Energie

Les 1 : Fossiele brandstoffen

De lesstof:

Aardgas, aardolie en steenkool

Aardgas, aardolie en steenkool worden fossiele brandstoffen genoemd. Ze leveren een groot deel van de energie die we in Nederland gebruiken. Andere belangrijke energiebronnen zijn zonlicht, wind en uranium.

De drie belangrijkste manieren waarop fossiele brandstoffen worden gebruikt:

• Verwarming van gebouwen: Veel huizen en kantoren worden verwarmd met cv-ketels die aardgas verbranden.

• Vervoer: De meeste auto’s en vrachtwagens gebruiken benzine of diesel. Vliegtuigen vliegen op kerosine. Benzine, diesel en kerosine zijn allemaal gemaakt van aardolie.

• Opwekking van elektriciteit: Veel energiecentrales werken op aardgas of biomassa (plantenresten). Sommige centrales, zoals de Eemshaven­centrale in Groningen, gebruiken nog steenkool.

Grote energiebedrijven werken met veel energie, dus gebruiken ze termen zoals gigajoule (GJ) en terajoule (TJ):

• 1 GJ = 1 miljard joules (1.000.000.000 J)

• 1 TJ = 1 biljoen joules (1.000.000.000.000 J)

Energiecentrales

Als je een brandstof verbrandt, wordt chemische energie omgezet in warmte. Deze warmte kan dan worden omgezet in elektriciteit. Dat gebeurt in een energiecentrale op grote schaal. Een voorbeeld is de Eemshavencentrale, die genoeg elektriciteit levert voor miljoenen huishoudens.

Zo werkt een energiecentrale:

1. Aardgas, biomassa of steenkool wordt verbrand om water te verhitten. Hierdoor ontstaat stoom.

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

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

4. De generator werkt net als een dynamo op een fiets, maar dan veel groter.

5. De gebruikte stoom wordt afgekoeld en condenseert weer tot water, dat opnieuw kan worden gebruikt.

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

Een kerncentrale werkt ongeveer hetzelfde, maar gebruikt kernenergie om water te verhitten. Deze energie komt van kernbrandstoffen zoals uranium. Bij het splijten van atoomkernen komt veel warmte vrij, die weer turbines aandrijft.

Je kunt de hoeveelheid elektriciteit die een centrale levert, berekenen met de formule:  

E = P ∙ t,  

waarbij:

• E staat voor de geleverde elektrische energie in joules (J),

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

• t is de tijd in seconden (s).

Afvalwarmte

Bij het omzetten van brandstof in elektriciteit blijft altijd veel warmte over, de zogeheten afvalwarmte. Deze kan niet worden gebruikt voor elektriciteit.

De afvalwarmte moet worden afgevoerd. Dit kan door het warme koelwater in een rivier te lozen, maar dit mag alleen als het water niet te heet wordt, want dit kan vissen en andere dieren schaden. Soms gebruiken energiebedrijven koeltorens om het koelwater eerst af te laten koelen voordat ze het lozen.

Opwarming van de aarde

Bij het verbranden van fossiele brandstoffen komt koolstofdioxide (CO2) vrij. Dit gas zorgt voor het broeikaseffect, wat de aarde opwarmt. Dit is normaal, maar door het toenemende gebruik van fossiele brandstoffen is de hoeveelheid CO2 in de lucht flink toegenomen. Dit versterkte broeikaseffect zorgt ervoor dat de aarde steeds warmer wordt.

Gevolgen hiervan kunnen zijn:

• De zeespiegel kan stijgen door het smelten van ijs en het uitzetten van zeewater.

• Het klimaat kan veranderen, waardoor landbouw in sommige gebieden moeilijker wordt.

• Dieren en planten kunnen uitsterven doordat hun leefgebieden veranderen.

Om dit tegen te gaan, wil de overheid dat Nederland rond 2050 bijna geen fossiele brandstoffen meer gebruikt. Dit proces heet de energietransitie, waarbij we overstappen naar duurzame energiebronnen zoals zon en wind.

Zure regen en smog

Bij het verbranden van fossiele brandstoffen ontstaan ook andere schadelijke gassen, zoals zwaveldioxide (SO2) en stikstofoxiden (NOx). Deze gassen veroorzaken zure regen, wat slecht is voor planten en bomen. Ze dragen ook bij aan smog, een geelbruine mist die schadelijk is voor de gezondheid.

Smog kan ogen, neus en keel irriteren en maakt ademhalen moeilijker. Mensen met hart- en longproblemen kunnen hier ernstig last van hebben.

