Profielwerkstuk Natuurkunde Duurzame energie

Transcriptie

1 Profielwerkstuk Natuurkunde Duurzame energie Profielwerkstuk door een scholier 2527 woorden 6 mei ,1 242 keer beoordeeld Vak Natuurkunde Inleiding Duurzame energie is energie dat opgewekt is door natuurlijke bronnen zoals zon, wind en water. Dit kan onder andere door het opwekken van elektriciteit met zonnepanelen, windturbines of waterkrachtcentrales of door het opvangen van de warmte van de zon met zonneboilersystemen.. Indirect gebruik van de zon door het 'verbranden' van grassen en hout valt ook onder duurzame energie. Deze vorm wordt ook wel biomassa genoemd. Ook bestaat de mogelijkheid om gebruik te maken van de omgevingswarmte. Een warmtepomp kan de 'warmte' uit koude buitenlucht gebruiken om het binnenshuis warm te stoken. Ik wil in dit werkstuk gaan onderzoeken waarom het beter is om duurzame energie te gebruiken. Verder behandel ik de volgende onderwerpen: - Windenergie - Zonne-energie - Waterenergie - Bio-energie - Groene energie Windenergie Windenergie is al vrij lang bekend in Nederland, maar in andere landen word deze vorm ook al gebruikt. Al eeuwen lang gebruiken we de wind om de zeeën te bevaren. Zonder deze uitputtelijke bron van energie had Odysseus zijn reizen niet kunnen maken en had Columbus Amerika nooit ontdekt. Dus al eeuwenlang varen zeilboten en draaien windmolens door de beweging van de lucht. Wind verplaatst wolken, zodat het ook ver in het binnenland kan gaan regenen. In steden verdrijft de wind de uitlaatgassen van het verkeer. Af en toe blaast de wind woestijnzand uit de Sahara naar ons land. Met een beetje moeite kunnen we de wind als energiebron gebruiken. Energie hebben we nodig om onze huizen te verwarmen, om te reizen en om elektriciteit te maken. Geschiedenis Rond 1900: De Hollandse molens verdwijnen uit het landschap. Elektriciteit en de stoommachines nemen het werk van de windmolens over. Er wordt nog wel geprobeerd met de oude windmolens elektriciteit op te wekken. In plaats van molenstenen wordt een dynamo aangedreven en de opgewekte elektriciteit wordt opgeslagen in accu s. Het houten binnenwerk van de Hollandse molen is niet sterk genoeg. Pagina 1 van 6

2 In Denemarken worden nieuwe stalen windmolens ontwikkeld, speciaal voor de productie van elektriciteit. Samen met dieselaggregaten worden deze molens gebruikt als kleine elektriciteitscentrales. In 1918 staan op het Deense platteland 120 van dergelijke installaties. Na de Eerste Wereldoorlog: Met succes worden sneldraaiende windturbines ontworpen voor het opwekken van elektriciteit. De turbines hebben gestroomlijnde bladen die veel weg hebben van vliegtuigvleugels. Een bekend voorwerp uit de jaren dertig is de tweebladige Wincharger met een elektrisch vermogen van 200 Watt. Deze kleine turbine wordt soms op afgelegen plaatsen nog gebruikt voor het opladen van accu s. Na de Tweede Wereldoorlog: Grote centrales wekken goedkope elektriciteit op met behulp van kolen, gas en olie. Windturbines kunnen daar niet tegenop en de ontwikkeling komt stil te liggen. Jaren vijftig en zestig: Door de sluiting van het Suezkanaal stagneert de olietoevoer naar Europa. De prijs van olie stijgt en dat geeft de ontwikkeling van windenergie een nieuwe impuls. Engeland, Frankrijk en Duitsland ontwikkelen grote windenergie met gestroomlijnde rotorbladen. In 1957 wordt in Duitsland de eerste windturbine met bladen van kunststof gebouwd. Twee jaar later bouwt een elektriciteits- bedrijf in Denemarken op de landtong bij Gedser een windturbine met een vermogen van 200 kilowatt. In de jaren zestig daalt de olieprijs opnieuw. Met mammoettankers wordt goedkope olie uit het Midden-Oosten aangevoerd. Windenergie kan de prijsslag niet aan. De ontwikkeling van windenergie komt opnieuw tot stilstand. Jaren zeventig: De oliecrisis van 1973 jaagt de olieprijzen weer omhoog. Windenergie komt wereldwijd in de belangstelling en zal dat nu blijven. Veel landen, waaronder Nederland, stellen programma s op voor onderzoek en ontwikkeling van windenergie. Denemarken maakt een vliegende start. Deense fabrikanten specialiseren zich op de productie van turbines met een rotordiameter van rond de tien meter. De particuliere markt ontwikkelt zich snel onder invloed van aantrekkelijke subsidies en een goede prijs voor aan het net geleverde elektriciteit. Ook in Nederland wordt windenergie serieus genomen Jaren tachtig: De ontwikkeling van windenergie is niet meer gestopt, hoewel een oliecrisis, zoals die in 1973, niet meer is voorgenomen. Het belang van windenergie wordt nu vooral ingegeven door het grote milieuvoordeel ervan. Ook Nederland maakt zich op voor de toepassing van windenergie op grote schaal. Na jaren van onderzoek en ontwikkeling is de technologie zover ontwikkeld dat windturbines op een betrouwbare manier een deel van de elektriciteitsvoorziening voor hun rekening kunnen nemen. Jaren negentig: Begin negentiger jaren wordt een nieuwe mijlpaal gepasseerd: in Nederland staan dan 500 windturbines met een totaal vermogen van honderd megawatt. De energiebedrijven komen met een investeringsplan voor de bouw van 250 megawatt windturbine-vermogen. Besturen van provincies en gemeenten gaan de plaatsing van grote aantallen turbines in streek- en bestemmingsplannen voorbereiden. Ook de technische ontwikkeling van windturbines gaat door. Windturbines worden groter, stiller en technisch beter. Pagina 2 van 6

