"Wát??? Opwarming van de Aarde door kernenergie??? Kernenergie produceert tóch helemaal geen broeikasgassen?"
Tijdens de constructie van een kerncentrale wordt er toch alleen een hoeveelheid broeikasgassen uitgestoten en verder alleen voor de fabricage van splijtstof? Dat klopt! Maar de kop van dit artikel heeft het over 'opwarming van de aarde' en dat is niet helemaal hetzelfde als de uitstoot van broeikasgassen...
De klimaat-situatie op aarde is ongeveer identiek aan de volgende metafoor: Stel, je hebt als aardbewoner in het Nederland van 200 jaar geleden een kleine broeikas van ongeveer 300 m2 grondoppervlak. Die is uitgerust met enkel glas. Je kunt er het groeiseizoen van je gewassen in het voorjaar en najaar mee verlengen, want het is in de kas warmer dan buiten. Dat enkelglas is vergelijkbaar met de natuurlijke hoeveelheid broeikasgassen (voornamelijk waterdamp en CO2) in de Aardse armosfeer van 200 jaar geleden. 200 jaar later besluit je het enkelglas van de broeikas te vervangen door HR++ dubbelglas. Dat effect van HR++ dubbelglas is vergelijkbaar met alle door de mens uitgestoten éxtra CO2 door gebruik van fossiele brandstoffen en methaan-emissies in de Aardse atmosfeer. Je merkt nu dat het in je broeikas in de zomer bloedheet wordt, eigenlijk te heet om gewassen te laten groeien. Je moet extra gaan koelen. Je besluit om 30 grote ventilatoren in de broeikas te installeren. Maar, waar je niet aan gedacht hebt is dat die ventilatoren behoorlijk wat warmte afgeven, waardoor de lucht-temperatuur in de kas nog verder stijgt. En die afgegeven warmte blijft door het HR++ dubbelglas ook nog eens in de broeikas en accumuleert! Die extra ventilatoren nu zijn vergelijkbaar met de kerncentrales op aarde, die nu overal gebouwd dreigen te worden. Lees verder voor de natuurkundige uitleg...
Het heeft alles te maken met kort- en lang-golvig infrarood licht. Onze zon (...net als elke ster...) straalt geen lang-golvig infrarood licht uit maar kort-golvig infrarood licht. Loodrecht op het aardoppervlak heeft zonlicht een energie van iets meer dan 1 kW per vierkante meter op zeeniveau. Van deze energie is 527 W infraroodstraling, 445 W zichtbaar licht en 32 W ultraviolette straling. Bijna alle infraroodstraling in zonlicht is kort-golvig infrarood met een golflengte korter dan 4 μm. De oppervlakte temperatuur van de zon is maar liefst 5.510 graden Celsius is. De natuurkundige Wet van Wien bepaalt dat hoe heter een object is hoe korter de golflengte is van de uitgestraalde infrarood straling. Objecten die een temperatuur hebben tussen de 100°C en 500°C stralen zodoende lang-golvig infrarood uit. Lang-golvig infrarood (IR-C) heeft een golflengte van 3 tot 1000 µm (3.000 tot 1.000.000 nanometer), en de bijbehorende 'kleurtemperatuur' is relatief laag. Objecten met een temperatuur hoger dan 500°C stralen daarentegen kort-golvig infrarood, en zelfs zichtbaar licht is mogelijk. Denk maar aan rood- of witgloeiend ijzer. En nu is het zo dat broeikasgassen alléén langgolvig infrarood absorberen en daarna weer afgeven aan hun omgeving. Dat komt door de dipool-vorm van het broeikasgas-molecuul. Met kortgolvig infrarood doen broeikasgassen helemaal niets.
