Alternatieve energiebronnen

Alternatieve energiebronnen zijn een noodzaak om de opwarming van de aarde tegen te gaan. Hieronder worden enkele alternatieven besproken

Windenergie

Als het waait, voel je de wind bewegen. Dit betekent dat we te maken hebben met bewegingsenergie. Vroeger werd die bewegingsenergie met behulp van windmolens omgezet in mechanische arbeid. Tegenwoordig wordt deze energie met behulp van windturbines uit de lucht gehaald.

Windmolens zijn molens die de bewegingsenergie van wind kunnen omzetten in rotatie-energie van de wieken. Met deze rotatie-energie kan bijvoorbeeld elektrische energie verkregen worden of een rad worden aangedreven.

Windturbines zijn de iets modernere vorm van windmolens. Ze halen net als de windmolens energie uit de wind. Het verschil is dat de bewegingsenergie omgezet wordt in elektrische energie terwijl bij windmolens de bewegingsenergie werd omgezet in mechanische arbeid.

Windmolens vind je vaak in grote parken bij elkaar terug. Om maximaal rendement te halen uit zo’n windturbine, mogen de turbines niet te dicht bij elkaar staan, want anders kan de windturbine niet de optimale energie uit de wind halen.
Er bestaan twee soorten van windturbines: de horizontale as-turbine en de verticale as-turbine. De horizontale as-turbine komt het vaakst voor.

De werking van een windturbine is redelijk simpel. De rotorbladen op de windturbine zetten de langsstromende lucht om in een draaiende beweging. De rotorbladen zitten vast op een hoofdas of naaf, waarvan de draaiende beweging wordt versneld in de tandwielkast. Dan wordt in de generator deze draaiende beweging omgezet in een elektrische spanning van 380 Volt. Een transformator zorgt er voor dat de spanning verhoogt, zodat het voltage gelijk is aan die van het openbare elektriciteitsnet. Daarna is het mogelijk deze elektriciteit te gebruiken.

De voordelen zijn:

Minder milieuvervuiling die bijdraagt aan het broeikaseffect.

Windenergie is onuitputbaar.

Je bent onafhankelijk van landen die olie produceren omdat je zelf je eigen stroom kan opwekken.

De nadelen zijn:

Het is erg duur.

Windmolenparken nemen veel ruimte in beslag.

Waterstof

Waterstof wordt al jaren bestempeld als de ideale opvolger van fossiele brandstoffen. De verbranding ervan levert immers alleen schoon water op. Bij verbranding levert waterstof veel energie. In principe kan je dus machines aandrijven op waterstofenergie. Voor deze energie heb je echter eerst waterstofgas nodig, waarbij het probleem zit dat het eerst gewonnen moet worden voor je het kan gebruiken. Je kan ook niet direct waterstof laten reageren met zuurstof, want dit heeft een explosie als gevolg.

Momenteel wordt 96% van alle waterstof gewonnen uit aardgas. Hiermee draagt de productie ervan dus bij aan het broeikaseffect. Maar er zijn ook andere manieren om waterstof te produceren. De eenvoudigste manier om waterstof te produceren is door elektrolyse. Water wordt hierbij onder invloed van elektrische stroom omgezet in zuurstof en waterstof. Voor dit proces is wel veel energie nodig. Een andere methode is het thermochemische proces. Door de hoge temperaturen van kerncentrales kan men met behulp van diverse chemische methodes, bijvoorbeeld met zwavelzuur en jodium, water omzetten naar waterstof en zuurstof. Daarvoor moetnatuurlijk de waterstoffabriek naast de kerncentrale gebouwd worden. Voor deze methode heeft men kernreactoren van de vierde generatie nodig ( zie ondertitel kernenergie). De productie van waterstof uit biomassa is ook mogelijk maar bevindt zich nog in een ontwikkelingsfase dus is er nog weinig over geweten.

Het grote voordeel ervan is:

De verbranding ervan levert alleen maar school water op en het brengt dus geen schade aan het milieu toe.

Het grote nadeel ervan is:

Waterstof moet altijd gemaakt worden wat veel energie, vaak fossiele energie, vereist. Zo draagt het toch bij aan het broeikaseffect. Als de andere methodes om waterstof te winnen meer op punt staan is dit probleem wel verholpen.

Zonne-energie

Zonne-energie is een alternatieve energievorm die al heel lang wordt toegepast. Zonne-energie wordt namelijk ook gebruikt voor het groeien van gewassen en dergelijke. Het wordt echter nog niet zo lang gebruikt voor andere doeleinden. Ook is zonne-energie eigenlijk de kracht achter wind- en waterenergie. Wind ontstaat door temperatuurverschillen, dus hebben wij windenergie ook te danken aan de zon. De zon zorgt ook voor de verdamping van water dat zo terecht komt in rivieren die ook energie opwekken.

