Waarom het RIVM steeds onder vuur ligt: ammoniakkunde voor dummies

Ammoniak is een gas; het is lichter dan lucht. Als je het in de atmosfeer laat ontsnappen (‘emitteert’, met een geleerd woord), stijgt het daarom op en valt het niet naar beneden. Wind en luchtwervelingen voorkomen dat ammoniak in een rechte lijn omhoog gaat, zodat je de emissies nog een tijdje in de onderste luchtlagen kunt vinden. Ook waterdamp stijgt op. Als de lucht ermee verzadigd is, ontstaan druppels die naar beneden vallen. Regen noemen we dat.

Anders dan waterdamp condenseert ammoniak niet tot druppels. Wel valt het weer uit de lucht omdat het zich heel gemakkelijk met water verbindt. Ammoniak lost namelijk bijzonder goed op in water, ook in de regenwolken zoals die in de lucht hangen.

Afhankelijk van de buitentemperatuur kan ruim 700 liter van het gas ammoniak oplossen in 1 liter water. Eén molecuul ammoniak (NH₃) reageert met één molecuul water (H₂O) tot één molecuul ammoniumhydroxide (NH₄OH). Hoe warmer het is - 's zomers dus - hoe minder ammonium zich vormt. Dat verklaart waarom de ammoniakconcentraties in de lucht 's zomers hoger zijn dan in de winter. Hoe kouder het wordt, in herfst en winter, hoe meer ammoniak zich met waterdamp verbindt. Eenvoudige scheikunde verklaart dus waarom er 's zomers meer en 's winters minder "vrije" ammoniak in de lucht zit. 

De ammoniak die in de atmosfeer aanwezig is, is het gevolg van emissies uit verschillende bronnen: natuurlijke afbraakprocessen van eiwitten, katalysatoren van auto's, industriële processen enzovoorts. Een andere belangrijke bron is de agrarische sector.

In de veehouderij ontstaat ammoniak door de afbraak van ureum en urinezuur. Die stoffen zijn afkomstig uit kippenmest en de urine van varkens, koeien, geiten, schapen, en, niet te vergeten, paarden.
De afbraak van ureum gebeurt door bacteriën die in een zuurstofarme of zelfs zuurstofloze omgeving kunnen leven. Die organismen komen overal (in de grond) voor; een mengsel van urine en ontlasting is voor hen een ideaal leefmilieu. De bacteriën leven van voedingsstoffen in de mest en scheiden ammoniak uit als afvalproduct van hun stofwisseling.

Modeluitkomsten moeten bevestigd worden door metingen die in de werkelijkheid worden gedaan. De toetsing kan het bewijs leveren dat de benadering van de realiteit door de berekeningen klopt

Geen directe metingen: modellen kennen emissies aan bronnen toe
De overheid probeert al decennia de omvang van de ammoniakproductie van de verschillende bronnen in Nederland te bepalen. Gek genoeg blijft daarbij de ureumproductie van 17 miljoen Nederlanders (die hoog is door een dieet met een overmaat aan eiwitten) praktisch buiten beschouwing. De focus ligt op de agrarische sector, die - volgens de overheid - verantwoordelijk is voor 80-90% van de ammoniakemissie.

Helaas bleek het niet mogelijk de omvang van de emissies uit de agrarische sector direct aan de bronnen te meten. Nu zou het wellicht met een stelsel van sensoren beter kunnen dan vroeger. In de jaren dat beleidsmakers wilden weten met hoeveel ammoniak de veehouderij Nederland opzadelt, was het zowel te kostbaar als technisch te lastig. Om die reden is gekozen voor het afleiden van de gewenste informatie uit benaderingen die wel haal- en betaalbaar zijn. Het RIVM en de WUR kozen voor de ontwikkeling van rekenmodellen.

Met die modellen berekenen de instituten de verschillende vormen van emissie (vanuit stallen, door mestopslag en door bemesting van weilanden en akkers) en verliesposten zoals het neerslaan (‘depositie’, met een technisch woord) en het verwaaien naar het buitenland.

