EROI versus CO2/kWh: 3 opties over

Terwijl we wereldwijd een energie transitie willen realiseren, gaan veel energie berekeningen niet over energie maar over kosten. En wind en zonnepanelen lijken sterk in kosten te dalen, in cts/kWh. Wat natuurlijk interessant lijkt, maar zegt natuurlijk niks over de effectiviteit van die technologieën. Financiële berekeningen zijn erg mistig, en afhankelijk van politieke en economische willekeur, de meeste zgn externale effecten zijn niet geinternaliseerd, zoals dat zo mooi heet. Uiteindelijke gaat het om energie ( en materiaal) effectiviteit, en ook nog eens met de laagste CO2 uitstoot.

Een van die indicatoren is de EROI, de energy return on (energy) investment. Hoeveel energie krijg je uit een proces, als je er 1 energie eenheid instopt, want niets voor niets natuurlijk. En dat moet veel hoger dan 1 zijn, om enig verschil te kunnen maken, anders verlies je al energie bij de start, of hebt immens veel ruimte nodig om effectief 1 unit extra eruit te krijgen. Berekeningen zijn lastig, gezien ons complexe energiesysteem. Maar er is inmiddels genoeg research beschikbaar, om goede indicaties te krijgen. Hier heb ik gekozen voor Hall, die al veel onderzoek op dit gebied gedaan heeft. [1] De data laten zien dat waterkracht met stip bovenaan staat, met een EROI van 100:1. daaronder komen de fossiele brandstof (-conversieroutes) zoals kolen met 80:1 en gas met 20:1 . Daar horen wel een paar opmerkingen bij: Deze brandstoffen worden gerekend alsof ze gewoon beschikbaar zijn, ( ‘found in nature’) , zonder de eerdere conversiestappen mee te rekenen, zoals biomassa, en druk en temperatuur omzettingen in de aardkorst. Dat wordt buiten beschouwing gelaten. ( zie de effecten daarvan in een eerder artikel) [2] . Daarbij, het gebruik ervan heeft nare bijwerkingen, daar kom ik nog op terug. Alle andere technieken zitten onder die fossiele brandstoffen, met wind dan als meest effectieve. Voor al deze bron-conversie combinaties, is de proces energie inbegrepen ( embodied energy) maar niet de energie nodig om de uitputting van bronnen te herstellen ( erts concentraties, maar ook die van fossiele voorraden) . In feite zou je de (E+M)ROI moeten berekenen, de energy and materials return on investment. Materialen gaan ook verloren, en de effectiviteit van het benutten van materialen is ook een issue. Maar daarover een andere keer, hier focussen we op EROI, wat al een goede indicatie geeft.

EROI zegt niet alles natuurlijk, en zeker niet in deze tijd, waarin beperken van klimaatverandering top prioriteit is. En dat gaat over CO2 emissies. Dus is het interessante eens te kijken wat de CO2 effecten zijn van deze bron-conversieroutes in termen van CO2 emissie per geleverde kWh. Iets waarnaar het IPCC ook al heeft gekeken, en speciaal in de annex2 rapporten van Werkgroep 3 [3]

Niet verbazend is het feit dat fossiele brandstoffen nu zeer slecht scoren, een factor 10-20 meer dan enig andere route. Erg laag zit biomassa ( dat weer wat andere nadelen heeft) en verrassend: Zonne spiegel centrales: een van de meest effectieve technieken mbt CO2 emissies. Wat toevallig ook bevestigd werd in een paper op een recente conferentie , waar zonnecel- en spiegelcentrales werden vergeleken. Het is vreemd dat er niet meer gebouwd worden.

Maar u wordt het interessant: wat gebeurt er als we die twee datasets tegenover elkaar zetten in een grafiek, want uiteindelijk willen we een hoge EROI bij een lage CO2 emissie graad. Maar dan zijn we er nog niet want wat zijn de minima waarbij het nog interessant is? Wat zijn de bottomlines voor EROI en CO2 ?

Voor EROI geeft de literatuur uitsluitsel, waarin wordt aangenomen dat een EROI van minder dan 10 niet effectief is in deze overbevolkte wereld. [4] En beneden dat niveau betalen de investeringen zich ook niet terug….

Dan CO2, wat is daar de bottom line? Die veel lager zal moeten zijn als de uitstoot van de fossielen.

