Hoeveel kilowattuur zit er in je lijf? Wie met zijn fiets naar de bakker rijdt, een gewicht optilt, enz …, moet arbeid verrichten. Je oefent dan over een bepaalde afstand een kracht uit. Om die arbeid te verrichten heb je energie nodig. In ons lichaam onderscheiden we twee vormen van energie : opgeslagen energie of potentiële energie en bewegingsenergie of kinetische energie.
potentieel
kinetisch
ARBEID = ENERGIE = KRACHT x AFSTAND (in de richting van de kracht) 1 Joule = 1 Newton x 1 meter
1J = 1 N x 1 m
Volgens je leeftijd, conditie en geslacht heb je een bepaald vermogen om in een zekere tijd arbeid te verrichten. Hoe groter je vermogen, hoe minder tijd je zal nodig hebben om met dezelfde energie deze arbeid te verrichten.
VERMOGEN = KRACHT X SNELHEID (in de richting van de kracht) 1 Watt = 1 Newton x 1 meter/seconde
1 W = 1 N x 1m/s = 1 J/s of VERMOGEN X TIJD = ENERGIE 100 Watt x 10 uur = 1 kilowattuur = 3.600.000 Joule = 3,6 megajoule
100 W x 10 h = 1 kWh = 3.600.000 J = 3,6 MJ
Newton (N) = eenheid van kracht meter (m) = eenheid van afstand Joule (J) = eenheid van energie Watt (W) = eenheid van vermogen seconde (s) = eenheid van tijd kilo = 1000 maal mega = 1.000.000 maal
Een menselijk lichaam is net als een elektrisch toestelletje met een vermogen van ongeveer 100 Watt. Als je dus 10 uur lang heen en weer tot aan de bakker fietst, dan heb je een energie geleverd van 100 Watt x 10 uur = 1000 Wattuur of 1 kiloWattuur. Als je weet dat de meeste gezinnen dagelijks 10 tot 15 kiloWattuur elektriciteit verbruiken, dan moeten 10 tot 15 personen gedurende 10 uur arbeid verrichten om dezelfde hoeveelheid energie te kunnen leveren.
Over energiebronnen Op aarde is er één universele energiebron : de zon. Planten hebben in de loop van de evolutie een vernuftig systeem ontwikkeld om zonne-energie op te vangen en om te zetten in bruikbare energie. De energie van de zon kan in de natuur onder verschillende vormen opgeslagen worden. Deze primaire energiebronnen benutten wij vaak in hun ruwe vorm om ons van de nodige energie te voorzien. De bekendste primaire energiebronnen zijn aardgas, aardolie (benzine, dieselolie, …), steenkool en kernenergie. Maar vaak vergeet men wel eens dat ook windkracht, waterkracht, aardwarmte en de zonnestraling zelf primaire energiebronnen zijn die we rechtstreeks of onrechtstreeks kunnen benutten.
opslagplaats voor aardolie
aardwarmte
Energie gaat nooit verloren, maar verandert van de ene energievorm in andere energievormen. Soms gebruiken wij primaire energiebronnen om andere energievormen op te wekken die we gemakkelijker kunnen hanteren of opslaan. Deze omgezette energievormen noemt men secundaire energiebronnen. De meest gebruiksvriendelijke secundaire energie is elektriciteit. Maar ook stoom, warm water en bijvoorbeeld ethanol of biodiesel uit planten zijn secundaire energievormen.
biodiesel
21ste eeuw : doorbraak van hernieuwbare energiebronnen ??? De 19de eeuw vormde het begin van een tijdperk waarin fossiele brandstoffen (steenkool, aardolie, aardgas) en later ook nucleaire energie de stijgende energiebehoefte van de mens zouden dekken. Voordien was hout reeds van in de prehistorie de belangrijkste brandstof en werd ook energie geleverd door dieren, water, wind en de mens zelf.
