5. Energie, voor niets gaat alleen de zon op

Eeuwenlang zocht de mens naar een perpetuum mobile: een machine die zichzelf in beweging houdt. Een molen die graan maalt en bijvoorbeeld tegelijkertijd een blaasbalg aandrijft die weer de wieken van de molen laat draaien. Die zoektocht leidde niet tot de eeuwig bewegende machine. klik voor vergrotingEr gaat altijd energie "verloren" door wrijving in de machine. "Verloren" tussen aanhalingstekens, want energie gaat feitelijk nooit verloren. Alles is energie. Energie zoals dat hier wordt bedoeld en bruikbaar is voor de doeleinden die wij als mensen willen, kan worden gewonnen uit voedsel, maar ook uit wind, straling van de zon, of stromend water. De laatste drie worden aangewend voor het opwekken van elektrische energie. Wat de zoektocht wel opleverde, was natuurkundig inzicht in wat energie precies is, hoe het zich gedraagt en manifesteert. Onze zintuigelijke materi"le wereld kan niet zonder energie. Een mens heeft energie nodig om warm te blijven, te bewegen en dus in leven te blijven. Elektrische apparaten, auto’s en vliegtuigen functioneren dankzij energie. Ook is energie nodig om het leven op aarde mogelijk te maken: de zon zorgt dat onze planeet warm genoeg is voor bewoning en houdt het klimaatsysteem aan de gang.

Het energieconcept
In de natuurwetenschap vormt ‘energie’ een centraal begrip. In feite hebben alle processen in de natuur met energie te maken en zijn alle natuurkrachten te begrijpen als vormen van energie. Maar een exacte definitie van de term energie is niet makkelijk te geven. Het is geen ‘ding’, maar veeleer de toestand van een systeem. Energie kent vele verschijningsvormen. ‘Chemische energie’ die vrijkomt bij de verbranding van benzine, ‘elektrische energie’ die uit het stopcontact komt, of de energie die in voedsel zit en we gebruiken om lichamelijke inspanning te verrichten. Energie is het vermogen om een situatie te veranderen, of nauwkeuriger: om arbeid te verrichten.
Een belangrijke eigenschap van energie is dat het van de ene vorm over kan gaan in andere vormen. Een batterij laat een lampje branden; kolen zorgen voor warmte; benzine drijft de zuigers in een motor aan. Ook in de natuur is sprake van voortdurende energieomzetting. Planten en algen zetten met behulp van zonne-energie, koolstofdioxide en water om in glucose en zuurstof (fotosynthese). Deze planten, met hun opgeslagen zonne-energie, dienen als voedsel voor planteneters, die op hun beurt weer de prooi zijn van andere dieren.
Alle energieomzettingen worden beheerst door de wet van behoud van energie, die stelt dat bij de omzetting van de ene vorm van energie in de andere er netto geen energie verloren gaat of bijkomt.

Het principe van minimale energieEen drijvende kracht in veel processen in de natuur is het principe van de minimale energie. Elk open systeem (een systeem dat wel warmte en arbeid, maar geen materie met de omgeving kan uitwisselen) streeft naar minimale energie. Een voorbeeld is: een voorwerp dat niet ondersteund wordt valt in de richting van de zwaartekracht tot het wordt tegengehouden, hierdoor neemt de potentiële energie af. De potentiële energie wordt omgezet in kinetische energie en vervolgens bij het tegenhouden in warmte, maar die vloeit af naar de omgeving. Het voorwerp zelf heeft een lagere energie gekregen. Andere voorbeelden zijn zeepbellen of druppels zullen bolvormig worden, in chemische reactie mengsels zullen de stabielste stoffen (met de laagste energie) ontstaan en aangeslagen atomen (atomen waarin een elektron een hogere energie heeft dan normaal) zullen naar de normale toestand terugkeren onder uitzending van licht. Niet altijd kan een systeem vanzelf naar de toestand van laagste energie overgaan. Soms is er een barrière doordat de weg naar die eindtoestand moet verlopen via een toestand met een hogere energie. Met noemt het verschil in energie tussen de begin toestand en de tussen toestand activeringsenergie. Deze hoeveelheid energie moet dus uit de omgeving verkregen worden, bijvoorbeeld door de omgeving op te warmen. Ook kan men een stof toevoegen waardoor de tussen toestand een lagere energie verkrijgt. Die stof noemt men een katalysator. Een chemisch voorbeeld van zo’n situatie is een mengsel van waterstof en zuurstof kan in principe reageren (verbranden) tot water. Bij kamertemperatuur gebeurt er met zo’n mengsel niets. Pas als we het flink verhitten gaat de reactie lopen (meestal explosief!). De temperatuur waarbij dat gebeurt is veel lager als we er een platinadraad bij houden. Platina is een katalysator voor deze reactie. In onze moderne auto’s hebben we ook katalysatoren om de niet volledig verbrande gassen na te verbranden.

