Het grootste deel van het huidige energieverbruik komt nu nog uit fossiele energiebronnen. De afhankelijkheid van fossiele brandstoffen heeft een tweetal belangrijke consequenties. De voorraden fossiele brandstoffen zijn eindig; ofwel deze voorraden zullen binnen afzienbare tijd opraken. Voorafgaand daaraan zullen, zonder maatregelen, de prijzen van fossiele brandstoffen stijgen met nadelige gevolgen voor de economie. Belangrijker is echter dat het verbranden van fossiele brandstoffen gepaard gaat met de uitstoot van kooldioxide. Daardoor neemt het gehalte aan kooldioxide in de atmosfeer toe. Kooldioxide in de atmosfeer is op zich niet schadelijk. Het heeft zelfs een positief effect. Zonder kooldioxide zou de gemiddelde temperatuur op aarde onder het vriespunt liggen op -18 oC. De aarde zou dan een soort diepvrieskist zijn. Door het broeikasgaseffect hebben we hier op aarde aangename temperaturen. Echter nu dreigt het broeikasgaseffect te sterk te worden en tot te hoge temperaturen te leiden met ernstige gevolgen voor het klimaat, de menselijke samenleving en de natuur. Er worden maatregelen genomen om de kooldioxide emissie te verlagen. Het resultaten daarvan zijn duidelijk in de grafiek van het energieverbruik te herkennen. Het belang van fossiele brandstoffen wordt kleiner, er wordt overgegaan op meer hernieuwbare bronnen en overige energiebronnen zoals kernenergie.
Wat houdt het broeikasgaseffect in, waarom warmt de aarde op als gevolg van de broeikasgassen, zoals kooldioxide, in de atmosfeer? De onderstaande figuur geeft een beeld van het zonlicht dat op aarde valt en toont de relatie met het broeikasgaseffect.
Het invallende zonlicht in de aardatmosfeer is de belangrijkste factor die het klimaat op aarde bepaald. De inkomende straling valt, voor ongeveer de helft, binnen met frequenties in het zichtbare licht. De vermogensdichtheid van de invallende straling bedraagt ongeveer 1361 Watt per vierkante meter. De aarde draait om zijn as en heeft een bolvorm waardoor de gemiddelde stralingsenergie op de aarde lager is; ongeveer 340 Watt per m2. Een deel van het zonlicht wordt door wolken, gassen en aerosolen gereflecteerd (22%), een deel wordt in de atmosfeer geabsorbeerd (23%) en een deel bereikt het oppervlak van de aarde (185 W/m2, 54%). Het grootste deel van dit zonlicht wordt door de aarde geabsorbeerd (161 W/m2, 47%), een klein deel (7%) wordt gereflecteerd. Al deze energiestromen zijn met de gele pijlen in de figuur aangegeven. De dikte van de pijlen is een maat voor de grootte van de energiestroom [IPCC].
Elk lichaam met een bepaalde temperatuur straalt energie uit. Dat wil zeggen dat de aarde, de wolken en de broeikasgassen energie uitstralen. Omdat de temperatuur hiervan relatief laag is, vergeleken met die van de zon, stralen de aarde, de wolken en de broeikasgassen hun energie uit bij een lagere frequentie, in het infraroodgebied. Dat is met de rode pijlen aangegeven. Ook hier geeft de dikte van de pijlen ongeveer aan hoe groot de energiestroom is. De door de aarde uitgestraalde infraroodenergie (398 W/m2) wordt voor het grootste deel (316 W/m2) geabsorbeerd door wolken en broeikasgassen. De rest wordt uitgestraald naar het heelal (82 W/m2). Naast de infraroodenergie is er ook warmtetransport naar de wolken via een latente en een voelbare warmtestroom (104 W/m2), deze warmtestromen zijn niet in de figuur weergegeven [IPCC].
