6.6 Duurzame energie

De auto in figuur 6.84 rijdt op waterstof. Een waterstofauto is ook een elektrische auto, maar hij heeft geen standaard batterijen. In plaats daarvan tank je waterstof. Wat zijn de voor- en nadelen van deze auto’s? Hoe produceer je de waterstof op een duurzame manier?

Figuur 6.84

Elektriciteit en energietransitie

In hoofdstuk 5 heb je gelezen dat Nederland de uitstoot van CO2 zoveel mogelijk moet beperken. Overal waar aardolie, gas en steenkool worden verbrand, komt CO2 vrij. Het verwarmen van huizen met aardgas en auto’s die rijden op aardolieproducten kan in de toekomst niet meer: niet alleen vanwege het klimaat, maar ook omdat de voorraden eindig zijn. In deze energietransitie is een grote rol toebedacht aan elektriciteit. Elektrische energie kun je eenvoudig omzetten in warmte, beweging, licht en nagenoeg elke andere vorm van energie. Elektriciteit is van zichzelf schoon, en kan eenvoudig getransporteerd worden via kabels. Maar er zijn ook nadelen aan elektriciteit. Elektrische energie kun je opslaan in batterijen en accu’s, maar de energiedichtheid van batterijen is veel kleiner dan die van fossiele brandstoffen. Daardoor is het veel moeilijker om grote hoeveelheden elektrische energie op te slaan en mee te nemen. En bij de traditionele manieren om elektrische energie op te wekken komt alsnog CO2 vrij. Om de energietransitie te laten slagen worden meerdere strategieën tegelijk ingezet. Denk daarbij aan: 1 Energiebesparing: Hoe minder energie er gebruikt wordt, hoe beter. 2 Rendement: Hoe hoger het rendement van een apparaat, des te meer doe je met de beschikbare energie. Je gebruikt een groter deel van de beschikbare energie op een nuttige manier. 3 Opwekking van elektrische energie: Het gebruik van de ene energiebron is beter voor het klimaat dan de andere. Hoe kleiner de uitstoot aan CO2, des te beter is het voor het klimaat.

Energiebesparing

Voor energiegebruik geldt: E = P ∙ t. Uit deze formule leid je af dat je het energieverbruik op twee manieren laag kunt houden: ▪ Gebruik apparaten zo kort mogelijk, zeker de apparaten met een groot vermogen.

Je bespaart gemakkelijk energie door allerlei apparaten zoals computers, printers en beeldschermen uit te schakelen als je ze niet gebruikt. Ook in de standbystand gebruikt een apparaat energie. Opladers moet je niet in het stopcontact laten zitten als er geen apparaat op is aangesloten. In de oplader wordt dan nog steeds energie omgezet in warmte. ▪ Vermijd zoveel mogelijk apparaten die een groot vermogen vragen. Moderne apparaten hebben C een energielabel. Zie figuur 6.85. Een koelkast met label A vraagt het minste vermogen, eenzelfde soort koelkast met label D het meeste.

Rendement

Figuur 6.85

▶ practicum Rendement Een elektrisch apparaat zet elektrische energie om in een of meer andere energievormen. Zo zet een lamp elektrische energie om in stralingsenergie en warmte. Bij een lamp is de stralingsenergie (licht) de nuttige energie. Je kunt ook zeggen dat de stralingsenergie de gewenste energievorm is en de warmte de ongewenste energievorm. Het rendement is de verhouding tussen de nuttige energie en de totale hoeveelheid omgezette energie. Omdat de nuttige energie en de totale energie in dezelfde tijd gebruikt worden, mag je ook rekenen met vermogen. Voor het rendement geldt:

η =

Enuttlg _

Ein of η =

Pnuttlg _

Pin

▪ η is het rendement. ▪ Enuttig is de nuttige energie in J. ▪ Ein is de totale hoeveelheid omgezette energie in J. ▪ Pnuttig is het nuttig vermogen in W. ▪ Pin is het totale omgezette vermogen in W.

Met de formules krijg je een waarde tussen 0 en 1. Meestal wordt het rendement uitgedrukt in procenten. Je vermenigvuldigt de waarde dan met 100%.

Voorbeeld 16 Rekenen met rendement

Je sluit een spaarlamp van 14 W aan op 230 V. Een spaarlamp zet slechts 35% van de elektrische energie om in licht. a Bereken de warmte die de lamp in 2,5 uur produceert. Een ledlamp van 9 W geeft hetzelfde vermogen aan licht als een spaarlamp van 14 W. b Leg uit of het rendement van een ledlamp groter dan, kleiner dan of even groot is als dat van een spaarlamp.