Het gebruik van fossiele en nucleaire brandstoffen schept een aantal wereldomvattende problemen die dringend om een oplossing vragen. Fossiele en nucleaire brandstoffen zijn immers beperkt voorradig en dus uitputbaar. De reststoffen van de verbranding hebben een zware impact op het leefmilieu. De gevolgen van het broeikaseffect door het stijgende CO2-gehalte in de lucht zijn nu al zichtbaar. En bij de verbranding komen giftige en verzurende gassen vrij. De ontginning en het transport veroorzaken een verregaande milieuvervuiling, terwijl nucleaire brandstoffen daar bovenop nog eens hoge stralingsrisico's veroorzaken.
Nochtans zijn er een aantal, bijna oneindig beschikbare energiebronnen : de hernieuwbare energiebronnen.
c
Pioniers van de zonne-energie ! Vestaalse maagden Op het Forum Romanum in Rome bevond zich de Tempel van Vesta, de haardgodin. De tempel vormde een geheel met het Atrium Vestae, het Huis van de Vestaalse maagden. In de tempel werd het heilige vuur bewaakt, dat het symbool was van het eeuwig voortbestaan van de staat. Het was voor de Romeinen een kostbaar bezit en werd oorspronkelijk verzorgd door jonge meisjes, de Vestaalse maagden. Volgens de Romeinse schrijver Plutarchus hebben de Vestaalse maagden ten tijde van Keizer Numa Pompilius (714-671 v Chr.) het heilige vuur aangestoken met conische, metalen bekers waarin de zonnestralen werden geconcentreerd.
Archimedes (287 – 212 v Chr.) Archimedes was de grootste wiskundige uit de griekse oudheid en heeft volgens de overleveringen in Alexandrië (Egypte) gestudeerd. Als wiskundige en natuurwetenschapper heeft hij zich uiteraard ook met toepassingen van zonneenergie bezig gehouden. Volgens verschillende Romeinse kroniekschrijvers zou hij in zijn geboortestad Syracuse op Sicilië als adviseur aan het hof van Hiero II gewerkt hebben en tijdens het Romeinse beleg van Syracuse (214-212 v. Chr.) de vijandelijke schepen d.m.v. een grote brandspiegel in brand gestoken hebben.
Plinius (100 na Chr.) In 100 na Chr. paste de Romeinse historicus Plinius (de jonge) het gebruik van passieve zonnewarmte toe in zijn riante Romeinse villa door voor de eerste keer grote glazen ramen te voorzien om de warmte binnen en de koude buiten te houden. Nadien werden de Romeinse badhuizen voorzien van grote, naar het zuiden gerichte ramen om de passieve zonnewarmte optimaal te benutten.
De Inca zonnemaagden De Inca's hadden net als alle andere pre-Colombiaanse volkeren van Midden- en Zuid-Amerika een religieuze zonnecultus. De allerheiligste tempel van het Inca-rijk was de zonnetempel van Cuzco. Maagdelijke meisjes, de zonnemaagden, bereidden de spijzen en dranken voor de Zon en zorgden voor het heilige vuur. Net als de Vestaalse maagden moesten ze een uiterste kuisheid in acht nemen. In het midden van de zonnetempel hing de zonneschijf, een gouden plaat ter grootte van een karrenwiel. De plaat was zo opgehangen dat de zon er altijd op scheen. Op dagen met volle zon zorgde een ingewikkeld systeem met diverse paraboolspiegels ervoor dat het heilige vuur door de zonnestralen, die de zonneschijf weerkaatste, werd aangestoken.
Buffon (1695) Onder het bewind van de Franse "zonnekoning" Lodewijk XIV ( 1643-1715) begint een periode waarin volop met zonne-energie geëxperimenteerd wordt. De Franse natuurkundige Georges Leclerc Buffon voerde in 1695 proeven uit met een apparaat waarin 168 vlakke spiegels van 15 op 15 cm waren ingebouwd. Hij stak er van op 60 m afstand een houtmijt mee aan en smolt met dit apparaat lood op een afstand van 39 m en zilver op een afstand van 18 m. Later gebruikte Buffon parabolische spiegels om lood van op 100 m afstand te smelten.