Broeikasgassen zijn 'infrarood-actief', wat betekent dat ze infrarood-straling absorberen en uitzenden in hetzelfde lange golflengtebereik als dat wat wordt uitgezonden door het aardoppervlak, de wolken en de atmosfeer. 99% van de droge atmosfeer van de aarde (exclusief waterdamp) bestaat uit stikstof (N2) (78%) en zuurstof (O2) (21%). Omdat N2- en O2-moleculen twee atomen van hetzelfde element bevatten, vertonen ze geen asymmetrie in de verdeling van hun elektrische ladingen en worden ze dus vrijwel niet beïnvloed door infrarood thermische straling, met slechts een uiterst gering effect van door botsingen veroorzaakte absorptie.Nog eens 0,9% van de atmosfeer bestaat uit argon (Ar), dat monoatomair is en dus volledig transparant voor thermische straling. Aan de andere kant maken kooldioxide (0,04%), methaan, stikstofoxide en nog minder voorkomende sporen gassen minder dan 0,1% van de atmosfeer van de aarde uit, maar omdat hun moleculen atomen van verschillende elementen bevatten, is er een asymmetrie in de verdeling van de elektrische lading, waardoor moleculaire trillingen een wisselwerking kunnen hebben met elektromagnetische straling (fotonen). Dit maakt ze infrarood-actief, en zo veroorzaakt hun aanwezigheid in de atmosfeer het broeikaseffect.
Klimaatverandering wordt tegenwoordig door veruit het grootste deel van de mensheid gezien als een geaccepteerd en vaststaand feit en het is ook heel algemeen bekend dat opwarming van onze aarde het gevolg is van door mensen veroorzaakte broeikasgas-emissies, waarvan kooldioxide (CO2) de belangrijkste is.
Zonnestraling bereikt het oppervlak van onze aarde en warmt dit op. Een deel van dat licht wordt weer weerkaatst, zoals een groen oppervlak alleen groen licht weerkaatst, een wit oppervlak bijna het hele zichtbare spectrum weerkaatst en een zwart oppervlak nagenoeg geen licht weerkaatst. Het door het oppervlak niet weerkaatste zonlicht wordt omgezet in warmte. Een zwart oppervlak zal in de zon dus veel warmer worden dan een wit oppervlak. En een opgewarmd oppervlak zal langgolvig infrarode straling gaan uitzenden omhoog naar de atmosfeer maar ook naar zijn omgeving. Dit is ook te voelen door er bijv. een hand boven of naast te houden. Het is dezelfde soort warmte die een electrische straalkachel geeft. Stofdeeltjes in de atmosfeer kunnen die uitgestaalde langgolvige infraroodstraling ook weer opvangen en er door verwarmd worden, waardoor ook de atmosfeer opwarmt. De 21% Zuurstof, 78% Stikstof en 0,9% Argon in onze atmosfeer kunnen langgolvige infrarode straling niet opnemen, de broeikas-gassen echter wél!. Broeikasgas-moleculen hebben een dipool-vorm die daardoor in staat zijn die infrarode straling te absorberen. Zij gaan er door trillen en worden warm en stralen dus zelf ook weer langgolvige infrarode straling uit, waarvan het meest wéér richting aardoppervlak gaat en het geheel zich in iets zwakkere vorm herhaalt, omdat altijd een klein deel van die infrarode straling het heelal in verdwijnt. Dit systeem noemt men de Aardse Stralingsbalans.
Verdamping ontrekt warmte aan de omgeving, condensatie geeft warmte af aan de omgeving. Door verwarming van het aardoppervlak door zonlicht ontstaat dus ook verdamping van water dat weer condenseert in de hogere luchtlagen. Warmte komt daar zo in terecht en relatief warme neerslag brengt die warmte weer terug naar de lagere luchtlagen en het aardoppervlak. Ook die warmte-circulatie van water en waterdamp in onze atmosfeer wordt geïntensiveerd door broeikasgassen, niet op de laatste plaats doordat waterdamp zelf ook een broeikasgas is.
Maar de door menselijke activiteiten uitgestoten broeikasgassen is niet het hele verhaal over de opwarming van onze Aarde! De moderne (Westerse) mens gebruikt veel kunstmatig opgewekte energie. Dat veroorzaakt altijd warmte! En dat is niet alleen afvalwarmte van bijv. een kolencentrale die 'verdwijnt' in het koelwater of atmosfeer. Het is ook de door de kolencentrale opgewekte electriciteit die uiteindelijk altijd in warmte wordt omgezet. Dat kan de warmte van een haarföhn zijn maar ook de bewegingsenergie van een elektromotor die iets aandrijft en uiteindelijk wrijving (is warmte) genereert. Dit volgt uit de tweede wet van de thermodynamica, die over entropie gaat. Alle door de mens opgewekte en verbruikte energie, wordt dus uiteindelijk volledig omgezet in warmte van het aardoppervlak en/of de atmosfeer; die op haar beurt daardoor óók weer langgolvige infrarode straling uitstraalt; en die óók - net als zonnestraling - door dezelfde broeikasgassen weer in de aardse atmosfeer terug op het aardoppervlak terechtkomen. Het wordt bijna altijd vergeten (of ontkend), maar die door de mens veroorzaakte warmte draagt ook een belangrijk steentje bij aan de opwarming van onze aarde. Die door de mens veroorzaakte warmte uit kunstmatig opgewekte energie heet met een wetenschappelijke term Anthropogenic Heat Release (of AHR). Hoe groot is nu het aandeel van AHR in de totale huidige opwarming van de aarde?
