsysteem.

De uitbarsting van de vulkaan Pinatubo, in 2002, heeft een grote hoeveelheid stof in de hogere lagen van de atmosfeer gebracht. Het effect daarvan op de mondiale gemiddelde temperatuur kwam goed overeen met de voorspellingen in klimaatmodellen - met de gegeven van deze uitbarsting konden de modellen op dit punt worden gecalibreerd.

In de loop der tijd zijn de klimaatmodellen niet alleen completer geworden, maar ook steeds groter en gedetailleerder; wetenschappers proberen op een steeds hogere resolutie voorspellingen te doen over het klimaat - van wereld naar continenten en soms zelfs landen, van voorspellingen over smeltende poolkappen naar de zeespiegelrijzing in de Noordzee.

2Op 10 mei 2013 bereikte de atmosferische CO₂-concentratie voor het eerste een waarde van 400 [ppm] (http://nos.nl/ artikel/505416-co2-bereikt-belangrijke-grens.html

Hoofdstuk 8. Het Klimaatsysteem

Figuur 8.1: Zeeijs Noordpool - waarneming en voorspelling

Wat blijft is dat klimaatmodellen het klimaat voorspellen, NIET het weer van morgen, volgende week of volgend jaar - ons klimaat veroorzaakt weer met - zeker in Noord-West Europa - een grote variabiliteit. Daarbinnen is het het heel goed mogelijk een strenge winter te hebben, terwijl gemiddeld de temperatuur op aarde voortdurend toeneemt.

8.1.2 Dit hoofdstuk

Door gebruik te maken van onze systeembenadering zullen we het klimaatsysteem, het broeikaseffect en het versterkt broeikaseffect beschrijven en verklaren. Daarnaast wordt een duiding gegeven van mogelijke oplossingsrichtingen en barri´eres om deze te implementeren.