Er is een manier om die bottom line te berekenen, als we uitgaan van wat we maximaal mogen uitstoten wanneer we als wereld in een CO2 balans zouden leven: Die wordt algemeen aangenomen als 1 ton CO2 per capita per jaar [5] ( nu is dat in NL nog 10 ton/cap-jaar) . Nederland zou dan maximaal 17 miljoen ton mogen uitstoten, jaarlijks. Dat is het budget om het huidige energiegebruik, 2000PJ te genereren [6]. Een eenvoudige rekensom leert dat de grens dan 30gr/kWh mag zijn. Als we dezelfde berekeningen wereldwijd uitvoeren (voor 7,5 miljard inwoners), met een energie consumptie van 157500 TWh [7] , dan zou het 50 mogen zijn ( bij 10 miljard inwoners gaat dat ook weer richting 30).

We houden die 30 aan, voor de geïndustrialiseerde wereld. En wat blijkt, er zijn slechts 3 bron-conversieroutes die hieraan voldoen… Waterkracht, getijde energie, en windenergie. ( ik laat kernenergie even buiten beschouwing) Zonne panelen in hun huidige vorm zitten daar niet bij…

eroi-co2-new

Hoe verhoudt zich dat tot de maximaal 800 Gt CO2 die we nog mogen uitstoten om onder de 2 garden te blijven? Stel we voorzien in onze energie met een combinatie van wind en zon, dat zou dan een gemiddelde uitstoot hebben van ( 46+12)/2 = 29 gr/ kWh. Met 800 Gt is dan 28000000 TWh te genereren. Gedeeld door onze jaarlijkse ( huidige) opwekking ( 157500 TWh) , kunnen we 175 jaar vooruit. Dat wil zeggen, dat we dan nog steeds door die 2 graden gaan, maar pas zeer laat. Voor het 1,5 graad scenario zou dat ~45 jaar zijn. Maar nogmaals: indien geïnstalleerd en werkend. Voorlopig is dat niet zo, en daalt het 800Gt budget met 40 Gt per jaar. ( 2016, we zitten inmiddels al op 775…) Over aantal jaren gaan we het sowieso niet meer redden.

Als we erin zouden slagen om alle energie te voorzien met de best mogelijke conversie-route, waterkracht, dan zou het oplopen tot 1200 jaar. (B2) Echter, juist een paar maanden geleden verscheen ene berekening dat waterkracht hoogstens 33 % van onze behoefte kan dekken. [8] De andere 2/3 zal in ieder geval moeten komen van andere routes, met hogere impact.

Concluderend

Natuurlijk, dit zijn ruwe vergelijkingen. Ik heb recente berekeningen gezien die een veel hogere CO2/kWh laten zien. Maar deze cijfers geven voldoende indicatie , om de mogelijkheden en beperkingen te laten zien. En zijn toch enigszins alarmerend. Het laat nog steeds zien dat drastische reductie van de vraag onvermijdelijk is, en dan in de zin van gebruik en gedrag door mensen, voordat we mega investeringen gaan doen in technologieën . In het eerdere rapport CO2 & built environment, [5] zijn daar al voorbeelden van gegeven, ondersteund door verder onderzoek oa van de Duitse overheid [9] . Ook arbeid als energiebron zal zijn bijdrage kunnen leveren, als meest effectieve duurzame energiebron [10].

En het laat ook zien dat er dringend behoefte is an 21 ste eeuwse versies van ons bekende duurzame energietechnieken, zoals airborne windturbines, met een veel betere score op deze grafiek.[11] Zie noot*

Bovendien, dit is uitsluitend gekeken naar energie en CO2 gegevens. Of we überhaupt genoeg grondstoffen hebben voor deze transitie is de vraag, zoals vele rapporten laten zien. [12][13][14]

De uitdaging blijft , om onze vraag drastisch te verminderen, en te zoeken naar veel effectievere energie conversiemogelijkheden.

 

 

*Note:

Not included in the graph, and the data lists , are non conventional or innovative sources and conversion routes. A few data collected from different sources are presented here, as a rough reference.

Non conventional fossil fuels.

Tars sands, shale oil and shale gas are all far below an EROI of ten. With tar sands even suspected to get close to 1…! [15]

When it comes to CO2 data are difficult to obtain. Sources found give large differences. I assume that all are at least in the same range as the “easy fossils”. (maybe even higher when peatland is destroyed) .

