Ik heb veel informatie gevonden over Energie via de boeken van Centraal Bibliotheek, via internet, via Natuurkundeboek op school.

Transcriptie

1 Boekverslag door G woorden 20 november keer beoordeeld Vak Natuurkunde Onderzoeksvraag: Wat is Energie? Deelvragen: De oorsprong van Energie? Hoe ontstaat Energie? Welke soorten Energie bestaan? Welke soorten Energiebronnen bestaan er? Hoe heb ik het onderzoek aangepakt? Ik heb veel informatie gevonden over Energie via de boeken van Centraal Bibliotheek, via internet, via Natuurkundeboek op school. In de sectorwerkstuk komen de volgende informatie voor: Hoe Energie is ontstaan en de oorsprong. Welke soorten Energie bestaan er {Bijv. Warmte-energie/Kortweg warmte, Zwaarte-energie, Bewegingsenergie, Stralingsenergie, Elektrische energie, Kernenergie, Chemische energie}.welke Energie bronnen bestaan er{bijv.windenergie, Waterkracht, Zonne-energie, Kernenergie, Aardwarmte, Bio-energie}.Of de Energiebronnen op zullen raken. De oorsprong van Energie De Oerknal In het begin was er alleen een enorme, lege, gasachtige plek in ons lege heelal. Op dezelfde moment en toevallig wordt er genoeg energie geproduceerd om de binding van de zwaartekracht, die dit harde lichaam bij elkaar houdt, te breken, en door heel de ruimte te ontploffen in ontzettend hete deeltjes. In minder dan een miljoenste van een seconde beginnen zich protonen, neutronen, elektronen en hun antideeltjes te maken. Na verloop van tijd, beginnen deeltjes af te koelen waardoor zij energie afgeven, die zich in staat stelt zich te samenvoegen en daardoor het eerste en meest eenvoudige ion (elektrisch geladen atoom) te maken, waterdamp, en ook een paar harde atomen. Pagina 1 van 18

2 Er komen heel veel atomen in het heelal. Zij beginnen zich samen te trekken door atoomkrachten en de zwaartekracht. Gasachtige lichamen worden hard, trekken meer atomen aan en worden harder. De zwaartekracht van deze vroege lichamen is zo groot, dat zij verdwijnen door hun eigen zwaartekracht, en gaan smelten. Waterstofatomen voegen zich samen, grotere atomen en enorme hoeveelheden energie produceren genoeg energie om deze sterren niet te laten sterven. Uiteindelijk komt er een eind aan het samensmeltingproces en ontploft de ster, nog grotere atomen door het heelal verspreiden. Na een tijd verzamelen en voegen deze atomen zich samen en vormen planeten, kleinere sterren, asteroïden (kleine planeten) en andere vaste lichamen. Hoe ontstaat Energie Eigenlijk is energie een enorm ruim begrip. Natuurkundig gezien is alles energie. Het probleem met energie is dat het in zo veel vormen bestaat. Warmte en licht zijn energie, maar de stoffen waaruit wij en de rest van de wereld bestaan zijn ook energie. Licht kun je zien, warmte voelen, stoffen beide. Maar wat te denken van b.v. radiostraling (Het is een soort 'onzichtbaar licht); dat kun je niet zien of voelen, zelfs niet horen, tenzij je een speciale ontvanger hebt (radio). Wat er in het dagelijks leven gebeurt is eigenlijk niets anders dan het veranderen van de vorm van energie. Elektriciteit is b.v. ook een vorm van energie. Om elektriciteit op te wekken heb je een andere vorm van energie nodig, die omgezet kan worden in elektriciteit. In centrales gebeurt dit b.v. door verbranding: stoffen worden omgezet in warmte, deze warmte weer in beweging (dynamo), de beweging vervolgens weer in elektriciteit. Je kunt ook elektriciteit opwekken m.b.v. een beweging die al bestaat (waterkracht, wind). De zon komt aan energie door het samengaan van kernen van atomen, planten komen op hun beurt aan energie via het zonlicht, en mensen en dieren eten deze planten met de daarin opgeslagen energie. Deze energie gebruiken de planten, dieren en mensen voor b.v. hun stofwisseling of beweging. Welke soorten Energie bestaan er? Er zijn veel verschillende soorten Energie: 1) Chemische Energie: bij het verbranden van een brandstof wordt chemische energie omgezet in warmte.dat gebeurt in energie-omzetters zoals kachels, geisers en cv-ketel. 2) Kernenergie: Zo noem je de energie die geleverd wordt door een kernbrandstof, zoals uranium of plutonium. In een kerncentrale wordt die kernenergie voor een deel omgezet in elektrische energie. 3) Elektrische energie: batterijen, accu s, dynamo s en generatoren leveren elektrische energie voor allerlei toepassingen. 4) Stralingsenergie: kom je onder andere tegen in de licht en infrarode stralingen. Een zonnecollector zet die stralingsenergie om in warmte. Pagina 2 van 18

3 5) Bewegingsenergie: Alles wat beweegt, heeft bewegingsenergie. De windmolen maakt gebruik van de bewegingsenergie in bewegende lucht. 6) Zwaarte-energie: Een waterkrachtcentrale gebruikt de zwaarte-energie van het water in een rivier of stuwmeer. In zo n centrale wordt de zwaarte-energie omgezet in elektrische energie. 7) Warmte-energie/kortweg warmte: een cv-ketel produceert warmte om het huis warm te houden. Warmte kan ook een ongewenste bijproduct zijn. Machines en apparaten moeten vaak gekoeld worden om ongewenste warmte kwijt te raken. Welke Energiebronnen bestaan er? Dit zijn de volgende Energiebronnen: Windenergie Wat is windenergie? Er worden al heel lang windmolens gebouwd. De eerste windmolen kwam uit de 7e eeuw uit Perzië (nu Afghanistan). Later werd het idee van de windmolen door de Chinezen over genomen, zij pompten er water mee naar de rijstvelden. In 944 werd er voor het eerst over de windmolen geschreven, deze windmolens hadden een verticale as. De eerste informatie over de Chinese windmolen komt uit het jaar Vanaf 1300 verschenen de eerste windmolens in Europa en in 1390 kwamen de windmolens naar Nederland. Rond het jaar 1600 werden de windmolens in Nederland gebruikt om meel te maken, hout te zagen en water te pompen. De Amerikanen begonnen tussen 1850 en 1970 met het bouwen van windmolens met stalen bladen om water op te pompen. In 1888 werd in Portmill in Ohio, de eerste windmolen voor het opwekken van spanning gebouwd. De eerste Europese torenwindmolen om elektriciteit op te wekken werd in 1891 door Dane Poul la Cour ontwikkeld. De wind bevat veel energie. Die energie komt van de zon. De zon verwarmt de aarde niet gelijkmatig, daardoor ontstaan er drukverschillen die wind veroorzaken. Het waait natuurlijk niet overal even hard. Op open zee waait het harder dan in de stad en in de stad is de wind onregelmatig en op zee continue. Omdat Nederland aan zee ligt en een open landschap heeft, is het windklimaat hier dus goed. Soorten windmolens. Er zijn verschillende soorten windmolens zoals: de Windmolen, de Turbine, de Savonius, de Darrieus en de Growian. De windmolen De windmolen heeft 4 wieken zoals hieronder staat. In Nederland worden weinig van windmolens gebruik gemaakt want ze leveren niet zoveel energie op. Turbine Pagina 3 van 18

