Kernenergie? Toch maar niet...

Een andere hockeystick

Op deze kernenergie pagina van Polder PV het integrale artikel van Jan Willem Storm van Leeuwen wat gepubliceerd is in het Nederlandse energie tijdschrift, Energie+, nr. 27(5)/september 2007: pp. 28-31, en wat op Polder PV elektronisch geherpubliceerd mocht worden met schriftelijke toestemming van de redactie, waarvoor hartelijk dank!

Op de website van Energie+ is na publicatie van het artikel nog een erratum geplaatst met enkele correcties van grafieken. De gecorrigeerde grafieken zijn in het hieronder weergegeven artikel opgenomen.

Door Jan Willem Storm van Leeuwen, Ceedata Consultancy

Een andere hockeystick - Kernenergie en het broeikaseffect

Energie kost energie. De omzetting van potentiële energie in een energiedrager en bruikbare energie vergt altijd een omzettingssysteem, dat zelf ook energie verbruikt. In dit artikel nemen we de winning van uranium voor kernenergie onder de loep. Het ‘nucleaire systeem’ bestaat uit conventionele industriële processen die fossiele brandstoffen, elektriciteit en materialen verbruiken, met CO2-emissie als logisch gevolg. Hoeveel emissie en waar liggen de omslagpunten?

Bruikbare energie is energie die naar wens op een bepaalde plaats en bepaald moment ingezet kan worden voor een bepaalde energiedienst. In ongeveer 87 procent van de wereldenergievraag in 2006 werd voldaan door minerale energiedragers: fossiele brandstoffen en uranium, zie Figuur 1. De minerale energiedragers worden gewonnen in de biosfeer (waartoe ook het voor de mens toegankelijk deel van de lithosfeer wordt gerekend) en alle effecten van het gebruik ervan komen vroeg of laat ten laste van de biosfeer. Het is dus zinvol om de hele keten van een energiesysteem in beschouwing te nemen:

• winning, raffinage en transport van de energiedrager;
• omzetting in bruikbare energie en transport ervan;
• verwerking van het afval.

   

^^^ (klik op plaatje voor uitvergroting) Figuur 1. Het wereldenergieverbruik in 2006. De hoeveelheid traditionele biomassa – (hout, veen, stro, mest, zoals gebruikt in ontwikkelingslanden – is slechts bij benadering bekend. De ‘traded energy’ omvat de fossiele brandstoffen + waterkracht en kernenergie. De cijfers hiervan zijn afkomstig uit BP 2007 [Q91]. De cijfers van traditionele biomassa en moderne duurzame bronnen, zoals wind en PV, zijn geëxtrapoleerd van 2004 naar 2006 op grond van IEA 2006 [Q274]. Een deel van de fossiele brandstoffen wordt gebruikt om elektriciteit op te wekken.

Het nucleaire energiesysteem en broeikasgassen
Kernenergie wordt opgewekt uit uranium, een metaal (element) dat in de vorm van mineralen in sommige gesteenten voorkomt, gemengd met andere mineralen. Dit in tegenstelling tot de fossiele brandstoffen, die gewoonlijk in min of meer onvermengde vorm worden gevonden (al moeten ze nog enige bewerkingen ondergaan voor optimaal gebruik). Via mijnbouw en een serie chemische processen wordt het uranium uit het gesteente vrijgemaakt en gezuiverd. Het gezuiverde uranium, in de vorm van uraniumoxide U3O8, ondergaat nog een aantal chemische en fysische processen (o.a. verrijking) voordat het als splijtstof in de reactor geplaatst kan worden.
Het complex van processen en activiteiten dat nodig is om kernenergie op te wekken wordt het nucleaire systeem genoemd. Alle deelprocessen daarvan, met uitzondering van de kernreactor zelf, zijn conventionele industriële processen, die energie en materialen gebruiken. De energie wordt toegevoerd in de vorm van fossiele brandstoffen en elektriciteit. Al deze processen emitteren dus CO2.
Het broeikaseffect wordt niet alleen veroorzaakt door CO2. Mondiaal gezien levert CO2 de grootste bijdrage hieraan. Dat wil echter niet zeggen dat van enig industrieel proces de lozing van CO2 de grootste bijdrage van dat proces aan het broeikaseffect is en dat alleen naar CO2 gekeken moet worden. Een proces kan weinig CO2 produceren, maar als het daarnaast andere broeikasgassen loost, kan de bijdrage van dat proces aan het broeikaseffect toch groot zijn. Sommige gassen, zoals CFK’s (verbindingen van chloor, fluor en koolstof), kunnen een global warming potential (GWP) hebben dat tien- tot twintigduizend maal zo sterk is als van CO2.
Het is dus zaak het hele nucleaire systeem door te lichten op dit punt, vooral ook omdat in de kop van de splijtstofketen (Figuur 2) per jaar tienduizenden tonnen elk van chloor, fluor, organische oplosmiddelen en andere chemicaliën gebruikt worden. Dit onderzoek heeft vermoedelijk nooit plaatsgevonden, er zijn althans nooit gegevens gepubliceerd over de emissie van andere broeikasgassen. Afwezigheid van gegevens impliceert niet afwezigheid van emissies. Noodgedwongen is onze studie [Q6] beperkt gebleven tot de lozing van CO2 door het nucleaire systeem.

