Zoekresultaten voor energie

De revival van kernenergie

Komt onder het voorzitterschap van Tsjechië kernenergie weer terug? Er gaan steeds meer stemmen op in de Europese Unie om kernenergie weer een revival te laten beleven.

Een energiebron moet om nuttig te zijn, niet alleen goedkoop en voldoende beschikbaar zijn, maar vooral betrouwbaar. Energie dus, die op afroep beschikbaar is. Dat verklaart de populariteit van fossiele brandstoffen, daarmee kan je namelijk wanneer je die ook nodig het er energie aan onttrekken en daarmee elektriciteit opwekken of je voertuig vliegtuig of schip mee voortbewegen. Duurzame energiebronnen als zon en wind hebben als groot nadeel dat je afhankelijk bent van de weersomstandigheden en er af en toe momenten zijn dat er geen energie beschikbaar is.

Dat, en met de geopolitieke spelletjes van Rusland, heeft ertoe geleid dat er toch weer steeds serieuzer gekeken wordt naar kernenergie. Kernenergie is altijd beschikbaar en hoewel controversieel, zijn wetenschappers het er bijna allemaal over eens dat kernenergie de veiligste, schoonste en ook redelijk voordelige energiebron is. Wat kernenergie duur maakt zijn de steeds strengere en steeds veranderende regels.

De grootste kerncentrale van Europa staat in Oekraïne, in het stadje Energodar in het door Rusland bezet gehouden deel van Zaporizhia Oblast. Helaas terrroriseren de Russische bezetters het Oekraïense personeel, dat desondanks onder grote druk doorgaat schone en veilige energie aan Oekraïne te leveren. Bron Energyschool.narod.ru

Daardoor, en door de bezwaarschriften, moet een kerncentrales vaak jarenlange vertraging doormaken. Maar sinds de inval van Rusland in Oekraïne is er een andere wind gaan waaien in de Europese Unie. Waarnemers verwachten dat met het voorzitterschap van Tsjechië, een warm voorstander van meer kernenergie, er waarschijnlijk meer realistisch gekeken wordt naar de inzet van kernenergie om onze energie problemen mee op te lossen. In deze documentaire van de Duitste staatsomroep Deutsche Welle de laatste stand van zaken.

Czech Republic calls nuclear energy a 'priority' as it assumes EU Council Presidency | DW Business
Een uiterst tijdelijke landkaart van de oppervlakte van de zon. Uiteraard verandert de gasvormige oppervlakte van de zon voortdurend. Bron: NASA

Groene energie nu goedkoper dan fossiel

De politici hebben het nog niet door, maar de definitieve doorbraak van groene energie is nu een feit. Zelfs in het hol van de leeuw, de gasrijke Verenigde Arabische Emiraten, bleek zonne-energie bij een openbare aanbesteding voor elektriciteitsopwekking goedkoper uit te pakken dan gas. In 2020 bleek de aanbestedingsprijs zelfs te zijn gezakt tot 1,3 USA dollarcent per kWh. Dat is lager dan elke andere energiebron, zelfs stroom uit kolen.

EDF & JinkoPower Submit Record Low Bid for Al Dhafra Solar PV Project in AbuDhabi

Het is daarom slimmer, om te investeren in het upgraden van onze elektriciteitsnetwerken dan in gaspijpleidingen, zoals nu gebeurt. Ook moet er werk worden gemaakt van het opslaan van energie. Veelbelovende kandidaten zijn het opwekken van waterstof of ammoniak, flow batteries en gedistribueerde opslag, in samenwerking met de batterijen van elektrische voertuigen.

Een zonnetornado. Ondertussen weten we dat ze niet echt draaien, en dus geen tornado's zijn. Bron: NASA
Een zonnetornado. Ondertussen weten we dat ze niet echt draaien, en dus geen tornado’s zijn. Bron: NASA

Geen armoede na invoeren van energieconstante!

Energie is de valuta van de natuur. Dus een op zonne-energie gebaseerde valuta ligt voor de hand. Bron: Micha Jost/Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

Het kapitalisme is gebaseerd op geld dat eigenlijk  geen waarde heeft. Dit betekent dat al ons geld eigenlijk waardeloos papier is.  Wie kijkt op een bankbiljet,  zal zien dat er geen enkele verwijzing naar waarde opstaat.  De waarde van geld wordt puur bepaald door de hoeveelheid die er van in de omloop is.  Met behulp van dit mechanisme bepaalt de Europese Centrale Bank  (ECB), wat jouw inkomen is en jouw koopkracht.

Problemen

Dit economische systeem zorgt voor veel problemen. Ze heeft als nadeel dat prestaties niet worden beloond naar dat ze werkelijk waard zijn. Een bouwvakker verdient veel minder dan een autoverkoper, terwijl het beroep bouwvakker veel meer lichamelijke inspanning vergt dan het beroep verkoper. Daarbij komt nog kijken dat als de autoverkoper meer tevreden klanten gemaakt heeft deze nog een extra bonus krijgt bovenop zijn al goede salaris omdat hij zijn baas hier erg blij mee maakt. Als de bouwvakker zijn baas blij maakt door ipv. in 2 uur een muurtje te metselen dit in 1 uur te doen dan zal hij hooguit een tientje extra krijgen, maar hij zal hierom niet gouw 2 keer zoveel gaan verdienen.  De onderste laag van een kapitalistische maatschappij zijn de mensen die het minst verdienen, maar wel de meeste arbeid (W) per euro/dollar verichten.

Natuurkunde

Iemand met enig verstand van natuurkunde zal hieruit moeten concluderen dat iets hier niet klopt! Hij concludeert dat het geld zoals we het nu kennen niet gerelateerd is aan energie. Dit aan de hand van een paar formules om de energetische waarde van een gebeurtenis uit te rekenen.

Deze luidt: W= F x S (Arbeid is kracht keer afstand).

in dit geval moet de factor, tijd (T) ook worden meegerekend:

W= F x S /T (T in kwadraat) (arbeid= kracht keer afstand gedeeld door tijd in het kwadraat.