4 De turbine is de windmolen met 3 wieken zoals hieronder staat. In Nederland staan veel turbines. Savonius Dit is een mast met twee halve olievaten. Deze windmolen wordt veel in ontwikkelingslanden gebruikt om water mee de pompen. Darrieus De Darrieus turbine kan van alle kanten wind vangen omdat de rotor om de verticaal geplaatste as heen beweegt. Bij harde wind buigen de bladen verder naar buiten, hierdoor gaat hij langzamer draaien en past zich aan de windsnelheid aan. Er is voor de Darieus turbine geen hoge toren nodig. Growian De Growian is een 150 meter hoge turbine met twee wieken. Deze turbine is staat in Duitsland. Hoe werken windmolens. Een windmolen bestaat uit de volgende onderdelen: de rotor, de gondel met de hoofdas, de tandwielkast de generator en het kruissysteem, het controlesysteem en de toren. Deze onderdelen zal ik verder uitleggen. De rotor De windmolen van nu bestaat uit een rotor met twee of drie wieken. Deze wieken worden gemaakt van polyester en versterkt met glasvezel, koolstofvezels of een hout-epoxy samenvoeging. Er zijn bladen verkrijgbaar van 1m voor kleine windmolens tot 30 m voor grote windmolens. De gondel De gondel is eigenlijk de machinekamer van de turbine. De gondel is draaibaar gemonteerd op een stalen toren. Het draaien is voor het in de goede windrichting plaatsen van de rotor. Dit gebeurt volledig automatisch. In de machinekamer zitten alle belangrijke onderdelen van de turbine zoals de hoofdas, de tandwielkast, de generator, de remmen en het kruisysteem. De hoofdas De rotornerf is bevestigd aan de hoofdas, die door de lagers alle krachten die inwerken op de rotor overbrengt op de vorm. Deze hoofdas brengt het koppel over naar de tandwielkast. Bij turbines die een kleiner vermogen dan 400 kw leveren, maakt de hoofdas soms deel uit van de tandwielkast. De tandwielkast De tandwielkast zorgt er voor dat het toerental van de rotor op het gewenste toerental wordt gebracht. Een windmolen van 1000 kw met een rotordiameter van 52 m draait ongeveer 20 omwentelingen/min, de generator vraagt 1500 omwentelingen/min, het toerental moet dus 1500/20=75 keer omhoog. Nu zijn er ook fabrikanten die een lage toeren generator gebruiken, die windmolens hebben dus geen tandwielkast nodig. De generator Pagina 4 van 18

5 Een windmolen levert stroom aan het openbare net, hiervoor wordt gebruik gemaakt van een asynchrone generator. Als er gesproken wordt over een windmolen van 600 kw, dan is dit het normale brandspanning. Het normale brandspanning komt overeen met een bepaalde windsnelheid die meestal tussen de 13 en 14 m/s ligt. Er zijn ook turbines met een dubbel toerental generator. Deze turbines maken minder geluid en hebben een hoger opbrengst bij lage windsnelheden. De rem Windmolens zijn altijd uitgevoerd met een rem. Deze rem kan in noodsituaties gebruikt worden, of wanneer de turbine toe is aan een onderhoudsbeurt. Het kruisysteem Het kruien van de windmolen gebeurt volledig automatisch door middel van een hydraulische of elektrische motor met een klein tandwiel met een grote tandkrans om de gondel in de goede windrichting te plaatsen. Het controlesysteem Een windmolen wordt volledig automatisch bestuurd door een intern computersysteem. De beheerder van de windmolen kan via een modemverbinding informatie opvragen. Voor en nadelen Voordelen van windenergie: De fossiele brandstoffen raken op en bij de verbranding hiervan komen schadelijke stoffen, zoals CO2 vrij. Windenergie is een schone energiebron. Wind is een van de weinige eigen energiebronnen en is onuitputbaar. Na de oliecrisis heeft windenergie in Europa en de Verenigde Staten een enorme ontwikkeling gekregen. Het toekomstige aanpak zal er ook op gericht zijn te zorgen voor veel verschillende energiebronnen. Windenergie kan heel snel opgewekt worden. Een windpark kan al in een paar maanden tot een half jaar in bedrijf worden gesteld. Windenergie kan op veel verschillende plaatsen worden opgewekt. Hierdoor kunnen transformatieverliezen en transportverliezen klein worden. Nadelen van windenergie zijn dat de windmolens vaak niet in het landschap passen, en soms voor geluidsoverlast zorgen. Het probleem van de geluidsoverlast wordt toch minder omdat windmolens steeds stiller worden. Waterkracht Wat is waterkracht? Waterkracht ontstaat uit de waterkringloop. Het water in de zee wordt door de zon opgewarmd en verdampt. Boven land stijgt de vochtige lucht op en worden er wolken gevormd. Met name in heuvels en bergen komt dit als neerslag weer naar beneden. Langs rivieren stroomt het water door het hoogteverschil weer terug naar zee. Het gebruiken van waterkracht kent een lange geschiedenis. Waterkracht is in het verleden regelmatig ingezet voor het mechanisch bewerken van allerlei grondstoffen, zoals graan en hout. Pagina 5 van 18