Wel, dit is natuurlijk niet exact te meten, maar moet berekend worden. Laten we eerst eens met een eenvoudig voorbeeld aantonen over welke hoeveelheden warmte we praten. De kabinetten Rutte IV en Schoof I hebben al enige tijd gepraat over twee grote nieuwe kerncentrales in Borssele met een totaal electrisch vermogen van ca. 3.000 MWe, maar hoeveel totale warmte produceren die nu in een jaar? Voor het gemak gaan we even uit van twee Franse EPR's, die hebben ieder een electrisch vermogen van 1650 MWe en een thermisch vermogen van 4500 MW(!). Bij een base-load productie-factor van 90% is dat 90/100 * 4500 *365 * 24 = 35.478.000 MWh/jaar per EPR. Om dit wat meer aansprekelijk te maken gaan we berekenen met hoeveel graden je het IJsselmeer kan opwarmen met deze energie. Volgens Wikipedia heeft het IJsselmeer (zonder het Markermeer) een oppervlakte van 1.133 km2 en een gemiddelde diepgang van 4,4 m. Dat is 1.133.000.000 * 4,4 = 4.985.200.000 m3 water. De soortelijke warmte van water is 4,186 kiloJoule per kg. Één liter water weegt 1 kilogram en 1 kiloWattuur is gelijk aan 3.600 kiloJoule. Dat betekent dat je voor 1 m3 water: 4.186 : 3.600 = 1,1628 kWh nodig hebt om het 1 graad Celsius te verwarmen. Om het hele IJsselmeer 1 graad Celsius te verwarmen is dus 4.985.200.000 * 1,1628 = 5.796.790.560 kWh nodig. Twee EPR's kunnen dus met ál hun thermische energie in één jaar tijd het hele IJsselmeer met (2 * 35.478.000.000) : 5.796.790.560 = 12,24 °C verwarmen. Voor iedereen die wel eens het IJsselmeer is overgezeild, is dat een heel indrukwekkende hoeveelheid warmte. Natuurlijk geldt eenzelfde opwarm-capaciteit ook voor twee kolencentrales met eenzelfde thermisch vermogen. Langs de grote Franse rivieren zoals de Rhône staan kerncentrales opgesteld, die koelen met rivierwater dat ze veelal via koeltorens terug laten vloeien in de rivier. Maar steeds vaker de laatste jaren, moeten die kerncentrales vermogen terugdraaien, omdat anders de rivier teveel opwarmt en er massale vissterfte plaatsvindt. Er is nog geen Milieu Effect Rapportage gemaakt voor de bouw van de nieuwe kerncentrales in Borssele, maar wij kunnen ons voorstellen dat alleen al de lozing van het koelwater grote gevolgen zal hebben voor het mariene leven in de Zeelandse kustwateren.
Maar als we nu alle niet-duurzame geproduceerde energie (fossiel, electriciteit en kernenergie) die verbruikt wordt in Nederland nu eens naar warmte omrekenen? Dat is nog niet eerder uitgerekend, maar het is veel. Het bruto gebruik per jaar van alle fossiele energievormen (kolen, aardgas, stookolie, diesel, benzine, kerosine) plus kernenergie moeten dan bij elkaar opgeteld worden. Die cijfers zijn op CBS-statline te vinden. Als je het zuiver wilt doen, dan moet je bovendien alle energie die gebruikt is voor alle geïmporteerde goederen aftrekken van die van alle geëxporteerde goederen. Dat geldt ook voor de dienstensector. Maar voor nu beperken we ons even tot de gegevens op CBS-statline. Als je alle sub-totalen optelt kom je uit op 5.437,7 petaJoule in 2022, wat gelijk staat aan (1 petajoule = 277.777.777,77778 kWh ) 5.437,700.000.000.000.000 : 277.777.777,77778 = 1.510.472.222.222 kWh. Als we dat delen door de 5.796.790.560 kWh (de energie nodig om het IJsselmeer met 1 °C te verhogen) van hierboven, dan krijgen we het getal 260,57! Als we herdefiniëren naar het aantal IJsselmeren dat met 50 °C temperatuur-verhoging verwarmd kan worden in één jaar, dan komen we uit op 260,57 : 50 = 5,2. Dat betekent dus dat we met al onze verbruikte niet-duurzaam geproduceerde energie in één jaar totaal 5,2 maal een héél IJsselmeer met 50 °C temperatuur-verhoging kunnen verwarmen!
