Inhoud
- Fossiele brandstoffen hebben de industriële revolutie aangedreven
- Rivieren en stromen zijn een belangrijke energiebron
- De oceanen zijn ook belangrijke energiebronnen
- Technologie maakt gebruik van zon- en windenergie
- Alternatieve kernenergie voor fossiele brandstoffen
- Geothermische energie
- Mensen moeten een keuze maken
Het kost veel energie om een soort als te voeden homo sapiens. In de afgelopen eeuwen is deze soort naar voren gekomen als een onderling verbonden wereldwijde aanwezigheid op een manier die, voor zover de wetenschap weet, nog nooit eerder op deze planeet heeft plaatsgevonden.
De soorten energie die mensen nodig hebben, zijn elektriciteit om hun huizen en industrieën van stroom te voorzien, biochemische energie om hun lichaam te voeden en brandbare hulpbronnen voor warmte, transport en industriële productie.
Op grote schaal is het vermogen van de aarde om te voorzien in wat mensen nodig hebben afhankelijk van vijf hoofdbronnen:
Bovendien is een belangrijke energievoorziening voor de mens afgeleid van de ontbindende lichamen van organismen die gedurende de aionen hebben gedijen en zijn gestorven. In tegenstelling tot de hierboven genoemde bronnen is dit aanbod echter beperkt.
Fossiele brandstoffen hebben de industriële revolutie aangedreven
Fossiele brandstoffen, waaronder olie, aardgas en steenkool, zijn eigenlijk een andere vorm van zonne-energie. Eonen geleden zetten levende organismen het licht en de warmte van de zon om in koolstof-gebaseerde moleculen die hun lichaam vormden. De organismen stierven en hun lichamen zonken diep in de grond en tot in de bodem van de oceanen. Tegenwoordig kan de energie die in die koolstofbindingen zit, worden vrijgegeven door te achterhalen wat hun overblijfselen zijn geworden en ze te verbranden.
Olie en aardgas zijn afkomstig van microscopisch zeeplankton dat miljoenen jaren geleden leefde. Ze stierven en zonken naar de bodem van de oceanen, waar ze door de ontbinding en andere chemische processen wasachtig werden kerogeen en teer bitumen. De oceaanbodems droogden uiteindelijk uit en deze materialen werden begraven onder rotsen en aarde. Ze zijn de grondstoffen geworden voor het maken, benzine, diesel, kerosine en tal van andere aardolieproducten.
De traditionele manier om ruwe olie uit de grond te halen is door te boren, maar hydraulisch te breken, of vloeistof de grond in pompen, is een vaak gebruikt modern alternatief geworden. In dit proces wordt een mengsel van zand, water en potentieel gevaarlijke chemicaliën in de grond gedwongen om de aardolie te verplaatsen. Fracking is een duur proces en heeft een aantal schadelijke effecten op het gesteente, de watertafel en de omringende lucht.
Steenkool komt van landplanten die zich in moerassen en moerassen vestigden en in veen veranderden. Het veen stolde naarmate de grond opdroogde en uiteindelijk werd bedekt door rotsen, ander puin. De druk veranderde het in de zwarte, rotsachtige substantie die in veel industriële installaties en krachtcentrales werd verbrand. Dit alles begon ongeveer 300 miljoen jaar geleden te gebeuren, toen dinosaurussen over de aarde zwierven, maar in tegenstelling tot de populaire mythe, zijn steenkool geen afgebroken dinosaurussen.
Rivieren en stromen zijn een belangrijke energiebron
Al duizenden jaren gebruiken mensen waterkracht om werk te verrichten, en in de natuurkunde is werk synoniem met energie. Waterwielen die in de buurt van een beek of waterval zijn geplaatst, hebben de energie gebruikt die wordt gegenereerd door water te verplaatsen om graan te malen, gewassen te irrigeren, hout te zagen en tal van andere taken uit te voeren. Met de komst van elektriciteit zijn waterwielen omgezet in energiecentrales.
