Waarvoor wordt energie door mensen gebruikt? En in welke vorm?
De energiebehoefte van de mensheid bestaat uit:
1. warmte.
2. brandstof (energiedragers).

Wat is warmte?
1. Warmte is een bijzondere vorm van energie. Warmte is een uiting van de (gemiddelde) bewegingsenergie van de atomen en moleculen waaruit de materie bestaat. Warmte stroomt spontaan van warm naar koud en nooit andersom. Warmte-isolatie kan ongewenst warmteverlies door weglekken naar de koudere omgeving slechts vertragen, niet voorkomen. Warmtetransport is zonder grote verliezen slechts op kleine afstanden mogelijk. Warmte kan slechts ten dele in andere energievormen worden omgezet. Men noemt warmte daarom laagwaardige energie. Warmte volgt de wetten van de thermodynamica (warmteleer).

Waarvoor is warmte nodig?
Mensen hebben warmte nodig in de vorm van:
1a. Warmte van lage temperatuur (tot 100°C): nodig voor ruimteverwarming (verwarming van woningen en gebouwen), voor warm water en voedselbereiding (koken). Deze vorm van energie is décentraal op kleine schaal nodig. Alleen in een stedelijk omgeving kan warmte worden getransporteerd zonder al te grote verliezen (stadsverwarming). Energie voor ruimteverwarming moet décentraal beschikbaar zijn. Ofwel door aanvoer van brandstof, ofwel door onttrekken van energie aan de directe omgeving (zonne-energie, windenergie, aardwarmte, warmtepomp), ofwel door aanvoer van elektriciteit via het lichtnet. Indien die elektriciteit afkomstig is uit natuurlijke energiedragers (fossiele brandstof, uranium) is sprake van grote energieverspilling bij gebruik daarvan voor ruimteverwarming en warm water. Warmte voor warm water (en ruimteverwarming) kan ter plaatse overdag worden opgevangen in zonnecollectoren en worden 'gebufferd' voor de nacht.
1b. Warmte van hoge temperatuur (boven 100°C): nodig voor de omzetting naar bewegingsenergie (respectievelijk elektriciteitsopwekking) en voor industriële chemische processen. Deze vorm van energie is meer centraal (in grote installaties) nodig. In veel gevallen kan het nuttig rendement van de uit energiedragers vrijgemaakte warmte worden opgevoerd door elektriciteit op te wekken en daarnaast de restwarmte nuttig te gebruiken voor ruimteverwarming. Dit gebeurt in zogenaamde 'total energy installaties'.

Wat zijn energiedragers?
2. Energiedragers. Energiedragers zijn stoffen (materialen) waaruit met bepaalde processen energie kan worden vrijgemaakt.
Voorbeelden zijn fossiele brandstoffen (aardolie, aardgas, steenkool) en splijtstoffen (uranium, plutonium, thorium). Energiedragers zijn (vrijwel) zonder verlies over grote afstanden te transporteren naar de plaats waar energie nodig is. De energie in energiedragers wordt doorgaans vrijgemaakt in de vorm van warmte.
Brandstoffen reageren met zuurstof uit de lucht als ze worden 'aangestoken'. Dit proces heet 'verbranding'. Verbranding kan meestal plaatsvinden op de plaats waar energie nodig is.
Splijtstoffen (met name uranium) worden alleen in kerncentrales gebruikt, voor de productie van elektriciteit. Dit proces heet 'kernsplijting'.

Waarvoor zijn energiedragers nodig?
Mensen hebben energiedragers nodig om huizen en gebouwen te verwarmen, voor warm water, om eten klaar te maken en om voertuigen mee aan te drijven. Omdat warmtetransport niet over grote afstanden mogelijk is, vervoert men brandstoffen naar de plaats waar warmte nodig is, om ze ter plekke te verbranden.
Energiedragers zijn nodig in de vorm van:
2a. Brandstof voor ruimteverwarming (in woningen en gebouwen) en voor voedselbereiding (bakken). Voor ruimteverwarming wordt meestal aardgas of stookolie gebruikt.
2b. Brandstof voor transport: voor het verkeer van personenauto's, vrachtvervoer, diesellocomotieven, schepen en vliegtuigen. Het gemotoriseerde wegverkeer gebruikt de brandstof 'onderweg'. Transportbrandstoffen (tegenwoordig vrijwel uitsluitend aardolieproducten) zijn daarom décentraal en kleinschalig nodig. Daarvoor bestaat een wijdvertakt netwerk van benzinestations.
2c. Brandstof en grondstof voor industriële processen. Kunststoffen (plastics, textiel en dergelijke) worden in chemische fabrieken geproduceerd uit aardolie of steenkool.