Om elektrische energie op te wekken worden zonnepanelen gebruikt die werken door een ingewikkeld systeem genaamd fotovoltaïsche omzetting( afkomstig van foto=licht en volta=stroom) of gemakkelijker gezegd: de omzetting van licht naar elektriciteit. De meeste zonnecellen of PV-cellen (photovoltaic) zijn gemaakt van silicium. De zonnecel bestaat uit twee lagen, een positieve en een negatieve laag. Doormiddel van licht wordt er een brug gemaakt tussen deze twee lagen, waardoor er een stroom gaat lopen tussen de twee lagen.

Het gebruik van zonne-energie staat nog in zijn kinderschoenen en is te duur voor grote energiebedrijven om tot een grootschalige productie te komen. Dit komt omdat de energiedichtheid( de hoeveelheid licht die per vierkante meter per seconde op het oppervlak valt) niet groot is. Je hebt dus een enorm oppervlak nodig om een redelijke hoeveelheid aan zonne-energie te winnen.

Voor landen waar de zon bijna de hele dag schijnt bestaat er nog een andere, betere technologie: geconcentreerde zonne-energie ook wel Concentratig Solar Power (CSP) genoemd. Hierbij gebruikt men spiegels om zonnestralen te weerkaatsen naar een klein oppervlak waardoor je een hele hoge temperatuur verkrijgt. Met deze hoge temperatuur wordt dan stroom opgewekt. Deze technologie is beter omdat hij goedkoper is dan de PV technologie.

Het grote voordeel is:

Bij het gebruiken van zonne-energie komen er helemaal geen schadelijke stoffen vrij die bij kunnen dragen tot het broeikaseffect.

De nadelen ervan zijn:

Je hebt een groot oppervlak nodig om zonne-energie te winnen wat nogal moeilijk gaat in onze dichtbevolkte maatschappij.

Zonnepanelen zijn erg duur dus zijn ze niet veroorloofbaar voor iedereen. Volgens studies heb je je investering pas terug na zo’n 20 à 30 jaar wat toch een lange tijd is.

Zonne-energie is niet altijd te vertrouwen. Als je afhankelijk bent van zonne-energie bij bewolkt weer heb je een probleem.

Waterenergie

In water zitten twee soorten energie, namelijk kinetische energie en potentiële energie. De kinetische energie wordt gebruikt om een beweging in te zetten, zoals bijvoorbeeld het vormen van golven. De potentiële energie is een energie die opgeslagen zit in het water en eigenlijk niet gebruikt wordt. Het wordt pas gebruikt als water begint te stromen en zo dus verandert in kinetische energie.

Bron: RWLinder, Rgbstock

Waterenergie wordt opgewekt in waterkrachtcentrales. Een waterkrachtcentrale bestaat uit een grote dam die in een rivier geplaatst is, waardoor het water niet verder kan stromen en er zodanig dus een waterreservoir ontstaat. Van daaruit wordt het water door een drukleiding naar beneden geleid. Het water maakt een valbeweging en door deze beweging zet het water een turbine in beweging. Deze turbine gaat dan vervolgens de energie van het vallende water omzetten in mechanische energie(hydro-elektrische kracht), waarmee daarop dan een generator in beweging wordt gezet. In deze generator draait een koker, waardoor een aantal magneten in de generator gaan roteren. Wanneer deze magneten dan langs koperen spiralen komen wordt er een magnetisch veld opgewekt, dat bijdraagt aan de productie van elektriciteit. Versnellingstransformators zorgen er dan voor dat het voltage van de elektriciteit toeneemt tot aan het niveau dat nodig is voor het transport naar bijvoorbeeld een stad. Na dit gehele proces wordt de elektriciteit via hoogspanningskabels naar de steden getransporteerd en wordt het water afgevoerd naar meren, rivieren of beken.

Waterenergie kan ook afkomstig zijn van getijden en golven. Twee keer per dag wordt het vloed en stroomt het water dus landinwaarts. Deze beweging van het water kan turbines in beweging zetten die dan elektriciteit opwekken. De opwekking van energie gaat dan volledig volgens hetzelfde principe als bij de waterkrachtcentrale. Het gebruiken van deze methode om energie op te wekken wordt nog niet veel gebruikt omdat er maar weinig geschikte plaatsen zijn om een centrale te bouwen waar men energie uit getijden en golven kan opwekken. Er zijn er echter wel enkele waarvan de grootste in Frankrijk en in Canada staan.

De voordelen zijn:

Waterkracht levert gemiddeld tot veel energie.

De kosten liggen relatief laag.

Waterkrachtcentrales stoten heel weinig CO2 of andere broeikasgassen uit.

De centrales hebben een langere levensduur, zo’n 2 tot 10 keer langer, als die van kool- en kernenergiecentrales.