Pouillet (1750) De Franse natuurkundige Claude Servais Pouillet berekende rond 1750 de stralingswarmte van de zon per vierkante meter oppervlakte tussen de evenaar en de 43ste breedtegraad op 690 Joule/sec. Dit komt overeen met de later gemeten waarde van 700 W/m2.
Lavoisier (1772) Laurent Lavoisier, grondlegger van de wetenschappelijke scheikunde, gebruikte in 1772 een apparaat dat uit 2 holle lenzen bestond met een diameter van 1.3 m en 0.15 m, om zonnestralen te concentreren. Hij bereikte met dit apparaat reeds temperaturen van bijna 2000° C, genoeg om zelfs Platina vloeibaar te maken. Lavoisier wees toen al op het feit dat de gewone brandstoffen op een dag zouden opraken en het gebruik van zonne-energie één van de alternatieven kan zijn. Hij kende blijkbaar ook het begrip "schone warmtebron" want zei letterlijk dat "het vuur van een gewone oven minder schoon is dan de warmte van de zon".
Herschel (1837) In 1837 paste de Engelse astronoom en ontdekkingsreiziger John Frederick Herschel de principes van absorptie van zonlicht en van het serre-effect toe voor zijn voedselbereiding tijdens een reis naar Kaap de Goede Hoop (Zuid-Afrika). Hij maakte een warmtekast waarin hij vlees en groenten kon koken bij een temperatuur van ca. 115 C.
Twee jaar later ontdekte Alexandre Becquerel dat je door het belichten van bepaalde stoffen een elektrische stroom kan opwekken. Dit fenomeen is nu beter bekend als het fotovoltaïsch effect. W. Adams toonde dit aan door kristallen van Selenium te belichten. Kemp (1891) Het eerste commerciële patent voor een zonneboilersysteem werd in 1891 uitgereikt aan de Californische uitvinder Clarence Kemp.
Czocralski (1918) In 1918 ontdekte de Poolse onderzoeker Czocralski een manier om monokristallijn Silicium te maken, dat nu gebruikt wordt in zonnecellen. In 1954 ontwikkelde het labo van de firma Bell de eerste siliciumzonnecel, en in 1973 werd op de UNESCO-conferentie "The Sun at the Service of Mankind” het startschot gegeven voor de toepassing van zonne-energie op wereldschaal.
De kerncentrale van ons universum De zon is een enorme gasbal die voornamelijk uit Waterstof en Helium (beter bekend als het zogenaamde ballongas) bestaat. Onze ster ontstond zo'n 4,5 miljard jaar geleden. Ze bevindt zich op een afstand van ongeveer 150 miljoen kilometer van de aarde en voorziet onze planeet van energie en warmte. Zonder die energie en warmte zou alle leven op aarde onmogelijk zijn. De massa van de zon is ongeveer 333.000 maal die van de aarde en haar diameter ongeveer 109 maal die van de aarde. Het centrum van de zon is één enorme kernreactor waar de gigantische hoeveelheid energie die ze uitstraalt door de fusie (het samensmelten) van waterstofatomen geproduceerd wordt.
zonnevlam uit de corona opflakkerende hete gasmassa
zonnevlek plaats van lage temperatuur (ca. 4000 C) in de fotosfeer
grana als korrels zichtbare borrelende gasmassa van de convectielaag
op deze foto is de chromosfeer te zien als een rode gloed
eclipsfoto met duidelijk zichtbare corona
Een stralend zonnetje
blauw licht heeft meer energie dan rood licht
Zonnestraling bestaat uit elektromagnetische golven. De energiedeeltjes van deze golven, de fotonen, verplaatsen zich wel met een constante snelheid, maar de energiesterkte is afhankelijk van de golflengte. Hoe korter de golflengte, hoe meer energie de straling bezit.