6 Traditioneel werd de energie van water omgezet met waterwielen. Deze waterwielen werden al gebruikt in de tweede of derde eeuw voor Christus. Bij deze waterwielen wordt het verval van een waterstroom meteen omgezet in een draaiende beweging van het wiel. Later ontstond daaruit het waterwiel van Poncelot die de valhoogte van het water (potentiële energie) eerst omzette in snelheid van het water (kinetische energie). Dit vond plaats in een aanstroom kanaal of buizenstelsel. Het water spuit vervolgens met grote snelheid tegen een waterwiel aan. Het Poncelot -wiel kan worden beschouwd als de voorloper van de moderne impulswaterturbine. Zo n waterturbine wordt gebruikt in een moderne waterkrachtcentrale waarbij een groot verval wordt omgezet in hoge watersnelheden. Hoe werkt een waterkrachtcentrale? De kracht van stromend en vallend water kan door een waterturbine in een draaiende beweging worden omgezet. Door de as van de turbine te samenvoegen aan een generator wordt elektriciteit opgewekt. De werking van deze generator is te vergelijken met een fietsdynamo. Grootschalige waterkracht In bergachtig gebied valt water absoluut snel naar beneden door het grote verval. Waterkrachtcentrales die gebruik maken van de grote valsnelheid van het water werken met impulsturbines. Om verzekerd te zijn van voldoende aanvoer van water, ook in tijden van weinig neerslag of weinig smeltwater, legt men stuwmeren aan. Bij de bijbehorende stuwdam ontstaat dan een groot verval. Via het aanvoerkanaal en de valbuis komt het water dan bij de turbine. Kleinschalige waterkracht In Nederland kan waterkrachtenergie niet uit een hoogteverschil of snelheid van het water gehaald worden, maar moet gehaald worden uit de enorme hoeveelheden water die in korte tijd passeert. In Nederland maken de toegepaste turbines gebruik van het drukverschil voor en achter de turbine, dit zijn reactieturbines. De bladen lijken op die van een grote scheepsschroef. Het toerental is niet zo hoog als bij een impulsturbine. Om dit toerental te versnellen wordt een tandwielkast voor de generator geplaatst. Omdat de aanvoer van het water benedenstrooms (dicht bij zee) veel regelmatiger is dan bovenstrooms is de aanleg van stuwmeren niet nodig. Andere vormen van waterkracht Golfenergie Een andere vorm van waterkracht ontstaat door gebruik te maken van de golfbewegingen op zee. Verschillende gebruikte technieken zijn onder andere een caisson met een Wells luchtturbine, een TAPCHAN (Tapered Channel Device) en een AWS (Archimedes Wave Swing). Wells luchtturbine Een caisson met een Wells luchtturbine bestaat uit een afgesloten betonnen kolom met een opening onder en boven de waterspiegel. In de caisson bevindt zich een luchtbuffer die op en neer beweegt met de Pagina 6 van 18

7 golfbeweging van het water en daardoor in- en uitstroomt door de opening boven de waterspiegel. Een Wells luchtturbine zet de bewegingsenergie van de luchtkolom om in elektriciteit. Tapchan De TAPCHAN bestaat uit een taps toelopend kanaal, een reservoir en een waterturbine. De golven die het kanaal in lopen, stromen de golven in een hoger gelegen reservoir en kunnen via een waterturbine weer terugstromen. Archimedes wave swing De Archimedes Wave Swing (waterschommel) maakt gebruik van de top van een golf de druk hoger is dan onder de laagte van de golf. Een mechaniek zet de op- en neergaande beweging van de onderdelen van een waterschommel om in een draaiende beweging. Hiermee wordt doormiddel van een generator elektriciteit opgewekt. Getijde energie Weer een andere vorm van waterkracht ontstaat door gebruik te maken van de stroming in het water door eb en vloed. Watermolens De werking van de watermolens kan vergeleken worden met windmolens, door de stroming (wrijving) van het water gaan de schoepen{bord van een waterrad}draaien en kan zo elektriciteit opgewekt worden. Worms waterwiel Het Worms -waterwiel is een wiel met aan de einden van de spaken enkele draaiende flappen. Het waterwiel werkt geheel onder water. Wanneer de flappen tegen de stroomrichting in bewegen flapperen ze vrij. Bewegen ze met de stroomrichting mee dan worden ze door de stroming met de kracht tegen de spaken aangedrukt en gaat het wiel draaien. Deze draaiende beweging wordt dan omgezet in elektriciteit. Voor en nadelen van waterkrachtcentrale Voordeel We staan er niet vaak bij stil dat productie van elektriciteit uit aardgas of steenkool blijvende schade veroorzaakt aan ons leefmilieu. Bij de verbranding van deze brandstoffen komen schadelijke gassen vrij. Eén daarvan is het broeikasgas CO2 dat bij doorgroeiende afvalstoffen die in de lucht komen zelfs tot een verandering van ons klimaat kan leiden. Vrijkomende stikstofoxiden en zwaveloxiden veroorzaken zure regen. Daarnaast zullen de brandstofvoorraden na tientallen jaren opraken. Afhankelijkheid van deze informatie maakt de energievoorziening gevaarlijk. Bij elektriciteitsopwekking van waterkracht komen geen schadelijke gassen vrij. Het is schoon en water zal altijd blijven stromen; het is dus onuitputtelijk en duurzaam. Nadeel Een waterkrachtcentrale heeft naast de vele voordelen ook een nadeel: niet alle vissen overleven een tocht Pagina 7 van 18