De dammen die gebruikt worden in waterkrachtcentrales helpen overstromingen tegen te gaan en zorgen voor een regelmatige stroom van irrigatiewater naar de gebieden gelegen onder aan de dam.

De nadelen zijn:

Er is een groot oppervlak nodig voor de waterkrachtcentrale.

Grootschalige projecten kunnen de stromingen van rivieren verstoren.

Door de dammen en reservoirs is het mogelijk dat vissen niet meer de mogelijkheid hebben naar de zee te zwemmen en zo kan het aquatische leven in de buurt van een waterkrachtcentrale in de problemen geraken.

Kernenergie

Kernenergie is een gevoelig onderwerp als het aankomt op alternatieve energie. Dit komt onder andere door de ramp in Tsjernobyl in 1986, die een grote invloed heeft gehad op het internationale beleid van kernenergie.

Bron: Publiek domein, Wikimedia Commons (PD)

Een kerncentrale werkt voornamelijk als een gewone elektriciteitscentrale. Het bijzondere aan een kerncentrale is dat deze als warmtebron een kernreactor heeft, die de energie uit atoomkernen benut. Deze energie uit de atoomkernen komt tijdens kernreacties vrij.

In de praktijk worden alleen uraniumisotopen in kernreactoren gebruikt als brandstof. Uranium ,zoals dat in de natuur wordt aangetroffen, is een mengsel van twee soorten uranium, namelijk U-235 en U238. voor het kernsplijtingsproces wordt voornamelijk U-235 gebruikt omdat deze vorm splijtbaar is.

Kernsplijting is een proces waarbij een zware atoomkern zich opsplitst in twee lichtere kernen. Dit proces wordt in gang gezet door het atoom te beschieten met een neutron. De stabiele 235U kern neemt het neutron op en verandert zo in het instabiele 236U. De instabiele 236U kern splijt in twee kleinere kernen, waarbij ook nog ongeveer drie neutronen vrijkomen. Er vormen zich niet alleen twee andere atomen , maar ook twee à drie neutronen en energie. Elk van deze drie neutronen kan dan weer op een andere stabiele 235U kern vallen en zo wordt dus een kettingreactie veroorzaakt. De energie die hierbij vrijkomt is massa die verloren gegaan is bij het opsplitsen van de zware kern in twee lichtere kernen.

Bron: Personnelle d'archeos, Wikimedia Commons (CC BY-SA-3.0)

Er zijn verschillende types van kernreactoren die men kan onderverdelen in vier generaties. De eerste generatie is die van 40 jaar geleden. Dan is er de tweede generatie, die bestaat uit de reactoren die nu het meest voorkomen. Vervolgens heb je de derde generatie die in aanmaak zijn in bijvoorbeeld Japan en Finland. Deze reactoren zouden een stuk veiliger zijn omdat ze een stuk simpeler gebouwd zijn. Als laatste is er dan nog de vierde generatie waaronder verschillende types vallen die nog in een ontwikkelingsstadium zijn. Voornamelijk zijn dit types waar geen ongelukken mee kunnen gebeuren omdat de kernreactor niet smelt als de koeling erbij wegvalt. Ook produceren deze reactoren minder kernafval.

De voordelen zijn:

Bij het gehele proces komen geen CO2 of nauwelijks andere schadelijke stoffen vrij.

Er is weinig grondstof nodig voor meer energie in tegenstelling tot koolstof, aardolie en aardgas.

De verhouding van energie die geleverd wordt tot de oppervlakte die men nodig heeft om deze energie op te wekken is veel gunstiger dan andere alternatieve energiebronnen.

Waterstof kan met behulp van kernenergie aangemaakt worden(thermochemisch proces) en zo een oplossing zijn voor de aanmaak van waterstof.

De nadelen zijn:

Kernenergie produceert radioactief afval dat enorme gevaarlijk is. Het probleem is dat het honderden jaren duurt voordat het onschadelijk is geworden. Er is nog geen volledige oplossing uit de bus gekomen voor dit probleem maar deskundigen en overheden vinden ondergrondse opslag de veiligste oplossing.

Het proces dat plaatsvindt is erg gevaarlijk door de radioactiviteit die er aan te pas komt. Zo kunnen er dus ernstige ongelukken gebeuren. Maar de kans op een ongeluk zoals in Tsjernobyl is erg klein geworden door de strenge veiligheidseisen die verbonden zijn aan kernreactoren.

Kernfusie

Kernfusie is de energiebron van de zon en sinds wetenschappers dit weten wordt er volop geprobeerd om deze kernfusie in elektriciteitscentrales te gebruiken. In een fusiereactor smelten lichte atoomkernen, isotopen van waterstof, samen waarbij veel energie vrij komt. Dit fusieproces vindt plaats bij een extreem hoge temperatuur van 150 miljoen graden. Bij zulke hoge temperaturen vormt materie een plasma, een heet gas van geladen deeltjes. Dat plasma kan worden opgesloten in een ringvormige reactor, waarin het met magneetvelden wordt vastgehouden. De energie die vrij komt bij de fusiereactie kan gebruikt worden om elektriciteit op te wekken of om bijvoorbeeld waterstof te verkrijgen.