De waterturbine is het hart van een waterkrachtcentrale en werkt vanwege het fenomeen van elektromagnetische inductie, ontdekt door natuurkundige Michael Faraday in 1831. Faraday ontdekte dat een draaiende magneet in een spoel of geleidende draad een elektrische stroom genereert in de spoel, en minder dan 100 jaar later, kwam de eerste inductiegenerator online bij Niagara Falls.
Tegenwoordig leveren waterkrachtcentrales ongeveer 6 procent van de elektriciteit die wereldwijd wordt verbruikt. Het verbranden van fossiele brandstoffen om stoom en spinturbines te genereren, genereert daarentegen bijna 60 procent van de elektriciteit in de wereld. De meeste waterkracht wordt opgewekt door dammen, niet door watervallen.
Een dam, zoals een beek of waterval, is afhankelijk van de zwaartekracht. Het water komt een doorgang aan de bovenkant van de dam binnen, stroomt door een pijp die zijn energie vergroot en een turbine draait voordat het uit de buurt van de basis van de dam komt. Twee van 's werelds grootste hydro-elektrische dammen zijn de Three Gorges Dam in China, die 22,5 gigawatt energie genereert en de Itaipu Dam aan de grens tussen Brazilië en Paraguay, die 14 GW genereert. De grootste dam in Noord-Amerika is de Grand Coulee Dam in de staat Washington, die slechts ongeveer 7 megawatt genereert.
De oceanen zijn ook belangrijke energiebronnen
De oceanen zijn om twee redenen een van 's werelds belangrijkste energiebronnen. De eerste is dat ze stromingen hebben, die in combinatie met de winden golven vormen. Golven kunnen worden omgezet in elektriciteit. Omdat ze het gevolg zijn van temperatuurverschillen veroorzaakt door de hitte van de zon, zijn golven en de stromen die ze vormen technisch gezien een vorm van zonne-energie.
De andere energiebron in de oceanen zijn de getijden, die worden veroorzaakt door de zwaartekrachtsinvloeden van de maan en de zon, evenals door de bewegingen van de aarde zelf. Er bestaan ook technologieën om de getijdenenergie om te zetten in elektriciteit.
Golfgeneratiestations zijn nog niet mainstream en het prototype, dat voor de kust van Schotland werd ingezet, genereert slechts 0,5 MW. Beschikbare golftechnologieën omvatten:
Getijdencentrales kunnen de kracht van inkomende en uitgaande getijden gebruiken om turbines direct te laten draaien. Water is ongeveer 800 keer dichter dan lucht, dus als een turbine op de oceaanbodem wordt geplaatst, genereren de getijdenbewegingen aanzienlijk vermogen om ze te laten draaien. Getijdenbarrièresystemen komen echter vaker voor.
Een getijdenversperring is een barrière die over een getijdenbassin is gebouwd en waarmee water uit het vloed kan binnendringen, vervolgens wordt gesloten en de uitstroom op het eb wordt geregeld. De grootste dergelijke generator is de Sihwa Lake Tidal Power Station in Zuid-Korea. Het genereert ongeveer 254 MW.
Technologie maakt gebruik van zon- en windenergie
Twee van de bekendste manieren om elektriciteit te genereren op een manier die niet afhankelijk is van verdwijnende fossiele brandstoffen en geen vervuiling veroorzaakt, zijn het inzetten van windturbines of fotovoltaïsche panelen. Omdat de zon verantwoordelijk is voor de temperatuurverschillen die wind veroorzaken, zijn beide strikt genomen vormen van zonne-energie.
Windgeneratoren werken net als hydro-elektrische of door golven aangedreven. Wanneer de wind waait, draait het een as die door tandwielen is verbonden met een krachtgenererende turbine in inductiestijl. Moderne turbines zijn gekalibreerd om wisselstroom te leveren op dezelfde frequentie als conventionele wisselstroom, waardoor het beschikbaar is voor onmiddellijk gebruik. Windparken over de hele wereld leveren bijna 5 procent van 's werelds elektriciteit.
Zonnepanelen vertrouwen op het fotovoltaïsche effect, waarbij de zonnestraling een spanning creëert in een halfgeleidend materiaal. De spanning creëert gelijkstroom die moet worden omgezet in wisselstroom door deze door een omvormer te leiden. Zonnepanelen wekken alleen elektriciteit op als de zon schijnt, dus ze worden vaak gebruikt om batterijen op te laden, die de energie opslaan voor later gebruik.