8 door de waterkrachtcentrale. Om dit probleem te ondervangen kunnen visgeleidings systemen worden toegepast die de vissen via een watertrap langs de waterkrachtcentrale leiden. De moeilijkheid hiervan is dat niet alle vissen reageren op dezelfde signalen. Waar de ene vis van schrikt, daar wordt de ander juist door aangetrokken. Bijvoorbeeld reageert de zalm op geluid en de paling juist op licht. Biomassa Wat is biomassa? Biomassa is de verzamelnaam voor organisch afvalmateriaal zoals snoeihout, GFT en mest. Onder invloed van zonlicht wordt CO2 uit de atmosfeer vastgelegd in plantaardig materiaal (fotosynthese). De CO2 wordt in de vorm van allerlei koolstofverbindingen vastgelegd (C). Bij dit proces komt zuurstof vrij (O2). Het plantaardig materiaal kan direct als energiebron dienen. Snelgroeiende gewassen zoals de populier, de wilg en olifantsgras kunnen speciaal voor dit doel worden geteeld (energieteelt). Via de voedselketen kan het plantaardig materiaal ook omgezet worden in dierlijk organisch materiaal. Mest van koeien, varkens of kippen is daarom ook te zien als een vorm van bio-energie. Ook als water gekookt wordt boven een kampvuur, wordt er gebruik gemaakt van een vorm van bio-energie. Waarom biomassa? Door de grootschalige toepassing van fossiele brandstoffen stijgt de concentratie CO2 in de atmosfeer (het broeikaseffect). Biomassa is een brandstof die CO2-neutraal is: planten en bomen nemen tijdens hun groei CO2 dat weer vrijkomt bij de verbranding. Dit wordt de CO2-kringloop genoemd. Bij het gebruik van fossiele brandstoffen is dat anders omdat verbranding van steenkool, olie en gas wel CO2 toevoegt aan de atmosfeer en dus bijdraagt aan het broeikaseffect. Wat zit er in biomassa? Er zijn er twee hoofdstromen van biomassa: speciaal voor energiedoelen geteelde of geoogste biomassa (energieteelt) en organische reststromen. Voorbeelden van de organische reststromen zijn: snoeiafval (uit plantsoenen en bossen),dunningshout uit bossen,rest- en afvalhout uit industrie (bijv. houtzagerij), Groente- fruit- en tuinafval (GFT), Agrarisch restmateriaal (stro en mest), Oud papier; Cacaodoppen. Afval Sommige reststromen vallen in de categorie afval. Als er niets anders meer met het afval gedaan kan worden dan storten, kan het beter gebruikt worden voor energieopwekking. Uit het brandbare deel van het afval, dat in belangrijke mate uit biomassa bestaat, kan via diverse technieken energie worden gewonnen. Voorbeelden van deze reststromen met een mix aan organische materialen zijn: slib uit rioolwaterzuiveringsslib, Baggerspecie, Verpakkingsmateriaal, Huishoudelijk afval,sloopafval. Omzetting in energie Biomassa en afval kunnen op veel verschillende manieren worden omgezet in bruikbare energievormen zoals elektriciteit, warmte en gasvormige of vloeibare brandstoffen (biofuels). Voor het zo efficiënt mogelijk omzetten van biomassa en afval in energie wordt meestal gebruik gemaakt van een Pagina 8 van 18

9 warmtekrachtkoppeling. Verbranding Uit de warmte die vrijkomt bij de verbranding van biomassa en afval kan met behulp van een stoomturbine elektriciteit worden opgewekt. De restwarmte kan voor verwarmingsdoeleinden worden gebruikt. Het bijstoken van hout in kolencentrales en afvalverbrandinginstallaties wordt reeds toegepast. Epon Weurt (Nijmegen). Meestoken van afvalhout in elektrische centrale. Overzicht afvalhoutverwerking en centrale. Vergisting "Natte" biomassa en afval zoals mest en GFT kunnen door bacteriën in een zuurstofloze omgeving (anaëroob) en bij lage temperaturen worden omgezet in biogas. Ook op stortplaatsen ontstaat biogas, het stortgas. Na zuivering heeft het stortgas praktisch dezelfde kwaliteit als aardgas. Vergassing Vaste biomassa wordt door verhitting zonder zuurstof omgezet in een gasvormige brandstof. Door verbranding kan de gasvormige brandstof worden omgezet in elektriciteit en warmte. Aardwarmte Iedereen kent de energie die via de vulkanen en geisers van diep uit de aarde aan het oppervlak komt. Daarbij geldt: hoe verder richting het middelpunt van de aarde, hoe hoger de temperatuur van de aardkorst. De kern van de aarde ligt op kilometer van het aardoppervlak. Schattingen van de temperatuur in het centrum lopen uiteen van tot C. Aardwarmte is energie die wordt onttrokken aan de aardkorst. Die energie ontstaat door radioactiviteit in de kern van de aarde. Door geleiding (convectie) wordt deze energie naar de aardkorst getransporteerd. Normaliter is dat een geleidelijk proces. Maar soms komt het via vulkanische uitbarstingen plotseling met veel geweld naar de oppervlakte. De hoeveelheid aardwarmte is enorm. De buitenste zes kilometer van de aardkorst bevat thermische energie die overeenkomt met vijftigduizend keer de energie van alle olie- en gasvoorraden in de wereld. Alhoewel de aarde zeer langzaam afkoelt, is de voorraad als onuitputtelijk te beschouwen. Aardwarmte is daarom een vorm van duurzame energie. Een andere veel gebruikte naam voor aardwarmte is geothermische energie. `Geo` betekent letterlijk `aarde` en `thermisch` staat voor `warmte`. De aardwarmte wordt al sinds eeuwen gebruikt. De Romeinen gebruikten warmwaterbronnen en geisers al in Pompeï voor warme voeten via vloerverwarming. In IJsland wordt al vanaf het begin van deze eeuw warm water gebruikt voor huishoudelijke toepassingen (verwarming en tapwater). Onttrekking van warmte Vanaf het aardoppervlak neemt de temperatuur met toenemende diepte toe. Afhankelijk van de opbouw van de ondergrond bedraagt de toename ca. 30 C per kilometer. Op de landkaart is te zien hoe de temperatuur verloopt in Nederland op drie kilometer diepte. Om gebruik te kunnen maken van deze Pagina 9 van 18