Daarnaast nog de formule voor de bewegingsenergie, Alhoewel deze formule geldt voor een beweging met een bepaalde versnelling, staat deze dus gelijk aan de werkdruk in een bedrijf.

E bew= 1/2 x M x V (V in het kwadraat rekenen) (energie is 1/2 van de massa keer versnelling in het kwadraat. De uitkomsten van de formules worden opgeschreven in de eenheid van energie, de joule.

Bij de laatste 2 formules komt er dus een afwijking in de benodigde energie voor een prestatie. Zodra de werkdruk 2x zo hoog wordt kost dit dus 4x meer energie. Hierbij kan het huidige geld dus geen SI-eenheid zijn.

Economie op basis van energie.

Als we de waarde van ons geld relateren aan energie/arbeid dan zal het verschil in rijk en arm snel kleiner worden.  De rijkdom van ons zal dan worden beslist door de hoeveelheid energie die voor handen is. Dit zal er dus voor zorgen dat niet slechts enkelen rijker worden en de meesten armer, maar juist zorgen dat we met zijn alle rijker worden. De ene misschien iets meer dan de ander alhoewel en dat is ook niet verkeerd zolang iedereen een beter welzijn heeft. Het zal de maatschappij stimuleren en motiveren duurzamere en betere energie bronnen te gaan benutten. We zullen dan met zijn alle van de Aarde en het zonnestelsel een optimale plek maken voor de mens maatschappij en natuur.

Interplanetaire Snelweg

Interplanetaire Snelweg: ruimtereizen zonder energie

Erg snel gaat reizen via het Interplanetair Transport Netwerk niet, maar daar staat dan tegenover, dat er bijna geen energie nodig is om vracht van de ene planeet naar de andere te vervoeren. Is de Interplanetaire Snelweg de oplossing om de duizenden miljarden tonnen metalen in de asteroïdengordel te ontginnen?

Interplanetaire Snelweg
De Interplanetaire Snelweg bespaart zeer veel brandstof. Kunnen we hiermee het zonnestelsel ontginnen?

Weinig massa, maar wel makkelijk te ontginnen
Erg veel materiaal bevindt zich niet in de asteroïdengordel: ongeveer vier procent van de massa van de Maan. De voornaamste reden dat ruimtemijnbouwbedrijven-in-spé toch likkebaardend naar de asteroïdengordel kijken is dat de metaalconcentratie in bepaalde brokken extreem hoog is en de metalen ook gemakkelijk te bereiken zijn.

Mercurius, bijvoorbeeld, bestaat voor bijna de helft uit massief metaal, maar om bij dit metaal te komen moeten mijnbouwers door duizenden kilometers rots heen boren. Dat hoeft bij asteroïden niet: de meeste zijn kleiner dan een kilometer en zouden dus in hun geheel verwerkt kunnen worden. Ook zijn veel asteroïden losjes samenhangende groepjes stenen, ‘rubble piles’, wat mijnbouw nog veel eenvoudiger zou maken.

Het transportprobleem
Het voornaamste probleem is en blijft de brokken metaal met zo min mogelijk energie richting aarde te vervoeren. Raketten nemen doorgaans maar een paar procent van hun massa aan nuttige lading mee. De rest is raketbrandstof. Dat is niet voor niets: om bijvoorbeeld  de aarde te verlaten moet een projectiel een snelheid bereiken van 11,2 km per seconde. Dat geldt ook voor afdalende raketten: in vrije val branden ze op, of slaan ze te pletter.  Ook voor ladingen metaal uit de asteroïdengordel is er dit delta-v probleem: de gordel bevindt zich veel verder van de zon dan de aarde, waardoor ze veel meer potentiële zwaartekrachtsenergie dragen. De ladingen moeten daarom met vele kilometers per seconde afgeremd worden, wat enorm veel brandstof kost. Brandstof die ook weer meegesleept moet worden.

Lagrangepunten
Gelukkig is er goed nieuws. Er blijken complexe, steeds wisselende routes tussen de planeten te bestaan die vrijwel zonder brandstof bereisd kunnen worden. Een essentiële rol in deze brandstofbesparende routes spelen de Lagrangepunten. Dit zijn punten waarop de zwaartekracht van de zon en een planeet (of een planeet en haar maan) elkaar opheffen. De brandstofbesparende routes draaien vaak enkele malen rond de Lagrangepunten, voor een ruimtevaartuig een reis naar een andere bestemming maakt.

NASA maakte al gebruik van het interplanetaire transportnetwerk om de ruimtesonde Genesis monsters van de zonnewind terug naar aarde te laten nemen. Hierbij ging het om een reis in het aarde-maan stelsel, maar in principe kunnen ook ruimtereizen naar  Mars of verder via  het systeem worden gemaakt. De grap hierbij is tussen de Lagrangepunten heen en weer te reizen. Zo is een snelheid van 13 meter per seconde, die van een snelle wedstrijdfietser, al voldoende om van het lunaire Lagrangepunt 1 (waar de zwaartekracht van aarde en maan elkaar opheffen) naar het zon-aarde Lagrangepunt 3 te reizen (het punt achter de aarde waar de snel zwakker wordende zwaartekracht van de aarde die van de zon evenaart). Dit kost vrijwel geen brandstof.

Een vergelijkbare techniek is te gebruiken om naar bijvoorbeeld Mars of Jupiter te reizen. Wel is hier veel meer delta v nodig dan in deze situatie, maar vooral bij reizen naar JUpitermanen

Verspreidde het leven zich via de Interplanetaire Snelweg?
De lage energie waarmee meteorieten door dit netwerk kunnen reizen, betekent dat het ook een plausibele route vormt voor brokstukken aarde met daarop levende lading om heelhuids en passief de reis naar een andere planeet of maan te kunnen maken. Helaas ook voor rampasteroïden. Het scenario gaat dan als volgt. Bij een inslag door een asteroïde worden ontelbare brokstukken de ruimte in geslingerd. Enkele komen in de buurt van de Lagrangepunten terecht en worden via het Interplanetaire Transportnetwerk met relatief lage snelheid naar de Lagrangepunten van andere planeten of manen gevoerd. Zo zouden fragmenten heelhuids in een voor leven gastvrijere omgeving – bijvoorbeeld op Mars of de ijsmanen Europa en Enceladus – terecht kunnen komen.

