Energie-dichtheid en energie-opslag

Hoge energiedichtheid is gunstig voor de energie-opslag. Hoe hoger de energiedichtheid, hoe minder kg's of liters je van de energiedrager je in je voertuig mee hoeft te dragen. Is de energiedichtheid van waterstof is misschien de reden om juist deze brandstof te gebruiken voor het voortstuwen van raketten??? We gaan kijken naar verschillende vormen van energie-opslag en hun energiedichtheid. Welke energie-opslag is het meest geschikt voor mijn auto?

Energiedichtheid kun je op twee manieren bekijken:

• energie per volume [J/dm³]
• energie per kg [J/kg]

Hieronder zie je een aantal voorbeelden van energieopslag. Enkele van deze vormen nemen enorm veel ruimte in. Misschien ken je wel van die speelgoedauto's waarin een mechaniekje zit waarmee die auto wordt aangedreven.

• Je hebt speelgoedautootjes met een ingebouwd vliegwiel. Die moet je een paar keer "aanracen", dan zet je hem neer en spurt hij weg.
• Je hebt speelgoedautoootjes met daarin een opwindbare spiraalveer. Deze autootjes moet je eerst een stukje naar achteren trekken, tegen een veerkracht in, en daarna spurten ze weg.

Beide speelgoedautootjes verplaatsen zich daarna met beperkte snelheid en ze staan zo weer stil. Stel je zou een dergelijke constructie inbouwen voor de aandrijving van een gewone auto. Dan zou die auto 5x zo zwaar en 5x zo groot worden dan normaal en dan kun je er waarschijnlijk nog geen kilometer meer rijden (schat ik).

Om een beeld te kunnen vormen van de efficientie van energieopslag, neem ik een gewone Alkaline blokbatterij als voorbeeld. Hoeveel energie zit er in zo'n batterij? Op internet staat dat deze batterij 500 mAh bevat. Maar voor die informatie moet je vreemd genoeg goed zoeken!!! 500 mAh betekent dat deze batterij aan energie bevat: 500 mA gedurende 1 uur (h) bij een spanning van 9V. Even rekenen:

• P = U x I = 9 V x 0,5 A = 4,5 W
• E = P x t = 4,5 W x 1 uur = 4,5 W x 3600 s = 16200 Joule (https://www.omnicalculator.com/other/battery-capacity)

Hieronder beschrijf ik verschillende vormen van energie-opslag waarbij ik zal proberen te achterhalen hoe groot of hoe zwaar zo'n opslag moet zijn om dezelfde hoeveelheid energie op te kunnen slaan als een Alkaline blokbatterij met 500 mAh. De batterij weegt 45 gram en heeft een volume van zo'n 20 cm³.

De twee energiedichtheden van een Varta Alkaline blokbatterij:

• Gewicht: 45 gram = 0,045 kg. (Gewichts-) Energiedichtheid: 16200 J / 0,045 kg = 360000 J / kg = 360 kJ/kg = 0.36 MJ/kg
• Volume: 20 cm³ = 0,020 dm³. (Volumetrische) Energiedichtheid: 16200 J / 0,020 liter = 810000 J / liter = 810 kJ/l = 0,81 MJ/l

Mechanische energie-opslag

Voorbeelden van mechanische energieopslag (https://www.lowtechmagazine.be/2013/05/de-mechanische-batterij.html):

• 

  veer: voor veerenergie geldt de formule Ev = ½C·u². Ik kies een willekeurige veer (zie rechts) en bereken de energie-opslag als ik hem helemaal indruk. Deze veer heeft een volume van 230 cm³ en een gewicht van 270 gram. Deze veer kan (getest) met een gewicht van 92 kg 3 cm indrukken,

  • Fz = m x g = 92 kg x 9,81 m/s2 = 920,52 N.
  • C = F / u = 920 N / 0,03 m = 30.000 N/m. (afgerond)

• Maximaal is deze veer 7 cm indrukbaar. Daarvoor zou een gewicht nodig zijn van 7/3 x 92 = 214 kg (een kracht van afgerond 2100 N). 

  Ev = ½C·u² = ½ x 30.000 N/m x 0,07² m² = 73,5 Nm = 73,5 J.
  
  
• Energiedichtheid van deze veer:
  • Volumetrische Energiedichtheid: 73,5 J / 230 cm³ = 320 J / dm³
  • Energiedichtheid per massaeenheid: 73,5 J / 270 gram = 272 J / kg

Om evenveel energie op te slaan als in één blokbatterij zou je dus 220 (= 16200 / 73,5) ingedrukte veren kunnen gebruiken. Oei, dat wordt een log en zwaar ding! Voordeel: ik kan hem wel schier oneindig vaak hergebruiken.

Mijn conclusie: een ingedrukte veer vormt geen gunstige energiedrager voor mijn auto. 

• vliegwiel: (zie berekening http://large.stanford.edu/courses/2010/ph240/wheeler1/). Een stalen schijf met hetzelfde gewicht als een blokbatterij (45 gram) zou maximaal 1800 J op kunnen slaan. De batterij bevat dus 9x zoveel energie. En dan te bedenken dat die schijf met een toerental moet draaien waarbij hij net niet uit elkaar spat. En je hebt nog een toestel nodig waarmee je de energie kunt omzetten in een meer bruikbare vorm van energie. Wel schier oneindig herbruikbaar. Conclusie: een vliegwiel is vergeleken met een batterij veel te inefficiënt!
• (En dan hebben we het niet eens over de nadelen van gyroscopische krachten!)

