Energiebronnen (hernieuwbare en niet-hernieuwbare)

Energiebronnen

1. Duurzame energiebronnen

1.1 Inleiding
Duurzame energiebronnen zijn onuitputbare energiebronnen die bij omzetting naar elektriciteit of warmte niet vervuilen. Al sinds de jaren 70 onderzoeken wetenschappers en technici om technologieën te ontwerpen die de mogelijkheid moeten bieden om van de vele onuitputbare energiebronnen die de aarde bevat gebruik te kunnen maken.
In de jaren 70 vond de grote oliecrisis plaats en hierdoor zijn wetenschappers dus beginnen zoeken naar meerdere mogelijkheden dan alleen de fossiele brandstoffen zoals de olie die allemaal veel te duur waren geworden. De olieprijzen waren de grote stimulans om naar alternatieven te zoeken want toen waren wetenschappers nog niet erg bewust van de extreme gevolgen van de vervuiling. In Brazilië werd er zelfs tijdelijk overgeschakeld op brandalcohol die werd geproduceerd uit het suikerriet dat er in grote aantallen groeide. Maar natuurlijk werden deze nieuwe technologieën niet vriendelijk toegejuicht door vele olieproducenten uit schrik dat ze een aandeel in de energiemarkt zouden verliezen, aan de andere zijde zijn er ook oliemaatschappijen die zelf in het onderzoek naar duurzame energie zijn gestapt.
De laatste jaren is er een extra grote stimulans bijgekomen, de vervuiling van het milieu tegen gaan had ineens een groot belang in de wetenschap. Duurzame energiebronnen zijn propere energiebronnen, ze vervuilen niet, wat hun veel geschikter maakt voor het milieu. Geen uitstoot van broeikasgassen die het natuurlijke broeikaseffect veel te veel versterken en een groot deel zorgen voor opwarming van de aarde.
Hieronder vind je vele soorten duurzame energiebronnen, met mogelijkheden om uit deze energiebronnen elektriciteit te kunnen ontwikkelen. Er is veel nagedacht geweest en er zijn ook veel manieren bedacht geweest maar soms zijn het ook niet meer dan onrealiseerbare gedachten.

1.2 Windenergie
Windenergie is een duurzame energiebron die men al eeuwen lang gebruikt. Boten varen al eeuwenlang op de wind. Vroeger, en soms nu nog, werden windmolens gebruikt om graan te malen of om water omhoog of weg te pompen. Het is ook een zeer populaire vorm van energie onder vele sporters of andere creatieve mensen. Denk maar aan surfers, zeilers of gewoon de mensen die op het strand een vliegertje oplaten.
Windenergie is zoals iedere duurzame energiebron een propere energiebron maar om er elektrische energie uit te kunnen putten is het soms wel heel erg verstorend voor het zicht op het landschap. De klassieke windturbines werken zeer simpel. De wind die in de schoepen valt doet de schoepen rond een as draaien en drijven een generator aan die spanning op het elektriciteitsnet zal zetten. Deze windturbines hebben een hoogte tot wel 150 meter en vallen enorm op in het landschap soms tot ergernis van omwonenden. Één groot nadeel van de windenergie is dat het onmogelijk is om elektrische energie op te wekken als het windstil is en de energieproductie dus afhangt van het weer. Maar er zijn al vele nieuwe ontwerpen die windturbines op grotere hoogte mogelijk zouden maken. Op hogere hoogte is er meer wind en is er dus meer energie die zal kunnen omgezet worden.
Ook hebben wetenschappers onderzocht naar mogelijkheden om elektriciteit op te wekken uit de straalstroom, een oneindige luchtstroom die in de hogere luchtlagen gelegen is. Er zijn al ontwerpen van soorten turbines klaar die zo hoog zouden kunnen geraken, maar dit zijn allemaal projecten voor de toekomst die nu nog maar amper realiseerbaar zijn.

