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
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
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.
De Nederlandse overheid ontdekt gas en stroom steeds meer als lucratieve melkkoe. Off grid gaan, wat is daar voor nodig? Dit stappenplan kan helpen om jezelf los te koppelen van het stroomnet..
Raak vertrouwd met je stroomverbruik en identificeer de grootste stroomslurpers. Zoek hiervoor stroomzuiniger alternatieven.
Elke dag gebruikt de gemiddelde Nederlander of Vlaming zo’n vijf kilowattuur aan stroom. Ontdek hoe hoog jouw stroomverbruik is en hoe dat over de dag verdeeld is. Zonnestroom, bijvoorbeeld, is overvloedig aanwezig overdag en in de zomer, maar niet meer zodra de zon onder is en in de winter. Uit onderzoek blijkt dat drie op zich vrij nutteloze apparaten verantwoordelijk zijn voor het leeuwendeel van het stroomverbruik. Dat zijn waterbedden, elektrische boilers en tropische aquaria. Ook apparaten als vrieskisten, koelkasten en plasmaschermen zijn bericht om hun hoge stroomverbruik. Identificeer met een stroommeter de grootste stroomvreters. Wil je onafhankelijk worden, dan kan je deze het beste uit je leven bannen. Hoe minder stroom je gebruikt, hoe makkelijker het is om zelf in je stroom te voorzien. Slaag je er bijvoorbeeld in om je stroomgebruik terug te brengen tot bijvoorbeeld één kilowattuur per persoon per dag, dan heb je vijf maal zo weinig stroomleveranciers en opslagcapaciteit nodig.
Bekijk, welke mogelijkheden er zijn voor alternatieve energie.
De meest bekende vorm van alternatieve energie is de zon. Zonne-energie kan in twee vormen benut worden: via een zonneboiler op het dak of via zonnepanelen. De zon kan enorm veel vermogen leveren – op jaarbasis levert een zonnepaneel in de Lage Landen per kilowatt geïnstalleerd vermogen (1000 Wp) dat optimaal geplaatst is (45 graden, zuiden) zo’n 950 kilowattuur op. In theorie zou dat betekenen, dat het gemiddelde huishouden met vierduizend Wp volledig zelfvoorzienend zou zijn. Het nadeel van zonne-energie is de variabiliteit, vooral tussen winter en zomer. In de winter leveren zonnepanelen ongeveer een kwart op van de energie die ze in de zomer opleveren. Wil je energie-onafhankelijk worden, dan is het -zeker met de lage prijzen voor zonnepanelen nu – te overwegen om te overdimensioneren voor de winterzon en de zonnepanelen onder een hoek van minimaal 40 graden te plaatsen, zodat de opbrengst in de winter maximaal is.
Helaas stierf de Hyperion nucleaire batterij een vroege dood. Dit kleine apparaat kan een eiland zo groot als Texel voor tien jaar van stroom voorzien.
Het kan zijn dat lokale omstandigheden bijzondere vormen van energiewinning mogelijk maken. Zo maken veel boeren in de polders gebruik van brongas. Beschik je over een groter stuk land, dan worden biogas, houtgas en houtkachel interessant om in de winter voor aanvullende energie te zorgen.
Zorg in het geval van biogas wel voor goede isolatie of bijverwarming om de temperatuur van de gistingstank boven de 25 graden te houden. Een kilogram GFT-afval levert genoeg biogas om een uur op te koken.
Ook kan je papier inzamelen bij vrienden en bekenden; de verbrandingswaarde van papier per kilogram is ongeveer een derde van die van benzine. Door papieren briketten op te stoken, gemaakt van eigen papier met een brikettenpers, is in ongeveer de helft van de jaarlijkse warmtebehoefte te voorzien. Houtkachels zijn mooi te combineren met een Stirlinggenerator of Seebeck effect generator. Het rendement van Stirlinggeneratoren is niet verbijsterend hoog, te vergelijken met die van een benzinegenerator, maar ze hebben alleen een warmteverschil nodig om elektriciteit te genereren. Dat maakt Stirlinggeneratoren een droom voor creatieve knutselaars. Waar je dit warmteverschil vandaan haalt, maakt namelijk niet uit. Helaas zijn er alleen speelgoedmodellen of industriële modellen te koop. Prijzen voor particulieren liggen rond de tien- tot vijftienduizend euro. Beschrijvingen van kleinschalige zelfbouwmodellen van Stirlingmotoren en Seebeck effect generatoren zijn hier te vinden.
Een minder milieuvriendelijk, maar wel betaalbaar alternatief is het kopen van een generator op fossiele brandstof. Een dieselgenerator van vijfduizend watt kan voor onder de tweeduizend euro aangeschaft worden. Dieselgeneratoren kunnen met plantaardige oliesoorten zoals zonnebloemolie, afgewerkte frituurolie of slaolie gestookt worden. 8 uur stroom kost 13,5 liter diesel. Rond de vijftien euro per dag dus, of rond de dertig cent per kilowattuur. Dit is erg veel; hierbij zijn de kosten van de generator nog niet meegerekend. Wel is dit slechts een beperkt aantal malen nodig bij een forse overdimensionering van zonnepanelen.
Energieopslag
De variabiliteit van duurzame energiebronnen maakt het noodzakelijk om te investeren in een goede elektriciteitsopslag. Bekend is bijvoorbeeld de -dure- PowerWall van autofabrikant Tesla. Deze levert 13,5 kWh opslagcapaciteit voor rond de tienduizend euro. De Velkess vliegwiel kickstarter, waarover we eerder schreven, is helaas mislukt. Als gebruik wordt gemaakt van loodaccu’s, is deze 13,5 kWh opslagcapaciteit te realiseren voor omgerekend drie- tot vierduizend euro, zij het met grote verliezen aan stroom. Waar mogelijk moet je energie-intensieve taken, zoals de wasmachine gebruiken, plannen als er een overvloed aan energie is.
