Nuttige definities en meeteenheden
Nuttige definities en meeteenheden
La fée électricité (de Elektriciteitsfee), een prachtig schilderij van Raoul Dufy, gemaakt in 1937 voor de Wereldtentoonstelling in Parijs, is vandaag de dag nog steeds te zien in het Musée d’Art Moderne. Het toont 109 wetenschappers en denkers die hebben bijgedragen aan de uitvinding van elektriciteit. En verschillende van hen gaven hun naam aan meeteenheden voor energie en vermogen.
Isaac Newton (kracht, N), James Watt (kracht, W) en James Prescott Joule (energie, J), twee Engelsen en een Schot, staan naast Blaise Pascal, de Belg Zénobe Gramme, die de dynamo ontwikkelde, en de Duitser Heinrich Hertz, die zijn naam gaf aan de eenheid van frequentie (Hz).
Energie
Energie is het vermogen om transformaties uit te voeren: om een voorwerp te verplaatsen, van temperatuur te veranderen, van vorm te veranderen. Energie is overal: in het menselijk lichaam, in de rivier die een molen laat draaien, in de verbrandings- of elektromotor die een auto aandrijft, in het water in een pan dat opwarmt of in de kracht van de wind die windturbines laat draaien.
Energie bestaat in vele vormen:
- menselijke of dierlijke spierkracht
- thermische energie die warmte genereert
- de mechanische energie die objecten beweegt of vervormt
- elektrische energie die elektronen laat circuleren in elektrische draden
- de chemische energie die atomen samenbindt in moleculen
- stralende of lichtgevende energie die licht genereert.
Niet alle vormen van energie hebben dezelfde “waarde” en er moet een belangrijk onderscheid worden gemaakt tussen mechanische energie (arbeid) en thermische energie (warmte). De eerste, die ervoor zorgt dat voorwerpen bewegen of vervormen, is veel nuttiger dan de tweede. Warmte heeft de neiging te verdunnen in voorwerpen en slechts een deel ervan kan worden omgezet in mechanische energie. In een thermische centrale kan iets meer dan een derde van de geproduceerde warmte worden omgezet in elektriciteit. Of in een verbrandingsmotor wordt iets meer dan een derde van de vrijkomende thermische energie omgezet in mechanische tractie-energie.
Elektrische energie wordt altijd verkregen door een andere vorm van energie om te zetten (tenzij je je voorstelt de energie van de bliksem rechtstreeks te gebruiken). Historisch gezien werd elektriciteit eerst verkregen door spierkracht (de dynamo) of mechanische energie (de kracht van rivieren) te transformeren. De ontwikkeling op zeer grote schaal was gebaseerd op thermische energie (uit de verbranding van kolen, olie of gas of uit kernsplitsing) die, omgezet in mechanische energie in turbines, vervolgens elektrische energie produceerde. Meer recent is de directe omzetting van lichtenergie (foto-elektrisch effect) toegevoegd aan de reeks bronnen van elektrische energie, net als de mechanische energie van de wind, omgezet in windturbines.
Energie meten
De joule (J) is de maat voor energie in het Internationale Stelsel van Metingen. De definitie is niet altijd gemakkelijk te begrijpen. De eerste stap is kijken naar de Newton (N), de eenheid voor het meten van kracht en gelijk aan de kracht die een voorwerp van één kilogram een versnelling kan geven van 1 m/s2. De joule is dus de arbeid die wordt verricht door een kracht van één Newton die het voorwerp één meter in de richting van de versnelling beweegt. Ter illustratie: de joule vertegenwoordigt de energie die nodig is om een appel van 100 gram één meter op te tillen, of de energie die nodig is om de temperatuur van één gram (één liter) droge lucht één graad Celsius te laten stijgen. De joule is daarom een kleine eenheid van energie. Daarom wordt in wereldwijde energiestatistieken meestal de kilojoule (1.000 J) of de pentajoule (PJ=1015 J) of de exajoule (EJ =1018 J) gebruikt.
Omdat de basisreferentie voor energie lange tijd voeding of warmte was, gebruiken we ook de calorie of kilocalorie. 1 kilocalorie komt overeen met 4,18 kilojoule.
Op dezelfde manier kunnen we, omdat olie al heel lang de energiereferentie van de wereld is, elke energiemeting herleiden tot het olie-equivalent. De basiseenheid is de ton olie-equivalent (toe). Dit komt overeen met 41.868 miljoen joule.
