149

5 PRAKTIJKASPECTEN BIJ DUURZAAM BOUWEN 5.1 Winning van materialen uit afvalstromen In hoofdstuk 2 is reeds ingegaan op het ontstaan van afvalstromen en de toepassing van de restproducten. Voor de bouw is de toepassing van (vaak opgewaardeerd) bouw- en sloopafval een belangrijk aspect. De technologische aspecten van het scheiden en op-waarderen van afval zodat het geschikt gemaakt kan worden voor verdere toepassing zijn complex. Dit is het vakgebied van mijnbouwkundigen, werktuigbouwkundigen, metaal-kundigen e.d. Het scheiden van afval geschiedt in grote installaties, zoals te zien is in fig. 5.1.1. Fig. 5.1.1 Sorteren, breken, zeven: het werk van de soorteerder en de recycler. Niet elk bouw- en sloopafval mag/kan zomaar verwerkt worden. Eerst moet onderzocht worden of er geen verboden stoffen in aanwezig zijn, zoals asbest, teer e.d., zie fig. 5.1.2. (Sinds 2000 wordt teerhoudend asfalt thermisch gereinigd. Het bindmiddel wordt verbrand en de verhitte toeslagmaterialen worden direct verwerkt in nieuw asfalt).

150

Fig. 5.1.2 Wat te doen met bouw- en sloopafval? Recycling van koper In veel gevallen kunnen koperen bouwdelen, na gesloopt te zijn, direct in het productie-proces worden teruggevoerd. Het gaat daarbij zowel om afval bij de fabricage en om ko-peren leidingen, als om toepassingen van koper op daken. De problemen die zich voor-doen, liggen vooral op economisch vlak, zoals de kosten van shredderen, magneetschei-ding, eddy-current-techniek en afscheiding van lichte verontreinigingen met lucht of door drijf-zinkprocessen. Bijna altijd is een combinatie van deze technieken noodzakelijk. De meest kostbare stap is het proces waarbij metaalmengsels na verhitting tot boven het smeltpunt in fracties gescheiden worden op grond van verschillen in dichtheid. Deze pro-cessen zijn ontwikkeld als pyrometallurgische methoden. Speciale aandacht verdienen ko-peren bedradingen met kunststofomhulling. Deze kunststofmantels dienen vooraf mecha-nisch te worden verwijderd. Ook dit kan gebeuren door een combinatie van verschrotten en scheiding met windzifters of drijf-zinkinstallaties. Recycling van lood Recycling van bladlood gebeurt tegenwoordig op grote schaal. Loodschroot wordt gesmol-ten en daarna geraffineerd. Tijdens dit zuiveringsproces worden alle ongewenste bestand-delen verwijderd. Door bij bepaalde temperaturen stoffen aan het vloeibare lood toe te voegen, wordt het lood geschoond tot een zuiverheid van ten minste 99,9%. Daarna wordt er tussen 0,03 en 0,06% koper toegevoegd om de zogenoemde “kruipweerstand” van het lood te verbeteren. Door het vele uitzetten en krimpen onder invloed van weersomstan-digheden wordt het materiaal mechanisch zwaar op de proef gesteld. Het koper versterkt de verbindingen van de loodmoleculen. Na het legeren wordt het lood in blokken gegoten en vervolgens uitgewalst. De moderne walstechnieken garanderen een maximale afwijking van 5%. Een dikte van 1,5 mm mag dus minimaal 1,43 mm zijn en maximaal 1,57 mm. In de praktijk schommelt de dikte van het materiaal tussen 1,49 en 1,51 mm. Met patineerolie behandeld bladlood en gecoat bladlood vormen geen beletsel voor het recyclingsproces. De coatings, verven op waterbasis en de patineerolie, ook op waterbasis, branden er tijdens de raffinage af en hebben geen vervuiling tot gevolg. De recycling van staal en aluminium is ter sprake gekomen in §:3.3.2.

151

Overig bouw- en sloopafval De recycling van steenachtige materialen is ter sprake gekomen in §:3.3.3. De niet-steenachtige materialen in bouw- en sloopafval bedragen ongeveer 1,5 Mton per jaar. Gemengde niet-steenachtige materialen kunnen alleen worden hergebruikt door ze te scheiden in sorteerinstallaties. Voor een deel van het hout en van metalen geldt overigens dat die al bij de sloop worden verwijderd en verhandeld. Na scheiding, bewerking zoals breken, (eventueel) wassen en zeven zal het opgewaarde product aan bepaalde eisen moeten voldoen voordat het weer op de markt kan worden gebracht, zie fig. 5.1.3. Fig. 5.1.3 Ook secundaire materialen dienen aan bepaalde eisen te voldoen. Op blz. 214 wordt verder ingegaan op de primaire regelgeving "Waste Framework Directi-ve" (WDF). Deze bijlage is tentamenstof.

152

5.2 Rekenmodellen Levens Cyclus Analysen In het kader van de ontwikkeling van milieubeleidsplannen werd gesproken over het pro-ductenbeleid, over duurzaam bouwen en over de ontwikkeling van milieumaten. Aanvan-kelijk werd dit vertaald door een streven om te komen tot een rapportcijfer, waarin de in-vloed van bouwmaterialen op het milieu tot uitdrukking wordt gebracht. Hierbij werd ech-ter aan enkele belangrijke aspecten voorbijgegaan. a) De invloed van bouwmaterialen op het milieu bestaat feitelijk uit een groot aantal

onderling onafhankelijke invloeden die niet sommeerbaar zijn. b) De relevantie van de verschillende invloeden wordt bepaald door de wijze waarop

bouwmaterialen in de constructie worden verwerkt (zogenaamde bouwdeelbena-dering), alsmede van de aard van het lokaal aanwezige milieu zoals waterwinge-bied, bodembeschermingsgebied, industrieterrein, droge/natte condities, onder-gronds/bovengronds etc.

c) Niet alleen oefent het bouwwerk invloed uit op het milieu, ook het omgekeerde is het geval: oxidatie (O2), carbonatatie (CO2), vocht (H2O), koude/warmte, wind, UV-licht etc.

Men vond het van belang om bij de toepassing van materialen, producten en constructies de invloeden op het milieu te kwantificeren. Het idee is dat men dan op een meer gefun-deerde wijze een uitspraak kan doen over de geschiktheid voor een eventuele toepassing van het materiaal of verwezenlijking van de constructie met bepaalde materialen. Hiertoe is men productgegevens gaan verzamelen ten aanzien van energiebehoefte voor, en uit-stoot bij, de productieprocessen voor een groot scala aan materialen. Vervolgens kwam de vraag hoe men nu dergelijke getallen op een eenduidige wijze moest interpreteren. Hier-toe zijn in de gehele wereld softwarepakketten ontwikkeld die de analist helpen bij deze interpretatie. Men kwam tot de conclusie dat men dergelijke beschouwingen niet alleen kon doen voor de productie van het materiaal, maar dat ook gekeken moest worden naar alle stadia in de levenscyclus en de productieprocessen van dat materiaal: men spreekt nu over de Levens Cyclus Analyse LCA. De LCA techniek werd in 1969 voor het eerst toegepast door de firma Coca Cola. Hierbij ging het om een milieubelastingvergelijking van een plastic colaflesje met een colaflesje van glas. Tegen alle verwachtingen in bleek het plastic colaflesje minder milieubelastend te zijn dan het colaflesje van glas. In de jaren 70 en 80 waren er slechts enkele instituten geïnteresseerd in de LCA techniek. Eind jaren 80 kreeg de industrie langzaamaan interes-se. Het duurde vervolgens nog lange tijd voor de LCA techniek gemeengoed werd. De ontwikkelingen gingen pas echt hard in de jaren 90 met de ingebruikname van diverse op LCA gebaseerde computerprogramma’s om de al dan niet volledige milieubelasting van een product of gebouw te bepalen. De LCA is inmiddels in de bouwwereld ingeburgerd. Door het Centrum voor Milieukunde in Leiden (CML) is in 1992 de LCA methode ontwik-keld, waarmee op methodische wijze milieugerichte LCA's kunnen worden gedaan. De LCA techniek kreeg zo pas echt een vorm. In de jaren 90 zijn er hiervoor door het, op LCA ge-bied, toonaangevende Society of Environmental Toxicology and Chemistry (SETAC) richt-lijnen opgesteld en sinds 1997 zijn er internationale standaarden beschikbaar (ISO 14040 series). De essentie van de CML-methode is, dat niet producten worden beschreven en vergele-ken, maar productfuncties. Er dient op gewezen te worden hoe belangrijk de uitgangspun-ten van het ontwerp zijn voor de beantwoording van de vraag hoe energie-inhoud, emis-sies, grondstoffenverbruik e.d. van een constructie gemaakt uit verschillende bouwmateri-alen, zich onderling verhouden. Bovendien drukt de CML-methode de functie uit in een eenheid, bijvoorbeeld een 50-jarige gebruiksperiode van een kozijn.

153

Opgemerkt dient te worden dat de CML-methode niet alleen geschikt is om de levenscy-clus van een geheel product na te gaan (zie fig. 5.2.1), maar ook om delen ervan of be-paalde processen binnen het geheel te beschouwen. In deze gevallen hoeven niet alle (deel)stappen doorlopen te worden. In de komende 10 tot 15 jaar zal de LCA techniek zich verder ontwikkelen en wordt het waarschijnlijk mogelijk om een tekenprogramma, als bijvoorbeeld AutoCad, te koppelen aan een LCA database, waardoor het direct mogelijk is om tijdens het ontwerpen de mili-eubelasting van de diverse ontwerpkeuzes te bepalen. Fig. 5.2.1 Materiaalstromen in de levenscyclus. De LCA-methode is algemeen van opzet en niet specifiek voor de bouw. Bij de uitwerking in het kader van de bouwpraktijk zal wel rekening gehouden moeten worden met bouw-specifieke aspecten. Daarbij moet tenminste aan het volgende gedacht worden: • bouwen vindt plaats op talrijke locaties, die ieder gekenmerkt worden door speci-

fieke condities; • bij het bouwproces is een groot aantal partijen betrokken; • het aantal bij de bouw betrokken bedrijven is talrijk; met name voor de uitvoe-

rende bouw geldt dat het accent ligt op het midden- en kleinbedrijf; • de bouw heeft te maken met vele vormen van publiek- en privaatrechtelijke re-

gelgeving; • de hoeveelheden materialen die in de bouw rondgaan zijn zeer groot; • het bouwproces op de bouwplaats vindt ten opzichte van fabrieksmatige pro-

cessen niet geconditioneerd plaats. Toepassing LCA (Stap I Vaststelling van doel en reikwijdte) De eerste stap in een levenscyclusanalyse is het bepalen van het doel, de toepassing van de LCA (Engels: Goal, scope and definition of the LCA). Fig. 5.2.2 geeft een overzicht van de modelmatige opzet van een LCA. De probleemformulering: Doelbepaling (fase I): De doelbepaling houdt in het vastleggen van het onderwerp en de diepgang van de stu-die, de centrale doelstelling en onderzoeksvragen, functionele eenheid of vergelijkingsba-

154

sis, te beoordelen productvarianten, afbakening studie en systeemgrenzen; (naar ISO 14040). De LCA geeft milieu-informatie welke gebruikt kan worden ten behoeve van: - vergelijking van producten; - toetsing van producten; - product- of procesverbetering of productinnovatie; - bestudering van beleidsstrategieën; - marketing. Fig. 5.2.2 Modelmatige opzet van een LCA (Bron: blz. 25, Bras-Klapwijk e.a., Le-

venscyclusanalyse voor onderzoekers, ontwerpers en beleidsmakers, 2003).

Elk van deze doelstellingen correspondeert met een bepaalde doelgroep. In de bouwko-lom zijn dat ontwerpers en opdrachtgevers waar het productvergelijking betreft, maar ook producenten en aannemers die een keuze moeten maken uit aangeboden grondstoffen en halffabrikaten. Verbetering en innovatie zijn van belang voor leveranciers en producenten. Een LCA voor toetsing van producten aan een norm of bestudering van beleidsstrategieën heeft de overheid als doelgroep. Het opstellen van evaluatiecriteria is ook een onderdeel van de probleemformulering waardoor een ontwerper milieucriteria met andere criteria kan integreren. De nieuwe toe-passing moet niet alleen goed scoren op milieucriteria maar ook op andere criteria, zoals veiligheid, kosten, gebruiksvriendelijkheid enz. Ook is het van belang dat men nagaat aan welke randvoorwaarden de oplossingen moe-ten voldoen. Door het opstellen van randvoorwaarden (technische, economische, ethische, politieke, enz.) krijgt men inzicht in de oplosruimte. Vervolgens kan men nagaan wat mogelijke alternatieven zijn. Functionele eenheid en productkeuze, mede in relatie tot (productie) processen (in Stap II Inventarisatie) De volgende stap in de doelbepaling is het kiezen van een functionele eenheid (om een goede vergelijkingsbasis te hebben zodat geen appels met peren worden vergeleken. De inventarisatie van de milieugegevens houdt in dat gekeken wordt naar IN-stromen zo-als energie en grondstoffen en UIT-stromen zoals emissies, zie bijvoorbeeld fig. 5.2.3 en