Een aardig alternatief qua verwarming, voor wie beschikt over veel land, is de zonnevijver. Water is door de zeer hoge warmtecapaciteit één van de beste warmteopslagmedia die er bestaan. Wel moet deze vijver dan goed geïsoleerd worden of overdekt worden door een kas. Per slot van rekening moet de vijver meerdere maanden de hoge temperatuur behouden.
De Amerikaanse wapenfabrikant Lockheed Martin, hier in de lage landen vooral bekend wegens de gelijknamige affaire, heeft patent aangevraagd op een kernfusiecentrale. Is dit een manier om investeerders te lokken, of staat er echt wat groots op stapel?
Kernfusie, het samenvoegen van twee kleine atoomkernen tot een grotere atoomkern, heeft veel in zich om de belangrijkste energiebron te worden. De energiedichtheid is iets hoger dan die van kernsplijting, er komt nauwelijks radioactief afval bij vrij en de uitgangsstoffen, de waterstofisotopen deuterium en tritium, komen op aarde veel voor. Ongeveer één op de tienduizend waterstofatomen is een deuteriumatoom. Anders dan bijvoorbeeld zonne-energie werkt kernfusie dag en nacht, ongeacht de weersomstandigheden. Er is alleen één probleem. Het is weliswaar gelukt om kernfusie te bereiken, maar nog nooit om meer energie uit kernfusie te halen dan er in wordt gestoken: het break-even punt (uitgezonderd, uiteraard, waterstofbommen). Het wereldrecord staat op dit moment op naam van de Z-pinch van de National Ignition Facility in de VS, die er in slaagde om meer energie uit de fusieatomen te produceren, dan er door de lasers in werd gepompt. Dit klinkt indrukwekkender dan het is: lasers zetten maar enkele procenten van de toegevoerde energie om in laserstraling. Voor echte ‘ignition’ moet de efficiëntie zeker factor tien omhoog.
Lockheed Martin: Compact Fusion Research & Development
De kernfusiegroep van Lockheed Martin zegt, met hun ontwerp een levensvatbare kernfusiereactor te kunnen bouwen. Bijzonder aan hun ontwerp is dat het erg compact is voor de hoeveelheid vermogen die de centrale wil gaan opwekken. In sterren zoals de zon vindt kernfusie plaats door de zeer hoge temperaturen, boven de tien miljoen graden, in de kern. Ook in traditionele ontwerpen zoals de tokamak is de temperatuur van het plasma tientallen miljoenen graden. Dit is tienduizenden malen hoger dan zelfs de meest geavanceerde materialen aankunnen, dus technici maken gebruik van zeer sterke magneetvelden om het plasma opgesloten te houden. Bij kleine volumes lekt er veel energie weg. De reden dat experimentele reactoren zoals ITER meer dan tien meter in omvang zijn. Lockheed kiest voor een ontwerp dat in principe op een vrachtwagen past. Naar opgave van de fabrikant moet het uiteindelijke model een stad van 100.000 mensen van energie kunnen voorzien.
Technicus bij een prototype. Bron: Lockheed Martin
Lockheed heeft nu een patent ingediend[2]. Drie andere patenten staan op de rol.
Lockheed Compact Fusion Reactor now uh... less compact
Overigens bestaat er behoorlijk wat scepsis over de claims van Lockheed. Ook lijkt de nieuwste incarnatie van hun reactor nu een factor 100 groter volume te hebben, en hiermee aardig in de buurt te komen van low-beta concurrenten zoals ITER. To be continued.
Lithium-ionbatterijen, nu erg prijzig, kunnen voor de helft van de kosten worden gemaakt. Daarmee zouden elektrische auto’s rond 2020 definitief kunnen doorbreken. Dat melden ontwikkelaars van 24M, een spinoff van de Amerikaanse technische universiteit MIT.
Lithium is het lichtste metaal, lichter dan water zelfs en ook erg energiedicht. Ideaal voor batterijen dus, en daar wordt het ook veel voor gebruikt. Helaas is lithium vrij zeldzaam, omdat vrijwel alle lithium in het heelal tijdens de oerknal is ontstaan, en sindsdien het metaal even snel wordt geproduceerd als afgebroken in sterren. De totale winbare lithiumvoorraad wordt geschat op 13,5 miljard kg (bij een lithiumprijs van 5 dollar per kilo) op land. Dit is 2 kg per mens. Verder zijn er 200 miljard kg opgelost in zeewater (bijna 30 kg per mens), die zonder goedkope energie veel duurder zijn om te winnen. Ruim voldoende om elke wereldbewoner aan een elektrische auto te helpen. In principe heb je aan 80 gram lithium nodig om een kilowattuur energie op te slaan. Wat lithiumbatterijen zo zwaar maakt, is de ombouw van andere, logge atomen.
De batterijen zijn erg flexibel en kunnen dus in bijvoorbeeld dekens worden verwerkt. Bron: 24M
Op dit moment zijn lithiumbatterijen relatief duur. Een kilowattuur opslaan kost je al gauw 200 euro. Een kilowattuur is voldoende om ongeveer 3-4 kilometer mee te kunnen rijden. Wil je 300 km kunnen rijden voor je bij moet laden, dan moet je dus 200 x 300/3 = 20.000 euro besteden aan batterijen. De reden dat elektrische auto’s zo duur zijn.
Lukt het om deze prijs te halveren tot 100 euro, dan worden elektrische auto’s ongeveer even duur als benzineauto’s en zullen automobilisten massaal overstappen op de elektrische auto. Elektriciteit is per km namelijk voordeliger dan benzine, vooral als je veel moet remmen. Dan kan de elektrische auto namelijk de energie terugwinnen. Vooral natuurlijk, als je ’s zomers je autootje met je eigen zonnepaneel op kan laden….
De nieuwe lithium-ion batterij van 24M Technologies is veel compacter dan traditionele batterijen en kost daarom maar de helft per kWh.