Het is mogelijk om de afvalgassen van centrales schoner te maken door schadelijke stoffen eruit te filteren, zoals zwaveldioxide. Dit kost wel extra energie en maakt elektriciteit duurder.

Les 2: Zonne-energie

De lesstof:

Stralingsenergie

Het licht van de zon is heel belangrijk voor het leven op aarde. Zonlicht zorgt voor warmte op aarde en houdt zo de temperatuur aangenaam. Planten hebben zonlicht nodig om te groeien; zonder zonlicht zouden ze niet kunnen leven.

De energie die in zonlicht zit, noemen we stralingsenergie. Als zonlicht op de aarde schijnt, wordt een deel van dat licht opgenomen, en daarbij wordt de stralingsenergie omgezet in warmte. Op die manier worden het aardoppervlak en de lucht erboven verwarmd.

Planten gebruiken het zonlicht om uit koolstofdioxide en water suiker (glucose) te maken. De energie in het zonlicht wordt omgezet in de chemische energie van glucose. Dit proces heet fotosynthese. Planten slaan op deze manier energie op. Als je planten eet, zoals groenten en fruit, geef je die energie door aan je lichaam.

Zonnepanelen

We gebruiken zonlicht ook om elektrische energie op te wekken. Zonnecellen kunnen de stralingsenergie van zonlicht omzetten in elektrische energie. Meerdere zonnecellen samen vormen een zonnepaneel. 

Een standaard zonnepaneel is ongeveer 160 cm lang, 100 cm breed en 4 cm dik, en bevat zestig zonnecellen. In goede omstandigheden levert zo’n paneel ongeveer 300 watt (W) vermogen. Dit noemen we het piekvermogen.

Het vermogen van een zonnepaneel varieert echter. Het piekvermogen wordt alleen behaald als de omstandigheden perfect zijn, zoals bij zonnig weer rond het middaguur. Meestal zijn de omstandigheden minder goed en levert het paneel minder energie. ’s Nachts leveren zonnepanelen natuurlijk geen energie, omdat er geen zonlicht is.

Hoe we zonne-energie gebruiken

Zonnepanelen kunnen een groot deel van je energie leveren, maar de opgewekte energie moet eerst geschikt gemaakt worden voor het lichtnet van je huis (230 volt). Dit doet een apparaat dat we een omvormer noemen. De omvormer zorgt ervoor dat de opgewekte energie veilig en bruikbaar is voor de elektrische apparaten in huis.

De omvormer geeft de opgewekte energie door aan je huis. Of die energie nu van je zonnepanelen komt of van het energiebedrijf, maakt voor je apparaten niet uit. Ze werken er even goed op.

Heb je zonnepanelen, dan merk je het verschil wel in je energierekening. De energie die je zelf opwekt, hoef je namelijk niet te kopen van het energiebedrijf. Dit kan je energiekosten flink verlagen. Vaak verdien je de kosten van je zonnepanelen in zo’n zeven jaar terug (prijspeil 2021).

Het rendement van een zonnepaneel

Zonnepanelen zijn niet perfect. Het rendement van een standaard zonnepaneel is ongeveer 16%. Dit betekent dat slechts 16% van de stralingsenergie van de zon wordt omgezet in elektrische energie. De overige 84% wordt omgezet in warmte, waar je niets aan hebt.

Onderzoekers hebben door de jaren heen het rendement van zonnepanelen sterk verbeterd. Rond 2000 was het rendement minder dan 10%, en zonnepanelen waren toen ook veel duurder. De overheid moest subsidie geven om ze betaalbaar te maken. Door de verbeteringen in rendement en lagere prijzen is dat nu niet meer nodig.

Je kunt het rendement van een zonnepaneel berekenen met de volgende formule:

η =(Enut/Etot) x 100%

Waarbij:

• η het rendement in procenten is;

• Enut de nuttige (afgegeven) energie in joule (J) is;

• Etot de totale (opgenomen) energie in joule (J) is.

Een andere manier om het rendement te berekenen is door het elektrisch vermogen dat het zonnepaneel levert te delen door het totale vermogen dat het paneel opneemt:

η =(Pnut/Ptot) x 100%

Les 3: Windenergie

De lesstof:

Bewegingsenergie

Wind is bewegende lucht, en omdat de lucht beweegt, heeft hij bewegingsenergie. Die energie kunnen we met een windmolen gebruiken. Vroeger werden windmolens bijvoorbeeld gebruikt om graan te malen of water weg te pompen. De moderne windmolens die je nu veel ziet, maken elektrische energie.