Als we met 100% kernenergie al onze nu niet-duurzaam geproduceerde energie in 2022 Nederland zouden vervangen. En als we uitgaan van eenzelfde efficiency-graad als fossiel en als we de productie-factor van één EPR gelijkstellen aan 90% * 365 * 24 * 1.650 MWe = 13.008 GWh/jaar, dan is het aantal EPR's dat we in Nederland nodig hebben om de niet-duurzame uit 2022 geproduceerde energie te vervangen door kernenergie: 1.510.472,222222 GWh / 13.008 GWh = 116,1 EPR's. De theoretische hoeveelheid energie die wij in Nederland jaarlijks ontvangen van de zon (solar irridiation) is ongeveer 1.000 KwH/jaar/m2. De oppervlakte van Nederland is 41.543.000.000 m2 volgens Wikipedia. De totale ontvangen zonne-energie in Nederland is dus per jaar 1.000 * 41.543.000.000 = 41.543.000.000.000 KwH = 41.543.000 GwH. De jaarlijkse ontvangen zonne-energie in Nederlands is dus 41.543.000 / 1.510.472 = 27 maal zoveel als de verbruikte niet-duurzame energie in Nederland.
Als je dus álle huidige niet-duurzame energie-verbruik (in Joule) op onze aarde inventariseert en je berekent de opwarming van onze aarde aan de hand van de constante energie van de zon die de aarde bereikt (in Joule) en de Aardse Stralingsbalans het huidige broeikaseffect (in Joule) van de broeikasgassen die zich nu in de atmosfeer bevinden, dan vindt je een gat waar de Anthropogenic Heat Release (AHR) in past. Dat is ongeveer wat een groep Chinese wetenschappers (Zia Hupan et al. 2022) hebben gedaan en zij vonden dat de AHR ongeveer 10% bijdroeg aan de opwarming van de Aarde. De schatting zal conservatief zijn, omdat China's energie-politiek ook fors investeert in kernenergie, een energie-vorm die dus óók bijdraagt aan de opwarming van de Aarde door AHR. Een andere Chinese studie (Bing Chen et. al 2014) concludeerde ook al dat AHR niet genegeerd kon worden als belangrijke factor van Global Warming. Er zijn vele studies te vinden over dit onderwerp.
Maar sommige lezers zullen denken dat die AHR 'maar' 10% van de opwarming van de aarde betreft en dat die door broeikasgassen gevangen AHR na een aantal jaar toch als infrarood-straling volledig is uitgestraald naar het heelal. Dat zijn op zich beweringen die niet helemaal onwaar zijn, maar het duurt alleen héél veel jaren en het zit toch wat genuanceerder. Ten eerste groeit volgens de Chinese onderzoekers die 10% extra opwarming nog wat meer de komende jaren. En zolang wij niet minder niet-duurzame energie gaan gebruiken blijft die AHR prominent aanwezig. Ten tweede de Chinese onderzoekers hebben het over die 10% als een globale gemiddelde waarde. Lokaal kan die invloed veel hoger liggen. Lokaal dat zijn gebieden waar veel mensen veel niet-duurzame energie gebruiken en veel niet-duurzame energie wordt opgewekt; stedelijke gebieden dus. We zien nu al dat grote steden in de zomer én in de winter een aantal graden warmer zijn dan hun omgeving; het zgn. Urban Heat Isle (UHI) of Industrial Heat Isle (IHI) effect (warmte-eiland). Als airco's en koelkasten door de grotere hitte straks algemeen gebruikt gaan worden in grote steden, dan zal UHI nóg sneller toenemen. Het zou veel beter zijn als grote steden verplicht helemaal vol met zonnepanelen kwamen te liggen. Dat zou zelfs juist een verkoelend effect kunnen geven. In 2007 heeft het IPCC in haar rapport al gewaarschuwd dat AHR van grote invloed is voor het klimaat in stedelijke regio's (IPCC AR4, 2007). Door verstedelijking zullen er naar verwachting in 2050 6 miljard mensen in steden wonen (McCarthy et al., 2010).