Grote man achter het nieuwe ontwerp is Yet-Min Chiang, oprichter van de batterij-startup A123. De nieuwe productietechniek elimineert onnodige productiestappen en maakt het ontwerp van de lithium-ion batterijen veel simpeler dan nu. In plaats van een groot aantal platen, bevat het nieuwe type maar twee blokken. De batterijen vormen een soort mengvorm van vaste-stof en vloeibare opslagbatterijen. Hierdoor hoeven de ionen maar een korte afstand te reizen en kan tachtig procent van het bulkmateriaal, dat de eigenlijke batterij ondersteunt, worden weggelaten. Het gevolg: de batterij wordt compacter, lichter en zuiniger. Ook kan de batterij in één stap worden gefabriceerd: er vormen zich poreuze elektroden doordat de suspensie met deeltjes neerslaat.
De batterijen zijn ook veel flexibeler en veiliger dan traditionele batterijen.
Er zijn al tienduizend exemplaren van het nieuwe model uitgeleverd aan grote elektriciteitsmaatschappijen in Zuid-Oost Azië, die de batterijen nu op grote schaal uittesten. Chiang verwacht daarom dat rond 2020 de productiekosten onder de honderd dollar per kWh opslag komen te liggen. Waarmee hij zowel de grote industriële afnemers, als de consumenten in de vorm van goedkope elektrische autoaccu’s zou kunnen bedienen.
Chiangs plannetje zou wel eens kunnen slagen, wat uitermate goed nieuws voor het klimaat en de mensheid zou betekenen.
De Tunesische startup Saphon ontwikkelde een windturbine die 2,4 maal zo efficiënt windenergie omzet als een standaard windmolen. Dat zonder bewegende wieken, voor 45% minder kosten. Kan windenergie op land nu eindelijk doorbreken?
Problemen met windenergie
Windenergie is in winderige landen met weinig zon als Nederland, een aantrekkelijke bron van elektriciteit. De Nederlandse windmolens uit de Gouden Eeuw zijn een icoon voor het toerisme. Hun moderne opvolgers, de windturbines, zijn echter veel minder geliefd. Overal klagen omwonenden over de ‘wieken des doods’, die met hun roterende slagschaduwen het woongenot verminderen, vogels aan een voortijdig einde helpen en tot overmaat van ramp ook een aanzienlijk deel van de tijd stilliggen. Kortom: de windenergie-industrie snakt naar een technologie die deze problemen oplost. Deze technologie lijkt nu eindelijk te zijn uitgevonden.
The Saphonian - Illustration
Wiebelende schotel
Tunesië, dat op de plek ligt van het vroegere Carthaagse Rijk, is het meest ontwikkelde land van Noord-Afrika en het enige land waar de bloederige islamistische winter ook echt als een Arabische Lente uit heeft gepakt. De Tunesiërs beschikken niet over olie, maar overleven door handel en industrie. De huidige regering ziet creativiteit en innovatie als essentieel voor de toekomst. Kortom: een vruchtbare bodem voor een uitvinding als de Saphonian.
De Saphonian heeft een radicaal verschillend werkingsprincipe. De windturbine heeft geen draaiende onderdelen zoals wieken. Als de wind er langs blaast, beweegt de kap voortdurend in een soort achtvorm en wekt door deze beweging stroom op. De kapvorm heeft een luchtweerstandscoëfficiënt van 2,4 en vangt hiermee veel meer wind dan een conventionele windmolen. Een van de uitvinders met een prototype van de Saphonian.
De directeuren van Saphon, Hassine Labaied en Anis Aouini, claimen dat hun laatste prototype een efficiëntie heeft die 2,4 maal zo hoog ligt als van conventionele windturbines en 45% goedkoper te maken is. Dit, omdat dure onderdelen als de wieken en de versnellingskast ontbreken. In plaats van de versnellingskast maakt het systeem slim gebruik van hydraulica: water onder druk. Dit heen en weer bewegende water drijft een turbine aan. Hierdoor kan het systeem ook energie opslaan, wat een tweede netelig probleem voor de doorbraak van windenergie, energieopslag, voor een deel oplost.
Saphon Energy Story
Oplossing voor overlast door windmolens
Speciaal voor de Nederlandse context is de Saphonian denk ik de uitvinding waar iedereen op zit te wachten. Geluidsoverlast door de wieken en de bedreiging die de snel ronddraaiende structuren vormen voor vogels en vleermuizen, worden hiermee opgelost. Een hydraulisch systeem maakt energieopslag in bijvoorbeeld een stuwmeer erg interessant. Een rijtje Saphonians langs de Afsluitdijk of andere zeedijken, zou een aanzienlijk deel van de Nederlandse elektriciteitsproductie voor haar rekening kunnen nemen. Op dit moment kost het opwekken van windenergie ongeveer € 0,07 per kWh. Als de getallen van beide heren kloppen, dan dalen deze kosten met meer dan de helft tot drie cent per kWh of minder. Hiermee wordt zelfs de goedkoopste elektriciteitsbron op dit moment, de zeer vervuilende kolen, met afstand geklopt. De Saphonian slaat de Betz-limiet – en daarmee andere windturbines- met stukken.
Enige scepsis is altijd op zijn plaats bij “revolutionaire” technologie. het is niet ondenkbaar dat het hier om de zoveelste energie-scam gaat. De website metabunk.org blijft sceptisch[2]. Het is niettemin goed denkbaar dat de uitvinders niet willen dat hun techniek uitlekt. Op zich garandeert dit revolutionair nieuwe ontwerp wel dat de Betz-limiet niet opgaat. Microsoft, niet een bedrijf dat bekend is als starry-eyed idealisten, stapt ook in[3]. Per saldo lijkt dit dus toch een serieuze techniek.