Wat zijn 'energiebronnen'? In welke vorm is energie beschikbaar?
1. Als stromende energie in de vorm van elektromagnetische straling (zonlicht), elektriciteit, beweging (mechanische energie) en warmte.
2. Als opgeslagen energie in 'energiedragers', in de vorm van chemische energie of kernenergie, of als 'potentiële energie' (bijvoorbeeld in stuwmeren).

1. Stromende energie, energiestromen.
1a. De bewegingsenergie in wind (stromende lucht) en stromend water wordt al eeuwenlang met windmolens en watermolens omgezet in nuttige mechanische energie, voor het malen van graan, polderbemaling en (kleinschalige) industriële processen. Deze vorm van energie is vrijwel overal décentraal en kleinschalig beschikbaar. De laatste decennia worden windmolens gemaakt voor de directe omzetting van windenergie in elektriciteit met behulp van dynamo's. Omdat het aanbod van wind wisselend is, is 'buffering' van de opgewekte elektriciteit nodig. Door koppeling van windmolens aan het elektriciteitsnet kan plaatselijk overtollige elektriciteit elders worden benut.
1b. De zonnestraling (de elektromagnetische straling afkomstig van het voortdurende kernfusieproces in de Zon) van wordt sinds mensenheugenis gebruikt voor voedselproductie, zowel op het open veld als in 'broeikassen'. Van recente datum is de directe omzetting van zonlicht in elektriciteit. Dit gebeurt in zonnecellen (fotovoltaïsche cellen). Omdat de zon alleen overdag schijnt, is tijdelijke opslag van de opgewekte elektriciteit doorgaans nodig. Dit gebeurt meestal in de vorm van chemische energie in accu's (accumulatoren), maar andere vormen van benutting zijn mogelijk (bijvoorbeeld levering aan het elektriciteitsnet).
1c. Laagwaardige stromende energie in de vorm van aardwarmte. Het binnenste van de Aarde is veel warmer dan het aardoppervlak. De temperatuur in de binnenste aardkern is ongeveer 5000 graden Celsius. Deze kern bestaat voornamelijk uit ijzer en nikkel en is door de hoge druk tot vaste stof samengeperst. Het buitenste deel van de aardkern, waar de druk iets minder hoog is, bestaat uit vloeibaar nikkelijzer. Door convectie vindt warmte-overdracht plaats naar de vaste aardmantel. Op sommige plaatsen is ook de aardmantel vloeibaar ('hot spots') en vindt vulkanisme plaats. Afgezien van actieve vulkanen, waar vloeibaar gesteente (lava) naar buiten komt, zijn de temperaturen aan het aardoppervlak gematigd. Daar heersen temperaturen tussen -40 (toendra's) en +100 graden Celsius (geysers). In de meeste landgebieden komt de luchttemperatuur nooit boven de 40 graden Celsius. Tweederde van het aardoppervlak is (oceaan)water met een temperatuur tussen 0 en 25 graden Celsius.
Er vindt een voordurende afvoer van aardwarmte plaats door warmtegeleiding naar het aardoppervlak. Aan het aardoppervlak en in de atmosfeer treedt warmteverlies naar de ruimte op via infrarode straling.
In de buitenste vloeibare aardkern komt (nieuwe) warmte vrij door de interne wrijving die weer veroorzaakt wordt door de zwaartekrachtwerking (gravitatie) van andere hemellichamen (Maan en Zon). In de aardmantel en de aardkorst komt (nieuwe) warmte vrij door het verval van de radioactieve elementen uranium en thorium. Verder vindt een langzame afkoeling plaats van de aardkern, waardoor de binnenste vaste kern (zeer) langzaam groeit ten koste van de vloeibare kern. Bij het stollingsproces komt warmte vrij als derde bron van (nieuwe) aardwarmte. Dit langzame stollingsproces vindt al miljarden jaren plaats en kan nog zeer lang aanhouden.
Aardwarmte kan worden benut voor ruimteverwarming met behulp van warmtepompen. Het temperatuurverschil tussen de buitenlucht en diep (grond)water kan worden benut via het principe van de (omgekeerde) koelkast. Warmte wordt daarbij onttrokken aan het grondwater en gebruikt voor ruimteverwarming.
1d. Hoogwaardige stromende energie in de vorm van elektriciteit ('stroom'). Elektriciteit is een kunstmatige vorm van stromende energie. Elektriciteit kan worden gebruikt voor zeer veel toepassingen in huishoudens en industrie (verlichting, elektronische apparatuur, computers, huishoudelijke apparaten, zoals koelkasten en wasmachines, en - minder wenselijk - voor bijverwarming).
Transport van elektriciteit via hoogspanningskabels is met betrekkelijk geringe verliezen over grote afstanden mogelijk. Elektriciteit kan uit vrijwel alle andere energievormen met een gering warmteverlies worden omgezet. Uit mechanische energie (windmolens, stoomturbines, ...), chemische energie (batterijen, accu's, brandstofcellen, ...) of stralingsenergie (zonnecellen). Alleen de omzetting van warmte (via mechanische energie) in elektriciteit heeft een laag rendement. Het maximaal mogelijke rendement van ongeveer 40% wordt bereikt met moderne stoom- of gasturbines. De meeste elektriciteit wordt centraal opgewekt in grote installaties die fossiele brandstoffen verstoken of in kerncentrales. Aangezien de vraag naar elektriciteit over een etmaal heel wisselend is, moet het aanbod van elektriciteit continu op de vraag worden afgesteld. Koppeling van alle centrales in een internationaal netwerk vormt een buffer. Kleine gas- of oliegestookte centrales en windmolens kunnen snel worden aan- of uitgeschakeld. Grote kolengestookte en kerncentrales kunnen de dagelijkse fluctuaties in de vraag echter nauwelijks of niet volgen. Het overschot aan elektriciteit in de nachtelijke uren wordt daarom als 'nachtstroom' voor extra lage tarieven aangeboden.