3 De veiligheid van de windturbines De meeste landen kennen een veiligheidskeuring voor windturbines. In Nederland wordt elk nieuw type windturbines getest volgens de veiligheidsnorm NEN 6096/2. De keuring is gericht op een veilige en betrouwbare werking van een windturbine en wordt verricht door een erkend keuringsinstituut. Het windturbine-ontwerp wordt gecontroleerd op sterkte en constructie, elektrische veiligheid, bliksemafleiding en beveiliging tegen harde wind. Ook in de praktijk wordt de turbine getest. Onder verschillende omstandigheden worden remproeven uitgevoerd. De elektrische opbrengst wordt gemeten en er worden geluidsmetingen uitgevoerd. Als de turbine deze testprocedure goed doorstaat, geeft het keuringsinstituut een veiligheidscertificaat af. Vrijwel iedere gemeente in Nederland stelt dat certificaat als voorwaarde voor het afgeven van een bouwvergunning en hinderwetvergunning. Windturbines die zo in Nederland geplaatst worden, voldoen dus aan strenge veiligheidsnormen. [plaatje0] Windturbine Wat zijn de voor- en nadelen van windenergie? De voordelen van windenergie zijn onder andere: Het levert "schone" elektriciteit (veroorzaakt geen uitstoot van schadelijke stoffen). Het is de goedkoopste vorm van duurzame energie en vervangt voor een deel de steeds schaarser wordende fossiele brandstoffen als aardolie en aardgas. Windenergie leidt dus tot een schoner leefmilieu voor zowel mens als dier. De nadelen van windenergie zijn onder andere: Windturbines zijn groot en vormen een extra obstakel in het landschap, ze geven het landschap een ander aanzien. Ook kunnen windturbines als hinderlijk worden ervaren, door het geluid of de beweging van de wieken. Er sterven jaarlijks zo'n vogels aan de gevolgen van windturbines, dit is echter in vergelijking met het aantal vogellevens dat het verkeer eist (ongeveer 2 miljoen) vrij weinig. Verder zou het leiden tot verstoring van broedvogels. Zonne-energie: Nog niet zo lang geleden kwam je zonnecellen alleen maar tegen in de ruimte. Daar worden ze al jaren gebruikt om satellieten van stroom te voorzien. Nu zie je ze overal: in rekenmachines, op lichtboeien, op waterpompjes, en zelfs op zomerhuisjes en caravans. Die groeiende populariteit van zonnecellen is heel begrijpelijk. Zonnecellen zijn schoon, stil, handig, onderhoudsarm en milieu-vriendelijk. Ze leveren stroom zodra er licht op valt, en je hoeft er niks voor te doen. Licht, vooral daglicht, is er in overvloed. Zelfs in Nederland is er genoeg daglicht om met zonnecellen alle electriciteit op te wekken die we nodig hebben. Eens, ergens in de volgende eeuw zullen zonnecellen heel gewoon zijn. De ideale plaats voor zonnecellen is op het dak van een huis. Daar is volop ruimte en licht. Onze huizen van de toekomst zullen dus hun eigen elektriciteit maken. Zonnecellen zijn nu nog te duur om dakpannen te vervangen. Maar voor kleine toepassingen, zoals de Pagina 3 van 6