10 warmte dient er op die diepte een watervoerende laag te zijn. In Nederland is de temperatuur van deze warmte te laag voor elektriciteitsproductie, maar de warmte kan wel worden gebruikt voor bijvoorbeeld verwarming van gebouwen of kassen. In sommige streken zoals Italië is de temperatuur op geringe diepte al zo hoog dat er direct stoom van hoge temperatuur aan de aarde kan worden onttrokken. Met behulp van een stoomturbine en een generator wordt hiermee elektriciteit opgewekt. Watervoerende laag Een watervoerende laag (aquifer) bestaat uit poreus gesteente of zand(steen); stroming van het aanwezige water is goed mogelijk. Om energie op te wekken, worden in de buurt van een warmteafnemer twee putten geboord waarvan de uiteinden in de watervoerende laag zo n 1,2 tot 1,5 kilometer uit elkaar liggen. Warm water van ca. 95 C wordt opgepompt. De warmte wordt via een warmtewisselaar aan de warmte gebruiksnet van bijvoorbeeld een tuinder overgedragen. Het afgekoelde water wordt via de andere boorput teruggepompt in de watervoerende laag. Omdat de verandering van warmte uit de aardkern veel tijd nodig hebben, raakt de warmtebron na zo n dertig jaar afgekoeld. Hot Dry Rock Op sommige plaatsen liggen op absoluut kleine diepte hete rotsformaties. Door hoge druk, door temperatuurverschillen en door explosies kan men deze rotsen scheuren of zelfs uiteen laten vallen. Door de openingen laat men water stromen dat op deze wijze wordt verhit. Vermindering transportverlies De aardwarmteput kan het beste in de buurt liggen van een warmteafnemer. De reden hiervoor is dat transport van warm water met verliezen gepaard gaat, zoals pompenergie. In het bovenstaande typische voorbeeld is een warmteafnemer een woonwijk, een bedrijventerrein of een groep tuinbouwkassen. Waarom aardwarmte? Aanwezigheid van aardgas en warmte vinden we vanzelfsprekend. Maar we staan er meestal niet bij stil dat de omzetting van aardgas in warmte gepaard gaat met blijvende schade aan ons leefmilieu. Bij de verbranding van deze brandstof komen schadelijke gassen vrij. Eén daarvan is het broeikasgas CO2 dat bij doorgroeiende uitstoot zelfs tot een verandering van ons klimaat kan leiden. Vrijkomende stikstofoxiden veroorzaken zure regen. Daarnaast zal aardgas op lange termijn opraken. Afgezien van de pompenergie verbruikt een aardwarmte-installatie geen energie. De gewonnen aardwarmte kan ingezet worden voor verwarmingsdoeleinden en vervangt dus nagenoeg volledig de inzet van fossiele brandstoffen. De Thermische zonne-energie De zon als warmtebron De zon is een onuitputtelijke bron van energie. Zonne-energie omgezet in warmte is de meest bekende Pagina 10 van 18

11 energievorm. Zonnewarmte wordt passief en actief gebruikt. Met passief gebruik van zonne-energie bedoelen we bijv, waarbij de zon gebruikt wordt als warmtebron zonder dat er iets tussen komt van speciale voorzieningen. Dit bespaart in de winter energie op een absoluut eenvoudige en goedkope manier. Onder actief gebruik van zonne-energie begrijpen we: het installeren van speciale voorzieningen om zonlicht om te zetten in warmte. Actief gebruik wordt onder meer toegepast in de landbouw, zwembaden en woningen. Hoe werkt een zonneboiler? Het water in een tuinslang die de hele dag in de zon heeft gelegen, kan al redelijk warm worden. Door het gebruik van zonneboilers maken we op een slimme manier gebruik van die basis. Zelfs in de winter wanneer de zon maar een paar uur schijnt, kan een zonneboiler voldoende warm water maken voor het dagelijkse gebruik van warm vatwater. Een zonneboiler bestaat uit een zonnecollector en een voorraadvat. De zonnecollector vangt zonlicht op. Zo n collector bestaat uit een donker gekleurd buizenstelsel dat afgedekt is met een vlakke glasplaat. De vloeistof (bijvoorbeeld water) dat door het buizenstelsel stroomt wordt verwarmd door het zonlicht. Bij felle zon kan de temperatuur van het water oplopen tot 90ºC. De collector wordt op het dak geplaatst. Bij een geopende warmwaterkraan stroomt het koude leidingwater via een warmtewisselaar door het opgewarmde voorraadvat naar de kraan. Als het water niet warm genoeg is, dan brengt bijv. de cv-ketel, de geiser of een warmtepomp het op de gewenste temperatuur. Dit proces heet naverwarming. Typen zonneboilers De zonneboilers die in Nederland op de markt zijn, zijn van goede kwaliteit. Bovendien hebben ze een lange levensduur: minstens 20 jaar. Bijna alle hier verkrijgbare zonneboilers zijn bij TNO getest. De zonneboilers zijn modern, betrouwbaar en milieuvriendelijk. En goed beveiligd: bevriezing en oververhitting zijn uitgesloten. Tegenwoordig kunnen zonneboilers een kwaliteitsverklaring krijgen. Een extra garantie voor langdurige, betrouwbare en veilige werking. Er zijn vier typen zonneboilers te onderscheiden, namelijk de standaard zonneboiler, de compacte zonneboiler, de cv-zonneboiler en de zonneboilercombi. Standaard zonneboiler Een standaard zonneboiler bestaat uit een collector met een oppervlak van ca. 3 m2 en een voorraadvat van 80 tot 150 liter. Het collectorwater wordt rondgepompt in een gesloten circuit. Een standaard zonneboiler heeft een naverwarmer nodig. Dit kan zijn: een combiketel, een cv-ketel of een modulerende badgeiser. Compacte zonneboiler De compacte zonneboiler lijkt sterk op de standaard zonneboiler. Deze boiler heeft echter geen apart voorraadvat nodig; het warme water wordt extra goed geïsoleerd in de collector op het dak bewaard. De watervoorraad bedraagt 70 tot 170 liter. Ook hier loopt het opgewarmde water uit het voorraadvat via Pagina 11 van 18