Klei, een overvloedig aanwezig en goedkoop natuurlijk materiaal, is het hoofdingrediënt in een supercondensator die kan opereren op zeer hoge temperaturen, aldus onderzoekers van de Texaanse Rice Universiteit die het apparaat hebben ontwikkeld. Wordt op termijn robotverkenning van het Venusoppervlak mogelijk?
Het belang van supercondensatoren
Willen we motoren die op fossiele brandstoffen lopen vervangen door elektriciteit, dan moeten we in staat zijn minimaal evenveel bruikbare energie in een elektrisch opslagmedium op te slaan als in een even grote tank benzine. Lithium ion batterijen, op dit moment het minst slechte alternatief, presteren beroerd. Supercondensatoren, die elektriciteit niet als chemische energie maar als lading opslaan, zijn veelbelovende opvolgers. Mede omdat ze heel snel hun energie afgeven en een vergeleken met lithium-ion, niet veel lagere opslagcapaciteit hebben. Ze combineren voordelen van batterijen en condensatoren. Daarom is er veel interesse voor supercondensatoren.
Hoge-temperatuur supercondensator eindelijk mogelijk
Materiaalkundige Pulickel Ajayan meldde in het wetenschappelijke tijdschrift Scientific Reports, dat de door hen ontwikkelde supercondensator betrouwbaar is tot temperaturen van 200 graden boven nul en mogelijk zelfs boven deze grens. Dit maakt de supercondensator erg nuttig als energiebron voor toestellen die in zeer echte extreme omstandigheden werken, zoals bij olieboren, militaire toepassingen en de ruimte.
Supercondensator voor extreem hoge temperaturen. Komt Venus eindelijk binnen bereik? Bron: Rice Univ.
“Onze bedoeling is om afscheid te nemen van conventionele elektrolyten die beperkt zijn tot lage temperaturen,†aldus Arava Leela Mohana Reddy, hoofdauteur van het artikel en een voormalig collega van Pulickel Ajayan.
“Een membraanelektrolyt op basis van klei is een fundamentele doorbraak, die een van de belangrijkste beperkingen opheft voor elektronica om te functioneren in zeer hete omgevingen,†vult Reddy aan. Bijkomend voordeel is dat geen dure temperatuurregeling meer nodig is.
Ionische vloeistoffen
Al vele jaren proberen onderzoekers om hoge-temperatuur energie-opslagmethoden te ontwikkelen. Dit is echter verre van gemakkelijk. Dat komt, omdat traditionele elektrolytische condensatoren gebruikmaken van vloeistoffen als water. Water en vergelijkbare vloeistoffen verdampen of vallen uit elkaar bij hoge temperaturen. Een ander probleem is dat de separatoren binnen condensatoren krimpen bij hoge temperaturen, waardoor er kortsluiting ontstaat. Een separator houdt beide polen van een batterij uit elkaar, waardoor geen kortsluiting kan ontstaan, maar ionen wel van de ene pool maar de andere pool kunnen reizen.
De Rice researchers geleid door Reddy and Rachel Borges losten beide problemen tegelijkertijd op. Eerst onderzochten ze room-temperature ionic liquids (RTILs) die in 2009 door Europese en Australische onderzoekers zijn ontwikkeld. Ionische vloeistoffen zijn een mengsel van positieve en negatieve ionen. Gesmolten keukenzout is bijvoorbeeld een ionische vloeistof. RTILs geleiden slecht bij kamertemperatuur maar wat er minder stroperig en beter geleidend wanneer ze worden verhit.
Klei als “natuurlijke” condensator
Klei heeft een nanostructuur die bestaat uit silicium-zuurstof plaatjes, waartussen watermoleculen en ionen kunnen kruipen. Dit maakt klei een populair mineraal onder landbouwers, maar daardoor in principe ook erg geschikt als supercondensator. “Klei heeft een hoge thermische stabiliteit en hoge absorptiecapaciteit, een enorm actief oppervlak en hoge doorlaatbaarheid,” in de woorden van Reddy. Ook wordt klei algemeen gebruikt bij de oliewinning, in de moderne bouwtechnieken, in moderne constructie, in medische applicaties en als een binder in ijzer en staalconstructies. In hun vondst neemt de ionische vloeistof de plaats van water in.
Na het combineren van gelijke hoeveelheden RTIL en bentoniet (een natuurlijk voorkomende kleisoort) in een pasta, persten de onderzoekers het tussen lagen van gereduceerd grafeenoxide en geleiders om een supercondensator te vormen. Testen en opnames met de elektronenmicroscoop daarna toonden dat ook na verhitting tot 200 graden het materiaal niet achteruit ging. Het materiaal kon zelfs verhit worden tot 300 graden zonder dat er veel verandering optreedt in het materiaal. De ionengeleiding neemt lineair toe tot rond de 180 en verzadigd op 200 graden Celsius.
Ideaal voor hoge temperaturen
Er werd een kleine terugval gemeten in het begin, maar de supercondensatoren bleven stabiel gedurende 10.000 testcycli. Sterker nog: zowel energiedichtheid als afgifte vermogen steeg twee ordes van grootte als de temperatuur toenam van kamertemperatuur tot 200 graden Celsius.
In een vervolgstap combineerde het team het RTIL/klei mengsel met een kleine hoeveelheid thermoplastisch polyurethaan (PUR) om een membraan te vormen dat in verschillende afmetingen kan worden gesneden. Dit verhoogt de toepasbaarheid uiteraard flink. Het is mogelijk dat er in de verdere toekomst ook een variant wordt ontwikkeld die resistent is tot temperaturen rond de vijfhonderd graden. Dan kunnen we eindelijk een ruimtesonde ontwikkelen die een reis naar Venus overleeft.
De doorbraak van elektrische auto’s wordt geremd door slechts één barrière: het ontbreken van een lichte, compacte en betaalbare accu. De lithium-lucht accu, waar we al eerder over schreven, belooft minimaal een tien keer zo grote capaciteit voor hetzelfde gewicht. Wordt dit de doorbraak waar we al jaren op wachten?
