Wat is de invloed van restwarmte op de opwarming van de aarde?

Restwarmte is warmte die onbedoeld ontstaat als gevolg van het gebruik van energiebronnen. Bij de verbranding van kolen kan bijvoorbeeld slechts rond 40% van de energie die vrijkomt gebruikt worden om elektriciteit mee op te wekken. Het grootste deel van de energie wordt daarmee in de vorm van warmte de centrale uitgevoerd. Bij een kerncentrale kan de hoeveelheid restwarmte zelfs relatief nog hoger zijn dan bij een kolencentrale [7]. Niet alleen energiecentrales produceren restwarmte. Op elke plek waar een verbrandingsmotor aan staat, lekt er warmte weg. Een benzine- of dieselauto gebruikt bijvoorbeeld maar tussen de 12 en 30 procent van de opgewekte energie om zich voort te bewegen, de rest verdwijnt als warmte in de omgeving [6].

Antropogene warmte

Niet alleen restwarmte is een bron van verwarming van de omgeving. Bijna alle energie die de mensheid gebruikt, wordt uiteindelijk omgezet in warmte. Bijvoorbeeld omdat je de opgewekte elektriciteit gebruikt voor je vloerverwarming, maar ook als je ermee in je elektrische auto rijdt ontstaat er warmte door wrijving van de banden met het wegdek en het botsen van de lucht tegen de auto. Al die warmte noemt men antropogene warmte: warmte veroorzaakt door de mens. In Figuur 1 is te zien dat de rode regio’s waar de meeste warmte uitgestoten wordt vooral rijke gebieden zijn met een hoge bevolkingsdichtheid.

Figuur 1: Warmte-uitstoot door menselijke activiteit in watt per vierkante meter in 2009 (Chen et al., 2014)

In de rode gebieden in Figuur 1 is de hoeveelheid antropogene warmteproductie tegen de 20 watt per vierkante meter. Stel dat deze warmte uitsluitend door gloeilampen geproduceerd zou worden, dan zou er ongeveer elke twee meter een gloeilamp branden in deze gebieden.

Hernieuwbare energie

Als de energie uit niet-hernieuwbare bronnen komt, zoals fossiele brandstoffen of kernenergie, dan draagt dit tijdelijk bij aan de opwarming van de aarde. Warmte afkomstig van duurzame bronnen draagt niet bij aan de opwarming van de aarde als geheel. Dit komt doordat de energie van de wind, stromend water of geothermische bronnen ook warmte zou hebben afgegeven als ze niet door een energiecentrale gewonnen zou worden. Het gebruik van deze duurzame energie kan er wel voor zorgen dat er veel warmte ontstaat op een specifieke plek, zoals in de turbine van een windmolen vanwege de wrijving van het mechaniek. Dit wordt echter tenietgedaan doordat er op andere plekken minder energie is. In het voorbeeld van de windturbine betekent dit een lagere windsnelheid achter de wieken. Dit principe noemt men de Wet van behoud van energie: energie ontstaat en verdwijnt niet zomaar, maar komt ergens vandaan of stroomt ergens naartoe. Deze wet geldt ook voor fossiele brandstoffen en kernenergie. De warmte ligt als het ware ‘opgeslagen’ in de vorm van chemische verbindingen in fossiele brandstoffen of nucleaire massa. Echter, deze warmte zou door natuurlijke processen niet zo snel vrijgekomen zijn. Dat gebeurt wel als wij deze grondstoffen opgraven en opbranden.

Zonne-energie vormt hierop een uitzondering, want dit is een duurzame energiebron die wel warmte toevoegt aan de omgeving. Dit komt doordat zonnepanelen meestal donkerder van kleur zijn dan het oppervlak waarop ze liggen, waardoor ze meer zonnestraling absorberen (zie ook: Wat is de invloed van de kleur van het aardoppervlak op de opwarming van de aarde?). Zonnepanelen voorkomen echter ook verdere klimaatopwarming doordat ze energiebronnen met een hoge CO₂-uitstoot vervangen. Uit onderzoek blijkt dat deze vermeden opwarming ongeveer 30 keer groter is dan de opwarming die veroorzaakt wordt door de extra geabsorbeerde zonnestraling [5]. Het gebruik van zonnepanelen heeft daarom een ruimschoots positief effect op het tegengaan van klimaatverandering.

