Nu al is de trein een energiezuinige manier van vervoer. Het is met de moderne technische mogelijkheden zelfs mogelijk de trein te veranderen in een netto energieproducent. De mogelijkheden.
Trein zuinige vorm van vervoer
Hans van Cassandra Club stelt, niet geheel onterecht, dat ook treinvervoer schaarse fossiele brandstoffen en kernenergie kost. Uiteraard is dit reden voor Visionair om eens even aan het rekenen te slaan met als vraag: kunnen we het spoor geheel zelfvoorzienend maken?
Op dit moment kost een reizigerskilometer met de trein om en nabij de 0,08 kWh. Dit maakt de trein (niet de energieverslindende hogesnelheidstrein) een zuinige vorm van vervoer. Het totaal aantal reizigerskilometers met de trein is 17,2 miljard, wat het totale energieverbruik op 1,3 miljard kWh brengt. Dit betekent dat het in verhouding veel makkelijker is om de trein zelfvoorzienend in energie te maken dan om dat met personenauto’s te doen.
De trein kan veel zuiniger dan nu. Het spoorwegnet kan zelfs netto een energieleverancier worden.
Energiebronnen op en in de trein en stations
Nederland kent bijna vierhonderd treinstations, waarvan de oppervlakte varieert van vier hectares tot de kleinste stations met enkele honderden vierkante meters. De totale oppervlakte van alle Nederlandse treinstations samen ligt daarom vermoedelijk rond de vierkante kilometer. Als het totale dakoppervlak hiervan bekleed zou worden met zonnepanelen, zou dit ongeveer veertig miljoen kilowattuur opbrengen. Niet gek, maar slechts drie procent van het totale energieverbruik. De daken van plattelandstations kunnen eveneens voorzien worden van enkele windgeneratoren. Een windturbine van acht meter hoog levert ongeveer twintigduizend kilowattuur. Deze kunnen ook tussen de sporen in winderige gebieden, zoals de kustprovincies, geplaatst worden. Ook dit zou enkele procenten of meer van het stroomverbruik opbrengen en, heel belangrijk, vooral in de seizoenen dat er veel minder zon is. In principe biedt het spoor in gebieden met gunstige windsnelheden ruimte voor ongeveer twintigduizend kleine windmolens, voldoende voor vierhonderd miljoen kilowattuur: dertig procent of meer van het energieverbruik.
Remenergie terugwinnen
Ook de treinen zelf kunnen enige energie opwekken, zij het uiterst beperkt: elk treinstel (er zijn, de locomotieven meegerekend, iets minder dan duizend in Nederland) is ongeveer honderd vierkante meter groot, wanneer volledig benut levert dit per jaar vier miljoen kilowattuur, drietiende procent. Voordeel is wel dat deze energie direct in de trein beschikbaar is.
De rememergie terugwinnen via bijvoorbeeld vliegwielen of elektrostatische rem levert vele malen meer energie (tot 30% besparing op tractie) op. Nadeel van de elektrostatische rem is dat de energie alleen aan een andere trein die op hetzelfde baanvak rijdt, geleverd kan worden. Gezien de korte tijd dat treinen op stations stoppen is een vliegwiel een betere, maar mogelijk gevaarlijke oplossing. Ook een ultracondensator kan, maar is erg duur.
Zonnepanelen tussen de rails en de wegbermen
Een veelvoud aan oppervlakte is beschikbaar tussen de rails en op de spoorbermen. Nederland kent 2809 km spoorlijn, voor tweederde uitgevoerd als dubbelspoor of meer. Als we een gemiddelde spoorbreedte inclusief spoorbermen aannemen van tien meter, komen we op rond de dertig miljoen vierkante meter. Hier zonnepanelen plaatsen (noodzakelijkerwijs een lagere opbrengst wegens ongunstige plaatsing en vandalismebestendige uitvoering, zeg 50% minder) betekent een energieopbrengst van zeshonderd miljoen kilowattuur: vijftig procent van het energieverbruik.
Conclusie: duurzaam spoor is haalbaar
In principe is het dus mogelijk om het spoor qua energie zelfvoorzienend te laten worden. Als de treinen wat langzamer gaan rijden neemt de luchtweerstand verder af, die is immers kwadratisch afhankelijk van de snelheid. Waarschijnlijk zijn er nog veel meer systemen te bedenken om extra energie uit de trein te peuren. Laat jullie ideeën horen!
Alle economische problemen zijn terug te brengen tot energie, want als je maar genoeg vrije energie hebt, kan je letterlijk alles maken. Een tweede, even belangrijk punt: je moet de energie ook tot je beschikking hebben op het moment dat het jou uitkomt. Wat zijn de mogelijkheden?
De zomerhitte verwarmt gebouwen in de winter. Niet voor niets wordt dit systeem steeds populairder.
Opslag als warmte
Energie is er voldoende – laat een ton water bijvoorbeeld bevriezen en je kan er 334 megajoule (meer dan 90 kilowattuur, achttien euro) uit persen. Wacht, nog niet naar de bank rennen. Helaas lukt dat niet zomaar, want het gaat hier niet om vrije energie. Je kan er pas wat mee als je de warmte ergens anders in kan dumpen. In een vat vloeibaar helium van een paar graden boven het absolute nulpunt, bijvoorbeeld.
Met een simpele formule kan je uitrekenen hoeveel: [latex]\eta=\frac{Tc-Tw}{Tw}[/latex]. Hierin is [latex]\eta[/latex] de efficiëntie, Tc de lage temperatuur en Tw de hoge temperatuur. Vul voor Tc bijvoorbeeld 3 kelvin in (-270 graden) en voor Tw 300 kelvin (27 graden), dan kom je uit op een efficiëntie van 99%. Niet gek. Helaas (of liever gezegd: gelukkig, want bij drie kelvin bevriest zelfs alle lucht tot sneeuw) wordt het nooit zo koud. Wel heb je natuurlijk het temperatuursverschil tussen de zomer en de winter. Als je diezelfde kuub water in de zomer (als het 27 graden is) kan opslaan en ’s winters als het -3 graden is aftapt, oogst je [latex] 90 kWh * \frac{300 K-270 K}{300 K}[/latex] = negen kilowattuur, tien procent rendement. Als je hoeveelheid water maar groot genoeg is, kan je zo enorme hoeveelheden energie opslaan. Dit is vooral interessant voor verwarmingsdoeleinden.
