Klimaat en co2

Hoofdstuk 1: Het broeikaseffect
Afgelopen 100 jaar steeg de temperatuur op aarde 0,6 graad Celsius. Daardoor is de zeespiegel 10 tot 20 centimeter gestegen. Wetenschappers onderzoeken nog hoe dat precies werkt. Misschien is de stijging een natuurlijk proces, maar veel klimaatonderzoekers zijn van mening dat het klimaat verandert door menselijk handelen. Ze denken dat dit met name komt door de verbranding van fossiele brandstoffen. Fossiele brandstoffen zijn bijvoorbeeld aardgas, steenkool en aardolie. Deze stoffen hebben lang in de aarde gezeten. Als je die verbrandt komen er broeikasgassen vrij. De mens verbrandt op grote schaal fossiele brandstoffen, hierdoor komen veel broeikasgassen in de atmosfeer. Dit verschijnsel wordt het versterkt broeikaseffect genoemd.
De belangrijkste broeikasgassen zijn koolstofdioxide, methaan, lachgas en chloorfluorkoolwaterstoffen (Cfk’s). Het belangrijkste broeikasgas is echter waterdamp, hoewel dit niet echt als een gas gezien kan worden en niet wordt uitgestoten door de industrie. Kooldioxide (CO2), waterdamp (H2O), ozon (O3), methaan (CH4¬) en lachgas (N2O) zijn van nature al aanwezig in de atmosfeer. Zij worden natuurlijke broeikasgassen genoemd. De atmosfeer bestaat uit stikstof (78%), zuurstof (21%), argon (0,93%), koolstofdioxide (0,03%) en voor 0,04% uit andere gassen waaronder methaan.

Het cirkel diagram geeft het aandeel van de verschillende broeikasgassen van de totale uitstoot in Nederland in procenten weer. Het is duidelijk dat CO2¬ het meeste voorkomt. Het staafdiagram geeft aan of er een toe- of afname van het broeikasgas is ten opzichte van 1990.

Het broeikaseffect op aarde is belangrijk: zonder het broeikaseffect zou de aarde te koud zijn om op te leven. Maar het broeikaseffect wordt alsmaar versterkt. En dat is een probleem.
Hiernaast is te zien hoe het broeikaseffect in zijn werk gaat.
Doordat er tegenwoordig steeds meer broeikasgassen in de atmosfeer terechtkomen, wordt een steeds groter deel van de op aarde teruggekaatste warmte vastgehouden in de atmosfeer (zie punt 4 in de tekening).

Broeikasgassen beïnvloeden dus de balans tussen inkomende en uitgestraalde energie van de zon. Dit is één van de mogelijke oorzaken waardoor de aarde langzaam opwarmt.
Door de opwarming van de aarde verandert langzaam het klimaat. Het klimaat is het gemiddelde van alle weersomstandigheden, over een langere periode, op één bepaalde plek. Net zo als het weer kan ook het klimaat veranderen. De aarde bestaat al zo'n vijf miljard jaar, en al die tijd veranderde het klimaat voortdurend. Er zijn ijstijden, droogtes en tropische tijden geweest. De verandering van het klimaat van de aarde gaat gepaard met verschuiving van klimaatzones. Deze klimaatveranderingen zijn natuurlijk niet door de mens veroorzaakt, maar hadden een natuurlijke oorzaak. De eerste mensen leefden ongeveer drie miljoen jaar geleden. De meeste wetenschappers zijn van mening dat de opwarming van de aarde in het verleden een natuurlijk proces was en niet alleen werd veroorzaakt door de mens. De meeste onderzoekers denken echter dat de mens tegenwoordig het natuurlijke proces versterkt door zijn vele uitstoot van broeikasgassen.
Door de verandering van het klimaat ontstaan er ernstige problemen. Doordat het warmer wordt, smelten ijskappen op de polen, waardoor de zeespiegel stijgt en leefgebied van bijvoorbeeld pinguïns kleiner wordt. Dit is nu al het geval. Het is bijvoorbeeld te zien bij vloed. De golven komen verder het strand op dan vroeger. De zee is over de hele wereld ongeveer 15cm gestegen in de afgelopen 100 jaar. Gletsjers smelten ook. Het smeltwater komt via rivieren in zee terecht. Wetenschappers verwachten dat in de komende eeuw de zeespiegel met 90cm zal kunnen stijgen. Verschillende stukken land zullen onder water komen te staan. Daarom moeten de dijken weer verhoogd worden etc. Het binnenstromen van zoutwater kan in de kustgebieden de drinkwatervoorziening in gevaar brengen. Ook kunnen er overstromingen ontstaan en/of grote droogtes. Derde wereld landen kunnen de vereiste investeringen niet betalen en komen dan in problemen. Daardoor kunnen dan weer bijvoorbeeld vluchtelingenstromen en oorlogen ontstaan. Een ander probleem is dat er meer zeewater verdampt en er dus meer neerslag valt.
De opwarming heeft ook gevolgen voor de gezondheid. Op plaatsen waar het nu al warm is kan het warmer worden. Hierdoor worden mensen ziek, vooral oudere mensen kunnen slecht tegen hitte. Ook ziektes als malaria kunnen gaan voorkomen waar dat nu niet het geval is.
Het broeikaseffect heeft ook invloed op de landbouw. Koude gebieden kunnen geschikter worden om gewassen te verbouwen vanwege de hogere temperatuur. Misschien zou er een wijnindustrie kunnen ontstaan in Drenthe. Er zijn echter ook plaatsen waar het zo droog kan worden dat oogsten mislukken. Wellicht zal er dan hongersnood uitbreken. Sommige planten en dieren kunnen zich niet snel genoeg aanpassen aan de verandering van de klimaatzones en zullen met uitsterven bedreigd worden. De natuur zal dus ook veranderen. Permafrost gebieden zullen slinken. Woestijnen zullen uitbreiden, dit heet verwoestijning. De kans op bosbranden wordt ook aanzienlijk groter. Dit is met name in Spanje, Portugal en Griekenland de laatste jaren al het geval. Het broeikaseffect heeft ook invloed op het leven in zee. Met name koraal kan afsterven doordat de temperatuur van het zeewater stijgt.

Het versterkt broeikaseffect wordt veroorzaakt door de mens en de natuur zal dit probleem niet oplossen. De oplossing hiervoor is in feite simpel, namelijk minder broeikasgassen uitstoten (voornamelijk CO2). De mens is echter zeer afhankelijk van fossiele brandstoffen en is dus moeilijk te realiseren. Er zijn verschillende alternatieve oplossingen bedacht, elk met zijn voor- en nadelen. De oplossingen kun je in twee categorieën indelen: beperking van de uitstoot van CO2 en opslag van CO2. Hier volgen oplossingen die beperkend werken op de uitstoot van CO2.
Een heel simpele en logische oplossing is zuiniger met energie omgaan. Men kan minder autorijden, spaarlampen gebruiken of minder vliegreizen maken. Dit moet wel op grote schaal toegepast worden, anders heeft het geen nut. Om dit te realiseren is er het Kyoto-protocol afgesproken waarin vele industrielanden afspraken hebben gemaakt om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen.
Een 2e oplossing is om alternatieve brandstoffen te gaan gebruiken, zoals kernenergie. Kernenergie heeft echter veel nadelen, maar er komt geen CO2 vrij bij de verbranding en is dus een oplossing voor het versterkte broeikaseffect. Zonne- en windenergie zijn weer andere brandstoffen, dit zijn duurzame brandstoffen.
Een oplossing voor de toekomst is kernfusie. Dit is hetzelfde proces als wat er in de zon plaatsvindt. Dit is alleen nog niet te realiseren, maar er wordt onderzoek naar gedaan.
In de natuur wordt het natuurlijke broeikaseffect in balans gehouden door bomen en planten. Zij hebben CO2 nodig om te kunnen leven. Zij halen CO2 en water uit hun omgeving en onder invloed van licht ontstaan er bouwstoffen voor de plant en zuurstof. De zuurstof is een afvalproduct van de plant dat weer aan de lucht wordt afgegeven. Dit proces heet fotosynthese. Biomassa kan worden gebruikt voor brandstofproductie. Er wordt gebruik gemaakt van een kringloop van CO2: De plant neemt CO2 op uit de lucht, van het plantaardig materiaal wordt brandstof gemaakt en bij het verbranden van dit materiaal komt de CO2 weer vrij in de lucht. Hieronder is dit geïllustreerd. In de volgende paragraaf komen we hier duidelijk op terug.

