Energie

Les 1: Fossiele brandstoffen

De lesstof:

Aardgas, aardolie en steenkool

Aardgas, aardolie en steenkool worden samen fossiele brandstoffen genoemd. In Nederland leveren deze brandstoffen een groot deel van de energie die we gebruiken. Andere belangrijke energiebronnen zijn zonlicht, wind en kernenergie.

Fossiele brandstoffen hebben drie belangrijke toepassingen:

1. Verwarming van gebouwen
   Veel huizen, winkels en kantoren worden verwarmd met cv-ketels die aardgas gebruiken.

2. Vervoer
   Auto’s en vrachtwagens rijden op benzine of diesel, die gemaakt worden van aardolie. Vliegtuigen gebruiken kerosine, ook een aardolieproduct.

3. Opwekking van elektriciteit
   In veel energiecentrales wordt aardgas, biomassa (plantenresten) of soms steenkool gebruikt om elektriciteit op te wekken.

Hoe werkt een energiecentrale?

Bij het verbranden van brandstof in een energiecentrale komt warmte vrij. Deze warmte wordt gebruikt om water om te zetten in stoom. Zo werkt het proces:

1. Brandstof (zoals aardgas of steenkool) wordt verbrand en het water wordt verhit. Hierdoor ontstaat hete stoom.

2. De stoom blaast tegen de schoepen van een turbine, waardoor die gaat draaien.

3. De turbine is verbonden met een generator. Als de turbine draait, wekt de generator elektriciteit op.

4. De stoom wordt afgekoeld in een condensor, waarbij het condenseert tot water. Dit water wordt opnieuw gebruikt.

5. De opgewekte elektriciteit wordt via het elektriciteitsnet naar huizen en bedrijven gestuurd.

Een kerncentrale werkt bijna hetzelfde, maar gebruikt uranium in plaats van fossiele brandstoffen. De warmte ontstaat hier door het splitsen van atoomkernen in een kernreactor.

Elektrische energie berekenen

Je kunt de hoeveelheid elektrische energie berekenen met deze formule:

Energie = vermogen × tijd

Of in symbolen: E = P ∙ t

• E is de energie in joule (J).

• P is het elektrisch vermogen in watt (W).

• t is de tijd in seconden (s).

Grote hoeveelheden energie worden vaak uitgedrukt in gigajoule (GJ) of terajoule (TJ):

• 1 GJ = 1 miljard joule (10⁹ J)

• 1 TJ = 1 biljoen joule (10¹² J)

Afvalwarmte

Niet alle energie uit een brandstof kan worden omgezet in elektriciteit. Een deel van de energie blijft als afvalwarmte over. Deze warmte wordt afgevoerd via koelwater.

Het koelwater mag soms direct in rivieren worden geloosd, maar alleen als het rivierwater niet te warm wordt. Anders kunnen vissen en andere waterdieren sterven door zuurstofgebrek. Vaak wordt het koelwater eerst afgekoeld in koeltorens, waarbij een deel van het water verdampt.

Opwarming van de aarde

Bij het verbranden van fossiele brandstoffen ontstaat koolstofdioxide (CO₂). Dit gas zorgt voor het broeikaseffect, dat de aarde warm genoeg maakt om op te leven.

Door het gebruik van fossiele brandstoffen is de hoeveelheid CO₂ in de lucht de afgelopen 200 jaar flink gestegen. Hierdoor ontstaat een versterkt broeikaseffect, wat de aarde steeds warmer maakt. Dit kan gevolgen hebben, zoals:

• Een stijgende zeespiegel door smeltend ijs.

• Verandering van het klimaat, waardoor landbouw minder oplevert.

• Het uitsterven van planten- en diersoorten door veranderingen in leefgebieden.

Om deze problemen aan te pakken, wil Nederland tegen 2050 bijna geen fossiele brandstoffen meer gebruiken. Dit wordt de energietransitie genoemd.

Zure regen en smog

Bij het verbranden van brandstoffen ontstaan ook andere schadelijke gassen, zoals zwaveldioxide (SO₂) en stikstofoxiden (NOₓ). Deze gassen kunnen:

• Zure regen veroorzaken, die schadelijk is voor planten en bomen.

• Bijdragen aan smog: een geelbruine nevel die lucht en slijmvliezen irriteert.

