Zoekresultaten voor: energie

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?

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

Een experimentele chip met de technologie. Bron/copyright: University of Arkansas, 2020

Chip wekt energie op uit warmte

Een team natuurkundigen van de universiteit van Arkansas is er naar eigen zeggen in geslaagd om energie uit afvalwarmte op te wekken. Hun ontwerp maakt gebruik van de Brownse beweging: de willekeurige bewegingen op microscopische schaal door lokale oneffenheden. Hebben ze de Tweede Hoofdwet van de Thermodynamica gekraakt?

Wat is de Brownse beweging? 
Wat op macroschaal een oase van rust lijkt, is dat allesbehalve. De moleculen in lucht hebben alle verschillende snelheden en richtingen. Wat wij waarnemen is het gemiddelde van ontelbare miljarden moleculen die ons onophoudelijk treffen. Dit gemiddelde nemen we waar als luchtdruk. Op kleinere schaal, kleiner dan een micrometer, is er geen stabiel evenwicht meer. Geregeld treffen meer (of juist minder) moleculen het deeltje in de ene richting, dan in de tegenovergestelde richting. Als gevolg hiervan maakt het stofje een wanordelijke beweging. Deze Brownse beweging is met een microscoop waar te nemen aan bijvoorbeeld rookdeeltjes.

Een experimentele chip met de technologie. Bron/copyright: University of Arkansas, 2020
Een experimentele chip met de technologie. Bron/copyright: University of Arkansas, 2020

Hoe kan je hier energie uit opwekken? 
Alles wat beweegt, kan je gebruiken om elektriciteit mee op te wekken. Stel,. je zou aan het rookdeeltje een minuscule dynamo of andere generator bevestigen, dan kan je er in theorie stroom mee opwekken. Op het eerste gezicht lijkt dit een perpetuüm mobile van de tweede categorie: een machine die warmte onttrekt aan de omgeving waarmee iets nuttigs is te doen. Een dergelijk apparaat is erg handig: je kan dan je stroomabonnement opzeggen en je smartphone hoeft nooit meer aan de lader. Kortom; het klinkt te mooi om waar te zijn en dat is het ook. Want de Tweede Hoofdwet van de Thermodynamica verbiedt dat er bij een energieomzetting vrije energie bij komt. Of is er toch hoop?

Ja, zo blijkt uit een experiment met grafeen aan de universiteit van Arkansas. In de proefopstelling wordt het eigenlijke werk verricht door twee blaadjes grafeen tegenover elkaar. Deze één atoomlaag dikke koolstofblaadjes ‘wapperen’ voortdurend onder invloed van de Brownse beweging. Omdat ze tegenover elkaar zijn geplaatst, werken ze als een condensator. Als ze elkaar naderen, neemt de lading op beide plaatjes toe, als ze van elkaar verwijderd raken, stroomt deze weg. In de opstelling zijn twee diodes opgenomen: elektronische componenten die alleen eenrichtingsverkeer toelaten. De “gevangen” elektronen kunnen alleen via de energie-oogster (bijvoorbeeld een accu) terugvloeien. Het netto resultaat: warmte wordt omgezet in elektriciteit.

En de Tweede Hoofdwet dan?
De specifieke versie van de Tweede Hoofdwet: er ontstaan niet uit zichzelf temperatuursverschillen, lijkt met deze proefopstelling niet gebroken volgens onderzoeksleider Thibado. Op grotere schaal lijkt op het eerste gezicht echter wel degelijk sprake van een schending. Immers, als de proefopstelling afkoelt omdat er energie aan onttrokken wordt, ontstaat er wel degelijk uit het niets een temperatuursverschil met de rest van het universum. Ook is het geleverde vermogen laag, in de orde van picowatts. Zeg voorlopig dus uw elektriciteitsleverancier niet op. Maar als proof of principe is deze ontdekking uiterst belangrijk.
Het artikel is gepubliceerd in Physics Review E, een vooraanstaand natuurkundeblad.

Bronnen
Physicists Build Circuit That Generates Clean, Limitless Power From Graphene, University of Arkansas, 2020
Fluctuation-induced current from freestanding graphene, P. M. Thibado, P. Kumar, Surendra Singh, M. Ruiz-Garcia, A. Lasanta, and L. L. Bonilla, Phys. Rev. E 102, 042101
(ArXiv preprint versie)

De RITM-200 reactor is één van de enige twee typen microkernreactoren in productie. Bron: Rosatom.ru

Lossen kleine kernreactoren onze energieproblemen op?