Bron
Interplanetary Superhighway Makes Space Travel Simpler, NASA/JPL, 2002
Lagrange and the Interplanetary Superhighway, Plus Maths Magazine (2011)

Draadloze energie nu echt binnen bereik

Worden elektriciens werkeloos, nu er een revolutionair systeem voor draadloze energie is uitgevonden? Onderzoekers van de Universiteit van Michigan en de Universiteit van Tokio hebben een systeem ontwikkeld om veilig elektriciteit via de ether te leveren.

Draadloze energie tot 50 watt

Dit systeem, wat de onderzoekers “room-scale magnetoquasistatic wireless power transfer” noemen, kan elektronica in een heel huis of ander gebouw van draadloze energie voorzien. Volgens een nieuw onderzoeksartikel, gepubliceerd in Nature Electronics, kunnen magnetische velden door middel van deze technologie 50 watt vermogen leveren. Een van de auteurs, hoogleraar informatica en techniek Alanson Sample, zegt dat de technologie niet alleen telefoons en laptops bevrijdt van de eeuwige snoeren.

Maar, en dat is heel belangrijk, ook geïmplanteerde medische apparaten van stroom kan voorzien. En, ook, op deze manier, nieuwe mogelijkheden biedt voor mobiele robotica in huizen en fabrieken. het grote probleem bij kleine draadloze apparaten is de energievoorziening. Iedere bezitter van een telefoon of ander draadloos apparaat weet daar alles van.

Draadloze energie, zowel op grote als op kleine schaal

Het team heeft het systeem ook uitgetest in ruimtes die kleiner zijn dan een complete kamer. Bijvoorbeeld een gereedschapskist voor computers en andere gadgets. Maar de grootste waarde heeft dit natuurlijk voor medische implantaten. Een pacemaker, bijvoorbeeld, of misschien een geïmplanteerde insulinepomp. Op dit moment krijgen hartimplantaten meestal hun stroom via een draad, waardoor er een gat nodig is voor de draad. Met alle risico’s voor infectie van dien.

Werkzaamheid in een kamer

De technologie werkt gedemonstreerd door het team van de universiteit van Tokio in de kamer van ongeveer 3 bij 3 meter.

Het maakt niet uit waar je je apparaten zijn, overal in deze kamer blijven ze werken. en waar de meubels en mensen zich in de kamer ook bevonden. Dat is anders dan bijvoorbeeld met de hier eerder beschreven technologie van Xiaomi, die werkt met behulp van richtbundels.

Het vermogen is ook veel groter. Apparaten die werkten over deze nieuwe technologie waren onder meer lampen, ventilatoren en mobiele telefoons.

draadloze energie
Elk apparaat in deze kamer werkt met draadloze energie, die op wordt gewerkt via de elektrische geleidende wanden. Bron Universiteit Michigan

Systeem zonder schadelijke microgolfstraling

Dit systeem is een grote verbetering ten opzichte van bestaande draadloze technologie. Daarbij wordt bijvoorbeeld mogelijk schadelijke microgolfstraling gebruikt of moeten apparaten op speciale oplaadpunten geplaatst. In plaats van deze technologie gebruikt dit systeem elektriciteit geleidende wanden in de kamer, die oscillerende magnetische velden opwekken. Dit magneetveld wekt stroom op in de ontvangende elektrische spoel in het apparaat in kwestie, waar het apparaat op werkt.

Wireless power room S2: demonstration

Draadloze energie van gereedschapskist tot grote productiehal

Het systeem kan gemakkelijk worden opgeschaald naar grotere toepassingen, zoals productiehallen en kantoren, stellen althans de onderzoekers. Je hoeft alleen een elektrisch geleidend oppervlak op de muur te spuiten of aluminiumfolie aan te brengen en je bent zogezegd in business. We kunnen dus stellen dat met deze technologie aluhoedjes het laatst lachen.

Maar hoe werkt het systeem?

Het geheim is een uitgekiende combinatie van spanning in een bepaalde frequentie, condensatoren en geleidende wanden. De onderzoekers slaagden er in twee driedimensionale magnetische velden op te wekken, door rekening te houden dat met de resonantie van de kamer. Bij deze kamer van 3 m groot is dat ongeveer 1.300.000 Hz. Het eerste veld cirkelt rond het centrum van de kamer, het tweede veld gaat van hoek tot hoek. Het gevolg is dat in ieder deel van de kamer ongeveer evenveel wisselende magnetische velden op worden gewekt, waardoor een apparaat op elke plek in de kamer werkt.

De efficiëntie van dit systeem is ongeveer 37,1%. Dat is natuurlijk slecht nieuws voor het milieu, maar in principe gebruiken kleine huishoudelijke apparaten veel minder energie dan grootgebruikers als de douche, de verwarming en vervoer.

Elektriciens hoeven zich dus niet erg zorgen te maken. Ook dit systeem vergt nog de nodige installatie. Aantrekkelijk aan dit systeem voor draadloze energie is wel dat het zowel in nieuwbouw als bestaande huizen toegepast kan worden.

Wireless power room S1: room-scale resonator
:

Bronnen

  1. ‘Charging room’ system powers lights, phones, laptops without wires, University of Michigan News, 2021
  2. Takuya Sasatani, Alanson P. Sample, Yoshihiro Kawahara. Room-scale magnetoquasistatic wireless power transfer using a cavity-based multimode resonator. Nature Electronics, 2021; DOI: 10.1038/s41928-021-00636-3

thermo-elektrische generator tin selenide

Thermo-elektrische generator: goedkoop energie uit warmte

Een thermo-elektrische generator zet afvalwarmte om in elektriciteit zonder uitstoot van broeikasgassen. Omdat afvalwarmte vrijkomt bij elk energieomzetting, is dit een droomtechnologie. Immers, gratis energie uit warmte waar we nu nog bijna niets mee kunnen.