Een heel andere oplossing is het opslaan van de CO2 in de aarde. CO2 wordt afgevangen bij verbranding en opgeslagen in de aarde. Deze laatste oplossing gaan wij verder bekijken en in detail uitwerken.
Koolstofkringloop
In de natuur gaat geen enkele stof verloren. De koolstofkringloop is de circulatie van het element koolstof. O,03 procent van de atmosfeer bestaat uit CO2. Dit is 0,001 procent van alle aanwezige koolstof op aarde. Op de afbeelding is te zien hoe de kringloop in zijn werk gaat.

In de hydrosfeer, alle plaatsen waar water moleculen voorkomen , komt 0,05 procent van de totale hoeveelheid koolstof voor. Ook zijn hier opgeloste methaan deeltjes te vinden. In de lithosfeer komt 99,8 procent van de totale hoeveelheid C atomen voor. De lithosfeer is het buitenste gedeelte van de aarde. Het bestaat uit de aardkorst en het bovenste gedeelte van de mantel. Het is ongeveer 80 km dik. De koolstof is te vinden in de sedimenten en het daaruit ontstane krijtgesteente. Het grootste gedeelte komt voor in de carbonaten: calciet (CaCO3)en dolomiet (CaMg(CO3)2). Ook is er kerogeen te vinden. Dit is een mengsel van veel chemische organische verbindingen. Dit kan in sedimenten voorkomen. En natuurlijk komt er een grote hoeveelheid koolstof voor in aardolie, steenkool en aardgas. Ook in humus, turf en bepaalde mineralen is koolstof te vinden. Verder is in de aarde grafiet te vinden. Dit is bijna pure koolstof. Koolstof komt ook nog voor in de vorm van methaanhydraten. Een hydraat is een mengsel van water en een gas, in dit geval methaan. Het gas zit als het ware opgesloten in de moleculaire holtes van het water. Een hydraat kan echter alleen ontstaan bij oververzadiging van water met methaan onder hoge druk of bij een extreem lage temperatuur. Bij deze verandering van de druk en temperatuursverhoudingen kan in korte tijd veel methaan in de atmosfeer terecht komen.
Methaanhydraten zijn dus te vinden in zeesedimenten en in de permafrost. De methaan is ontstaan uit een omzetting van organische stoffen door anaërobe bacteriën. Dit zijn baccterien die zonder zuurstof kunnen overleven. Methanosarcinales Archaea maakt bijvoorbeeld azijnzuur uit methaan en water. Dit gaat als volgt in zijn werk:

Azijnzuur wordt vervolgens weer omgezet door de anaërobe bacterie Desulfosarcina in:

Deze bacterie zet ongeveer 80 procent van de in het sediment aanwezige methaan om.
Als echter aërobe bacteriën, deze hebben zuurstof nodig om te overleven, de methaan omzetten ontstaat:

Dit geeft het broeikas gas CO2
Koolstof komt op aarde en in het heelal dus maar erg weinig voor.
Het meest voorkomende element in het heelal is waterstof. 92,7 procent van de totale hoeveelheid elementen is waterstof. Het na waterstof meest voorkomende element is helium. Dit gas komt 7,2 procent voor. Koolstof komt maar heel erg weinig voor, maar 0,008 procent van de elementen in het heelal is koolstof. Het meest voorkomende element op aarde is natuurlijk zuurstof. 42 procent van de elementen op aarde bestaat uit zuurstof. Ook komen ijzer, silicium en magnesium vrij veel voor. Ook op aarde komt koolstof maar betrekkelijk weinig voor, slechts 0,0099 procent van de elementen is koolstof.

Op de afbeelding is de anorganische koolstofkringloop te zien. Hierboven is uitgelegd hoe die in zijn werk gaat. Tussen de verschillende vormen van anorganisch koolstof bestaat een chemisch evenwicht. Deze evenwichtsreactie is onder het plaatje weegegeven. De percentage gelden onder de volgende voorwaarden: T= 10°C, pH = 8, zoutgehalte 34,3‰, die bijvoorbeeld voor grote delen van de oceanen gelden.

In het menselijk lichaam komt koolstof in verhouding veel meer voor. Waterstof is ook in het menselijk lichaam het meest voorkomende element. Gevolgd door zuurstof en koolstof. Een ontwikkeling van leven op basis van koolstof is daarom alleen maar mogelijk wanneer organismen de koolstofkringloop benutten en zelf weer een gesloten koolstofkringloop vormen.
Koolstof wordt in organismen vooral opgeslagen in organische stoffen en carbonaten. Meestal is dit calcium carbonaat CaCO3. Het skelet is bijvoorbeeld hieruit opgebouwd.
In organismen komt koolstof voor in alle organische moleculen. Zelfs met de lage concentratie koolstofdioxide in de lucht zijn autotrofe organismen prima in staat voldoende koolstofdioxide op te nemen uit de lucht. Ze zetten dit om in glucose met behulp van licht en water, hierbij ontstaat het voor ons onmisbare zuurstof. Dit proces wordt ook wel fotosynthese genoemd. Het is een voorbeeld van assimilatie. Bij dit proces worden anorganische moleculen omgezet in grote organische moleculen. Een deel van de glucose wordt weer gebruikt voor dissimilatie. Dat is de afbraak van organische moleculen waarbij energie ontstaat. Dit heeft het organisme nodig voor veel processen. Een ander deel van de glucose wordt omgezet in organische stoffen waaruit de plant bestaat. Dus de koolstof bevindt zich in de moleculen van de plant. Autotrofe organismen worden ook wel producenten genoemd, ze maken namelijk organische stof uit anorganische stof. Op het land zijn planten de belangrijkste producenten, in zee zijn dat de cyanobacteriën. De producenten worden gegeten door heterotrofe organismen, deze hebben organische stoffen nodig voor de levering van energie. Heterotrofe organismen worden ook wel consumenten genoemd. Een plant wordt bijvoorbeeld gegeten door een dier. Een deel van de organische stoffen van de plant wordt gebruikt bij de dissimilatie in het lichaam van het dier. Hierbij komt koolstofdioxide vrij. Een ander deel wordt omgezet in dierlijke organische stoffen. Het overgebleven deel verlaat het lichaam van het dier met de uitwerpselen. Het dier kan weer gegeten worden door een ander dier of de mens. Op deze manier komt de koolstof van het ene organisme in het ander terecht. Alle dode resten of andere afvalproducten van organismen worden ook wel samen detritus genoemd. De nog overgebleven organische stoffen worden door schimmels en heterotofe bacteriën gebruikt bij de dissimilatie. Ook hierbij ontstaat weer koolstofdioxide, dit wordt afgegeven aan de lucht. De autotrofe organismen kunnen dit weer gebruiken voor de assimilatie. Het dus een kringloop. Deze kringloop wordt ook wel de korte of organische koolstofkringloop genoemd. Op de afbeelding hieronder wordt het nog eens verduidelijkt.