Stel je voor, een kernreactor zo groot als een elektriciteitshuisje. Ze bestaan al in bijvoorbeeld atoomonderzeeërs. Kan de massaproductie van dergelijke kleine kerncentrales onze energieproblemen oplossen?

Op dit moment is de kleinste werkende reactor de Russische EGP-6 licht water-grafietreactor met per eenheid een vermogen van 12 megawatt. Vier van deze eenheden, die in 1974 in gebruik werden genomen, waren voldoende voor een middelgroot dorp, zoals de Russische poolnederzetting Pevek (4000 inwoners). Het ontwerp van de EGP-6 voldoet niet meer aan de huidige, zeer strenge, veiligheidseisen, maar overal ter wereld wordt gewerkt aan alternatieve compacte kernreactoren. Deze zijn zowel nuttig hier op aarde, als in ruimtekolonies op grote afstand van de zon. De enige nieuwe operationele microkernreactoren zijn eveneens Russisch: de RITM-200 en de KLT-40 scheepsreactoren.

Kernenergie werkt altijd en is hiermee betrouwbaarder dan hernieuwbare energiebronnen zoals zon en wind. Alleen waterkracht en geothermische energie komen in de buurt. Is kleinschalige kernenergie de oplossing voor onze energieproblemen?

De RITM-200 reactor is één van de enige twee typen microkernreactoren in productie. Bron: Rosatom.ru
De RITM-200 reactor is (met de eveneens Russische KLT-40) één van de enige twee typen microkernreactoren in serieproductie. Bron: Rosatom.ru

Het anti-zonnepaneel levert een beetje energie in de nacht. Bron: Stanford University

“Anti-zonnepaneel” wekt ’s nachts energie op

Zonnepanelen leveren alleen overdag energie op, want dan schijnt de zon. Dit is een belangrijke beperking aan zonnepanelen. Niet meer, zo lijkt het. Want nu zijn anti-zonnepanelen ontwikkeld die juist de meeste energie opwekken ’s nachts. Energie uit het Niets? In zekere zin: ja.

Zonnepanelen en thermodynamica
Er is een eenvoudige formule, waarmee het maximale rendement is te berekenen van een temperatuursuitwisseling: 100% * (Theet – Tkoud / Theet ). In woorden: het maximale rendement is gelijk aan het temperatuursverschil, gedeeld door de absoluut heetste temperatuur. In zekere zin maken zonnepanelen gebruik van het verschil in temperatuur tussen het zonneoppervlak en de aardoppervlakte. De oppervlakte van de zon is gloeiend heet, rond de zesduizend graden kelvin. De aardoppervlakte ligt in temperatuur iets onder de driehonderd kelvin (300 – 273 = 27 graden) . In theorie kunnen zonnepanelen daarom tot 95% van alle zonlicht in vrije energie omzetten, als ze perfect zouden werken: (6000-300)/6000 = 0,95. (Uiteraard haalt het gemiddelde zonnepaneel maar 15-23 procent, de absolute recordhouder in het lab behaalt 47,1 %.) [1]

Het anti-zonnepaneel levert een beetje energie in de nacht. Bron: Stanford University
Het anti-zonnepaneel levert een beetje energie in de nacht. Bron: Stanford University

Anti-zonnepanelen
Dit principe kan ook andersom werken. Onze aardoppervlakte heeft weliswaar een temperatuur van die driehonderd kelvin, maar de achtergrondtemperatuur van het heelal is maar 2,7 kelvin. Honderd maal zo laag dus. Een perfecte ‘heat engine’ zou daarmee zelfs 99% energieomzetting kunnen bereiken door dit warmteverschil af te tappen en de warmte het heelal in te pompen.

De anti-zonnecel produceert een beetje stroom, omdat de thermo-elektrische generator het warmteverschil tussen de koude radiatorplaat en de hetere ondergrond, aftapt. Bron: Stanford University
De anti-zonnecel produceert een beetje stroom, omdat de thermo-elektrische generator het warmteverschil tussen de koude radiatorplaat en de hetere ondergrond, aftapt. Bron: Stanford University

Dat laatste is ongeveer wat hier gebeurt. Anti-zonnepanelen koelen af door ’s nachts grote hoeveelheden warmte uit te stralen, het universum in, waardoor een warmteverschil ontstaat. Dit warmteverschil kan af worden getapt door in dit geval een materiaal dat spanningsverschillen produceert uit temperatuursverschillen. Zie diagram.