Niet voor niets worden onder meer de Marsrovers door middel van deze technologie, en natuurlijk vijf kilo uiteenvallende gloeiend hete plutonium, van stroom voorzien. Maar tot nu toe belemmeren de hoge kosten van deze apparaten hun wereldwijde gebruik. Dat is jammer, want bijvoorbeeld is een gas- of kolencentrale gaat tweederde van de energie verloren als warmte.

Zouden we die warmte voor een deel kunnen omzetten in elektriciteit, dan zou dat enorm veel CO2-uitstoot en vervuiling schelen, want dan kunnen we met minder brandstof, dezelfde hoeveelheid elektriciteit produceren. Goed nieuws, dat moment komt nu veel dichterbij.

Wat is een thermo elektrische generator?

De definitie van een thermo elektrische generator is een apparaat dat uit een temperatuurverschil elektriciteit opwekt. Als warmte van het warmte reservoir naar het koude reservoir stroomt, ontstaat een elektrische spanning en een stroom waarmee je bijvoorbeeld een accu kan opladen of een apparaat op kan laten werken.

Hoe werkt een thermo-elektrische generator?

Met warmte kan je alleen wat als er een temperatuurverschil is. Hoe groter het temperatuurverschil, hoe hoger het percentage van de afvalwarmte dat je in nuttige energie om kan zetten. Een beetje het omgekeerde principe van een koelkast, waar je juist een warmtepomp gebruikt om een temperatuurverschil te creëren. De gloeiendhete brok plutonium, bijvoorbeeld, verschilt enorm in temperatuur van de koude omgeving op Mars. Daarom is er een enorm temperatuurverschil, en kunnen de thermo-elektrische generatoren op de rover een heel hoog percentage van de energie in de vrijkomende warmte uit het plutonium, aftappen.

Thermo-elektrische generatoren maken gebruik van een temperatuurverschil om vrije energie op te wekken. Aan de ene kant van de generator zit een warme kant, aan de andere een koele kant. Elektronen bewegen zich vrij in een geleider. Maar vrije elektronen hebben ook een bepaalde temperatuur. Je kan je als het ware de elektronen voorstellen als een soort gas in het metaal.

thermo-elektrische generator schema
Zonder bewegende onderdelen maakt een thermo-elektrische generator elektriciteit uit warmte. Bron: Ken Brazier en C.M. Cullen, Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0)

Wordt het “elektronengas” heter, dan oefent het een druk uit van het hete deel naar het koude deel. Nu zijn er in een thermo-elektrische generator twee materialen: P (van positief) en N, van negatief. Het P-materiaal bevat gaten in het kristalrooster (atomen met een elektron te weinig om hun schil compleet te krijgen). Vaak wordt natrium daarvoor gebruikt. Een natriumion heeft een elektron te weinig. Het N-materiaal bevat juist extra atomen met extra elektronen (atomen met een elektron te veel). Bijvoorbeeld broomionen, die een extra elektron hebben, zoals hier.

Stroom uit warmte

Het gevolg is dat door het warmteverschil, en de druk van de hete elektronen, de elektronen van warm naar koel stromen. In het N-materiaal merk je dit als een stroom van heet naar koud. Maar in het P-materiaal slepen de elektronen de “gaten” ook met zich mee, van heet naar koud. Hier ontstaat daardoor juist een stroom de andere kant op, want gaten zijn een negatieve stroom. Het gevolg is dat er een spanning ontstaat, met stroom. En presto, daar is je gratis elektrische energie.

Thermo elektrische generatoren geleiden goed stroom, maar slecht warmte. Deze combinatie van materiaaleigenschappen komt weinig voor. Metalen, bijvoorbeeld, geleiden ook goed stroom, maar ook goed warmte. Er zijn ook veel materialen,. zoals diamant, die slecht stroom geleiden, maar warmte juist goed. En natuurlijk materialen die allebei slecht geleiden, zoals de meeste stoffen: de isolatoren.

Het grote voordeel van thermo-elektrische generatoren is dat ze zo eenvoudig van opbouw zijn. Ze bevatten namelijk geen bewegende onderdelen, het zijn lagen materiaal. Een stirlingmotor zet ook afvalwarmte om in elektriciteit, maar zit veel ingewikkelder in elkaar en beweegt, dus is storingsgevoelig.

Goedkope, efficiënte thermo-elektrische generator

Onderzoekers hebben nu een manier gevonden om goedkope thermo-elektrische generatoren te maken, die even efficiënt zijn als de bestaande, zeer dure modellen. Groot nieuws, want als je extra energie kan persen uit de vrijkomende afvalwarmte, schiet het rendement van veel apparaten omhoog. Op dit moment staat het record qua efficiëntie op een waarde van tin-selenide, met een “figure of merit” van 3,1, door een team onder leiding van Mercouri Kanatzidis.

Deze waarde is twee keer zo hoog als van bestaande, vaak veel duurdere materialen. Tin en selenium zijn met een kiloprijs tussen de twintig en veertig euro veel goedkoper dan exotische materialen als tellurium of zeldzame aarden. De vorige recordhouders.

Kan je dus een thermo-elektrische generator van tin-selenide bouwen, dan kan je deze op grote schaal toepassen en betekent dat in feite dat je een grote bron van energie hebt. Wel moet deze verbinding op hoge temperatuur worden toegepast, rond de duizend graden, om deze hoge efficiëntie te bereiken. Dat heeft dan weer te maken met de specifieke materiaaleigenschappen van deze verbinding.

thermo-elektrische generator van tinselenide
Tinselenide (SnSe) is de beste thermo-elektrische generator die we kennen. Bron: Northwestern University

Zuurstofvrij samenvoegen

Pogingen om tinselenide op grotere schaal werkend te krijgen mislukten. In het experiment waarmee Kanatzides de 3,1 haalde, behaalde hij dat resultaat met een groot kristal tinselenide. Helaas is dat kristal erg zwak en breekbaar. Polykristallijn tinselenide is minder bros, maar helaas, het rendement daalde tot een lage ZT-waarde van 1,2.