(klik op plaatje voor uitvergroting) >>> Figuur 2. Het nucleaire energiesysteem bestaat uit twee hoofdlijnen: de reactorlijn (links, blauwe pijl) en de splijtstoflijn (rechts, rode pijl). De spil van het systeem is de kernreactor. Hier komt de potentiële energie in het uranium vrij in de vorm van warmte en straling en wordt irreversibel een enorme hoeveelheid radioactiviteit gegenereerd. De reactorlijn omvat de bouw, operationeel bedrijf en de afbraak van de kerncentrale. De splijtstoflijn omvat de processen die nodig zijn om van uraniumerts splijtstof te maken (front end) plus de processen nodig om de gegenereerde radioactiviteit zoveel mogelijk van de biosfeer te isoleren (back end). De focus van dit artikel ligt bij de uraniumreserves en het front end van de splijtstofketen.

Uraniumwinning
De thans bekende uraniumreserves van de wereld zijn in Figuur 3 weergegeven als functie van het uraniumgehalte van het erts waarin het element zich bevindt. De energie voor de winning van uranium uit erts is sterk afhankelijk van het ertsgehalte. In Figuur 3 is te zien dat de armste ertsen een factor 1.000 lager uraniumgehalte hebben dan de rijkste. Dat houdt in dat voor 1 kilogram uranium uit de arme ertsen 1.000 keer zoveel gesteente gedolven, vermalen en chemisch behandeld moet worden (om het uranium in oplossing te brengen) dan uit rijk erts (verdunningseffect). Daarbij komt dat de onvermijdelijke verliezen bij de extractie van uranium sterk toenemen naarmate de oplossing een lager gehalte heeft aan uranium: het extractierendement neemt exponentieel af bij lage ertsgehaltes.
De uraniumwinning wordt voornamelijk gevoed door fossiele brandstoffen, zoals dieselolie voor de trucks en graafmachines, en produceert dus CO2. Bovengenoemde effecten (de verdunningsfactor en het extractierendement) maken dat de specifieke CO2-emissie exponentieel toeneemt naarmate het erts armer is. Beneden een gehalte van 0,02 procent wordt de nucleaire emissie groter dan van gasgestookte elektriciteitsopwekking en, gelet op het vrijwel verticale verloop van de curve, groter dan van elk fossiel gestookt systeem (zie Figuur 4). De curves van Figuur 4 zijn een uitvloeisel van basale fysische en chemische wetten en zullen nauwelijks verschuiven door verbetering van de technieken voor de winning van uranium uit gesteentes.
Er is bovendien een belangrijk geochemisch verschijnsel in het spel: de mineralogische barrière. Voor elk schaars metaal (in geologische zin) geldt dat beneden een bepaald gehalte in een gesteente het metaal geen eigen mineralen meer vormt maar aanwezig is in een zogenoemde vaste oplossing: de ionen zijn verspreid in de silicaatmatrix. Voor koper ligt deze mineralogische grens bij ongeveer 0,1 procent Cu, voor uranium vermoedelijk tussen de 0,02 en 0,01 procent U3O8. Het is technisch mogelijk om uranium uit gesteentes beneden de mineralogische barrière te winnen, maar het energie- en chemicaliënverbruik springt dan met een factor 10 of meer omhoog.