155

5.2.5. Er moet ten slotte een toerekening gemaakt worden ten aanzien van deze stromen aan producten. Vervolgens moet dit leiden tot de zogenaamde ingreeptabel met alle in-stromen en uitstromen in de levenscyclus, (naar ISO 14041). Dat betekent dat er een productfunctie gedefinieerd moet worden welke uitgedrukt wordt in een bepaalde eenheid op basis waarvan een vergelijking kan plaatsvinden. Een product-functie is een betere vergelijkingsbasis dan producten als zodanig. Ten eerste wordt reke-ning gehouden met de hoeveelheden product nodig voor het vervullen van de gestelde functie, dat wit zeggen dat rekening gehouden wordt met aspecten als levensduur en her-gebruik. Het materiaalverbruik kan dan teruggerekend worden naar deze benodigde hoe-veelheid product door middel van een vermenigvuldigingsfactor. Ten tweede bepaalt de functie welke alternatieven zinvol vergeleken kunnen worden. Na het vaststellen van de functionele eenheid worden producten geselecteerd welke re-presentatief zijn voor de door de functionele eenheid vastgelegde productgroep. Vervol-gens worden deze producten tot in detail beschreven. Dit kan mede aan de hand van te-keningen en bestekomschrijvingen. Daarbij moet duidelijk zijn wat wel en wat niet tot het product gerekend wordt. Bij weglichamen bijvoorbeeld moet aangegeven worden of ook wegmarkeringen e.d. beschouwd worden. De verschillende componenten waaruit het product bestaat, moeten vermeld zijn, inclusief de materialen waaruit ze bestaan. Dit leidt ertoe dat de beste insteek is de benadering op bouwdeelniveau, steeds met inachtneming van de bijbehorende uitvoeringsmethoden. Door gebruik te maken van de levensduur van de componenten en reparatiemiddelen kan aan de hand van de gedefinieerde producten het materiaalverbruik per product bepaald worden. Het materiaalverbruik over de hele productfunctie kan vervolgens berekend wor-den door vermenigvuldiging met de omrekeningsfactor. Processen spelen een belangrijke rol in een LCA. Voor de productie van elk product is een groot aantal processen nodig. Het gaat daarbij niet alleen om fabricage van het eindpro-duct, maar ook om processen voor de productie van halffabrikaten en processen om energie op te wekken. Bij de bouw speelt daarbij niet alleen fabricage een rol, maar ook en zelfs met name de uitvoering op de vele bouwplaatsen, elk met hun eigen condities. Daarnaast behoren ook zaken als aanleggen, transport, storten, verbranden en recyclen van afval tot de processen die aan een product gekoppeld zijn. In principe dienen de pro-cessen nodig voor de productie van kapitaalgoederen (machines, e.d.) ook meegerekend te worden. Dit is echter niet gangbaar, omdat dit tot een eindeloze regressie kan leiden: Men moet dan ook de systeemgrenzen van de analyse duidelijk zichtbaar maken. Afval kan gestort, verbrand en/of hergebruikt worden. Elk van deze mogelijkheden is een apart proces met bijbehorende milieu-aspecten. Bij afval dat gestort wordt, speelt uitlo-ging (emissies naar bodem) een rol. Uitlooggegevens zijn bekend uit laboratoriumexperi-menten. Onduidelijk is echter nog in hoeverre deze gegevens van toepassing zijn op prak-tijksituaties. Bij verbranding ontstaan emissies naar de lucht. Hergebruik leidt in het algemeen tot een vermindering van de milieubelasting door uitspa-ring van grondstoffen, maar opwerking van het afval is ook weer een proces met de bij-behorende milieu-effecten. De milieubelasting van productie van primair materiaal en van de opwerking dienen bij recycling verdeeld te worden over het oorspronkelijke product en het nieuwe product. Deze verdeling is afhankelijk van enerzijds het aantal malen herge-

156

bruik en anderzijds de kwaliteit van het secundaire materiaal. Onderscheid dient gemaakt te worden tussen hoogwaardige en laagwaardige recycling. De levenscyclus van de geselecteerde producten dient nagegaan en in kaart gebracht te worden met de belangrijkste input- en outputfactoren in de diverse stadia, zie fig. 5.2.3. De levenscyclus is opgebouwd uit processen. Deze dienen weergegeven te worden in een procesboom. In zo’n procesboom staan de benodigde processen en de inputs en outputs van zo n proces, zie fig. 5.2.4. In de praktijk zal veelal met een overzichtsboom gewerkt worden waarvan de processen zelf weer bestaan uit een aantal deelprocessen. Er zal altijd een grens getrokken moeten worden tussen processen die wel in de procesboom worden opgenomen en processen die buiten beschouwing gelaten kunnen worden (systeem-grens). Onduidelijk is hoe omgegaan moet worden met processen waarvan niet genoeg gegevens beschikbaar zijn. Belangrijk is dat altijd vermeld wordt hoe men met de proble-matiek is omgesprongen. Wat betreft de aard van de processen gaat het om de representativiteit. Het betreft as-pecten als het schaalniveau (mondiaal, nationaal, lokaal, etc), globale datering van het proces, de selectie wanneer meerdere gelijkwaardige processen bestaan, en de empiri-sche status van het proces. De kwaliteit van de gegevens dient duidelijk vermeld te zijn. Het gaat den om de procesdefinitie, realiteitsgehalte van het proces, juistheid, volledig-heid en ouderdom van gegevens en de aard van de bronnen. Wanneer onzekerheden be-staan in gegevens, dient de spreiding achterhaald te worden. Met behulp van statistische technieken kan met deze spreiding omgegaan worden. Wat dit betreft ontbreken met na-me nogal eens gegevens over emissies bij basisindustriële processen, toegerekend aan de daarbij geproduceerde materialen. Structurele kennisopbouw op dit terrein vond tot nu toe eigenlijk alleen in het buitenland en in beperkte mate in Nederland plaats. Een groot deel van deze gegevens is verouderd of incompleet. Ook aan bekende gegevens kleven onzekerheden. Het aangeven van de kwaliteit van de gegevens kan de betrouwbaarheid op dit punt vergroten. Keuzes en aannames dienen expliciet vermeld te worden. De to-taalbeoordeling van de procesgegevens zal met name betrekking hebben op de beschrij-ving van representativiteit en kwaliteit van de beschreven gegevens. Wanneer bepaalde aspecten onbekend zijn, kan dat bijdragen aan een negatieve totaalbeoordeling. Fig. 5.2.3 Keten van grondstof tot afval (Bron: Bron via: blz. 15, Bras-Klapwijk e.a.,

Levenscyclusanalyse voor onderzoekers, ontwerpers en beleidsmakers, 2003. Curran, 1996 ).

Bij een productvergelijking zullen altijd bepaalde zaken identiek zijn, bijvoorbeeld bij ge-bruik van het product. Wanneer het enkel en alleen om een productvergelijking gaat, hoe-

157

ven deze processen in principe niet in beschouwing genomen te worden. Hierdoor ont-staat echter wel een ongedefinieerd nulpunt, waardoor toetsing of vergelijking met LCA’s van andere dan de getoetste producten, niet meer mogelijk is. Daarnaast bestaat het ge-vaar dat bij productverbetering of -innovatie dergelijke elementen niet beschouwd wor-den. Ook kan een scheef beeld ontstaan wanneer deze elementen in een later stadium wel worden meegenomen. In het algemeen is het dus aan te bevelen zoveel mogelijk pro-cessen te beschouwen. Na het opstellen van de procesboom dienen procesgegevens verzameld te worden. Per proces moet tenminste vermeld zijn: - de aard van de processen; - de kwaliteit van de gegevens; - totaalbeoordeling. Fig. 5.2.4 Een eenvoudige procesboom bij de paperclipfabricage. (Bron: blz. 36,

Bras-Klapwijk, Levenscyclusanalysen voor onderzoekers, ontwerpers en beleidsmakers. 2003. VSSD, DUP Blu Print, ISBN 90-407-2385-0).

158

Fig. 5.2.5 De In- en UIT-systeemgrenzen van een productsysteem. (Naar: blz. 17,

Bras-Klapwijk, Levenscyclusanalysen voor onderzoekers, ontwerpers en beleidsmakers. 2003. VSSD, DUP Blu Print, ISBN 90-407-2385-0).

Milieu-ingrepen (bij de effectbeoordeling, stap III: impact-assessment) Hierbij gaat het om een selectie van milieueffecten, toewijzing van de emissies aan milieu-effecten (classificatie), bepaling scores of milieueffecten (karakterisatie), normalisatie van de scores en eventuele weging van de milieueffecten, (naar ISO 14042). Voor elk proces kan een lijst met milieu-ingrepen opgesteld worden, de ingreeptabel voor dat proces. Indien mogelijk probeert men deze ingrepen te kwantificeren. Alle processen samen leveren de ingreeptabel voor het product. Een ingreeptabel per stof is ook moge-lijk. Door deze ingreeptabellen apart te presenteren, kan inzicht in knelpunten verkregen worden. Het toekennen van een ingreep aan een procesoutput kan problemen opleveren wanneer een proces meerdere outputs heeft. Dat is bijvoorbeeld het geval bij de productie van bi-tumen (benzine, stookolie, bitumen, etc.). Meestal wordt dan gekozen voor toerekening aan één output op basis van het gewichtsaandeel. Dit is het meest eenvoudig. Er zijn ech-ter ook andere toerekeningsmethoden mogelijk, zoals op basis van het economische waarde-aandeel. Deze laatste methode is principieel de meest juiste, omdat deze direct aansluit bij de maatschappelijke veroorzaking van het betreffende proces. Deze toereke-ningsmethode lijkt vooralsnog echter niet eenvoudig, gezien de veranderlijkheid van eco-nomische gegevens. Bij het toekennen van ingrepen dient ook rekening gehouden te worden met hergebruik. Hergebruik kan leiden tot vermindering van milieubelastingen. Het is zaak te zorgen dat dit voordeel evenredig verdeeld wordt over het primaire product en de recyclingspro-duct(en). Voor het primaire product kan een parameter voor aftrek berekend worden, af-hankelijk van enerzijds het aantal malen hergebruik en anderzijds de kwaliteit van het se-cundaire materiaal (hoogwaardige of laagwaardige recycling). Het opwerkproces kan ech-ter weer tot andere milieu-ingrepen leiden, welke eveneens verdeeld zullen moeten wor-den over primair product en recyclingsproduct.

In: Uit:

Emissies naar water, bodem

en lucht

Straling Trillingen

Geluid

Ruimtebeslag

Afval

Ruimtebeslag

Grondstoffen

Energie

Arbeid

Kapitaal

Grondstoffen, Verkrijging en Voorbewerking

Vervaardiging

Gebruik Onderhoud

Hergebruik Recycling

Afvalbeheer

159

De milieu-ingrepen ten gevolge van de processen worden toegekend aan de fase in de levenscyclus waarin ze voorkomen. Zo worden alle milieu-ingrepen die tijdens de grond-stofwinning, vervaardiging, fabricage en bouw optreden, toegeschreven aan de productie-fase. Aan de gebruiksfase worden de ingrepen toegekend welke ontstaan door gebruik van het product, door onderhoud en door reparatie. Dat betekent dat ook de fabricage van reparatiemiddelen hiertoe gerekend wordt. De milieu-ingrepen van slopen en storten of verbranden worden toegekend aan de afval-fase. Bij hergebruik is dit, zoals gezegd, echter minder eenvoudig en dient een verdeel-sleutel gemaakt te worden. Vervolgens worden de milieu-ingrepen doorgerekend naar een milieu-belasting (= effect), zie fig. 5.2.6. Milieubelasting Bij de kwantificeringsstap dreigt alle niet-kwantificeerbare informatie weg te vallen. Het gaat dan om kwalitatieve aspecten als “aantasting van landschap” en “hinder”. In de CML-methode worden deze daarom apart vermeld. Ook wanneer milieubelasting voorkomen wordt, wat bijvoorbeeld het geval is bij energie-besparing of gevaarbeperking, zal dit niet expliciet tot uitdrukking komen. Uiteraard wordt dit wel impliciet meegenomen doordat op een dergelijk punt geen of minder milieubelas-ting optreedt. In de kwantificeringsstap kunnen fouten optreden. Deze zullen in het alge-meen ontstaan door methodische onduidelijkheden wat betreft de manier van toerekening van procesgegevens aan materialen en producten. In elke fase van de levenscyclus treden milieubelastingen ten aanzien van milieu-aspecten op. Deze belastingen kunnen beoordeeld worden op hun effect of op hun potentiële ef-fect. Een effect is bijvoorbeeld aantasting van de gezondheid van een persoon ten gevolge van toxische stoffen. Vrijkomen van toxische stoffen is in dit geval een milieu-ingreep wel-ke dit effect potentieel kan veroorzaken. Of dit ook daadwerkelijk gebeurt, hangt echter af van de omstandigheden. Dientengevolge wordt de emissie van toxische stoffen beoor-deeld op de mogelijkheid dat de gezondheid geschaad kan worden (potentieel effect). Een reden om potentiële effecten te beschouwen is het feit, dat op dit moment in het al-gemeen nog weinig bekend is over de uiteindelijke effecten van een milieu-ingreep. Bo-vendien spelen bij het optreden van effecten andere aspecten een rol, zoals lokale om-standigheden, achtergrondconcentraties, etc. Door een ingreep te beoordelen op potenti-eel milieu-effect wordt een gebiedsonafhankelijk milieuprofiel verkregen. Fig. 5.2.6 Van milieu-ingreep naar milieu-effect. Milieu-aspecten Een groot aantal milieu-aspecten kan beschouwd worden. Deze milieu-aspecten sluiten aan bij de drie in het NMP aangeduide routes naar duurzame ontwikkeling: ketenbeheer, energie-extensivering en kwaliteitsverbetering. De milieu-aspecten zijn: grondstoffen, emissies, afval, energie, levensduur, repareerbaarheid, hergebruik en hinder. Deze wor-den onderverdeeld in de 25 deelaspecten (VROM). Het grootste bezwaar van deze indeling is het feit, dat deze categorieën niet onafhankelijk zijn. Zo is recyclebaarheid (hergebruik) direct gerelateerd aan grondstofverbruik, omdat