Uitwerking a De totale elektrische energie die de spaarlamp omzet bereken je met E = P ∙ t. t = 2,5 uur = 2,5 × 60 × 60 = 9,0·103 s

P = 14 W

E = 14 × 9,0∙103 = 1,26·105 J. Hiervan wordt 65% omgezet in warmte:

Q = 0,65 × 1,26·105 = 8,19·104 J

Afgerond: 8,2·104 J. b Voor het rendement geldt: η =

Pnuttig _

Pin . Het nuttige vermogen is voor de spaarlamp en de ledlamp gelijk, want ze geven hetzelfde vermogen aan licht. Het totale vermogen van de ledlamp is kleiner (9 W) dan dat van de spaarlamp (14 W). Je deelt het nuttig vermogen bij de ledlamp door een kleiner getal dan bij de spaarlamp, dus is het rendement van de ledlamp groter.

Opwekking van elektriciteit in een centrale

Grootschalige opwekking van elektrische energie vindt plaats in een elektriciteitscentrale. In de meeste centrales wordt een generator in beweging gehouden, waarbij bewegingsenergie wordt omgezet in elektrische energie.

Figuur 6.86

In figuur 6.86 zie je het principe van een conventionele centrale. In zo’n centrale worden stoffen verbrand. Dat kunnen fossiele brandstoffen zijn, maar ook ander brandbaar materiaal. De vrijgekomen warmte wordt gebruikt om water om te zetten in stoom. Die stoom brengt het schoepenrad in een turbine aan het draaien. De as van de turbine is verbonden met de as van de generator, die daardoor ook gaat draaien.

In een conventionele centrale die gestookt wordt met fossiele brandstoffen ontstaat CO2.Er wordt materiaal verbrand dat miljoenen jaren geleden is gevormd. Een betere oplossing is om de centrale te stoken met biomassa, zoals hout, planten- en voedselresten. Ook hierbij ontstaat CO2, maar die is kort geleden door bomen en planten bij de fotosynthese uit de lucht gehaald. Netto komt er dan geenCO2 bij. Dit klopt als je alleen let op fotosynthese en verbranding. De brandstoffen moeten nog wel naar de centrale worden verplaatst, maar dat geldt ook voor conventionele elektriciteitscentrales. Het verbouwen van plantaardige brandstoffen kan ten koste gaan van natuur en grond voor voedselproductie.

Figuur 6.87 is een foto van een kerncentrale. In het cilindervormige gebouw bevindt zich het reactorvat. Een kerncentrale gebruikt uranium als grondstof. Tijdens de splitsing van de kern van een uraniumatoom komt energie vrij, waarmee water wordt omgezet in stoom. In een kerncentrale ontstaan geen broeikasgassen, maar wel radioactief afval. Nadeel van een kerncentrale is dat radioactief afval nog lang actief blijft en dat het daarom goed en veilig moet worden opgeslagen.

Figuur 6.87

Elektrische energie uit wind, water en zon

Bij een windmolen zijn de wieken direct gekoppeld aan de as van de generator. Zie figuur 6.88. Er is dan geen turbine nodig. In een windmolenpark is een groot aantal molens aan elkaar gekoppeld voor een groter vermogen.

Figuur 6.88

Figuur 6.89

In een waterkrachtcentrale valt water op een waterrad dat verbonden is met de as van de generator. In figuur 6.89 zie je zo’n centrale. Ook met het bewegende water van eb en vloed kan energie worden opgewekt, in een getijdencentrale.

In een zonnecel wordt stralingsenergie van de zon omgezet in elektrische energie. Een zonnepaneel bestaat uit vele zonnecellen, zodat een grotere spanning en een grotere energieopbrengst kan worden gehaald.

Met zon, wind en water is het mogelijk om elektrische energie op te wekken zonder CO2-uitstoot. Maar ook deze manieren van energieopwekking hebben nadelen. Wind en zon zijn niet altijd en overal beschikbaar. Windmolens zijn hoog, van veraf zichtbaar, en leveren gevaar op voor vogels. Voor zonnepanelen is veel oppervlak nodig, terwijl de ruimte op de grond in Nederland al intensief gebruikt wordt. Op de daken is niet altijd voldoende oppervlak om de energie voor het gebouw eronder op te wekken. In het vlakke Nederland zijn de mogelijkheden voor waterkrachtcentrales erg beperkt. In dunbevolkte gebieden is meer plaats voor zon, wind en waterkracht, maar daar is het elektriciteitsnet vaak nog niet voldoende geschikt om alle opgewekte energie te verwerken. En als je de elektrische energie niet direct gebruikt, maar wilt opslaan voor later, krijg je te maken met batterijen en accu’s. En die hebben weer een veel lagere energiedichtheid dan fossiele brandstoffen.