LEDje
Erg indrukwekkend is de opbrengst van het anti-zonnepaneel nog niet.  Eén vierkante meter radiatieve koeler (een zwart, goed warmte geleidend oppervlak) produceert een schamele 25 milliwatt. Dit is net genoeg om een klein ledje te laten branden. De onderzoekers zijn desalniettemin optimistisch. Ze denken dat het mogelijk is de opbrengst toe te laten nemen tot 500 milliwatt per vierkante meter. Vergeleken met een zonnepaneel is dat niet veel. Een zonnepaneel haalt toch al gauw boven de 100 watt per vierkante meter, 200 maal zoveel. Wel kan dit systeem kleine stroomgebruikers, zoals sensors, continu van stroom voorzien. Dat maakt het systeem toch interessant om door te ontwikkelen. Al is het maar, zoals de onderzoekers al opmerken, dat het opmerkelijk grappig is is om licht uit de duisternis op te wekken.

Bronnen:
1. Best Solar Efficiencies (.pdf)
2. Aaswath P. Raman, Wei Li en Shanhui Fan, Generating Light from Darkness, Joule, 2019, DOI:https://doi.org/10.1016/j.joule.2019.08.009

Bitcoins zijn de crypto-equivalent van deze enorme munten van het eiland Yap: absoluut onhandelbaar en onbruikbaar om mee te betalen. Gaat een nieuwe energiezuinige cryptomunt er met de buit van door? Bron: Wikipedia

Energiezuinige munt gaat Bitcoin vervangen

Bitcoin en alle andere crypto’s hebben alle een vervelend nadeel. Transacties verbruiken heel veel energie en verlopen ook erg traag, vaak uren. Is het mogelijk om een decentraal betaalsysteem zonder hoog energieverbruik te ontwikkelen? Enkele onderzoekers denken nu een alternatief te hebben gevonden.

Cryptovaluta zoals Bitcoin zijn gebaseerd op een blockchain: een soort database die verspreid is over meerdere knooppunten en in theorie niet corrumpeerbaar is. Wijzigingen in de blockchain, bijvoorbeeld door een bitcointransactie, vereisen zeer complexe berekeningen. Dit verzekert de data-integriteit. Bitcoins “mijnen” en het verwerken van bitcointransacties vereist hiermee energie. Veel energie, op dit moment (2019) ongeveer het jaarlijkse energieverbruik van een land als Oostenrijk. Energie in de vorm van elektriciteit, die doorgaans wordt opgewekt in kolencentrales of andere vormen van fossiele energieopwekking. En dus leidt tot een hoge CO2-uitstoot. Een nieuw energie-alternatief voor Bitcoin en andere blockchain-gebaseerde cryptocurrencies dat net zoveel beveiliging belooft, maar veel hogere snelheden is nu in ontwikkeling.

De essentie van het Bitcoin protocol ligt in het voorkomen van dubbele uitgaven. Deze mogelijke tekortkoming in elk digitaal geldschema zou het mogelijk maken dat een digitaal token meer dan eens wordt uitgegeven.

Bitcoins zijn de crypto-equivalent van deze enorme munten van het eiland Yap: absoluut onhandelbaar en onbruikbaar om mee te betalen. Gaat een nieuwe energiezuinige cryptomunt er met de buit van door? Bron: Wikipedia
Bitcoin is de crypto-equivalent van deze rai, enorme stenen munten van het eiland Yap: zeer moeilijk te produceren, absoluut onhandelbaar en onbruikbaar om mee te betalen. Gaat een nieuwe energiezuinige cryptomunt er met de buit van door? Bron: Wikipedia

Om dit probleem op te lossen, verzendt Bitcoin berichten naar het hele netwerk om iedereen elke transactie te laten bevestigen. Dit allemaal om te voorkomen dat kwaadwillende zogenaamde “Byzantijnse” spelers vals spelen. Bitcoin bereikt een dergelijke consensus door een blockchain te implementeren, een veilig grootboek van alle transacties in het systeem dat wordt beheerd door de gemeenschap van gebruikers in plaats van een tussenpersoon zoals een bank.

Om blockchains consensus te laten bereiken over de geldigheid van alle transacties, moeten gebruikers complexe, energie-intensieve “proof of work” -taken uitvoeren. De vele andere cryptocurrencies die zijn ontwikkeld na de opkomst van Bitcoin zijn over het algemeen ook allemaal gebaseerd op blockchains. Geen wonder, dat cryptominers zich massaal vestigen op plaatsen waar de elektriciteit goedkoop is.