Fata morgana Lithium-lucht batterijen zijn, vergeleken met de nu in zwang zijnde lithium-ion batterijen, potentieel in staat de capaciteit enorm te verhogen. Dit, omdat lithium-luchtbatterijen gebruik maken van de zuurstof uit de lucht in plaats van een zwaar molecuul dat de elektronen van het lithium opneemt. Lithium wordt dan omgezet in lithiumperoxide, Li2O2. Tot zover de theorie. Het gewichtsrendement van een dergelijke batterij is enorm: lithium, het lichtste metaal dat onder aardse omstandigheden bestaat, heeft een atoommassa van 6, dus absorbeert hier per drie atomaire massa-eenheden een elektron. Ter vergelijking: de welbekende “loodzware” lood-sulfaataccu uit auto’s met een verbrandingsmotor heeft daar rond de 150 atomaire massa-eenheden voor nodig, met bovendien een lagere bronspanning. De praktijk is heel wat weerbarstiger. Weliswaar is er vooruitgang geboekt bij de instroom van lucht in de batterij en de zuurstof ook werkelijk laten reageren met het lithium, maar er is een vervelend probleem: zuurstof reageert ook met de onderdelen van de batterij waarbij dat niet de bedoeling is.
Lithium, het lichtste vaste element, is een veelbelovend materiaal voor energieopslag. Bron: Wikipedia
Eindelijk lithium-luchtbatterij met lange levensduur?
Het gevolg is dat de lithium-luchtbatterij maar enkele keren opgeladen kan worden voordat deze de geest geeft. Nu hebben onderzoekers een materiaal gevonden dat niet met zuurstof reageert, waardoor de batterij ook meerdere keren opladen blijft functioneren. Nog meer goed nieuws is dat de batterij in theorie meer dan tien maal zoveel energie kan opslaan als een lithium-ion batterij met dezelfde massa.Hierbij slaagden ze erin te voorkomen dat in het proces van omzetting van lithium in lithium peroxide, er een zuurstofradicaal ontstaat. Een radicaal is een incompleet molecuul met een niet-gebonden elektron en hierdoor chemisch extreem agressief. Dit radicaal tast de elektrolyt aan dat geladen ionen van de ene elektrode naar de andere transporteert. De vorming van het zuurstofradicaal is onvermijdelijk, maar de gevoeligheid van de elektrolyt voor zuurstofradicalen kan worden vermeden.
Nauwelijks capaciteitsverlies na honderd keer opladen
De auteurs ontdekten een mengsel van een koolwaterstof (tetraetheen-glycol dimethyl ether) en het lithiumzout LiCF3SO3 dat bestand bleek tegen het radicaal. Dit werkte goed op kamertemperatuur en, nog prettiger, het bleek de zuurstofreacties zo snel te doorlopen dat er nauwelijks tussenproducten te meten waren. LiCO3+, dat wordt gevormd als zuurstof met lithium en de koolstofelektrode reageert (een teken dat de elektrode wordt aangetast), werd niet aangetroffen, aldus de auteurs. In de proefopstelling bleek dat ook: na de honderdste keer opladen vond er nauwelijks capaciteitsverlies plaats vergeleken met de twintigste keer opladen. Voor een auto betekent dat al gauw een levensduur van minstens twee jaar. Ook bij verschillende lading bleek het materiaal goed te presteren.
Extreem hoge energiedichtheid
Hoewel het elektrodemateriaal niet altijd het zwaarste deel van de accu vormt, wat vergelijken moeilijk maakt, biedt dit toch de nodige perspectieven. Bij een hoge ontladingssnelheid is de accu volgens de auteurs in staat 13,5 kWh per kg elektrode op te slaan. Dat is meer chemische energie dan er in een liter benzine of diesel zit en, aangezien elektromotoren bijna 100% efficiënt zijn, betekent dat het bereik van een dergelijke auto meer dan tien maal groter zal zijn dan dat van een benzineauto. De auteurs zijn voorzichtiger en gaan uit van een factor tien lager, maar zelfs dan zou deze techniek bestaande batterijen, met een capaciteit van rond de 0,15 kWh per kg, verre overtreffen. Kortom: laten we hopen dat deze techniek deze beweringen waarmaakt.
Hiermee zou het peak-oil probleem geheel opgelost zijn – zonnepanelen zijn nu al goedkoop genoeg om aardolie als energiebron weg te concurreren.
Ammoniak is vooral bekend als het kwalijk riekende goedje dat in water is opgelost in ammonia. Uit onderzoek blijkt nu dat het vrij eenvoudig is te gebruiken als autobrandstof. Bij verbranding komt in theorie alleen stikstofgas en water vrij, dus niet de door klimaatactivisten zo gevreesde CO2. Hoe kansrijk is ammoniak als autobrandstof?
Ammoniak, NH3, ruikt weliswaar niet erg lekker, maar heeft een aantal interessante eigenschappen om als autobrandstof te kunnen worden gebruikt.
Wat is ammoniak? Ammoniak, NH3, bestaat uit een stikstofatoom (N) waaraan drie waterstofatomen (H) zijn verbonden. Ammoniak bestaat uit twee veel voorkomende atoomsoorten: onze atmosfeer bestaat voor viervijfde uit stikstofgas en waterstof zit onder andere in water. Het molecuul heeft een positieve lading aan de kant waar de drie H-atomen zitten en een negatieve lading waar het N-atoom zit. De positieve en negatieve ladingen trekken elkaar aan. Net als water, H2O, heeft ammoniak daarom een voor zo’n klein en licht molecuul hoog kookpunt: 33 graden onder nul. Daarom is het gas makkelijk onder hoge druk als vloeistof op te slaan.
