2012 – Nieuwe energie

De zon verwarmt de lucht rondom de aarde. Doordat de atmosfeer niet overal even warm wordt, ontstaan er gebieden van lage en hoge druk. Lucht stroomt van gebieden met hoge naar gebieden met lage druk. De kracht en richting van de wind wordt beïnvloed door de draaiing van de aarde en de wrijving met het aardoppervlak.

Wind was voor Nederland in de zestiende eeuw de belangrijkste vorm van energie. Wind dreef de VOC-schepen naar voormalig Nederlands-Indië en terug. Windmolens hielden het land droog, maalden koren en zaagden het hout. Aan het eind van de negentiende eeuw komt er een eind aan de windmolencultuur.

Door de oliecrisis in 1973 kwam windenergie opnieuw in de belangstelling. ‘Geen kernenergie of kolen, neem een windmolen’, schreven de windpioniers. Idealisten van De Kleine Aarde experimenteerden met kleine windmolens voor zelfbouw en deelden hun ervaringen. Inmiddels levert windenergie een volwaardige bijdrage aan de elektriciteitsvoorziening.

Windmolens werken net als vliegtuigvleugels dankzij een verschil in luchtdruk. De wind veroorzaakt door het profiel van de wiek onderdruk aan de achterzijde van de wieken. Hierdoor komt de molen in beweging.

Golfslag op zee wordt veroorzaakt door wind en getijden. Om deze eindeloze bron van energie te benutten zijn talrijke technieken bedacht. Bij veel van deze oplossingen is corrosie een probleem. Ook de krachten die bij stormen optreden beperken de mogelijkheden.

Op de rotsachtige kust van het eiland Islay aan de Schotse westkust staat de Limpet (Land Installed Marine Powered Energy Transformer). De Limpet bestaat uit een afgesloten kamer die in de golven staaten een uitlaat waarin een windturbine geplaatst is.

Door de golfslag beweegt het wateroppervlak in de kamer op en neer. Dit veroorzaakt een oscillerende luchtstroom die de windturbine aandrijft. Er wordt gebruik gemaakt van een Wells’ turbine, die bij in- en uitgaande luchtstroom dezelfde kant op draait.

De Limpet levert elektriciteit aan het lokale net van Islay.

Op 25 augustus 1903 stelde de Spaanse kolonel Isidoro Cabanyes in La energía eléctrica als eerste voor een ‘Proyecto de motor solar’ te bouwen om daarmee elektriciteit op te wekken. Ook anderen kwamen op hetzelfde idee, maar het duurde tot 1982 voor de eerste experimentele zonnetoren verscheen. Hij werd met Duits geld gebouwd en stond in Manzanaras, ten zuiden van Madrid.

De schoorsteen had een doorsnede van 10 meter, en was 195 meter hoog. De zonnecollector op de grond was 46.000 m2, met een diameter van 244 meter. De centrale leverde ca. 50 kW. Hij was niet bedoeld als commerciële centrale, maar werd vooral voor experimenten gebruikt. Hij was ook niet erg duurzaam: in 1989 viel de schoorsteen tijdens een storm om. De scheerlijnen waren doorgeroest.

Het idee blijft aanspreken. In China, Australië, VS, Botswana en Namibië zijn projecten in min of meer gevorderde staat. In Ciudad Real in Spanje staat een nieuwe toren van 750 meter hoog op het programma. Die moet 40 MW gaan leveren. Namibië is ambitieuzer: de regering heeft een voorstel goedgekeurd voor een toren van 1500 meter hoog met een doorsnede van 280 meter, plus een zonnecollector (kas) van 37 km² . In de kas worden gewassen verbouwd en de centrale moet 400 MW gaan leveren.

Door zonlicht te concentreren (CSP, Concentrated Solar Power) kan veel energie worden gewonnen. Er zijn verschillende systemen in gebruik, maar het principe is gelijk. Met behulp van spiegels (of lenzen) wordt het zonlicht geconcentreerd op een klein oppervlak. Door middel van heliostaten worden spiegels in de juiste positie ten opzichte van de zon gehouden. In het brandpunt kunnen temperaturen worden bereikt van 3500˚C.

Met deze warmte kan via een stirlingmotor rechtstreeks een generator worden aangedreven. De warmte kan ook worden gebruikt om een conventionele stoomturbine aan te drijven. In dat geval wordt de warmte via een circuit van olie of gesmolten zout overgebracht op water. Het voordeel van zout is de grote warmtecapaciteit. Warmte kan worden opgeslagen om te gebruiken als de zon niet schijnt.

CSP is goedkoper, eenvoudiger en efficiënter dan zonne-energie via fotovoltaïsche cellen. CSP-centrales functioneren echter alleen goed in landen met weinig bewolking en veel fel zonlicht. Die zijn in Europa alleen in het zuiden te vinden.

