Elektriciteit opwekken
In het dagelijkse leven en in de industrie wordt er heel veel energie omgezet. Elektrische energie wordt daarbij steeds belangrijker: kijk bijvoorbeeld naar de ontwikkeling van elektrische auto's. Al die elektrische energie moet wel opgewekt worden, en er zijn veel verschillende manieren om dat te doen. De bekendste is het verbranden van fossiele brandstoffen, waarbij chemische energie wordt omgezet in elektrische energie. Wetenschappers zijn er echter van overtuigd dat we het gebruik van fossiele brandstoffen sterk moeten verminderen, dus we moeten op zoek naar een betere 'mix' van verschillende manieren om elektriciteit op te wekken.
Werking van de elektriciteitscentrale
De meeste elektrische energie komt momenteel nog uit elektriciteitscentrales die werken op fossiele brandstoffen. In Nederland wordt daarvoor voornamelijk aardgas of biomassa gebruikt, en in 3 centrales nog een paar jaar steenkool. Door het te verbranden wordt de chemische energie omgezet in warmte. Die warmte verwarmt het water in een gesloten systeem tot stoom. De hoge druk van het stoom laat een turbine draaien die gekoppeld zit aan de generator. Daar wordt de beweging van de turbine omgezet in elektrische energie. Het stoom wordt daarna afgekoeld in koeltorens of met koelwater uit een rivier waarna het vloeibare water weer opnieuw verwarmd kan worden tot stoom onder hoge druk.
In de Amercentrale in Geertruidenberg wordt chemische energie uit biomassa omgezet in elektrische energie.
Schematische weergave van de werking van een kolencentrale.
Kernenergie
In een kerncentrale komt de warmte niet vrij door de verbranding van een fossiele brandstof maar door de splitsing van atoomkernen. Wanneer de kernen van zware deeltjes, zoals uranium of plutonium, gesplitst worden in twee of meer kleinere kernen komt daarbij heel veel energie vrij. Deze energie kun je gebruiken om water te verwarmen voor het aandrijven van een turbine die aan een generator gekoppeld is. Bij de kernsplitsing komen ook neutronen vrij die ervoor zorgen dat er weer volgende kernen gesplitst kunnen worden. Dit is een kettingreactie die steeds groter wordt, een kerncentrale is zo ontworpen dat dit beheerst wordt en veilig gebeurt.
In Nederland is er momenteel één kerncentrale, in Borssele, die voor elektrische energie zorgt. Maar omdat de vraag naar elektrische energie enorm toeneemt en het gebruik van fossiele brandstoffen steeds minder gewenst wordt, zijn er plannen om enkele nieuwe kerncentrales te gaan bouwen.
Bij kernsplitsing blijven radioactieve atoomkernen over waarvan de straling eeuwen lang schadelijk blijft. Dit afval moet dus heel goed verwerkt en opgeslagen worden. Voor de kerncentrale in Borssele is dat elk jaar (inclusief een betonnen verpakking) anderhalve kubieke meter hoogradioactief afval.
Wetenschappers werken momenteel aan de ontwikkeling van een nieuw soort kerncentrales: gesmoltenzoutreactoren. Deze zullen een groter rendement hebben, veiliger zijn en minder radioactief afval opleveren.
De kerncentrale in Borssele, Zeeland.
Een voorbeeld van de splitsing van een atoomkern wanneer deze geraakt wordt door een neutron.
Bij de COVRA wordt al het radioactief afval uit Nederland veilig opgeslagen.
Er wordt momenteel ook onderzoek gedaan naar een andere vorm van kernenergie: kernfusie. Hierbij worden juist twee lichte atoomkernen samengedrukt waardoor het één atoomkern wordt. Ook daarbij komt heel veel energie vrij. Dit is de manier waarop ook op de zon de warmte ontstaat. Het voordeel is dat de brandstof makkelijker te vinden is en er vrijwel geen radioactief afval overblijft. Er zijn al experimentele fusiecentrales, in Frankrijk wordt momenteel door heel veel samenwerkende landen de eerste (nog steeds experimentele) centrale gebouwd die ook daadwerkelijk energie moet gaan opbrengen. Bij dit ontwerp vindt kernfusie plaats in een enorm heet plasma dat door magnetische velden wordt vastgehouden in een tokamak, een soort donutvormige ruimte. Dit is een enorme technologische uitdaging waar vele wetenschappers al jaren aan werken.