Hoofdstuk 2: Geschiedenis van klimaatveranderingen

Het klimaat was vroeger niet hetzelfde nu, het verandert continu. In het verleden zijn er warme, koude, vochtige of juist droge periodes geweest.
Het 1e geologische periode heet het Precambrium. Daarin werd de aardkorst gevormd en was er veel vulkanische activiteit. In dit tijdperk ontwikkelde zich het 1e primitieve leven. Algen begonnen met het omzetten van CO2 in zuurstof (O2). In het laatste deel van het Precambrium was de gehele aarde bedekt met ijs door twee ijstijden, dit wordt ook wel de Snowball Earth genoemd. De meeste CO2 was uit de atmosfeer verdwenen en opgeslagen in het ijs. De warmte van de zon was toen zo’n acht procent minder dan nu. Toen het ijs ging smelten, kwam het CO2 vrij en veranderde het klimaat van een “koelkast” tot een “broeikas”. Er wordt aangenomen dat deze plotselinge klimaatverandering de Cambrische explosie heeft veroorzaakt. De Cambrische explosie, ook wel de Oerknal van het leven genoemd, betekende het ontstaan van meercellige organismen. Een belangrijke vindplaats voor fossielen van de Cambrische explosie is de Burgess shale in Canada.
Tijdens het Siluur heerste er een warm en vochtig klimaat en de biodiversiteit groeide sterk. Er zijn aanwijzingen dat er veel stormen waren.
In het midden van het volgende tijdperk, het Devoon, veranderde het klimaat van vochtig en warm naar droog en heet. Hier ontstonden de eerste landdieren.
Vervolgens veranderde het klimaat weer terug naar warm en vochtig. Dit tijdperk heet het Carboon. Daarin ontwikkelden zich gigantische bossen en moerassen. In deze periode ontwikkelden reptielen, amfibieën en insecten zich snel. Er leefden toen bijvoorbeeld libellen met een spanwijdte van 50 cm (hier zijn fossielen van gevonden). Afgestorven plantenresten in de moerassen kwamen onder hoge druk. Door deze druk werd het langzaam in steenkool omgezet. Onze huidige steenkool voorraden zijn bijna allemaal in het Carboon ontstaan. Hier heeft dit tijdperk haar naam aan te danken, aangezien carbon steenkool betekent in het Engels.
Na het Carboon volgt het Perm. Dit is een tijdperk met grote temperatuurverschillen en men denkt dat er gletsjers en ijstijden zijn geweest toen. Het klimaat was droog en vochtig.
Al de voorafgaande tijdperken, behalve het Precambrium, worden samen het Paleozoïcum genoemd. Het Perm wordt gevolgd door het Trias, dit het begin van het overtreffende tijdperk het Mesozoïcum. Dit bestaat opeengevolgd uit het Trias, Jura en het Krijt.
De grens tussen het Perm en het Trias staat bekend om de grootste massa-extinctie die wij kennen. Dit is aan ons bekend via gevonden fossielen. 95% van het toenmalige zeeleven stierf uit. De meest aannemelijke oorzaak voor een massa-extinctie is een plotselinge klimaatverandering veroorzaakt door een botsing van de aarde met een object uit het heelal. Er zijn geologische aanwijzingen dat zo’n botsing inderdaad heeft plaatsgevonden. Een mogelijke inslagkrater is onder het aardoppervlak via seismisch onderzoek ontdekt. Een andere mogelijkheid voor deze massa-extinctie is grote vulkanische activiteit in Siberische Trappen. De Siberische Trappen liggen nu in het huidige Oost-Siberië en is een vulkanische vlakte.
Door de opwarming van de aarde tijdens het late Trias veroorzaakte in het Jura een zeespiegelstijging. In het Jura en het daaropvolgende Krijt stond de zeespiegel zo’n 100 meter hoger dan tegenwoordig. Het CO2-gehalte lag hoger dan tegenwoordig en de ijskappen waren om die reden afwezig. Aan het einde van het Krijt was er weer een massa-extinctie. Ook toen was er ook een grote vulkanische activiteit in de Deccan Trappen (een vulkanische vlakte in het tegenwoordige West-India). Korte tijd later werd de aarde vermoedelijk geraakt door een grote meteoriet. Deze krater bevind zich onder het Mexicaanse schiereiland Yucatán. Hier is namelijk in het Krijt-sediment iridium gevonden. Dit komt zeer weinig voor op aarde, echter veel meer op hemellichamen, bijvoorbeeld op meteorieten en kometen. Het zonlicht werd grotendeels tegengehouden door een dikke stof- en aslaag. Hierdoor stierven planten af en zo kwam een eind aan de het tijdperk van de dinosaurus. Ook het zeeleven kreeg te maken met deze verandering en net zoals op het land stierven de grote zeereptielen en ammonieten uit. Alleen enkele plantensoorten, zoogdieren, vissen en vogels konden zich aanpassen aan deze grote verandering en overleefden.
Er breekt een nieuwe periode aan: het Neozoïcum. Dit bestaat uit het Tertiair en het Kwartair. Het Tertiair was een warme periode die leidde tot een stijging in de biodiversiteit en de evolutie van grotere en complexe soorten. In het Tertiair ontwikkelde zich de 1e primitieve vorm van de mens. Het Tertiair wordt gevolgd door het Kwartair. De belangrijkste periodes uit het Kwartair zijn het Pleistoceen en het Holoceen. Het pleistoceen is te herkenning aan een afwisseling van een gematigd warm klimaat (interglacialen) en perioden met een veel kouder klimaat (glacialen, ook wel ijstijden genoemd). Tijdens deze koude perioden vormden zich ook buiten de poolgebieden ijskappen op het land, met name op het Noordelijk Halfrond. Doordat veel water bevriest daalt in elk glaciaal de zeespiegel met tientallen meters. Ondiepe zeeën worden daardoor smaller en eilanden komen in verbinding met het vaste land. Door de snelle afwisseling van de glacialen en interglacialen vonden er grote veranderingen plaats in de flora en fauna. Dit betekende voor veel plant- en diersoorten uitsterving, maar door evolutie ontstonden ook veel nieuwe soorten, waaronder de eerste mensachtigen. Tijdens het Pleistoceen zijn er ongeveer 50 perioden geweest. In de glacialen breidden gletsjers zich uit. In ongeveer 7-10 glacialen (het precieze aantal is niet bekend) daalde de temperatuur zo sterk en langdurig dat op het Noordelijk halfrond een honderden tot kilometers dikke ijslaag ontstond gedurende soms tienduizenden jaren. Deze ijskappen breidden zich uit over grote delen van Noord-Amerika en Eurazië. De maximale uitbreiding van het landijs was meestal vlak voor het einde van ieder glaciaal. De afloop van elk glaciaal wordt gekenmerkt door een zeer snelle stijging van de temperatuur waardoor het landijs snel smelt en de zeespiegel ook snel stijgt. Het punt halverwege het minimum en maximum van deze snelle temperatuursstijging beschouwt men als het eind van de glaciale periode en het moment waarop deze overgaat in een interglaciaal. Na het Pleistoceen volgt het Holoceen, daarin leven wij tegenwoordig. Dit tijdperk is begonnen na de laatste ijstijd. Wij leven dus in een interglaciaal. Op de volgende pagina staat een tabel met de indeling van het Kwartair (glacialen, interglacialen).

Klimaatverandering in het geologische verleden
De drift van continenten wordt als één van de oorzaken gezien voor grote, ingrijpende klimaatveranderingen in het geologische verleden. Toen alle continenten aan elkaar lagen (zie plaatje linksboven), Pangaea genoemd, tijdens het Perm, heerste er een landklimaat. Dat betekent een extreme droge periode. De aarde is verdeeld in tektonische platen. Deze platen drijven op vloeibaar gesteente, ook wel magma genoemd. De platen verschuiven langzaam door magmastromen (convectiestromen). De continenten verschuiven tegenwoordig ook, maar merk je niet omdat ze zo ontzettend langzaam verschuiven. Hierdoor lag Europa bijvoorbeeld in het Carboon op de evenaar en had het een tropisch klimaat en werd er veel steenkool gevormd.