<<< (klik op plaatje voor uitvergroting) Figuur 3. De bekende winbare uraniumreserves van de wereld bedroegen in 2006 in totaal ongeveer 4,7 miljoen ton, volgens de statistieken van de IAEA en OECD/NEA (Red Book 2006 [Q90]). Het betreft de Reasonably Assured Resources plus Inferred Resources (IR) tot 130 US$/kgU. De verdeling over ertsgehalte wordt niet besproken in [Q90] en is uit andere bronnen afgeleid: [Q53], [Q85], [Q86], [Q87], [Q210], [Q211], [Q212], [Q213], [Q314] en [Q324].

<<< (klik op plaatje voor uitvergroting) Figuur 4. De specifieke CO2-emissie van het nucleaire systeem als functie van het uraniumgehalte van het erts waarmee het systeem gevoed wordt. De curve ‘fuel chain’ geeft de emissie van alleen de splijtstofketen. De curve ‘fuel chain + energy debt’ brengt ook de emissie tijdens de bouw, afbraak en opberging van het radioactieve sloopafval in rekening. Het blijkt dat het wel of niet meerekenen van de energieschuld geen invloed heeft op de fossiel-equivalente grenswaarde van het ertsgehalte.

Scenario’s: de CO2-val
Wat betekenen bovenstaande feiten voor de mondiale toekomst van kernenergie? Om een idee te vormen over de consequenties van Figuur 4 in de tijd, beschouwen we hier twee eenvoudige scenario’s.

• Scenario 1: constante capaciteit. De mondiale nucleaire capaciteit blijft op het huidige niveau van ongeveer 370 GW.
• Scenario 2: constant aandeel. De nucleaire capaciteit houdt gelijke tred met de stijging in het mondiale energieverbruik, zodat het nucleaire aandeel op 2,1 procent blijft. Dit zou een groei van de capaciteit inhouden van 2 tot 3 procent per jaar (het High scenario van de IAEA).

De thans bekende uraniumreserves zullen, globaal gesproken, opraken in volgorde van afnemend ertsgehalte (zie Figuur 5). Dit omdat uraniummijnen altijd eerst de rijkste en gemakkelijkst toegankelijke ertslichamen exploiteren, vanwege de hoogste opbrengsten. Gaandeweg zullen dieper liggende afzettingen aangesproken moeten worden. Behalve dat dieper liggend erts meer energie voor winning kost omdat meer gesteente verplaatst moet worden, neemt in het algemeen ook het ertsgehalte af met toenemende diepte. De combinatie van Figuren 4 en 5 levert het verloop van de specifieke CO2-emissie door het nucleaire energiesysteem.

(klik op plaatje voor uitvergroting) >>> Figuur 5. Uitputting van de bekende uraniumreserves over de tijd in twee scenario’s. Het mondiale gemiddelde van het ertsgehalte zal dalen. Dit diagram is afgeleid uit dat van Figuur 3.

(klik op plaatje voor uitvergroting) >>> Figuur 6. De CO2-val, of: een andere hockeystick. Door het toenemend energieverbruik van de uraniumwinning zal de specifieke CO2 emissie stijgen in de loop van de tijd. Binnen de levensduur van nieuw te bouwen kerncentrales zal de CO2 emissie hoger worden dan van fossiel opgewekte elektriciteit: kernenergie loopt dan in de CO2-val. De groene banden geven de spreiding in de uitkomsten aan, door onzekerheden in de invoergegevens.

