Energiewinning met getallen.

 

 

Te gebruiken eenheden.

 

De joule is de eenheid van energie. Het is de energie die de kracht 1 N (newton) levert over 1 meter. Daarbij is 1 N ongeveer 0,1 kg kracht.

1 joule is gelijk aan 1 W.s (watt.seconde).

De eenheid van elektrisch vermogen is W (watt).

1 KW = 1000 W en 1 MW = 1000 000 W.

Voor elektriciteit is de gebruikelijke eenheid van energie de KWh, het energieverbruik per kilowatt gedurende één uur.

1 KWh = 1000 x 3 600 W.s = 3 600 000 J = 3,6 MJ = 3,6 106 J

 

Het principe van de windmolen.

 

Windmolens oogsten de bewegings- (kinetische) energie van wind.

De formule voor kinetische energie is E = ½ mv².

E = de kinetische energie in joule, m is de massa in kilogram en v de snelheid in meter per seconde.

De massa van lucht is 1,18 kg per m³. Omdat deze massa bij windturbines afhankelijk is van de luchtsnelheid komt de afhankelijkheid van de snelheid op de derde macht.

De formule voor een turbine is E = f .m.v³. De coëfficiënt ‘f ‘ is afhankelijk van de grootte en vorm van de wieken of schoepen van de turbine.

Vooral snelheid is dus bepalend voor de uitkomst. De gemiddelde windsnelheid is op land 8 km/uur en aan de kust 20 km/uur. Bij 100 km/uur is sprake van storm. Bij een naderende storm worden windmolens vaak stil gelegd.

Voor een windmolen valt alleen de luchtmassa te beïnvloeden, door de grootte van de wieken.

Water in een waterkrachtcentrale heeft een massa van 1000 kg per m³. Een groter verval verhoogt dan de snelheid. Een stoomcentrale verhoogt met hoge druk zowel de massa als de snelheid van geproduceerd stoom.

 

 Het vermogen van een windmolen.

 

Afhankelijk van de grootte leveren windmolen bij optimale windkracht een vermogen van circa 0,5 tot 5 MW, of 500 tot 5000 J. Grote vermogens zijn onderwerp van innovatie.

De optimale windkracht ligt op 6 beaufort: 40 tot 50 km/uur.

Omdat de wind niet altijd optimaal is varieert het rendement van een windmolen van circa 15% (op land) tot 35 %(op zee). Het vermogen effectief van deze molens varieert dus tussen 75 en 875 KW.

Een windmolen op zee van 1 MW met een rendement van 35% levert een gemiddeld vermogen van 350 KW.

350 KW levert gedurende een etmaal 350 x 24 = 8400 KWh = 30 200 MJ.

Dit komt overeen met circa:

 

1000 kg steenkool                       30 MJ/kg. 

3000 kg minder CO²        1 kg steenkool genereert 3 kg CO²

1600 kg hout                   19 MJ/kg

3800 kg huisafval                       8 MJ/kg

2000 kg mest                   15 MJ/kg

0,04 gram uranium                      80.10 000 000 MJ/kg

1000 liter benzine                       30 MJ/liter

940 m³ aardgas                32 MJ/m³

 

 

Het verbruik van elektriciteit.

 

Een gemiddeld huisgezin heeft een elektriciteitsverbruik van 4000 KWh. per jaar. Het verbruik is gemiddeld 4000 / 365 x24 = 0,457 KW. Per etmaal 11 KWh of 40 MJ.

Een rijdende personenauto verbruikt gemiddeld 100 KW. Nog even en we rijden elektrisch.

Een windmolen van 1 MW op zee (effectief 350 KW) is dus goed voor circa 765 huishoudens of 3,5 auto.

 

Nederland verbruikt actueel circa 3400 PJ aan energie. ( 3600.1015 J)

Aandeel elektriciteit  361 PJ.

 

December 2014 stonden in Nederland circa 2000 windmolens met een vermogen van 2000 MW en een rendement van 20 procent. Ze zijn dus goed voor circa 400 MW = 0,4.109 J, is 650 000 huishoudens of 2950 auto’s, circa 4% van het energieverbruik van Nederland.

 

De ‘middelgrote’ kerncentrale Borsele levert een continu vermogen van 485 MW, is goed voor 485 windmolens.

 

Bijdragen van Windmolens.

 

Een doelstelling de bijdrage van windmolens te brengen op circa 20 procent, op 10 000 MW, te realiseren met 10 000 windmolens van 4 MW, met een rendement van 25% 1 MW effectief, vooral op zee, komt uit ze een rij gezet 10 000 x 0,1  = 1000 km. In parken van tien rijen dus 100 km.  Langs de westelijke kustlijn van Nederland een park van 100 x 1 km2. Geschatte investering 20 miljard euro. Een rendement van 35% brengt de bijdrage op 30%.