Klimaatverandering in het recente verleden
Na de Middeleeuwen daalde de gemiddelde temperatuur op aarde. Dit wordt ook wel de kleine ijstijd genoemd. De winters waren langer en kouder, de zomers korter en kouder. Gletsjers groeiden. Men denkt dat dit geen eenmalig verschijnsel is. Uit metingen uit Groenland is gebleken dat er na de laatste ijstijd (glaciaal) er verschillende kortere perioden van klimaatsverschillen zijn geweest. De zogeheten kleine ijstijd zou een verschijnsel zijn dat zich regelmatig herhaalt om de 1475 jaar. Dit heet de Dansgaard-Oeschger cycli.
De kleine ijstijd zag er volgens schilder Hendrick Avarcamp zo uit.

Hoofdstuk 3: Andere oorzaken van klimaatveranderingen
Er zijn verschillende oorzaken voor klimaatveranderingen. Variaties in de zonneactiviteit, veranderingen is de golfstromen. En natuurlijk het veranderen van de samenstelling van de atmosfeer. Hieronder wordt voor een deel uitgelegd hoe dit is zijn werk gaat.
De zonneactiviteit wordt ook wel de Milanckovitch theorie genoemd. Deze wiskundige en klimaatdeskundige heeft het verband van zonneactiviteit en klimaatveranderingen onderzocht. Hij heeft drie cyclische veranderingen ontdekt. Door deze cycli is de straling op de aarde niet op elk plaats en tijd gelijk.

De rekcylcus (excentriciteit)

De baan van de aarde om de zon is niet helemaal rond maar heeft de vorm van een ellips. De vorm van de ellips verandert van vorm in een cyclus van 100.000 jaar van bijna rond naar een grote ellips. Als de baan bijna helemaal rond is, is de aarde op elk moment even ver van de zon af. Dus de afstand aarde zon is dan altijd even groot. Als de baan echt de vorm van een ellips heeft dan is de afstand zon aarde steeds verschillend (zie plaatje). De ene helft van het jaar staat de aarde ver van de zon de andere helft juist veel dichterbij. De hoeveelheid straling die de aarde bereikt is onder andere afhankelijk van de afstand zon aarde. Hoe verder de aarde van de zon afstaat hoe minder straling de aarde ontvangt. Als de baan van de aarde om de zon cirkelvormig is de straling die de aarde ontvangt dus ongeveer op elk moment gelijk. Maar als de baan de vorm heeft van een ellips is de straling niet het gehele jaar hetzelfde. Dit verschijnsel veroorzaakt extremere seizoenen. Tegenwoordig volgt de aarde de rechtbaan van het plaatje, wat betekent dat wij koele zomers hebben en matige winters hebben. Vroeger was de baan minder cirkelvormig, maar ook niet als de ellips (zoals het linker plaatje). De vorm van de baan zat er tussenin (koudere winters en warmere zomers dan nu, maar ook niet extreem koud en warm).

De hoekcyclus (obliquiteit)

De gemiddelde hoek van de aardas is 23 graden. Het woord gemiddeld zegt het al, deze hoek is niet altijd hetzelfde. Hij verandert met een cyclus van 41000 jaar. De kleinste hoek die de aardas maakt is 21.5 graden. De grootste hoek is 24.5 graden. De hoek van de aardas veroorzaakt de seizoenen. Als de hoek groot is, dan is het verschil tussen de seizoenen groter, dus koude winters en warme zomers. Is de hoek van de aardas echter klein, dan zijn de verschillen tussen de seizoenen minder groot. Het plaatje hiernaast verduidelijkt dit.

De slingercyclus (precession)

De kortste cyclus die te maken heeft met klimaatveranderingen is de presessie cyclus. De richting van de aardas verandert niet alleen door de verandering van de hoek, maar de aardas maakt ook een draaiende beweging, zoals een scheefhangende tol. Tegenwoordig staat de aardas op her noordelijk halfrond in de richting van de poolster. Hierdoor lijkt het of deze ster stilstaat. Maar als de richting van de aardas verandert merk je dat de ster helemaal niet stilstaat. De aardas beweegt in een cirkelvormige beweging. De aarde lijkt dan net een scheefhangende tol die door het heelal beweegt. De slingerperiode duurt ongeveer 23000 jaar en is dus het kortst van de drie cycli. De richting van de aardas ten opzichte van de zon veroorzaakt de seizoenen: in de zomer wijst de aardas richting de zon en in de winter ervan af. Door precessie verandert de richting van de aardas. Hierdoor is het op een ander moment winter en zomer. Zoals al is verteld versterkt de elliptische vorm van de baan van de aarde om de zon de seizoenen.

Veranderingen in de Golfstroom
Het klimaat op aarde is ook voor een groot deel afhankelijk van de golfstromen van de oceanen. Europa wordt opgewarmd door de warme stroom die langs Afrika naar Europa stroomt. Dus als de Golfstroom wordt onderbroken of wordt stopgezet koelt Europa sterk af. Het zelfde principe geld ook voor de andere werelddelen. Er kan dus een klimaatverandering ontstaan als de circulatie van de oceanen verandert. Dit kan ontstaan door bijvoorbeeld het broeikaseffect. Het is echter nooit de hoofdoorzaak van een klimaatverandering want de circulatie is geen periodiek verschijnsel. Het kan dus alleen een klimaatverandering versterken, dit worden ook wel klimaatversterkende factoren genoemd. Op het kaartje zie je de warme en koude Golfstroom.

Hoofdstuk 4: Onderzoeksmethoden van het klimaat
De studie van het klimaat met behulp van gegevens die in de bodem van de aarde zijn opgeslagen heet paleoklimatologie. Klimaatgegevens kunnen uit veel verschillende soorten materiaal gehaald worden en er is daarom ook een groot aantal onderzoeksmethoden. Al sinds lange tijd worden fossielen gebruikt om klimaatgegevens uit af te leiden. Hierbij wordt uitgegaan van het actualiteitsprincipe. Dat houdt in dat de aardse geschiedenis verklaard kan worden met dezelfde geologische processen als die wij tegenwoordig waarnemen. Dat betekent dat de processen altijd hetzelfde blijven, maar niet altijd met dezelfde grote van kracht optreden. Een nadeel van dit actualiteitsprincipe is dat sommige kenmerken wel veranderen in de loop der tijd door bijvoorbeeld evolutie. Dit actualiteitsprincipe heeft wel meer nadelen, maar het is het enige houvast om conclusies te trekken uit gevonden fossielen. Aangezien de kenmerken volgens deze theorie in de loop der tijd gelijk blijven, leidt men af, uit bijvoorbeeld een gevonden fossiel van een palmboomachtige plant dat er een tropisch klimaat geweest had moeten zijn omdat palmbomen alleen ook nu in tropische gebieden groeien.
Een andere veel gebruikte methode is de bestudering van seizoensgelaagdheden in sediment, ijsafzettingen, organische materialen zoals hout (jaarringen, groeiringen in koralen). Aangroei moet natuurlijk niet het hele jaar hetzelfde zijn maar er moet variatie zijn te ontdekken tussen de seizoenen. Ook is vanzelfsprekend het soort materiaal van belang. Een boom zal in de zomer snel groeien en in de winter niet of heel langzaam. Maar bijvoorbeeld bij kiezelwieren is het net andersom. Het klimaat kan worden bepaald door het opmeten van de dikteverschillen tussen de laagjes en door bepaling van de chemische en fysische verschillen tussen de laagjes. Ook door de variatie tussen warme en koude soorten procentueel te berekenen kan men een beeld krijgen van de wisseling van het seizoen. Bronnen met dit soort gegevens noemt men ook wel proxies. De betrouwbaarheid van deze proxies kan worden getest als er van dezelfde periode ook gegevens van het weer en de temperatuur zijn. In de 20e eeuw is er veel onderzoek gedaan naar klimaatproxies. Met name naar isotopen. Op Antarctica en Groenland doet men onderzoek naar isotopen in ijskernen en landijskappen, hierdoor heeft men veel kennis vergaard over de klimaatsontwikkeling van laatste miljoenen jaren. De informatie uit de proxies wordt gebruikt om klimaatsmodellen op te stellen. Hiermee probeert men na te gaan of de klimaatveranderingen in het Holoceen, met name de in de laatste 100 jaar, een natuurlijke oorzaak hebben of door de mens is veroorzaakt. Op het plaatje hiernaast is het resultaat te zien van een boring in Noordwijk. Van deze boring is een klimaatsgroepering gemaakt. Hieruit is af te leiden dat in het Pretiglien, een subtijdperk in het kwartair, een koude en een warme periode is geweest.

