De kranten staan er vol van. Energiecrisis, energieschaarste, energiepolitiek, schone energie, groene energie, duurzame energie… Iedereen heeft er een mening over, is voor of tegen het een of ander aspect. Dus zullen we wel heel zeker weten wat energie precies is?

Welnu, ik alleszins weet het niet. Dat is een beetje alarmerend, want ik zou het beroepshalve wél moeten weten.

Eigenlijk is dat niet zo heel raar. We kunnen energie namelijk niet direct observeren, maar enkel aan de hand van haar uitwerkingen. Eigenlijk is het een eigenschap, meer bepaald een extensieve eigenschap van een systeem. We zien energie dan ook als ‘iets’ dat een systeem in staat stelt arbeid te verrichten. We kunnen dat een beetje sprekender maken door te zeggen dat we met ‘arbeid verrichten’ eigenlijk bedoelen: “iets in de wereld veranderen”. Dat kan zo uiteenlopende dingen betekenen als: de snelheid van een object doen toenemen, iets bergop bewegen, een voorwerp opwarmen, een vloeistof verdampen, een chemische binding maken of breken, een veer opspannen, een balk breken, een schip doen varen, tegen de weerstand van het water in, elektromagnetische straling of een magnetisch veld opwekken…

Soorten Energie

We onderscheiden veel verschillende ‘verschijningsvormen’ van energie:

Warmte

De “oervorm” van energie, waarmee we, van alle vormen, het meest vertrouwd zijn.

Mechanische energie

Ontmoeten we meestal in de vormen potentiele energie (energie die ontleend wordt aan de positie van een object in een krachtveld) of kinetische energie (energie die bestaat uit de beweging van een massa). Maar er zijn ook nog andere vormen mogelijk, bijvoorbeeld de energie die ‘opgeslagen’ is in een gespannen veer. Of de energie die aanwezig is in een drukvat met gecomprimeerd gas. Of de energie inhoud van een snel roterend voorwerp (vliegwiel).

Wind en stromend water zijn ook mechanische energiedragers.

Licht

We spreken hier beter over elektromagnetische straling, waarvan zichtbaar licht een klein deel is.

Zonne-energie valt in die categorie.

Elektrische Energie

Ook hiermee hebben we in ons dagelijks leven veel ervaring, wat niet betekent dat we ze echt begrijpen.

Magnetische Energie

Een magnetisch veld kan arbeid verrichten en dus energie leveren.

Chemische Energie

Bij chemische reacties worden vaak aanzienlijke hoeveelheden energie afgegeven of opgenomen. Meestal – maar niet uitsluitend – gebeurt dat in de vorm van warmte.

Kernenergie

Bij het uiteenvallen van grote atoomkernen, of het samensmelten van kleine, worden zeer grote energiehoeveelheden afgegeven.

De spierkracht van mensen en dieren

Vergeten we niet dat de mens gedurende de eerste paar honderdduizend jaar van zijn geschiedenis enkel zijn eigen spierkracht als energiebron had. Pas zo’n twaalfduizend jaar geleden slaagden we erin ook de spierkracht van huisdieren in te spannen. Het is misschien nuttig voor ogen te houden dat ook de samentrekking en relaxatie van spieren biochemische processen zijn, die door hun eigen ‘brandstoffen’ aangedreven worden.

En dan zijn er mogelijk nog andere vormen die me momenteel gewoon niet voor ogen staan…

Transformaties

Energie kan tussen al die klassen van de ene naar de andere vorm getransformeerd worden. Dat gaat niet altijd even eenvoudig, soms zijn ingewikkelde tussenstappen nodig, maar het kan altijd. Dat gaat echter nooit voor 100%: er zijn altijd ‘verliezen’. Soms al eens minder, zoals bij de omzetting van elektrische naar warmte-energie, die quasi volledig gebeurt. En soms al eens meer. Dat laatste is vooral bij zogenaamde ‘thermische machines’ (o.a. verbrandingsmotoren) het geval. We kunnen blij zijn als die een rendement van 40% halen.