Elektra is ongeveer 15% het totale energieverbruik, voornamelijk in voorzien door olie, gas en steenkool. Op de vrije markt zijn kolen net meest concurrerend. Alle met voorraden die eindig zijn en dus eens zijn te vervangen. Door windmolens dan komt het aantal daarvan op circa 50 000, een park dus van 100 x 5 km2, kosten 140 miljard.

Een mechanisch systeem met dus veel kosten voor onderhoud, niet in staat te concurreren met gas, olie kolen, kernenergie zolang daarvoor een vrije markt bestaat en dan afhankelijk van overheidsbeleid en subsidies.  

 

Opslag van energie.

 

Omdat windmolens niet continu draaien is een back up nodig van circa 90% van hun effectief vermogen, direct in en uit te schakelen. Kolen- en kerncentrales kunnen dat niet, die leveren continu. Gebruikelijk voorzien gascentrales in deze back up. Het kan ook met opslag van energie.

 

Opslag met water.

1 joule is de energie van 1 N over 1 meter. Energie is dus op te slaan door het optillen van gewichten tegen de zwaartekracht in. 1 KWh = 1000 x 3600 = 3 600 000 joule = 3 600 m³ water 1 meter optillen. 1 MWh is 180 000 m³ water 20 meter op te tillen. Laten vallen door een turbine komt die energie weer vrij.

Er is een plan voor een kuil van 40 meter diep in een eiland voor de kust. Hierin kan 20 000 MWh worden opgeslagen, dat gedurende 12 uur 1500 MW kan leveren. Als back up voor 12 uur 10 000 MW zijn dan 7 van deze eilanden nodig.

 

Opslag in auto’s.

Een personenauto verbruikt bij 100 km/uur rond 100 KW. Voorzien van een accu voor 300 km wordt daarin gemiddeld voor circa 1,5 uur rijden is 0,15 MWh opgeslagen.

Nederland heeft 7000 000 auto’s. Gestel 20 % daarvan gaat elektrisch rijden, dan creëren ze een opslag van 0,2 x 7000 000 x 1,5 = 210 000 MWh. Rond tien van bovengenoemde eilanden.

 

Batterijen.

Oplaadbare batterijen, type Li-ion, hebben een energiedichtheid van 0,1kWh/kg = 360kJ/kg.
De dagelijkse energie voor een huishouden kan worden opgeslagen in 4.106 / 360.103 = 110 kg batterijen. Batterijen zijn duur en hebben een beperkte levensduur.

 

Waterstof
Energie opslaan in waterstof door elektrolyse van water, het scheiden van water in waterstof en zuurstof. De waterstof wordt zo een energiedrager en kan in een brandstofcel worden omgezet in elektriciteit. De efficiency van deze manier van opslag komt uit op 40 % tot 45 %.

 

Het vliegwiel

In een snel ronddraaiend vliegwiel valt voldoende energie op te slaan om bijvoorbeeld een bus te laten rijden. Daarbij kan ook de remenergie worden teruggewonnen.

 

Perslucht

Energie is op te slaan in perslucht. Grote vermogen zijn op te slaan in honderden meters diep gelegen ruimten in de bodem, lege gasvelden of ruimten ontstaan door zoutwinning. Ze vormen een aantrekkelijk alternatief voor genoemde energie-eilanden.

Een cilinder met perslucht, ruim 2,5 meter lang, diameter 0,5m, druk 200 atmosfeer is goed voor de opslag van de dagelijkse energie van een huishouden. Grote cilinders zijn veilig te maken van voorgespannen beton, beton altijd onder druk en daarmee geen gevaar van scheuren.

 

De concurrentie.

 

Aardolie en aardgas.

De voorraden hiervan liggen in de orde van grootte van enkele eeuwen. Mogelijk dat al eerder de groei van de productie de vraag niet kan bijhouden.

 

Biomassa.

Energie uit biomassa, CO2 in een kringloop brengen, lijkt het een logische oplossing een natuurlijke vervanging van de eens daarmee opgebouwde fossiele voorraden. Biomassa concurreert met de voedselvoorziening. Met steeds meer mensen op aarde en verandering van klimaat een probleem. In de natuur zorgt biomassa tevens voor de benodigde humus en bemesting. Geoogst moet die vervangen worden door kunstmest, te produceren met energie. Het CO² effect is daardoor in discussie.

In ontwikkeling zijn de vergisting van organische afval, mest, het winnen van biomassa met de kweek van algen. 

De aarde zoveel mogelijk beplanten, woestijnen herbeplanten - overal waar de mens de natuur beïnvloedt zijn ze ontstaan - vereist grote hoeveelheden water. De groei van 1 kg droge stof vraagt 2000 tot 5000 liter water. Bij een overvloed aan energie zou dat probleem zijn op te lossen. In kassen worde deze hoeveelheid enorm gereduceerd.

 

Steenkool.

Nog voor heel veel eeuwen in overvloed beschikbaar. De ontwikkeling van schone kolen, waarbij het CO² wordt afgevangen en opgeslagen in lege gaslagen lijkt niet zonder risico.