1.3 Waterkrachtenergie
De Great Hoover Dam, Grand Coolidge dam, dammen in Noorwegen, China, Zaïre, Brazilië, Japan en Panama zijn allemaal voorbeelden van gigantische dammen of toch ten minste de landen waar we ze kunnen vinden. Bijna overal ter wereld halen mensen energie uit stromend water en het is de laatste jaren steeds populairder geworden. Dit komt doordat waterkrachtenergie een schone vorm van energie is, het is veilig en het vermindert de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen.
Het idee om energie te halen uit stromend water is absoluut geen modern idee. Net als bij windenergie werd water al gebruikt in door molenaars om granen te malen. Water molens gaan zelfs terug tot bij de Grieken en Romeinen die molens aangedreven door water gebruikten om maïs te vermalen.
Moderne waterkrachtcentrales, of ook hydro-elektrische centrales genaamd zijn veel complexer opgebouwd dan deze oude molens, maar het mooie is dat hetzelfde concept dat eens werd gebruikt om maïskorrels te vermalen nu wordt gebruikt om elektriciteit te leveren aan vele steden. Om een moderne hydro-elektrische energiecentrale te plaatsen moet het hele landschap in een gebied eraan geloven. De eerste stap in het bouwen van een energiecentrale is het bouwen van een dam die een groot reservoir van water vormt waaruit de energie opgewekt kan worden. Als de vallei dan gevuld is doordat de stuwdam al het water ophoud kan het water achter de dam door leidingen of ook sluispoorten stromen die het water over turbines zullen leiden. Deze sluispoorten en turbines gaan zich altijd zo veel mogelijk onderaan aan de dam bevinden want daar is de hydrostatische druk van het water het grootst en dus daar de kracht van het water die over de turbines zal stromen het grootst is. De ongelooflijk snelle stroom zal de turbines aan een immense snelheid laten draaien en een enorme energie opwekken. Op deze manier wordt een verbazingwekkende 25% van de energie op aarde opgewekt.

1.4 Zonne-energie
Zonne-energie is een energievorm die aan de basis ligt van ons bestaan. Planten die ons voorzien van vele suikers en zetmeelproducten hebben dankzij fotosynthese zonne-energie omgezet in warmte-energie en die dan opgeslagen in de suikers en het zetmeel die wij dan gebruiken. Ook zijn vele van de niet-hernieuwbare energiebronnen ontstaan uit de fotosynthese. Steenkool, aardgas, aardolie en nog veel meer fossiele brandstoffen zijn ontstaan doordat planten en bomen die aan fotosynthese deden overspoeld en bedekt zijn door modderstromen of andere fysische verschijnselen en na vele eeuwen dan door druk tot brandstof evolueerden. Ook zijn waterkrachtenergie en windenergie afhankelijk van zonne-energie. Dus zonne-energie is een onmisbare energievorm die nodig is om leven op aarde mogelijk te maken.
Er zijn enkele technieken om elektrische energie uit te sparen door gebruik van zonne-energie. De belangrijkste is de zonneboiler waarin aan de hand van de zonnestraling water word opgewarmd voor gebruik in huis. Maar er zijn natuurlijk ook technieken om elektriciteit op te wekken uit zonne-energie.
De zonnepanelen of PV-panelen zijn panelen die stralingsenergie of licht van de zon omzetten in elektriciteit. Hiervoor worden een groot aantal fotovoltaïsche cellen gebruikt die op deze panelen gemonteerd zitten. Fotovoltaïsche cellen zijn stukken halfgeleidend materiaal die een scheidingsvlak tussen p-type en n-type gedopeerde halfgeleiders bevat. Het fotovoltaïsch effect treedt op wanneer halfgeleidermateriaal, waarvan een deel (de p-laag) positieve en het ander deel (de n-laag) negatieve lading kan geleiden, blootgesteld wordt aan zonnestraling. Licht wordt geabsorbeerd in de zonnecel waardoor er ladingen vrijkomen. En omdat zich op de overgang tussen de p- en de n-laag een ladingsbarrière bevindt, ontstaat door het vrijmaken van lading een potentiaalverschil tussen de voor- en achterzijde van de cel. Dit potentiaalverschil is de drijvende kracht achter de werking van de zonnecel. Door de twee lagen uitwendig met elkaar te verbinden, kan de lading zich verplaatsen, wat resulteert in een elektrische stroom.
Door middel van een zonnetoren kan ook elektriciteit worden opgewekt. Een zonnetoren bestaat uit een groot oppervlakte aan serres die niet zijn afgesloten van de buitenlucht met in het midden een gigantisch grote toren waarin windturbines zitten. Doordat de zon op de serres schijnt gaat de lucht binnenin opwarmen en beginnen stijgen door de lange schacht binnenin de toren en daardoor de windturbines aandrijven. Als de lucht stijgt trekt het ook weer nieuwe koude lucht onderaan binnen in de serres waardoor er een continue stroom door de toren loopt. Tijdens de nacht gaat water, dat overdag verwarmd is geweest door de zon, zijn warmte afgeven en ervoor zorgen dat de stroom van lucht blijft doorgaan.
Wetenschappers hebben ook al gedacht aan een satelliet met zonnepanelen die in een baan rond de aarde, waar de zon altijd op volle kracht schijnt, zou cirkelen. Doordat deze zonnepanelen zich continu in de zon zouden bevinden zouden ze enorm veel elektrische energie kunne opwekken. Maar hoe krijg je die elektriciteit dan op de aarde? Die stroom zou dan worden omgezet in microgolven die in een geconcentreerde straal op de aarde worden afgeschoten en met een antenne worden opgevangen die dan weer de microgolven omzet in elektrische stroom.