Er gaat niets verloren, maar van niets komt ook niets

Als die omzetting niet volledig gebeurt, waar blijft dan de rest? Die wordt niet nuttig omgezet, maar in andere vormen (meestal warmte op een lagere temperatuur, en dus minder bruikbaar) aan het systeem onttrokken. Echt verloren gaat niets.

Dat weten we al heel lang. Reeds in de 18de eeuw zegde Lavoisier : “Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme.” Dat geldt niet enkel voor materie, zoals Lavoisier bedoelde, maar eveneens en even volledig voor energie. Eigenlijk herformuleerde Lavoisier enkel dat wat Anaxagoras al 500 v.C. zegde. Die had het dan weer van Heraclitus van Ephese. En niemand weet waar die het concept vandaan haalde.

Dus als we zeggen dat we energie, bij voorbeeld elektrische stroom genereren, is dat formeel onjuist. We kunnen geen energie scheppen; we kunnen ze enkel omzetten van de ene vorm in een andere. Wat werkelijk gebeurt als we denken dat we in onze centrales elektriciteit genereren is het volgende:

• We zetten chemische energie (aanwezig in de brandstof) of nucleaire energie om in warmte. Dat gaat vrijwel volledig.

• Die warmte transformeren we naar mechanische energie. Daarmee zijn grote verliezen gemoeid.

• Die wordt dan in elektrische energie omgezet. Dat gaat weliswaar niet volledig, maar met een vrij hoog rendement.

Het hoeft niet altijd zo gecompliceerd te zijn, maar meestal is het dat wel.

Niet alle energie is even gemakkelijk op te slaan.

• Kernenergie laat zich het gemakkelijkst in grote hoeveelheden opslaan. Uiteraard zijn de bekkens waarin men brandstofstaven moet bewaren met alle bijbehorende veiligheidsapparatuur niet goedkoop, maar bij de enorme energiehoeveelheden verbleken die kosten. Er is ook een strategisch belangrijk aspect: kernenergie laat toe voorraden voor jaren te bewaren. Die mogelijkheid biedt, in de praktijk, geen enkele andere vorm van energie.

• Chemische energie, in de vorm van vloeibare en vaste brandstoffen, laat zich ook in grote hoeveelheden opslaan. Duidelijk minder dan kernenergie, maar toch zeer aanzienlijk.

• De opslag van elektriciteit is – voor grote hoeveelheden – problematisch. Buiten het – marginaal – gebruik van condensatoren kunnen we elektrische energie niet direct opslaan. Wat we in accumulatoren doen is bij het laden elektrische energie omzetten in chemische energie, en bij het ontladen het omgekeerde. Daaruit volgen een aantal fysische grenzen die nooit overschreden kunnen worden. Onze hooggespannen verwachtingen aan verdere spectaculaire vooruitgang bij de accumulatoren techniek zijn dan ook niet realistisch: reeds nu tasten we de grenzen van het mogelijke al af.

• De opslag van warmte als ‘voelbare’ warmte is vandaag maar zeer beperkt mogelijk. Voelbare warmte is de warmte die wordt opgenomen bij een temperatuurverhoging van een object zonder verandering van de aggregatietoestand. Raar maar waar echter: hier zijn de theoretische grenzen minder eng dan bij elektrische accumulatoren. We hoeven ons niet te beperken tot ‘voelbare’ warmte, maar kunnen ook gebruik maken van de aanzienlijke energiehoeveelheden die – zonder temperatuurverandering – met smelten of kristalliseren verbonden zijn. Het gebruik van smeltingswarmte laat toe de warmtecapaciteit van een reservoir te verveelvoudigen. Nog beter, en werkelijk praktisch, zou het worden indien we omkeerbare chemische reacties
  
  (A + B ⇆ C + D + xkJ) konden vinden, die hun evenwicht in de buurt van de temperatuur die we willen behouden hebben, en een aanzienlijke reactiewarmte (xkJ) leveren of verbruiken. Hier is nog een zeer lonende piste voor ontwikkelingswerk, maar ik zie op dat gebied, jammer genoeg, niet veel onderzoek gebeuren. Waarschijnlijk is het niet “hip” genoeg.