Energierijke lichtstralen, zoals ultraviolet- en X-stralen zijn zeer schadelijk voor de meeste levende organismen. Gelukkig filtert onze atmosfeer het gros van deze stralen voor ze ons kunnen bereiken. Vooral ozon en zuurstof in de hogere atmosfeer spelen hierin een belangrijke rol. De straling die het aardoppervlak bereikt, bestaat ongeveer uit : 4% UV-stralen 52 % IR-stralen (warmte) en andere lage energie stralen (bijv. radiogolven en microgolven) 44 % zichtbaar licht
Drie pijlers voor gratis zonne-energie
reflectie van zonlicht Heldere en blinkende voorwerpen, zoals aluminiumfolie, wit papier of een wateroppervlak, weerkaatsen een groot deel van het zonlicht. Hoe groter de reflectie, hoe minder zonne-energie door het voorwerp kan opgenomen worden. Reflecterende voorwerpen kan je wel gebruiken om zonne-energie te bundelen.
absorptie van zonlicht Donkere voorwerpen nemen een groot deel van het zonlicht op (absorptie) en zetten het om in warmtestraling of een andere energievorm. Hoe donkerder het voorwerp, hoe meer zonne-energie kan opgenomen worden.
serre-effect Tijdens hun reis doorheen een glasoppervlak wordt een deel van de zonnestralen omgezet in warmte (infraroodstraling). De geproduceerde warmtestralen kunnen moeilijker terug doorheen het glas stralen en worden daarom in een gesloten glazen ruimte gemakkelijker vastgehouden. Men noemt dit het serre-effect. Ook de dampkring van onze aarde werkt als een serre. Sommige gassen die in de atmosfeer aanwezig zijn (de welbekende broeikasgassen zoals koolstofdioxide), versterken dit effect.
Wie biedt meer ? Het energieaanbod van de zon
Een kwart van de zonnestraling die de aarde bereikt, wordt door de atmosfeer naar het heelal teruggekaatst, en nog eens 25 % wordt door de atmosfeer van de aarde opgeslorpt. De overige helft van de zonnestraling bereikt het aardoppervlak. Een deel daarvan is direct zonlicht. Het andere deel is licht dat door de wolken en andere atmosferische deeltjes in alle richtingen verstrooid wordt, met andere woorden diffuus zonlicht. In België bestaat het zonlicht voor ongeveer 40% uit direct zonlicht en 60% diffuus zonlicht.
De hoeveelheid zonnestraling die tot aan het aardoppervlak kan doordringen, hangt af van de plaats op aarde. Naargelang de locatie op onze wereldbol kan de invalshoek van de zonnestralen en het klimaat namelijk sterk verschillen. De zonnestraling neemt gemiddeld toe in de richting van de evenaar.
In 1 uur ontvangt de aarde een energiestroom die overeenkomt met het jaarlijks energieverbruik van de hele wereldbevolking ! Indien we de stralingsenergie van de zon direct zouden omzetten in bruikbare energievormen, dan zou 1/10.000 van het aardoppervlak voldoende zijn om het huidige energieverbruik op aarde te compenseren. Gemiddeld wordt per jaar 1700 kWh lichtenergie per vierkante meter ingestraald. België ontvangt elk jaar een energiehoeveelheid van ongeveer 1000 kWh/m2. Een deel van deze straling (ca. 15 % van de straling) kan met behulp van bijvoorbeeld zonnecellen rechtstreeks omgezet worden in elektriciteit of d.m.v. zonnecollectoren in warmte. Ter vergelijking: een gemiddeld Belgisch gezin verbruikt ongeveer 4500 kWh elektriciteit per jaar. Theoretisch zouden dus 30 m2 zonnecellen moeten volstaan om het jaarlijks verbruik van een Belgisch gezin te compenseren.
Passieve zonne-energie Wanneer we het zonlicht of de zonnewarmte rechtstreeks gebruiken, spreekt men van passieve zonne-energie.