Milieu-ingreep:Emissie van NOx en CO2

bij het stoken van energie-dragers

Ontstaan van verzurende stoffen en broeikasgassen

Milieu-effect:Zure regen

Klimaatopwarming

160

primaire grondstoffen worden bespaard. Daarnaast is recycling van invloed op ingrepen als emissies en afval. Iets dergelijks geldt ook voor de aspecten energie, levensduur en repareerbaarheid. Wanneer dergelijke overkoepelende categorieën gebruikt worden, kan dit leiden tot dubbeltellingen of omissies van milieu-ingrepen bij de evaluatie. Het CML stelt slechts drie milieuaspecten voor, te weten: - uitputting van grondstoffen, - verontreiniging en - aantasting. Deze aspecten zijn wel onafhankelijk. Daarnaast kunnen afhankelijke milieumaten meege-nomen worden in de beschouwing. De hoofdaspecten worden onderverdeeld in deelaspec-ten. Deze deelaspecten komen overigens voor het grootste deel overeen met de deelas-pecten welke door VROM gegeven zijn. Uitputting van grondstoffen Bij grondstoffen wordt onderscheid gemaakt tussen abiotische grondstoffen (niet-vernieuwbare grondstoffen) en biotische grondstoffen (vernieuwbaar). Abiotische grond-stoffen zijn onder andere energiedragers zoals olie, gas en metalen. Biotische grondstof-fen zijn bijv. hardhout, ivoor, etc. De uitputting van abiotische grondstoffen wordt beoordeeld door relatering van het netto beslag op iedere grondstof aan de voorraad van die grondstof. De uitputting van biotische grondstoffen wordt beoordeeld door relatering van het netto beslag op iedere grondstof aan de voorraad-productieverhouding van die grondstof. Deze twee geven samen een biotic depletion factor (BDF). Broeikaseffect Het kental voor het broeikaseffect is gebaseerd op de global warming potential (GWP). Voor diverse stoffen die bijdragen aan de versterking van het broeikaseffect zijn GWP-waarden ontwikkeld. Op basis van deze waarden kan voor de betreffende stoffen hun po-tentiële directe bijdrage aan het broeikaseffect in één effectscore uitgedrukt worden. De GWP is een relatieve maat met CO2 als referentie: de mate waarin een massa-eenheid stof infrarode straling kan absorberen ten opzichte van een massa-eenheid CO2. (Behalve CO2 komt men ook regelmatig CFK-12 of soms CFK-11 als referentiegas tegen. In deze LCA-methodiek wordt echter uitgegaan van een GWP gebaseerd op CO2). Hiermee kan de emissie naar lucht (in kg) omgerekend worden tot een qua broeikaseffect equivalente emissie (in kg) van CO2. Ozonlaag Voor een aantal stoffen die bijdragen aan de aantasting van de ozonlaag, zijn waarden in de vorm van een ozone depletion potential (ODP) ontwikkeld. Op basis van deze waarden kan voor de betreffende stoffen hun potentiële bijdrage aan de aantasting van de ozon-laag in één effectscore uitgedrukt worden. De ODP is een relatieve maat met CFK-11 als referentie. Hiermee kan de emissie naar lucht (in kg) omgerekend worden tot een qua ozonlaagaantasting equivalente emissie (in kg) van CFK-11. Humane toxiciteit De beoordeling van humane toxiciteit geschiedt door emissies te relateren aan de to-lerable daily intake (TDI), de acceptable daily intake (AD I), de toelaatbare concentratie in lucht (TCL), de air quality guidelines, het maximaal toelaatbaar risiconiveau (MTR) of de humaan-toxicologische C-waarde voor bodem. Dit zijn uit toxicologische experimenten verkregen gegevens over de maximale dagelijkse inname of concentratie die nog juist aanvaardbaar wordt geacht. Er is een omrekening gemaakt om te zorgen dat de emissies

161

naar water, lucht en bodem op de verantwoorde manier bij elkaar opgeteld kunnen wor-den. Dit leidt tot de definitie van de stof- en compartimentafhankelijke humaan-toxico-logische classificatie factor: voor lucht (HCL), voor water (HCW) en voor bodem (HCB). De eenheid van de effectscore is kg: het aantal kg lichaamsgewicht dat juist tot aan de toxi-cologisch aanvaarde grens is blootgesteld. In de toekomst is te verwachten dat de HCL, HCW- en HCB-waarden vervangen worden door een nog te ontwikkelen human toxicity potential (HTP), analoog aan de GWP- en ODP-waarden. In een dergelijke potentiaal wordt rekening gehouden met het gedrag van een stof in het milieu. Ecotoxiteit De beoordeling van stoffen die een ecotoxische werking op soorten in het ecosysteem hebben, geschiedt met behulp van maximum tolerable concentrations (MTC’s). Dit leidt tot de definitie van twee groepen ecotoxicologische classificatiefactoren: één voor aquatische (ECA) en één voor terrestrische (ECT) ecosystemen. Voor aquatische ecotoxiciteit is de eenheid m3 verontreinigd water en voor terrestrische ecosystemen kg verontreinigde bo-dem. Fotochemische oxydantvorming De waarde om de bijdrage aan fotochemische oxydantvorming te bepalen, is de pho-tochemical ozone creation potential (POCP). Op basis van deze waarde kan voor de be-treffende stof de potentiële bijdrage aan dit probleem in een kental weergegeven worden. De POCP is een relatieve maat met etheen (C2H4) als referentie: de mate waarin een mas-sa-eenheid stof oxidant vormt ten opzichte van een massa-eenheid etheen. Hiermee kan de emissie naar lucht (in kg) omgerekend worden tot een qua oxydantvorming equivalen-te emissie (in kg) van etheen. Verzuring De bijdrage aan de verzuring van verschillende milieu-ingrepen kan bepaald worden door weging met acidification potentials (AP) die een maat zijn voor het vermogen om H+ af te splitsen ten opzichte van zwaveldioxide (SO2). De emissie naar lucht (in kg) wordt met behulp van de AP omgerekend tot een qua verzuring equivalente emissie (in kg) van zwa-veldioxide. Vermesting De bijdrage aan de vermesting van verschillende milieu-ingrepen kan bepaald worden door weging met nutrification potentials (NP) die een maat zijn voor het vermogen om biomassa te vormen ten opzichte van fosfaat (PO4

3-). De emissie naar lucht, water of bo-dem (in kg) wordt met behulp van de NP omgerekend tot een qua vermesting equiva-lente emissie (in kg) van fosfaat. Afvalwarmte De gevolgen van afvalwarmte zijn nog onvoldoende in kaart gebracht. Daarom is het al-leen mogelijk het vrijkomen van warmte als milieu-ingrepen rechtstreeks uit de inventari-satie over te nemen en te aggregeren. Hierbij wordt alleen de emissie van afvalwater naar water meegenomen. Stank Voor stank kan gebruik worden gemaakt van geurdrempels voor stoffen in de lucht (GDL) die voor de belangrijkste stoffen gedefinieerd zijn. De emissie naar lucht wordt hiermee omgerekend tot het volume dat tot aan de geurdrempel verontreinigd is.

162

Aantasting van landschap door installaties e.d. Aantasting wordt weergegeven door het ruimtebeslag gedurende een tijdseenheid. De eenheid is m2s. Het ruimtebeslag is, evenals geluid, gerelateerd aan gebruik en jaarpro-ductie, en verder aan het oppervlak van de installatie. Slachtoffers De onveiligheid van processen is in de inventarisatie vastgesteld als het aantal direct door toedoen van een ongeval overleden mensen. Dit gegeven wordt in de classificatie zonder verdere weging overgenomen. Stap IV: de evaluatie. Classificatie, weging en aggregatie Bij de interpretatie gaat het om de analyse van de milieueffecten en de bepalende facto-ren alsmede gevoeligheidsanalyses ter bepaling van invloed van aannames en uitgangs-punten, (naar ISO 14043). Om van bovenstaande classificatie tot milieumaten te komen, moet een weging uitge-voerd worden. Die weging wordt gebaseerd op het verschil tussen een streefwaarde (bij-voorbeeld een “no-effect level”) en de feitelijke belasting (“distance to target”). Nadat in de classificatiefase het milieuprofiel is opgesteld, dienen de producten op hun potentiële milieu-effecten geëvalueerd te worden. Bij een toetsende evaluatie zijn productnormen nodig. Dergelijke normen zijn nog niet voldoende ontwikkeld en derhalve is een toetsende evaluatie niet mogelijk. Bij de vergelijkende evaluatie worden de milieuprofielen van meerdere producteenheden naast elkaar gelegd. Gelijksoortige milieu-aspecten, zoals luchtverontreiniging, afvalvolu-me, etc., kunnen vergeleken worden. Wanneer een product op alle punten beter scoort, is dat alternatief vanuit milieu-oogpunt te prefereren. Meestal zal dat echter niet het geval zijn en zal het ene product op een aantal aspecten het beste scoren, maar het andere product op de overige aspecten. Soms zal ook dan nog een totaaloordeel mogelijk zijn, bijvoorbeeld wanneer product A 90% beter scoort op punt x en slechts 5% slechter op punt y dan product B. Hieruit blijkt dat de kwantificering van deelaspecten zoals uitge-voerd in de classificatie, mits betrouwbaar en compleet, nuttig kan zijn voor een beoorde-ling; wanneer alleen incomplete, semi-kwantitatieve of kwalitatieve informatie over de mi-lieu-aspecten beschikbaar is, is een dergelijk oordeel niet mogelijk. Wanneer echter ook een dergelijke afweging niet mogelijk is, kan geen eindoordeel gevormd worden. Het is namelijk op dit moment niet mogelijk de verschillende milieu-aspecten tegen elkaar af te wegen; weging tussen ongelijksoortige aspecten is subjectief. Overigens is het beslist niet altijd noodzakelijk tot een eenduidig oordeel te komen. De behoefte hieraan is sterk af-hankelijk van het doel van de levenscyclusanalyse. Dit doel kan in plaats van productver-gelijking ook zijn het achterhalen van knelpunten teneinde product- of procesinnovatie mogelijk te maken. In dat gevat is een eindoordeel over de productalternatieven niet noodzakelijk, maar kan volstaan worden met het opsporen van knelpunten in het milieu-profiel en het doen van aanbevelingen ter verbetering. Wanneer milieubelastingen van verschillende producten vergeleken worden, is het van belang te weten of de verschillen in de waarden wel of niet significant zijn. Doordat de gebruikte gegevens onzekerheden kennen, zal ook het uiteindelijke kental een zekere spreiding kennen. De verschillende verdelingen kunnen elkaar gaan overlappen, waardoor verschillen in kentallen niet meer relevant kunnen zijn. Statistische technieken kunnen ge-bruikt worden om dit na te gaan. Een gevoeligheidsanalyse kan een goed instrument zijn om de meest relevante milieube-lastende factoren vast te stellen en aan de hand daarvan tot maatregelen te komen ten-einde de milieubelasting te verminderen en innovatie te bewerkstelligen.

163

Op basis van het bovenstaande kan gesteld worden, dat de CML-methode goede perspec-tieven biedt voor gebruik bij bijvoorbeeld het ontwerpen van bouwwerken. Aggregatie- en weegmethoden Bij het uitvoeren van een LCA gaat het in het algemeen om een zeer uitgebreide stroom gegevens. Deze moeten worden gecondenseerd tot een hanteerbaar aantal kentallen, waarbij de bruikbaarheid van de meeste doeleinden toeneemt naarmate het aantal kental-len kleiner wordt. Bij dit condenseren van gegevens tot kentallen onderscheiden we ag-gregatie en weging. Deze begrippen worden als volgt gedefinieerd: Aggregatie per potentieel milieu-effect samenvoegen van de milieu-ingrepen uit verschil-lende levenscyclusfasen van het product tot één getal dat het potentiële milieu-effect re-presenteert. Het milieuprofiel, de set van potentiële milieu-effecten, wordt verkregen door aggregatie. Aggregatie vindt plaats in de classificatiestap van de LCA. Weging: het afwegen van het belang van de verschillende milieu-effecten ten opzichte van elkaar. Weging leidt tot een beperkte set getallen die representatief zijn voor de milieube-lasting van een product. Weging vindt plaats in de evaluatiestap van de LCA. Voor zowel aggregatie als weging zijn verschillende methoden beschikbaar. Voorbeeld: Als milieu-ingreep is in de inventarisatie 10 kg C02-emissie vastgesteld. CO2 draagt bij aan het potentiële milieu-effect “broeikaseffect”. De classificatiefactor hier-voor is de Global Warming Potential. Deze is voor CO2 bepaald op 1 kg/kg. De bijdrage van CO2 aan het broeikaseffect is dan 10 x 1 =10 kg broeikaseffect. Idem voor bijv. 5 kg NO2 met een GWP van 260. De bijdrage aan het broeikaseffect is dan 5 x 260 = 1300 kg. Totaal is het kental broeikaseffect dan 10 + 1300 = 1310 kg broeikaseffect. Weegfactoren kunnen op grond van verschillende criteria opgesteld worden. Een aantal methoden om weegfactoren te bepalen is inmiddels ontwikkeld: 1. Kosten voor de maatschappij: De weegfactoren worden gebaseerd op de prijs die

de maatschappij wil betalen om de effecten die de milieubelasting veroorzaakt te voorkomen. Hoe hoger de prijs, des te zwaarder weegt het milieu-effect.

2. De kosten om milieu-ingrepen te voorkomen of neutraliseren. 3. De energie benodigd om milieubelasting te voorkomen of neutraliseren. 4. Energieverbruik als enige maatstaf om de totale milieubelasting te beoordelen. 5. Opstellen van weegfactoren door experts. 6. De mate waarin het milieu-effect een streefwaarde overschrijdt, bepaalt de weeg-

factor. Hoe verder verwijderd van het streefniveau, des te hoger zal de weegfactor zijn. In het ideale geval is de streefwaarde het niveau van duurzame ontwikkeling. Er zijn ook streef-niveaus op politiek niveau mogelijk. Normalisatie Een aanvullende classificatiestap in de LCA is de normalisatie. In deze stap wordt het mili-euprofiel gerelateerd aan de totale milieubelasting in een bepaald gebied, bijvoorbeeld de wereld of Nederland. Hierdoor wordt een beeld verkregen wat de bijdrage van de onder-zochte productgroep is aan de totale milieubelasting. Indien de procentuele bijdrage van broeikaseffect bijvoorbeeld groter is dan ozonlaagaantasting, kan dit bij productverbete-ring aanleiding zijn meer aandacht te besteden aan vermindering van dit effect. De nor-malisatie is echter géén weging en geeft ook geen absolute uitspraak over het belang van

164

het milieu-effect. Er wordt geen oordeel uitgesproken over het belang van het ene milieu-effect ten opzichte van het andere en het maakt milieu-aspecten ook niet optelbaar. Voorbeeld: Het totale mondiale broeikaseffectpotentieel is x kg broeikaseffect. Voor een product is gevonden een bijdrage van y kg broeikaseffect. Het genormaliseerde kental is dan y/x x 100% broeikaseffect. Ten slotte: In het vierde collegejaar wordt in het vak Ct4100 “Ecological Engineering” een uitgebreid overzicht gegeven van diverse computer programma’s om materialen, gebouwen, wijken en infrastructuur te beoordelen op ecologische kwaliteit. Ontwikkelde methoden zijn bij-voorbeeld Sima Pro, Eco Quantum, Green Calc en de Eco Cost Value Ratio, zie fig. 5.2.7 voor de Eco-cost Value Ratio methode. Fig. 5.2.7 De Eco-cost Value Ratio. (Bron: Vogtländer. The Eco-costs/Value Ratio).

