Je leest:

Energieopwekking

Energieopwekking

Auteur: | 19 oktober 2007

Energie: we gebruiken het, wekken het op, vervoeren en verspillen het, zoeken nieuwe bronnen of proberen oude te verbeteren. Onze westerse samenleving kan alleen bestaan door grootschalig opwekken van energie. Dit energiedossier van het Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde gaat over allerlei soorten energiegebruik.

Wie kwantitatief over energie schrijft ontkomt niet aan de eenheden chaos. BTU’s, paardenkracht-uren, calorieën, vaten olie-equivalent en ergs strijden om de aandacht. Wij houden echter onze rug recht en praten alleen S.I. dus in joules en watts (J/s). Ook dan vliegen de getallen je in de ‘energiescene’ om de oren. En bij elk getal is een deskundige te vinden die er wat op af te dingen heeft. Toch denken we de maat van de dingen in dit dossier van het NTvN wel redelijk in orde te hebben.

We starten bij de menselijke maat. Als u dit leest, rustig op een bankje, verbruikt u ongeveer 80 W vermogen, afhankelijk van uw gewicht (het neemt toe met 1/2 W/kg). Zodra mechanische arbeid verricht wordt gaat dit getal rap omhoog. Wandelen of rustig fietsen vergt rond 300 watt. De wereldrecordhouder traplopen bedwong het Empire State Building in 10 minuten en haalde meer dan 1.500 W. Het werkelijk geleverde mechanisch vermogen is ongeveer een kwart want de menselijke spieren zijn maar 25% efficiënt. Dat is ruwweg vergelijkbaar met een moderne automotor.

De fietser haalt de energie uit voedsel. Op een boterham met pindakaas (700 kJ) komt deze 10 km ver. De energie-inhoud van een liter benzine is 32 MJ, equivalent aan 45 boterhammen met pindakaas. Daar komt een moderne energiezuinige auto in een gunstig geval 20 km ver mee. Een beetje SUV komt niet verder dan 7 km. Zou een fietser net zo met energie omspringen als een SUV, dan moest hij 100 boterhammen met pindakaas per uur naar binnen schrokken. Het is duidelijk dat we de menselijke maat verlaten hebben. We gaan naar de grote getallen.

Nederland verbruikte vorig jaar 3.500 PJ (P(eta)=1015 energie. Dat komt neer op 2,15 • 1011 J/inwoner. Om dat getal een beetje te kunnen plaatsen rekenen we het om naar vermogen per inwoner: 6,8 kW. Voor een gemiddeld gezin met 2,3 kinderen is dat 29 kW, dag en nacht door. Dat is wat het kost om de Nederlandse economie draaiende te houden. We laten er fabrieken van draaien, verbouwen ons voedsel en rijden en vliegen er van. De Amerikanen zijn nog gulziger: de economie van de Verenigde Staten vergt jaarlijks 1020 Joules. Dat is 20% van het totale menselijk energieverbruik van zo’n 5 • 1020 J/jaar. In termen van vermogen per inwoner vinden we 11 kW voor een Amerikaan en 2 kW voor de gemiddelde aardbewoner. Die 5 • 1020 J komt voor meer dan 70% uit fossiele brandstoffen. En terwijl die bronnen steeds moeizamer worden gaat de behoefte aan energie alleen nog maar groeien. Waar moet die dan vandaan komen?

Nog meer koolwaterstoffen

Ze zijn nog niet op tenslotte. En dat is maar goed ook want een serieus alternatief is er nog lang niet. Althans niet op de schaal van 1020 J/jaar energieverbruik. Fossiele brandstoffen zijn dus voorlopig nog niet uitgestorven. Maar het eeuwige leven hebben ze ook niet.

Koolwaterstoffen

Zonne-energie

De zon zet de aarde in een douche van fotonen (lichtdeeltjes) met een energiedichtheid van 1.370 W/m2. Op een doorsnede van het aardoppervlak valt zo 1,8 • 1017 W. Een half uur fotondouchen is genoeg voor de totale jaarlijkse energiebehoefte. Omdat de aarde roteert valt er gemiddeld over een etmaal van dit vermogen per oppervlakte-eenheid: 340 W/m2. Ruwweg de helft daarvan spettert direct of indirect weer de ruimte in. Op een vierkante meter grondoppervlak valt dan gemiddeld 170 W fotonenergie, als direct zonlicht maar het meest via verstrooiing aan lucht en wolken. Het precieze getal hangt af van breedtegraad en weertype maar 100 W/m2 is een redelijk getal voor Nederland. Als we dat allemaal in energie konden omzetten dan was een gebied ter grootte van 1,5 keer de Benelux genoeg om de hele wereld van energie te voorzien. Nederland zelf zou genoeg hebben aan Flevoland. Helaas is 100% energie omzetting nog een utopie. Met een meer realistische 10% efficiëntie, zouden we dus 15 maal de Benelux nodig hebben: Frankrijk en Spanje bij elkaar of half Saoedi-Arabië.

Zonne-energie

Zonnecellen

Biomassa

De aardolievoorraden waren ooit biomassa. De totale reserve van ruwweg 1.000 miljard vaten olie bevat zo’n 1014 kg koolstof (100 Gton). Dat is van dezelfde orde van grootte als er jaarlijks via fotosynthese gemaakt wordt en beduidend minder dan de geschatte 600 Gton aan biologische koolstof op aarde. Maar die olie is het resultaat van 100 miljoen jaar leven. Dat beetje olie waar we nu op teren is dus een verbijsterend kleine fractie van wat er ooit aan biomassa geproduceerd is. Men zou kunnen denken dat we dan een eind moeten kunnen komen met biomassa als energiebron. Het punt is alleen dat we dat beetje olie een verbijsterende 106 maal zo snel opbranden als het gevormd is. Zo wordt het toch nog zuinig met de biomassa.