Hoofdonderzoeker Rachid Guerraoui, een bekende Marokkaanse computerwetenschapper aan de Federale Polytechnische School van Lausanne in Zwitserland, en zijn collega’s beweren dat Bitcoin en andere cryptocurrencies op basis van blockchains met een kanon op een mug schieten. Ze suggereren dat zware berekeningen niet nodig zijn om dubbele uitgaven te voorkomen. In plaats daarvan kunnen veel eenvoudiger, snellere en daardoor minder energie-intensieve algoritmen volstaan.

Rachid Guerraoui, opmerkelijk computerwetenschapper.

De nieuwste algoritmen die de wetenschappers hebben uitgevonden, berichten over elke transactie op een manier die te vergelijken is met roddelen: een gebruiker vertelt een kleine groep over de transactie, en zij blijven anderen hierover informeren, enzovoort, op een exponentiële manier. Als het gaat om miljarden gebruikers, duurt het slechts enkele tientallen communicatierondes voordat een bericht een ander lid van het systeem bereikt, zeggen de onderzoekers.

In plaats van voor elke transactie consensus te zoeken bij elke deelnemer in het systeem, controleren de algoritmen of een willekeurige steekproef van gebruikers berichten heeft ontvangen over elke transactie. Als deze steekproef voldoende groot is, is de kans dat kwaadwillende aanvallers het systeem voor de gek kunnen houden door het te laten denken dat er een andere transactie heeft plaatsgevonden, zo laag dat dergelijke hacks niet plaatsvinden binnen de leeftijd van het universum, stellen de onderzoekers.

De onderzoekers zeggen dat hun consensusloze algoritmen niet alleen veilig zijn, maar ook verwaarloosbare hoeveelheden elektriciteit verbruiken, waarbij transacties elk ongeveer evenveel energie vergen als het uitwisselen van e-mails.

“Het is absoluut minder energie-intensief dan Bitcoin”, zegt Guerraoui. De wetenschappers hebben hun laatste bevindingen gedetailleerd beschreven in een studie die op 16 oktober werd gepresenteerd op het International Symposium on Distributed Computing in Boedapest. De studie heeft de Best Paper Award van die bijeenkomst al gewonnen.

De consensusloze algoritmen genereren ook slechts een paar gram kooldioxide per transactie, vergeleken met een geschatte 300 kilogram per Bitcoin-transactie. Om een indruk te geven: dat is de hoeveelheid CO2 die vrijkomt per passagier met een vliegticket van de Lage Landen naar Barcelona. Hoewel het oorspronkelijke Bitcoin-protocol tot een uur nodig heeft om te bevestigen dat een transactie correct is verlopen, kunnen de prototype-algoritmen van het Zwitserse team dit in minder dan een seconde doen.

De algoritmen kunnen niet alleen worden toegepast op valuta, maar kunnen ook helpen bij het veilig overdragen van eigendom van andere soorten activa, zoals grond, zegt Guerraoui. De onderzoekers onderzoeken momenteel hoeveel hun algoritmen kunnen bereiken met betrekking tot andere soorten transacties waartoe blockchains in staat zijn, zoals het implementeren van ‘slimme contracten’. Dit zijn convenanten waarbij deelnemers overeenkomen een taak uit te voeren op basis van een reeks voorwaarden.

De wetenschappers zijn nu gericht op het uitwerken van hun strategie voorbij de prototypefase. “We hebben nu een forse subsidie van de EU ontvangen, om dit op grote schaal uit te kunnen rollen”, zegt Guerraoui. “We willen het open source maken zodat iedereen het kan downloaden en gebruiken, [zodat ieder zelf kan zien] dat het robuust is.” Minen kan weliswaar niet meer, maar in ruil daarvoor wordt het betaalverkeer spotgoedkoop en worden banken overbodig.

Bronnen
Scalable Byzantine Reliable Broadcast (paper) (2019)
Rachid Guerraoui et al., Scalable Byzantine Reliable Broadcast (Extended Version), 2019 (arXiv)

Was dit een filter? Nu is het een industriële lamp. Een mooi voorbeeld van upcycling. Bron: lampenoplichters.nl

Upcycling: de oplossing voor grondstof-, milieu- en energieproblemen?