Vooruitzichten
De toename van de gerapporteerde uraniumreserves gedurende de laatste jaren is toe te schrijven aan een herwaardering van het begrip ‘economisch winbaar’. Doordat een hogere prijscategorie meegerekend wordt (tot 130 US$/kg U), kunnen nu armere en moeilijker toegankelijke uraniumafzettingen erts genoemd worden. Nieuwe uraniumafzettingen zijn de afgelopen 20 jaar nauwelijks ontdekt. Alle gemakkelijk toegankelijke en te ontdekken afzettingen zijn al ontdekt en bijna alle ook al in productie.
Geologisch en statistisch gezien is de kans klein op de ontdekking van nieuwe grote uraniumreserves van dezelfde energetische kwaliteit en/of omvang als de thans bekende, zoals Olympic Dam en Ranger in Australië en het Athabasca Basin in Canada. De kans op aanwezigheid van onontdekte afzettingen neemt toe naarmate de afzettingen kleiner zijn en het gehalte aan uranium lager.
Bovenstaande houdt in dat nog te ontdekken uraniumreserves in het algemeen van lagere kwaliteit zullen zijn dan de thans bekende en dat de specifieke CO2-emissie van de winning ervan dus hoger zal zijn. Dat heeft op zijn beurt de consequentie dat er weinig verbetering in de toekomstige CO2-emissie door kernenergie valt te verwachten. De kans dat de ‘hockeystick’ van Figuur 6 verder naar de toekomst zal opschuiven lijkt gering, ook al worden nieuwe uraniumreserves ontdekt.

Referenties

Q6. Storm & Smith 2005. Storm van Leeuwen J W & Smith Ph B, Nuclear power - the energy balance. Chaam, Netherlands, August 2005, www.stormsmith.nl
Q53. NAC 1982. Data world uranium mines outside China and Sovietunion, Nuclear Assurance Corporation, Zürich, 1982. Personal communication via P.J. Van der Hulst, KEMA, Arnhem.
Q85. WNA-75 2007. Supply of Uranium, Appendix: The sustainability of mineral resources. World Nuclear Association, March 2007, www.world-nuclear.org/info/inf75.html based on OECD, NEA & IAEA, Uranium 2006, per 0101005 = UIC75 2007, www.uic.com.au/nip75.htm
Q86. UIC-34 2005. Geology of uranium deposits, Uranium Information Centre, Nuclear Issues Briefing Paper # 34, November 2001 (site visit 8 sept. 2005), www.uic.com.au/nip34.htm = [WNA26 2005] World Nuclear Association, Information Paper # 26 www.world-nuclear.org/info/inf26.html
Q87. WNA-mining 2005. Uranium mining in Australia and Canada. World Nuclear Association, June 2001 (2005), www.world-nuclear.org/education/mining.htm
Q89. WNA-23 2007. World uranium mining, World Nuclear Association, Information paper # 23, update May 2007, www.world-nuclear.org/info/inf23.html
Q90. Red Book 2006. Uranium 2005: Resources, Production and Demand, ‘Red Book’ 21st edition OECD NEA, IAEA OECD 2006.
Q91. BP 2007. Statistical Review of World Energy, June 2007, www.bp.com/centres/energy/
Q210. WNA-48 2006. Australia's uranium and who buys it, World Nuclear Association, February 2006, www.world-nuclear.org/info/inf48.html. Identical with: Uranium Information Centre, Nuclear Issues Briefing Paper 1, February 2006, www.uic.com.au/nip01.htm
Q211. UIC-emine 2005. Australia’s uranium mines. Uranium Information Centre, December 2005, www.uic.com.au/emine.htm
Q212. WNA-49 2006. Canada’s Uranium production and nuclear power, World Nuclear Association, February 2006, www.world-nuclear.org/info/inf49.html
Q213. UIC-pmine 2005. Australia’s uranium deposits and prospective mines. Uranium Information Centre, May 2005 > August 2005, www.uic.com.au/pmine.htm
Q274. IEA 2006. Key World Statistics, International Energy Agency, Paris, France, 2006, www.iea.org
Q314. WNA-27 2003. In situ leach (ISL) mining of uranium, World Nuclear Association, June 2003, www.world-nuclear.org/info/inf27.html
Q324. WISE-U 2006. WISE Uranium Project, www.wise-uranium.org

(NB: in het originele stuk waren de world-nuclear.org links met htm code opgegeven - deze moeten in de nieuwe opzet - op één na - als html gelezen worden, in bovenstaande lijst reeds gewijzigd)

© J.W. Storm van Leeuwen (Ceedata Consultancy)

Originally published in Energie+, Sep. 2007, Æneas, Boxtel (NL)
Republished with permission of the editor.