Omdat het gaat om een benadering in plaats van feitelijke metingen, is de vraag hoe betrouwbaar de uitkomsten van die rekenmodellen zijn.

Om daar een antwoord op te geven zijn ”harde” gegevens nodig. Modeluitkomsten moeten immers bevestigd worden door metingen die in de werkelijkheid worden gedaan. De toetsing kan het bewijs leveren dat de benadering van de realiteit door de berekeningen klopt.

Om een dergelijke onzekerheid in perspectief te zetten: als de meetapparatuur voor snelheidscontroles net zo onnauwkeurig zou zijn, dan kun je een bekeuring krijgen voor overschrijding van de maximum snelheid van (bijvoorbeeld) 100 kilometer per uur, terwijl je maar 40 rijdt

Twee meetsystemen
Nederland heeft twee meetsystemen die hiervoor kunnen worden gebruikt: 1) de registratie van de ammoniakconcentratie in de lucht door de stations van het Landelijk Meetnet Luchtkwaliteit (LML) en 2) de meting van de hoeveelheid ammonium en nitraat in regenwater door het Landelijk Meetnet Regenwaterkwaliteit (LMRe).

In deze inleiding tot weten en meten in de agrarische ammoniakkwestie ga ik eerst in op de metingen van het LML en wat die ons wetenschappelijk onderbouwd kunnen laten zien. Daarna gebruik ik de LML gegevens om de kloppendheid (‘validiteit’, met een vakterm) van de rekenmodellen te testen.

Het meetnet voor ammoniak van het LML bestond van 1992 tot en met 2013 uit 8 stations. Vanaf 2014 is het ingekrompen tot 6 stations. De stations meten sterk wisselende concentraties. Het jaarlijkse gemiddelde van de concentraties varieert van 1-2 µg/m³ (microgram per kubieke meter) in één van de stations tot 18-20 µg/m³ in een ander. De landelijk gemiddelde concentratie die met behulp van de stationsgemiddelden kan worden berekend heeft als gevolg daarvan en als gevolg van het kleine aantal meetstations een zeer grote wiskundige onzekerheid.

Om een dergelijke onzekerheid in perspectief te zetten: als de meetapparatuur voor snelheidscontroles net zo onnauwkeurig zou zijn, dan kun je een bekeuring krijgen voor overschrijding van de maximum snelheid van (bijvoorbeeld) 100 kilometer per uur, terwijl je maar 40 rijdt.

Voor de landelijk gemiddelde waarde van de ammoniakemissies geldt daarom dat er geen wet- en regelgeving op mag worden gebaseerd omdat handhaving van de regels boeren schuldig verklaart, terwijl ze dat helemaal niet zijn. Het gemiddelde is zo'n grof getal dat het niet kan worden gebruikt voor beleid en de praktische uitwerking daarvan.

De metingen van de ammoniakconcentratie in de lucht geven geen nadere informatie over de precieze omvang van de emissie rond de stations. Uiteraard is het evident dat de hogere emissie van bacteriële processen die ik hierboven noemde in veedichte gebieden tot een hogere atmosferische concentratie leidt. Met andere woorden: je weet dat je de invloed van vee meet, maar niet hoe groot de werkelijke emissie is.

Niettemin zijn de metingen wel degelijk zinvol omdat ze gebruikt kunnen worden om na te gaan of er sprake is van trends (omhoog, omlaag of stabiel). Omdat jarenlang door dezelfde stations op dezelfde manier de concentratie is gemeten, vervalt het bezwaar tegen de grote onnauwkeurigheid als de jaarlijkse gemiddelden met elkaar worden vergeleken. Voorwaarde is natuurlijk wel dat de stations niet sterk mogen worden beïnvloed door lokale veranderingen. Dat veroorzaakt immers een breuk in de trend, zodat die niet meer beoordeeld kan worden op zijn consistentie.

Regen werkt als luchtwasser
In de onderstaande grafiek zijn de gemeten (LML-8) en berekende (RIVM, tot 2014) ammoniakconcentraties (NH₃) samen afgebeeld. Het verschil tussen die twee getallenreeksen maakt duidelijk dat de berekening van het RIVM de werkelijke concentratie niet weet te reproduceren.