Als ammoniak verbrandt, gaat dat volgens de chemische reactie 4 NH3 + 3 O2 ->2N2 + 6 H2O. Hierbij komt per kilo ammonia 22 megajoule vrij, dat is ongeveer de helft van de meer dan 44 MJ die bij benzineverbranding vrijkomt. Ammonia is dichter dan benzine, dus de energie per liter verschilt minder: 20 MJ versus 31 MJ. Dit is te vergelijken met ethanol (alcohol). Met een iets grotere tank zou je dus ook met ammonia grote afstanden kunnen afleggen.
Nadeel is wel de penetrante geur en overlast voor de omgeving. Juist om die reden worden er aan varkenshouderijen zware eisen aan de maximale ammoniakuitstoot gesteld. Bij zeer hoge concentraties is het gas dodelijk. De veiligheidslimieten voor ammoniak zijn met 50 ppm vergelijkbaar met die voor benzine. Ammoniak is echter niet kankerverwekkend: ons lichaam maakt de stof zelf aan, als afbraakproduct van eiwitten.
Ammoniak ideale vervanger voor benzine?
Volgens John Fleming van SilverEagles Energy in de Texaanse universiteitsstad Lubbock is om deze redenen: schone verbranding, redelijk hoge energiedichtheid en makkelijk als vloeistof op te slaan, ammoniak de logische keus. De infrastructuur voor benzinetransport hoeft voor ammoniak niet omgebouwd te worden. Fleming en Tim Maxwell van de Texaanse technische universiteit in dezelfde plaats ontwikkelen een systeem dat gebruikt kan worden om ammoniak in vulstations te produceren. Dit gebeurt in twee stappen: in de eerste stap wordt water met elektriciteit gesplitst in waterstof en zuurstof, in de tweede stap wordt er ammoniak van de waterstof gemaakt door stikstof uit de lucht bij te voegen. Dit proces, het Haber-Bosch procédé, is de manier waarop ammoniak voor kunstmest wordt gemaakt en is verantwoordelijk voor 0,75% tot 1% van het totale energieverbruik in de wereld. Hun reactor is veel kleiner en kan ammonia vrij goedkoop maken.
Hun systeem heeft wel wat weg van een motor. In de eerste stap worden waterstof en stikstof snel in een zuiger samengeperst, waardoor de temperatuur oploopt tot vierhonderd graden. Dit hete mengsel wordt in de volgende kamer gelaten met roest als katalysator waardoor de stikstof en waterstof sneller met elkaar reageren tot ammonia. In een derde kamer decomprimeert het mengsel tot kamertemperstuur en drijft zo de zuiger aan waarmee het gas in de eerste stap wordt samengeperst. Dit bespaart de nodige energie. Uiteindelijk wordt het hele gasmengsel gekoeld tot -75 graden, waardoor de ammonia condenseert en kan worden geoogst. De onderzoekers claimen dat deze stap voor omgerekend iets meer dan $ 0,20 (15 eurocent) per liter kan plaatsvinden.
Het hele systeem past in een zeecontainer en kan zo naar tankstations worden gereden. Hun installatie kan tussen de 4000 en 40 000 liter vloeibare ammonia per dag produceren. Dat is voldoende voor 100 tot 1000 tankbeurten per dag.
De visie van SilverEagle voor de stikstof-waterstofeconomie. Hun plan: de VS helemaal onafhankelijk maken van buitenlandse energieleveranciers. Klik voor een vergroting.
Hoe kom je aan de waterstof?
Hete hangijzer is uiteraard de waterstof. Weliswaar komt een beetje energie vrij bij de reactie van waterstof en stikstof tot ammoniak, maar die waterstof moet met heel veel energie gemaakt worden. Fleming en Maxwell beweren ook dit ‘probleempje’ opgelost te hebben. Standaard elektrolyseapparatuur bestaat uit meer dan honderd twee-voltelementen achter elkaar, m.a.w. in serie. Flemings toestel verlaagt het voltage met een transformator van de Amerikaanse netspanning van 240 volt naar 1,75 volt. Hierdoor volstaan slechts acht cellen, wat uiteraard veel goedkoper is om te fabriceren en te onderhouden. Volgens Fleming kan hij voor $2,80 (plm. 2 euro) per kilo waterstof produceren. Dit is de helft van de normale kosten van elektrolyse.
Bijmengen van ammoniak in benzine kan nu al
De auto’s van nu kunnen al op een mengsel waarin 10% ammonia bij is gemengd rijden volgens Fleming. Flexibele-brandstof voertuigen, die rijden op een mengsel van benzine en ethanol, kunnen zelfs op 85% ammonia rijden. Zulke auto’s hebben geavanceerde elektronica aan boord die aan de hand van metingen aan de brandstof, het gedrag van de motor (ontstekingstijden, hoeveelheid brandstofinspuiting) e.d. aanpassen. Herprogrammeren van deze software is in principe voldoende. Ook moet het voertuig een speciale tank krijgen om de ammonia onder druk in op te kunnen slaan. Op dit moment werkt het team aan een 100% op ammonia rijdende motor. Deze wekt elektriciteit op uit de beweging van de zuigers, waarmee weer elektromotoren die de wielen aandrijven, worden aangedreven.
Compacte kunstmestfabriek en energieopslag voor ontwikkelingslanden
Of het apparaat een succes gaat worden is onbekend. Wij zien in ieder geval alvast één toepassing: als compacte kunstmestfabriek voor ontwikkelingslanden. In Nepal heb je bergdalen die alleen met een dagenlange voettocht te bereiken zijn. Dit zijn ook gebieden waar veel honger is. Een dergelijke fabriek, aangedreven op zonne-energie of waterkracht, zou wel eens heel wat mensenlevens kunnen redden. Ook is de ammonia uiteraard een bruikbaar opslagmiddel van energie. Daarmee kan je een generator aandrijven in de avonduren.
Misschien een wat nederige toepassing vergeleken met de verstrekkende plannen van de oprichters[2], maar het zou heel interessant kunnen zijn.