4 stroomvoorziening van lichtboeien of weidedrinkbakken, zijn ze best betaalbaar. Of als je ze wilt gebruiken om stroom te leveren voor een boot of een zomerhuisje. Bovendien is het gewoon leuk om televisie te kijken met gratis energie van de zon. De bron van zonne-energie De zon heeft een doorsnee van 1,4 miljoen km en is km verwijderd van de aarde. De temperatuur in de kern van de zon is ongeveer 15 miljoen C. Bij deze temperatuur vinden er voortdurend kernreacties plaats. Deze kernreacties zijn de bron van de zonne-energie. Ongeveer 90% van de zon bestaat uit het gas waterstof. Waterstof is het eenvoudigste en lichtste element. Het energieleverende proces in de zon is de versmelting van waterstofkernen, zodat uit waterstofatomen atomen van het gas helium gevormd worden. Deze versmelting levert onwijs veel energie. Het is het omgekeerde proces van splitsing van kernen van zware atomen, zoals dat wordt toegepast in kerncentrales. [plaatje1] Zonnecel De toekomst van de zonne-energie Zonne-energie is waarschijnlijk één van de belangrijkste energiebronnen voor de toekomst. Driekwart van de wereld moet het nu nog zonder electriciteitsnet doen. Vooral in de Derde Wereld is zonne-energie een oplossing. Huishoudens kunnen hun eigen pv-systeem krijgen, net als scholen, ziekenhuizen en medische hulpposten. Ook bij ons heeft zonne-energie een veelbelovende toekomst volgens veel mensen. Pv-systemen zijn stil, onderhoudsarm en milieuvriendelijk. Er komen steeds meer pv-systemen op de markt. Er zijn al kampeerwinkels die zonnepanelen verkopen. En terwijl steeds meer mensen een klein pv-systeem kopen, wordt nu al gewerkt aan grote systemen voor de toekomst. Overheid, bedrijfsleven en onderzoeksinstellingen werken samen aan een toekomst waarin zonne-energie kan concurreren met elektriciteit uit het openbare net. Bio-energie: Bijna alle energie die we hebben komt van de zon. De zon zorgt ervoor dat de aarde warm genoeg is om op te leven. Ook zorgt de zon ervoor, door alleen maar te schijnen, dat we energie van wind- en waterkracht hebben. De verwarmde lucht beweegt zich automatisch over de aarde, het waait. De zon laat ook water verdampen en weer neerdalen in de bergen. Dit water stroomt via beken en rivieren weer terug naar de zee. Zo zorgt de zon voor waterkracht. Ooit heeft de zon planten en dieren laten leven die gezorgd hebben voor de fossiele brandstoffen. Fossiele brandstoffen Steenkool, olie en aardgas zijn de brandstoffen die wij de laatste 200 jaar vooral hebben gebruikt. Deze brandstoffen die zich miljoenen jaren geleden hebben gevormd, bestaan uit de resten van dode planten en dieren. Tot nu toe is fossiele energie altijd genoeg geweest om onze huizen warm te houden, het verkeer in beweging te houden en de fabrieken te laten werken. Fossiele brandstoffen hebben twee grote nadelen: ze kunnen niet bijgemaakt worden en veroorzaken ernstige milieuverontreiniging. Op = op Pagina 4 van 6