Opslag als elektrische stroom
In een supergeleider blijft een elektrische stroom in principe voor eeuwig stromen. Elektrische stroom wekt een magnetisch veld op, waarin energie wordt opgeslagen. Zodra de elektrische stroom vermindert, komt die energie weer vrij als elektrische stroom. Het grote voordeel van SMES, superconducting material energy storage is de snelheid en de efficiency. Het nadeel is dat supergeleiders sterk gekoeld moeten worden en de capaciteit in verhouding niet erg groot is. Ook ontstaan er sterke magneetvelden, waarvan de gezondheidseffecten omstreden zijn.
Ultracondensatoren laden heel snel en efficiënt. De opvolger voor de batterij?
Opslag als elektrische lading: ultracondensatoren
Een condensator slaat energie niet op als een magneetveld, maar als elektrische lading. Ook condensatoren zijn zeer snel op te laden en behoorlijk efficiënt. De laatste jaren wordt veel onderzoek gedaan naar ultracondensatoren. Die zouden namelijk ideaal zijn om een elektrische auto mee op te laden: enkele seconden (vergelijk met bijna een uur voor accu’s). Ook voor ultracondensatoren geldt dat de energiedichtheid nog niet erg groot is: per kilo kan maar 0,03 kWh worden opgeslagen, te vergelijken met 12,4 (effectief 2,4: auto’s springen niet erg zuinig met de chemische energie in benzine om) kWh per kg. In theorie kan de energiedichtheid met nog factor tien of meer worden opgekrikt.
Opslag als chemische energie
Accu’s kennen een hogere energiedichtheid dan ultracondensatoren: plm. 0,2-0,3 kWh per kg bij de beste lithium-ion batterijen. Helaas zijn de oplaadverliezen hoger omdat de ionen door vloeistof moeten stromen. Aan dit laatste wordt wat gedaan door de materialen een verfijnde nanostructuur te geven. Het verbranden van waterstof geeft de meeste energie per gram, ook omdat de zuurstof uit de atmosfeer gehaald kan worden en niet hoeft te worden meegenomen. Helaas is waterstof zeer volumineus. Een liter vloeibaar waterstof weegt maar vijftig gram. Waterstofgas is zeer lastig op te slaan. Wel is ook dit net als benzine een inefficiënt, want thermodynamisch, proces. Brandstofcellen met waterstof scoren rond de zestig procent rendement. Kortom: niet heel veel beter dan benzine of ethanol.
Veel stuwdammen doen dubbel dienst als zwaartekrachtsbatterij.
Opslag als zwaartekrachtsenergie
Door iets op te tillen stop je er zwaartekrachtsenergie in. Een ton (1000 kg) honderd meter omhoog tillen of pompen kost ongeveer 0,272 kWh. Niet erg energiedicht dus, maar de wet van de grote getallen helpt hier. In landen met veel stuwdammen wordt ’s nachts, als er weinig vraag naar elektriciteit is, water omhoog gepompt in een stuwmeer. Dit water wordt de volgende dag weer afgetapt. Nederland heeft geen hoge bergen, maar ingenieurs bedachten ooit een megalomaan plan voor een kunstmatig meer in de zee met een hoge ringdijk er om heen dat als energieopslag kon dienen.
Grote vliegwielen kunnen tientallen kilowattuur aan energie opslaan.
Opslag als bewegingsenergie
Bewegende voorwerpen, zoals ronddraaiende wielen of rijdende treinen, bevatten bewegingsenergie. Die bestaat net als elektriciteit geheel uit vrije energie (dus is zonder verlies in alle andere energiesoorten, zoals elektriciteit, om te zetten). Geen wonder dus dat veel uitvinders hierover hebben nagedacht.
De meest praktische toepassing van dit principe is het vliegwiel. Op het eerste gezicht lijkt dit weinig met scheikunde te maken te hebben maar schijn bedriegt. Op een rondtollend vliegwiel komen namelijk enorme krachten te staan, die uiteindelijk door de chemische bindingen tussen atomen opgevangen moeten worden. Vandaar dat de beste vliegwielen van extreem sterke materialen als koolstofnanovezels worden gemaakt en niet van zware materialen, zoals op het eerste gezicht logisch lijkt. De massa is hier zowel vriend (door energie op te slaan) als vijand (door het vliegwiel door de middelpuntvliedende kracht uit elkaar te trekken). Beide effecten zijn precies even groot, waardoor vliegwielbouwers alleen op de treksterkte letten. De beste vliegwielen kunnen per kilo ongeveer 0,10-0,13 kWh aan energie opslaan. In theorie kan dit nog vertienvoudigd worden of wat meer als de allerbeste koolstofnanovezels worden toegepast.
Opslaan als perslucht
Het kost energie om gas samen te persen. Deze energie is later weer af te tappen. Deze methode was eind negentiende eeuw erg populair. Het principe: in een grote natuurlijke of kunstmatige ruimte wordt lucht onder hoge druk opgeslagen. De efficiëntie is met vijftig tot zeventig procent niet erg hoog – er ontstaan de nodige verliezen door thermodynamische effecten (tenzij de tank goed wordt geïsoleerd) en inefficiëntie van de compressor. Wel zijn hiermee grote hoeveelheden energie tegen relatief lage kosten op te slaan. Een kubieke meter perslucht kan ongeveer vijf kilowattuur opslaan. Er bestaan persluchtauto’s die van dit principe gebruik maken.
Waarschijnlijk zijn er nog veel meer methodes denkbaar. Weten jullie nog nieuwe? Laat maar horen…
Met een nieuw halfgeleidermateriaal denken onderzoekers de efficiency van een zonnecel uiteindelijk tot boven de vijftig procent te krijgen. Dit zou een radicaal einde maken aan de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen in Nederland en de rest van Europa in lente, zomer en herfst.