Fossiele brandstoffen raken nu in hoog tempo op. Vooral op hogere breedtes, wil het nog niet erg opschieten met zonne-energie. Kan kernenergie ons redden uit de nood?
Wat is het principe van kernenergie?
Kernenergie maakt gebruik van de energie in atoomkernen. De kracht waarmee deeltjes in de atoomkern elkaar aantrekken en afstoten is de sterke kernkracht. Deze kracht is vele ordes van grootte groter, dan de krachten die verantwoordelijk zijn voor chemische reacties. Daarom komt er miljoenen malen meer energie vrij als een kilo uranium wordt gesplitst, dan als een kilo uranium wordt verbrand tot uraniumoxide.
IJzerkernen, die met bijna zestig kerndeeltjes middelzwaar zijn, zijn energetisch gezien het gunstigst.
Cerenkovstraling rond een reactorkern. Deze straling, veroorzaakt door subatomaire deeltjes die sneller reizen dan het licht in (hier) water, komt vaak vrij bij de opwekking van kernenergie. Bron
Er komt dus energie vrij als grote kernen (zoals die van uranium met 235 of 238 kerndeeltjes) gesplitst worden in kleinere (kernsplijting). Of als kleine kernen (zoals die van waterstof met maar één of twee kerndeeltjes) samensmelten tot grotere (kernfusie). In beide gevallen komen de nieuwe kernen dichter in de buurt van ijzer. Kernfusie is zeer lastig onder controle te brengen. Zestig jaren van intensief onderzoek hebben nog steeds geen werkende kernfusiecentrale opgeleverd. In de praktijk is kernsplijting de enige vorm van kernenergie die we kunnen gebruiken. Als je waterstofbommen niet meerekent, dan.
Instabiele kernen
Van sommige zware atoomsoorten (zoals uranium-235) zijn de kernen metastabiel. Als er een extra kerndeeltje zoals een neutron bij komt, dan valt de kern snel uit elkaar. Namelijk, in kleinere kernen en in neutronen, die de reactie op gang houden. Hierbij komt veel energie vrij. Dit gebeurt in kerncentrales en, in een kettingreactie, in atoombommen.
Kerncentrales moeten dus de hoeveelheid neutronen indammen om te voorkomen dat de centrale verandert in een atoombom. Bijvoorbeeld, door neutronen absorberende cadmiumstaven in de kern te laten zakken. Daarom zijn moderne kerncentrales passief ontworpen. Namelijk, als de stroom om elke reden dan ook uitvalt, zakken de staven direct. Deze staven vegen alle vrijkomende neutronen op. En stoppen zo de kernreacties.
Naar schatting is de EREOI tien. Er komt namelijk ongeveer tien keer zoveel energie uit een kerncentrale als het kost om de centrale te bouwen en de uranium te winnen. Dit is te vergelijken met een kolencentrale.
Kerncentrales en hergebruik van uranium
Kerncentrales zijn oorspronkelijk door de Amerikanen ontworpen om kernwapens mee te kunnen maken. Daarom wordt een lastig, energievretend proces gebruikt om uranium te verrijken tot een splijtbare 3-5% (van nature bevat uranium maar 0,72% uranium-235). Want dat proces is handig om uranium geschikt te maken voor gebruik in atoombommen, denk dan aan 70-80% U-235. Met het verarmde uranium (dat vrijwel zuiver U-238 is) maken Amerikaanse wapenfabrikanten mooie dingen voor het Amerikaanse leger. Denk aan sterke tankpantsers en alles doordringende kogels. Wat niet alleen de vijand, maar ook de eigen soldaten en Iraakse kindertjes erg ziek maakt. Want uranium is naast zwak radioactief, ook extreem giftig.
Uiteraard is net als in bijvoorbeeld kolencentrales maar een fractie van deze energie uiteindelijk in elektriciteit om te zetten. Kerncentrales werken met een stoomturbine. De hitte die vrijkomt bij de kernreactie verdampt water of een andere vloeistof, waarvan de damp een dynamo aandrijft. Kerncentrales bereiken ongeveer 30% rendement.
CANDU: kernenergie zonder atoombommen
De Canadese noorderburen hadden niet zoveel geld en ook geen behoefte aan atoombommen. Ze vonden daarom de energiezuiniger, en veel veiliger, CANDU-reactor uit. Deze werkt op niet-verrijkt, natuurlijk uranium. CANDU, een aanmerkelijk slimmer concept, is 30-40% zuiniger dan bijvoorbeeld Borssele. Sterker nog: het afval van Borssele kan in een CANDU opgestookt worden. Een CANDU kan ook thorium (dat drie keer zo veel voorkomt als uranium) opstoken. Reken er alleen niet op dat er een CANDU in Nederland komt. We hebben hier één van de grootste uraniumverrijkende fabrieken ter wereld, Urenco, die zoals bekend veel aan ontwikkelingssamenwerking deed.
Kweekreactoren: meer lol van je uranium
Van nature wordt een paar procent van het U-238 in een reactor ook getroffen door neutronen.
In deze verarmd-uranium granaat zit evenveel kernenergie als in duizenden vaten olie. Toch wordt dit gebruikt om oliebronnen mee te veroveren. Een beetje dom.
Dit verandert dan in plutonium (Pu-239), dat net zo makkelijk splijt als uranium-235. Ook met plutonium kan je dus atoombommen maken. En, omdat dit chemisch verschilt van uranium, is het makkelijker uit het kernafval te halen. Stel, je bent in staat om alle U-238 in een reactor om te zetten in Pu-239. Dan zou dat de opbrengst in energie meer dan 100x groter maken.
Dat kan met een kweekreactor. Dat is een kernreactor, die meer splijtbaar materiaal produceert dan deze consumeert. Een kweekreactor verwerkt eerst een beginlading van verrijkt uranium of plutonium, Dit om de reactie op gang te brengen. Daarna volgt een vulling met uranium-238 en/of thorium. Nadeel van kweekreactoren is dat de kernreactie lastiger te beheersen is. Er zijn hoge neutron dichtheden nodig om veel nieuwe kernbrandstof te produceren. Dat brengt het systeem dichter bij een snel uit de hand lopende kettingreactie. Dit maakt kweekreactoren ingewikkeld, duur en storingsgevoelig.