Hoofdstuk 5: CO2 opslag in de grond
Er wordt momenteel door de NAM een onderzoek gedaan naar CO2 opslag in de grond. Het broeikasgas CO2 wordt afgevangen en onder de grond opgeslagen. Het gaat als volgt is zijn werk.
Als eerste moet natuurlijk CO2 uit de stof worden gehaald. Een manier daarvoor is het filtreren van de rookgassen. Dit is echter geen ideale methode. Het kost namelijk heel veel energie. Een tweede en veelbelovende manier is het ontkolen van fossiele brandstoffen. Later wordt dit proces uitgebreid beschreven. Als je eenmaal de CO2 hebt afgevangen wordt het onder druk gezet zodat het volume kleiner wordt. De CO2 wordt niet zomaar op elke willekeurige plaats in de grond gepompt. Het wordt in lege gasvelden, olievelden watervoerende lagen of kolenvelden gepompt. Er zit maar één gat in. Dit is natuurlijk het boorgat. De CO2 kan dus maar door één plaats naar binnen of naar buiten. Het wordt door de boorput is het gasveld gepompt. De boorput wordt luchtdicht afgesloten en de CO2 ligt opgeslagen. De volgende tekening verduidelijkt dit.
De CO2 wordt in de centrale opgevangen en via de pijpleidingen in de lege velden gepompt. Deze centrale staat op een zeer gunstig punt. Er is een kolenveld en een gasveld in de buurt. Bovendien ligt hij aan zee. Dit maakt ook opslag van CO2 in zee mogelijk. Dit is nu nog in de onderzoeksfase.
Niet alle lagen van de aarde zijn er geschikt voor. Sommige soorten reageren met CO2. De zandlaag is het geschiktste om CO2 in op te slaan. De laag reageert met bijna geen enkele stof. Kalklagen zijn zeer ongeschikt. Kalk reageert heftig met CO2. Dit hebben we al in klas twee aangetoond met een proefje. Kalkwater met de CO2 uit je adem veranderde van kleur.

Hoofdstuk 6: CO2-opslag Barendrecht

Huidige situatie
De maatschappelijke beleving en beoordeling van CO2 heeft een belangrijke ontwikkeling doorgemaakt. De stijgende CO¬2 concentraties in de atmosfeer en de koppeling met temperatuur en het risico van versnelde zeespiegelstijging hebben mondiaal geleid tot beleid en maatregelen om de uitstoot te beperken. Mede hierdoor is een project tot stand gekomen dat het pure CO2, dat op de raffinaderij van Shell Pernis vrijkomt en wordt uitgestoten naar de atmosfeer, af te vangen en nuttig toe te passen in de glastuinbouw of frisdrankindustrie. Het betreft CO2 dat afkomstig is van de vergassingsunit op de Shell raffinaderij in Pernis (het SGHP proces). Deze unit produceert jaarlijks ongeveer 1 miljoen ton zuivere CO2. Dit vormt circa 20% van de totale CO2 emissie van Shell Pernis.
Het afgevangen CO2 wordt geleverd aan het bedrijf OCAP (Organic Carbondioxide for Assimilation of Plants). OCAP is een apart CO2 distributiebedrijf dat het compressorstation en het afnemersnetwerk beheert. In de huidige situatie levert OCAP aan twee groepen gebruikers, de glastuinbouw in het Westland en de frisdrankindustrie. Een nadeel van deze levering is dat het sterke seizoenschommelingen heeft, doordat de vraag wordt bepaald door groeiperioden (dag-nacht en zomer-winter cyclus van de gekweekte gewassen) en consumptiegedrag, terwijl het aanbod veel constanter is. Bij een maximale vraag kan de gehele CO2-productie worden hergebruikt. In andere perioden is de vraag gereduceerd tot vrijwel nul. Het gevolg hiervan is dat momenteel zonder CO2-opslag een aanzienlijke hoeveelheid CO2 alsnog moet worden afgegeven aan de atmosfeer. Om dit in de toekomst te voorkomen wordt momenteel gewerkt aan een ondergrondse CO2 opslag in Barendrecht, waar in periodes van geringe afname door OCAP klanten het geproduceerde CO2 kan worden opgeslagen in een leeggeproduceerd gasreservoir.
Locatiekeuze
De locatie Barendrecht ligt binnen de gemeente Barendrecht en maakt onderdeel uit van het bedrijventerrein Vaanpark, gesitueerd naast de A29. De woningbouwlocatie Carnisselande ligt ten westen van de locatie, met de dichtstbijzijnde woningen op ongeveer 250 meter van de locatierand. De locatie bestaat uit een puttenterrein waar momenteel (2008) nog steeds aardgas wordt gewonnen en een naastgelegen gasbehandelingsinstallatie. Deze laatste ontvangt ook gas van andere velden in de omgeving. De locatie Barendrecht-Ziedewij ligt ten oosten van Barendrecht, eveneens binnen de gemeente Barendrecht, en op ongeveer 175 meter van de rondweg die de zuidelijke begrenzing vormt van de bebouwde kom van Barendrecht. De dichtstbijzijnde woonbebouwing is gelegen op een afstand van ongeveer 200 meter. Barendrecht-Ziedewij bestaat uit een puttenterrein zonder behandelingsinstallatie en is voor het overige omgeven door landbouwgronden. Op ongeveer 500 meter in zuidelijke richting bevindt zich een recreatiegebied, met daarbinnen een kampeerterrein.
De keuze voor Barendrecht (fase 1 van het project) is tot stand gekomen door de volgende omstandigheden:
 Op de locatie Barendrecht is een put beschikbaar, die is aangesloten op een klein, grotendeels leeggeproduceerd gasreservoir;
 De locatie Barendrecht, niet ver van de raffinaderij van Shell Pernis, ligt aan een bestaand tracé van pijpleidingen en leidingstraten;
 De locatie ligt niet te ver van de locatie Barendrecht-Ziedewij met een gasveld dat in de nabije toekomst is uitgeproduceerd;
 In beide velden is een beperkt aantal putten die allen nog toegankelijk zijn;
 Dit leidt tot een korte doorlooptijd van het project CO2-opslag, zodat binnen realistische tijd resultaat behaald kan worden.
Het belang van de nabijgelegen locatie Barendrecht-Ziedewij (fase 2 van het project) is hierin gelegen dat:
 De investering in infrastructuur voor de eerste fase optimaal kan worden gebruikt;
 Alle lering kan worden meegenomen in de tweede fase;
 Ook ervaring kan worden opgedaan in het verplaatsen van de bovengrondse CO2-installaties.
De haalbaarheid van de locatie Barendrecht wordt vergroot door:
 De beschikbare opslagcapaciteit. Het leeg raken van gasvelden en dus de beschikbaarheid van economisch waardevolle installaties, reservoirkennis gekoppeld aan het jarenlange productieprofiel van de specifieke velden en de beschikbaarheid van de ondergrondse opslagcapaciteit;
 De beschikbare infrastructuur om puur CO2 te kunnen leveren door aan te sluiten aan de reeds ontwikkelde afvanginstallatie te Pernis en het distributienetwerk van OCAP.
Om dit project elders uit te voeren, is een zelfde soort locatie dus van belang.
Schematisch Proces
Het CO2 is afkomstig uit een waterstoffabriek op de Shell raffinaderij in Pernis en heeft dan ongeveer atmosferisch druk (p0 ≈ 1 • 105 Pascal). De gasstroom bestaat uit vrijwel zuiver CO2 (minimaal 99%) en is daarbij droog. Dit is van belang, omdat anders de volgende (evenwichts)reacties zouden kunnen optreden:
«CO2 (g) + H2O (l)  CO32- (aq) + H3O+ (aq)« HCO3- (aq) + H3O+ (aq) «H2CO3 (l)
Hierbij wordt een vrij sterk zuur gevormd (H2CO3; pKz = 6,35), dat stalen onderdelen aantast, zoals de pijpleidingen en compressors.
Onder normale (open) omstandigheden zou H2CO3 dissociëren in CO2 en H2O, waarbij CO2 ontsnapt, maar in de afgesloten omgeving van de pijpleiding zal dit niet gebeuren.
De druk van het CO2 wordt eerst verhoogd in het bestaande compressorstation naar de OCAP pijplijndruk van ongeveer 20 bar. Er moet namelijk een drukverschil zijn om het door de leidingen te pompen. Klanten van dit systeem zijn de glastuinbouw en de frisdrankindustrie. Daarna wordt de druk eerst verder verhoogd tot de benodigde druk in de transportpijpleiding (ongeveer 40 bar). Afhankelijk van de druk en temperatuur is het CO2 namelijk gasvormig of vloeibaar. Bij het ontwerp en de bepaling van de benodigde druk is het van belang een faseovergang tijdens het transport te voorkomen. De pijpleiding bevindt zich in de ondiepe ondergrond, gemiddeld tussen +5 en +30°C. Onder deze omstandigheden is de hoogste druk waarbij CO2 niet meer condenseert (vloeibaar wordt) 40 bar (1 bar is ongeveer 1 • 105 Pascal). Vandaar de keuze van de operationele druk in de transportpijplijn van 40 bar.
Vervolgens wordt de druk verder verhoogd tot de injectiedruk om CO2 injectie in het reservoir mogelijk te maken. De onderstaande figuur toont schematisch dit proces, waarbij er zowel nabij de raffinaderij als bij de injectielocatie compressie plaats vindt van het CO2.
Bij opslag van CO2 zal de druk in het reservoir geleidelijk toenemen tot maximaal de initiële druk (dit is de druk in het reservoir voordat de gaswinning was gestart). Zodra in de loop van het project de druk in de reservoirs toeneemt, neemt eveneens de injectiedruk toe. Hiermee moet rekening worden gehouden bij het bepalen van de benodigde compressiecapaciteit.