De toepassing van kolen valt af te remmen door een internationale belasting op CO2 uitstoot.

 

Kernenergie.

Voor deze toepassing is vrij van CO² zijn nog voor vele eeuwen grondstoffen te winnen. Met nieuwe technieken mogelijk voor circa 100 000 jaar. De bouw van kerncentrales is duur en duurt lang., de kosten van de brandstof zijn gering. De opslag van de radioactieve reststoffen is een probleem. De hoeveelheden zijn klein, in de orde van grootte van enkele kubieke meters per centrale per jaar. Op te slaan gedurende 100 000 jaar, met nieuwe technieken mogelijk terug te brengen tot 1000 jaar. Veilige opslag is te vinden in bergen, dieper gelegen kleilagen en zoutafzettingen, in delen van de aarde waarmee naar verwachting vele miljoenen jaren niets gebeurt. De nieuwe en veiliger technieken en methoden kunnen over tien, twintig jaar toepasbaar zijn. Kernenenergie is en wordt dan ook een serieuze concurrent voor windmolens en een oplossing voor het CO² vraagstuk op lange termijn. De prijs van geleverde elektra is ongeveer die van aardgas.

Geen enkele techniek is zonder risico’s. Problemen met kerncentrales hebben tot nu vele duizenden het leven gekost en grote gebieden langdurig onbewoonbaar gemaakt. In de technisch hoog ontwikkelde landen veroorzaken ze nauwelijks problemen. Kolen, olie en gas zijn inmiddels verantwoordelijk voor tientallen miljoenen slachtoffers voor in de megasteden. Veroorzaken inmiddels ook grote klimaatsveranderingen met als effect volksverhuizingen en oorlogen. Vervanging dan deze middelen voor energiewinning door anderen vraagt dan ook om keuzes en wel op korte termijn.

 

Kernfusie is in ontwikkeling voor nog vele decennia. Eenmaal operationeel wordt ze mogelijk de oplossing voor de duur van de mensheid. De brandstof ervoor is onbeperkt beschikbaar. De vraag is echter of het lukt en rendabel is, meer oplevert aan energie dan het kost.

 

Zonne-energie.

De hoeveelheid dagelijkse zonneschijn dekt circa 9000 maal onze behoefte aan energie. De zon schijnt overal en zorgt er tevens voor dat winden waaien, rivieren stromen, planten groeien, wateren vloeibaar blijven, dieren en mensen kunnen leven. Het leven op aarde heeft aan ongeveer 1% van deze energie  genoeg. In het verleden zijn daarmee de fossiele voorraden opgebouwd.

De zon levert z’n energie zeer gespreid, ongeveer 1000 watt per m² aardoppervlak, en niet constant. Daarom zijn grote oppervlakten nodig en opslag van energie.

Zonnecellen benutten het licht voor circa 20 procent. Ze worden massaal geproduceerd, steeds efficiënter en goedkoper. Ze zijn vooral interessant voor lokale winning van kleine hoeveelheden energie, als een elektriciteitsnet ontbreekt.

Een paneel van 1,5 m2 levert per jaar circa 200 KWh. 20 panelen zijn dus goed voor de dekking van een huishouden. Het rendement van een dergelijk investeren wordt geschat op circa 5%. 

Zonnespiegels die de straling concentreren maken centrales met piekvermogens rond 400 MW mogelijk.

De zomerwarmte kan worden opgeslagen in de grond, circa 100 meter diep in waterlagen, voor verwarming in de winter. Zowel de opslag als de terugwinning is traag.

50 000 km², 225x225 km in de Sahara is voldoende voor de opvang van alle energie voor Europa.

 

De maan.

Aan de maan hebben we de getijdenwerking te danken. Op beperkte schaal is benutting van deze energiebron mogelijk. Het aantal kusten met grote vervallen tussen eb en vloed is klein.

 

De aardwarmte.

Diep in de aarde is het heel heet. In Nederland is op 1 km diepte de warmte van de aarde 35 tot 40 °C. De afgifte van deze warmte is circa 0,06 watt per m² en nogal traag. De winning van deze energie is vooral interessant in vulkanische gebieden.

 

Bezuinigingen.

Minder energie verbruiken, daarop bezuinigen, een voorname bron voor energiewinning. Ledlampen besparen aanzienlijk. Warmtekrachtkoppeling combineert de winning van energie en warmte. Nog heel veel woningen zijn te isoleren. Elke consumptie heeft een energiecomponent. Duurzame artikelen langer laten meegaan, door ze te onderhouden maken, vooral als ze niet wezenlijk meer zijn te verbeteren, zoals de steeds dezelfde wasmachine, koelkast, stofzuiger. Mede te bevorderen met kringloopwinkels. De auto eenmaal uitontwikkeld en elektrisch gaat waarschijnlijk generaties mee. Net als antiek, de goede woning, design, kunst. Maak de welvaartswereld duurzamer en bestendiger.