165

5.3 Energie De Nederlandse energieketen en de duurzaamheidproblematiek De energieketen bestaat uit de elementen: - winning (van primaire energiedragers), - conversie (van de energiedrager naar een bruikbare vorm van energie), - opslag/distributie (van primaire energiedragers en van de opgewekte energie) en - energievraag (de behoefte waarin er voorzien moet worden). In fig. 5.3.1 wordt een algemene energieketen afgebeeld van energiebron (gas, olie, etc.) tot energievraag (warmtevraag, koelingvraag, verlichtingsvraag, etc.).

Aardgas Elektriciteitscentrale Elektriciteitsnet CV ketel Warmte Olie Raffinaderij Olie-, gasopslag Motor Koeling Kolen Hoogovens Koude/warmte opslag Warmtepomp Licht Zon Turbines Batterij PV cel Transport Wind Windmolens Accu Vermogen Biomassa Waterkrachtcentrales Water Foto-voltaïsche cellen Uranium Waterstofgas

Fig. 5.3.1 De energieketen. Milieu- en duurzaamheidproblemen doen zich bij winning, opslag/distributie en conversie voor. Bij winning zijn voornamelijk de thema’s verstoring van het lokale milieu, uitputting van de primaire energiedragers en klimaatverandering aan de orde. Ook de afhankelijk-heid van de energieketen van fossiele brandstoffen, die niet evenwichtig over de wereld zijn verdeeld, kan bijdragen aan de duurzaamheidproblematiek in de brede zin des woords. Bij opslag en distributie gaat het voornamelijk om lokale verstoringen van het milieu en om klimaatveranderingen (CH4-emissies door lekkages bij gascompressiestations bijvoor-beeld). Bij conversie op centraal of decentraal niveau spelen de thema’s klimaatverandering (CO2-emissies door verbranding van fossiele brandstoffen), verzuring (SO2-, NOx-emissies) en verspreiding (radioactieve producten, organische stoffen, benzeen) een rol. Een schatting van de bijdragen van de energiesector aan de verschillende milieuthema’s gemaakt op basis van de gegevens verstrekt in de literatuur wordt in fig. 5.3.2 weergege-ven. Ook al zouden klimaatverandering en uitputting tot non-items verklaard worden, dan zouden de thema’s verzuring en verspreiding op zich al genoeg zijn om onderzoek naar verduurzaming van de energieketen volledig te rechtvaardigen.

Winning Centrale conversie

Opslag &

Distributie

Eindge-bruiker

Conversie

Vraag

166

Gas59%

Olie24%

Kolen15%

Andere2%

Figuur 5.3.2 Bijdrage van de Nederlandse energieketen aan de milieuproblemen. Om te kunnen analyseren hoe de energieketen verbeterd kan worden t.a.v. de milieupro-blemen, is de energiebalans voor het jaar 1995 opgesteld. De energieafnemers zijn ver-deeld over vier sectoren (huishoudens, industrie, transport en overig) en de energiedra-gers over vier bronnen (gas, olie, kolen en “kernenergie + wind, zon, e.d.”). Het “primaire energiegebruik”, zie figuur 5.3.3, is de energie-inhoud van de verbruikte energiedragers in Nederland. Figuur 5.3.3 Verdeling over primaire energiebronnen in Nederland relatief t.o.v. een

gebruik van 2319 PJ. Kenmerkend in de balans is dat de primaire energiedragers voornamelijk uit fossiele brandstoffen bestaan (kernenergie inbegrepen). Voor de post “kern+duurzaam” bedraagt “duurzaam” slechts 6 PJ (in 1995), voornamelijk afkomstig van windenergie (1,1 PJ) en vuilverbranding (3,8 PJ). Gas, met bijna 60% van het totaal is de belangrijkste energie-drager. Ten opzichte van het klimaatsveranderingprobleem is gas ook de (relatief) schoonste fossiele brandstof (emissies gas: 56.106 kg CO2/PJ; olie: 75.106 kg CO2/PJ; ko-len: 94.106 kg CO2/PJ). In de sectoren huishoudens, industrie, transport en diversen, ligt het gebruik van de indu-striesector ongeveer 10% hoger dan die van de andere drie sectoren (die ieder een aan-deel van ongeveer 22% hebben). Ten aanzien van de transportsector kan men stellen dat het meeste transport (verkeer en vervoer) inefficiënt verloopt waardoor een relatief groot aandeel aan de energievraag afkomstig is van deze sector (relatief groter dan bij een sterk

a) Bijdrage aan de energieketen b) Bijdrage van andere sectoren

Uitputting kolen, olie, gas (%) Klimaatverandering Verzuring Verspreiding

100 80 40 0

a) a) a)

a)

167

verbeterde conversie nodig zou zijn). De sector “Gebouwde omgeving” is verantwoordelijk voor ongeveer 45% van de totale Nederlandse energievraag. Analyse van de rendementen De conversieprocessen voor de sectoren “Huishoudens” en “Overig” lijken redelijk effi-cient, terwijl de sectoren “Industrie”, “Elektriciteitsproductie” maar vooral “Transport” ze-ker voor verbeteringen vatbaar zijn. Het is echter zo dat het energetisch rendement maar op een beperkte manier de kwaliteit van een conversieproces weergeeft. Energie gaat nooit verloren (wet van behoud van energie, zie het intermezzo op de vol-gende bladzijde) maar wordt wel gedegradeerd. Hoe hoger de temperatuur waarop ener-gie geproduceerd wordt, hoe meer waarde deze energie heeft. Exergie is de waarde of kwaliteit van energie. Hoe hoger de omzettingstemperatuur, hoe hoger de exergie, d.w.z. hoe meer arbeid er met deze energie verricht kan worden. Het exergetische rendement geeft aan in hoeverre de kwaliteit van de energie gedegradeerd wordt tijdens een conver-sieproces. Dit is in figuur 5.3.4 geïllustreerd met de energievormen, die door gasverbran-ding gebruikt kunnen worden. Fig. 5.3.4 Trapsgewijze energieomzetting en de kwaliteit van de energie. De productie van elektriciteit en kracht heeft een hoog exergetisch rendement, terwijl productie van warmte op een temperatuur van 20 oC een laag rendement heeft: na het verbranden van gas om elektriciteit op te wekken, kan men nog alle kanten op, omdat elektriciteit nog volledig omgezet kan worden in kracht en in warmte van verschillende temperaturen. Heeft men eenmaal warmte op 20 oC, dan kan die nauwelijks meer omge-zet worden in warmte van hoge temperatuur of in kracht. Samenvattend is het gebruik van gasverbranding om gebouwen te verwarmen zonde van het potentieel van gasver-branding: de kracht of arbeid die niet is opgewekt, moet dus ergens anders opgewekt worden en verhoogt dus het gebruik van primaire energie. De exergetische rendementen geven een geheel ander beeld dan bij de energetische rendementen. Exergetisch gezien scoren juist “Industrie” en “Elektriciteitsproductie” hoog, terwijl “Huishoudens”, “Transport” en “Overig” een laag rendement hebben.

168

reversibelQ Q JS =

T T K

dS 0

Intermezzo - Energie en arbeid hebben de dimensie Nm met 1 J = 1 Nm (J = joule). - De Nulde Hoofdwet van de thermodynamica:

Als twee systemen in thermisch evenwicht zijn met een derde systeem, zijn ze ook in thermisch evenwicht met elkaar

- De Eerste hoofdwet van de thermodynamica luidt: dQ = dU + dW. Dit betekent dat een hoeveelheid toegevoegde warmte (dQ) gebruikt wordt om de inwendige energie van het systeem (dU) te verhogen en om arbeid (dW) te ver-richten. Vaak definieert men dW als de op het systeem uitgeoefende arbeid waardoor dW omslaat van plus naar min, en dan verandert dus de formule in: dU = dQ + dW. Dit houdt meteen in dat het is onmogelijk om energie te winnen uit het niets.

- Een perpetuüm mobile van de eerste soort: Een machine die werkt in tegenspraak met de Eerste Hoofdwet.

- De Tweede Hoofdwet van de thermodynamica: Er is geen proces mogelijk met het enkele effect van een complete omzetting van warmte in arbeid. (Noot: het omgekeerde kan wel).

- Een perpetuüm mobile van de tweede soort: Een machine die werkt in strijd met de Tweede Hoofdwet.

- Definitie van entropie S: Men gebruikt voor het entropie begrip ook wel het woord “wanorde”. Boltzmann’s formule: S = k ln(m) met:

k = constante van Boltzmann = R/NA = 1,380658x10-23 (J/K) m = aantal microtoestanden van gelijke waarschijnlijkheid.

De Tweede Hoofdwet van de thermodynamica kan men ook formuleren als:

Voor een proces in een gesloten systeem zal de entropie dus nooit afnemen. - De natuur streeft naar een zo laag mogelijke energie.

Voorbeeld: Je hebt warmte (dus energie) nodig om een kristal te smelten. Omgekeerd zal er warmte vrijkomen als een kristal gevormd wordt. Dus een kristal heeft een lagere inwendige energie dan wanneer het een vloeistof is van gelijke massa.

- De natuur streeft echter ook naar een zo groot mogelijke wanorde. Voorbeeld: De wanorde in een kristal is kleiner dan in een vloeistof. De wanorde in een vloei-stof is kleiner dan in een gas.

- De Derde Hoofdwet van de thermodynamica: De entropieverandering bij een isotherm reversibel proces nadert tot nul als de temperatuur nadert tot het absolute nulpunt (0 K). Opmerking: je mag niet zeg-gen: “graad Kelvin” (oK), zoals bij graden Celsius (oC). Bij “0 K” is er dus geen sprake van een tikfout.

- Een perpetuüm mobile van de derde soort: Een machine waarbij een beweging eeuwig doorgaat zonder door wrijving te stoppen, maar ook zonder arbeid te le-veren. Er is geen thermodynamische hoofdwet die dit verbiedt, maar in de praktijk komen we zo’n machine niet tegen. Bij supergeleiding zou dit verschijnsel wel kunnen optreden.

169

laag

hoog

Thermische efficiëntie η

Tverrichte arbeid Wη = = < 1 -

warmte input Q T

laag

hoog laag

Tafgevoerde warmteEfficiëntie η =

verrichte arbeid T -T

0

Hoog

TExergie B = beschikbare arbeid = Q. 1-

T

Intermezzo vervolg - Via het verrichten van arbeid bijvoorbeeld kan men warmte opwekken (bijvoor-

beeld het verwarmen van een radiator). Arbeid kan met een efficiëntie van 100% in warmte worden omgezet. Dit principe wordt toegepast bij de warmtepompen.

- De warmte-machine (Engels: heat engine): Hierbij laat men warmte stromen van hoge temperatuur naar lage temperatuur en men gebruikt de warmtestroom om arbeid te verrichten. Dit proces verloopt efficiënter naarmate het temperatuurverschil groter is.

- De koelkast (Engels: refrigerator): Hierbij verricht men arbeid om een ruimte te koelen en daardoor ontstaat een temperatuurverschil. Als de temperatuur van de koelkast lager wordt ten opzichte van de omgeving, neemt de efficiëntie dus af.

- Het begrip exergie: Energie gaat nooit verloren, maar wordt wel “gedegradeerd”: Exergie staat voor de kwaliteit van de beschikbare arbeid.

- De warmtepomp: M.b.v. een elektrisch aangedreven pomp wordt warmte toegevoerd aan warmte uit de omgeving en tot een hoger niveau gebracht. Fig. 5.3.5 Het principe van een elektrisch aangedreven warmtepomp.

170

Intermezzo vervolg - Een zeer belangrijke vorm van energieconversie is die van de fotosynthese. Hierbij

wordt de energie van zonlicht via de stappen: 2H2O O2 + 4H+ + 4e- (oxidatie van water) en CO2 + 4H+ + 4e- (H2CO) + H2O (reductie van CO2) omgezet in de energiedrager C6H12O6 en in zuurstof. Voor de oxidatiereactie zijn

vier fotonen nodig (omdat 1 foton interactie heeft met 1 elektron) en vier fotonen voor de reductiereactie, dus in totaal 8 fotonen. Voor het fabriceren van C6H12O6 is het product ATP nodig, en dat kost ook nog twee fotonen. De golflengte van de fotonen moet liggen tussen de 400 en de 700 nm. Theoretisch heeft (uitgaande van het laagst-energetische foton dat deze reacties aan kan drijven) het proces een efficiëntie van 34%. Zonlicht bestaat voor het grootste gedeelte uit fotonen met een kortere golflengte dan 400 nm waardoor de efficiëntie in de natuur te-rugvalt naar 5,5%.