Welke energie-omzettingen vinden in de natuur plaats?
1. Omzetting van de energie in zonnestraling in beweging van lucht (wind), beweging van water (verdamping, zeestromingen en golfslag) en in potentiële energie (neerslag in hooggelegen [stuw]meren).
2. Omzetting van de gravitatie-energie van het systeem Aarde-Maan in getijdenenergie.
3. Omzetting van de energie in zonnestraling in chemische energie door fotosynthese in groene planten.

Waar blijft de gebruikte energie?
Vrijwel alle energie in energiestromen en energiedragers wordt uiteindelijk omgezet in warmte en komt in de atmosfeer terecht.

De grootste bron van stromende energie is de zonnestraling die op het aardoppervlak valt. Daarnaast komt er warmte uit diepere aardlagen via warmtegeleiding en vulkanisme.
Chemische energie komt vrij in de vorm van warmte door verbranding van biomassa en fossiele brandstoffen.
Kernenergie komt vrij bij gecontroleerde kernsplijting in kerncentrales.

Slechts een klein deel van de ingestraalde of vrijgemaakte energie wordt opgenomen als chemische energie (fotosynthese van CO2 en water tot koolhydraten in groene planten; industriële productie van kunststoffen).

Vrijwel alle uit energiedragers vrijgemaakte energie komt als warmte in de biosfeer terecht. Dit leidt tot opwarming van de atmosfeer. Afhankelijk van de temperatuur en de samenstelling van de atmosfeer vindt uitstraling plaats van energie in de vorm van langgolvige straling (licht, warmte, microgolven, radiogolven, etc.). Deze uitstraling verdwijnt in de ruimte.