Upcycling wordt steeds populairder. Afval als grondstof om zelfs nog waardevoller producten te maken. Is upcycling een kansrijk concept?

De mensheid is rijker en welvarender dan ooit, maar dit gaat ten koste van enorme afvalbergen. Zowel het bekende, zichtbare, end of life afval, als afval dat ontstaat tijdens de productie van grondstoffen en halffabrikaten. Aluminiumblikjes, bijvoorbeeld, zijn weliswaar uitstekend te recyclen, maar wel een berucht onderdeel van het zwerfvuil langs de wegen. Minder bekend is dat voor elke kilogram aluminium die uit bauxiet, aluminiumerts, gewonnen wordt, er tot twee kilogram giftige “rode modder” ontstaat. Rode modder is het residu dat overblijft uit bauxiet: een zeer basisch, ijzerrijk goedje dat funeste gevolgen heeft voor ecosystemen waar het in terecht komt. Bij een dambreuk van een Hongaars reservoir met rode modder ontstond er een vloedgolf van modder die meer dan een vierkante kilometer land, met de Marcal, een zijrivier van de Donau, voor enkele jaren onleefbaar maakte.

Al meer dan een eeuw wordt er gezocht naar alternatieven om aluminium op een milieuvriendelijker wijze te winnen, of in ieder geval om de rode modder om te kunnen zetten in een bruikbare grondstof. Een samenwerkingsverband van de universiteit Leuven, Imperial College London en de Franse aluminiumfabriek Alteo lijkt hier in geslaagd te zijn, zij het op erg kleine schaal. Ze hebben geëxperimenteerd met 150 kg van de afvalstof en zijn er in geslaagd om er keramieken voorwerpen van te maken. Een klassiek voorbeeld van upcycling: het produceren van waardevolle dingen van restafval. Interessanter is hun onderzoek om rode modder als grondstof voor geopolymeerbeton te gebruiken. Geopolymeerbeton vereist geen portlandcement, een enorme bijdrager aan de CO2-uitstoot. Hiermee zouden grote infrastructurele werken kunnen worden gebouwd. Met meer dan 160 miljoen ton rode modder per jaar is dit een zeer veelbelovende toepassing.

Was dit een filter? Nu is het een industriële lamp. Een mooi voorbeeld van upcycling. Bron: lampenoplichters.nl
Was dit een filter? Nu is het een industriële lamp. Een mooi voorbeeld van upcycling. Bron: lampenoplichters.nl

Steeds meer bedrijven vinden ook vernuftige manieren om uit afgedankte voorwerpen persoonlijke gebruiksartikelen te maken. Dit vermindert de milieubelasting op twee manieren. Niet alleen ontstaat er minder afval, maar ook wordt afval bij de productie van een nieuw gebruiksartikel voorkomen. Een mooi voorbeeld hiervan is de Nederlandse start-up Lampenoplichters.nl. Geen voormalig mandje, industrieel filter of glazen bol is veilig voor dit tweetal, dat ze omzet in originele, en ook opmerkelijk betaalbare, designlampen. Elke lamp is uniek, omdat er steeds andere end-of-life producten als uitgangspunt worden gebruikt. Een bijkomend voordeel hiervan is dat er voor bijna elk interieur wel een bijpassende lamp is te vinden. Nadeel is dat klanten er snel bij moeten zijn. Is een lamp eenmaal verkocht, dan is ook het enige exemplaar buiten bereik.

Dit illustreert dat upcycling vooral interessant is voor het verwerken van reststromen van grondstoffen. Hier liggen grote kansen voor grote industriële bedrijven. End-of-life producten upcyclen vereist daarentegen veel handwerk, maar dat kan juist interessante mogelijkheden bieden voor kleine ondernemers.

Solarcoin is een voorbeeld van een energie gebaseerde munt.

Cryptocurrencies zijn in feite verkapte energie-currencies

Cryptocurrencies beheersten in het jaar 2017 het nieuws. Nu de hype langzaam weg lijkt te ebben en overheden steeds fanatieker greep proberen te krijgen op het fenomeen, wordt de vraag steeds interessanter: wat wordt de toekomst van het geldverkeer?