Smog is vooral gevaarlijk voor mensen met hart- en longproblemen, zoals astma.

Energiebedrijven kunnen de uitstoot van schadelijke gassen verminderen, bijvoorbeeld door zwaveldioxide uit rookgassen te halen. Dit kost echter extra energie en maakt elektriciteit duurder.

Les 2: Zonne-energie

De lesstof:

Stralingsenergie

Het licht van de zon is essentieel voor het leven op aarde. Zonlicht zorgt voor warmte, waardoor de aarde een leefbare temperatuur heeft. Daarnaast gebruiken planten zonlicht om te groeien.

De energie die in zonlicht zit, heet stralingsenergie. Als zonlicht op de aarde valt, wordt een deel van het licht geabsorbeerd. Hierbij wordt de stralingsenergie omgezet in warmte, waardoor het aardoppervlak en de lucht erboven worden verwarmd.

Planten gebruiken zonlicht om glucose te maken uit koolstofdioxide en water. Bij dit proces, dat fotosynthese heet, wordt stralingsenergie omgezet in chemische energie. De energie uit planten komt uiteindelijk via voedsel bij ons terecht.

Zonnepanelen

Met zonnepanelen kan zonlicht worden omgezet in elektriciteit. Een zonnepaneel bestaat uit meerdere zonnecellen die samen stralingsenergie omzetten in elektrische energie.

Een gemiddeld zonnepaneel is ongeveer 160 cm lang, 100 cm breed en 4 cm dik. Het bevat 60 zonnecellen, verdeeld in 10 rijen van 6. Onder ideale omstandigheden levert zo’n paneel een vermogen van 300 watt (W). Dit maximale vermogen heet het piekvermogen. Tegenwoordig kan dit piekvermogen bij een zonnepaneel nog hoger liggen. 

Het piekvermogen wordt alleen gehaald bij perfect weer: een warme, wolkenloze zomerdag rond het middaguur. Op andere momenten is het vermogen lager, en ’s nachts leveren zonnepanelen geen stroom.

Hoe gebruik je zonne-energie?

De elektriciteit van zonnepanelen moet eerst worden aangepast aan de spanning van het lichtnet (230 V) voordat je het kunt gebruiken. Dit gebeurt met een apparaat dat een omvormer wordt genoemd. De omvormer zorgt ervoor dat elektrische apparaten in huis de energie kunnen gebruiken, ongeacht of die van zonnepanelen of van het energiebedrijf komt.

Met zonnepanelen bespaar je op je energierekening, omdat je minder energie van het energiebedrijf hoeft te kopen. Hierdoor kun je de kosten van zonnepanelen meestal in ongeveer zeven jaar terugverdienen (prijspeil 2021).

Het rendement van zonnepanelen

Een zonnepaneel zet niet alle stralingsenergie om in elektriciteit. Het rendement van de meeste zonnepanelen is ongeveer 16%. Dat betekent dat 16% van de energie in zonlicht wordt omgezet in elektrische energie. De andere 84% wordt omgezet in warmte en is niet bruikbaar.

In de afgelopen decennia is het rendement van zonnepanelen verbeterd. Rond het jaar 2000 was het rendement minder dan 10%, en zonnepanelen waren toen veel duurder. Dankzij verbeteringen in technologie en lagere kosten is het gebruik van zonnepanelen nu veel betaalbaarder.

Rendement berekenen

Het rendement van een zonnepaneel kun je berekenen met deze formule:

Rendement = (afgegeven energie ÷ opgenomen energie) × 100%

Of in symbolen: η = (Eaf ÷ Eop) × 100%

• η is het rendement in procenten (%).

• Eaf is de afgegeven elektrische energie in joule (J).

• Eop is de opgenomen stralingsenergie in joule (J).

Je kunt het rendement ook berekenen met het vermogen in plaats van energie:

Rendement = (afgegeven vermogen ÷ opgenomen vermogen) × 100%

Of in symbolen: η = (Paf ÷ Pop) × 100%

• Paf is het afgegeven vermogen in watt (W).

• Pop is het opgenomen vermogen in watt (W).

Les 3: Windenergie

De lesstof:

Bewegingsenergie
Wind is lucht die beweegt. Beweegt lucht, dan heeft het bewegingsenergie. Met een windmolen kun je die energie gebruiken. Vroeger draaiden windmolens om graan te malen, hout te zagen of water weg te pompen. Tegenwoordig gebruiken we moderne windmolens om elektrische energie op te wekken.