Foto-voltaïsche cellen zetten licht-energie direct om in elektriciteit. De cellen zijn opgebouwd uit twee soorten silicium: een negatieve n-laag aan de lichtzijde, en een positieve p-laag eronder. Door de toevoeging van fosfor bezit de n-laag vrije elektronen in het kristalrooster. De p-laag daarentegen heeft, door het toevoegen van borium een tekort aan elektronen. Zo’n tekort wordt een gat genoemd. Op de scheiding (de uitputtingszone) tussen beide lagen houden elektronen en gaten elkaar in evenwicht.

Als er licht op de cel valt, stoten fotonen elektronen los: ze raken los van de atomen waarmee ze verbonden zijn en gaan vrij door het materiaal (de halfgeleider) bewegen. Deze vrije elektronen kunnen in principe maar één kant op: ze stromen naar de n-laag. Als n- en p-laag via een stroomkring worden verbonden, gaat er een stroom lopen.

In planten vindt fotosynthese plaats: een proces waarin lichtenergie wordt gebruikt om koolstofdioxide om te zetten in koolhydraten volgens de formule 6 CO₂ + 6 H₂O – > C₆H₁₂O₆ + 6 O₂.

De koolhydraten gebruikt de plant om te groeien. Een deel ervan komt via de wortels in de bodem terecht. Micro-organismen in de bodem breken deze koolhydraten af. Daarbij scheiden zij elektronen (e-) en protonen (H+) uit. Door een anode en een kathode in de bodem te plaatsen, kunnen de elektronen worden ‘geoogst’. De groei van de planten heeft onder dit proces niet te lijden. Het proces gaat ook ’s nachts door. Voorwaarde is wel, dat de bodem vochtig is. Geschikte locaties zijn daarom rijstvelden, moerassen en andere wetlands.

De technologie is ontwikkeld aan de Universiteit van Wageningen en gepatenteerd in 2007. Het patent is nu in handen van Plant-e. Op het dak van het nieuwe gebouw van het Nederlands Instituut voor Ecologie in Wageningen is een proefveld van 15 m² aangelegd.

Onderzoekers van het College of Science and Engineering in Minnesota hebben een multiferroische legering van nikkel, mangaan, kobalt en tin (Ni₄₅Co₅Mn₄₀Sn₁₀) ontwikkeld die afhankelijk van de temperatuur, magnetisch of niet magnetisch is. Bij verhoging van de temperatuur wordt het materiaal sterk magnetisch. Met dat magnetisme kan in een spoel elektriciteit worden opgewekt.

De onderzoekers voorzien talloze mogelijkheden voor hun uitvinding. Ze denken bijvoorbeeld aan het terugwinnen van elektriciteit voor accu’s uit warme uitlaatgassen, het gebruik van restwarmte van industriële processen en energiecentrales, maar zelfs aan het opwekken van elektriciteit uit warmteverschillen in oceanen.

Met ‘omgekeerde elektrodialyse’ is het mogelijk energie te winnen uit het verschil in zoutgehalte tussen zee- en rivierwater. In 2010 is vergunning verleend voor de bouw van een prototype van een Blue Energy-centrale bij de Afsluitdijk, waar zoet IJsselmeerwater naar de zoute Waddenzee stroomt.

Zout valt in een oplossing uiteen in positieve kationen (Na+) en negatieve (Cl–) anionen. In de centrale bevinden zich twee soorten membranen: anionmembranen die alleen Cl– doorlaten en kationmembranen die alleen de Na+ doorlaten. Door afwisselend anion- en kationmembranen te plaatsen is de centrale opgedeeld in twee typen cellen: één met het anionmembraan links ten opzichte van het kationmembraan, en de ander net andersom. In elke cel stromen zout en zoet water langs elkaar heen.

De chloor- en natriumionen bewegen door de membranen van het zoute naar naar het zoete water. Per saldo migreert een netto stroom positieve deeltjes naar rechts en negatieve deeltjes naar links. Het resultaat is dat er een elektrische stroom door de centrale loopt.

Bij het proces wordt zowel het zoute als het zoete water brak. Hoe groter het oorspronkelijke verschil in zoutgehalte tussen het zoete en het zoute water, des te groter de elektrische stroom. De temperatuur van het gebruikte water daalt, omdat bij de omzetting in elektrische energie warmte wordt onttrokken.

Net als hogere planten gebruiken algen licht voor fotosynthese. Wetenschappers van Stanford University hebben kans gezien rechtstreeks elektriciteit te onttrekken aan de alg chlamydomonas reinhardtii.

De alg wordt eerst blootgesteld aan een kleine elektrische spanning. Vervolgens kunnen met een zeer dunne (ca. 1 nanometer) gouden naald elektronen uit de alg worden weggenomen. Het proces moet in het licht plaatsvinden. Met de alg loopt het niet goed af: hij overleeft de behandeling maar enkele minuten.

De hoeveelheid elektriciteit is minuscuul: een picoampère per cel per uur. Het kost op dit moment bovendien meer energie dan het oplevert. Triljoenen algen zouden nodig zijn voor de energie van één AA-batterij. Het onderzoek richt zich op het vergroten van de opbrengst en het in leven houden van de algen. De onderzoekers laten zich niet uit het veld slaan: de alg is klein, goedkoop en ruim voorhanden. Er zal de komende jaren nog veel worden geëxperimenteerd. Wellicht kunnen de algen worden betrokken bij het proces in zonnepanelen waarbij zonlicht of -warmte in energie wordt omgezet.