New generation renewables

Airborn wind energy, ( flying turbines, by cable) are estimated at EROI >300 [16]. That could make a difference. Classic windturbines , have a hugh material impact, which is not included in the data and graph used above. Also here airborne or high altitude devices are significantly less massive (20 tonnes for 3 MW) than traditional turbines of equivalent rating (417 tonnes of steel and 902 tonnes of concrete). This provides a double advantage. Since the CO2 per kWh will be much lower, as well as exergy losses by material depletion.

Solar cells, the panels as we know now, are not in the preferred range . There are a few new promising developments: Thin film, flexible, solar cells, and Organic PV: Solar cells made of biobased components, mimicking nature.

Thin film ( a-Si) has a EROI of close to 15 .[17] The CO2 data are not available to me. OPV: The first impressions from raw research data suggest the eroi for OPV to be double compared to conventional PV. But this could still improve if research could raise the efficiency of these cells types, which are around 1-2 % now. CO2/kWh data should be significantly better, but to early to judge.

There are other options, like energy from algea, but not yet documented ( data welcome!)

 

[1] EROI of different fuels and the implications for society , Charles A.S. Hall n , Jessica G. Lambert, Stephen B. Balogh , Energy Policy 64 (2014) 141–152

see also Year in review – EROI or energy return on (energy) invested, Article in Annals of the New York Academy of Sciences, January 2010,David J. Murphy and Charles A. S. Hall

[2] “growing fossils”, article 11 February 2016: accessible via http://www.ronaldrovers.com/?p=107

[3] Special Report on Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation , Summary for Policymakers , A Report of Working Group III of the IPCC, Reprinted with corrections in 2012

© 2011, Intergovernmental Panel on Climate Change , ISBN 978-92-9169-131-9. Table page 19 and annex II

[4] Hall cited in: The true cost of fossil Fuels : As oil becomes more expensive, determining where to invest energy to get energy is increasingly important ,By Mason Inman, April 2013, Scientific American.com p59

[5] CO2 & the Built environment, report by iiSBE academic forum, april 2017, chapter 3.3, accessible via www.buildingscarbonbudget.org

[6] Hernieuwbare Energie in Nederland , 2016 CBS, ISBN: 978 90 357 1996 5

[7] Key world energy statistics, 2016 OECD/IEA, see www.worldenergyoutlook.org

summarised in Wikipedia as: The IEA estimates that, in 2013, total primary energy supply (TPES) was 1.575 × 1017 Wh (= 157.5 PWh, 5.67 × 1020 joules, or 13,541 Mtoe). https://en.wikipedia.org/wiki/World_energy_consumption

and also: CO 2 emissions from fuel combustion HIGHLIGHTS, 2016 OECD/IEA, see www.iea.org/statistics/

[8] Systematic high-resolution assessment of global hydropower potential, Olivier Hoes, Lourens Meijer, Ruud van der Ent, Nick van de Giesen http://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0171844[10] ”Labor, a lost renewable energy source” , article 7 february 2017: accessible via http://www.ronaldrovers.com/?p=343

[9] report: Germany, a greenhouse gas neutral country: https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/376/publikationen/germany_2050_a_greenhouse_gas_neutral_country_langfassung.pdf

[11] papers and power points from the last “ airborne windenergy conference” : http://awec2015.tudelft.nl/presentations.html

[12] Smil V (2013) – Making the Modern World – Materials and Dematerialization, Wiley, ISBN:

9781119942535

[13] Kleijn, R. 2012, Materials and energy : a store of linkages, Leiden University, ISBN 978-90-

9026938-2

[14] Allwood J, Cullen J, (2011) Sustainable Materials, with both eyes open, Cambridge University

onl;ine available at: http://withbotheyesopen.com/

[15 Hall, cited in https://insideclimatenews.org/news/20130219/oil-sands-mining-tar-sands-alberta-canada-energy-return-on-investment-eroi-natural-gas-in-situ-dilbit-bitumen

[16] http://euanmearns.com/high-altitude-wind-power-reviewed/

[17] Energy payback time (EPBT) and energy return on energy invested (EROI) of solar photovoltaic systems: A systematic review and meta-analysis Khagendra P. Bhandari et all, http://dx.doi.org/10.1016/j.rser.2015.02.057 Renewable and Sustainable Energy Reviews 47 (2015) 133–141 . http://astro1.panet.utoledo.edu/~relling2/PDF/pubs/life_cycle_assesment_ellingson_apul_(2015)_ren_and_sustain._energy_revs.pdf

LinkedInFacebookShare

admin