Elektriciteit uit biomassa

Kernfusie

De zee is een bijna onuitputtelijke bron van deuterium. Een liter zeewater bevat 33 mg D, genoeg om er 5 GJ energie uit te halen. Energie uit water halen kan dus wel: er zit zo 156 keer meer energie in een liter water dan in een liter benzine! De jaarlijks wereld energiebehoefte zit in 75 miljoen kubieke meter water: 7 cm IJsselmeer. Deuterium is helaas slechts onder grote druk bereid die energie te leveren! Als het onbeheerst mag is kernfusie ineens geen probleem meer. Bij de ontploffing van een H-bom komt er zo’n 1017 J energie vrij. Dat is veel, maar om onze energiehonger te stillen moeten we er even zo goed elke dag 10 laten ontploffen! In het artikel van Niek Lopes Cardozo staat uitgelegd hoe ver we zijn met kernfusie zonder ontploffingen.

Kernfusie

De kernfusiecentrale in aanbouw ITER moet als eerste fusiereactor ter wereld netto energie opwekken in plaats van verbruiken. bron: Iter.org

Windenergie

De gemiddelde bewegingsenergie van alle wind op aarde is (toevallig) van de orde van grootte van de totale jaarlijkse energiebehoefte. In Nederland is de gemiddelde windsnelheid aan de kust 20 km/uur. Dat komt neer op een vermogen aan kinetische energie van 100 W/m2 (de dichtheid van lucht is 1,2 kg/m3). Een apparaat met een diameter van 100 m kan daar maximaal 0,8 MW vermogen uithalen. Om de Nederlandse elektriciteitsbehoefte van gemiddeld 20 GW te dekken zijn 23.000 van die apparaten nodig. Dat zijn er bijna 70 per km langs de 350 km lange kustlijn. Een beetje meer wind en grotere diameters helpen wel. Met windkracht 6 (35 km/uur) en 150 m diameter hebben we er nog maar 3.000 nodig. Leve de schaalvergroting.

Windenergie

Kernsplijting

Welbekend en felomstreden, maar wel een technische optie om op redelijk grote schaal elektrisch vermogen te genereren. Hier komt de energie nu eens niet direct of indirect van de zon, maar van het splijten van het U235 isotoop. Daar komt maar liefst 200 MeV bij vrij. In een kilo U235 ligt zo maar liefst 8 • 1013 J voor het oprapen. Op aarde zit een winbare hoeveelheid van 3,5 miljard kilo Uranium verstopt. Daarvan is slechts 0,7% U235. Dat komt neer op een energievoorraad van 2 • 1021 J. Toch wat schamel op de totale jaarlijkse energiebehoefte: slechts 5 jaar. Voor de langere termijn zullen we die 99,3% U238 moeten kunnen aanspreken. Ook daar zit energie in maar die wil er pas na omkweken naar een ander isotoop uit.

Kernenergie

Magie

Waarlijk magisch zou zijn als we gewoon de vraag naar energie zouden verminderen. Neem een auto van 1.000 kg, niet overdreven zwaar tegenwoordig. Optrekken naar 36 km/uur vergt 50.000 J arbeid. Met een motorefficiëntie van 25% komen we op 200 kJ energie. Met een zonnepaneel van 2 m2 op het dak moeten we daarvoor 3 uur in de zon staan. De dwazen die elke dag in de file of in stadsverkeer wel 20 keer optrekken naar 36 km/uur en weer afremmen tanken er zo alleen al jaarlijks 1,5 GJ doorheen. Dat is veel en weinig tegelijk. Het komt neer op bijna 50 W continu vermogen. Op menselijke maat is dat veel maar vergeleken met het gemiddelde continu vermogen van 6.800 W per Nederlander is dat dan weer bescheiden. Die enorme plas van 5.500 miljoen liter benzine die Nederland er jaarlijks doorheen ragt is toch ‘maar’ 5% van het jaarlijkse energieverbruik.

Iets soortgelijks geldt voor het vliegverkeer. Elke dag weer verbranden we bijna 5 miljoen liter kerosine om onze zwaartepunten in vele tienduizenden vluchten over de aarde te verplaatsen. Toch is dat maar zo’n 5,5% van de totale plas ruwe olie die we dagelijks omhoog pompen. De energiekosten van auto en vliegverkeer zijn nog wel groter want we moeten alle bijkomend energieverbruik meetellen: van de reis naar het vliegveld, de verwarming van de fabriekshallen waar de vliegtuigen en auto’s gemaakt worden.

Daar wordt dan ook nog weer de koppeling van energieverbruik aan CO2-emissies gelegd, onvermijdelijk gezien het grote aandeel van fossiele brandstoffen. En dan is er nog de koppeling tussen energieverbruik en economische groei. Het blijkt nog steeds uitermate moeilijk om economisch te groeien met gelijkblijvend of liefst afnemend energieverbruik. Want wat gaan we met het uitgespaarde geld doen in ons nieuwe energiezuinige huishouden: een stedentripje met een vliegstunter.

Alles overziend dringt de conclusie zich op dat we het van het ‘vele kleintjes maken één grote’ zullen moeten hebben. Een verscheidenheid aan energiebronnen aan de ene kant en een verscheidenheid aan energiebesparingen aan de andere kant. Aan al die fronten is voor de natuurkunde een belangrijke rol weggelegd.

Zie ook:

Energie uit water

Dit artikel is een publicatie van Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde.
© Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 19 oktober 2007

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.