De reservoirs
Leeggeproduceerd reservoir
Gaswinning vindt plaats uit structuren diep in de ondergrond, waarbij het gas zich bevindt in de poriën van zandsteen. Dit gesteente kan verdeeld zijn in blokken, gescheiden door breuken. Sommige blokken hebben een verbinding en sommige staan op zichzelf. Voor de winning van het gas worden die blokken aangeboord, zodat het gas kan worden gewonnen. Op een gegeven moment is de druk zover gedaald dat verdere winning niet meer economisch haalbaar is. Als alle blokken zijn uitgeproduceerd wordt het veld verlaten. De putten worden dan hermetisch afgesloten met cement en de bovengrondse installatie wordt compleet verwijderd. De mogelijkheid die zich nu voordoet, is om in een dergelijk leeggeproduceerd reservoir CO2 op te slaan voordat het veld verlaten wordt. Twee geschikte velden hiervoor zijn gevonden nabij Barendrecht, wat ook niet al te ver verwijderd is van een bron van zuivere CO2 in Pernis.

Gas- en olievelden in de buurt van Barendrecht
De reservoirstructuur van het Barendrechtveld bevindt zich op ongeveer 1700 meter diepte (zie illustratie hieronder). Delfstoffen zijn in een viertal gas- en oliehoudende zandsteenformaties aangetroffen; in de zogeheten Holland Greensand-, De Lier-, IJsselmonde- en Delfland Formaties. In onderstaande figuur wordt een schematische doorsnede gegeven van dit veld. Daarbij is het gashoudende deel groen aangegeven en de olielagen rood. Het veld is aangeboord en er werd geproduceerd door een tweetal putten. De putten hebben een klein deel van het gas in de IJsselmondeformatie geproduceerd totdat reservoirwater in de putten is gekomen. Het gas in de De Lier-formatie is nagenoeg leeggeproduceerd en deze laag zal voor gasopslag gebruikt worden. De Holland Greensand (gas en olie) en Delflandformatie (olie) zijn te klein voor verdere ontwikkeling en zijn derhalve ook ongeschikt voor CO2 opslag. Voor opslag zal alleen de De Lier-formatie worden gebruikt met een geschatte opslagcapaciteit van 0,8 miljoen ton CO2.

Een ander veld in de buurt is het Barendrecht-Ziedewij veld. De gashoudende formaties bevinden zich in het zogeheten ‘Bunter’ Formatie (afgezette woestijnzanden) op ongeveer 2500 meter diepte. Het veld is gesplitst in verschillende blokken, ook wel compartimenten genoemd. De diepere blokken staan nauwelijks of niet met elkaar in verbinding. Het hoofdblok beslaat circa 90% van het veld en is in de loop der jaren bijna leeggeproduceerd. Het hoofdblok zal voor CO2-opslag worden gebruikt, in tegenstelling tot de kleinere afgescheiden blokken die niet gebruikt zullen worden voor CO2-opslag. In het veld is een aantal putten aangebracht die naar verwachting in 2014 uitgeproduceerd zijn en aansluitend gebruikt kunnen worden voor de injectie en monitoring van CO2. De geschatte opslagcapaciteit van dit veld is 9,2 miljoen ton CO2. Met deze informatie kun je het opslagvolume van dit veld uitrekenen. Met andere woorden, hoeveel CO2 er in zo’n veld past. Dit doe je met de volgende formule:
, dus
De dichtheid van CO2 bij atmosferische druk = 1,986 kg/m3. Dus
De massa van CO2 die in deze put past = 9,2 • 109 kg.

De hierboven uitgerekende waarde is bij atmosferische druk. De druk in de put is echter hoger. We hebben de precieze druk in het veld niet kunnen vinden, maar uit de diepte van het veld leiden we af, dat deze ongeveer de volgende waarde zal hebben:

De planning
De CO2 opslag in de Barendrecht en Barendrecht-Ziedewij maakt deel uit van een demonstratieproject om aan te tonen dat CO2 veilig opgeslagen kan worden in ondergrondse reservoirs. De planning hiervan is als in de figuur hieronder weergegeven (MER = Milieu Effect Rapport). De activiteiten in fase 1 hebben betrekking op injectie in het Barendrecht veld en de activiteiten in fase 2 hebben betrekking op de injectiefase in Barendrecht-Ziedewij. De ervaringen opgedaan gedurende fase 1 zullen worden gebruikt bij de uitwerking voor de veel langere injectieperiode in fase 2. Zoals uit het overzicht te zien is wordt de start van de injectie verwacht tijdens de 2e helft van 2010.

Hoofdstuk 7: Mogelijke milieueffecten van CO2 opslag Barendrecht
Voor mogelijke effecten kan je verschillende aspecten bekijken, zoals:
 Diepe ondergrond
 Water, bodem, ecologie, archeologie en landschap/geomorfologie
 Geluid, externe veiligheid, luchtemissies en licht
 Afvalstoffen, verkeer en vervoer, energiegebruik (CO2 balans)
De manier waarop individuele risico’s ingeschat worden is door het ontwikkelen van samenhangende risicoscenario’s.
Integriteit van de ondergrondse opslag
Het uitgangspunt van dit project is dat het geïnjecteerde CO2 volledig afgesloten opgeslagen blijft onder de grond. Daarom heeft men een groot aantal mogelijkheden bedacht en bekeken over hoe het CO2 eventueel zou kunnen ontsnappen. Van elke van deze mogelijkheden is het effect en het risico bepaald. Voor migratiescenario’s (ontsnappingsmogelijkheden van het CO2) waarvan het risico te hoog is (blijkend uit een studie), worden maatregelen genomen om dit risico te verkleinen. Zie het plaatje hieronder voor de visuele toelichting en de mogelijke migratiescenario’s. De illustratie is gebaseerd op de bevindingen in de AMESCO studie. In de illustratie zijn de routes van migratie als gearceerde pijlen aangegeven. De pijlen geven overigens geen indicatie van de snelheid en waarschijnlijkheid van de migratieprocessen. In het rood zijn mogelijk bodembewegingen aangeduid.