Geschiedenis
De behoudswet en het energiebegrip werden geïntroduceerd rond het midden van de negentiende eeuw. Het inzicht dat er zoiets bestaat als energie was een van de belangrijkste vernieuwingen in de natuurkunde tussen Newton (zeventiende eeuw) en Einstein (twintigste eeuw). De directe aanzet was het nieuwe idee dat warmte een vorm van energie is. Tot die tijd dacht men dat warmte een stof is, die van het ene naar het andere voorwerp kan stromen. De bredere context waarbinnen het energiebegrip werd geformuleerd was de industrialisering van Europa. Veel wetenschappers raakten gefascineerd door de stoommachines, waarin warmte van steenkool wordt omgezet in arbeid. Zij betrokken niet alleen de omzetting van warmte in arbeid, maar ook tal van andere recent ontdekte omzettingsprocessen in hun analyse. Zoals de door Faraday ontdekte omzetting van beweging in een elektrische stroom (de dynamo) en van een stroom in beweging (de elektromotor). Een bijkomende inspiratiebron was het Romantische geloof in de eenheid der natuur. Velen geloofden dat aan de waargenomen omzettingsprocessen toch iets ten grondslag moest liggen dat onveranderd bleef.
De voornaamste pioniers in het onderzoek naar energie waren de Engelse chemicus Joule, de Duitse medici Mayer en Helmholtz en de Schotse fysicus Thomson (de latere Lord Kelvin). Waar men aanvankelijk sprak over ‘kracht’ en ‘behoud van kracht’ introduceerde Thomson in 1851 de term ‘energie’. In Nederland gaf men lange tijd de voorkeur aan het begrip ‘arbeidsvermogen’. In de tweede helft van de eeuw zou het energieconcept bruikbaar blijken in allerlei verschillende domeinen van de natuurwetenschap.
Na de ontdekking van het verschijnsel radioactiviteit, eind negentiende eeuw, twijfelden sommigen aan de algemene geldigheid van de behoudswet. Aanvankelijk was het namelijk onduidelijk waar de hoge energie, die vrijkomt in de vorm van straling, vandaan kwam. Nieuwe atoommodellen gaven uiteindelijk een bevredigende verklaring. In de jaren dertig bleken de kernen van sommige atomen, zoals uranium, zich te kunnen splitsen. Daarbij komt nog veel meer energie vrij. In wezen wordt bij dit splijtingproces een zeer kleine hoeveelheid massa omgezet in energie, volgens Einsteins beroemde formule E=mc². Op dit principe is zowel de techniek van de atoombom als de kernreactor gebaseerd (maar daarover later meer in de bètacanon).