Algen kunnen in principe goed samenwerken. Sommige leven in symbiose met andere organismen. In korstmossen werken algen en schimmels samen: de algen verstrekken organische stoffen uit de fotosynthese aan de schimmel in ruil voor bescherming. Anders dan bij het winnen van elektriciteit, hebben de algen hier wel voordeel van de samenwerking.

In 1920 ontdekte de Brit F.W. Aston dat vier waterstofatomen zwaarder zijn dan één heliumatoom. Zijn landgenoot Sir Edmund Eddington besefte dat het verschil in massa betekende dat de zon brandt door waterstof in helium om te zetten. Daarbij wordt, volgens E=mc², het massaverschil van 0,7% in energie omgezet.

Men zag direct in, dat dit proces – kernfusie – een onuitputtelijke bron van energie zou kunnen zijn. Om kernfusie op gang te brengen zijn bijzonder hoge temperaturen nodig. Omdat geen enkel materiaal tegen dergelijke temperaturen bestand is, werd in 1938 in de VS geprobeerd een heet plasma met magnetische velden op te sluiten. Na de Tweede Wereldoorlog begon men ook in andere landen te experimenteren. In 1958, tijdens de ‘Atoms for Peace’ conferentie in Genève, werd besloten tot internationale samenwerking.

Een belangrijke stap in de ontwikkeling was de donutvormige ’tokamak’ die in 1968 in Rusland werd gebouwd. In de tokamak draait het hete plasma rond. Dit veelbelovende concept vond veel navolging. De meest recente tokamak is de ITER, die in Zuid-Frankrijk wordt gebouwd. Deze grote reactor moet de technische haalbaarheid van kernfusie als energiebron aantonen door een langdurig brandend plasma te genereren.

De Nederlander Ir. Dijkhuis probeerde in de jaren negentig met zijn bedrijf Convectron aan te tonen dat in een bolbliksem kernfusie plaatsvindt.

Twee Italiaanse wetenschappers beweren ondertussen erin geslaagd te zijn een reactor te ontwikkelen waarin koude kernfusie plaatsvindt. Volgens de onderzoekers is hun reactor klaar om commercieel te worden ingezet.

Een Israëlisch bedrijf heeft een Concentrated Solar Power-eenheid ontwikkeld die met halfgeleiders en membranen CO₂ omzet in CO en O₂.
Door de CO en O₂ vervolgens te gebruiken in een Oxyfuel-centrale ontstaat een gesloten systeem dat schone energie levert.

Helaas liggen plaatsen met zowel voldoende zonne-energie als ruimte doorgaans zover van de gebruikers dat hoogspanningslijnen niet rendabel zijn. Het idee is geopperd deze technologie te combineren met een moderne Oxyfuel-kolencentrale om zodoende zonne-energie om te zetten in makkelijk hanteerbare chemische energie.

Met de pure zuurstof uit de CSP-eenheid worden de kolen in de kolencentrale relatief schoon verbrand. De CO₂ die dat oplevert is vervolgens grondstof voor de CSP-eenheid. Door er bovendien waterdamp aan toe te voegen levert de CSP-eenheid geen CO en O₂ maar syngas en O₂. Uit het syngas kunnen verschillende synthetische koolwaterstoffen worden gemaakt, die per schip of pijplijn kunnen worden getransporteerd. Bij het gebruik van deze koolwaterstoffen komt natuurlijk wel weer CO₂ vrij. In het totale proces is de energie-opbrengst per ton CO₂ echter tot ruim drie keer hoger.

De koolwaterstoffen kunnen natuurlijk ook als grondstof voor andere chemische processen dienen en daarmee de ontwikkeling van zonnige landen met steenkool bevorderen.

Met dank aan Han Raas

In De Beghinselen der weeghconst toonde Simon Stevin in 1602 met het ‘Clootcransbewijs’ aan dat een perpetuum mobile niet kan bestaan. Een eeuw eerder was ook Leonardo da Vinci al tot die conclusie gekomen, al kon die het niet laten af en toe een ideetje uit te werken.

Een regelmatig terugkerend idee (al sinds 1100) is een asymmetrisch wiel, dat in telkens andere uitvoeringen verschijnt. Door massa te verplaatsen ten opzichte van de as (met kwik, metalen ballen of knikarmen) moet het wiel eeuwigdurend blijven draaien.

Een ander veelvoorkomend idee is een watermolen die een pomp aandrijft die het water weer oppompt naar het rad. Vergelijkbaar zijn combinaties als elektromotor+dynamo en zonnecel+lamp.

Ideeën zijn er genoeg, maar meestal laten ze wrijving buiten beschouwing en lopen ze vast op de Wet van behoud van energie. Gelukkig laten genieën, fantasten en uitvinders zich niet uit het veld slaan.