Migratie via de ‘caprock’ (1) of breuken (3)
De reservoirs worden aan de bovenzijde afgesloten door afsluitende bodemlagen (de zogeheten ‘caprock’) en aan de flanken door afsluitende breuken. Onderzocht is of de CO2 langzaam door de caprock heen kan dringen en zo in de daarboven liggende laag terechtkomen. De uitkomst hiervan is, dat het wel mogelijk is, maar dat dit een buitengewoon traag mechanisme is (vele miljoenen jaren). Bij lekkage via breuken is het gesteente verschoven ten opzichte van elkaar en sluit daarom mogelijk niet helemaal goed meer aan. Daardoor zou er een kleine opening kunnen zijn waarlangs de CO2 kan migreren. Allereerst heeft in dit reservoir voor miljoenen jaren methaangas gezeten, waardoor er goede indicaties zijn dat de structuur over langere tijd goed heeft gefunctioneerd. Via berekeningen kan worden aangetoond dat bewegingen langs breukvlakken onwaarschijnlijk zijn, zolang de injectiedruk lager blijft dan de initiële druk in het reservoir (ongepubliceerde berekeningen; via persoonlijke communicatie verkregen).
Migratie via het ‘spillpoint’ (2)
Een reservoir heeft in voorkomende gevallen aan de flanken punten waar stoffen die lichter zijn dan water de structuur in en uit kunnen stromen, de zogeheten ‘spillpoints’. Het geïnjecteerde CO2 zal, al dan niet in vloeibare fase, niet uit het reservoir treden indien de oorspronkelijke reservoirdruk niet wordt overschreden.
Migratie via de putten (4)
Het scenario met relatief het hoogste risico van lekkage is een migratiepad via de putten. De inrichting van de put in termen van het gebruikte materiaal en de afdichting middels cement en andere middelen vormen de belangrijkste barrière om een geleidelijke of plotselinge migratie te voorkomen. Dit risico van lekkage kan dus door het ontwerp van het afdichtingsmechanisme significant beïnvloed worden.
Reacties van CO2 in de biosfeer en diepe ondergrond
De biosfeer is het gedeelte van de aarde waar leven mogelijk is. Dit bestaat uit de lucht, het water en de ondergrond. In de vaste aardbodem is de biosfeer, met uitzondering van bacteriën, enkele meters diep. Over het algemeen wordt de bodem tot circa 100 m diepte meegenomen om mogelijke effecten op het grondwater zichtbaar te maken. Maar omdat bij het Barendrecht CO2 project hier effecten zouden kunnen optreden, die uiteindelijk invloed hebben op de biosfeer, wordt hier toch aandacht aan besteed.
Reacties in de diepe ondergrond
CO2 wordt opgeslagen in zandsteenformaties op grote diepte. Daar zal het vanuit de injectieput het reservoir in stromen. Tijdens de injectie en na verloop van tijd kunnen er reacties optreden tussen het CO2, de injectieput en het reservoir.
Samenstelling van het CO2
Het te injecteren CO2 vanaf de bron kent een constante en bekende kwaliteit en dient mede vanwege levering aan de tuinders en (frisdrank)industrie, aan strikte leveringsvereisten te blijven voldoen. Het CO2 is minimaal 99% puur. De onzuiverheden bestaan voornamelijk uit water en zeer geringe hoeveelheden SOx, NOx en H2S. Deze stoffen worden al gemeten in verband met de levering aan de kassen.
Reacties met de injectieputten
De integriteit van de aanwezige putten tijdens en na de injectie wordt beoordeeld op een aantal parameters, zoals de inwendige diameter van de put en de integriteit van het aanwezige cement rondom de put. Beoordeeld worden de mogelijk corrosieve werking van CO2 opgelost in aanwezig water rondom de putten, de degradatie van de reeds aanwezige en nog aan te brengen afsluitingen van de putten.
Reacties in het reservoir
Wanneer CO2 wordt geïnjecteerd in een reservoir zal een klein gedeelte, afhankelijk van de heersende druk, oplossen in de waterfase. Of er inderdaad reacties met de reservoirgesteenten en het aanwezige water optreden hangt onder meer af van de aanwezige gesteenten en stoffen, de heersende druk, de zuurgraad en andere thermodynamische processen. Ook kan de druk in het reservoir op zeer lange termijn relatief iets toenemen door een menging van het CO2 met het nog aanwezige aardgas. Door middel van een studie naar deze chemische en fysische reacties zullen de effecten en eventuele afzwakkende maatregelen voor de injectiviteit, druk en de afsluitende capaciteiten van de reservoirs inzichtelijk worden gemaakt.
Eén van de reacties die zou kunnen optreden is die van veldspaat (K,Na)AlSi3O¬8 met CO2 en water, waarbij veldspaat zou kunnen oplossen en elders neerslaan. Dit is een reactie die op middellange termijn (tientallen jaren) zou kunnen optreden. Dit zou tot een kleine bodemdaling kunnen leiden.
Effecten op de afsluitende capaciteiten
Het feit dat de beoogde reservoirs al miljoenen jaren aardgas hebben bevat is een belangrijk uitgangspunt bij de beoordeling van de effecten. De afwijkende omstandigheden van CO2-opslag worden onderzocht om de afsluitende capaciteiten te blijven behouden.
Migratie in geval van lekkage
In het geval van een lekkage, anders dan direct via de put, kan het CO2 richting de oppervlakte en naburige formaties migreren. Daarbij zal het al dan niet watervoerende lagen (aquifers) tegenkomen die het migratietempo bepalen of waarin het CO2 accumuleert dan wel reageert.
De biosfeer
De effecten in de biosfeer worden per schakel in de CCS-keten beschreven, namelijk de afvang en de compressie, het transport per pijpleiding, de compressie op de injectielocatie en de opslag in diepe ondergrond.
Afvang en compressie
Er wordt aangesloten op een bestaand afvangsysteem, waarbij geen vernieuwde effecten worden veroorzaakt. Ter plaatse van de afvang en compressie in Pernis wordt rekening gehouden met de plaatsing van aanvullende compressoren. Dit leidt tot meer grondgebruik (meer verhard oppervlak) en extra geluidsoverlast. De compressie vraagt extra energie en water voor de koeling.
Transport per pijpleiding
De aanleg van de transportleiding vindt voornamelijk plaats langs bestaande leidingstraten. Het zal een ondergrondse pijpleiding zijn, waardoor vooral mogelijke effecten in de aanlegfase van belang zijn. De vergraven bodem zal worden terug geplaatst. Door grondwaterstandverlaging langs het tracé tijdens de aanleg kan tijdelijk een negatief effect optreden op de ecologie (vergravingsschade). Voor de gebruiksfase wordt het mogelijke risico voor wat betreft de externe veiligheid (het ontsnappen van CO2 uit de leiding) voor de omgeving in kaart gebracht.
Daarnaast wordt mogelijk een archeologisch gevoelig gebied gekruist. Buisleidingenstraat Nederland heeft aangegeven dat hiervoor nog archeologisch onderzoek moet worden uitgevoerd.
Injectielocaties
Bodembeweging
Bodembeweging is een verzamelnaam voor stijging en daling of trilling van de bodem. De bodembeweging als gevolg van CO2-opslag wordt gemodelleerd voor aanvang van het project, gedurende de opslag en wordt tevens gemeten na beëindiging van het project. De opslag kan potentieel resulteren in een geringe stijging van de bodem (hooguit een paar centimeter), waarmee een deel van de daling als gevolg van de eerdere gaswinning wordt opgeheven. Gelet op het soort gesteente en het historisch gedrag van de reservoirs is het te weeg brengen van trillingen in de bodem (lichte aardbevingen) niet aannemelijk.
Bodem en grondwater
Zowel Barendrecht als Barendrecht-Ziedewij zijn bestaande locaties, die zijn ingericht met maatregelen ter bescherming van grond en grondwater tegen verontreinigingen. Deze bescherming wordt tijdens de injectiefase gehandhaafd.
Oppervlaktewater
Tijdens normale operaties zal de belasting van het omringende oppervlaktewater uitsluitend bestaan uit regenwater vanaf de locatie. Tijdens de aanlegfase en het onderhoud wordt de afvoer naar het oppervlaktewater afgesloten zodat geen verontreinigingen kunnen afstromen. Dit is ook de praktijk bij werkzaamheden aan gasproductie-installaties.
Ecologie (natuur)
De effecten op flora en fauna zullen in beeld worden gebracht. De effecten zullen waarschijnlijk beperkt zijn door het gebruik van de bestaande infrastructuur (leidingstraten, bestaande gasvelden) en het kiezen van geschikte constructieperioden.
De huidige ecologische waarden worden in beeld gebracht. De mogelijke verstoring (bijvoorbeeld door geluid), vernietiging (bijvoorbeeld door vergraving) en versnippering ten gevolge van de uitvoering van het project worden inzichtelijk gemaakt, met daarbij mogelijke verzachtende maatregelen.
CO2-balans (luchtkwaliteit en energie)
Grootschalige, mondiale opslag van CO2 zal van invloed moeten zijn op de totale CO2-balans in de biosfeer en atmosfeer. Naast de gunstige invloed door een absolute afname van concentraties in de lucht, gebruikt het opslagproject zelf ook een hoeveelheid energie, die tevens uit te drukken is in CO2-uitstoot. Wij hebben niet kunnen achterhalen wat de totale CO2-balans zal zijn. De invloed van dit project op de lokale luchtkwaliteit, zowel wat betreft CO2 als andere stoffen tijdens met name de constructiefase, wordt als uiterst gering geschat. Tijdens de opslagfase zal er geen zuiver CO2 meer uitgestoten worden uit de raffinaderij in Pernis.
Geluid en licht
Tijdens de aanleg, het opereren en het sluiting van de opslag zal er sprake zijn van (tijdelijke) verstoring en hinder door geluid en licht. De belangrijkste geluidsbronnen zullen de verkeersbewegingen zijn en de compressor voor de injectie. De omvang en hinder zal in de operationele fase naar verwachting vergelijkbaar zijn aan de bestaande gaswinning.
Veiligheid en gezondheid
Als kenmerken van CO2 geldt dat het niet brandbaar, explosief of giftig is. Hierdoor zijn de risico’s van CO2 minder dan bij aardgasproductie (CH4). CO2 is wel zwaarder dan zuurstof en reukloos. In een afgesloten ruimte kan het hierdoor zuurstof verdringen. Voor de bestaande gaswinning zijn de mogelijke effecten en de beheersmaatregelen ten aanzien van de veiligheid en gezondheid van de eigen medewerkers en de omgeving reeds in beeld gebracht. Deze risicobeoordeling en -beheersing zal tevens uitgevoerd worden voor de voorgenomen injectieactiviteiten in zowel normale als ongewone situaties.