Zonnecellen te kieskeurig
Wat wij waarnemen als wit licht bestaat uit een mengsel van fotonen die overeen komen met de kleuren in de regenboog. ‘Rode’ fotonen (700 nm) bevatten het minste energie, ‘blauwe’ fotonen, rond de 400 nm, het meeste. Zonnecellen zijn net als planten nogal kieskeurig. Ze kunnen maar een beperkt deel van alle zonlicht verwerken. De reden is dat licht in energiepakketjes, de fotonen, is verdeeld. Bevat een foton meer energie dan een elektron nodig heeft om de energiesprong te maken die een zonnecel aftapt, dan wordt de rest gedumpt als warmte. Is de energie te laag, dan krijgen elektronen onvoldoende energie te laag om de sprong te maken. Het gevolg hiervan is dat de efficiency van zonnecellen nooit de theoretische waarde van 32% kan overschrijden. Wat dat betreft doen onze allerbeste (en heel erg dure) zonnecellen, die iets onder de dertig procent halen, het niet eens zo slecht. De allerbeste commerciële cellen halen nu overigens rond de twintig procent.
Vooral bij meerlagige zonnecellen -klik voor details- schieten de rendementen de laatste jaren omhoog.
Gelukkig is er een uitweg. Door meerdere lagen in de zonnecel in te bouwen is het mogelijk het rendement flink omhoog te tillen. Fotonen die niet door de eerste laag worden geabsorbeerd, worden door de tweede en derde laag geoogst. Er zijn begin 2011 experimentele zonnecellen ontwikkeld die tot 42,4% rendement halen. Helaas zijn de materialen die daarin worden gebruikt, waaronder het zeldzame metaal indium, zeldzamer dan bijvoorbeeld goud. Ook is het fabriceren erg lastig en kost dus extreem veel energie. Wel werkt nu een enorm aantal zeer begaafde onderzoekers over de hele wereld op dit terrein en schieten de rendementen de laatste jaren enorm omhoog. Het wordt nu een race tegen de klok om op tijd voldoende zeer efficiënte zonnepanelen te kunnen ontwikkelen om peak oil af te wenden.
Galliumarsenide oogst zwakke fotonen
Met een nieuwe onderzoeksdoorbraak komt hieraan een einde. Het nieuwe materiaal is gebaseerd op een dun laagje galliumarsenide. Het dodelijk giftige arseen komt redelijk veel voor – vraag de plattelandsbewoners in Bangladesh maar waar arsenicumvergiftiging door het grondwater veel voorkomt. Gallium, een zacht metaal dat smelt in je hand, is met ongeveer één deel op een miljoen zeldzamer maar komt in zeer kleine hoeveelheden in sintels van kolencentrales voor en kost ongeveer een euro per gram. Aan materiaalkosten zal het materiaal dus hooguit enkele tientallen euro’s per vierkante meter kosten.
In het materiaal worden sommige arsenicumatomen vervangen door stikstofatomen. Daardoor ontstaan gebiedjes waarin elektronen in staat zijn ook rode en infrarode fotonen te vangen. Door meerdere fotonen te absorberen krijgen ze voldoende energie om toch de sprong te kunnen maken. Hierdoor schiet het rendement omhoog.
In de praktijk nog niet gerealiseerd
Helaas is het rendement nog steeds laag. De reden is dat de elektronen te snel terugvallen in de grondstaat, waardoor ze niet op tijd een tweede foton kunnen absorberen om te kunnen ontsnappen. Dit probleem oplossen is erg lastig. Het gevolg is dat elektronen hun energie dumpen als afvalwarmte. Voorkom je dat elektronen terugvallen in de grondstaat (bijvoorbeeld door die te blokkeren), dan is dit probleem opgelost. Helaas is dat extreem lastig, maar theoretisch is het mogelijk.De onderzoekers proberen dit probleem nu op te lossen door het materiaal ook met fosfor te ‘dopen’.
De gevolgen
Stel dat betaalbare zonnecellen zouden worden ontwikkeld met een rendement van vijftig procent of meer, dan zouden Nederlandse huishoudens voor het grootste deel van het jaar volledig in hun eigen energiebehoefte kunnen voorzien. Zuid-Europeanen zouden zelfs het hele jaar voldoende energie hebben. Ook elektrisch vervoer zou realiteit worden, als de belangrijke bottleneck van elektrische energieopslag wordt overwonnen. Als er in Nederland overvloedig spotgoedkope energie beschikbaar komt, zal er een nieuw tijdperk van ongekende welvaart aanbreken. Deze keer permanent, zolang we de bevolking min of meer stabiel houden.
In deze verarmd-uranium granaat zit evenveel kernenergie als in duizenden vaten olie. Toch wordt dit gebruikt om oliebronnen mee te veroveren. Hoezo dom?
We staan op een tweesprong wat betreft kernenergie. Kerncentrales blijken ook kwetsbaar voor aardbevingen, overstromingen en stroomuitval. Hoe gaan we daarmee om? We hebben een paar opties, met bijbehorende voor- en nadelen:
1. We gaan gewoon op dezelfde weg door. We blijven dezelfde kerncentrales bouwen. Dat wordt heel moeilijk want de omwonenden zijn geschrokken van Fukushima en eisen meer veiligheid en meer voorzorgsmaatregelen.
2. We gaan betere, superveilige kerncentrales bouwen, die nog beter bestand zijn tegen natuurrampen. Die centrales worden veel duurder. Het zal veel langer duren voordat de hoge kosten zijn terugverdiend. En het wordt nooit helemaal veilig: dat vormt een politiek probleem. Deze aanpak lost de problemen van de huidige centrales niet op.
3. We sluiten de oude, kwetsbare centrales. Het probleem is dat de stroom die nu nog in die centrales wordt opgewekt, gebruikt wordt. De oude kerncentrales, die nu in Duitsland zijn stilgelegd, zijn misschien niet essentieel voor de Duitse energievoorziening, maar ze maken deel uit van een groot internationaal netwerk, waarin elektriciteit wordt verhandeld. Een importeur van elektriciteit (Italië bijv.) kan nu moeilijker voldoende energie vinden. Als Rusland oude, onveilige kerncentrales vervangt door gasgestookte centrales, dan komt de export van aardgas naar Europa in de knel. Groot-Brittannië kampt al met een tekort aan aardgas: sluiten van de oude kerncentrales kan leiden tot elektriciteits-tekorten en stroomuitval.
4. Stoppen met de bouw van nieuwe kerncentrales en sluiten van oude onveilige centrales. Er zijn nu te weinig betrouwbare alternatieven. Slechts enkele landen kunnen zich deze veilige oplossing veroorloven.
Overige opmerkingen: De uitgewerkte radioactieve splijtstof moeten worden opgeslagen in koelbassins, die ook veilig blijven bij aardbevingen en burgeroorlogen.