De productie van elektriciteit is dus alleen ogenschijnlijk inefficiënt, omdat de aanwezige hoge kwaliteit blijft behouden. De productie van warmte voor huishoudens is alleen ogen-schijnlijk efficiënt, omdat de aanwezige hoge kwaliteit van de energiedrager sterk gede-gradeerd wordt. Er is behoefte aan een efficiënte energieopslag. Elektriciteitscentrales hebben in de dal-uren een overcapaciteit, dus dit is duur. Windmolens werken alleen als er niet te weinig en niet te veel wind is, dus we zijn onzeker over productie wanneer deze echt nodig is in de piekuren. Men zou gebruik kunnen maken van de zwaartekracht: Als er wind is, wordt het water in een hoog opgesteld vat gepompt. Tijdens de piekuren laat men het water via een generator terugvloeien om zo stroom te produceren. Dit wordt toegepast in berggebieden en daar waar mijnen buiten gebruik zijn gesteld. Energieopslag in vliegwielen is vooral handig bij bussen die regelmatig moeten stoppen en optrekken. Door het zeer snel ronddraaien van het vliegwiel ontstaan uiteraard grote spanningen in het wiel en die onder de treksterkte van het materiaal moeten blijven. Daarom maakt men bij voorkeur gebruik van glasvezelgewapende composieten. Energieopslag in batterijen is de traditionele opslag van elektrische energie waarbij chemi-sche reacties voor de energieopslag zorgen. De chemische opslag van energie in brandstofcellen is een nieuwe ontwikkeling. Een voorbeeld is de productie van waterstofgas via een chemische reactie. Het waterstofgas wordt geproduceerd door gebruik te maken van aardgas en stoom dan wel via elektrolyse (splitsen) van water. Vervolgens wordt het gas in een bepaald medium opgeslagen. In een brandstofcel wordt door verbranding met zuurstof uit de lucht de energie teruggewonnen onder afscheiding van water, zie fig. 5.3.6. Het rendement van een brandstofcel kan oplo-pen tot 83%. De opslagcapaciteit bij chemische energie opslag varieert enorm, zie tabel 5.3.1. Het is duidelijk dat de kosten voor energietransport van uranium per kJ veel lager zijn dan die van olie of nog erger: batterijen.

171

2

4

8ηLVBenodigd vermogen P =

πRη = viscositeitscoëfficiënt

V = volume per oppervlakte-eenheid per seconde, R = pijpdiameter, L = transportlengte

Fig. 5.3.6 Het principe van een brandstofcel. Tabel 5.3.1 De opslagcapaciteit bij chemische energie opslag in kJ/kg.

Energiedrager kJ/kg Energiedrager kJ/kg Uranium e.d. bij kernenergie 7,0x1010 Hout 1,5x104 Waterstof 1,2x105 Waterkracht bij 100 m verval 9,8x102 Methaangas 5,0x104 Batterijen 100 – 500 Gasolie, diesel, petroleum 4,4x104 Vliegwielen 80 Kolen 2,9x104 Waterstof steekt gunstig af ten opzichte van diverse energiedragers, zoals diesel, petrole-um, aardgas als gekeken wordt naar de energie-inhoud per massa-eenheid, zie tabel 5.3.2. Tabel 5.3.2 De geschiktheid van H2 als energiedrager.

Brandstof kJ/gram kJ/liter

Petroleum 43,5 30590 Diesel 42,7 29890

Methanol 19,6 15630 Aardgas 50,02 31,7

Waterstof 119,9 10 Vaak wordt aardolie over grote afstanden gepompt door lange pijpleidingen. Het benodig-de vermogen voor transport van vloeibare energiedragers volgt uit: Dus men moet de viscositeit van de vloeistof verlagen voor een efficiënt vloeistof-transport. Dit betekent in Arctische gebieden zoals Alaska, dat men de ruwe aardolie moet verwarmen tot ongeveer 60 oC.

2H2 4H+ + 4e- 4e- + 4H+ + O2 2H2Odus de netto-reactie is 2H2 + O2 2H2O

172

transportverlies hoogspanningskabel

toegeleverd aan consument

P I.R =

P V

Het vermogensverlies bij transport van elektriciteit volgt uit: Ptransportverlies = I2.Rhoogspanningskabels Nu is het toegeleverde vermogen aan de consument gelijk aan: P = I.V, Dus het is handig om de verhouding zo klein mogelijk te maken. Strategie voor het verduurzamen van de energieketen Een strategie gericht op het beperken of voorkomen van de energiegebonden milieupro-blemen moet zich volgens twee lijnen ontwikkelen: 1. Het gebruik van energie zoveel mogelijk beperken. 2. Overgaan van fossiele brandstoffen naar duurzame bronnen. De Derde Energienota van het Rijk hanteert daarvoor als doel voor 2020 een reductie van het gebruik van primaire energie van 33% en een aandeel van duurzame energiebronnen van 10%. Het beperken van het gebruik van primaire energie dient te worden bereikt door zowel rendementsverbetering als vraagreductie met behulp van meerjarenafspraken (MJA’s) met de industrie en met behulp van de Energie Prestatie Normering voor woning- en utiliteitsbouw. Dit laatste heeft zich verankerd in het “Bouwbesluit”. Hierin staat voor-geschreven waaraan een nieuwe woning moet voldoen ten aanzien van energiegebruik. Dit betekent dat voldoende maatregelen voor warmte-isolatie moeten zijn genomen, wil de woning voldoen aan het Bouwbesluit. Met de aanname dat fossiele brandstoffen in 2020 dezelfde emissies per eenheid brand-stof zullen veroorzaken als nu, zouden de genoemde maatregelen leiden tot een reductie van de milieubelasting door de energieketen met 37% (reductie met een factor 1,6). De beperking van het energiegebruik kan bereikt worden door: a) De verbetering van de conversierendementen. Het energetisch rendement (η) is lou-

ter een technisch probleem. Winst kan geboekt worden door de verbetering van be-staande technieken (bijvoorbeeld van een VR-ketel met η = 0,75 naar hoogrende-ment ketel “HR-ketel” met η = 0,85), of door het overgaan naar nieuwe technieken (van HR-ketel naar warmtepomp met η = 3,5).

b) De beperking van de energievraag. Dit kan op twee manieren plaatsvinden: - Door de vraag te verminderen door passieve maatregelen (bijvoorbeeld oriënta-

tie op de zon en betere isolatie van woningen, of nieuwe syntheseroutes in de industrie), zie fig. 5.3.7.

- Door combinatie van de verschillende energievragen van een sector; dit kan zo-wel in ruimtelijke zin (hergebruik van warmte d.m.v. warmtewisselaars bijvoor-beeld) als in de tijd (energieopslag). Dit is niets anders dan het toepassen van het exergieprincipe binnen de aftakkingen van de energieketen in de verschillen-de sectoren.

173

Fig. 5.3.7 Let op de oriëntatie op de zon en de inrichting van de buurt.

c) De verbetering van de structuur van de energieketen komt ook op het toepassen van het exergieprincipe neer, hetgeen op de volgende manieren verwoord kan wor-den: - Maak gebruik van afvalwarmte. - Pas de kwaliteit van de energiebron aan de kwaliteit van de energievraag. - Gebruik iedere energievrager ook als energiebron.

De totale energieketen is dan in tegenstelling tot de energieketen van figuur 5.3.1 in een ideaal geval volledig geïntegreerd (zie figuren 5.3.4 en 5.3.8). Gas kan bijvoorbeeld (win-ning) eerst omgezet worden in elektriciteit (Conversie 1). De afvalwarmte die tijdens dit proces ontstaat, kan gebruikt worden in de hoge temperatuur industrie (energievraag 1 in fig. 5.3.8). Na gebruik in deze industrie blijft een hoeveelheid energie aanwezig, maar op een veel lagere temperatuur (conversie 2). Deze warmte kan bijvoorbeeld gebruikt wor-den om gebouwen te verwarmen (energievraag 2). De bij de verbranding van aardgas en kolen ontstane CO2 en het warmteoverschot kan worden toegeleverd aan de tuinbouw (vraag 1). Figuur 5.3.8 Geïntegreerde energieteken. Vraagreductie door passieve maatregelen Voor de gebouwde omgeving (sectoren “Huishoudens” en “Overig”) is het te betwijfelen of er op lange termijn nog veel te verwachten valt van deze deelstrategie. Goede isolatie en oriëntatie op de zon leiden weliswaar tot een behoorlijke reductie van de warmtevraag, maar in plaats daarvan ontstaat er een koelvraag. Reductie van de verlichtingsvraag door grotere glasoppervlakte leidt ook óf tot een grotere warmtevraag (slecht isolerend glas) dan wel tot een grotere koelvraag (goed isolerend glas). Bovendien brengt het overmatig isoleren gezondheids- en comfortklachten met zich mee. Gemiddeld wordt in een huis in Nederland 12% van de benodigde warmte via zonlicht verkregen en 4% via de aanwezig-heid van de bewoners zelf. Dus 84% moet worden opgewekt via het verstoken van brand-stoffen.

Winning Conversie 1 Vraag 1 Conversie 2 Vraag 2

174

Een nieuwe ontwikkeling is de toepassing van “translucent thermal insulation” materialen (TIM), zie fig. 5.3.9. Deze materialen zijn redelijk doorzichtig voor zonlicht maar hebben een lagere warmtegeleidingcoëfficiënt dan de muur in de figuur. Tussen de TIM-laag en de muur is een warmteabsorberende zwarte laag aangebracht en deze wordt overdag op-gewarmd door het zonlicht. Het uitstralen van de warmte van de warmteabsorberende zwarte laag naar binnen toe gaat trager dan de opwarmsnelheid van die zwarte laag zodat de binnenruimte nog warmte ontvangt als er in de avond afkoeling optreedt als er min-der/geen zonlicht is. Figuur 5.3.9 Transparante thermische isolatie. Voor de sector “Industrie” is er waarschijnlijk meer speling omdat naast goede isolatie, ook het vinden van nieuwe syntheseroutes een reductie van de energievraag met zich mee kan brengen. Voor de sector “transport” is de enige oplossing voor passieve vraagreductie het beperken van verkeer en vervoer (per as). Voor alle sectoren moet er nog rekening gehouden worden met het “rebound effect”. Dit komt er op neer dat iedere rendementsverbetering tot een grotere energievraag leidt (de verlichting wordt bijvoorbeeld veel sneller aangedaan als een spaarlamp wordt toegepast dan met een gewone lamp), waardoor een verbetering via deelstrategie 3 zal leiden tot een verslechtering via deelstrategie 1. (Zie ook het slot van het artikel over zure regen in de Bijlage). Onder de aannamen dat een vraagreductie van 30% in de sectoren “Industrie”, “Huishou-dens” en “Overig” haalbaar is en dat er geen vraagreductie in de transportsector plaats-vindt, kan men door passieve maatregelen een reductie van de milieubelasting van onge-veer 28% bereiken (factor 1,4). Trapsgewijze energieomzetting en -gebruik Om de mogelijke verbetering voor het milieu veroorzaakt door deze deelstrategie in te kunnen schatten, worden de volgende aannamen gehanteerd: - aan de vraag van de sectoren “Huishoudens” en “Overig” valt er langs deze weg on-

geveer 30% op de energievraag te besparen (energieopslag inbegrepen); - de sector “Industrie” wordt gesplitst in 50% hogetemperatuurtoepassingen (1500 oC) en 50% lagetemperatuurtoepassingen (< 200 oC); alle energie nodig voor

de lagetemperatuurtoepassingen is afkomstig van de hogetemperatuurtoepassingen; alle energie vrijkomend uit de lage temperatuur toepassingen (186 PJ) wordt ge-bruikt door de sector “Overig”;

MuurTIM

Reflectie zonlicht

Invallend zonlicht

Warmtewinst: Binnen naar woon- ruimte is gro- ter dan uit- straling naar buiten

Buiten

175

- voor transport zijn er geen aanzienlijke besparingen; - de warmte vrijkomend van de elektriciteitsproductie (50% elektriciteit en 50%

warmte) wordt systematisch benut. Het herberekenen van de Nederlandse energiebalans leidt dan tot een reductie van de mi-lieubelasting van ongeveer 60% (factor 2,4). Een kanttekeningen bij het volledig integreren van de energieketen is, dat dit gecompli-ceerde en weinig overzichtelijke systemen kan produceren. Mankementen in één van de schakels kunnen grote gevolgen hebben voor de hele keten. De regeling en controle van de hele energieketen wordt dan heel belangrijk. Er moet ook aandacht besteed worden aan de ruimtelijke effecten van ketenintegratie (zo moeten industriële gebieden niet te ver af liggen van de gebouwde omgeving, of er moet per bedrijfsterrein de juiste mix aan be-drijven aanwezig zijn). Verbetering van de omzettingsrendementen Het verbeteringspotentieel van bewezen technieken voor warmteopwekking is vrij beperkt. Wanneer nieuwe technieken toegepast worden, is dit echter nog vrij groot. In de toe-komst kunnen we er wellicht van uitgaan dat de totale warmtevraag van de sectoren “Huishoudens” en “Overig” afgedekt wordt met warmtepompen (rendement van 3,5). Aangezien de temperatuurniveaus in de sector “Industrie” vrij hoog zijn, wordt er van uit-gegaan dat alleen een kwart van de warmtevraag ingevuld wordt met warmtepompen. Voor de sector “Transport” wordt aangenomen dat het rendement verdubbeld kan worden door gebruik van elektrische motoren. Voor de elektriciteitsproductie wordt er een verho-ging van het rendement tot 70% aangenomen. Onder deze aannamen bedraagt de reduc-tie van de milieubelasting door verbeterde omzettingsrendementen 47% (factor 1,9). Bijdrage van duurzame energiebronnen Het gebruik van zonlicht om water op te warmen is een eenvoudige wijze van duurzaam energiegebruik, zie fig. 5.3.10. In dit voorbeeld wordt doorstromend water in de pijpen opgewarmd en kan elders verbruikt worden of opgeslagen om later de warmte te benut-ten. Het rendement bij directe toepassing van het warme water kan oplopen tot 55%. Men kan ook water met spiegels verhitten tot hoge temperatuur/druk stoom en hiermee elektriciteit opwekken. Fig. 5.3.10 Een zonnecollector. (Bron: blz. 120 uit E. Boeker, R. van Grondele, Envi-

ronmental Physics, 2nd editon. Wiley ISBN 0 471 997803, 1995).