Hoe sneller iets beweegt, hoe meer bewegingsenergie het heeft. Dit geldt niet alleen voor wind, maar ook voor bijvoorbeeld een bokser die een vuiststoot geeft, een tennisser met een racket of een klusser met een hamer. Hoe sneller ze bewegen, hoe meer energie er vrijkomt. Deze energie kan dingen laten gebeuren, zoals een tennisbal weg slaan of een spijker in hout slaan.

De hoeveelheid bewegingsenergie hangt niet alleen af van de snelheid, maar ook van de massa. Hoe zwaarder iets is, hoe meer energie het heeft. Dit merk je als je een dikke spijker in hout slaat: met een zware hamer gaat dat makkelijker dan met een lichte hamer.

Je kunt de bewegingsenergie berekenen met de formule:

Ek = 0,5 ∙ m ∙ v²

Hierin is:

• Ek de bewegingsenergie in joule (J)

• m de massa in kilogram (kg)

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

De wind als energiebron  

Een windmolen werkt in stappen:

1. De wind blaast tegen de wieken en laat ze draaien.

2. Een tandwielkast verhoogt de snelheid van de as die meedraait met de wieken.

3. Deze as drijft een generator aan, die de bewegingsenergie omzet in elektrische energie.

4. Een transformator verhoogt de spanning naar 10.000 volt, zodat de elektriciteit makkelijk vervoerd kan worden.

5. De opgewekte elektriciteit gaat via het net naar huizen en bedrijven.

Bewegingsenergie omzetten  

Een generator zet bewegingsenergie om in elektriciteit. Een fietsdynamo werkt volgens hetzelfde principe, maar is simpeler. Als de as van een dynamo draait, ontstaat er een elektrische spanning die je kunt gebruiken, bijvoorbeeld om een fietslamp te laten branden.

Een dynamo heeft twee hoofddelen: een spoel en een magneet. Door de magneet heen en weer te bewegen in de spoel, wordt een wisselspanning opgewekt. Deze spanning wisselt steeds van richting, waardoor er een wisselstroom ontstaat.

De fietsdynamo

Een fietsdynamo werkt door een magneet te laten draaien, waardoor een stuk weekijzer steeds gemagnetiseerd wordt. Dit weekijzer verliest snel zijn magnetisme als de magneet niet meer draait. Door deze wisselende magnetisering wordt er wisselspanning opgewekt in de spoel van de dynamo. Soms draait de spoel zelf, terwijl de magneet stil blijft, maar het effect is hetzelfde.

Het vermogen van een windturbine 

Het piekvermogen van een windturbine is het grootste elektrische vermogen dat hij kan leveren. Grote windturbines kunnen onder ideale omstandigheden ongeveer 5 MW (5 miljoen watt) opwekken. Dat betekent dat ze 5 miljoen joule (5 MJ) per seconde kunnen leveren.

Les 4: Waterkracht

De lesstof:

Elektriciteit uit een stuwmeer  

In bergachtige gebieden worden vaak stuwdammen gebouwd. Dit gebeurt in een dal waar een rivier stroomt. Een hoge dam houdt het water van de rivier tegen, waardoor er een stuwmeer ontstaat. Dit meer kan worden gebruikt om elektriciteit op te wekken met een waterkrachtcentrale.

Als het waterpeil in het stuwmeer hoog genoeg is, wordt de centrale gestart. Kleppen worden opengezet, zodat water uit het meer naar beneden kan stromen. Het stromende water houdt het waterpeil in balans en wordt gebruikt om elektriciteit te maken.

Een waterkrachtcentrale zet de energie van het vallende water om in elektriciteit. Dit proces verloopt in vier stappen:

1. Het water stroomt via pijpleidingen van het stuwmeer naar beneden.

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

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

4. Deze elektriciteit wordt via het net naar huizen en bedrijven gestuurd.

Zwaarte-energie  

Zwaarte-energie, ook wel potentiële energie genoemd, ontstaat door hoogteverschil. Een object dat op de grond ligt, heeft geen zwaarte-energie, maar als je het omhoog tilt, krijgt het wel zwaarte-energie. Hoe hoger het object, hoe meer zwaarte-energie het heeft. De hoeveelheid zwaarte-energie kun je berekenen met de formule:

Ez = m ∙ g ∙ h

Hierbij staat:

• Ez voor zwaarte-energie in joule (J)

• m voor de massa in kilogram (kg)

• g voor de zwaartekracht, ongeveer 9,8 N/kg op aarde

• h voor de hoogte in meter (m)

Bij een waterkrachtcentrale is m de massa van het water dat door de centrale stroomt, en **h** is het hoogteverschil tussen het water in het meer en de onderkant van de dam. Hoe meer water en hoe groter het hoogteverschil, hoe meer energie er wordt opgewekt.