12 de naverwarmer naar de kraan. Is het water te koud, dan brengt de naverwarmer het op de gewenste temperatuur. CV-zonneboiler Een cv-zonneboiler is een boiler waarbij de cv-ketel zorgt dat de temperatuur van het water in het voorraadvat altijd op het gewenste temperatuurniveau is. Het voorraadvat is extra groot: 100 tot 240 liter. Een gedeelte van het water in het voorraadvat wordt direct door de cv-ketel naverwarmd. Er is direct een forse hoeveelheid warm water beschikbaar. Op meer punten gelijktijdig tappen is hiermee goed mogelijk. Een variant op dit systeem is een warmtepompboiler of een elektrische zonneboiler, waarin het leidingwater in het voorraadvat wordt bijverwarmd door een warmtepomp of een elektrisch element. De warmte van de zon wordt bij de cv-zonneboiler niet gebruikt voor de centrale verwarming. Zonneboilercombi Een zonneboilercombi is een grote zonneboiler, waarin voorraadvat (ca. 250 liter) en cv-ketel geïntegreerd zijn in één apparaat. De warmte van de zon wordt gebruikt om het tapwater en het water voor de centrale verwarming te verwarmen. De circuits van het cv-water en het tapwater zijn uiteraard gescheiden. Dit systeem heeft net als de cv-zonneboiler een relatief grote warmtapwatercapaciteit. Fotovoltaïsche Zonne-energie De zon als elektriciteitsbron Nog niet zo lang geleden werd elektriciteit uit zonlicht alleen maar in de ruimtevaart toegepast. Zonlicht wordt daar al jaren gebruikt om satellieten met behulp van zonnecellen van stroom te voorzien. Tegenwoordig worden zonnecellen ook op aarde toegepast: op woonhuizen en kantoorgebouwen, maar ook in rekenmachines, praatpalen, lichtboeien, waterpompen, zomerhuisjes en caravans. De zon is een onuitputtelijke bron van energie en is schoon. Zonlicht is er in overvloed. Ook in Nederland is er genoeg zonlicht om met zonnecellen alle elektriciteit op te wekken die nodig is. Zonnecellen De ontwikkeling waarmee een zonnecel werkt heet fotovoltaïsche omzetting: de verandering van licht naar elektriciteit. Veelgebruikt is de afkorting "PV", dat komt van het Engelse photovoltaic. De meest gebruikte zonnecel is gemaakt van silicium. Dat silicium bestaat uit twee lagen, de zogenaamde N-laag en P-laag. Het verschil in de twee lagen ontstaat door kleine chemische toevoegingen. Hierdoor ontstaat een spanningsverschil over het scheidingsvlak vergelijkbaar met de plus en de min van een batterij. Onder invloed van licht worden er extra elektronen in de zonnecel losgemaakt. Door een verbinding tussen beide lagen te maken, gaat er een elektrische stroom lopen. Voor het op gang komen van het fotovoltaïsche proces is niet alleen felle zon nodig. Ook op een bewolkte dag kan een zonnecel Pagina 12 van 18

13 elektriciteit leveren. Van zonnecellen en panelen naar PV-systemen Zonnecellen worden meestal aan elkaar gekoppeld en ondergebracht in een zonnepaneel. Panelen met zonnecellen leveren gelijkspanning van 12 of 24 Volt. In zo n paneel zijn de cellen tegen weer en wind bestand. Meer zonnepanelen maken doorgaans deel uit van een compleet systeem, een zogenaamd PVsysteem. Andere componenten van een PV-systeem zijn hulpmiddelen zoals kabels, regelapparatuur en een draagconstructie. De PV-systemen kunnen gebruikt worden voor autonome en (elektriciteits- )netgekoppelde toepassing. Soorten PV-systemen Autonome PV-systemen Autonome PV-systemen zijn systemen los van het elektriciteitsnet waarbij gebruik gemaakt wordt van accu s om de elektriciteit op te slaan. Deze systemen worden daar gebruikt waar het elektriciteitsnet ontbreekt of waar een aansluiting te duur is. De overdag geproduceerde elektriciteit wordt opgeslagen, zodat ook s avonds en s nachts de elektriciteit gebruikt kan worden. De accu s moeten natuurlijk wel voldoende capaciteit hebben om een paar donkere dagen te overbruggen, met name in de wintermaanden. De autonome PV-systemen worden niet gebruikt als algemeen elektriciteitsproductiemiddel waarbij gestreefd wordt naar een maximale jaaropbrengst. Centraal bij dit systeem staat een optimale leveringszekerheid over het jaar. Netgekoppelde PV-systemen Netgekoppelde PV-systemen zijn gekoppeld aan het elektriciteitsnet. De gelijkspanning wordt door middel van een inverter (omvormer) omgezet naar de juiste spanning (230 Volt wisselspanning). De overproductie van elektriciteit uit het PV-systeem wordt afgegeven aan het elektriciteitsnet. Wanneer er meer elektriciteit verbruikt wordt dan het PV-systeem produceert, dan wordt het tekort aangevuld vanuit het elektriciteitsnet. Mocht het elektriciteitsnet door wat voor een oorzaak dan ook uitvallen, dan schakelt het PV-systeem zichzelf om veiligheidsredenen uit. Voor netgekoppelde PV-systemen wordt, in tegen stelling tot autonome systemen, in nagenoeg alle gevallen wel gestreefd naar opbrengstmaximalisatie. Waarom zon-pv Beschikbaarheid van elektriciteit vinden we vanzelfsprekend. We staan er vaak niet bij stil dat productie van elektriciteit uit aardgas of steenkool blijvende schade toebrengt aan ons leefmilieu. Bij de verbranding van deze brandstoffen komen schadelijke gassen vrij. Eén daarvan is het broeikasgas CO2 dat bij doorgroeiende uitstoot zelfs tot een verandering van ons klimaat kan leiden. Vrijkomende stikstofoxiden en zwaveloxiden veroorzaken zure regen. Daarnaast zullen de brandstofvoorraden op lange termijn opraken. Afhankelijkheid van deze bronnen maakt de energie voorziening zwak. Gebruik van fotovoltaïsche zonneenergie brengt geen van schadelijke gassen met zich mee. Zon-PV is schoon, stil en duurzaam. Pagina 13 van 18

