Energie

Les 1: Energiebronnen

De lesstof:

Wat is een energiebron?
Alles wat energie levert die je kunt gebruiken, noemen we een energiebron. In een energiebron zit energie opgeslagen die kan worden omgezet door apparaten of machines.

• Zonnecellen gebruiken de energie van zonlicht.

• Windmolens gebruiken de energie van bewegende lucht.

• Gasfornuizen gebruiken de energie uit aardgas.

Voorbeelden van energiebronnen zijn dus zonlicht, wind en aardgas. Deze leveren een bruikbare vorm van energie.

Energiebronnen in Nederland
Hier zijn zes energiebronnen die in Nederland worden gebruikt, met hun aandeel in het totale energiegebruik in 2018 (bron: CBS).

1. Fossiele brandstoffen (91,4%)
   Aardolie, aardgas en steenkool bevatten chemische energie.

   • Aardolie wordt vooral gebruikt in vervoer (auto's, vliegtuigen).

   • Aardgas verwarmt huizen en wordt gebruikt in elektriciteitscentrales.

   • Steenkool wordt nog beperkt gebruikt in elektriciteitscentrales.

2. Biomassa (4,5%)
   Biomassa komt van planten en dieren, zoals hout, plantenresten en mest.

   • Sommige biomassa wordt direct verbrand.

   • Mest kan in een biogasinstallatie worden vergist, waarbij biogas ontstaat.
     Biogas lijkt op aardgas en wordt voor dezelfde doelen gebruikt.

3. Wind (1,7%)
   Windmolens zetten de bewegingsenergie van wind om in elektriciteit. Dit gebeurt via een generator die in de molen is ingebouwd.
   
   

4. Atoomsplijting (1,4%)
   Bij het splijten van uraniumkernen komt veel warmte vrij.

   • In kerncentrales wordt deze warmte gebruikt om water in stoom te veranderen.

   • De stoom drijft een turbine aan, die elektriciteit opwekt.

5. Zon (0,6%)
   Zonnepanelen zetten de energie van zonlicht om in elektriciteit. Steeds meer huizen hebben zonnepanelen op hun dak.
   
   

6. Aardwarmte (0,2%)
   Diep in de aarde is het heet. Met speciale putten wordt heet grondwater opgepompt.

   • Dit water geeft via een warmtewisselaar warmte af aan koud water.

   • Het afgekoelde water wordt teruggepompt in de grond.

Energietransitie
De perfecte energiebron is er niet: geen enkele energiebron is onuitputtelijk, altijd beschikbaar, milieuvriendelijk én goedkoop.

• Fossiele brandstoffen raken op.

• Wind en zon zijn niet altijd beschikbaar.

• Elke energiebron brengt nadelen met zich mee, zoals milieuschade of hoge kosten.

Aardgas werd ooit als een goede energiebron gezien, omdat er bij verbranding alleen waterdamp en koolstofdioxide vrijkomen. Koolstofdioxide leek onschadelijk, maar later bleek dat dit gas bijdraagt aan klimaatverandering.

Nu richt Nederland zich op andere, klimaatneutrale energiebronnen. Dit proces heet de energietransitie. Het doel is een nieuw energiesysteem met vier belangrijke eigenschappen:

1. Fossiele brandstoffen vervangen

   • Fossiele brandstoffen worden vervangen door duurzame bronnen zoals wind en zon.

   • Energiecentrales werken op biomassa of worden gesloten.

   • Voertuigen rijden elektrisch.

   • Huizen worden verwarmd met warmtepompen, aardwarmte of restwarmte van industrie.

2. Energiegebruik verminderen

   • Gebouwen zijn goed geïsoleerd.

   • Apparaten zijn energiezuinig, zoals ledlampen en efficiënte koelkasten.

   • Mensen letten meer op hun energieverbruik, zoals korter douchen of apparaten volledig uitzetten.

3. Energie opslaan

   • Omdat wind en zon niet altijd energie leveren, is opslag belangrijk.

   • Energie kan worden opgeslagen in grote accu’s of als waterstofgas.

4. Energie lokaal produceren

   • Energie wordt meer lokaal opgewekt, bijvoorbeeld met zonnepanelen op daken of kleine windturbines.

   • Grote energiecentrales worden minder belangrijk.

Les 2: Verwarmen

De lesstof:

Warmtebronnen
In huis zijn er veel apparaten die warmte leveren, zoals:

• De cv-ketel of warmtepomp voor verwarming.