De wolken en broeikasgassen stralen infraroodenergie uit naar het heelal maar een groot deel van de infraroodstraling is gericht naar de aarde. De broeikasgassen vormen een soort deken om de atmosfeer waardoor meer energie naar de aarde wordt terug gestraald. Met andere woorden; hoe meer broeikasgassen in de atmosfeer hoe meer energie weer wordt terug gestraald. Het broeikasgaseffect wordt versterkt. Het gevolg is dat de aarde opwarmt en de gemiddelde temperatuur op aarde stijgt. De stijging van de temperatuur is voornamelijk te wijten aan de, door de mens veroorzaakte, verhoogde broeikasgas-concentraties en deels vermindert door koeling als gevolg van verhoogde aerosolconcentraties. De door de mens veroorzaakte stralingskracht veroorzaakt een accumulatie van extra energie (verwarming) in het klimaatsysteem. De waargenomen gemiddelde stralingskracht van het klimaatsysteem steeg van gemiddeld 0,50 W/m2 voor de periode 1971-2006, tot gemiddeld 0,79 W/m2 voor de periode 2006-2018. De verhoogde stralingskracht en de daarmee gepaard gaande opwarming van de aarde, heeft ernstige gevolgen voor de menselijke samenleving [IPCC].
Kooldioxide is een van de belangrijkste broeikasgassen. Bij verbranding van fossiele brandstoffen als kolen, olie en aardgas, worden deze voor een groot deel omgezet in warmte en kooldioxide. Het gebruik van fossiele brandstoffen voor de energievoorziening heeft daardoor de uitstoot van kooldioxide tot gevolg. Naast kooldioxide zijn er andere broeikasgassen verantwoordelijk voor de opwarming van de aarde. Dat zijn vooral methaan (CH4), lachgas (N2O, distikstofoxide), ozon (O3) en fluorverbindingen (CFK's, HFK's, PFK's, en SF6, gehalogeneerde koolwaterstoffen). Naast de broeikasgassen bevat de atmosfeer ook deeltjes of aerosolen, zoals sulfaat, roet en nitraat, die ook invloed uitoefenen op het klimaat [CvdL].
Door menselijke activiteiten nemen de concentraties van broeikasgassen en aerosolen in de atmosfeer toe. In 2016 was de totale uitstoot van broeikasgassen 53 miljard ton CO2 equivalent. Onderstaande figuur geeft aan hoe de uitstoot is verdeeld over de verschillende broeikasgassen en welke sectoren verantwoordelijk zijn voor de uitstoot. De uitstoot is ook verdeeld in energetische en niet-energetische emissies [PBL].
Het grootste aandeel in de uitstoot van broeikasgas in 2016, 32 miljard ton, komt voor rekening van energetische emissies. Deze nemen ongeveer twee derde van de totale broeikasgasemissies voor hun rekening. Energetische emissies zijn de emissies die gepaard gaan met het verbranden van fossiele brandstoffen. Deze fossiele brandstoffen worden onder andere gebruikt voor het opwekken van elektriciteit, voor het verwarmen in industriële processen, voor het aandrijven van auto's, vrachtwagens, schepen en vliegtuigen en voor het verwarmen van gebouwen. De uitstoot, bij het verbranden van fossiele brandstoffen, komt voornamelijk vrij in de vorm van kooldioxide, CO2. Andere activiteiten leiden tot niet-energetische emissies, deze dragen voor ongeveer een derde bij aan de broeikasgasemissies. Een deel daarvan komt vrij in de vorm van CO2 onder andere bij cementproductie, ontbossing en landgebruik. De totale uitstoot van kooldioxide in 2016 komt daarmee op ongeveer 41 miljard ton CO2 [IPCC], [PBL], [Volkskrant].
Methaan (CH4) is ook een belangrijk broeikasgas. Methaan is een sterker broeikasgas dan kooldioxide; een ton methaan staat gelijk aan 25 ton CO2. Methaan wordt onder andere uitgestoten bij kolenwinning, gaswinning, veeteelt, rijstteelt, chemische industrie, stortplaatsen, vuilnisbelten en waterzuivering. Ook moerassen, veengebieden en ontdooiende permafrost stoten methaan uit. Veeteelt draagt in totaal ongeveer 15% bij aan de uitstoot van methaan door het platbranden en kappen van bossen voor nieuwe weidegronden en door de uitstoot van methaan door het vee. Daarnaast wordt bij veeteelt ook lachgas (N2O) uitgestoten. Lachgas komt vooral vrij bij het gebruik van kunstmest en bij het verbranden van bossen en oogstafval. Lachgas komt in mindere mate vrij bij het verbranden van fossiele brandstoffen. Verder dragen gehalogeneerde koolwaterstoffen bij aan het broeikasgaseffect. Ook waterdamp is een broeikasgas. Verwacht wordt dat, door de hogere temperatuur op aarde, de verdamping van water toeneemt waardoor de hoeveelheid waterdamp in de atmosfeer ook hoger wordt. Dit versterkt het broeikasgaseffect. De bijdrage van waterdamp aan het broeikasgaseffect is echter geringer dan de bijdrage van de eerder genoemde broeikasgassen [IPCC], [PBL], [CvdL].