5 Door het grote verbruik van benzine zal over 30 jaar de olie waarschijnlijk al op zijn. De andere fossiele brandstoffen worden ook steeds sneller opgebruikt omdat de vraag naar steenkool en aardgas met de dag groter wordt. [plaatje2] Hoeveel Bio-energie Groene energie: Groene energie is een andere naam voor duurzame energie die particulieren en bedrijven kunnen kopen bij een energiebedrijf. Meestal word met groene energie bedoeld: elektriciteit die opgewekt is met behulp van duurzame energiebronnen. Wat is Biomassa? Biomassa is de verzamelterm voor allerlei organische materialen, zoals: snoeihout of gras; GFT (Groente-, Fruit- & Tuinafval); sloophout; mest. Door het verbranden, vergassen of vergisten van biomassa kan duurzame elektriciteit, en dus groene stroom, worden geproduceerd. Maar anders dan bij de verbranding van fossiele brandstoffen is de omzetting van biomassa 'CO2-neutraal'. Hierdoor draagt biomassa als energiebron niet bij aan het broeikaseffect. Er zijn vier bronnen voor biomassa brandstoffen: houtafval uit de bosbouw, plantaardig afval uit de landbouw zoals stro, plantaardig afval uit de landbouwverwerkende industrie en energiegewassen die speciaal worden geteeld voor het gebruik als brandstof. Deze brandstoffen kunnen worden gebruikt om elektriciteit op te wekken in een warmte/krachtinstallatie, of als brandstof voor stadsverwarming. Bovendien is biomassa een onuitputtelijke energiebron, want datgene dat gebruikt wordt, kan opnieuw worden aangeplant. Het doel van de overheid is dat in % van al onze energie afkomstig is van duurzame energiebronnen, waarvan de helft uit biomassa. Wat zijn de voordelen van biomassa als brandstofvoor een elektriciteitscentrale? Goed voor milieu Beschikbaarheid van elektriciteit en warmte vinden we vanzelfsprekend. We staan er meestal niet bij stil dat productie van elektriciteit en warmte 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. Door gebruik te maken van bio-energie komt er geen extra CO2 vrij. Weliswaar komt er bij het omzettingsproces CO2 vrij, echter die is kort daarvoor vastgelegd door de fotosynthese. Door evenveel biomassa aan te planten als er wordt verbruikt, wordt een toename van CO2 voorkomen. Bij de verbranding van fossiele brandstoffen ontstaat zonder maatregelen wel een toename van de hoeveelheid CO2 in de atmosfeer. Een maatregel om dit te ondervangen is het aanplanten van bomen. Daarnaast zullen de fossiele brandstofvoorraden op lange termijn opraken. Afhankelijkheid van deze bronnen maakt de energievoorziening kwetsbaar. Door nieuwe aanplant is bio-energie een onuitputtelijke energiebron. Bio-energie levert zo ook geen bijdrage aan het broeikaseffect.meer voordelen Toepassing van bio-energie maakt nuttig gebruik van afvalstoffen die aan het eind van hun gebruikscyclus zijn gekomen. Tevens wordt voorkomen dat er een ongecontroleerde emissie van het sterkere broeikasgas methaan uit Pagina 5 van 6

6 stortplaatsen plaatsvindt doordat het afval verbrand wordt in plaats van gestort. Met name verbranding en vergisting zijn omzettingstechnologieën die uitontwikkeld en relatief kosten-effectief zijn. Daarbij kan tevens het energiebesparende warmtekrachtkoppelingsconcept worden toegepast. Op korte termijn kan hiermee een aanzienlijk deel duurzame energie op een relatief kosteneffectieve manier worden opgewekt. Het ontwikkelen van areaal voor energieteelten en het beheer van bossen ten behoeve van bio-energie heeft positieve effecten op de werkgelegenheid in land- en bosbouw. Daarentegen kan de beschikbaarheid van biomassa een probleem vormen voor bio-energie, omdat Nederland te weinig biomassa bezit om de doelstellingen te halen. Teelt en import van biomassa kunnen deze tekorten compenseren. Het grootste nadeel van biomassa is de prijs, het is namelijk erg duur. Er moeten nog veel onderzoeken plaatsvinden en dat kost natuurlijk veel geld. Maar misschien is de prijs van de ontwikkeling en de bouw van de biogasinstallaties en verbrandingsinstallaties nog wel een groter probleem. Gelukkig ziet de regering ook in dat dit een probleem is. Daarom wordt een biomassa project gesubsideerd. Als de onderzoeken hebben plaats gevonden zal de inburgering van biomassa-installaties een stuk sneller gaan. Wanneer het gebruik van biomassa normaler wordt zal de prijs van de installaties omlaag gaan. Wat natuurlijk erg gunstig is. Aangezien wij in Nederland niet grootschalig gebruik kunnen maken van plantages waar speciale zonne-energie planten worden verbouwd, hebben wij geen last van lanbouwgrondtekort. Als de biomassa-installaties eenmaal ontworpen en gebouwd zijn, zitten er verder dus geen grote nadelen meer aan. Waarschijnlijk is dan nog het enige probleem dat de verbranding van bioafval luchtvervuiling opleverd. Nawoord: Mijn hoofdvraag was waarom we nu eigenlijk duurzame energie moeten gaan gebruiken. Hiervoor heb ik nu enkele redenen. Het broeikaseffect tegen te gaan. Het tegen gaan van zure regen Windturbines wekken elektriciteit op zonder uitstoot van de luchtvervuilende stoffen zoals zwavel- en stikstofoxiden. Deze stoffen zijn medeverantwoordelijk voor zure regen. Het is tenslotte veel beter voor het milieu. Bronnen: Pagina 6 van 6