1.5 Geothermische energiebronnen
Aardwarmte of geothermische energie kan gewoon direct gebruikt worden om water op te warmen voor huishoudelijk gebruik wat het energieverbruik van een boiler uitspaart. De aarde, met zijn vloeibare kern met temperaturen van 2000°C tot wel 12.000°C, bevat zeer veel energie onder de vorm van warmte. Zelfs op haalbare dieptes vinden we al temperaturen die groot genoeg zijn om water te verhitten tot hete stoom waarmee we dan vele gebouwen kunnen verwarmen. In streken zoals IJsland waar er een grote vulkanische activiteit is hoeft men helemaal niet diep te graven om warmte te kunnen ontrekken aan de aarde. Anders moet men ongeveer een 2 kilometer diep graven wat niet zo handig is. De hete stoom van geisers kan ook worden gebruikt om warm water te voorzien of om serres en andere gebouwen te verwarmen.
Men kan de aardwarmte ook gebruiken om elektriciteit op te wekken. Hiervoor graaft men tot de benodigde diepte waar men dan een explosie laat plaats vinden om een grote holte te maken. In die holte pompen ze dan water naar beneden die daar door aardwarmte snikheet krijgt, verdampt en dan onder hoge druk een pijp omhoog stijgt en dan zoals in iedere kern- , gas- of steenkoolcentrale een schoepenrad doet draaien die een generator aandrijft en elektriciteit opwekt.

1.6 Golfslagenergie
Golfslagenergie wordt gewonnen uit de beweging van de golven op zee. Er zijn al verschillende manieren gevonden om deze soort energie om te zetten in elektriciteit. Maar doordat de prijs voor de installaties in vergelijking met de energie die je eruit haalt veel te groot is worden deze zeer weinig toegepast.
De eerste methode bestaat uit een reeks vlotters met enkele scharnieren tussen deze vlotters. Als door de golven zo een scharnier gaat plooien wordt er door een grote dynamo elektriciteit opgewekt. Bij een tweede methode loopt door het hoogteverschil en de snelheid van de golf water in een hogergelegen reservoir en stroomt dan door een turbine terug naar de zee.
Bij een derde methode gaat het om de luchtverplaatsing die een golf veroorzaakt. Een kamer die verbonden is met de zee heeft bovenaan een schacht met een windturbine. Als een golf aankomt loopt de kamer vol (op principe van verbonden vaten) en word de lucht uit die kamer gedreven langs de windturbine die elektriciteit gaat opwekken. Als de golf voorbij is daalt het water weer in die kamer (ook op principe van verbonden vaten) en wordt er lucht in die kamer gezogen waardoor de windturbine weer word aangedreven. Deze methode word gebruikt in een kleine centrale in Schotland.