Zonnepanelen vormen misschien wel een van de meest toegankelijke methoden voor het opwekken van elektriciteit, maar ze leveren slechts een klein deel van 's werelds elektriciteit - minder dan 1 procent.
Alternatieve kernenergie voor fossiele brandstoffen
Strikt genomen is het proces van kernsplijting geen natuurlijk verschijnsel, maar komt het uit de natuur. Nucleaire splijting werd uitgevonden kort nadat wetenschappers het atoom en het natuurlijke fenomeen van radioactiviteit konden begrijpen. Hoewel splijting oorspronkelijk werd gebruikt om bommen te maken, kwam de eerste kerncentrale online, slechts drie jaar nadat de eerste bom was ontploft op de Trinity-site in de woestijn van New Mexico.
Gecontroleerde splijtingsreacties treden op in alle kerncentrales ter wereld. Het genereert warmte om water te koken, dat de stoom produceert die nodig is om elektrische turbines aan te drijven. Zodra een splijtingsreactie begint, heeft deze weinig brandstof nodig om voor onbepaalde tijd door te gaan.
Bijna 20 procent van 's werelds elektrische behoeften wordt gedekt door nucleaire stroomgeneratoren. Oorspronkelijk beschouwd als een goedkope bron van vrijwel onbeperkte energie, heeft kernsplijting ernstige nadelen, niet in de laatste plaats de mogelijkheid van afsmelten en de ongecontroleerde afgifte van schadelijke straling. Twee bekende ongevallen, een in de elektriciteitscentrale van Russias Tsjernobyl en een andere in de Japanse Fukushima-fabriek, hebben deze gevaren weggenomen en de productie van kernenergie minder aantrekkelijk gemaakt dan ooit het geval was.
Geothermische energie
Diep in de aardkorst zijn druk en temperaturen zo groot dat ze gesteente vloeibaar maken tot gesmolten lava. Dit oververhitte materiaal stroomt door aderen in de korst die het af en toe dicht bij het oppervlak richten. Gemeenschappen in gebieden waar dit gebeurt, kunnen de warmte gebruiken om elektriciteit op te wekken en hun huizen van warmte te voorzien. Dit wordt geothermische energie genoemd en wordt in sommige gevallen aangevuld met radioactieve materialen in de grond, die ook warmte genereren.
Om gebruik te maken van geothermische energie, boren ontwikkelaars een tunnel in de aarde op een geschikte locatie en circuleren water door de tunnel. Het verwarmde water komt als stoom naar de oppervlakte, waar het direct kan worden gebruikt voor verwarming of om een turbine te laten draaien. In sommige gevallen wordt de warmte overgedragen van het water naar een andere stof met een lager kookpunt, zoals isobutaan, en de resulterende damp spint de turbines.
In zijn eenvoudigste vorm heeft aardwarmte genezing en comfort geboden bij natuurlijke spa's en warmwaterbronnen zolang er mensen zijn die ze bezochten. Japan is een van de meest geologisch actieve landen ter wereld en heeft een groot netwerk van natuurlijke warmwaterbronnen en een lange geschiedenis van weken. Experts schatten dat het voldoende geothermische bronnen heeft om tot 10 procent van zijn elektriciteitsbehoeften te dekken, waardoor zijn geothermische potentieel derde wordt in de wereld, alleen achter de Verenigde Staten en Indonesië.
Mensen moeten een keuze maken
Sommige hulpbronnen zijn kwetsbaar en verdwijnen, en door ze om te zetten in bruikbare energie ontstaan vervuilende stoffen die de planetaire omgeving veranderen. Andere bronnen zijn alleen afhankelijk van zonne- en planetaire dynamiek die beloven onveranderd te blijven voor de komende paar miljard jaar. Op dit moment moet de mensheid een dringende keuze maken. Zijn voortbestaan kan afhangen van zijn vermogen om zijn afhankelijkheid in een korte periode van de eerste naar de laatste te veranderen.