14 Voor en nadelen van Zonne-energie Voordelen Productie van elektriciteit uit aardgas of steenkool brengt blijvende schade toe aan ons milieu. Bij de verbranding van deze brandstoffen komen schadelijke gassen vrij. Eén daarvan is het broeikasgas CO2 dat bij door groeiende uitstoot zelfs tot een verandering van ons klimaat kan leiden. Vrijkomende stikstofoxiden en zwaveloxiden veroorzaken zure regen. Daarnaast zullen de brandstofvoorraden op lange termijn opraken. Afhankelijkheid van deze bronnen maakt de energievoorziening kwetsbaar. Toepassing van fotovoltaïsche zonne-energie brengt geen uitstoot van schadelijke gassen met zich mee en doet geen aanslag op schaarse hulpbronnen. Nadelen Een nadeel van zonne-energie is dat de zonnepanelen heel duur zijn, en niet iedereen vindt ze mooi op de daken staan. Kernenergie Soms maakt een centrale elektriciteit met behulp van kernenergie. We noemen dit een kerncentrale. In ons land vind je alleen bij Borssele en bij Dodenwaard kerncentrales. In andere landen staan er vaak veel meer. Wij maken maar 6% van onze elektriciteit met kernenergie. Frankrijk maakt meer dan 50% van alle elektriciteit met kernenergie en Zweden bijna 40%. Naar grote ongelukken met kerncentrales bij Tsjernobyl ( In de Sovjet-Unie) en in de VS, bouwen veel landen geen kerncentrales meer. Kernsplitsing Als je meer over kernenergie wilt weten, moet je ook weten wat atomen en atoomkernen zijn. Een Atoom is heel klein. Zelfs met een heel goede microscoop kun je een atoom niet zien. Niemand heeft er ooit een gezien. Toch doen we vaak alsof we precies weten hoe een atoom eruitziet. We tekenen er mooie plaatjes van. Het is net als met een dinosaurus. Die beesten leven al lang niet meer, niemand heeft er ooit een gezien. We kennen ze alleen van plaatjes. Atomen zijn er in soorten. Sommige atomen zijn niet erg stevig en vallen soms uit elkaar. Er ontstaan dan kleinere atomen en neutronen. Neutronen zijn nog kleiner dan atomen. Als het binnenste van een atoom, de atoomkern, uit elkaar valt noemen we die kernsplitsing. Bij een kernsplitsing ontstaan kleiner atomen en neutronen. De neutronen botsen tegen atoomkernen die in de buurt zijn. Door de botsingen splitsen ook die atoomkernen. En weer ontstaan er kleine atoomkernen en meer neutronen. Dit noemen we een kettingreactie. Behalve kleine atoomkernen en neutronen ontstaat er ook veel warmte. Die warmte wordt in een kerncentrale gebruikt om elektriciteit te maken. In de kerncentrale Het belangrijkste onderdeel van een kerncentrale (foto) is de reactorkern. In de reactorkern splitsen grote atoomkernen. Dat zijn meestal atoomkernen van de stof uranium. Bij deze splitsingen ontstaat veel warmte. De warmte wordt gebruikt om uit water stoom te maken. Dat gebeurt in een warmtewisselaar. Pagina 14 van 18

15 Uranium is zeer radioactief. Het zendt gevaarlijke straling uit. Daarom mag uranium nooit in aanraking komen met de stoom die de turbine laat draaien. Om te voorkomen dat radioactieve stoffen buiten de reactorkern terechtkomen zijn er twee aparte leidingen waar het water doorstroomt. De stoom uit de warmtewisselaar drijft een turbine aan en de turbine zorgt ervoor dat een generator elektriciteit maakt. Werken met straling In een kerncentrale ontstaan warmte en straling. De warmte gebruiken we om elektriciteit te maken. De straling willen we niet, maar die is er wel. Radioactieve straling kun je niet zien of voelen. Met een speciale dosi-meter kun je laten zien dat er straling is. Je moet dan goed oppassen en je moet beschermde kleding dragen. Alle dagen staan we bloot aan straling. De gevaarlijke straling uit het heelal wordt gedeeltelijk tegengehouden door de lucht. Maar toch komt er een beetje op aarde terecht. Een beetje straling is niet gevaarlijk, maar veel straling wel.vooral radioactieve straling kan in ons lichaam veel schade aanrichten. Na de ramp met de kerncentrale in Tsjernobyl in de Sovjet-Unie zijn veel mensen overleden aan de gevolgen van radioactieve straling. Straling maakt het lichaam stuk. Soms is dat goed. Want straling kan ook kankergezwellen stuk maken en zo voor genezing zorgen. Je ziet dat straling kanker kan veroorzaken en genezen. In een kerncentrale mag niemand in de buurt komen van de radioactieve brandstofstaven. Daarom worden de brandstofstaven door een robot verplaatst. Opwerken van radioactief afval Het radioactieve uranium in een kernreactor raakt na verloop van tijd steeds meer op. In de brandstofstaven zitten dan te weinig atoomkernen die gemakkelijk splitsen. De brandstofstaven leveren niet genoeg warmte meer voor de productie van stoom en elektriciteit. Ze moeten worden vervangen. Als het uranium opraakt, ontstaat plutonium. Plutonium is ook een heel gevaarlijke stof. Plutonium zendt ook radioactieve straling uit. In een opwerkingsfabriek worden de restjes uranium en het plutonium uit de brandstofstaven gehaald. Het uranium wordt in nieuwe brandstofstaven gedaan. Dit heet opwerken. Nu kan het weer gebruikt worden in een kerncentrale. Het plutonium wordt bewaard. Het is geschikt voor het maken van atoombommen en voor gebruik in een kweekreactor. De opwerking van brandstofstaven is heel duur. Dat komt omdat er heel veel veiligheidsmaatregelen nodig zijn. Niemand mag de gevaarlijke stoffen aanraken. Niet elk land heeft een opwerkingsfabriek. Het Nederlandse kernafval gaat naar een fabriek in Frankrijk. Kernafval Afval van een kerncentrale is heel gevaarlijk. Het blijft miljoenen jaren stralen. De opbergplaats moet daarom heel stevig zijn en liefst ver van mensen vandaan. Kernafval wordt tegenwoordig verpakt in beton en daarna in vaten gedaan. Deze vaten met beton en kernafval zijn in de oceaan gegooid. Niemand kan er meer bij. Niet iedereen is gelukkig met deze manier van opruimen. Blijven de vaten dicht? In West-Duitsland wordt bij de stad Gorleben radioactief kernafval opgeborgen in oude zout mijnen. Op die manier kunnen we regelmatig kijken of de vaten nog dicht zijn. In ons land wordt radioactief kernafval Pagina 15 van 18