• Een kookplaat, oven, waterkoker, föhn, soldeerapparaat en wasdroger.

Een voorbeeld is een elektrische boiler, die een verwarmingselement gebruikt om water te verwarmen. Door de stroom door het element wordt elektrische energie omgezet in warmte. Dit proces kun je laten zien met een energiediagram:

• De pijl links toont de energie die het apparaat opneemt.

• De pijl rechts toont de energie die het apparaat afgeeft.

De hoeveelheid energie blijft gelijk
Bij energieomzetting verandert de vorm van de energie, maar de totale hoeveelheid blijft hetzelfde. Dit principe heet behoud van energie. In een energiediagram zijn de pijlen links en rechts even hoog, omdat er niets verloren gaat of bijkomt.

Warmte en temperatuur
Veel warmtebronnen in huis gebruiken elektrische energie, zoals een waterkoker.

• Alle elektrische energie die een waterkoker verbruikt, wordt omgezet in warmte.

Hoe werkt een waterkoker?

• Het water wordt verwarmd van bijvoorbeeld 20 °C naar 100 °C.

• De temperatuur is een maat voor de gemiddelde snelheid van de moleculen.

  • 1. • • Hogere temperatuur = snellere moleculen = meer bewegingsenergie.

• Bij 100 °C begint water te koken.

  • 1. • • De opgenomen warmte zorgt dat moleculen uit elkaar bewegen, waardoor dampbellen ontstaan.

         • De temperatuur blijft op 100 °C totdat al het water damp is.

         • De waterkoker schakelt daarna automatisch uit.

Waarom duurt het langer als je meer water verwarmt?

• Meer water betekent meer moleculen.

• Er is meer warmte nodig om hun snelheid te verhogen.

• Een waterkoker heeft een vast vermogen, dus het verwarmen duurt langer.

Hoe meet je de benodigde warmte?
Met een calorimeter kun je meten hoeveel warmte nodig is om een stof, zoals water, te verwarmen.

Berekening met soortelijke warmte
De warmte Q die nodig is om een stof te verwarmen, kun je berekenen met de formule:

Q= c x m x ΔT 

Hierbij geldt:

• Q: warmte in joule (J)

• c: soortelijke warmte van de stof in J/(g °C)

• m: massa van de stof in gram (g)

• ΔT: temperatuurstijging, oftewel Teind - Tbegin

Opmerking:
Als je het volume van een stof hebt in plaats van de massa, gebruik je de dichtheid om de massa te berekenen. Voor water geldt: 1 liter = 1 kilogram = 1000 gram.

Les 3: Isoleren

De lesstof:

Warmteverlies

Als het binnen warmer is dan buiten, verliest een huis constant warmte. Dit gaat sneller als het waait, omdat de wind de warme lucht meeneemt. Zelfs zonder wind verdwijnt er warmte op drie manieren: geleiding, stroming en straling.

Geleiding

Bij geleiding verspreidt warmte zich door materialen zoals baksteen of glas. Moleculen botsen met elkaar en geven energie door. Zo verplaatst de warmte zich van een warme plek naar een koudere plek. Metalen geleiden warmte goed, terwijl hout en kunststof dat slecht doen.

Stroming

Bij stroming (of convectie) beweegt warme lucht of vloeistof. In huis stijgt de warme lucht van de radiatoren op omdat deze lichter wordt door uitzetting. Verderop koelt de lucht af en zakt weer naar beneden.

Straling

Alles, ook je lichaam, geeft warmte af via straling. Warme objecten zenden meer straling uit dan koude. In de winter verliest een warm huis daardoor meer warmte aan de koude omgeving.

Warmteverlies beperken

Warmteverlies in een huis moet worden aangevuld om de temperatuur constant te houden. Anders wordt het binnen net zo koud als buiten. Een warmtebron, zoals een verwarming, levert deze warmte.

Isoleren

Een slecht geïsoleerd huis verliest veel warmte. De verwarming moet dan harder werken, wat meer energie kost. Door isolatie kan je warmteverlies verminderen, zodat je minder energie nodig hebt.

Warmtetransport door een muur

Warmteverlies door muren hangt af van:

1. Het temperatuurverschil: Hoe kleiner het verschil, hoe minder warmteverlies.

2. Het materiaal: Hoe slechter het materiaal warmte geleidt, hoe minder warmte verdwijnt.

3. De dikte van de muur: Een dikkere muur verliest minder warmte.

4. De oppervlakte van de muur: Een kleinere oppervlakte verliest minder warmte.

Met isolatiemateriaal kun je warmteverlies tegengaan. Bijvoorbeeld: een 5 cm dikke laag isolatiemateriaal kan het warmteverlies vier keer verminderen. Isolatiematerialen bevatten veel lucht, wat warmte slecht geleidt.