176

21kin 2

312

3

E = ρu

Vermogen van een windturbine P = ρu

met u = windsnelheid en ρ 1,2 kg/m

2

2

Woutput vermogen in

mη = W

inkomende straling in m

Bij foto-voltaïsche cellen wordt zonlicht direct omgezet in elektriciteit (zonnecellen, solar cells). Zonnecellen bestaan uit halfgeleidende materialen en worden in series of parallel aan elkaar geschakeld. Het rendement is tot maximaal 44% van de energie van de inval-lende fotonen; in de praktijk gaat het tot ongeveer 23%: Bij toepassing van windenergie kan men de rotorbladen beter hoog plaatsen omdat de kinetische energie van wind per m3 gelijk is aan: en hoe hoger de luchtlaag, des te harder de wind waait. Dus plaats de molens hoog óf op zee. Zoals eerder aangegeven moet men zich verder afvragen hoe duurzaam “duurzame maat-regelen” werkelijk zijn. Dit betekent dat levenscyclusanalyses van de duurzame energie-bronnen gemaakt dienen te worden. Zo blijken bijvoorbeeld biomassa en foto-voltaïsche cellen bij de huidige stand van de techniek minder duurzaam te zijn dan aanvankelijk ge-dacht werd. Dus ook met duurzame energiebronnen moet er genoeg aandacht besteed worden aan passieve vraagreductie, rendementsverbetering en trapsgewijze energiebe-nutting. Aan de andere kant is het wel zo dat de maximalisatie van het duurzame energie-park veel meer ruimte geeft voor het adequaat omgaan met de gezondheids- en comfort-problemen die optreden met te vergaande passieve vraagreductie en met de gevoelig-heids- en robuustheidproblemen die optreden met te vergaande trapsgewijze energiebe-nutting. Door de diverse strategieniveaus toe te passen, blijkt het mogelijk een reductie te berei-ken van de milieubelasting (veroorzaakt door de energieketen). Het gebruik aan primaire energie zou dan gedaald zijn en dat zou gedekt moeten worden door duurzame energie-bronnen. Het totale vermogen van energie opgewekt met duurzame bronnen moet groter dan nu worden. Om een reductie van de milieubelasting met een factor 20 te bereiken kan men stellen dat het aandeel van duurzame bronnen minstens een factor 3,3 moet zijn. Vraag 5.3.1 Efficiëntie van primaire en secundaire energie.

Bepaal de efficiëntie van het verpompen van een vloeistof. Ga hierbij uit van de vol-gende efficiënties bij de diverse energieconversies:

- van ruwe aardolie naar dieselolie 90% - van dieselolie naar elektriciteit 40% - transport van elektriciteit 90%

- conversie van elektrische energie in mechanische energie (vloeistof massa-transport) 40%

Antwoord: Totale efficiëntie = 0,90x0,40x0,90x0,40 = 0,13 dus 13%.

177

zout w ater97%

zoet w ater3%

grondwater30,0%

permofrost, moeraswater

0,7%

poolijs69,0%

meren, rivieren0,3%

5.4 Water Inleiding Wereldwijd is er 1400 miljard km3 water aanwezig, waarvan 97,5% zout en slechts 2,5% zoet. Van dit zoete water bestaat 30% uit grondwater en slechts 0,3% uit hernieuwbaar (drink)water in meren en rivieren. Zie figuur 5.4.1. In principe is er genoeg zoet water op aarde beschikbaar voor de mens. Er valt jaarlijks 110.000 km3 neerslag waarvan na ver-damping een neerslagoverschot overblijft van 45.000 km3. Dat is gemiddeld 8500 m3 per persoon per jaar, als we dit zoete water niet onbenut laten afstromen naar zee. Figuur 5.4.1 Totale hoeveelheid water op aarde. Geschat wordt dat de mondiale vraag naar water jaarlijks 5.000 km3 omvat. Het neerslag-overschot biedt dus ruime mogelijkheid om de vraag te dekken. Het probleem is echter dat die neerslag ongelijk verdeeld is in ruimte en tijd. Daarnaast wordt veel water verspild en wordt de kwaliteit ervan in vele delen van de wereld bedreigd door vervuiling vanuit de industrie, bestrijdingsmiddelen vanuit de landbouw en gebrekkig sanitair in stedelijke ge-bieden, het laatste vooral in ontwikkelingslanden. Tachtig procent van alle ziekten en éénderde van alle sterfgevallen in de wereld worden veroorzaakt door het drinken van besmet water. Met name in sloppenwijken van grote steden is de situatie slecht en heeft de bevolking nauwelijks tot geen toegang tot schoon water. Veel landen maken gebruik van externe bronnen en zijn daarmee afhankelijk van water uit buurlanden. De vrees bestaat voor conflicten in grensoverschrijdende stroomge-bieden, waar meerdere landen afhankelijk zijn van dezelfde waterbron. Bovendien overex-ploiteren landen hun interne zoetwaterbronnen - zoals grondwater dat niet op natuurlijke wijze aangevuld wordt - die daardoor op soms korte termijn uitgeput raken. Daarbij komt dat er wereldwijd sprake is van een toenemende vraag naar water. De landbouw (veel water wordt verspild bij de irrigatie en verbouw van veredelde gewas-sen) en veeteelt leggen een groot beslag op het beschikbare water evenals de industrie. Het huishoudelijk waterverbruik in de wereld stijgt als gevolg van bevolkingsgroei en toe-nemende welvaart. Volgens de Wereldbank verdubbelt de wereldconsumptie van water elke 20 jaar. Deze ontwikkelingen maken van zoet water een schaarse bron. Er wordt door deskundigen zelfs gevreesd dat waterschaarste hét probleem van 21e eeuw zal worden. We moeten daarom zuiniger omgaan met water, ook in Nederland. Men denkt dat op het huishoudelijk waterverbruik 30% bespaard kan worden, op industrieel verbruik 90% en op verbruik door de landbouw tot 50%. Daarmee zou de wereldwaterconsumptie kunnen da-len van 5.000 naar 2.500 km3.

178

Stromenanalyse Het doel van de stromenanalyse is een beeld te krijgen van de kwantiteit en kwaliteit van de verschillende waterstromen in de waterketen alsmede van de omvang en ernst van verontreinigingen en van de diverse bronnen. De waterstromen bestaan uit neerslag en verdamping, kwel en infiltratie, drink- en afvalwater en grond- en oppervlaktewater. Jaarlijks valt er in Nederland zo’n 30 miljard m3 neerslag waarvan 19,5 miljard m3 ver-dampt. Het neerslagoverschot in Nederland bedraagt 10 km3 zoet water, dit is 680 m3 zoet water per persoon per jaar, hetgeen Nederland plaatst in de top tien van de wereld-ranglijst van waterarme landen, waar 1000 m3 per persoon als armoedegrens wordt ge-steld. Hierbij wordt uitgegaan van de beschikking over interne bronnen, in het geval van Nederland dus het neerslagoverschot. Dit neerslagoverschot wordt benut, infiltreert in de bodem of wordt afgevoerd. Van het ons beschikbare water wordt 5 miljard m3 gebruikt. De infiltratie in de bodem naar het grondwater is ongeveer even groot als de afvoer: 6 miljard m3. Van deze afvoer komt 1,5 miljard m3 op rekening van de grondwaterwinning. De resterende 4,5 miljard m3 verlaat de bodem via het oppervlaktewater, de rivieren of via verdamping uit de bodem. Via de rivieren stroomt er 80,5 miljard m3 het land binnen, 69 miljard m3 via de Rijn en 8,5 miljard m3 via de Maas. Uit diverse andere bronnen en rivieren komt daar 3 miljard m3 bij. De rivieren voeren vervolgens gezamenlijk 86 miljard m3 water af naar de Noordzee. Van het totaal van 90 km3 - aanvoer rivieren plus neerslagoverschot - exploiteert Neder-land uiteindelijk 16% voor onder andere industrie, landbouw en huishoudens. De over-heid, met name de gemeenten en waterschappen, verbruikt echter ook veel water. Voor de verziltingbestrijding bijvoorbeeld wordt jaarlijks zo’n 20 km3 zoet water gebruikt. Drinkwater Drinkwater wordt in Nederland voor 2/3 deel uit grondwater (825.106 m3) en voor 1/3 deel uit oppervlaktewater (388.106 m3) gewonnen. Huishoudens consumeren 733.106 m3 daarvan. Zie onderstaande tabel voor de huishoudelijke gebruiksdoeleinden. Tabel 5.4.1. Verbruik huishoudens in liters per persoon per dag. Gebruik Volume Gebruik Volume toiletspoeling 39 vaatwasmachine & afwassen

met de hand 4,9 & 0,9

wasmachine & wassen van han-den

25,5 & 2,1 wastafel 4,2

douche 38,3 voedselbereiding 2 bad 9 overig 8,2 Totaal 134,4 Oppervlaktewater Vooral de industrie en de elektriciteitsproducenten maken veel gebruik van oppervlakte-water, met name voor koeldoeleinden. De elektriciteitsproducenten gebruiken 12 miljard m3 oppervlaktewater, dat zij ook weer op het oppervlaktewater lozen. De lozing van koel-water veroorzaakt thermische verontreiniging van het oppervlaktewater. De industrie ge-bruikt 4 miljard m3 oppervlaktewater als koel- en proceswater. Met name in het westen van het land wordt gebruik gemaakt van oppervlaktewater voor drinkwaterproductie. Dit oppervlaktewater wordt voor een deel (<50% van het totaal) eerst geïnfiltreerd in de duinen (diep- maar ook oppervlakte-infiltratie). Vanaf 1940 zijn veel drinkwaterbedrijven van grondwateronttrekking uit de duinen overgeschakeld op infil-tratie van rivierwater in de duinen. De hoge doorstroomsnelheden van het infiltratiewater

179

en de slechte kwaliteit ervan hebben geleid tot sterk verstoorde milieus. De voedingsstof-fen uit het rivierwater bevorderen de groei van planten behorende bij voedselrijke en ver-stoorde milieus en verdringen de planten die er van nature thuishoren. Ook draagt de winning van het geïnfiltreerde water bij aan de verdroging van de duingebieden. Met diep-infiltratie hoopt men de negatieve milieueffecten te beperken. Grondwater Er wordt 1,5 miljard m3 grondwater gewonnen in Nederland. Zoals reeds vermeld wordt 825.106 m3 grondwater benut voor de bereiding van drinkwater, 375.106 m3 wordt ingezet in industriële processen, 100.106 m3 wordt voor overige, vaak particuliere, doeleinden op-gepompt. In een gemiddeld jaar gebruikt de landbouw 175.106 m3 voor beregening (in een nat jaar 100.106 m3 en in een droog jaar 300.106 m3), [Bron: RIZA]. Zie tevens onder-staande figuur 5.4.2. Figuur 5.4.2 Grondwateronttrekkingen in Nederland. Afvalwater De ruwweg 424 communale rioolwaterzuiveringinrichtingen (RZI’ s) in Nederland ontvan-gen zo’n 5.106 m3 afvalwater per dag, dit is 279 liter per inwoner per dag en 1860.106 m3 per jaar. De RZI’s krijgen jaarlijks zo’n 21.106 inwonerequivalenten te verwerken, waarvan de huishoudens er 15,5.106 voor hun rekening nemen. Er ligt 80.300 km openbaar rioolstelsel in Nederland, waarvan 72,5% uit gemengde riool-stelsels en 25% uit gescheiden stelsels bestaat. De meerderheid van het rioolstelsel is tus-sen de 10-40 jaar oud (inclusief renovatie-invloeden). Er zijn zo’n 12.000 overstortpunten in Nederland waaruit gemiddeld 6 overstorten per jaar plaatsvinden (een totaal van 72.000 overstorten op het Nederlandse oppervlaktewater). De communale RZI’s produceren gezamenlijk dik 2.109 kg slib per jaar, dat niet meer kan worden afgezet in de landbouw vanwege de verontreinigingen in het slib. Dit slib wordt dan ook op andere wijze verwerkt, zie figuur 5.4.3. Particuliere zuiveringsinrichtingen voe-gen hier circa 1,5.109 kg slib aan toe. De afzet in de landbouw komt volledig voor de re-kening van de particuliere AWZI’s. Bij slibgisting, bedoeld om het slib te stabiliseren, wordt gistingsgas geproduceerd. Dit wordt voor een aanzienlijk deel omgezet in elektriciteit en warmte ten bate van het zuive-ringsproces of direct gebruikt voor verwarming van het (warme) slibgistingsproces. Een ander deel wordt direct gespuid.

180

veevoer3%

natte oxidatie in VerTech

installaties14%

landbouw13%

verbranding18%

vuilstort36%

compost16%

Fig. 5.4.3 Afzet zuiveringsslib van openbare en particuliere AWZI’s. Bij slibgisting, bedoeld om het slib te stabiliseren, wordt gistingsgas geproduceerd. Dit wordt voor een aanzienlijk deel omgezet in elektriciteit en warmte ten bate van het zuive-ringsproces of direct gebruikt voor verwarming van het (warme) slibgistingsproces. Een ander deel wordt direct gespuid. Nederland kampt met een hoge slibproductie en daarmee gepaard gaande kosten voor verwerking. Slibverwerking gaat met een hoog energiever-bruik en met ruimtebeslag gepaard. Om de slibproductie en de daarmee gepaard gaande milieuproblemen in te perken, richt men zich vooral op effectgerichte oplossingen voor het slibprobleem, zoals afvalwaterzuiveringsprocessen met een kleinere slibproductie, con-sumptie van slib door hogere organismen of technische verwerkingstechnieken als vergla-zen, drogen, natte oxidatie en verbranden. Knelpunten In Nederland ontstaat als gevolg van verschillen in de aanvoer in ruimte en in tijd samen met de wijze van waterbeheer watertekort en -overlast, verdroging en vervuiling. Veront-reiniging, intensief gebruik, maar ook een onevenwichtige inrichting leiden tot een ver-slechtering van de waterkwaliteit, waardoor het water vaak met voldoet aan de toegeken-de functies. Wateroverlast en watertekort Door toenemende verharding en verstedelijking (voornamelijk in gebieden, die hydrolo-gisch ongunstig zijn voor bebouwing) en door een te snelle afvoer van neerslagoverschot-ten ontstaat wateroverlast. Neerslag op een verhard oppervlak wordt vrijwel direct afge-voerd naar het riool. Een bijkomstig probleem is dat riolen bij zware regenbuien deze af-voer niet kunnen verwerken en hun inhoud overstorten op de oppervlaktewateren. Dit leidt tot eutrofiering en vervuiling met PAK’s en zware metalen. Door de kans op toename van hevige regenbuien als gevolg van klimaatverandering, zal het huidige rioolstelsel in de toekomst ook vaker overstorten. We hebben in het najaar van 1998 kunnen zien dat in grote delen van Nederland de over-vloedige neerslag niet meer verwerkt kon worden en gebieden blank kwamen te staan, hetgeen grote economische schade tot gevolg had (o.a. oogstverliezen). Daarnaast kennen de rivieren piekafvoeren wanneer het verzamelde water uit het stroom-gebied zich door nauwe, bedijkte rivierbeddingen een weg moet banen richting Noordzee. Dit kan in zeer natte perioden leiden tot verhoogde waterstanden, verzwakte dijken en een bedreiging van de bewoonde gebieden binnen winterdijken of in uiterwaarden. De