Kanatzidis ontdekte nu de oorzaak. De tin reageerde met de zuurstof uit de lucht en vormde een laagje tinoxide van een paar atomen dik. En dat is nu juist wel een goede warmtegeleider. Daardoor vormden zich warmtelekken in het materiaal. Door het proces in een zuurstofvrije atmosfeer plaats te laten vinden, vormde zich geen tin oxide en stopte het weglekken van warmte. Zo behaalde het team van Kanatzidis alsnog de 3,1 efficiëntie. Zelfs nog met een lagere warmtegeleiding dan met een massief kristal tin selenide.

Er moeten nu nog twee technische uitdagingen worden overwonnen. Het produceren van polykristallijne P- en N-materialen van tin selenide. Een andere groep onderzoekers (team-Zhao) is dat al gelukt met monokristallijn N-materiaal. Het team Kanatzides is nu bezig hier een polykristallijne versie van te maken. Als dit ook met het P-type lukt, is de heilige graal van de energieopwekking uit warmte een stuk dichterbij.

Bron

Zhou, C., Lee, Y.K., Yu, Y. et al. Polycrystalline SnSe with a thermoelectric figure of merit greater than the single crystal. Nat. Mater. (2021). https://doi.org/10.1038/s41563-021-01064-6

Kernenergie is enige manier om klimaatdoelstelling te halen

Op dit moment wordt Nederland vol gelegd met zonneweides en windmolenparken. Dit kost veel grond, terwijl het nut omstreden is. Zo moeten gascentrales inspringen als er een tekort is aan stroom. Dat terwijl er een veel beter alternatief is, dat zowel zomer als winter betrouwbare energie levert. Kernenergie.

Hoeveel energie verbruikt Nederland per jaar?

In 2017 verbruikte Nederland 3,157 EJ (exajoule). Om een indruk te geven, dat is ongeveer twee keer zoveel energie, als vrijkomt als alle atoombommen in de wereld tegelijk tot ontploffing zouden worden gebracht. In onderstaande animated GIF, van het CBS, zie je hoe deze hoeveelheid energie wordt opgewekt. Zoals je ongetwijfeld opvalt, is ondanks alle ontroerende verhalen over het vervangen van fossiele brandstoffen, bijna 92% fossiel. En dat is met een reden.

kernenergie, snelste CO2-arme energiebron
Bron: CBS

Fossiel, compact en op afroep beschikbaar, kernenergie ook

Fossiele energie is zo populair, omdat deze altijd beschikbaar is als we die nodig hebben.

De zon gaat niet harder schijnen, of de wind harder waaien, als het stroomverbruik in Nederland toeneemt. We kunnen de zon of wind niet bewaren. Olie, gas en steenkool zijn makkelijk te bewaren en als we die nodig hebben, op te stoken. Accu’s en systemen als SMES, perslucht en vliegwielen zijn per kilowattuur duur, enkele honderden euro’s, en alleen interessant om tijdelijk energie mee op te slaan, bijvoorbeeld in de nacht. Niet om het enorme energieoverschot van zonnepanelen in de zomer over te hevelen naar de winter, als ze maar een tiende produceren van de zomer. Vandaar, dat bij elk zonnepark of windmolenpark geregeld gascentrales moeten inspringen. Niet erg milieuvriendelijk, natuurlijk.

Waterkracht kan niet in Nederland, want geen bergen

Eigenlijk zijn er maar drie duurzame energiebronnen die op afroep beschikbaar zijn. Dit, overigens, beperkt en vaak tegen hoge kosten. De eerste hiervan is waterkracht. Een stuwmeer is in feite een enorme zwaartekrachtsbatterij. Hier wordt al veel gebruik van gemaakt. het probleem is dat je voor een waterkrachtcentrale bergen nodig hebt. En die bergen heeft Nederland niet. De tweede oplossing is geothermische energie, in feite de ‘groene’ variant van kernenergie.

Aardwarmte te zwak, zelfs bij slimme inzet

Aardwarmte biedt inderdaad een op afroep beschikbare bron van energie, maar het nadeel is dat aardwarmte erg diffuus is. Op plekken waar er geen mantelpluim zit, zoals in Nederland, lekt er minder dan 0,06 watt per vierkante meter aan warmte naar boven. Omgerekend komt er in Nederland dus minder dan 2 gigawatt aan aardwarmte vrij. Ter vergelijking: dat is wat één grote kolencentrale al oplevert en maar een tiende van alle centrales in Nederland. En dit is in het hypothetische geval, dat we álle aardwarmte in Nederland af zouden tappen. Wat technisch onmogelijk is. Hopeloos onvoldoende dus. Zelfs als we aardwarmte slim inzetten, dat wil zeggen: alleen maar in november, december en januari, en de aardwarmtecentrales dan op vol vermogen laten draaien, en de rest van het jaar de aardwarmtebatterij op laten laden terwijl zonne-energie het overneemt, is het onvoldoende. Al is het wel een waardevolle aanvulling in de wintermaanden.

Biomassa en biogas ook vervuilend, kernenergie niet

Biomassa is de manier waarop moeder natuur zonne-energie opslaat. Zoals met alle verbranding, brengt ook de verbranding van biomassa enorme milieuproblemen met zich mee. Dit geldt ook voor biogas. Biogas komt uit biomassa. En biomassa vervult al een nuttige rol. Namelijk als voedsel, bodemverbeteraar en veevoer. Ook kost de productie van biomassa veel grond. We hebben die grond in Nederland niet. Op ons deel van de Noordzee, de NEEZ, hebben we die oppervlakte wel, maar als we hier massaal zeewier of andere algen gaan kweken, verwoesten we wel de ecosystemen daar. En met biomassa uit het buitenland importeren, verplaatsen we het probleem.

Kernenergie, een impopulaire, maar effectieve oplossing voor het klimaatprobleem

Willen we het fossiele brandstofverbruik tot nul terugdringen, dan moeten we domweg alle aardolie, aardgas en steenkool vervangen door CO2-vrije alternatieven. Zoals we al zagen, komen in Nederland de “duurzame” energiebronnen vooral in de winter tekort om stroomtekorten op te vangen. Windenergie is er in de winter ook, maar is te onregelmatig. Er is dus maar één realistisch, CO2-arm alternatief voor fossiel dat ook echt haalbaar is. Kernenergie. Zelfs een kleine kerncentrale zoals die in Borssele levert al 4% van de Nederlandse elektriciteit, ook in de winter.