Vraag en aanbod van energie kunnen op elkaar worden afgestemd door het omzetten van de ene energievorm in de andere. Welke energie-omzettingen zijn nuttig en met welk nuttig 'rendement'?
Het begrip 'rendement' heeft een verschillende betekenis bij 'vrijmaken' van energie uit energiedragers en bij 'aftappen' van energiestromen.
Bij het vrijmaken van energie uit energiedragers in de vorm van warmte van hoge termperatuur, kan slechts een deel van die warmte nuttig worden gebruikt. De overige vrijgemaakte energie is als 'restwarmte' in veel gevallen nutteloos. Het 'nuttig rendement' is in dit geval het geddelte van de vrijgemaakte enrgie die nuttig kan worden gebruikt.
Bij het aftappen van natuurlijke energiestromen (b.v. zonnestraling) wordt geen extra energie vrijgemaakt. Dus wordt ook geen extra warmte toegevoegd aan de omgeving.
1. Omzetting van warmte in beweging in een 'warmtekracht'-machine, bijvoorbeeld een stoommachine (zoals gebruikt in stoomlocomotieven) een stoomturbine (zoals gebruikt in elektriciteitscentrales) of de verbrandingsmotor van automobielen. Het rendement van de omzetting is afhankelijk van het temperatuursverschil tussen de warme en de koude kant van de warmtekrachtmachine en is begrensd door de wet van Carnot (uit de thermodynamica of warmteleer). Het best haalbare bij warmtekrachtomzetting is (in de praktijk van moderne elektriciteitscentrales) een rendement van maximaal 40%.
2. Omzetting van (zon)licht in warmte in plantenkassen (broeikassen) en met zonnecollectoren.
3. Omzetting van (zon)licht in elektriciteit met zonnecellen.

Energiestromen.
Zonnestraling wordt door de meeste stoffen en 'lichamen' opgenomen, waarbij de temperatuur daarvan toeneemt. Een deel van de opgenomen energie wordt weer afgegeven in de vorm van infrarode straling. De frequentie van de afgegeven elektromagnetische straling is afhankelijk van de temperatuur. Bij hogere temperaturen worden verwarmde lichamen 'roodgloeiend', bij temperaturen boven 1000°C 'witgloeiend'.
Energie in beweging (mechanische energie) wordt door wrijving omgezet in warmte.

Welke primaire energiebronnen zijn er?
1. Duurzame energiestromen. Deze maken geen extra energie vrij in de omgeving en leveren bij benutting geen afval op. Duurzame energie is energie uit (natuurlijke) energiestromen, die 'onuitputtelijk' zijn zolang de zon blijft stralen (de zon heeft nog nucleaire brandstof voor 5 miljard jaar).
2. Chemische energiedragers (o.a. fossiele brandstoffen). De chemische energie kan daaruit worden vrijgemaakt als warmte (verbranding) of elektriciteit (batterijen, brandstofcellen). Chemische energiedragers leveren na gebruik afval op.
3. Nucleaire energiedragers (o.a. uranium, thorium, zwaar water). De kernenergie kan als warmte van hoge temperatuur worden vrijgemaakt door kernsplijting (en mogelijk in de toekomst door kernfusie). Nucleaire energiedragers leveren na gebruik afval op.

Welke mogelijkheden zijn er om aardolie als transportbrandstof te vervangen?
1. Omzetting uit andere chemische energiebronnen
    Transportbrandstof uit aardgas
    Transportbrandstof uit biomassa
    Transportbrandstof uit steenkool
2. Omzetting uit elektriciteit opgewekt met niet-chemische energiebronnen

Hoe groot is het verschil tussen verwacht aanbod en verwachte vraag naar, ofwel het tekort aan aardolie de komende 15 jaar?

Waarvoor wordt aardolie gebruikt (behalve als brandstof)?

<<< in bewerking...

Iek de Pagter

Terug naar: De Oliepiek Komt Nu!

© 2005 Het auteursrecht van dit artikel berust bij Iek de Pagter. Overname met bronvermelding is toegestaan.