Een combinatie van optie 2 en 3 lijkt de aangewezen weg. Maar de gevolgen voor de elektriciteitsvoorziening zijn groot.
Zeppelins gebruiken veel minder energie dan vliegtuigen. De techniek is nu veel beter dan in de tijd van de Hindenburg. Vormen zeppelins het antwoord op de steeds hogere brandstofprijzen?
Lift, drag en drijven in de lucht
Vliegtuigen blijven in de lucht omdat voorbij stromende lucht ze naar boven zuigt. Volgens de Wet van Bernouilli is de luchtdruk in snel stromende lucht lager. Omdat de vleugel aan de bovenkant bol is, stroomt de lucht hier sneller langs. Ook staat de vleugel schuin, waardoor de lucht naar beneden gedrukt wordt (en het vliegtuig dus omhoog). Beide effecten samen zorgen voor een opwaartse kracht (lift) en houden het vliegtuig in de lucht.
Zo werkt lift. De afbuiging van lucht naar beneden en de snel stromende lucht boven trekt de vleugel omhoog.
Een hoge snelheid betekent meer lift, omdat de lucht sneller voorbij stroomt. Daarom moeten vliegtuigen snel rijden voor ze de lucht in kunnen. Helaas betekent het ook meer luchtweerstand: drag. Zowel de liftkracht als de drag nemen kwadratisch toe met de snelheid. Drag leidt tot meer brandstofverbruik, maar is onvermijdelijk met zwaarder-dan-lucht vliegtuigen. Wel slagen vliegtuigontwerpers er in met slimme vleugelontwerpen steeds meer lift te persen uit hun vliegtuig.
Zeppelins drijven net als luchtballonnen in de lucht. Elke kubieke meter lucht heeft een massa van 1,3 kg. Dat betekent dat het vervangen van een kuub lucht door een licht gas als helium (178 gram per m3) of waterstof (90 gram per m3) een draagvermogen van iets meer dan een kilo oplevert. Dat betekent dat ze in principe ook zonder brandstof in de lucht kunnen blijven. In theorie is dat veel zuiniger. In de praktijk hebben zeppelins een enorm volume dus ook een hoge luchtweerstand, die is immers evenredig met het oppervlak dat tegen de wind in beweegt. Alleen bij vrij lage snelheden, rond de honderd kilometer per uur, zijn zeppelins daarom interessant. Een alternatief is meeliften met een straalstroom hoog in de atmosfeer. Straalstromen bereiken tot driehonderd kilometer per uur.
Nieuw zeppelin-tijdperk?
Maakt de zeppelin weer een comeback?
De VS boycotte levering van helium aan nazi-Duitsland. De Duitsers moesten daarom hun zeppelins wel met het uiterst brandbare en explosieve waterstof vullen. Dit pakte in 1936 rampzalig uit: bij een waterstofexplosie van de zeppelin Hindenburg kwamen tientallen mensen om. De spectaculaire beelden gingen de hele wereld over. Het gevolg was dat er sinds die tijd maar een enkele zeppelin, voornamelijk voor reclamedoeleinden, werd ingezet. Zwaarder-dan-lucht vliegtuigen waren veel sneller en krachtiger en goedkope olie was er in overvloed.
Welnu, de tijd van die overvloedige, goedkope olie ligt zoals bekend achter ons. Volgens Hans van Cassandraclub heeft hiermee ook de luchtvaart zijn langste tijd gehad en moeten we overstappen op zeilboten en vervoer over land.
Er zijn ons inziens andere oplossingen: vliegtuigen op zonnecellen of de roemruchte zeppelin weer uit de mottenballen halen. Helaas is ook het edelgas helium steeds schaarser aan het worden, dus we zullen onze toevlucht moeten zoeken tot waterstof, neon (waarvan de winning uit lucht veel energie kost, mogelijk kan dit als bijproduct van de winning van zuurstof, stikstof en argon) of hete lucht. Wel moeten er als wordt gekozen voor waterstof, grondige veiligheidmaatregelen worden genomen. Je kan dan denken aan compartimenten en dergelijke. Wat denken jullie?
Drijvende zonnepanelen hebben een aantal interessante voordelen. Zo is er altijd koeling bij de hand, is de centrale makkelijk te verplaatsen en levert het water draagvermogen waar anders dure constructies voor nodig zijn.
De drijvende zonnecentrale: goede oplossing voor het tekort aan energie?
Tata Power, de energietak van het alomtegenwoordige Indiase familiebedrijf, heeft een overeenkomst gesloten met de Australische zonne-energieontwikkelaar SunEngy voor de levering van een proefinstallatie voor een Liquid Solar Array (LSA) op een nog niet openbaar gemaakte plaats in India. Er wordt onder meer gedacht aan het plaatsen van deze drijvende zonnepanelen achter een stuwdam. Het voordeel is dat op deze manier anders niet benut land kan worden gebruikt. De zonnepanelen kunnen meedraaien met de zon en bij slechte weersomstandigheden onderwater duiken, waardoor de zonnepanelen worden beschermd.
Ook op zee zou een dergelijke zonnecentrale enorme hoeveelheden zonne-energie kunnen leveren. Wellicht kunnen met behulp van grote drijvende zonnecentrales tankers met waterstofgas worden gevuld, dat af wordt geleverd in Europa om daar elektriciteit mee op te wekken. Ideaal om pieken in de stroombehoefte of tekorten op te vangen. In de winter is er in Europa veel minder zonlicht dan in de zomer. De zonnepanelen zouden dan in de Middellandse Zee of Atlantische Oceaan kunnen drijven.
Veel lezers hebben al gehoord van blauwe energie: energie die vrijkomt door het mengen van zout en zoet water. Helaas vergt deze techniek dure en zeer snel dichtslibbende membranen. De entropiebatterij kent deze nadelen niet. Eindelijk een overvloedige hernieuwbare energiebron voor Nederland?
Blauwe energie: een welkome energiebron in de winter Blauwe energie staat in onder meer Nederland sterk in de belangstelling. Geen wonder. Blauwe stroom genereert stroom door op een vernuftige manier zout met zoet water te mengen en zo het verschil in zoutconcentratie in energie om te zetten.
Natriumionen zijn rood, chloorionen blauw. In vier fases wordt het concentratieverschil tussen zoet water (fase 1) en zout water (fase 3) uitgebuit.