• Mechanische energie. Een van de oudste manieren van energieopslag bestond in het optrekken van de gewichten aan grootmoeders klok. Hiermee zijn echter geen praktikabele energiehoeveelheden gemoeid. Iets praktischer is het opslaan van perslucht in een drukvat. Dat is echter een zeer dure en sterk beperkte methode en ze wordt dus alleen benut in extreme situaties, bij voorbeeld om locomotiefjes aan te drijven in mijnen, waar omwille van explosiegevaar absoluut geen vonken mogen ontstaan. Concreet op grote schaal bruikbaar is eigenlijk enkel het oppompen van water naar hoger gelegen reservoirs. De daardoor verkregen potentiele energie kunnen we achteraf met turbines en generatoren terug in elektrische energie omzetten. De praktische bruikbaarheid van deze methode is vanzelfsprekend afhankelijk van de voorhanden hoogteverschillen in het landschap.

Niet alle energie is even gemakkelijk te transporteren.

Vanzelfsprekend is het beter als we de energie kunnen opwekken op de plaats waar we ze nodig hebben. Dat is niet altijd mogelijk, en dan moeten we de energie transporteren. Nog moeilijker wordt het als we de energie nodig hebben om een mobiel platform voort te bewegen. Dan moeten we die energie ‘meenemen’. Het gemak waarmee we energie kunnen transporteren of meenemen, is ook weer zeer verschillend voor de diverse ‘expressies’ ervan.

Het gemakkelijkst te transporteren en mee te nemen is nucleaire energie. Hier zien we echter een belangrijke grens. Een schaalverkleining is niet zonder meer mogelijk. Dus beperkt zich deze techniek tot vrij grote apparaten en hoeveelheden. Bovendien zijn er problemen mee waar we in volgende bijdragen dieper op ingaan.

Chemische energie komt hier op de tweede plaats. Pijpleidingen laten toe energie over lange afstanden te transporteren zonder dat daarvoor een prohibitief hoog energieverbruik nodig is. Ook het meevoeren is vrij eenvoudig, zoals we van onze automobielindustrie weten, en de techniek laat zich, veel verder dan bij nucleaire energie, miniaturiseren, maar ook niet onbeperkt. Bij een kettingzaag of een grasmaaier houdt het ongeveer op. Dat is het geval indien we met verbandingsmotoren werken. Bij brandstofcellen daarentegen is bijna onbeperkte schaalvergroting zowel als –verkleining praktikabel. Die techniek heeft nog een lange ontwikkelingsweg voor zich, maar is reeds vandaag zonder twijfel als onze enige realistische hoop te identificeren.

Elektrische energie kan goed, en zonder excessieve verliezen, over lange afstanden getransporteerd worden. De daarvoor nodige infrastructuur is echter alles andere dan goedkoop en probleemloos maatschappelijk aanvaard. Zelfs indien we de leidingen ondergronds aanbrengen, wat duurder is, zijn niet alle problemen opgelost. Er zijn nogal wat mensen die bang zijn dat de rond hoogspanningsleidingen ontstaande elektromagnetische straling allerlei negatieve invloeden op hun gezondheid kan hebben. Ik houd die angsten voor uitgesproken irrationeel, maar bewijzen dat er geen effect is kan ik natuurlijk ook niet: de afwezigheid van een effect laat zich namelijk – zoals Karl Popper aantoonde – nooit bewijzen. Ook hier spelen onze hedendaagse media een weinig roemrijke rol in het verbreiden, opkloppen en onderhouden van dergelijke ongekwalificeerde angsten.