Atoomenergie, ja graag

Daarom hebben wij op Visionair.nl besloten in zee te gaan met de enige stroomaanbieder in Nederland die exclusief stroom uit kernenergie verkoopt: Atoomalliantie. Als je je energiecontract overzet naar Atoomalliantie via deze link, ontvangt Visionair.nl daarover enige commissie.

Duurzame energie uit zon en wind is mooi, en het geeft ook allemaal een heel warm gevoel van binnen, maar dat we snel wat gaan doen aan antropogene opwarming is belangrijker.

En anders dan een windmolenpark of en zonneweide, neemt een kerncentrale met hetzelfde vermogen 360 maal, resp. 75 maal minder ruimte in beslag. Dus in Nederland is dat handiger.

Op de plek van zonneweides kunnen ook huizen worden gebouwd. Of een voedselbos. En op de geluidsoverlast, horizonvervuiling en dode vogels door windmolens zit ook niemand te wachten.

Bronnen

  1. Trends in Nederland 2018 – Cijfers – Energie, CBS, 2018
  2. Land needs for wind, solar dwarf nuclear plant – NEI, 2015

Geothermische energie, duurzaam het hele jaar door

Geothermische energie kan het hele jaar door energie leveren. Kan dit in de winter de tekorten aan zonne-energie opvangen?

Geothermal discovery could launch green revolution for energy industry

Wat is geothermische energie?

Ongeveer 98% van alle beschikbare energie op aarde komt van de zon. De overige twee procent komt uit het binnenste van de aarde. Dit is de geothermische energie. Dit is de energie die vulkanen uit laat barsten. En het aardmagnetische veld in stand houdt. Voor vier vijfde komt deze energie vrij door het radioactieve verval van uranium, kalium-40 en thorium in de kern van de aarde. En de rest? De aarde koelt langzaam af. Twintig procent van de energie komt daar vandaan. In de verre toekomst zal de aarde daarom geen magnetisch veld meer hebben.

Het geothermische potentieel van de aarde. Bron: Wikipedia
Het geothermische potentieel van de aarde. Bron: Wikipedia

Voor ons alleen op kleine schaal interessant

In verhouding is dat niet heel veel, in Nederland en België ongeveer 0,06 watt per m2. Maar als je op strategische plaatsen gaten in de grond boort, komt er toch heel wat warmte vrij. En daar kunnen we bijvoorbeeld oude olie- of gasputten voor gebruiken.

Het geothermische potentieel in Nederland is omgerekend ongeveer 2 gigawatt, in België een derde minder. Dat is een flinke resp. kleinere kolencentrale. Maar ééntiende van wat alle centrales samen produceren. Voor Nederland en België is geothermische energie dus alleen voor kleinschalige projecten interessant. Zoals stadsverwarming in een wijk. Wel kan een geothermische centrale in de winter extra veel warmte oppompen. En in de zomer stilgelegd worden. Zo kan er optimaal gebruik worden gemaakt van de warmte. Want waarom zou je gas gaan opstoken, als je de warmte ook direct uit de grond kan halen?

Maar voor een land als IJsland, ligt dat anders. IJsland heeft namelijk rond de halve watt per vierkante meter beschikbaar en daardoor veel heetwaterbronnen. Bovendien is de bevolking ook klein, en bewoont een grote oppervlakte. Voor IJsland is geothermische energie daarmee wel erg interessant.

energiebelasting

Energiebelasting treft vooral de armen

“Groene” belastingen zijn vooral populair bij de gegoede stemmers op “progressieve” partijen. En dat is geen wonder. Want de lasten van energiebelasting komen vooral bij de armen terecht.

Wat voor energiebelasting is er in Nederland?

De directe, als zodanig genoemde energiebelastingen zijn die op aardgas en elektriciteit. Die totale heffing op aardgas in Nederland begin 2021 is rond de 52,5 cent per kuub[1]. Die op elektriciteit 9,428 cent per kWh. Verder zijn er de al langer bestaande accijnzen op autobrandstof, die ook als energiebelastingen zijn te zien. Zo zat er in 2020 op benzine , diesel en LPG respectievelijk 80,8, 52,1 en 19,3 cent accijns [2]. Kerosine voor vliegtuigen naar internationale bestemmingen is belastingvrij. De genoemde bedragen zijn inclusief BTW.

Hoeveel energiebelasting betalen huishoudens met het minimumloon en huishoudens met een 2x modaal inkomen?

We gaan voor deze berekening uit van een gezin met twee kinderen van schoolgaande leeftijd. Gezin A, tweeverdieners, moet rondkomen van twee keer het minimumloon. De eveneens werkende ouders van gezin B, ook tweeverdieners, verdienen allebei twee keer modaal. We gaan er bij beide gezinnen van uit dat ze in een vergelijkbaar huis wonen, dus ongeveer dezelfde energielasten hebben en dezelfde afstand reizen. Het gemiddelde gasverbruik bij een gezin met twee kinderen is 4500 kilowattuur en 1700 kubieke meter[2].

Gezin A heeft moeite de eindjes aan elkaar te knopen, dus rijdt met de benzineauto naar Frankrijk (hemelsbreed 2 x 1500 km, wat 200 liter aan benzine kost, met 2,74 kg uitstoot per liter benzine[3]), om daar een huisje in de Dordogne te huren. Gezin B maakt met 4 personen een vliegreis naar Bali (4392,5 kg uitstoot per persoon) [4] en gaat (ook per vliegtuig) met 4 personen op wintersport in Oostenrijk (1350 kg per persoon). [4] Omdat het al laat is, en forensisch verkeer niet echt veel toevoegt, gaan we, heel gemakzuchtig, uit van thuiswerkende ouders die verder alles op de fiets doen. Getallen tussen haakjes zijn de kilogrammen uitgestoten CO2.