In theorie kan dit tot een kwart kilowattuur stroom per kubieke meter zoet water opleveren. Behoorlijk veel energie dus, want de grootste rivier van Nederland, de Rijn, levert per seconde al 2200 kubieke meter water. In theorie is dit (met de Maas en andere zoetwaterbronnen er bij gerekend) bij volledige benutting 3,3 gigawatt, een zesde van de totale capaciteit in Nederland. Wat deze energiebron extra interessant maakt is dat in de winter, als er zeer weinig zonne-energie is, de wateraanvoer groter is dan in de zomer en dat het gaat om een redelijk constante bron van energie.
Ook een prettige bijkomstigheid is dat er doorgaans grote steden aan riviermondingen liggen. Erg ver hoeft de stroom dus niet getransporteerd te worden.
Geen wonder dus dat er in Nederland meerdere proefprojecten zijn gestart of in voorbereiding zijn, onder andere bij de Afsluitdijk en de Friese plaats Harlingen. Probleem is en blijft echter dat de huidige technieken gebruik maken van een filter dat snel vervuild raakt. Dit zware technische obstakel remt de ontwikkeling.
Entropiebatterij
De entropiebatterij die ontwikkeld is aan de de Amerikaanse universiteiten Stanford en Penn, werkt op een andere manier. De batterij bestaat uit twee elektrodes, één met een complex mangaanoxide (die alleen de positief geladen natriumionen aantrekt) en een zilverelektrode (die alleen de negatief geladen chloride-ionen aantrekt). Beide elektroden hangen in water.
De batterij doorloopt een cyclus van vier fases. In de eerste fase stroomt zoet water door de batterij. De natrium- en chloorionen maken zich los van de elektroden tot de elektroden vrijwel ‘leeg’ zijn. Dit kost energie maar gebeurt toch, omdat de ionen in het water veel meer bewegingsvrijheid hebben (de kans is veel groter dat een ion zich van de elektrode losmaakt dan dat één van de schaarse ionen in zoet water de elektrode weer vindt). Een klassiek voorbeeld van entropie.
In de tweede fase wordt het zoete water langzaam vervangen door zout water. De Cl- (chloorionen) stromen naar de zilverelektrode en de Na+-ionen naar de mangaanoxide-elektrode. Daardoor krijgt de zilverelektrode een negatieve lading en de mangaandioxide-elektrode een positieve lading.
In de derde fase bereikt het zoute water zijn maximale concentratie. De elektroden zijn nu verzadigd met ionen en sterk geladen, waardoor ze stroom leveren. In de vierde fase, tenslotte, wordt het zeewater langzaam vervangen door zoetwater. Door deze cyclus wordt per saldo het verschil in concentratie tussen zoet en zout afgetapt.
Het water koelt iets af; de onttrokken warmte wordt omgezet in stroom. Thermodynamisch is in principe het omzetten van warmte in vrije energie (zoals elektriciteit) onmogelijk. Alleen omdat de wanorde (entropie) in het water toeneemt door het mengen van zout en zoet en de entropie (wanorde) dus toch nog stijgt, is dit mogelijk.
Dit systeem is met een half kilowattuur per kubieke meter water, 75% van het theoretisch maximale rendement ook aanmerkelijk efficiënter dan het systeem dat nu in o.m. Nederland wordt onderzocht, althans, beweren de onderzoekers. Ze denken de opbrengst zelfs te kunnen verhogen tot 85% van het potentieel. Kortom: dit systeem zou wel eens van doorslaggevend belang kunnen zijn voor de Nederlandse energievoorziening.
Met de nieuwe kernongelukken in het reactorcomplex Fukushima I als gevolg van de aardbeving en tsunami laait de discussie tussen voor- en tegenstanders van kernenergie weer op. Tegenstanders zeggen dat de gevaren en kosten van kernenergie niet opwegen tegen de voordelen. Klopt dit? De voordelen van kernenergie Kernenergie kent een aantal aanzienlijke voordelen. Er hoeven geen dure olie of kolen te worden geïmporteerd. De hoeveelheid energie die vrij komt is enorm: in theorie per kilo uranium 22 miljoen kilowattuur, meer dan in honderd ton steenkool of zeshonderd vaten aardolie zit. In feite is het verarmde uranium dat bij de invasie in Irak was gebruikt, duizend tot tweeduizend ton, in theorie voldoende om evenveel energie op te wekken als het land in een tot twee jaar in de vorm van aardolie exporteert.
De CO2-uitstoot, waar veel klimaatactivisten zich overdreven zorgen over maken, is in verhouding ook laag: een tiende van die van een kolencentrale als alles wordt meegerekend. De EREOI, de hoeveelheid energie die in een kerncentrale moet worden gestopt om er elektriciteit uit te krijgen, is ook behoorlijk en te vergelijken met een kolencentrale: 1:10. Geen wonder dat gezien deze voordelen, energiebedrijven graag extra kerncentrales willen bouwen en vooral de centrales als ze er staan lang open willen houden. Staat de kerncentrale er eenmaal, dan zijn de kosten van brandstof in verhouding zeer laag, slechts een derde van de kosten van de centrale zelf. Een kerncentrale, zoals die in Borssele, langer open laten levert dus veel geld op.
Maar ook nadelen… Kerncentrales kennen drie grote nadelen die alle te maken hebben met radioactiviteit: het risico op het verspreiden van materialen om atoombommen mee te maken, kernafval en het risico dat een kerncentrale ontploft of gaat lekken. De brandstof in een doorsnee kerncentrale is te arm om er een atoomwapen van te maken. Wel kunnen er zogeheten vuile bommen mee geproduceerd worden: bommen die als ze ontploffen een grote hoeveelheid radioactief materiaal verspreiden.
De ontplofte reactor in Tsjernobyl, ingepakt in een betonnen sarcofaag, is nog steeds een stille getuige van de ramp die daar in 1982 plaatsvond. – Carl Montgomery, public domain via Flickr
Een kerncentrale zoals die in Borssele produceert 12 ton radioactief afval per jaar. Zou Nederland alle energie met kerncentrales opwekken, dan wordt dat ongeveer vierhonderd ton per jaar. Weliswaar is dat veel minder dan de vliegas die een enkele kolencentrale produceert, maar deze vliegas wordt als grondstof in de bouw gebruikt terwijl kernafval met een moeizaam en kostbaar proces verwerkt moet worden of – zoals in de VS – ondergronds opgeslagen. Hoogradioactief kernafval blijft honderdduizenden jaren gevaarlijk.