In Frankrijk wordt momenteel de 2e experimentele kernfusiereactor in de wereld gebouwd, de ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Met deze nieuwe reactor moet het mogelijk worden om economisch rendabel te worden. Dit wil zeggen dat het proces meer energie moet opleveren dan dat er in gestopt wordt. Daar moet wel eerst nog veel onderzoek over gedaan worden. Daarom wordt er samengewerkt aan deze reactor door mensen uit heel de wereld.

De voordelen zijn:

Fusie is geen kettingreactie dus de reactie kan niet uit de hand lopen. Het stoppen van de brandstoftoevoer is al genoeg om de reactie snel te stoppen.

De brandstoffen hierbij gebruikt, deuterium en lithium zijn in voldoende mate aanwezig om voor miljoenen jaren energievoorziening te zorgen.

Fusie produceert geen broeikasgassen. Het fusieproces produceert alleen maar helium, een onschadelijk gas.

De nadelen zijn:

Er komt een zeer kleine hoeveelheid aan licht radioactieve stoffen, namelijk radioactief tritium, vrij. Dit wordt in de reactor uit lithium gevormd. Maar omdat tritium in de centrale zelf wordt gemaakt, is er geen vervoer van radioactieve brandstoffen nodig buiten de centrale. Omdat er telkens maar zeer weinig tritium nodig is voor het proces, kan de hoeveelheid in de centrale aanwezig zo laag mogelijk gehouden worden.

Het wandmateriaal van plasma wordt radioactief, maar dat verdwijnt grotendeels na 50 jaar. Er is dus geen belasting voor toekomstige generaties.

Biomassa

Bij biomassacentrales wordt de energie die is opgeslagen in biomassa omgezet in elektrische energie of andere bruikbare energiesoorten. Biomassa kan men onderverdelen in 4 verschillende soorten: afval, hout, biogas en stortgas.

Afval bestaat voor ongeveer 60% uit organisch afval gemaakt van natuurlijke producten zoals gft, papier en afvalhout.
Hout wordt gebruikt in huizen voor kachels (80%) en in de industrie. Het is moeilijk te zeggen hoeveel energie er bespaard wordt bij het gebruik van hout omdat het verbruik erg verschilt per openhaard.

Toch kan gezegd worden dat de verbranding van organisch afval en hout de grootste bijdrage levert aan energiebesparing.
De bijdrage van biogas aan deze energiebesparing is maar klein. Biogas, vooral methaan (CH4), komt vrij bij de vergisting van slib van rioolwaterzuivering en kan worden gebruikt in gasmotoren van elektriciteitscentrales en in speciale verbrandingsmotoren voor andere doeleinden.

Stortgas ontstaat in stortplaatsen door de afbraak van organisch materiaal en bestaat hoofdzakelijk uit methaan (CH4) en koolstofdioxide (CO2). Stortgas wordt al op 21 stortplaatsen benut voor de productie van elektriciteit, warmte, aardgas en ruw gas voor de industrie. Het winnen van deze gassen is eenvoudig omdat het reeds verplicht is een dak boven stortplaatsen te hebben om vervuiling van het grondwater tegen te gaan. Uiteindelijk zal er echter steeds minder gas gewonnen worden, omdat het afval steeds minder organisch afval bevat. Het winnen van stortgas blijft erg goed voor het milieu, niet alleen omdat er fossiele brandstoffen worden bespaard, maar omdat het gas dat het meest wordt opgevangen een gas is met een zeer sterk broeikaseffect.

De grootste toename in het gebruik van biomassa wordt verwacht in het op grote schaal verbruiken van organisch afval en hout. Het is ook een mogelijkheid dit te gebruiken in energiecentrales omdat dit economisch aantrekkelijk is.

De voordelen zijn:

Er komt niet meer CO2 vrij dan dat er eerst werd opgenomen door de natuur.

De opvang van methaangas is een dubbel voordeel voor het milieu omdat hierbij dit ernstige broeikasgas wordt opgevangen en er worden fossiele brandstoffen mee gespaard.

De nadelen zijn:

De centrales nemen meer ruimte is dan centrales op fossiele brandstoffen.

Als er speciale gewassen zouden gekweekt worden voor biomassacentrales kan dit ten koste gaan van landbouwgrond.

Alternatieve energiebronnen

Windenergie

Waterstof

Zonne-energie

Waterenergie

Kernenergie

Kernfusie

Biomassa

Bronnen en referenties