181

piekafvoeren worden verhevigd doordat bovenstrooms te weinig water wordt vastgehou-den in bos, bodem en oppervlaktewater. Daarnaast is er ook te weinig ruimte voor de rivieren, ze hebben een tekort aan (tijdelijke) bergingsmogelijkheden. Uiterwaarden en winterbedden hebben landbouw- en stedelijke functies gekregen. Door een te geringe compensatie daarvan elders langs de rivier, door rivierbedijkingen en door sedimentatie in het rivierbed van grind, zand en slib, hebben de rivieren te weinig ruimte (zowel in de lengte als in de breedte) om de piekafvoeren goed te kunnen verwerken. Watertekorten ontstaan in droge perioden (‘s zomers) door te snelle afvoer van neerslag-overschotten in de winter. Water dat dan ingelaten moet worden om dit tekort aan te vul-len is veelal van een systeemvreemde en vaak onvoldoende tot slechte kwaliteit. Voor het bufferen van neerslagoverschotten en piekafvoeren, zijn dus onvoldoende ber-gingsmogelijkheden in Nederland. Door dit tekort aan bergingscapaciteit en door een toe-name van verhard oppervlak ofwel een afname van retentiecapaciteit, kan regen-, kwel- en oppervlaktewater onvoldoende of niet worden vastgehouden ter voorkoming van wa-teroverlast en niet of onvoldoende worden benut om ons in drogere tijden van water te voorzien. Verdroging 6200 km2 natuurgebied, een oppervlak zo groot als de Randstad, is verdroogd in Neder-land. Althans, op basis van de definitie

“een gebied wordt als verdroogd aangemerkt als aan dat gebied een natuur-functie is toegekend en de grondwaterstand in dat gebied onvoldoende hoog is dan wel de kwel onvoldoende sterk is om bescherming van de karakteristieke

grondwaterafhankelijke ecologische waarden waarop de functietoekenning is ge-baseerd, in dat gebied te garanderen”.

Een gebied met een natuurfunctie wordt ook als verdroogd aangemerkt als ter compensa-tie van een te lage grondwaterstand, water met een voor die natuurfunctie onvoldoende en afwijkende kwaliteit moet worden aangevoerd. Verdroging is hier dus niet in de eerste plaats een gevolg van waterschaarste, maar van een verandering in de natuurwaarden. Door een daling van de grondwaterstand treedt dus niet alleen een tekort aan vocht op voor de vegetatie, er kan ook een verandering in de samenstelling van het water plaatsvinden als gevolg van chemische en fysische reac-ties in de drooggeworden bodem (mineralisatie) of als gevolg van een veranderde invloed van en verhouding tussen neerslag, kwel en oppervlaktewater. Het probleem van de bovenstaande definitie is echter wel dat deze definitie andere ver-droogde gebieden die geen natuurfunctie hebben, niet meeweegt. Terwijl ook buiten de natuurgebieden nu of in potentie natte natuurwaarden aanwezig zijn, die bedreigd worden door dezelfde processen. Wel is duidelijk dat een nat gebied ook verdroogd kan zijn; de gevolgen van het doorspoe-len van watergangen en de gevolgen van het wegvallen van peilfluctuaties in de Bies-bosch als gevolg van de afsluiting van de Delta-armen zijn ook vormen van verdroging. Er treedt immers een verandering op van natuurwaarden als gevolg van de aanvoer van wa-ter van een voor die functie onvoldoende kwaliteit respectievelijk als gevolg van minerali-satie van de oevers. Het aquatisch ecosysteem wordt uiteindelijk onvolledig. Verdroging wordt voor 60-70% veroorzaakt door het peilbeheer ten bate van de kunstma-tige ont- en afwatering voor de landbouw en in minder mate ook ten bate van verstedelij-king in gebieden die hydrologisch minder gunstig zijn voor bebouwing. De drinkwaterwinning is een belangrijke grondwateronttrekker, maar niet de grootste ver-oorzaker van de verdroging. De verdroging wordt voor 20% veroorzaakt door grondwa-

182

onttrekking voor t.b.v. drinkw ater

20%

onttrekking landbouw en

industrie10%

peilbeheer landbouw en verstedelijking

60%

overig10%

teronttrekkingen ten bate van de drinkwaterproductie. De resterende 10-20% komt voor het merendeel ten laste van grondwaterwinningen ten bate van de industrie en berege-ning in de landbouw, zie fig. 5.4.4. Figuur 5.4.4 Verdrogingsoorzaken. Diffuse bronnen van verontreiniging Diffuse bronnen krijgen, na de voor een groot deel afgeronde sanering van de meeste puntbronnen, een steeds groter aandeel in de verontreiniging van het oppervlaktewater. Effluenten van communale rioolwaterzuiveringen, overstorten, de scheepvaart, de land-bouw, de instroom vanuit het buitenland via de rivieren en bouwmaterialen (o.a. koperen en loden waterleidingen en zinken hemelwaterafvoer) zijn belangrijke diffuse bronnen. Zij verontreinigen het water met onder meer zware metalen, bestrijdingsmiddelen, PAK’ s en meststoffen. Van alle zware metalen die in Nederland met het communale afvalwater worden afgevoerd, is tweederde afkomstig van materialen in de waterketen zelf (dat is de keten van het moment van drinkwaterwinning tot aan lozing op het riool). De instroom van verontreinigingen via de grote rivieren heeft vooral een negatieve invloed op de grotere wateren. De rivieren zijn als intermediair vooral voor PCB’s, cadmium, kwik, nikkel en chroom een belangrijke bron. De regionale wateren staan meer onder invloed van regionale en lokale bronnen, zoals riooloverstorten, waarvan er zoals vermeld jaarlijks 72.000 plaatsvinden op het Nederlandse oppervlaktewater. Vooral de landbouw (veestapel en bemesting van gewassen), het optreden van overstor-ten van rioolstelsels en instroom via de rivieren, veroorzaken met stikstof- en fosforhou-dende stoffen eutrofiëring ofwel vermesting van de oppervlaktewateren (zie ook hieronder bij nutriënten). “Run off” van straten en verkeerswegen, verduurzaamde beschoeiing en steenkoolteer op binnenvaartschepen zijn de bronnen van PAK-emissies naar het oppervlaktewater. De kwaliteit van het grondwater wordt bedreigd doordat nitraat, fosfaat en bestrijdings-middelen uit de verzadigde landbouwgronden naar het grondwater zakken. Verontreinigde waterbodems Er is tot 2015 een aanbod van zo’n 500.106 m3 verontreinigde baggerspecie (in diverse gradaties van verontreiniging) te verwachten, die gestort of anderszins verwerkt dient te worden. Voor Nederland is onderhoud en sanering van de waterbodems een behoorlijk probleem. We kampen met een tekort aan depotcapaciteit en zeer hoge sanering- en ver-werkingkosten. Om de hoeveelheid te storten specie te beperken, wordt gedacht aan her-

183

in dunne darm

in dikkedarm

in dunne darm

in dikkedarm

gebruik van gereinigde baggerspecie en de ontwikkeling van betere verwerking-, reini-ging- en baggertechnieken. Besmetting via ziektekiemen Besmetting kan gebeuren via het openbaar zwemwater (zee, recreatieplassen e.d.) en via besmetting van het water in een woonhuis of gebouw (de beruchte legionellabesmetting bijvoorbeeld). Bij oppervlaktewateren moeten we alert zijn op besmetting via: - Pathogenen: - Bacteriën (cholera, dysenterie, (para)tyfus - Virussen (hepatitis, polio) - Protozoën (amoebische dysenterie) - Parasitaire wormen (helminths) - Insecten:

- malaria, gele koorts, slaapziekte, rivierblindheid Bij protozoën gaat het om eencellige diertjes die vele malen groter dan een bacterie; de eerste eencellige diertjes. Voorbeelden zijn Giardia lamblia en Cryptosporidium parvum. Ze komen in diverse stadia (zoals de cysten en de trophozoïten bij Giardia lamblia) bij be-smetting voor in de dunne en dikke darm. Via de ontlasting komen ze weer in het opper-vlakte water terecht en de cyclus is weer verder. Zie figuur 5.4.5. Foto van H. Ackermann op internet

geplaatst. Hepatitis B virussen. 297.000x

Rechts: Poliovirussen. Foto van P. Williams, US EPA. Het

streepje geeft een lengteschaal van 50 nm.

Figuur 5.4.5 Links: Besmettingscyclus protozoën. Rechts: Virussen. Een besmetting met de legionellabacterie kan dodelijk aflopen en voorzichtigheid (en re-gelmatige controle) bij koelinstallaties, fonteintjes en drinkwaterleidingen is dan ook ge-boden. Figuur 5.4.6 toont de bacterie.

184

De volgende symptomen kunnen duiden op een be-smetting door de Legionellabacterie: snel opkomende hoofdpijn en spierpijn gevolgd door longontsteking met hoge koorts. Dit gaat gepaard met hoesten en soms kortademigheid.

Figuur 5.4.6 De legionellabacterie (Uit de Metro, 29 augustus 2006). Nutriënten Hierbij gaat het om verbindingen met stikstof, fosfor, koolstof, zwavel, calcium, kalium, ijzer, mangaan, boor, kobalt e.d. Hoewel essentieel voor de groei van levende organismen veroorzaken ze bij een teveel eutrofiëring (nutrient enrichment = eutrophication). Ze ver-oorzaken een ernstige waterverontreiniging als ze de oorzaak zijn van excessieve algen-groei. Invloed van klimaatverandering, zeespiegelstijging en bodemdaling Door klimaatverandering wordt aangenomen dat er in de toekomst in Nederland meer neerslag zal vallen. Door veranderingen in neerslag en verdamping zullen de rivieren gro-tere pieken en dalen kennen in hun afvoer. Hogere en lagere afvoeren wisselen elkaar bo-vendien met een hogere frequentie af. De Rijn wordt meer een regenrivier; ‘s zomers zul-len er vaker langdurige perioden met lage afvoeren zijn, ‘s winters zullen de afvoeren ge-middeld groter zijn. Afvoerpieken van de Maas kunnen in de volgende eeuw mogelijk gro-ter zijn, afhankelijk van een toename in de neerslag in het stroomgebied. Door klimaatverandering wordt een zeespiegelstijging van gemiddeld 60 cm in de komen-de eeuw verwacht. Gelijkertijd vindt er een bodemdaling plaats als gevolg van 1) ontwatering en daardoor zetting en oxidatie van veen en klei, 2) geologische processen als gevolg van tektonische processen, 3) gas- en zoutwinning en in geringe mate ook kolenwinning, hetgeen bijdraagt aan

plaatselijke bodemdaling. Door zeespiegelstijging, grondwateronttrekkingen, ont- en afwatering, inpoldering en bo-demdaling vindt een versnelling van het verziltingproces plaats. Er treedt verspreiding op van het zoute grondwater verder opwaarts en landinwaarts. Hierdoor ontstaat zoutschade in land- en tuinbouw en een afname van de zoete grondwatervoorraad.

185

5.5 Duurzame infrastructuur NATUURTECHNIEK EN CIVIELTECHNISCHE WERKEN: Een praktische set van "ecological engineering principles" (naar een lezing van dr. H. van Bohemen). Inleiding In deze bijdrage wordt een overzicht gegeven van natuurtechnische mogelijkheden om de relatie tussen (aanleg, beheer en onderhoud van) civieltechnische werken en natuur, mili-eu en landschap te versterken. Het aantal waterstaatswerken en de omvang ervan zijn zodanig toegenomen dat de kans dat in Nederland aanwezige natuur en landschap negatief wordt beïnvloed steeds groter is geworden, ook de mate waarin de invloed zich kan doen gelden is toegenomen, wat heeft geleid tot omvangrijke studies naar mogelijke negatieve effecten. Op basis daarvan is on-derzoek naar maatregelen opgezet om negatieve effecten te voorkomen, te beperken in omvang, te mitigeren (te verzachten), te compenseren (elders maatregelen nemen om "no net loss" van natuurwaarden te bereiken), dan wel het nemen van maatregelen die een positief effect kunnen sorteren. Het is wetenschappelijk en maatschappelijk van belang dat vanuit de civiele techniek extra aandacht wordt geschonken aan de mogelijkheden om civieltechnische werken, zoals aan-leg en gebruik van weginfrastructuur en gebouwen beter ingepast worden in het functio-neren van ecosystemen ten behoeve van het behoud en de ontwikkeling van de biolo-gische diversiteit. Daarbij kan een bewuste keuze van te gebruiken materialen eveneens een belangrijke rol spelen. Bijzondere aandacht vraagt integratie van kennis op het gebied van het begrijpen, benut-ten en beheersen van patronen en processen van natuurlijke (eco)systemen in relatie tot het plannen, ontwerpen, bouwen, beheren en onderhouden van civieltechnische systemen. De vergrote aandacht gericht op wegen, waterwegen, wegbermen, taluds, oevers en kunstwerken (bruggen en viaducten) van en/of langs de hoofdinfrastructuur laten succes-volle mogelijkheden zien. Van belang is onderscheid te maken tussen natuurtechniek in engere en in bredere zin (fig. 5.5.1). Het gaat dan om natuurtechniek sensu stricto (s.s.): het complex van maatre-gelen om (bedreigde) planten en dieren in hun habitatplekken te behouden en te ontwik-kelen resp. natuurtechniek sensu lato (s.l.): het ontwerp, herstel en ontwikkeling van duurzame ecosystemen waarbij er sprake is van integratie van de activiteiten van de mens en het natuurlijk milieu, ten voordele van beide. Voorts is het nuttig rekening te houden met synthesemogelijkheden waarbij niet alleen naar de combinatie van monofunctionele oplossingen worden gekeken, maar vooral naar multifunctionele (interdisciplinaire) en zo mogelijk transdisciplinaire oplossingen, omdat de verwachting is dat daarmee een grotere mate van duurzame ontwikkeling van ons hande-len bereikt kan worden. Een belangrijke rol kan daarbij ecological engineering (natuur-techniek in brede zin) spelen, zonder af te dingen op de betekenis van de natuurtechniek in engere zin. In deze bijdrage wordt ingegaan op en enkele voorbeelden gegeven van verworven kennis en inzichten over de toepassing van ecological engineering, natuurtech-niek in den brede betekenis van het woord, op het gebied van de integratie van wegen en wegennetten en natuurlijke patronen en processen, de betekenis van wegbermen als habi-tat voor planten en dieren, de versnipperende werking van wegen en de mogelijkheden van het nemen van mitigerende maatregelen en de landschappelijke inpassing van wegen.