Waterstof

Bij verbranding van waterstof ontstaat alleen water als reactieproduct. Met waterstofgas als brandstof kun je dus verbranden zonder dat er CO2 vrijkomt. Maar je kunt ook elektrische energie genereren met behulp van waterstof. Een waterstofcel is een batterij gevuld met waterstof. Bij de negatieve pool reageert waterstofgas uit een gastank. Bij de positieve pool reageert zuurstof uit de lucht. In de waterstofcel zelf ontstaat als reactieproduct water, en de cel levert spanning. Zie figuur 6.90.

Je kunt met waterstofcellen en een elektromotor een auto maken die werkt op elektriciteit. Een waterstofauto laad je niet op, maar tank je met waterstof. Zo combineer je de voordelen van elektriciteit met die van brandstof.

Figuur 6.90

Natuurlijk moet ook waterstof geproduceerd worden. De traditionele productiemethoden zijn duur en niet milieuvriendelijk. Maar je kunt ook waterstof maken door elektrolyse van water. Met behulp van elektrische spanning ontleedt water in waterstofgas en zuurstof. De waterstof vang je op en transporteer je naar plaatsen waar waterstof gebruikt kan worden in een waterstofcel of als brandstof in bijvoorbeeld waterstofauto’s. Maak je voor de elektrolyse gebruik van elektrische energie uit duurzame bronnen, dan is het mogelijk om brandstof te maken zonder CO2-uitstoot. Er liggen in Nederland al veel pijpleidingen voor aardgas. Die kun je met wat aanpassingen gebruiken voor het transporteren van waterstof. Waterstof kan ook vervoerd worden via tankwagens, treinen en schepen. Als er voldoende zonne- en windenergie voorradig zijn, kun je waterstof maken voor ’s nachts en voor windstille momenten. Bij het maken van waterstofgas gaat wel energie verloren. Direct gebruik van elektrische energie is dus altijd zuiniger. En er zijn nog veel aanpassingen nodig voordat waterstof fossiele brandstoffen kan gaan vervangen.

Opgaven

38 Je hebt gelezen over vier centrales waarin elektrische energie wordt opgewekt.

Noem van elke centrale een voordeel en een nadeel.

39 Een fabrikant beweert dat zijn ledlamp van 9 W evenveel licht per seconde produceert als een gloeilamp van 60 W. Een gloeilamp zet 5,0% van de elektrische energie om in licht. a Toon aan dat de gloeilamp 3,0 J aan elektrische energie per seconde omzet in licht.

Als de bewering van de fabrikant klopt, is het rendement van een ledlamp veel groter dan dat van een gloeilamp. b Bereken het rendement van de ledlamp als de bewering van de fabrikant juist is.

40 Deelnemers aan de Elfstedenzonnebootrace mogen maximaal 3,6 MJ aan energie opslaan in batterijen.

De boot van de TU Delft heeft een motor met een vermogen van 4,0 kW. De spanning van de batterijen is 43,2 V. Stel dat de batterijen volledig zijn opgeladen en niet worden bijgeladen. a Bereken hoelang de boot kan varen, uitgedrukt in uur. b Bereken de stroomsterkte door de motor.

Het vermogen van zonnecellen wordt weergegeven in wattpiek, afgekort als Wp. Dit is het vermogen dat een zonnecel produceert als op 1 m2 een hoeveelheid stralingsenergie valt van 1000 W.

Een oppervlakte van 7,92 m2 van de zonneboot is bedekt met zonnecellen. Deze zonnecellen leveren samen 1750 Wp. c Bereken het rendement van de gebruikte zonnecellen. d Bereken hoelang het duurt om de batterijen volledig op te laden, uitgedrukt in uur.

▶ tekenblad

▶ tekenblad 41 Mashiyyat is milieubewust en gebruikt oplaadbare 1,2V-batterijen in zijn fietsachterlicht. Hij wil de twee batterijen opladen met zonne-energie. Daarvoor gebruikt hij een speciale oplader met twee zonnepaneeltjes. Eén paneeltje levert een spanning van 1,2 V. a Teken in figuur 6.91 verbindingsdraden zodat de twee zonnepaneeltjes de twee batterijen kunnen opladen.

Figuur 6.91 Figuur 6.92

▶ hulpblad Elke batterij heeft een capaciteit van 800 mAh. De maximale stroomsterkte die één zonnepaneeltje kan leveren, is 90 mA. b Bereken hoelang het duurt om de twee batterijen op te laden. In figuur 6.92 zie je het schema van de oplader met de twee zonnepaneeltjes en de twee batterijen. Ook is een diode getekend. Die is van belang als er een wolk voor de zon schuift. c Leg dit uit.

42 In de Noordzee is een windmolenpark gebouwd. Bekijk figuur 6.93. a Leg met behulp van figuur 6.93 uit waarom een windmolenpark in zee wordt gebouwd.