16 naast de kerncentrales opgeslagen. De regering weet nog niet waar ze met het afval naar toe moet. In Denemarken worden geen kerncentrales gebouwd omdat de Denen geen goede opbergplaats voor het afval kunnen vinden. Waterstof Waterstof, een onuitputtelijke en schone brandstof, is de weg naar een duurzame toekomst. Wist u dat er al auto's, bussen, fietsen en mobiele telefoons zijn die door waterstof van energie worden voorzien. En dat Poul la Cour, een Deense wetenschapper, al in 1893 waterstof gebruikte voor de verlichting van een school? De geschiedenis van waterstof In 1766 werd waterstof voor het eerst zien als een nieuw gas, dit gebeurde door Henry Cavendish. Cavendish kwam op het idee om waterdamp te ontleden met behulp van gloeiend ijzer. Bij deze ontledingsreactie ontstond het zogenaamde Hydrogene (v. Gr. Hudoor = water, gennaoo produceren), ofwel watervormende stof. Dit werd vertaald met waterstof. Waarom waterstof? In de toekomst zal waterstof de brandstof zijn voor het opslaan van energie en onze afhankelijkheid van olie, kolen en kernenergie sterk verkleinen. De vrije beschikbaarheid van waterstof (het is uit water te verkrijgen) en het feit dat het niet vervuilend is maakt waterstof uit politieke- en milieuoverwegingen de brandstof voor de toekomst. Zo ziet zelfs Amerika in waterstof de energiebron van de toekomst omdat het haar afhankelijkheid van olie uit het Midden-Oosten sterk vermindert. Juist deze combinatie tussen politieke en milieunoodzaak zal de verdere ontwikkeling van waterstof een sterke stimulans geven. Wat is waterstof? In de scheikundige wereld wordt waterstof aangeduid met H2, dit betekent dat een waterstofmolecuul is opgebouwd uit twee waterstofatomen. H2 is een gas dat niet voorkomt in de vrije natuur. Het molecuul H2 komt voor in allerlei stoffen, de meest bekende is water (H2O). Waterstof moet verkregen worden door het waterstof molecuul los te weken van bijvoorbeeld een watermolecuul. Er zijn twee manieren om dit te doen: Elektrolyse van water Met elektriciteit kunnen watermoleculen gesplitst worden om pure waterstof en zuurstof te maken. Waterstof is dus overal te maken waar water en elektriciteit is. Een nadeel is dat je elektriciteit nodig hebt om waterstof te maken om er daarna weer elektriciteit van te maken. In dit proces gaat tot 50% verloren. Het voordeel is dat in waterstof de energie is opgeslagen. Omzetten van fossiele brandstoffen Olie en gas bevatten koolwaterstof moleculen die bestaan uit waterstof en koolstof. Met een zogenaamde fuel-processor kan waterstof gesplitst worden van de koolstof. Het nadeel is dat de koolstof als koolstofdioxide in de lucht verdwijnt. Waterstof omzetten in energie Waterstof wordt, als het in aanraking komt met zuurstof, omgezet in energie en water. De reactie die hierbij plaatsvindt is 2H2 + O2 -> 2H2O, wat wil zeggen dat twee waterstofmoleculen reageren met een Pagina 16 van 18

17 zuurstof molecuul, waarbij de atomen losraken en zich verdelen over twee watermoleculen. De vrijgekomen energie bestaat uit warmte en elektronen (stroom). Waterstof kan als brandstof dienen in een speciale verbrandingsmotor (de werking is vergelijkbaar met motoren op LPG), en waterstof kan dienen als een soort accu die een elektromotor van stroom voorziet. De waterstof accu wordt ook wel brandstofcel genoemd. Waterstof en de brandstofcel (engels: fuelcell) In een brandstofcel wordt waterstof en zuurstof omgezet in zogenaamde ionen (deeltjes die geladen zijn) om precies te zijn H+ en OH- ionen. Deze ionen worden via elektroden naar elkaar toe geleid waar de + en - ionen met elkaar reageren waarbij elektriciteit wordt opgewekt. De OH- en H+ ionen vormen vervolgens samen als een H2O molecuul. De enige uitstoot van de brandstofcel is dus waterdamp en dus geen schadelijke gassen als koolstofdioxide. Met de opgewekte elektriciteit kunnen dus elektromotoren worden aangedreven. Waterstof in een verbrandingsmotor Waterstof kan ook gebruikt worden op een vergelijkbare manier als bijvoorbeeld LPG. Waterstof wordt ingespoten in een cilinder. Op basis van de warmte ontstaan door de reactie wordt de motor aangedreven.inmiddels zijn de eerste auto s met deze techniek ontwikkeld. De zogenaamde hybrides zijn auto s die met dezelfde motor gebruik kunnen maken van zowel benzine als waterstof. Verder wordt gewerkt aan methoden om bestaande motoren om te bouwen tot hybride auto s. Vergelijk dit met het inbouwen van een LPG installatie. De verwachting is dat binnenkort te techniek zover is dat voor tussen de en euro uw auto kan worden omgebouwd tot een hybride auto die ook op waterstof rijdt. Opslag van waterstof Waterstof is een vluchtig gas, een gas dat per kubieke meter veel minder energie bevat dan bijvoorbeeld LPG. Het gas moet dus onder zeer hoge druk bewaard worden. In projecten waar auto s op waterstof rijden wordt de waterstof in speciale tanks onder hoge druk opgeslagen. Er zijn ook technologische ontwikkelingen die het mogelijk maken om waterstof in vaste vorm op te slaan. Zo heeft Nokia een batterij voor de mobiele telefoon ontwikkeld waarin waterstof in vaste vorm wordt opgeslagen. Conclusie Eigenlijk is energie een enorm ruim begrip. Natuurkundig gezien is alles energie. Het probleem met energie is dat het in zo veel vormen bestaat. Warmte en licht zijn energie, maar de stoffen waaruit wij en de rest van de wereld bestaan zijn ook energie. Licht kun je zien, warmte voelen, stoffen beide. Maar wat te denken van b.v. radiostraling (Het is een soort 'onzichtbaar licht); dat kun je niet zien of voelen, zelfs niet horen, tenzij je een speciale ontvanger hebt (radio).er bestaan verschillende soorten energie{bijv. Warmteenergie/Kortweg warmte, Zwaarte-energie, Bewegingsenergie, Stralingsenergie, Elektrische energie, Kernenergie, Chemische energie}.er bestaan verschillende soorten energiesoorten{bijv.windenergie, Waterkracht, Zonne-energie, Kernenergie, Aardwarmte, Bio-energie}. Pagina 17 van 18

18 Bronvermelding Internetsites: zoeken naar zonne-energie, windenergie, aardewarmte, waterkracht, kernenergie, waterstof. zoeken naar afbeeldingen Boeken: Energie nu en in de toekomst: Sally Morgan Energie: Robert Snedden Kerncentrales: Kelvin Gosnell Windenergie: Graham Rickard Waterkracht: Graham Rickard Zonne-energie: Graham Rickard Pagina 18 van 18