Een huis isoleren

Er zijn veel manieren om een huis te isoleren, zoals:

• Enkel- of dubbelglas vervangen door hr++ of hr+++ glas.

• De ruimte tussen binnen- en buitenmuren (de spouw) vullen met isolatiemateriaal.

• Daken en vloeren isoleren met glaswol, steenwol of andere materialen.

• Warmteleidingen isoleren in koude ruimtes, zoals een kelder.

• Glanzende folie gebruiken om warmte terug te kaatsen.

• Kieren en naden afdichten met tochtstrips.

Les 4: Rendement

De lesstof:

Energie besparen

Energie besparen betekent minder energie gebruiken. Volgens de formule E = P · t kun je op twee manieren energie besparen:

1. Het vermogen (P) verlagen: Dit kan door energiezuinige apparaten te gebruiken, zoals een hr-ketel in plaats van een gewone cv-ketel of een ledlamp in plaats van een spaarlamp.

2. De tijd (t) verkorten: Gebruik apparaten minder lang, bijvoorbeeld door korter te douchen of het licht uit te doen als je een kamer verlaat.

Vermogen en vergelijking van apparaten

Het is alleen nuttig om het vermogen van twee apparaten te vergelijken als ze dezelfde prestatie leveren. Neem bijvoorbeeld twee lampen die evenveel licht geven: een spaarlamp en een ledlamp. Een ledlamp heeft een veel lager vermogen dan een spaarlamp, wat betekent dat hij minder energie verbruikt voor hetzelfde resultaat.

Rendement van een lamp

Niet alle energie die een apparaat verbruikt, wordt nuttig gebruikt. Een spaarlamp zet bijvoorbeeld 25% van de elektrische energie om in licht. Het overige deel (75%) gaat verloren als warmte. Het rendement van een spaarlamp is daarom 25%.

Een ledlamp doet dit efficiënter: 50% van de elektrische energie wordt omgezet in licht. Het rendement van een ledlamp is dus 50%.

Rendement berekenen

Je kunt het rendement van een apparaat berekenen met deze formule:

η = (Enut : Etot) x 100% 

Hierbij geldt:

• η is het rendement (%).

• Eₙᵤₜ is de nuttig gebruikte energie (in joule, J).

• Eₜₒₜ is de totale energie die het apparaat verbruikt (in joule, J).

Bij een lamp is Eₙᵤₜ de energie die in licht wordt omgezet, en Eₜₒₜ de totale verbruikte elektrische energie.

Je kunt het rendement ook berekenen met vermogen:

η= (Pnut : Ptot) x 100%

Hierbij geldt:

• Pₙᵤₜ is het nuttige vermogen (in watt, W).

• Pₜₒₜ is het totale vermogen dat wordt toegevoerd (in watt, W).

Rendement van een hr-combiketel

In een hr-combiketel wordt aardgas verbrand om warmte te produceren. Deze warmte wordt via een warmtewisselaar overgedragen aan water. Dit water wordt gebruikt voor verwarming of warm water in huis. Een deel van de warmte gaat echter verloren via de verbrandingsgassen die naar buiten worden afgevoerd.

Hoe bereken je de totale energie (Eₜₒₜ)?

De totale energie die een hr-combiketel levert, wordt berekend met de stookwaarde van aardgas. In Nederland is deze stookwaarde 32 MJ/m³. Dit betekent dat bij de verbranding van 1 m³ aardgas 32 MJ warmte vrijkomt.

Etot =volume aardgas (in m³)⋅32 MJ/m³

Hoe bereken je de nuttige energie (Eₙᵤₜ)?

De nuttige energie is de warmte die door het water is opgenomen. Dit kun je berekenen met de formule:

Q = m x c x ΔT

Hierbij:

• Q is de opgenomen warmte (in joule, J).

• c is de soortelijke warmtecapaciteit van water (4,18 J/g·°C).

• m is de massa van het water (in gram, g).

• ΔT is de temperatuurstijging van het water (in °C).

Met deze gegevens kun je bepalen hoeveel warmte nuttig is gebruikt voor het verwarmen van water.

Met deze berekeningen kun je nagaan hoe efficiënt een apparaat werkt en waar je energie kunt besparen!