Conclusie/Discussie
Er kan een enorme hoeveelheid CO2 opgeslagen worden in een oud gasveld. Om een idee te krijgen van het relatieve belang hiervan hebben we de volgende redenering: voor een ideaal gas geldt dat het molair volume gelijk is onder gelijke omstandigheden van temperatuur en druk. Verder geldt dat voor elke mol methaan die verbrandt wordt, er ook één mol  CO2 + 2 H2O). Dus is de opslagcapaciteit in®CO2 ontstaat (CH4 + 2 O2  leeggeproduceerde gasvelden in principe precies groot genoeg, om de hoeveelheid vrijgekomen CO2 op te slaan. Deze redenering gaat misschien niet helemaal op, omdat het gas onder hoge temperatuur en druk opgeslagen wordt en het zich onder die omstandigheden niet meer als een ideaal gas gedraagt, maar als benadering zal het wel ongeveer kloppen. Maar we gebruiken als samenleving veel meer brandstoffen, dan alleen gas. Dus zal deze vorm van opslag slechts een beperkte bijdrage kunnen leveren aan het totale probleem van het broeikaseffect. Maar er wordt nu ook al gekeken naar andere mogelijkheden om CO2 op te slaan, zoals in watervoerende lagen in de grond.
In ons werkstuk hebben we gekeken naar de opslag van zuiver CO2 afkomstig uit één specifiek proces uit een raffinaderij in Pernis. Het is echter ook mogelijk om een zuivere CO2 stroom te krijgen uit een moderne (kolen)centrale. Dit kan met standaard energiecentrales (Postcombustion - PC), maar er zijn ook modernere centrales mogelijk, die een hogere energie-efficiëntie hebben, zoals de Precombustion (Integrated Gasification Combined Cycle – IGCC) en de modernste, de Oxyfuel Combustion. Schematische processen hiervoor zijn weergegeven in de figuur hieronder. Dit zou voor de toekomst een mogelijke optie zijn om energie op te wekken waarbij CO2 wordt afgevangen en opgeslagen.

Dit zal des te meer noodzakelijk zijn als we er als samenleving voor kiezen meer kolen te verbranden in moderne kolencentrales. Bij de verbranding van kolen komt immers meer CO2 vrij per hoeveelheid opgewekte energie. Dit heeft te maken met de verhouding C:H, die in aardgas (CH4) veel gunstiger is (1:4) dan in kolen (1:1 - 1:2).

Evaluatie
Het was best moeilijk samen te werken omdat Reinoud is blijven zitten en Jasper over is gegaan, vanwege verschillende lesuren enzovoort. Afspraken maken verliep zo nu en dan en dan een beetje stroef, maar we hebben ons er prima mee gered. Verder wordt er momenteel een zogenaamde MER (Milieu Effecten Rapport) gemaakt van het CO2 opslagproject in Barendrecht. In dit document komt nog veel meer informatie over hoe het project in zijn werk gaat en gevolgen ervan, maar dit is nog onder constructie. Dit is een van de eerste van dit type project in de wereld, dus men mist nog veel praktijkervaring.

Bronvermelding

Internet
• http://www.milieucentraal.nl/pagina?onderwerp=Broeikaseffect
• http://doclib.uhasselt.be/dspace/bitstream/1942/1045/2/debay_deborah.pdf
• http://globalwarming.berrens.nl/broeikaseffect.htm
• http://www.co2-captech.nl/files/File/Kler%20NUON%20Pre-combustion%20CO2%20capture%20in%20IGCC%20v.0.2.pdf
• http://www.knaw.nl/agenda/pdf/Lezing_Ploumen.pdf
• www.wikipedia.nl
• www.chronos.org

Boeken
• Bouwens, R.E.A. & Broens, J.B. & de Groot, P.A.M. & Kranendonk, W. & Verkerk, G. & Vogelezang, M.J. & Westra, J.J. & Wevers-Prijs, I.M. (2004) Binas. Groningen: Wolters-Noordhoff.
• Bryson, B. (4e druk 2007). Een kleine geschiedenis van bijna alles. Amsterdam/Antwerpen: Atlas.
• Heldens, H. & Steenbakkers, G. & Timmermans, G. & Zwierstra, A. (1999). Terra themaboek VWO: Domein actieve aarde. Groningen: Wolters-Noordhoff.
• Hyde, M. O. De bewegende aarde. Den Haag: Uitgeverij W. Gaade N.V.
• Luhr, J. F. (2003). Aarde. ANWB.
• Smits, G. & Waas, B. (2e druk 2000). Biologie voor jou: VWO B2 deel 1. Den Bosch: Malmberg.

Presentaties
• Presentatie NAM: Advanced shift Carbo.pdf
• Presentatie NAM: IGCC CO2 capture Holt EPRI
• Presentatie Nuon: Schoon fossiel Nederland