Sinds 1850 is het gebruik van fossiele brandstoffen voor de energievoorziening, en daarmee de uitstoot van kooldioxide, sterk gestegen. Vanaf 1850 tot 2019 is er 2390 miljard ton CO2, afkomstig van menselijke activiteiten, in de atmosfeer gekomen. Daarvan is ongeveer 1400 ton afkomstig van het verbranden van fossiele brandstoffen. De rest is afkomstig van cementproductie en landgebruik. De laatste bijdrage is voornamelijk het gevolg van ontbossing ten behoeve van landbouw en veeteelt waardoor de, in planten en bomen opgeslagen, kooldioxide vrijkomt. Van de totale uitstoot werd 715 miljard ton opgenomen door oceanen, die daardoor zuurder worden. Het overige deel, 645 miljard ton, is opgenomen door planten en bomen. De opname door planten en bomen compenseert een deel van de CO2-emissie van 660 miljard ton als gevolg van landgebruik. Het resultaat is dat ongeveer 43 procent van totale jaarlijkse uitstoot, 1030 miljard ton, in de atmosfeer is achter gebleven. Daardoor neemt de concentratie van CO2 in de atmosfeer toe. Onderstaande figuur geeft de gemiddelde concentratie van kooldioxide (CO2) in de aardse atmosfeer over de laatste 1000 jaar [IPCC], [Compendium voor de Leefomgeviing].
De concentratie van kooldioxide was, vanaf het jaar 1000 tot en met het jaar 1750, ongeveer constant en schommelde rond de 280 ppm (deeltjes CO2 per miljoen luchtdeeltjes). Met het toenemen van het gebruik van fossiele brandstoffen neemt ook de concentratie van kooldioxide sterk toe. De sinds 1750 waargenomen stijging van de concentratie broeikasgassen zijn ondubbelzinnig veroorzaakt door menselijke activiteiten. In 2019 werd een jaargemiddelde bereikt van 410 ppm voor kooldioxide (CO2); 1866 ppb voor methaan (CH4) en 332 ppb voor lachgas (N2O, distikstofoxide). In 2019 waren de CO2-concentraties in de atmosfeer hoger dan ooit over de laatste 2 miljoen jaar en de concentraties CH4 en N2O waren hoger dan ooit in de laatste 800.000 jaar. In 2022 bereikten de broeikasgassen in de atmosfeer, kooldioxide, methaan en lachgas, opnieuw recordhoogtes. Vooral de methaanconcentratie in de lucht steeg sneller dan verwacht. In het afgelopen decennium is de grootste stijging van de CO2-concentratie gemeten sinds het begin van directe atmosferische metingen in 1960. Het verbranden van fossiele brandstoffen heeft geleid tot een sterke stijging van de concentratie van broeikasgassen in de atmosfeer met als gevolg dat de aarde opwarmt [IPCC].
Iets meer dan 60% van het broeikaseffect wordt veroorzaakt door kooldioxide. De rest van het effect, iets minder dan 40%, wordt veroorzaakt door andere broeikasgassen; methaan, lachgas en fluorverbindingen. De emissies van methaan en lachgas vertonen in de tijd gezien hetzelfde verloop als de emissie van CO2 en nemen ook toe [IPCC].
De natuurlijke koolstofputten op land en in de oceaan hebben in de afgelopen zes decennia een bijna constant aandeel (wereldwijd ongeveer 56% per jaar) van de CO2-uitstoot opgenomen. Naar verwachting worden, bij hogere CO2-emissies, de putten echter minder effectief. Het aandeel van de emissies, opgenomen op land en in de oceaan, neemt af bij toenemende cumulatieve CO2-emissies, daardoor zal een groter deel van de uitgestoten CO2 in de atmosfeer blijven [IPCC].