Energiegebruik
De hoeveelheid energie wordt doorgaans gemeten in Joule. 1 Joule is gedefinieerd als de arbeid die je levert door een kracht van 1 Newton uit te oefenen over een verplaatsing van 1 meter. Een mens gebruikt zo’n 10 miljoen Joule per dag om zijn lichaamstemperatuur op peil te houden en lichamelijke arbeid te verrichten. Dat is ongeveer net zoveel als een gloeilamp van 100 Watt die de hele dag brandt. De energie van voedingsmiddelen wordt meestal gegeven in calorieën (1 calorie is 4,2 Joule) en op de energierekening vind je de eenheid kWh (1 kWh is 3,6 miljoen Joule).
Het energiegebruik door de mens is sinds de industriële revolutie enorm toegenomen. In Nederland ligt het totale energieverbruik per hoofd van de bevolking op zo’n 600 miljoen Joule per dag. Dat is dus ruim zestig keer zoveel als we nodig hebben om ons warm te houden. In de Verenigde Staten is dat zelfs bijna een miljard Joule per dag. De energie wordt gebruikt door huishoudens (30%), transport en industrie.
Het grootste gedeelte van die energie is afkomstig uit de verbranding van steenkool, aardolie en aardgas. Deze fossiele brandstoffen zijn de resten van planten die miljoenen jaren geleden op aarde groeiden. Het is dus in wezen een voorraad opgeslagen zonne-energie. Sinds de industriële revolutie in de 18e eeuw is er een hoeveelheid fossiele brandstoffen opgestookt die zich in 400 miljoen jaar gevormd heeft. Terwijl de energieconsumptie nog steeds blijft toenemen, komt het einde van de voorraad inmiddels in zicht. Wat te doen?
Naast energiebesparing moeten we op zoek naar nieuwe energiebronnen. Ook nu wordt al een klein deel van onze energie gewonnen met zonnecellen, uit wind- of waterkracht, aardwarmte of uit biomassa. Een probleem hierbij is de efficiëntie van de omzetting in een bruikbare energievorm. De allernieuwste zonnecellen zetten maximaal 15% van het invallende zonlicht om in elektrische energie. Met deze efficiëntie en het Nederlandse gemiddelde aantal zonne-uren, zou dit betekenen dat we zo’n 300 vierkante meter zonnepaneel per persoon nodig hebben om aan de huidige energievraag te voldoen. Op Europees of wereldniveau zou het benodigde oppervlak echter geen probleem hoeven zijn. Zonne-energie en andere alternatieve energiebronnen zijn echter nog steeds erg duur.
Een ander probleem met alternatieve energiebronnen is dat een manier moet worden gevonden om deze energie te bewaren en te transporteren. Immers: zonnecellen en windturbines functioneren niet altijd en staan ook niet altijd op de plek waar de energie nodig is. Waar fossiele brandstoffen relatief gemakkelijk konden worden opgeslagen en vervoerd, moet voor andere vormen van energie eerst een ‘drager’ worden gevonden. Een bruikbare en schone drager is waterstof. Waterstof moet daartoe eerst geproduceerd worden. Dit gebeurt bijvoorbeeld door water, middels een elektrisch ontledingsproces dat men elektrolyse noemt, te ontleden in waterstofgas en zuurstofgas. Het waterstofgas kun je wel bewaren en vervoeren. Het zuurstof is overal aanwezig in lucht en dus altijd beschikbaar voor verbranding. In een brandstofcel (een omgekeerde elektrolyse) kan waterstof weer met zuurstof - uit de lucht - in elektriciteit en water worden omgezet en komt een deel van de oorspronkelijke energie weer beschikbaar. Probleem hierbij is dat voor waterstofgas veel grotere volumes nodig zijn dan de huidige brandstoftanks, voor benzine, diesel of LPG. Wetenschappers doen daarom onderzoek naar materialen die waterstof kunnen absorberen en op het gewenste moment weer afstaan.
We zouden ook meer gebruik kunnen gaan maken van kernenergie. Het grootste probleem met de huidige kernreactoren, die gebaseerd zijn op kernsplijting, is het radioactieve afval. Bovendien is ook de voorraad splijtstof eindig. Een schoner alternatief is kernfusie, waarbij lichte waterstofkernen versmolten worden tot helium kernen. De vrijkomende energie is stralingsenergie. Dit is hetzelfde proces dat de zon laat stralen. Vijftig jaar experimenteren heeft echter nog niet geleid tot een fusiereactor die netto energie oplevert. Eind 2006 besloot een groot aantal landen tot de bouw van de testreactor ITER in Zuid-Frankrijk, die in 2016 gereed moet zijn en dan in tests netto energie zou moeten leveren. Een commerciële reactor is er echter op zijn vroegst in de tweede helft van de eeuw. Ook dit zal echter geen perpetuum mobile zijn.

Voor meer energieweetjes over energieverbruik, lees bijvoorbeeld dit document

De drie vragen