In Nederland zijn er geen grote hoogteverschillen, dus wordt waterkracht maar beperkt gebruikt. Toch importeert Nederland wel elektriciteit uit landen zoals Noorwegen, waar waterkracht veel wordt toegepast.

Zwaarte-energie en bewegingsenergie  

Zwaarte-energie kan worden omgezet in bewegingsenergie, en omgekeerd. Als je bijvoorbeeld een bal omhoog schopt, verliest hij langzaam zijn bewegingsenergie, maar krijgt hij zwaarte-energie. Op het hoogste punt heeft de bal alleen zwaarte-energie. Als de bal weer naar beneden valt, neemt de bewegingsenergie toe en de zwaarte-energie af.

Als er geen luchtweerstand is, geldt:

Ez op het hoogste punt = Ek op het laagste punt

Met deze regel kun je uitrekenen hoe hoog een bal komt met een bepaalde beginsnelheid.

Energiebronnen vergelijken 

Elke energiebron heeft zijn eigen voor- en nadelen. Als je energiebronnen vergelijkt, let je op vier dingen:

• Kosten van energie  

Vroeger was energie uit zonne- en windenergie duurder dan energie uit fossiele brandstoffen, zoals aardgas. Zonnepanelen en windmolens werden alleen rendabel door subsidies. Tegenwoordig zijn de prijzen meer in balans.

• Uitputting van de bron 

Fossiele brandstoffen zijn beperkt. Eenmaal op, zijn ze niet meer beschikbaar. Dit is anders bij zonne- en windenergie: de zon blijft schijnen en de wind blijft waaien.

• Beschikbaarheid  

Sommige energiebronnen zijn altijd beschikbaar, zoals aardgascentrales die dag en nacht elektriciteit leveren. Zonnepanelen werken alleen overdag en presteren minder in de winter. Windmolens werken alleen als het waait.

• Milieu-impact  

Bij de verbranding van fossiele brandstoffen komen schadelijke stoffen vrij. Windmolens en zonnepanelen stoten geen afvalstoffen uit, maar kunnen wel andere problemen veroorzaken. Ze maken lawaai, verstoren het landschap en kunnen gevaarlijk zijn voor vogels. Ook zijn er grondstoffen nodig om ze te maken, en bij het produceren en vervoeren van deze materialen komt afval vrij.

Les 5: Energie besparen

De lesstof:

De wet van behoud van energie

De wet van behoud van energie geldt voor elke energie-omzetter:

• Bij het omzetten van energie gaat er nooit energie verloren.

• Er komt ook nooit nieuwe energie bij.

• De totale hoeveelheid energie is vóór en na de omzetting gelijk.

Deze wet vertelt ons alleen iets over de hoeveelheid energie, niet over de waarde ervan. Bij veel energie-omzettingen verdwijnen waardevolle energieën, zoals chemische en elektrische energie, en blijven er minder bruikbare vormen over, zoals warmte en geluid.

Een voorbeeld hiervan zijn elektrische apparaten. Ze produceren vaak veel warmte, zelfs als dat niet de bedoeling is. Een computer heeft bijvoorbeeld een ventilator nodig om niet te oververhitten. Die warmte verspreidt zich in de ruimte, maar je kunt er niets nuttigs mee doen. Hoewel warmte een vorm van energie is, is het vaak niet praktisch bruikbaar.

Energie besparen

Wanneer mensen praten over ‘energie besparen’, bedoelen ze meestal waardevolle energieën, vooral chemische en elektrische energie. Ze willen bijvoorbeeld minder aardgas gebruiken, minder benzine verbruiken met de auto, en zuiniger zijn met elektriciteit.

Het besparen van energie heeft verschillende voordelen:

• Lagere energiekosten: Minder verbruik betekent minder betalen voor aardgas, benzine en elektriciteit.

• Beter voor het milieu: Het gebruik van energiebronnen heeft vaak nadelige effecten op het milieu. Door zuinig te zijn, kun je die effecten verminderen.

• Beperking van grondstoffenverbruik: Bijvoorbeeld, zonneparken nemen veel ruimte in beslag, ook al produceren ze ‘schone’ energie.