Een ander nadeel is de kans op ongelukken. In een kernreactor wordt een kettingreactie plaats: als neutronen uranium-235 kernen raken, splijten deze, waardoor weer andere neutronen vrijkomen. Een kernreactor bewaart een precair evenwicht tussen het uitdoven van deze kernreactie en het ontploffen. Vaak wordt met behulp van neutronenvangende regelstaven de reactie gecontroleerd. Loopt de reactie uit de hand, dan zullen de reactorstaven smelten. In het ergste geval ontstaat een totale meltdown: de plas zeer zwaar (uranium is zwaarder dan lood), hoogradioactief metaal vreet zich een weg door het beton van de centrale naar beneden en komt uiteindelijk in de grondwaterlaag terecht, waardoor een enorme stoomwolk en dus ontploffing ontstaat.
Als de koelinstallatie defect is, kan de reactor zo oververhit raken dat deze ontploft en radioactieve stoffen vrijkomen. Dit is gebeurd in de Japanse Fukushima-I reactor van veertig jaar oud die toch al op het punt stond buiten bedrijf gesteld te worden. In dit geval was de dieselgenerator die het backup-koelsysteem aandreef, weggespoeld door de tsunami. Moderne kerncentrales zijn weliswaar omgeven door veel veiligheidsmaatregelen maar niet alle omstandigheden zijn te voorzien. Dit is ook de reden dat in moderne reactorontwerpen gebruik wordt gemaakt van zogeheten passieve beveiliging: als de centrale om welke reden dan ook uitvalt, stopt de kernreactie direct, bijvoorbeeld omdat een elektromagneet wordt uitgeschakeld die voorkomt dat neutronenvangende staven tussen de splijtstof zakken. Snelle kweekreactoren werken met een poel van vloeibaar metaal onderin de reactor dat, mocht er een meltdown optreden, de warmte afvoert en ook neutronen vangt. De rampen in Fukushima en Tsjernobyl waren zo te voorkomen geweest.
Wegen de voordelen tegen de nadelen op? Ook olie en kolen hebben ernstige nadelen, bijvoorbeeld de noodzaak om oorlogen te voeren in olierijke landen of de noodzaak, deze te vriend te houden. Gas is een relatief schone brandstof, maar raakt net als olie en makkelijk winbare steenkool ook snel op. Wind is te onregelmatig, zon is er in Nederland in de winter veel te weinig. Blauwe stroom, energie winnen uit het “mengen” van zout met zoet water, is interessant, ook constant maar niet voldoende om in meer dan een kwart van onze energiebehoefte te voorzien. Als we alle rivieren volledig uitmelken. Golfslag, gecombineerd met windmolens op zee zou voor een deel kunnen, misschien. Echter: het potentieel is beperkt.
Bij kerncentrales worden de risico’s en de kans op dodelijke ongevallen verplaatst naar het eigen land. Kernreactoren waarin ongelukken zijn gebeurd, waren hetzij sterk verouderd (Fukushima), hetzij door menselijke fouten ontploft (Tsjernobyl). Er zijn geen gevallen bekend van moderne kernreactoren die ontploft zijn.
Wel is er nog steeds geen goede oplossing om van het kernafval af te komen. Het gebruik van snelle kweekreactoren zorgt dat we meer energie uit dezelfde hoeveelheid uranium kunnen halen en vormt hiermee mogelijk een gedeeltelijke oplossing voor het kernafvalprobleem, er is dan immers veel minder brandstof nodig en ontstaat ook minder afval, maar het fundamentele probleem blijft hetzelfde.
Al meer dan tachtig jaar werd één van de meest achterlijke en kwaadaardige regimes ooit in het zadel geholpen en sindsdien gehouden door de Britten en Amerikanen: het huis Saoed, dat hun land Saoedi-Arabië runt als hun privé-eigendom. In een monsterverbond kregen de Amerikanen olie – en de ondersteuning voor de dollar omdat de olie in Amerikaanse dollars wordt afgerekend – en de Saoedi’s grote hoeveelheden geld en de mogelijkheid het extremistische wahhabisme te verspreiden.
Saoedi-Arabië, een overzicht
Het land dat we nu kennen als Saoedi-Arabië is in feite een etnisch en geografisch zeer divers gebied. In de westelijke kuststrook, de Hejaz, leeft een multi-etnische bevolking de nakomelingen van islamitische pelgrims die zich na hun pelgrimstocht naar de voor islamieten heilige steden Mekka en Medina in het gebied vestigden. In de vruchtbare provincie Asir wonen Jemenieten die zich meer verwant voelen met hun volksgenoten aan de andere kant van de grens dan met de Arabieren uit het noorden. In de oostelijke kuststrook, waar vrijwel alle Saoedische olievoorraden zich bevinden, woont een aanzienlijke sji’ietische minderheid die stelselmatig wordt onderdrukt, de zuidoosthoek van het land is de Rub al-Khali, het Lege Kwartier, een onbewoonde zandwoestijn zo groot als Frankrijk. In het centrum van het land en het noorden ligt tenslotte de Nejd, de enorme hoogvlakte en woestijn waar de Al Saoeds vandaan komen.
Apartheid
Joden en christenen, om niet te spreken van heidenen, wonen in Saoedi-Arabië niet meer, want de in Saoedi-Arabië overheersende hanbalitische rechtsschool verbiedt niet-islamieten om in islamitische landen te wonen anders dan als tijdelijke gast. Joden komen het land helemaal niet in (visa-aanvragers moesten tot voor kort een niet-jood verklaring invullen), christenen en andere niet-islamieten genieten alleen tijdelijk verblijfsstatus. Vrouwen genieten minder rechten dan mannen, ongelovigen genieten nog veel minder rechten. Het doden van een hindoevrouw is bijvoorbeeld volgens de Saoedische wet zesendertig keer minder erg dan het doden van een islamitische man. Kortom: in Saoedi-Arabië heerst een apartheidsbewind dat erger is dan zelfs dat in Zuid-Afrika of veel Amerikaanse staten in de vijftiger jaren.