Hoe sneller iets beweegt, hoe meer bewegingsenergie het heeft. Dit geldt niet alleen voor wind, maar ook voor de vuist van een bokser, een tennisracket of een hamer. Hoe sneller deze dingen bewegen, hoe meer energie ze hebben. Die energie kun je gebruiken, bijvoorbeeld om een tennisbal terug te slaan of een spijker in hout te slaan.

Niet alleen de snelheid, maar ook de massa (het gewicht) bepaalt de hoeveelheid bewegingsenergie. Een zware hamer is bijvoorbeeld veel beter om een dikke spijker in hout te slaan dan een lichte hamer.

De hoeveelheid bewegingsenergie, ook wel kinetische energie genoemd, kun je berekenen met de volgende formule:
Bewegingsenergie = 0,5 × massa × snelheid²

In symbolen:
Ek = 0,5 ∙ m ∙ v²

Waarin:

• Ek = bewegingsenergie (in joule, J)

• m = massa (in kilogram, kg)

• v = snelheid (in meter per seconde, m/s)

Wind als energiebron
Zo werkt een windmolen:

1. De wind laat de wieken draaien. Deze wieken zijn verbonden met een as, die daardoor ook draait.

2. Een tandwielkast (vergelijkbaar met een versnellingsbak) zorgt ervoor dat de langzame draaiing van de as wordt omgezet in een veel snellere draaiing.

3. De snelle as drijft een generator aan. Deze generator zet de bewegingsenergie om in elektrische energie.

4. Een transformator verhoogt de spanning van de opgewekte energie naar 10.000 volt. Dit maakt het transport via kabels efficiënter.

5. De elektrische energie wordt via het elektriciteitsnet geleverd aan huizen en bedrijven.

Bewegingsenergie omzetten
Een generator zet bewegingsenergie om in elektrische energie. Een dynamo is een simpelere versie van een generator en werkt op hetzelfde principe. Wanneer je de as van een dynamo laat draaien, ontstaat er elektrische spanning. Die spanning kun je gebruiken, bijvoorbeeld om een fietslamp te laten branden.

Bij een dynamo zorgt een magneet ervoor dat er een wisselend magneetveld in een spoel ontstaat. Hierdoor ontstaat er elektrische spanning. Omdat het magneetveld steeds verandert, ontstaat er een wisselspanning, waarbij de stroom steeds van richting verandert.

De fietsdynamo
In een fietsdynamo draait de magneet rond. Hierdoor verandert het magneetveld in een spoel telkens van richting en grootte. Dit zorgt ervoor dat er een wisselspanning wordt opgewekt. Sommige dynamo’s werken andersom: hierbij draait de spoel, terwijl de magneet stilstaat. Ook dan ontstaat een wisselspanning.

Vermogen van een windturbine
Een windturbine heeft een piekvermogen: dit is het maximale elektrische vermogen dat de turbine kan leveren. Grote windturbines kunnen een piekvermogen van ongeveer 5 MW (5 miljoen watt) halen. Onder ideale omstandigheden kan zo’n turbine 5 miljoen joule (5 MJ) elektrische energie per seconde opwekken.

Les 4: Waterkracht

De lesstof:

Elektriciteit uit een stuwmeer
In bergachtige gebieden worden vaak stuwdammen aangelegd. Een hoge dam blokkeert een rivier in een dal, waardoor een stuwmeer ontstaat. Het water in dit meer kan worden gebruikt om elektriciteit op te wekken met een waterkrachtcentrale.

Zo werkt een waterkrachtcentrale:

1. Water stroomt via pijpleidingen van het stuwmeer naar beneden.

2. Het stromende water zet de schoepen van een waterturbine in beweging.

3. De turbine drijft een generator aan, die elektrische energie opwekt.

4. De opgewekte energie wordt via het elektriciteitsnet geleverd aan huizen en bedrijven.

Zwaarte-energie
Zwaarte-energie ontstaat door een hoogteverschil. Hoe hoger een voorwerp zich boven de grond bevindt, hoe meer zwaarte-energie het heeft. De zwaarte-energie kan worden berekend met:

Formule:
zwaarte-energie = massa × zwaartekracht per massa-eenheid × hoogte
Of in symbolen:
Ez = m × g × h

In deze formule:

• Ez is de zwaarte-energie in joule (J).