Je kunt energie besparen door te kiezen voor energiezuinige apparaten. Deze apparaten presteren net zo goed als gewone apparaten, maar verbruiken minder energie. Hoewel energiezuinige apparaten vaak duurder zijn, besparen ze op de lange termijn flink wat geld op je energierekening.

Daarnaast kun je ook je levensstijl aanpassen, zoals korter douchen, vaker fietsen in plaats van de auto te nemen, de thermostaat een graad lager zetten, en apparaten uitzetten als je ze niet gebruikt. Maar het kan lastig zijn om gewoontes te veranderen, en niet iedereen is gemotiveerd om dat te doen.

Het Rendement van lampen

In de loop der jaren zijn elektrische lampen steeds energiezuiniger geworden. Gloeilampen, die tot ongeveer 2010 veel gebruikt werden, hadden een laag rendement. Van de elektrische energie die ze gebruikten, werd slechts een klein deel omgezet in licht; de rest werd warmte. Deze lampen konden zo heet worden dat je ze niet met blote handen kon aanraken.

Na 1980 kwamen er spaarlampen op de markt die veel efficiënter waren. Het rendement van een spaarlamp is ongeveer vier keer zo hoog als dat van een gloeilamp. Een spaarlamp van 10 watt geeft evenveel licht als een gloeilamp van 40 watt, maar produceert minder warmte.

Na 2010 werden ledlampen de meest gebruikte lampen. Deze lampen zijn de zuinigste die er zijn. Op de verpakking staat bijvoorbeeld: 5 W = 50 W. Dit betekent dat de ledlamp van 5 W evenveel licht geeft als een gloeilamp van 50 W. Het rendement van een ledlamp is dus tien keer zo hoog als dat van een gloeilamp.

Ledlampen zijn niet alleen zuiniger, maar gaan ook veel langer mee. Aan de andere kant zijn ze vaak duurder. In het begin vonden veel mensen ze te prijzig en gebruikten ze nog gloeilampen. Om de overstap naar ledlampen te stimuleren, hebben veel landen de productie en verkoop van gloeilampen verboden, wat sinds 2012 in de EU geldt.

Energieverbruik berekenen

Je kunt het energieverbruik van een elektrisch apparaat berekenen met de formule: 

E = P  x t

Als je het vermogen in watt en de tijd in seconden invult, krijg je het energieverbruik in joules. Energiebedrijven houden echter je verbruik niet bij in joules, maar in kilowattuur (kWh), wat je op de meter in de meterkast kunt zien.

Om te berekenen hoeveel je op je elektriciteitsrekening bespaart, moet je het verbruik in kWh berekenen met de formule:

E = P  x t

In deze formule is:

• E het elektriciteitsverbruik in kilowattuur (kWh);

• P het elektrisch vermogen in kilowatt (kW);

• t  de tijd in uren (h) dat het apparaat heeft gewerkt.

Soms moet je energie omrekenen van joules naar kWh of andersom. Het is handig om te weten dat 1 kWh gelijk is aan 

3,6 x10^6  joules. Deze informatie vind je ook in BINAS-tabel 2.

Het energielabel

Op de meeste elektrische apparaten staat het elektrisch vermogen vermeld, wat je vertelt hoeveel energie het apparaat per seconde verbruikt. Bij apparaten met een variabel vermogen staat het maximale vermogen aangegeven. Bijvoorbeeld, een apparaat van 200 W verbruikt maximaal 200 joules per seconde.

Bij sommige apparaten, zoals een niet-dimbare lamp, is het vermogen altijd constant. Dit maakt het makkelijker om te zien hoe energiezuinig het apparaat is. Maar bij andere apparaten, zoals een vriezer, is het lastiger. De motor van een vriezer werkt namelijk alleen af en toe.

Een goed geïsoleerde vriezer houdt de warmte goed buiten, waardoor de motor minder vaak aan hoeft te staan. Bij een slecht geïsoleerde vriezer draait de motor vaker en verbruikt dus meer energie, ook al hebben ze hetzelfde vermogen.

Om mensen te helpen een goede keuze te maken, krijgt elke vriezer een energielabel. Hierop staat in welke energieklasse de vriezer valt, van A (het meest zuinig) tot G (het minst zuinig). Ook staat erop hoeveel elektriciteit de vriezer normaal gesproken per jaar verbruikt. Bijvoorbeeld, een vriezer kan 179 kWh verbruiken.