Nadat we naar vermogen hebben gekeken, zullen we uiteindelijk zien dat energie ook kan worden gemeten aan de hand van elektriciteit en de meting daarvan.
De kracht
Vermogen wordt vaak verward met energie, maar het is geen energie. Vermogen is de snelheid waarmee energie wordt geleverd. Het wordt gemeten in watt (W), wat overeenkomt met één joule per seconde.
Als je bijvoorbeeld, om een liter water te koken, de vlam van een groot houtvuur aan de ene kant gebruikt en de vlam van een kaars aan de andere kant: in beide gevallen wordt dezelfde hoeveelheid energie gebruikt om het water te koken. Het enige verschil is dat een vuur het water sneller kookt dan een kaars. Er komt sneller energie vrij bij een houtvuur dan bij een kaarsvlam. Als het houtvuur 20 keer zo krachtig is als de kaars, zal het 20 keer langer duren voordat de kaars het water kookt.
Het vermogen van een elektriciteitscentrale meet daarom de momentane capaciteit om elektriciteit te leveren. Het wordt gemeten in kilowatt (kW = 1.000 W) of vaker in megawatt (MW = 1.000.000 W). De energie die wordt geproduceerd, wordt gemeten in kilowattuur (kWh, d.w.z. één kW gedurende één uur). De kWh is daarom een alternatieve meeteenheid voor energie. Het komt overeen met 3.600 kilojoule.
Eindenergie en primaire energie
Primaire energie is ruwe energie die geen transformatie heeft ondergaan en in ruwe staat in de omgeving wordt gevonden: steenkool, olie, aardgas, maar ook uranium, biomassa en wind, zon of water uit rivieren of getijden zijn allemaal primaire energiebronnen.
Secundaire energie is energie die verkregen wordt door primaire energie om te zetten. Elektriciteit (die niet bestaat in primaire vorm) is secundaire energie, net als benzine, diesel en biobrandstoffen. Waterstof is ook een secundaire energie.
Tot slot is eindenergie secundaire energie die terugkeert naar de plaats van gebruik na transportverliezen (verliezen in elektriciteits- en gasnetwerken, energie voor het transport van aardolieproducten).
Gezien de verliezen die optreden bij de omzetting van primaire energie in secundaire energie en de verliezen tijdens het transport, is eindenergie van nature minder dan primaire energie.
Tastbare ordes van grootte
Om de zaken in perspectief te plaatsen: een benzineauto die 6 liter/100 km verbruikt, verbruikt 60,3 kWh voor die 100 km, een Airbus A321 verbruikt gemiddeld 3 tot 4 liter kerosine per passagier per 100 km, d.w.z. 28,8 tot 38,4 kWh per passagier per 100 km, terwijl het gemiddelde verbruik van stookolie per huis (in Frankrijk, België of Nederland) ongeveer 2.000 liter per jaar bedraagt, d.w.z. 130 kWh per dag voor 150 dagen verwarming per jaar.
De grafieken van het verbruik van fossiele brandstoffen in het boek en op de website wordt uitgedrukt in Exajoule (EJ) of 1018 Joule (één miljard miljard Joule!) en berekend door de verbruikte hoeveelheden kolen, olie en gas te vermenigvuldigen met hun energie-inhoud. Het energieverbruik kan ook worden herleid tot een standaard brandstof, bijvoorbeeld de Tonne Oil Equivalent (toe): één toe is gelijk aan 11.630 kWh of 41,868 Gigajoule (één Gigajoule is één miljard Joule).
Macro-economische ordes van grootte
Maar het is ook interessant om naar de wereldwijde ordes van grootte te kijken. In 2022 bedroeg het wereldwijde verbruik van primaire energie 604 EJ of 14.427 miljoen ton olie-equivalent (Mtoe). Dat is gemiddeld 1,8 toe voor elk van de 7,95 miljard mensen in de wereld, maar gemiddeld 6,2 toe voor elke Amerikaan (VS), 3,0 toe voor elke Europeaan (EU+UK) en 2,7 toe voor elke Chinees.
De gemiddelde hoeveelheid opgewekte elektriciteit per inwoner in 2022 was 8.160 kWh in België, 6.880 kWh in Frankrijk en 6.870 kWh in Duitsland.
Voor België en Frankrijk bedroeg het verbruik van primaire energie respectievelijk 58,5 Mtoe (gemiddeld 5,01 toe per inwoner) en 200,4 Mtoe (gemiddeld 2,95 toe per inwoner).
© Michel Allé
December 2023