Hoe werken cryptocurrencies in vergelijking met ‘standaard’ giraal geld?
Het belangrijkste verschil tussen cryptocurrencies en door een centrale bank uitgegeven geld is dat de uitgevende autoriteit bij cryptocurrencies decentraal is: de blockchain. Niet een centrale bank, maar de blockchain, die bestaat uit software op de computers van alle gebruikers en miners van de cryptocurrency, bepaalt dat een bepaalde valutaire eenheid ‘echt’ is. Deze cryptomunten worden doorgaans gemined (er zijn overigens enkele munten waarbij dat niet het geval is, zoals Iota). Dit minen komt neer op het creëren van nieuwe ‘coins’ door het oplossen van ingewikkelde cryptografische berekeningen, waarvoor veel computercapaciteit nodig is. Dit maakt de cryptocurrency schaars en hiermee nuttig als betaalmiddel.

Mining komt neer op energiehandel
Om einde 2017 een bitcoin te minen, was het energie-equivalent van 20 vaten olie nodig, bij een vatprijs van rond de zestig dollar, rond de duizend euro aan energie (plus, uiteraard, de aanzienlijke energie die in het maken van de chips van de mijncomputers is geïnvesteerd). [1] In feite kunnen we elke drager van waarde een energieprijs toekennen. Zo schommelt de goudprijs tussen de tien en twintig vaten olie per troy ounce (ongeveer 30 gram, de internationale eenheid waarin goud wordt verhandeld)[2]. Erg efficiënt is minen  niet. Werkelijk onvoorstelbaar grote hoeveelheden energie worden verspild aan het oplossen van verder nutteloze berekeningen. Zoals in [1] al terecht wordt opgemerkt, kost het internationale creditcardverkeer van het Visa-creditkaartnetwerk, met een veelvoud van het aantal betalingen, minder dan een veertigste van de energiebehoefte van Bitcoin.

Solarcoin is een voorbeeld van een energie gebaseerde munt.
Solarcoin is een voorbeeld van een energie gebaseerde munt.

Asset-backed currencies: de opvolger van cryptocurrencies
Geen wonder, dat steeds meer mensen nadenken over het koppelen van fysieke goederen aan cryptocurrencies. Met meer geavanceerde cryptocurrencies zoals Ethereum kan dit ook. Je kan dan bijvoorbeeld denken aan een kilogram rijst of een kilowattuur. Venezuela heeft de ‘petro’ in het leven geroepen, een cryptocurrency waarbij elke eenheid naar eigen zeggen gedekt wordt door een vat olie[3]. Op dit moment (april 2018) bevindt het land zich in een volkomen uit de hand lopende neerwaartse spiraal, waardoor de kansen voor dit project klein zijn, maar een stabiel land, of machtig bedrijf, zou heel goed zelf een dergelijke munteenheid kunnen creëren.

Energiebanken
Vrije, of Gibbsenergie is de universele ‘munteenheid’ van de natuur. Gibbsenergie is de energie die beschikbaar is om nuttige arbeid te verrichten. Planten leven van de vrije energie in zonlicht en zetten deze om in chemische energie. In plaats van energie te verspillen om op die manier te laten zien dat iets waardevol is, is het slimmer om die energie zélf als waardemedium te gebruiken. Vervelend aan elektriciteit is dat het vrijwel niet in grote hoeveelheden is op te slaan. Met een chemische energiedrager zoals een fossiele brandstof, of met uranium kan dat wel. Een munt van tien gram natuurlijk uranium levert in een kerncentrale rond de zeven gigajoule potentiële energie op. Bij een rendement van 30 procent is dit ongeveer twee gigajoule, of 500 kilowattuur aan elektriciteit. Een dergelijke munt zou hiermee vergelijkbaar in waarde zijn met een gouden munt van 1 gram en erg praktisch bij betalingen. [4] Centrale energiebanken zouden voorraden uranium als dekking kunnen opslaan en hiermee via een kerncentrale ‘uitbetalingen’ kunnen doen via het stroomnet. Dit kan ook met minder controversiële energiedragers, zoals koolwaterstoffen, waterstof of bijvoorbeeld aluminiumpoeder. Voordeel is dat minen wat nuttigs oplevert – namelijk energieopslag – en fraude veel lastiger is, zoals iedere piraat die een olietanker heeft proberen te verdonkeremanen je kan vertellen.

Lees ook
Energie currency

Bronnen
1. James Stafford, How many barrels of oil are needed to mine one bitcoin? – oilprice.com (2017)
2. Gold to oil ration – historical chart, macrotrends.net
3. Deutsche Welle, Venezuela’s Bitcoin: Is the cryptocurrency called ‘petro’ a damp squib? (2018)
4. Peter Lux, Energy density of uranium, 2017