1.7 Getijdenenergie
De hoogteverschillen in de open oceaan bedragen slechts enkele decimeters maar door de vorm van bepaalde kusten kan dit oplopen tot enkele meters. Dit hoogteverschil is genoeg om bij vloed een grote watermassa in een reservoir achter een dam op te slaan en die dan bij eb via turbines die elektriciteit opwekken terug naar de zee te laten stromen.
Als het water opkomt of het water zich terug trekt is er vaak een heel erg grote massa water die zich verplaatst aan een bepaalde snelheid. Het bedrijf Marine Current Turbines werkt momenteel aan een getijdencentrale die bestaat uit grote rotorbladen die specifieke verplaatsingen van het water beginnen te draaien en een generator aandrijven.

1.8 Blauwe energie
Het is al een tijdje lang bekend dat het mengen van zout en zoet water elektrische energie kan opleveren. Het water moet dan wel langs speciale membranen stromen. Tot nu toe waren deze membranen zo duur dat deze methode niet winstgevend zou geweest zijn. Enkele wetenschappers onderzoeken nu een methode waarmee ze de membranen veel goedkoper kunnen maken.

1.9 Kernfusie
Als kernfusie zo kunnen doorgevoerd worden als de nieuwste en grootste energieproductie dan zou er snel zeer veel veranderen. Voor kernfusie hebben we een onbeperkte hoeveelheid brandstof en er komt enorm veel energie vrij zonder veel afvalproductie. Het enige wat de regeringen tegenhoud om kernfusie zo snel mogelijk op de been te krijgen is het prijskaartje dat er aan vast hangt.
Bij kernfusie wordt er kernenergie gemaakt door in plaats van kernen te splitsen kernen samen te voegen. Dit proces gebeurt ook in de zon waardoor de zon brandend blijft. Van de zon wordt gezegd dat de ze ooit zal uitdoven omdat alle elementen die daar aanwezig zijn zouden fusioneren tot veel zwaardere metalen die niet meer te fusioneren zijn. Wat zeer positief voor het milieu is dat bij kernfusie geen broeikasgassen worden geproduceerd, iets minder is dat er een beetje radioactief afval geproduceerd zou worden.
De straling van het afval zou verwaarloosbaar zijn t.o.v. het radioactief afval geproduceerd bij gewone kerncentrales.
Tien jaar geleden dachten wetenschappers dat sowieso het onmogelijk zou zijn om aan kernfusie te doen. Maar de laatste twintig jaar zijn de tokamaks zeer sterk verbeterd. Tokamaks zijn gigantische elektromagnetische spoelen die de geïoniseerde brandstof of ook het plasma genaamd op zijn plaats houd a.d.h. van de Lorentz-kracht in het torus (doughnut-vormige kamer). Het plasma word verhit en kan temperaturen tot honderd miljoen graden Celsius bereiken.
Twee waterstof-isotopen, tritium en deuterium, die kunnen gewonnen worden uit zeewater worden gefusioneerd tot Helium en een vrij neutron waarbij een enorme hoeveelheid energie vrijkomt van ongeveer 17,6 MeV per He-atoom er geproduceerd wordt. Zo kan op een dag met een kilo brandstof een gigawatt elektriciteit geproduceerd worden.