Er is een bijna lineair verband tussen de cumulatieve antropogene CO2-emissies en de opwarming van de aarde. Elke 1000 GtCO2 cumulatieve CO2-emissies veroorzaakt een stijging van 0,27 oC tot 0,63 oC van de wereldwijde oppervlaktetemperatuur, met een gemiddelde schatting van 0,45 oC. Dit verband wordt de transiënte klimaatrespons op cumulatieve CO2-emissies (TCRE) genoemd [IPCC].
De figuur geeft de bijna lineaire relatie tussen de cumulatieve CO2-emissies en de stijging van de wereldwijde oppervlaktetemperatuur, ten opzichte van de gemiddelde temperatuur tussen 1850 en 1990. Elke ton CO2-uitstoot draagt bij aan de opwarming van de aarde. In de periode 1850-2020 werd in totaal 2411 GtCO2 antropogene CO2 uitgestoten, dit heeft geleid tot een temperatuurstijging van 1,2 oC. De TRCE-relatie houdt in dat het bereiken van een netto nul antropogene CO2-emissie, een vereiste is om door de mens veroorzaakte wereldwijde temperatuurstijging op elk niveau te stabiliseren. Netto nul antropogene CO2-emissies houdt in dat de hoeveelheid CO2 die door menselijke activiteiten in de atmosfeer wordt uitgestoten gelijk is aan de hoeveelheid CO2 die gedurende een bepaalde periode door menselijke activiteiten uit de atmosfeer wordt verwijderd. Netto negatieve CO2-emissies treden op wanneer antropogene verwijderingen hoger zijn dan antropogene emissies. Uit het lineaire verband tussen cumulatieve emissies en de temperatuurstijging kan verder worden afgeleid wat het resterende koolstofbudget is, wil de mensheid de temperatuurstijging onder een bepaald niveau houden. Voor het vanaf 2020 beperken van de opwarming tot 1,5 oC komt dat neer op 500 Gt CO2; het beperken van de opwarming tot 2,0 oC komt neer op 1150 Gt CO2 [IPCC].
Onderstaande figuur geeft de landen die jaarlijks de meeste kooldioxide uitstoten als gevolg van het gebruik van fossiele brandstoffen. De kooldioxide-uitstoot wordt gegeven voor de jaren 1990, 2000, 2010 en 2020 [Our World in Data].
China stoot de meeste kooldioxide uit, maar heeft ook de grootste bevolking. Door de toenemende welvaart in China is de uitstoot daar de laatste jaren snel toegenomen, zoals in de figuur is te zien. Datzelfde geldt in mindere mate ook voor andere landen in ontwikkeling zoals India, Rusland, Indonesië, Iran en Turkije. In de westerse landen neemt de uitstoot in de laatste jaren over het algemeen af door energiebesparing en het inzetten van hernieuwbare energie. De uitstoot van de andere landen is veel kleiner dan die van China en de Verenigde Staten. Voor een deel is dat het gevolg van de kleinere bevolking in die landen. In de onderstaande figuur wordt daarom de jaarlijkse uitstoot van een land per hoofd van de bevolking gegeven [Our World in Data].
De landen met de grootste uitstoot per hoofd van de bevolking zijn merendeels landen die fossiele brandstoffen winnen. Bij de westerse landen ligt de jaarlijkse kooldioxide-uitstoot in 2020 tussen de 4 en 15 ton per hoofd van de bevolking. De Verenigde Staten voeren deze lijst aan. Ook Nederland heeft met 8 ton een relatief hoge uitstoot per hoofd van de bevolking. China heeft de grootste uitstoot, maar per hoofd van de bevolking ligt de uitstoot op het laagste niveau van de westerse landen, rond de 7 ton per hoofd in 2020. Zoals te zien is in de figuur, stijgt deze uitstoot de laatste jaren snel door de toenemende welvaart in China, die een sterke toename van het fossiele energieverbruik tot gevolg heeft. Dit geldt, naast China, in meer of minder mate ook voor de andere landen in ontwikkeling.