Zoals besproken hierboven draagt AHR op dezelfde manier bij tot opwarming van de oceanen als broeikasgassen met zonnestraling doen. En onze oceanen zijn helaas een enorme heat sink aan het worden a.g.v. broeikasgassen én AHR. Het Amerikaanse NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) stelt dat meer dan 90% van de door de mens veroorzaakte opwarming van de Aarde (broeikasgassen én AHR) geabsorbeerd wordt door onze oceanen! Een schamele 10% gaat als infrarode straling terug het heelal in als infrarode straling. Water is een goede warmtegeleider en het houdt warmte veel beter en langer vast dan land. Niet alleen door wind veroorzaakte golven aan het wateroppervlak zorgen ervoor dat het warmere water aan het oppervlak diepere lagen kan bereiken. Ook verdamping van de bovenste laag water zorgt ervoor dat de zoutconcentratie ervan hoger wordt en dus ook zwaarder, en dus zal dat zoutere (en warmere) water zinken; kouder en minder zout water zal de plaats ervan innemen en zo ontstaat er een convectiestroming. Dat gebeurt op kleine schaal, maar ook op wereldschaal en dan praten we over de thermohaliene circulatie (THC). De verdere opwarming van de oceanen zorgt al voor meer en heftigere orkanen, smeltende ijskappen en stijgende zeespiegel; maar nieuwe nog onbekende effecten zullen zich ongetwijfeld nog gaan voordoen.
De laatste jaren zien we dat in de Noord-Atlantische oceaan voor de westkust van de V.S. zich een echte hotspot begint te vormen. Hoe warmer het oceaanwater is en hoe groter het temperatuurverschil met de zich er boven bevindende atmosfeer, hoe sterker de 'motor' wordt die de orkanen aandrijft. Die situatie ontstaat voor de Noord-Atlantische oceaan vooral eind van de zomer en in de herfst. In West-Europa ontvangen wij vooral de orkaan-uitlopers, die langdurige regens kunnen veroorzaken en er voor zorgt dat de hoogheemraadschappen alle capaciteit in moeten zetten om het water weg te pompen. De voorspellingen van het IPCC zijn dan ook dat er vaker en heviger orkanen gaan ontstaan.
Er is nog een ander fenomeen wat direct met AHR in verband wordt gebracht. Het blijkt dat het zeewater in een strook langs kusten nog iets warmer wordt dan het zeewater dat zich ca 30 km van de kustlijn bevindt. Die extra opwarming wordt veroorzaakt door warm rivierwater dat ontstaat door vele forse koelwaterlozingen. Kleine orkanen die richting kust trekken krijgen door dat warmere zeewater nog een extra boost en kunnen dan binnen 24 uur uitgroeien tot categorie 4 of 5. Meteorologen kunnen dat niet zien aankomen en autoriteiten hebben niet genoeg tijd om te waarschuwen of evacueren. Daardoor wordt de schade extra groot. De laatste keer dat AHR mede een rol speelde bij de sterke snelle groei van een orkaan was bij Otis in Acapulco Oktober 2023. AHR kan wel degelijk ook een rol gaan spelen in de naaste toekomst bij de storm-opbouw op de Noordzee. De cycloon Xavier (Sinterklaasstorm) liet in 2013 ook al een voorproefje zien van een snelle onverwachte forse toename in kracht boven de Noordzee. In Zeeland werd de hoogste waterstand bereikt sinds de watersnoodramp van 1953.
Conclusie van elk weldenkend mens zou moeten zijn dat we met onze energietransitie toe moeten naar een systeem dat géén externe energie toevoegt aan het natuurlijke Aardse systeem. Dat betekent geen fossiele energie, geen kernenergie en eigenlijk ook geen aardwarmte, voor zover het geen aardwarmte is die op natuurlijke wijze anders ook was vrijgekomen (denk bijv. aan de geysers op IJsland). Blijft dus alleen zon, wind, waterkracht en getijdenstroom over. Zie klimaatneutrale energiebronnen.