2. Niet-duurzame energiebronnen

2.1 Fossiele Brandstoffen
De oorsprong van fossiele brandstoffen ligt enkele miljoenen jaren terug in het verleden.
Op het land bevonden zich grote wouden waarvan de bomen en alle andere planten door een of ander fysisch verschijnsel (bvb: een modderstroom) uit de grond gerukt werden en dan achteraf met een laag sedimenten bedekt werd. Of in moerasgebieden werd veen gevormd doordat de dode planten steeds boven elkaar kwamen te liggen. Door de jaren heen zijn er steeds meer sedimenten bovenop afgezet waardoor de druk op die bomen en planten vergrootte. Door dat deze druk door al deze miljoenen jaren zo groot bleef zijn er nieuwe structuren ontstaan. Steenkool en bruinkool zijn fossiele brandstoffen die op deze manier ontstaan. Turf is ook een fossiele brandstof maar die heeft iets minder met de extreme druk te maken gehad en vinden we terug in het veen. Steenkool, bruinkool en turf zijn alledrie ontstaan uit planten die aan fotosynthese deden. Hieruit kunnen we dus besluiten dat deze fossiele brandstoffen dus onrechtstreeks ook een vorm van zonne-energie is.
De oorsprong van aardolie en aardgas ligt ook miljoenen jaren terug maar het ontstond niet zoals steenkool en bruinkool op het vasteland maar diep op de zeebodem. Het begint allemaal met dode organismen (plankton) die zinken naar een zuurstofarme zeebodem waardoor enkel anaërobe microben deze organismen kunnen afbreken. Het sediment ontstaan door de gedeeltelijk afgebroken organismen noemt men het kerogeen. Het kerogeen bestaat vooral uit koolwaterstoffen met een zeer groot moleculair gewicht. Doordat door vele jaren heen er steeds meer sedimenten boven op het kerogeen werden afgezet steeg de druk en de temperatuur binnen in het kerogeen. Als het kerogeen werd blootgesteld aan temperaturen van 100 graden Celsius, splitsten de grote moleculen en werd er aardolie gevormd. Bij nog hogere temperaturen werd het grotendeels omgezet tot aardgas. De gevormde aardolie en het gevormde aardgas was lichter dan het kerogeen en steeg door de poreuze gesteenten richting het oppervlak van de zee. Maar ergens onderweg werd het tegengehouden door ondoorlaatbare gesteenten en er ontstond een aardoliereservoir met bovenaan een gasbel.

Voor de ontginning van fossiele brandstoffen gaat het soms heel erg gemakkelijk. Soms ligt de steenkool zo goed als aan de oppervlakte en moet men gewoon de steenkool afgraven, dit gebeurt met enorme graafmachines waardoor er op een koolput gemakkelijk een paar ton per dag kan worden afgegraven. Soms komt de aardolie en het aardgas met een grote druk uit de grond gespoten en moet men het gewoon opvangen. Maar meestal moet men grote werken ondernemen vooraleer men fossiele brandstoffen kan ontginnen.
Voor steenkool of bruinkool te ontginnen moet men diep in de grond een schacht graven van waaruit men in galerijen de verschillende lagen steenkool, die in verschillende tijdperken zijn ontstaan, kan beginnen weggraven. Vroeger ging alles nog met de hand maar nu hebben ze al betere machines uitgevonden met een grote graafbek die zeer snel de steenkool kan weggraven. Als de steenkool is weggegraven moet ze nog ontdaan worden van andere ertsen en daarna is ze klaar voor verkoop.
Voor aardgas en aardolie die diep onder de grond te vinden zijn moet er eerst geboord worden met een boortoren die zich op land of op een boorplatform in de zee bevindt. Er wordt geboord tot ze op de aardolie en het aardgas stoten die meestal samen voorkomen. Eens de aardolie bereikt is en de eerste olie en aardgas die onder hoge druk naar boven wordt gespoten is opgevangen kan men beginnen met een oliepomp te installeren die de andere olie aanwezig in dat reservoir naar boven pompt. De olie die ze dan naar boven pompen is ruwe aardolie en deze ruwe aardolie moet dan worden opgesplitst in de verschillende brandstoffen waaruit ze is samengesteld. Dit gebeurt in een fractioneerkolom waar de ruwe aardolie wordt verdampt en er op de verschillende hoogtes van de fractioneerkolom de verschillende stoffen worden afgetapt. Deze brandstoffen worden dan apart verkocht denk maar aan benzine, diesel of LPG, dit zijn allemaal brandstoffen die in ruwe aardolie aanwezig zijn.
Fossiele brandstoffen zijn de meest gebruikte energiebronnen overal ter wereld. Al onze vervoermiddelen varen, vliegen en rijden op fossiele brandstoffen. Onze huizen en ons water worden verwarmd door het stoken van petroleum. We koken op gas, en alle huishoudelijke apparaten of alle elektronica werken op elektriciteit die nog altijd grotendeels wordt opgewekt door het gebruik van steenkool, aardolie of aardgas. In vele takken van de industrie worden fossiele brandstoffen verbrand om de geproduceerde hitte te gebruiken. En zo kunnen we nog blijven doorgaan voor wat fossiele brandstoffen allemaal gebruikt worden.
Ondanks dat ze zo ongunstig zijn voor de natuur worden ze toch zeer veel gebruikt omdat ze veel goedkoper zijn en makkelijker te gebruiken dan gelijk welke duurzame energiebron. Maar het is wel duidelijk dat we zeer snel gaan moeten overschakelen op duurzame energiebronnen. Ten eerste is de CO2-uitstoot veel te groot door fossiele brandstoffen te verbranden waardoor het natuurlijke broeikaseffect veel te veel versterkt wordt. Ook is het duidelijk dat de aardoliereserves van de aardbol stilaan uitgeput raken.