Thoriumreactoren
India beschikt over ongeveer een derde van de thoriumvoorraad in de wereld. Thorium, een zwaar, hard grijswit metaal, komt drie keer zo veel voor als uranium. Geen wonder dat vooral India onderzoek doet naar kernreactoren waarin thorium een belangrijke rol speelt. Een andere prettige kant aan thorium is dat vrijwel alles reageert en dat thorium vrijwel geheel voorkomt als thorium-232, de splijtbare vorm. Een thoriumreactor is dus in feite al een kweekreactor. Op dit moment wordt door de Indiërs veel onderzoek gedaan naar thorium. India onderzoek de mogelijkheden om thorium-gebaseerde reactoren werkend en winstgevend te krijgen. Als dit lukt, zal er voor vele honderden jaren voldoende energie zijn voor de gehele wereld. Tijd genoeg dus om nieuwe energiebronnen zoals fusie te ontwikkelen.
Steeds meer mensen in de Derde Wereld kunnen zich een auto veroorloven. De kansen worden steeds groter dat dat een elektrische auto wordt. Goed nieuws ook voor ons, want hoe meer lithiumaccu’s er worden gemaakt, hoe goedkoper elektisch rijden ook voor ons wordt. Moeten bepaalde onaangename oliedictaturen straks een andere inkomstenbron gaan zoeken?
De Chinese lithium-revolutie
In China zijn elektrische fietsen razend populair. Geen wonder, ze zijn zuinig, goedkoop en gebruiksvriendelijk. Er worden er dertig miljoen van verkocht. Per jaar.
Goedkoop, handig en milieuvriendelijk. In China is de elektrische fiets een ongekend succesverhaal.
Tot voor kort werden ze uitgerust met zware loodaccu’s.
De Chinese overheid heeft nmu echter maximumgewichten voor elektrische fietsen vastgesteld waardoor fabrikanten massaal overstappen op lithium-ion accu’s.
Dat is goed nieuws, want hoe meer lithium-ion accu’s worden geproduceerd, hoe goedkoper ze worden.
Ook voor elektrische auto’s en andere toepassingen.
Wel wordt makkelijk winbaar lithium schaarser.
Koning Shell
In talrijke welvarende, westerse landen bestaat er nog veel weerstand tegen de overschakeling op elektrisch.
Wikileaks onthulde dat de Nederlandse overheid zich het vuur uit de sloffen loopt voor Shell. Volgens hardnekkige geruchten is het koninklijk huis grootaandeelhouder.
Geen wonder: alleen in Nederland al brengt de brandstofaccijns zo’n negen miljard euro per jaar op en zoals bekend uit Wikileaks geniet oliegigant Koninklijke Olie/Shell een uitzonderingspositie die andere grote bedrijven niet genieten. Massale overschakeling op elektrisch betekent zowel verlies van bijna tien miljard aan accijns als ruzie met de Shell-top (en grootaandeelhouders van Shell, zoals volgens sommige hardnekkige geruchten het koninklijk huis uiteraard) die not amused zullen zijn.
India en China kiezen strategisch voor elektrisch
Gelukkig is de technische vooruitgang niet afhankelijk van visieloze Nederlandse politici. We zien dat in grote landen zonder veel eigen energiebronnen zoals India en China nu stevig door wordt gepakt. India kan door middel van thorium straks in een groot deel van zijn energiebehoefte voorzien. Elektrische auto’s voorkomen dat India en China aan het aardolie-infuus komen te liggen en uit worden gezogen door oliepotentaatjes zoals nu met Nederland gebeurt. Nederland importeert per jaar voor zeventien miljard euro aan olie en gas.
Megatrend: elektrisch vervoer
Dit geldt ook voor de meeste andere derdewereldlanden. Ze beschikken niet zoals de westerse landen in hun gloriedagen over de luxe van goedkope olie. Als je een energie-infrastructuur van de grond af op moet bouwen is de meest logische keuze niet een dure, schaars wordende fossiele brandstof als aardolie, maar de in tropische landen overvloedig aanwezige zon of kernenergie.
Elektriciteit heeft als voordeel dat het in energietermen een “universele valuta” is. Wat voor energiebron je ook gebruikt, je kan deze altijd (met meer of minder rendement) omzetten in elektriciteit. Kortom: beschik je over weinig geld en nauwelijks infrastructuur, dan is de meest logische keus elektrisch.
In Europa verwachten we dat Frankrijk trendsetter zal zijn. Het land produceert 80% van zijn elektriciteit niet uit fossiel, maar d.m.v. kerncentrales. Maar de grootste trendsetters zullen, heel verrassend, toch de derde-wereldlanden zijn. Times are a changing…..
Of toch maar op de fiets?
De fiets is een fitness apparaat en vervoermiddel in één. meer gebruik van de fiets lost zowel het fossiele brandstof probleem als het gezondheidsprobleem voor een belangrijk deel op.
De Quest van fabrikant Velomobiel bereikt snelheden tot boven de vijftig kilometer per uur. Alternatief voor de auto?
Cassandra Club denkt daarom dat de fiets het vervoermiddel van de toekomst zal worden.Wij denken dat binnen stedelijke gebieden de fiets ideaal is, maar dat de mogelijkheden voor langere afstanden uiterst beperkt zijn. Met de beste ligfietsen, zoals de Quest van Velomobiel, kan een fietser meer dan vijftig kilometer per uur rijden. Het wereldrecord staat op zeventig kilometer per uur. Vergeet alleen niet dat mensen door veel lichaamsbeweging meer gaan eten; landbouw kost ook veel fossiele brandstof.