GezinNetto inkomen per jaarElektriciteitGasVakantie autoVakantie vliegtuigWinter vakantie vliegtuigCO2 vakantie totaal (kg)Energie belasting totaal E.B. /kg CO2 E.B.als percentage inkomen
A37000424 (2367)892 (3196)162 (548)54818650,3053,56
B88000424 (2367)892 (3196)0 (17570)0 (5400)2297013170,0461,50

Armen betalen veel meer energiebelasting, zowel per kg CO2, als percentage van hun inkomen

De uitkomsten zijn opmerkelijk. We zien dat het gezin A, met twee minimuminkomens, per kg uitgestoten CO2 30,5 cent energiebelasting betaalt. Het gezin B, met twee dubbel-modale inkomens, veel minder, 5 cent. Dat is zes maal minder. Dit verschil komt door de vliegreizen, die veel kilogrammen onbelaste CO2 veroorzaken.

Energiebelastingen zijn alleen te vermijden door de thermostaat drastisch omlaag te draaien tot bijvoorbeeld twaalf graden. Dat is mogelijk, maar niet iedereen kan dat opbrengen. Oudjes, bijvoorbeeld.

Of, uiteraard, door hoge investeringen te doen in bijvoorbeeld zonnepanelen of een warmtepomp. Maar helaas. Vooral rijke huishoudens kunnen deze investeringen doen. Armen kunnen over het algemeen nauwelijks sparen en betalen via de ODE-heffing flink mee aan subsidies voor deze “wereldverbetering”.

Energiebelasting? Met een allesbrander zoals dit prachtige exemplaar, kan de trotse eigenaar de dikke middelvinger opsteken Nadeel, naast het fijnstof: de investering is fors, meer dan duizend euro.  Echte minima kunnen dat niet opbrengen.
Energiebelasting? Met een allesbrander zoals dit prachtige exemplaar van de kachelhandel ’t Stokertje, kan de trotse eigenaar de dikke middelvinger opsteken. Nadeel, naast het fijnstof buiten: de investering is fors, meer dan duizend euro. Echte minima kunnen dat niet opbrengen. Maar deze investering heb je er in enkele jaren wel uit. Fair use. Bron/copyright ’t Stokertje, https://www.stokertje.nl/reny-front-60p

Progressieve idealen treffen vooral de armsten hard

Opmerkelijk genoeg zijn het vooral “progressieve” partijen, die de grootste voorvechters zijn van energiebelastingen. Het invoeren van een kerosinebelasting in Europees verband, vergelijkbaar met de CO2-heffing op aardgas en elektriciteit, is dan weer onbespreekbaar bij de meeste mainstream partijen. Die onbespreekbaarheid geldt ook voor de inzet van kernenergie. Met kernenergie kunnen we meer CO2 besparen dan met arme mensen nog verder de grond in te trappen.

Bronnen

  1. Belastingdienst, Milieubelastingen
  2. Nibud, Energie en Water
  3. Milieubarometer, Actuele CO2 parameters 2015
  4. Greentripper, CO2 calculator
  5. Tarievenlijst verbruiksbelastingen, Belastingdienst, 2021 (pdf)

SPARC moet het break-even punt bereiken in 2025 en rond 2035 tot de eerste fusiecentrales. Zullen deze ambitieuze doelen gehaald worden? Bron: SPARC projectfolder, zie literatuurlijst

Kan SPARC netto energie opwekken uit kernfusie?

SPARC belooft binnen vijf jaar een over-unity kernfusiereactor te hebben. Een grap die niet voor niets al een halve eeuw de ronde doet is, is dat kernfusie altijd veertig jaar in de toekomst ligt. Inderdaad is tot nu toe de enige praktische toepassing van energieopwekking door kernfusie de waterstofbom. Komt daar nu verandering in?

Een van de prettige eigenschappen van dit heelal is dat de sterkte van de elektromagnetische en de sterke kernkracht zo mooi nauwkeurig op elkaar afgestemd zijn. Was de sterke kernkracht ook maar 2% sterker vergeleken met nu, dan was de waterstof in het heelal in een vroeg stadium veranderd in helium-2 (wat in dit heelal niet kan bestaan). Al was deze helium-2 uiteindelijk vervallen tot de waterstofisotoop deuterium, die zich chemisch vrijwel als standaard waterstof gedraagt. Ook had het er dan waarschijnlijk slecht uitgezien voor de vorming van lichtere elementen als zuurstof, stikstof en koolstof, die essentieel zijn voor het leven. Was de sterke kernkracht iets zwakker, dan had de zon niet kunnen schijnen en hadden we ook niet bestaan. Kortom: dat de sterke kernkracht deze waarde heeft is weliswaar erg fijn voor levende wezens als wij, maar een gevolg daarvan is dat kernfusie, zeker de proton-proton reactie, erg lastig is in een reactor die kleiner is dan een ster. Bewegen de deeltjes ook maar een procent langzamer of sneller dan nodig is om de afstoting te overwinnen, dan worden ze afgestoten, resp. kaatsen weer weg zonder dat de fusie plaatsvond.

Toch lijkt het nu verschillende onderzoeksgroepen te gaan lukken om het punt van over-unity Q=1, het punt waarop er meer bruikbare energie uit de fusiereactie wordt gehaald dan er in wordt gestopt, te gaan bereiken. Vooral de minireactor SPARK van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) in de gelijknamige Usaanse deelstaat gooit hoge ogen, althans, volgens de groep erachter. Alle bekende methodes voor kernfusie verlopen volgens een beperkt aantal verschillende principes.