2.2 Kernsplijting
Het splijtingsproces werd in 1938 ontdekt door Otto Hahn en Fritz Strassmann in Berlijn.
Er werd vastgesteld dat het beschieten van uranium met neutronen tot een zeer exotherme reactie leidde die zichzelf in stand hield als er genoeg uranium aanwezig was. Toen er mogelijkheden werden gevonden om deze reactie van het laboratorium in werking te stellen voor energieproductie was er een doorbraak voor kernenergie. Al snel werkten duikboten op een door kernergie aangedreven motor. In de tweede wereld oorlog werd geëxperimenteerd met kernsplijting als wapen denk maar aan de atoombommen op Hirosjima. Later werden kernreactoren ontwikkeld om in een kerncentrale kernenergie te gebruiken om elektrische energie op te wekken.
In zo een kernreactor wordt Uranium (enkel het U-235 isotoop) beschoten met een neutronen waardoor de kern in twee brokken uiteenvalt en een grote hoeveelheid energie vrijkomt. Ook worden er 3 nieuwe neutronen afgesplitst waarvoor 2 reageren met de niet splijtbare materialen en er dus 1 overblijft die de volgende kernsplijting op gang brengt. Men kan dus spreken van een kettingreactie waarbij de reactie zichzelf onderhoud. Wanneer we de brokstukken en de neutronen zouden wegen, zouden we merken dat ze te samen minder wegen dan de uraniumkern waarmee we begonnen zijn. De verdwenen massa kan worden verklaart door de stelling van de beroemde Einstein (E = mxc^2 ). Die stelling zegt dat materie (massa) volledig omgezet kan worden in energie en dat is precies wat hier gebeurt, de kernenergie ontstaat door het omzetten van kernmassa in warmte-energie. Het grote nadeel aan kernsplijting is dat er radioactief afval achterblijft die zeer schadelijk is. Dit afval word soms gewoon gedumpt in de zee en soms begraven onder de grond maar men weet eigenlijk niet echt een goede oplossing voor het radioactieve afval kwijt te raken.
Een tweede nadeel van een kerncentrale is als er een ongeluk gebeurt dat de gevolgen veel erger zouden zijn dan bij een gewoon klassieke elektriciteitscentrale. Een van de grootste voorbeelden waar een ongeluk gebeurt is Tsjernobil. Daar steeg het vermogen van de kernreactor door een ongelukje in een paar minuten tot 100 keer het maximale waardoor de druk van stoom te groot werd en het dak van de kernreactor die tot 2000 ton woog werd opgehoffen. Doordat het water reageerde tot waterstof en er nu toegang was tot de open lucht en tot zuurstof en door de ongelooflijke hitte van de kernreactor vond er een tweede explosie plaats waardoor de kernreactor volledig verwoest werd en radioactieve stralingen de vrije loop kreeg. Er zijn zelfs nog vele andere kleine ongelukken gebeurt met kernenergie waardoor er doden gevallen zijn.
Er bestaat dus een discussie of het nu beter is om kernreactoren te gebruiken of niet. Aan de ene kant heb je geen uitstoot van broeikasgassen en aan de andere kant heb ja wel het risico op enorme rampen en het gevaarlijke radioactieve afval.