186

Fig. 5.5.1 Positie van natuurtechniek sensu stricto ( = natuurbeheer) en natuurtechniek

sensu lato (= ecological engineering). Weginfrastructuur en ecological engineering Bij de aanleg, de aanwezigheid en het gebruik van wegen gaat het allereerst om de fysi-sche eigenschappen en mechanismen bij weginfrastructuur (van het cunet en de deklagen, respectievelijk geluidsemissie, trillingen, emissie van vervuilende stoffen, verlichting) die veranderingen van het abiotische milieu kunnen veroorzaken. Zij kunnen vervolgens eco-logische processen beïnvloeden, door verlies van habitat plekken (onder asfalt is wei-nig/geen leven mogelijk), door barrièrewerking, door verstoring, door genetische verande-ringen en beschadiging dan wel de dood van organismen betekenen als gevolg van aanrij-dingen. De uiteindelijke ecologische effecten spelen zich op populatie- en ecosysteemni-veau af, zoals afname van de omvang van populaties, wijzigingen in de soortensamenstel-ling en mogelijk lokaal uitsterven van (deel)populaties. Daarnaast biedt bij wegen de aanleg van bermen en bermsloten habitat plekken voor plan-ten en dieren. Rijkswaterstaat beheert ongeveer 12.000 ha wegbermen, wat vergelijkbaar is met de op-pervlakte van de Noordoostpolder. Uit het onderzoek naar het beheer van wegbermen blijkt onder meer dat voor wat betreft het beheer van grazige bermen in principe twee keer per jaar maaien en binnen 7-10 dagen afvoeren van het maaisel de soortenrijkdom in zijn algemeenheid het hoogst is en de voor bermen karakteristieke plantensoorten zich kunnen handhaven. Voorts is komen vast te staan dat, naast het voorkomen van planten, ook ecologisch waardevolle dagvlinders, amfibieën en kleine zoogdieren in de bermen worden aangetroffen. Met vaak simpele maatregelen is de habitatfunctie en corridorfunctie te vergroten zoals het voorzien van de kale zones op viaducten (fig. 5.5.2) met een vege-tatiedek (fig. 5.5.3).

187

Fig. 5.5.2 Kale zijbermen op een viaduct.

Fig. 5.5.3 Begroeide zijbermen op een viaduct. Ook het construeren van nestwanden voor de oeverzwaluw in de oever van zandwinputten en in klaverbladen van hoofdwegen (fig. 5.5.4) of voor wilde bijen (fig. 5.5.5) zijn goede voorbeelden van het bevorderen van de fauna door gerichte technische maatregelen.

188

Fig. 5.5.4 Een kunstmatige wand met nesten voor de oeverzwaluw.

Fig. 5.5.5 Kunstmatige nestvoorziening voor wilde bijen. De versnipperende werking van wegen en verkeer en de mogelijkheden van het nemen van ontsnipperende maatregelen, inclusief onderzoek naar het gebruik ervan, zijn sinds enkele decennia steeds meer op de voorgrond gekomen. Het beleid op het gebied van ontsnippering heeft vooral na 1990 een impuls gekregen. Zowel op het gebied van onder-zoek naar de feitelijke oorzaken en gevolgen, alsmede naar de mogelijkheden om met be-hulp van mitigerende maatregelen (fauna voorzieningen) de negatieve effecten te vermin-deren. De resultaten van het onderzoek zijn mede gebruikt voor de prioritering van pro-jecten om een zo doelmatig mogelijke besteding van de beschikbare financiële middelen te kunnen bereiken. Er is thans een bruikbaar instrumentarium en een helder afwegingskader

189

op basis van knelpuntenanalyses, zowel op landelijke, regionale als lokale schaal beschik-baar. Voorts zijn de geleerde lessen in een samenhangend kader geplaatst. Voor de im-plementatie van de gewenste maatregelen op het gebied van ontsnippering blijkt de be-trokkenheid van medewerkers, maar vooral ook van leidinggevende personen binnen de organisatie, alsmede samenwerking met andere overheden en maatschappelijke organisa-ties essentieel voor het bereiken van een goed resultaat. Van de ecologie van wegbermen naar een ecosysteem benadering van de weg en zijn omgeving, en van natuurtechniek naar ecological engineering. Wegen en verkeer zijn een belangrijke bron van emissie van o.m. stikstofoxyden (NOx), schadelijke vluchtige organische stoffen (VOCs) en zwevende deeltjes (PM10 en PM 2,5). Dicht en open asfalt verschillen in de mate van verspreiding van milieu vervuilende stoffen door verwaaiing en run-off. Dicht asfalt vertoont meer verwaaiing dan open asfalt. Bij open asfalt heeft run-off een belangrijker aandeel in de verspreiding van water en milieu vervuilende stoffen. In de poriën van open asfalt blijft de vervuiling grotendeels achter. Door het regelmatig reinigen van de vluchtstrook blijft de doorstroming in het zoab ge-waarborgd. De vegetatie en de bodem van het bermgedeelte dicht bij het wegoppervlak spelen een belangrijke rol bij het opnemen en deels onschadelijk maken van vervuilende stoffen van de weg en het verkeer. Brongerichte maatregelen hebben de voorkeur boven effectgerichte maatregelen. Maar als de weg en omgeving meer als samenhangend geheel wordt gezien kunnen meer integrale oplossingen extra van betekenis zijn. Wegen en wegennetwerken vormen één van de belangrijkste oorzaken van versnippering van habitat plekken. Om de knelpunten tussen wegen en natuur te achterhalen zijn “over-lay” technieken zeer nuttig; door het wegenpatroon over de gekarteerde ecologische net-werken te leggen kunnen knelpunten aangewezen en verder geanalyseerd worden. Fig. 5.5.6 geeft een voorbeeld van een knelpuntenanalyse op landelijke schaal. Recent zijn actualisaties op landelijke schaal evenals detailstudies op provinciale schaal beschikbaar gekomen. Deze methode is ook op gemeentelijk en lokale schaal (wijkniveau) zinvol uit te voeren; studies met deze methode zijn op gemeentelijk niveau echter nog weinig beschik-baar gekomen.

Wegen kunnen door middel van speciale voorzieningen meer doorlaatbaar worden ge-maakt voor dieren. Faunapassages kunnen bijvoorbeeld bestaan uit eenvoudige, enkel-voudige buizen onder of over de weg, uit ecoducten of uit brede landschapsbruggen. Ook ondertunneling van wegen en wegen op palen behoren tot de mogelijkheden om de ver-snipperende werking van wegen te verminderen. Fig. 5.5.7 geeft een overzicht van moge-lijkheden. Meer en meer aandacht is er ook voor meervoudig ruimtegebruik, zoals fauna-voorzieningen in combinatie met recreatief verkeer tot en met ideeën voor meerlagen bouw waarbij ecoducten worden voorzien van woningen en kantoren. Fig. 5.5.8 laat een prefabduiker zien waar tevens looprichels als faunavoorziening zijn aangebracht. Een goed voorbeeld van meedenken van de betonindustrie. Wegbermen spelen een belangrijke ecologische rol en dienen met aandacht te worden beheerd (maaifrequentie, maaidata, afvoer van maaisel) om de ecologische waarden te behouden en zo mogelijk te vergroten.

190

Fig. 5.5.6 Voorbeeld van een knelpuntenanalyse van ecologisch waardevolle gebieden

en de snelwegen van Nederland.

Fig. 5.5.7 Verschillende vormen van faunavoorzieningen onder en over de weg. Grazige begroeiing vereist in principe twee keer maaien per jaar waarna het maaisel na 7 tot 10 dagen verwijderd dient te worden om de verscheidenheid aan planten te behouden dan wel te vergroten. Spontane vestiging en ontwikkeling van planten en dieren worden in principe aanbevolen in combinatie met een adequaat beheerregime.

191

Fig. 5.5.8 Een duiker voorzien van faunapassage mogelijkheden.

Onder bijzondere omstandigheden kan (hydro)seeding of zgn. inoculatie geadviseerd wor-den. Een mooi voorbeeld vormt de Beneluxbaan in Amstelveen waar met behulp van hy-droseeding ecologisch waardevolle bermen zijn aangelegd (fig. 5.5.9). Fig. 5.5.9 Het uitvoeren van hydroseeding (foto Hein Koningen). Het betrekken van extra zones parallel aan de berm in het aangrenzende land, in navol-ging van natuurvriendelijke oevers en randen van akkers zonder bemesting, kan van bete-kenis zijn om de biodiversiteit te verhogen. Het zou goed zijn als bestaande regelingen hierop van toepassing verklaard worden. De toepassing van een zgn. drie-netwerkenanalyse (wegen, water en natuur), als uitbrei-ding op de zgn. twee-netwerkenanalyse, in combinatie met de lagenbenadering uit de mi-lieuplanning en ruimtelijke ordening kan integratie van genoemde aspecten met andere activiteiten (wonen, werken en recreëren) worden bevorderd.

192

Het combineren van ecosysteemdiensten is een mogelijkheid om werk met werk te maken. Meer onderzoek in dit verband is gewenst, zoals naar integratie mogelijkheden van ge-luidwerende voorzieningen en beplantingen met ecologische waarde voor de opvang en verwerking van luchtvervuilende stoffen. Een andere mogelijkheid van integratie van ecosysteemdiensten en productie van ecosys-teem goederen zijn helofytenfiltersystemen. Zij maken afbraak, omzetting en opname van verontreinigingen in planten mogelijk evenals productie van hernieuwbare stoffen. Figuur 5.5.10 laat de integrale toepassing van helofytenfilter systemen langs en in de omgeving van een weg zien. Maar ook het betrekken van kunst kan tot interessante oplossingen lei-den (fig.5.5.11 en fig. 5.5.12). Fig. 5.5.10 Een overzicht van toepassing van helofytenfiltersystemen langs wegen

(naar een idee van Izembart en Boudet, 2003). Fig. 5.5.11 Geluidwerende voorziening opgebouwd uit een structuur van betonijzer

gevuld met afvalpuin ontworpen door Krijn Giezen.

193

Fig. 5.5.12 Een door Lynne Hull ontworpen nestplaats voor roofvogels. Een ecosysteembenadering kan eveneens behulpzaam zijn bij het integreren van ecolo-gische, sociale en economische aspecten binnen de planning en het ontwerp van wegen en andere civieltechnische objecten. De ontwikkeling van een nieuw vakgebied “infrastructurele ecologie” zou nuttig zijn voor het vergroten van het inzicht in de relatie tussen wegen, verkeer, wegbermen en de om-geving van de weg. Synthese: een set van principes van ecologische engineering voor toepassing in de civie-

le techniek. In de vorm van een tiental principes wordt op basis van de verkregen resultaten uit het onderzoek en een aantal voor het werkveld relevant geachte ethische principes een set van principes van ecological engineering voor toepassing in de civiele techniek gepresen-teerd. Het betreft: 1. Een menselijke ingreep in een landschap dient in een ecologische context op alle

schaalniveaus beoordeeld te worden. De genius locus is daarbij het uitgangspunt. 2. Bij het plannen, bouwen en beheren van civieltechnische objecten dient het faciliteren

van zelfregulerende ecologische processen één van de doelstellingen te zijn. 3. Bij het ontwerp van constructies dient rekening gehouden te worden met de betekenis

van “snelle” en “langzame” ecologische processen, of wel welke kansen zijn er in dy-namische milieus voor planten en dieren die gebonden zijn aan een lage milieudyna-miek.

4. Het is voor het behoud en de ontwikkeling van planten en dieren gewenst zoveel mo-gelijk een ecologisch ongeschonden toestand te handhaven en zo mogelijk te bevor-deren. Dit betekent optimaliseren van abiotische, biotische en andere condities om aan de eisen van een zo volwaardig mogelijk functionerend ecosysteem te voldoen.

5. Het is uit ecologisch oogpunt van belang ontwerpen van civieltechnische objecten aan te passen aan de ter plaatse aanwezige ecosystemen. Ecosysteem functies behoren te worden gerespecteerd en een gepast gebruik zal van ecosysteem goederen en eco-syteem diensten worden gemaakt.

6. De combinatie van ecosysteem diensten en de productie van ecosysteem goederen zal zoveel mogelijk worden gecombineerd.

194

7. Bij het ontwerp van civieltechnische objecten zullen gradiëntrijke situaties worden ge-

respecteerd en waar mogelijk worden hersteld dan wel worden toegevoegd. 8. Maak (veranderingen in) ecologische patronen en processen zo zichtbaar en beleefbaar

mogelijk. 9. Betrek in alle fasen van het proces van de planning, ontwerp, constructie, beheer en

sloop van civieltechnische objecten alle betrokken actoren (opdrachtgever, ontwerper, bouwer, sloper), zowel als indirect betrokken actoren (klant, beheerder, sloper). Ook mensen die nu en in de toekomst beïnvloed kunnen worden zullen betrokken respec-tievelijk mee worden rekening gehouden.

10. Negatieve effecten zouden niet bij anderen of elders, nu of in de toekomst “neerge-legd” moeten worden. Als na het voorkómen van, dan wel het nemen van preventieve maatregelen nog negatieve effecten van een ingreep overblijven dan zullen mitigeren-de maatregelen genomen moeten worden. Wanneer daarna nog negatieve effecten overblijven, kan via compensatie een “no net loss” van ecologische waarden zoveel als mogelijk worden bereikt. Daarnaast zou zo mogelijk herstel van aangetaste waarden moeten kunnen worden bevorderd.