Door het gebruik van passieve zonne-energie kan het stookseizoen in woningen en openbare gebouwen aanzienlijk verkort worden. Ook het verbruik van elektriciteit voor de verlichting van de woonruimten kan hierdoor drastisch naar beneden. Zonnestraling kan, ook bij minder mooi weer, in de meest gebruikte leefruimten zoals woonkamer, keuken of bureau, optimaal benut worden voor verwarming en het beperken van verlichting met kunstlicht mits : - een goed gedoseerde glasoppervlakte met ZO-ZW oriëntatie - een goede isolatie van zowel muren als glasoppervlak (hoogrendementsglas) - een efficiënte zonwering en ventilatie in de zomermaanden.
Maximaal profiteren van de zonnestraling in winter, lente en herfst kan het energieverbruik drastisch verlagen. De ramen worden 's nachts afgeschermd om nachtelijke warmteverliezen te beperken. In de zomer zorgt een uitgekiende zonwering zoals sterk overhellende constructies ervoor dat opwarming van de ruimten beperkt blijft. Bij dit huis zorgen zonnepanelen voor een efficiënte zonwering in de zomermaanden.
Actieve thermische zonne-energie Wanneer we de zonnestraling omzetten in een andere bruikbare energievorm zoals warm water, stoom, warme lucht of elektriciteit, dan spreekt men over actieve zonne-energie. Daarbij kunnen we een duidelijk onderscheid maken tussen het produceren van zonnewarmte of thermische zonne-energie en het opwekken van elektriciteit of fotovoltaïsche zonne-energie.
In onze streken wordt actieve thermische zonneenergie het meest toegepast voor de productie van warm sanitair water of zwembadverwarming. Nochtans kent thermische zonne-energie nog andere toepassingen zoals koken, huisverwarming met lage temperatuursystemen (vloerverwarming, muurverwarming of warmluchtverwarming), droogsystemen voor de fruitteelt enzovoort…
Enkele voorbeelden
Deze, in de leefruimte geïntegreerde veranda, combineert passieve en actieve thermische zonne-energie. 's Winters wordt de zonnestraling van de winterzon optimaal benut voor het opwarmen van de leefruimte, gebruik van het daglicht en voorverwarmen van het sanitair water. 's Zomers zorgen de zonnecollectoren op het verandadak voor een nuttige zonwering tegen de hoogstaande zon, zodat de opwarming van de leefruimte beperkt wordt en tegelijkertijd warm sanitair water wordt geproduceerd.
Zonne-ovens Deze zonne-oven haalt gemakkelijk temperaturen tot 200° C
Droogkast Een zelfgemaakte droogkast voor het drogen van vruchten of vis
Zonneconcentrators Paraboolcollectors van het Plataforma Solar de Almeria (Spanje) concentreren het zonlicht op zwarte absorberende buizen. Doorheen de zwarte buizen stroomt een vloeistof of gas die de warmte opneemt en verder transporteert naar een elektriciteit producerende turbine in de warmtekrachtcentrale.
Buiscollectoren zorgen voor tapwateropwarming van het studentenhome van de universiteit van Chemnitz. De warmte wordt opgeslagen in een gelaagde bufferboiler van 7000 liter. Het opgewarmde tapwater wordt in twee warmwaterboilers van elk 1.500 liter inhoud bevoorraad.
zwembadverwarming Een zwembad verwarmen is een dure aangelegenheid. Het gebruik van zonne-energie ligt dan ook voor de hand, omdat er geen hoge temperaturen vereist zijn.
Warmtemuren Tegenwoordig bestaan er fassadesystemen waarbij de zuidgerichte buitengevels van gebouwen de laagstaande winterzon maximaal benutten om zonnewarmte te absorberen en naar de binnenruimten te stralen. Opwarming door een hoogstaande zomerzon is gering doordat de lichtstralen onvoldoende in de buitenlaag van de fassade kunnen binnendringen en oppervlakkig een natuurlijke ventilatie optreedt.