De invoering van de wahhabitische terreur
Na de ineenstorting van het Ottomaanse Rijk na de Eerste Wereldoorlog ontstond er op het Arabische schiereiland een machtsvacuüm. Abdul Aziz ibn Saoed, de leider van de uiterst agressieve wahhabitische nomadenstam van de Al Saoeds, die in de achttiende en negentiende eeuw al twee keer eerder een rijk had gesticht in het grootste deel van het huidige Saoedi-Arabië en nu nog steeds de Nejd en de oostkust beheerste, greep zijn kans en liep met een aantal campagnes de rest van het land, waaronder de Hejaz en de vruchtbare provincie Asir onder de voet. De Engelsen waren blij dat er nu eindelijk een georganiseerde staat bestond in het onrustige Arabische schiereiland en lieten de heerser daarom met rust. De sjerief (sleutelbewaarder, vermoedelijk de herkomst van het Engelse woord sheriff) van Mekka werd geparkeerd als vorst Abdullah in Oost-Palestina, dat later tot (Trans)-Jordanië werd omgedoopt. Vanzelfsprekend koestert het Jordaanse koningshuis nog steeds een diepgewortelde haat jegens de al-Saoeds.
De heethoofdige Ikhwan wilden ook het Britse mandaatgebied Transjordanië onder de voet lopen, maar Abdul Aziz schatte terecht in dat dat de vernietiging van zijn rijk door de Britten zou hebben betekend. Hij pakte de Ikhwan hardhandig aan, die om die reden in 1979 wraak namen: de bloedige bezetting van de Grote Moskee in Mekka.
Zoals voor alle islamitische leiders geldt, is legitimiteit voor de Al Saoeds een voortdurend probleem. Alleen door zich voortdurend te manifesteren als beschermer van de islam kunnen ze rekenen op de loyaliteit van hun onderdanen. Wat de meeste Saoedi’s onder “islam” verstaan, is het uiterst agressieve en onverdraagzame wahhabisme, ook bekend als salafisme. Het vorstenhuis koopt rust in het eigen land door de ergste heethoofden als missionarissen voor het wahhabisme te exporteren naar vooral Afrikaanse landen en grote sommen geld te steken in de verfraaiing van de islamitische heiligdommen in Mekka en Medina. Ook de draconische sjaria-wetten helpen om voor de bevolking het image van “goede moslim” in stand te houden. Erg gezegend qua intellectuele ontwikkeling of kosmopolitische kijk op de buitenwereld zijn de meeste Saoedi’s niet, maar steeds minder Saoedi’s trappen hier nog in. Vooral nu de bevolking explodeert en er dus steeds minder oliedollars over steeds meer mensen verdeeld moeten worden.
Het monsterverbond om olie
In de dertiger jaren werden enorme olievoorraden ontdekt in het tot dan toe straatarme (vergelijk Jemen) koninkrijk. In 1945 sloten de Amerikanen een verdrag met de Saoeds, waarbij Amerikaanse oliemaatschappijen deze olievoorraden exclusief uit de woestijn konden halen. Toen de Saoedi’s doorkregen hoeveel geld ze konden verdienen met de olie, wisten ze door gewiekste onderhandelingen het percentage van de oliewinsten dat in hun handen kwam flink te vergroten. Omdat de olie in dollars wordt afgerekend, kon olie de rol van goud overnemen als dekking voor de dollar. De sterke stijging van de olieprijs bood hiervoor de ruimte. Omgekeerd: de hoge olieprijzen leidden tot veel onderzoek in het westen naar alternatieven voor aardolie. De lepe Saoeds lieten daarom de prijs weer wat zakken, zodat het niet interessant werd om alternatieven voor aardolie te zoeken. De Amerikaansde presidenten Reagan en Bush draaiden vermoedelijk als wederdienst (en de enorme oliebelangen van de familie Bush) onderzoek naar alternatieve energie de nek om. Doordat de Saoedis onder Amerikaanse druk de olieprijs een paar jaar flink lieten zakken, ging de Sovjet-Unie failliet terwijl de energieslurpende economie van de VS boomde.
Saoedisch sociaal contract staat op springen
De enorme Saoedische koninklijke familie, ondertussen uitgedijd tot de bevolking van een middelgrote provinciestad, krijgt uitkeringen van de staat. De gewone man (vrouwen hebben in Saoedi-Arabië alleen thuis uiterst beperkte invloed) wordt rustig gehouden met wat subsidies op allerlei goederen en baantjes als ambtenaar, godsdienstgeleerde of, voor de meest incompetente lieden, de beruchte religieuze politie. Echter: de olieinkomsten blijven gelijk, maar de bevolking neemt snel toe: Saoedi-Arabië kent met 3% per jaar bijna de hoogste bevolkingsgroei ter wereld.
De zon gaat steeds meer onder voor de olie-gebaseerde economie.
Onder de beter opgeleide Saoedi’s komt er steeds meer kritiek op de opulente levensstijl van de koninklijke familie en de enorme bedragen die deze aan het verspreiden van de islam besteedt. De nakomelingen van de Ikhwan zijn nog steeds niet vergeten wat de Saoeds hen hebben aangedaan en ook de andere etnische en religieuze minderheden koesteren grote en gerechtvaardigde grieven. Voedsel wordt nu ook in Saoedi-Arabië steeds duurder: alles moet worden geïmporteerd en de grondwatervoorraden van het land worden nu in hoog tempo leeggezogen. Geen wonder dat de nu om zich heen grijpende opstanden in de Arabische wereld vooral in het oosten, waar de arme en onderdrukte sji’ieten wonen die bijzonder weinig hebben geprofiteerd van de duizenden miljarden dollars die de Saoeds in hun provincie hebben verdiend, uiterst aanlokkelijk overkomen. Of het sji’ietische Iran hierachter zit is niet bekend, maar het zou niets verrassen.
Oliekliek krijgt verdiende loon
Al zeventig jaar heeft het westen deze meedogenloze, fundamentalistische dictatuur gesteund. In ruil voor goedkope olietoevoer is het Saoedische volk, vooral het vrouwelijk deel, vrijheid en ontplooiingskansen ontzegd en veroordeeld tot één van de meest brute regimes in de geschiedenis van de mensheid. In ruil voor futiele strategische voordelen hebben de Amerikanen hun principes verkocht en gemene zaak gemaakt met een regime dat qua mensenrechtenschendingen er naar streeft dat van het door de VS zo gehate Iran te overtreffen. Godsdienst en olie bleken voor zeventig jaar de opium te zijn waarmee de Saoedi’s hun volk dom en geknecht hielden. Die tijd lijkt nu voorbij te zijn. Als gevolg van de onrust zullen de olieprijzen nog meer gaan stijgen.