In een windmolen zit een generator die bewegingsenergie van de wind omzet in elektrische energie. De energie van de lucht die per seconde op een windmolen afkomt, heet het vermogen van de lucht.

Voor dit vermogen geldt de formule:

P =

1 _ 2

⋅ ρ ⋅ A ⋅ v 3 ▪ ρ is de dichtheid van de lucht in kg m−3 . ▪ A is de oppervlakte van de cirkel die de ronddraaiende wieken innemen in m2 . ▪ v is de windsnelheid in m s−1 . De wieken van de windmolen maken een cirkel met een diameter van 60 m. Bij windkracht 6 is de windsnelheid bij de molen gelijk aan 43 km h−1 . b Bereken het vermogen van de lucht in deze situatie. Bij het passeren van de windmolen neemt de snelheid van de wind af. Het vermogen dat de wind daarbij afgeeft aan de windmolen hangt af van de windsnelheid voor en achter de molen. Het verschil hiertussen moet niet te klein, maar ook niet te groot zijn. Het vermogen is optimaal als de windsnelheid afneemt tot een derde deel.

c Bereken hoeveel procent van het vermogen van de lucht dan wordt afgegeven aan de windmolen. De geschatte energieopbrengst per jaar van het windmolenpark is 1,1·109 MJ. Een gemiddeld huishouden in Nederland gebruikt jaarlijks 4,0·103 kWh aan elektrische energie. d Bereken hoeveel huishoudens volgens deze schatting op dit windmolenpark zouden kunnen worden aangesloten. De elektrische energie die het park produceert wordt echter toegevoerd aan het elektriciteitsnet waarop de huizen zijn aangesloten. e Noem twee argumenten waarom de huizen op het elektriciteitsnet zijn aangesloten en niet rechtstreeks op het windmolenpark.

Figuur 6.93

43 Een zonnecel zet stralingsenergie om in elektrische energie. Sommige zakrekenmachines werken op stralingsenergie. In figuur 6.94 zie je op ware grootte de display met erboven vier zonnecellen.

Figuur 6.94

De zonnecel van dit type rekenmachine werkt vanaf een verlichtingssterkte van 12 W m−2. Het elektrisch vermogen dat de zonnecel dan afgeeft is 0,40 mW. Bepaal het rendement van deze zonnecel. Maak hiervoor gebruik van figuur 6.94.

44 Op een oplaadbare batterij staat dat hij een spanning levert van 1,24 V en een capaciteit heeft van 2700 mAh. Deze batterij zit in een elektrische klok. De batterij is na 2,0 jaar leeg. a Laat zien dat de batterij dan 1,2·107 J aan energie heeft geleverd.

De prijs van 1 kWh van een elektriciteitsbedrijf is € 0,24. 1 kWh uit een batterij kost veel meer. De batterij zelf kost € 2,50. b Bereken voor dit soort batterijen de prijs van 1 kWh energie.

Een reden om het gebruik van batterijen te beperken is de kostprijs van 1 kWh. c Noem nog een reden om het gebruik van batterijen te beperken.

45 Een tv vraagt een vermogen van 149 W. De prijs van 1,0 kWh elektrische energie bedraagt € 0,24. Jonas kijkt gemiddeld 13 uur per week televisie. a Bereken de kosten als je gedurende een jaar 13 uur per week tv kijkt.

In de stand-bystand vraagt een tv een vermogen van 0,20 W. b Leg uit dat het vermogen in de stand-bystand niet 0 is.

Veel mensen laten een tv altijd in de stand-bystand staan. c Bereken hoeveel energie je dan per jaar verspilt. Geef je antwoord in joule.

46 Volgens tabel 6.1 is de energiedichtheid van een kg waterstof heel hoog. Dat lijkt aantrekkelijk, maar de dichtheid van waterstof is heel laag. Voor gebruik in waterstofauto’s perst men de waterstof daarom samen tot een dichtheid die 700 keer zo groot is als de dichtheid in BINAS. Deze samengeperste waterstof gaat dan in een tank van 90 L. De tank moet die hoge druk weerstaan en is daardoor twintig keer zo zwaar als de waterstof die erin gaat. a Bereken de massa van een volle tank met waterstof.

Waterstof kun je maken met duurzame elektriciteit uit zonnecellen. Het rendement van de elektrolyse is 75%. De waterstof die hierbij vrijkomt moet worden samengeperst. Dat kost 10% van de energie. De waterstofcel die de waterstof weer omzet in elektrische energie heeft een rendement van 60%. b Bereken hoeveel procent van de oorspronkelijke hoeveelheid elektrische energie uiteindelijk beschikbaar is om mee te rijden.

▶ hulpblad

Oefenen B

Oefen met hoofdstuk 6