Bijdrage aan klimaatverandering

De warmte die de mensheid aan het aardoppervlak uitstoot, komt geleidelijk in steeds hogere luchtlagen, waarna het uiteindelijk verdwijnt in de ruimte. In hoeverre draagt de uitstoot van antropogene warmte bij aan klimaatverandering vergeleken met het effect van broeikasgassen? In 2009 is dit onderzocht door Mark Flanner van het National Center for Atmospheric Research in Boulder (VS) door de antropogene warmte te integreren in een klimaatmodel (zie ook: Hoe werkt een klimaatmodel?). De studie gebruikte gegevens van warmteuitstoot uit 2009 en concludeerde dat antropogene warmte geen significante invloed heeft op de wereldwijde temperatuur [2]. De gemiddelde hoeveelheid warmte-uitstoot over het hele aardoppervlak, inclusief de oceanen, was toen 0.028 watt per vierkante meter. Die hoeveelheid valt in het niet bij de hoeveelheid extra zonnewarmte die wordt vastgehouden ten gevolge van de uitgestoten broeikasgassen in de atmosfeer, dat kwam in 2005 namelijk neer op ongeveer 2.63 watt per vierkante meter [3]. De invloed van broeikasgassen op het klimaat is dus bijna honderd keer zo groot als die van antropogene warmte. De reden hiervoor is dat de warmte die wij uitstoten snel verdwijnt uit de atmosfeer, terwijl bijvoorbeeld CO2 enkele jaren tot meerdere duizenden jaren in de atmosfeer blijft hangen [1]. Gedurende al die tijd draagt de CO₂ bij aan de opwarming van de planeet, doordat het de warmte afkomstig van de zon vasthoudt in de atmosfeer door middel van het broeikaseffect.

Je zou dit principe kunnen vergelijken met iemand die in de winter gaat kamperen. Als deze persoon diens slaapzak vergeet en alleen een warme kruik meeneemt, zal die in eerste instantie wellicht warm genoeg kunnen blijven, maar de kruik zal snel afkoelen. Als deze persoon echter een goede winterslaapzak had meegenomen, kon die met gemak de hele nacht warm blijven. En mocht die het onverhoopt te warm krijgen, dan kan die simpelweg de rits wat openschuiven. Hetzelfde principe geldt voor antropogene warmte die in het milieu wordt uitgestoten en daarna snel verdwijnt. In de atmosfeer vormt CO2 daarnaast als het ware een deken die de aarde warm houdt. Helaas heeft onze atmosfeer geen rits die we even open kunnen zetten als het te warm wordt.

Het onderzoek van Flanner (2009) [2] keek ook naar de toekomstige rol van antropogene warmte, waarbij uitgegaan werd van een continue toename van het gebruik van niet-hernieuwbare energiebronnen. Uit de modelberekeningen bleek dat antropogene warmte in het jaar 2040 nog steeds geen aanzienlijke bijdrage zou hebben aan klimaatverandering. Slechts in het jaar 2100 zou antropogene warmte in dit scenario leiden tot een extra opwarming in bepaalde gebieden op aarde waar veel mensen wonen, zoals 0.5 °C extra in Europa en 0.9 °C extra in China. Echter, in een scenario van voortdurende groei van het gebruik van fossiele brandstoffen, zou de totale hoeveelheid klimaatopwarming in deze gebieden al rond de 5 °C zijn [4].

Het feit dat antropogene warmte slechts een heel klein deel van klimaatverandering veroorzaakt, zorgt ervoor dat dit geen belangrijk thema is onder klimaatwetenschappers. Bovendien is deze bron van opwarming een minder groot probleem voor de maatschappij, omdat er bij een transitie naar duurzame energiebronnen meteen geen opwarmend effect meer is, terwijl het versterkte broeikaseffect nog vele eeuwen voort zal duren als er geen manier komt om broeikasgassen efficiënt weer uit de lucht te halen.

Lokaal effect van antropogene warmte

Er wordt wel veel onderzoek gedaan naar de lokale effecten van antropogene warmte. De temperatuur in stedelijke gebieden is namelijk aanzienlijk hoger door, onder andere, de grote hoeveelheid warmte-uitstoot. Dat is de reden waarom sneeuw op het platteland iets makkelijker blijft liggen dan in de stad. Dit zogenaamde ‘urban heat island’ effect heeft negatieve gevolgen voor de leefbaarheid en de luchtkwaliteit van de stad en daarom zijn wetenschappers op zoek naar manieren waarop steden hun hitte beter kwijt kunnen.