energuie

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?

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.

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.

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.

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…