Voor mobiele platformen bestaat een sinds een eeuw goed werkende oplossing: de bovenleiding voor treinen en tramsystemen. Dat is zeker niet goedkoop te bouwen en te onderhouden, maar het heeft zijn praktische bruikbaarheid duidelijk bewezen. Er gebeuren desondanks nog ongevallen mee, maar die worden quasi altijd veroorzaakt door extreem onverantwoordelijke roekeloosheid. Het economisch voordeel van de verbrandingsmotor met brandstoftank was echter zo groot dat niet enkel voor nieuwe, maar ook voor bestaande lijnen trams verregaand door autobussen vervangen werden. Over batterijen hadden we het al.

Steunend op het voorafgaande kunnen we nu meer praktisch worden:

Eigenlijk is het bijna absurd dat er een energietekort zou zijn. De aarde ontvangt immers van de zon 1,4 kW per m² stralingsenergie! Daar zijn de ‘verliezen’ onderweg door reflectie en absorptie in de atmosfeer al af. Vanzelfsprekend werkt die input op ieder gegeven punt minder dan de helft van de tijd (er zijn ook nachten). En die 1,4 is ook enkel waar als de zon loodrecht boven het aardoppervlak staat, wat hier bij ons nooit het geval is, en zelfs aan de evenaar niet altijd. Bovendien kunnen wolken die straling verregaand tegenhouden door reflectie, absorptie en verstrooiing. Als we daar allemaal rekening mee houden komen we op – gemiddeld voor de aarde – 164 Watt/m². Dat is ongeveer het geval voor België.

Voor België, met zijn 30.000 km² oppervlakte is de totale energie input van de zon:

164.30.10⁹ Watt = 4.920 GWatt

Het totaal vermogen van onze elektrische centrales is 20 GWatt. Dat lijkt, vergeleken met die 4.920 GWatt minuscuul.

Met uitzondering van nucleaire- en geothermische energie is de zon inderdaad de bron voor alle energie die wij verbruiken, en niet enkel door de output van zonnepanelen.

• Fossiele brandstoffen zijn ontstaan uit planten die door fotosynthese, aangedreven door de straling van de zon, werden opgebouwd.

• Waterkracht wordt gewonnen door het omzetten van de potentiele energie van water in mechanische energie en dan elektriciteit. Maar dat water kon enkel in die stuwmeren komen omdat de zon het eerst uit de oceanen heeft verdampt, waarna het als regen in hoger gelegen gebieden kon vallen.

• De winden worden enkel door de warmte van de zonnestralen aangedreven.

Vooroordelen en mythen

Ik begrijp niet echt waarom, maar vooral rond energie ontwikkelen zich ongelofelijk sterke en tamelijk absurde mythen, ook vandaag nog. Mijn vader, die echt een verstandig man was, heeft zijn leven lang geloofd dat ‘ze’ als ze maar zouden willen een auto konden bouwen die op water rijdt. Dat werd enkel verhinderd door de belangen van de petroleumindustrie, dacht hij. Zelfs toen ik mijn ingenieursdiploma behaald had heb ik hem nooit kunnen overtuigen!

De jacht op het ‘perpetuum mobile’ is vandaag wel een beetje bedaard, maar andere, zonder meer vergelijkbare verhaaltjes worden op grote schaal geloofd en met overtuiging, ook door onze media, voortverteld.

Het is wel duidelijk dat we de heel reële problemen die wij met energie hebben niet kunnen te lijf gaan met mythes en bakerpraatjes. We zullen ons, als we totaal wereldvreemde oplossing, die aan de reële situatie voorbij worden geconstrueerd, willen vermijden, met die problematiek zakelijk moeten bezig houden. Dat zullen we nu in een reeks bijdragen proberen. We zijn er ons van bewust dat we het U, waarde lezer, niet eenvoudig kunnen maken. We zullen wel proberen de problemen begrijpelijk voor te stellen.

Uw Dwarsligger

Bewaren