• m is de massa in kilogram (kg).

• g is de zwaartekracht per massa-eenheid (9,8 N/kg op aarde).

• h is de hoogte in meters (m).

In een waterkrachtcentrale staat m voor de massa van het stromende water en h voor het hoogteverschil tussen het wateroppervlak en de turbine. Hoe groter de massa en het hoogteverschil, hoe meer zwaarte-energie kan worden omgezet in elektriciteit.

In Nederland, met weinig hoogteverschillen, wordt waterkracht beperkt toegepast. Toch speelt het een rol, omdat Nederland elektriciteit uit Noorse waterkrachtcentrales importeert.

Zwaarte-energie en bewegingsenergie
Zwaarte-energie kan worden omgezet in bewegingsenergie, zoals bij een vallende bal. Als de luchtweerstand wordt genegeerd, geldt:

Zwaarte-energie op het hoogste punt = Bewegingsenergie op het laagste punt

Met deze regel kun je de relatie tussen de beginsnelheid en de bereikte hoogte berekenen.

Energiebronnen vergelijken
Bij het kiezen van een energiebron zijn vier factoren belangrijk:

1. Kosten van energie
   Vroeger waren wind- en zonne-energie duurder dan fossiele brandstoffen, maar nu zijn de prijzen vergelijkbaar.

2. Uitputbaarheid
   Fossiele brandstoffen raken op, maar zon en wind blijven altijd beschikbaar.

3. Beschikbaarheid
   Fossiele brandstoffen leveren constant energie. Zonnepanelen werken alleen overdag, en windturbines alleen bij voldoende wind.

4. Milieu-impact
   Fossiele brandstoffen vervuilen de lucht. Windturbines en zonnepanelen zijn schoner, maar veroorzaken geluidsoverlast, horizonvervuiling en afval bij productie en afbraak.

Les 5: Energie besparen

De lesstof:

De wet van behoud van energie

• Basisprincipe:

  • Bij energie-omzettingen gaat nooit energie verloren of ontstaat er nieuwe energie.

  • De totale hoeveelheid energie blijft constant.

• Waarde van energie:

  • Sommige soorten energie, zoals chemische en elektrische energie, zijn waardevol.

  • Bij omzettingen ontstaat vaak energie waar je niets mee kunt, zoals warmte en geluid.

  • Voorbeeld: Computers produceren onbedoeld veel warmte, wat niet nuttig is.

Zuinig omgaan met energie

Waarom energie besparen?

• • Lagere energiekosten: Minder energieverbruik betekent een lagere energierekening.

  • Milieuwinst: Minder gebruik van energiebronnen vermindert milieuschade.

  • Grondstoffen besparen: Minder energieverbruik betekent minder ruimte voor zonneparken of andere bronnen.

Manieren om energie te besparen:

Energiezuinige apparaten:

• • • Presteren even goed als gewone apparaten.

    • Hebben een hogere aanschafprijs, maar besparen op lange termijn energiekosten.

Levensstijl aanpassen:

• • • Korter douchen, meer fietsen, thermostaat lager zetten, apparaten uitzetten.

    • Dit vraagt motivatie en discipline.

Het rendement van lampen

• Ontwikkeling in verlichtingstechnologie:

  1. Gloeilampen:

     • Laag rendement: Veel warmte, weinig licht.

     • Erg heet bij gebruik.

  2. Spaarlampen:

     • Circa vier keer efficiënter dan gloeilampen.

     • Minder warmte, dus veiliger.

  3. Ledlampen:

     • Hoogste rendement: 10 keer efficiënter dan gloeilampen.

     • Gaan langer mee, maar zijn duurder.

     • Vanaf 2012 zijn gloeilampen in de EU verboden.

Het energieverbruik berekenen

• Formule:
  E = P x t

Waarbij:

• • E: Energieverbruik in kilowattuur (kWh).

  • P: Vermogen in kilowatt (kW).

  • t: Tijd in uren (h).

Eenheden omrekenen:

• • 1 kWh = 3,6 x 10^6 J.

  • Nuttig bij het omrekenen van energie voor facturen of verbruik.