Nog een ander beeld ontstaat wanneer de jaarlijkse emissie per hoofd van de bevolking wordt uitgezet tegen de het bruto nationaal product. Het bruto nationaal product (bnp) is de totale toegevoegde waarde van alle goederen en diensten die in een jaar door een bepaald land wordt geproduceerd. Het bnp is een maat voor de welvaart van een land en wordt hier gegeven in dollar. In de onderstaande figuur is de emissie per hoofd (ton CO2/hfd) uitgezet tegen het bnp per hoofd ($/hfd), de grootte van de bol is een maat voor de grootte van de bevolking [Our World in Data].
Qatar heeft verreweg de grootste welvaart maar stoot ook de meest kooldioxide uit per hoofd van de bevolking. Andere landen die fossiele brandstoffen winnen hebben een bnp tussen de 40.000 en 80.000 dollar per hoofd met een uitstoot van tussen de 5 en 25 ton CO2 per hoofd. De meeste westerse landen liggen ook in dit gebied. Rusland heeft als olie- en gasproducerend land een relatief lage welvaart, maar stoot relatief veel CO2 uit door inefficiënt gebruik van energie. Noorwegen heeft als olie- en gasproducerend land een relatief hoge welvaart en stoot weinig CO2 uit dank zij waterkrachtcentrales. Het wereldgemiddelde ligt op 15.000 dollar per hoofd met een emissie van 4,5 ton CO2 per hoofd.
Onderstaande figuur geeft de totale jaarlijkse uitstoot van kooldioxide in de wereld als gevolg van het gebruik van fossiele brandstoffen over de afgelopen jaren [Our World in Data]. De uitstoot nam tot voor kort toe, maar neemt de laatste jaren af dank zij de genomen maatregelen om de emissie te beperken. Welke werelddelen dragen nu het meeste bij?
De grootste stijging vindt plaats in Azië, vooral in China en India. Daar neemt de uitstoot tot voor kort, als gevolg van de toename van de welvaart, sterk toe. De laatste jaren is de uitstoot echter aan het afnemen. De uitstoot in de westerse landen (Noord Amerika en Europa) daalt de laatste jaren langzaam. De uitstoot in de landen van EurAzië (Oost-Europa en Centraal Azië) daalde aanvankelijk, is daarna weer gaan stijgen en blijft de laatste jaren ongeveer op hetzelfde niveau. In het Midden Oosten nam de uitstoot tot voor kort toe, maar is nu ook aan het afnemen. De andere werelddelen dragen relatief weinig bij aan de CO2-concentratie in de lucht, maar ook daar neemt de emissie langzaam af. Een positieve ontwikkeling is dat, wereldwijd gezien, dankzij genomen maatregelen, de CO2-emissie afneemt. Het afnemen van de uitstoot is te danken aan twee ontwikkelingen bij het opwekken van elektriciteit; er wordt veel minder steenkool verstookt en er wordt aanzienlijk meer wind- en zonnestroom opgewekt. Steenkool werd voor een deel verdrongen door aardgas, wat bij verbranding veel minder kooldioxide oplevert [IPCC], [Volkskrant].
Satellieten spelen in toenemende mate een rol bij het meten van de uitstoot van broeikasgassen. Dat maakt het voor landen moeilijker om verkeerde waarden op te geven of bronnen van uitstoot over het hoofd te zien. Door metingen met Nederlandse satelliet Tropomi is bijvoorbeeld ontdekt dat de Australische kolenmijnen veel meer methaan uitstoten dan het land rapporteert. Dat betekent dat Australië een grotere bijdrage levert aan klimaatverandering dan het opgeeft. Ook heeft de satelliet gemeten dat vuilnisbelten in Argentinië, India en Pakistan enorme hoeveelheden methaan, 47 ton methaan per uur, uitstoten. Het detecteerde ook een groot aardgaslek in Centraal Azië. Methaan is als broeikasgas is grofweg 30 maal zo krachtig als kooldioxide [Volkskrant].
Bij ongewijzigd beleid zal het kooldioxide gehalte in de lucht de komende jaren verder stijgen ondanks het internationale streven naar een afname van de uitstoot en de gevolgen van de coronapandemie. De concentratie kooldioxide in de atmosfeer zal verder stijgen, het broeikaseffect neemt toe, waardoor de aarde verder opwarmt. Dit leidt tot een verandering van het klimaat, met ernstige gevolgen voor de menselijke samenleving.