Schematische weergave van de kernfusie van deuterium en tritium (twee vormen van waterstof).
Het terrein waar de experimentele fusiecentrale ITER gebouwd wordt.
Kernfusie vindt plaats in een plasma in een tokamak.
Windenergie
Bij windenergie wordt de generator niet, zoals in een elektriciteitscentrale, aangedreven door stoom maar door de stroming van de lucht. De wind brengt een molen in beweging, de generator zet deze vervolgens om in elektrische energie. Die windmolens die gebouwd worden zijn steeds groter. Dit komt doordat het rendement van een windturbine toeneemt wanneer de rotorbladen groter zijn, en omdat het op een grotere hoogte harder waait. De grootste windturbines zijn ruim 200 meter hoog en kunnen worden gebouwd in bijvoorbeeld windparken in de Noordzee.
Windmolentje op een huis.
Windturbines op land.
Windpark op zee.
Onderdelen van een windturbine.
Waterkracht
Waterkrachtcentrales zetten zwaarte-energie van water om in elektrische energie. Dit doen ze over het algemeen door water dat naar beneden stroomt door een turbine te laten lopen, die vervolgens een generator aandrijft. Waterkrachtcentrales bestaan in vele verschillende afmetingen: de centrale in Boxtel in de Dommel levert een vermogen rond de 75 kW, de centrale in de Drieklovendam in China (de grootste waterkrachtcentrale ter wereld) 22500 MW.
Waterkrachtcentrale in de Dommel bij Sint-Michielsgestel.
In een waterkrachtcentrale wordt een turbine aangedreven door het water dat naar beneden stroomt.
De Drieklovendam in China is de grootste waterkrachtcentrale ter wereld.
Zonne-energie
Zonnecellen kunnen licht omzetten in elektrische energie. Het maken van zonnepanelen en zonnecellen wordt steeds goedkoper en het rendement van zonnepanelen wordt (door voortdurend onderzoek) steeds groter. Daarom is het gebruik van zonne-energie enorm aan het toenemen. Zonnepanelen werken het beste op plekken waar veel zonlicht is, als ze goed naar de zon gericht zijn en als het niet te warm is. Daarom is de opbrengst van zonnepanelen gedurende een dag en het jaar erg wisselend: als je alleen zonne-energie wil gebruiken zul je dus ergens energie moeten kunnen opslaan.
Een verschil met de andere manieren van elektriciteit opwekken is dat zonnepanelen een gelijkspanning leveren in plaats van een wisselspanning. Om zonne-energie te kunnen gebruiken in ons huidige elektriciteitsnet thuis zal die gelijkspanning dus altijd eerst in de juiste wisselspanning getransformeerd moeten worden. Dit gebeurt, als je zonnepanelen op je dak hebt liggen, in de omvormer die tussen de zonnepanelen en de meterkast geïnstalleerd is.
Zonnepanelen op het dak van een huis.
Enorm zonnepark in een woestijn.
Telefoon opladen met een klein zonnepaneel.
Stella, een experimentele auto die volledig op zonne-energie rijdt.
Nog een paar voorbeelden
Er zijn nog héél veel meer manieren waarop elektriciteit opgewekt kan worden. Sommige worden al gebruikt, andere zijn nog in ontwikkeling. Voor een goede 'energiemix' is het fijn dat er veel verschillende manieren zijn om in de behoefte aan elektrische energie te voorzien. Hieronder staan nog een paar voorbeelden, maar wanneer je gaat zoeken kun je er vast nog meer vinden.
In IJsland wordt veel geothermische energie gebruikt. Daarbij wordt gebruik gemaakt van het temperatuurverschil op verschillende dieptes in de aarde.
In Nederland wordt, bij de Afsluitdijk, onderzoek gedaan naar blauwe energie: energie die vrijkomt wanneer zout en zoet water samengebracht worden.
Getijdenenergie: door eb en vloed vindt er steeds stroming plaats in zeeën. Met een soort 'windmolens' onder water kun je hiermee elektriciteit opwekken.