Gelukkig staan we er nu aanmerkelijk beter voor dan in de zeventiger jaren. We beschikken nu over een aantal goede alternatieven voor olie, die steeds interessanter gaan worden als de prijzen nog verder gaan stijgen. Als de olieprijzen stijgen tot boven de honderdvijftig dollar, betekent dit dat biodiesel uit afvalstoffen van de landbouw interessant wordt. Ook zal de overschakeling naar elektrisch aangedreven auto’s een enorme prikkel krijgen.
De zon geeft ons aardbewoners 98% van alle energie waarover we kunnen beschikken. En dat al bijna vijf miljard jaar lang. Wat is het proces waarmee de zon die onvoorstelbare hoeveelheden energie opwekt en kunnen we zelf een eigen zon op aarde opwekken?
Kernfusie: de energiebron van de zon
Sterren in de hoofdreeks, zoals onze zon, zijn enorme gasbollen die in hun centrum zo dicht en heet (miljoenen graden en honderden keren zo dicht als water) zijn, dat de atoomkernen van waterstof, protonen, via verschillende tussenstappen samen kunnen smelten tot helium: kernfusie.
Het geheim van de zon: door waterstofkernen samen te smelten tot heliumkernen komt er ongelofelijk veel energie vrij.
Deze hoeveelheid energie is werkelijk gigantisch groot: als je in een gram water (ongeveer een halve vingerhoed) alle waterstofatomen uit het water (H2O, waterstof dioxide) samensmelt tot helium levert dat ongeveer twintigduizend kilowattuur aan energie op: tien jaar stroom voor een huishouden of evenveel als het verbranden van tweeduizend liter benzine (voldoende om de wereld helemaal mee rond te rijden in een gemiddelde auto) oplevert.
Logisch ook: bij het verbranden van benzine hergroepeer je alleen atomen (benzinemoleculen (octaan, benzeen e.d.) en zuurstofmoleculen veranderen in kooldioxide en water), maar de atomen zelf blijven behouden. Bij kernfusie maak je compleet nieuwe atomen die eerst nog niet bestonden (en vernietig je de uitgangsatomen).
Het samensmelten van atoomkernen is echter extreem moeilijk, dit omdat atoomkernen elkaar afstoten. Ze iets te hard op elkaar afschieten betekent dat ze terugkaatsen voor ze hebben kunnen samensmelten, is de snelheid te laag dan komen ze niet eens bij elkaar in de buurt. Reden dat er helaas nog steeds geen kernfusiecentrales zijn. Zouden we het geheim van de zon kunnen kraken en op aarde kernfusie opwekken, dan zou een tijdperk van onovertroffen rijkdom en welvaart aanbreken, want met voldoende energie kan je zelfs materie maken uit het niets. Als dat al nodig is, want je kan alle atomen die je nodig hebt uit de aarde, lucht of desnoods uit zeewater vissen.
Omdat vier waterstofkernen samen iets zwaarder zijn dan één heliumkern, wordt 0,7% van de massa in energie omgezet: de bron van alle zonne-energie. Bij dergelijke hoge temperaturen bestaan er geen atomen meer. In de kern van de zon en andere sterren zwerven elektronen en atoomkernen door elkaar en botsen geregeld met elkaar. Het goedje dat dan ontstaat wordt daarom elektronenvloeistof genoemd.
Waterstofbom of kerncentrale?
In feite is een ster een waterstofbom, die van ontploffen af wordt gehouden door een evenwicht van twee krachten. Aan de ene kant is er de zwaartekracht, die bij een zwaar ding als een ster enorm sterk is en deze wil laten instorten. Aan de andere kant is er de extreme hitte, die het plasma laat uitzetten. Het evenwicht tussen deze twee krachten wordt bepaald door twee energiestromen: aan de ene kant de snelheid waarmee kernfusie plaatsvindt en aan de andere kant de snelheid waarmee energie weglekt als straling.
Hoe groter de ster, hoe groter de dichtheid en hoe sneller de kernfusie. Als gevolg hiervan wordt het heter en zet de kern uit. Daardoor neemt de fusiesnelheid weer af, ook kan energie makkelijker weglekken omdat de kern groter wordt en dus meer oppervlak heeft, waardoor er meer straling weglekt. Een soort natuurlijke zelfregelende kernfusiecentrale dus. Veel mensen vinden daarom dat we niet zo moeilijk hoeven te doen. De zon doet dit werk immers al voor ons. We hoeven alleen maar het zonlicht op te vangen met een zonnepaneel.
Een zon op aarde
Zonnepanelen zijn duur en hebben veel oppervlak nodig.
Kernfusie vindt alleen in de dichte (hier witte) kern plaats. De rest van de zon geleidt de energie naar buiten. Wij zien alleen de zeer dunne fotosfeer.
Gezien de ongelofelijke hoeveelheden energie die kernfusie oplevert is het daarom niet verwonderlijk dat uitvinders likkebaardend aan methoden denken om zelf kernfusie op te wekken. Helaas is het niet eenvoudig een kernfusiereactie op gang te houden. De zon nadoen gaat niet: geen enkel bekend materiaal is bestand tegen veertien miljoen graden hitte. Ook zonachtige drukken liggen nog ver buiten bereik, we bereiken nu met pijn en moeite de druk in de kern van de aarde. Uiteraard zijn uitvinders niet voor één gat te vangen en verzonnen toch allerlei listige methodes om kernfusie toch te laten werken.
De kansrijkste lijkt de in de Sovjet-Unie uitgevonden tokamak te zijn: een donutvormige fusiereactor met een heel dun, extreem heet plasma van deuterium en tritium (waterstof, maar dan met één resp. twee neutronen in de kern extra). Sterke magneetvelden voorkomen dat de geladen plasmadeeltjes ontsnappen. De resultaten zijn nog steeds niet denderend, maar kruipen steeds dichter bij het break-even punt dat er meer elektriciteit uitkomt dan er in wordt gestopt. Zouden tokamaks inderdaad de oplossing vormen voor ons energieprobleem of moeten we een andere methode voor kernfusie verzinnen? Er zijn inderdaad wat slimmere alternatieven bedacht…