De stations meten een aanmerkelijk grotere hoeveelheid ammoniak in de lucht en laten een veel sterkere variatie tussen opvolgende jaren zien. De gele lijn laat de trend zien die het RIVM als gemiddelde berekent. De blauwe lijn toont wat de 8 meetstations van het LML daadwerkelijk registreren. De gele lijn is vlakker en vertoont eerst een trend omlaag en vanaf 2005 weer omhoog. Uit de blauwe lijn - de daadwerkelijke meting dus - is geen duidelijke trend uit af te leiden. Wel zou je er twee lichte trends in kunnen zien. Tot 2005 daalt de concentratie ammoniak in de lucht rond de LML-stations, later stijgt die weer tot 2015. In 2016 treedt een duidelijke trendbreuk op, een verhoging van de concentratie van ruim 30%. Daar ga ik in een latere tekst op in.

Wie zich de invloed van regen op metingen van de ammoniakconcentratie eenmaal realiseert, stelt zich al snel de volgende vraag: valt de ammoniakconcentratie te benaderen of zelfs nauwkeurig te berekenen op basis van de uitgebreide meetgegevens die we in ons land hebben over de hoeveelheid regen die valt?



Het resultaat van die berekening heb ik in de bovenstaande grafiek als een oranje lijn toegevoegd. Die lijn (‘Ry+ΔR’) geeft de berekende ammoniakconcentratie uitgaande van de jaarlijkse neerslag plus een factor voor het verschil tussen de jaarlijkse neerslag en het langjarig gemiddelde.

De verschillen tussen de op zo'n manier berekende en de gemeten concentratie zullen kleiner worden door een benadering waarin meer factoren zijn opgenomen, zoals de temperatuur en het seizoenspatroon van de neerslag door het jaar heen. Zo is bijvoorbeeld de lage berekende waarde in 1998 het gevolg van de extreem hoge neerslag in de maanden januari, november en december. Dat zijn bovendien koude maanden met dus lage ammoniakconcentraties.

Het meetnet van het RIVM dat de ammoniakconcentratie in de lucht op een beperkt aantal plekken vaststelt, meet als het ware keurig netjes het weerbericht na. Tegelijk berekent men een gefantaseerde afname van de ammoniakuitstoot

De overeenkomsten tussen de “regenberekening” en de gemeten concentratie zullen er niet minder opvallend groot door worden. De verschillen tussen opvolgende jaren kunnen goeddeels worden gerelateerd aan verschillen in neerslag en wijzen niet op een van jaar tot jaar variërende emissie.

Volgens het RIVM is in de periode 1995-2015 de emissie van ammoniak vanuit de veehouderij afgenomen met 200 kiloton/jaar tot rond 120 kiloton/jaar. Op basis van het bovenstaande kan dat onmogelijk waar zijn, omdat de regenval en emissie nagenoeg 1-op-1 verbonden zijn zoals blijkt uit de blauwe en de oranje lijnen. Deze bewegen netjes met elkaar mee en bevestigen dat regenval en gemeten concentratie eigenlijk precies hetzelfde zijn. Daarom kan de totale landelijke emissie over die periode niet significant zijn veranderd.

Met andere woorden: het meetnet waarmee het RIVM de ammoniakconcentratie in de lucht op een beperkt aantal plekken vaststelt, meet als het ware keurig netjes het weerbericht na. Tegelijk berekent het instituut een gefantaseerde afname van de ammoniakuitstoot. Het is namelijk uitgesloten dat de emissie tussen 1995 en 2015 zo sterk is afgenomen als het RIVM heeft berekend zonder zichtbaar effect op de hoogte van de concentratie in de lucht.
Dat leidt tot de onvermijdelijke conclusie dat het rekenmodel ter bepaling van de concentratie niet kan kloppen en dat hetzelfde geldt voor het rekenmodel voor de emissie. Wat klopt er niet en welke onderdelen van de emissieberekening zijn onjuist? Die vragen beantwoord ik komende week.