  • Inertial confinement: het fusiemateriaal sterk samenpersen, zodat het vanzelf gaat fuseren (het principe achter de waterstofbom en de Z-pinch. (Als we de zeer inefficiënte laser (rendement <1%) buiten beschouwing laten, en uitgaan van het zeer kleine deel van de laserstraling dat daadwerkelijk de fusiebrandstof samenperste, leverde ook de Z-pinch meer fusieenergie dan in de laserstraal werd toegevoerd. Maar in praktische termen scoort zelfs een fusor met een Q lager dan 0,000 01 beter dan de Z-pinch.)
  • Positief geladen deeltjes met precies de juiste hoeveelheid energie op elkaar afschieten (het principe achter de Farnsworth fusor, die netto nog geen energie oplevert maar wel nuttig is als compacte neutronenbron). Om deuterium te laten fuseren moeten de botsende deeltjes met een energie van enkele tienduizenden elektronvolt op elkaar botsen. Dit kan je in principe al bereiken met een opgevoerde beeldbuis van enkele honderden euro’s.
  • Muon-gekatalyseerde fusie. Muonen, de zware varianten van elektronen, produceren atomen die honderden keren kleiner zijn dan normaal, waardoor de deuterium- en tritiumkernen dicht bij elkaar komen te liggen en fusie ook bij lage temperatuur kan plaatsvinden. Muonen kunnen per deeltje vele tientallen fusiereacties katalyseren. Helaas vallen muonen erg snel uit elkaar en lekken ze weg met de gevormde heliumkernen. Ook kost het veel energie om ze te maken.
  • Thermische fusie: plasma verhitten tot honderden miljoenen graden, zodat een groot percentage van de deeltjes in het fusiemateriaal de juiste energie hebben om te fuseren. Dan moet je denken aan meer dan honderd miljoen graden. Sterren fuseren op deze manier: de lagere temperatuur in sterkernen (kern van de zon: 14 miljoen graden C) wordt goedgemaakt door de hoge dichtheid en enorme omvang. Plasma opsluiten is het makkelijkst in een torus (donutvormige structuur), waarbij extreem sterke elektromagneten de geladen plasmadeeltjes in de torus houden: de tokamak. Dit populaire design is uitgevonden in de Sovjet-Unie. De tokamak-reactor JET, waarin dit hete plasma door middel van sterke magneetvelden werd opgesloten, bereikte in 1997 de mijlpaal van Q = 0,67: voor elke drie joule toegevoerde thermische energie, ontstonden er twee joule fusie-energie. Dit record is sindsdien niet meer gebroken, al bereikte de D-D fusiereactor JT-60 in Japan een geëxtrapoleerde (en hiermee twijfelachtige) over-unity Q-waarde van 1,67. Varianten op het thermische fusieprincipe zijn de bolvormige tokamak en de stellarator (een wokkelvormige torus).

SPARC, het nieuwe MIT-experiment is veel kleiner dan de enorme reactor ITER, maar moet door de sterkere magnetische velden toch goede resultaten kunnen bereiken. Bron/copyright: MIT
SPARC, het nieuwe MIT-experiment is veel kleiner dan de enorme reactor ITER, maar moet door de sterkere magnetische velden toch goede resultaten kunnen bereiken. Bron/copyright: MIT

Hoe werkt SPARC?
SPARC is een compacte tokamak, m.a.w. is gebaseerd op het thermische fusieprincipe en lijkt technisch op andere tokamaks zoals JET, ITER en andere tokamaks. Het belangrijkste technische probleem bij thermische kernfusie is het afschermen van het plasma, het beperkt houden van het energieverlies door het weglekken en uitstralen door het plasma. De sterke magneetvelden worden opgewekt met supergeleiders, die moeten worden afgekoeld tot dicht bij het absolute nulpunt. Weliswaar houden de sterke magneetvelden de plasmadeeltjes opgesloten, maar door hun enorm hoge temperatuur stralen de deeltjes röntgenstraling uit. Daarom doen grote tokamaks, zoals ITER, het doorgaans beter, omdat hun inhoud per vierkante meter oppervlak groter is. Het team achter SPARC, met een doorsnede van slechts twee meter, denkt de resultaten van ITER te kunnen overtreffen door de veel sterkere magneetvelden waarmee gewerkt wordt. Daardoor kan het plasma dichter worden en neemt de fusiesnelheid flink toe. SPARC is een doorontwikkeling van de eerdere, voor zijn kleine grootte goed presterende tokamak van MIT, Alcator C-Mod. SPARC kent nog meer ontwerpverbeteringen ten opzichte van andere tokamaks, zoals het gemak waarmee de reactor uit elkaar gehaald kan worden. Een alternatief wandontwerp moet het plasma beter afbuigen van de wanden zodat de verliezen minder worden dan in bestaande ontwerpen.

SPARC moet het break-even punt bereiken in 2025 en rond 2035 tot de eerste fusiecentrales. Zullen deze ambitieuze doelen gehaald worden? Bron: SPARC projectfolder, zie literatuurlijst
SPARC (midden) moet het break-even punt bereiken in 2025 en rond 2035 tot de eerste fusiecentrales (ARC, rechts). Zullen deze ambitieuze doelen gehaald worden? Copyright: MIT. Bron: SPARC projectfolder[2], zie literatuurlijst
Door SPARC op te schalen tot ongeveer de grootte van ITER, zie rechts, zou dan een commerciële fusiereactor een feit worden. Dit ambitieuze streven staat of valt met de nieuwe hoge-temperatuur supergeleidende magneten, waarmee het team een zeer sterk magneetveld van 12 tesla in het centrum van de torus op wil wekken.  Anders dan “klassieke” supergeleidende materialen, die in bulk worden toegepast bij temperaturen onder de dertig kelvin, zijn hoge-temperatuur supergeleiders vrij fragiel en kunnen ze minder sterke tegenwerkende magneetvelden aan. De MIT-research is er dan ook vooral op gericht om deze nieuwe supergeleiders aan te passen aan deze veeleisende omgeving en zodra de prototype magneten voldoende uitontwikkeld zijn, de eigenlijke reactor SPARC op te bouwen (planning: rond juni 2021[1]) en over-unity fusie te bereiken. Of dit zal lukken blijft uiteraard spannend, maar de eerdere goede resultaten geven de nodige hoop.

Bronnen
1. Validating the physics behind the new MIT-designed fusion experiment, MIT News, 2020
2. T. Fujita et al., High performance experiments in JT-60U reversed shear discharges, IAEA, rond 1998
3. SPARC brochure, MIT/SPARC, 2020