Mijn conclusie: een vliegwiel vormt geen gunstige energiedrager voor mijn auto.

• zwaartekracht(energie):
  • massieve gewichten (denk aan de aandrijving van een ouderwetse koekoeksklok) (https://www.lowtechmagazine.be/2013/05/de-mechanische-batterij.html)
  • omhoog gepompte vloeistof
  • berekening: stel je hangt het gewicht van de blokbatterij op 10 meter hoogte. Hoe groot is dan zijn potentiele gravitatie-energie? Antwoord: E_g = m x g x h = 0,045 kg x 9,81 m/s² x 10 m = 4,4145 J
    Zie https://www.lowtechmagazine.be/2013/05/de-mechanische-batterij.html: Voor een gloeilamp van 25 watt zou een gewicht van 1 ton elk uur naar een hoogte van tien meter moeten worden getrokken.
    
    Conclusie: in een blokbatterij kun je ongeveer 3700x zoveel energie opslaan als in gewicht van dezelfde massa op een hoogte van 10 m. Één blokbatterij bevat evenveel energie als een gewicht van 166 kg op een hoogte van 10m. Zwaartekracht-energie is geen gunstige energiedrager voor mijn auto.
    
    Stuwmeer met Waterkrachtcentrale... komt nog...
    
    
• de tank van een compressor (gasveer) 
  In veel bedrijven wordt perslucht gebruikt om handgereedschappen mee aan te drijven. Een slijptol krijgt zijn energie dan niet via een stroomkabel, maar via een persluchtslang. Zulke bedrijven beschikken over een compressor met luchttank/buffervat en een netwerk van persluchtleidingen. Veel persluchtvragende apparaten hebben een werkdruk van 5 tot 6 bar nodig. Hoe groot moet een luchtreservoir zijn om bij 5 bar evenveel energie te dragen als een blokbatterij?
  Oplossing (zie https://www.tribology-abc.com/abc/thermodynamics.htm): 35 liter!
  
  Conclusie: om dezelfde hoeveelheid energie als een blokbatterij op te slaan in een luchttank met een overdruk van 5 bar, heb je een luchttank nodig met een volume van 27 liter. Dat volume is 1350x groter als dat van de blokbatterij. 
  Toch wordt perslucht vaak toegepast. Dat komt omdat handgereedschap licht moet zijn. Een lucht-slijptol is veel lichter dan een accuslijptol. Bovendien kun je het drukvat schier oneindig heropladen/hergebruiken.

Mijn conclusie: een gasveer vormt geen gunstige energiedrager voor mijn auto

• hydraulische accumulator (tank waarin membraan wordt ingedrukt door de druk van een vloeistof)

Mijn conclusie: geen enkele mechanische vorm van energie-opslag is gunstig voor de aandrijving van mijn auto.

Chemische energie-opslag

Bij chemische reacties ontstaat heel vaak warmte. Heel veel verschillende chemische reacties kunnen dus energie opleveren. Maar als het gaat om energie-opslag, kiezen we bijna altijd een stof die kan reageren met zuurstof. Zuurstof is namelijk bijna overal voorhanden. Dus dat hoef je niet mee te slepen. Zodoende beschik je over een bijna onuitputtelijke bron voor één van componenten die je nodig hebt voor de chemische reactie.

Laten we de blokbatterij eens vergelijken met kerosine (zeg maar "vliegtuig-diesel"). Het volume van de blokbatterij is gelijk aan: 20 cm³. Kerosine is een zeer energierijke brandstof. Hoeveel energie bevat 20 cm³ kerosine?

• verbrandingswarmte van kersosine = 35 MJ/l  = 35 kJ/cm³ (bron: https://en.wikipedia.org/wiki/Energy_density)
• Het verbranden van 20 cm³ kerosine levert op aan energie: 20 cm³ x 35000 J/cm³ = 70.0000 J

Conclusie: kerosine is ten opzichte van de blokbatterij een zeer gunstige energiedrager. In hetzelfde volume past 43x zoveel energie! Daarom wordt er gevlogen op kerosine en niet op batterijen of accu's! Dus hoe je elektrisch vliegen ooit rendabel kunt maken, is mij een raadsel. Enorme technische innovatie van de batterij of subsidie, subsidie, subsidie... gooi die geldkraan maar open!!! Kerosine is niet herbruikbaar. Daartegenover staat dat er steeds meer batterijen/accu's worden ontwikkeld die wel heroplaadbaar/herbruikbaar zijn.

Mijn conclusie: kerosine en allicht ook andere fossiele brandstoffen als benzine en diesel zijn heel gunstige energiedragers voor mijn auto. 

NB: dit is geen pleidooi voor fossiele brandstoffen!

Waterstof als energiedrager

Tot voor kort dacht ik: waterstof is de ideale energiedrager! Als waterstof verbrandt, ontstaat water en dat is schoon. We weten allemaal hoe heftig waterstof ontbrandt (lees ontploft). Waterstof kun je maken met behulp van bijvoorbeeld zonne- of windenergie. Maar helaas; mijn paradijselijke plaatje werd woest verstoord door "Energie-transitie-deskundige" ingenieur Ir. Theo Wolters. Hij noemt, en hij beargumenteert zijn mening goed, waterstof één van de slechtste energiedragers (helaas kan ik dat fragment niet meteeen terugvinden). Tijd voor een eigen onderzoekje!

Hoeveel energie kan 20 cm³ waterstof maximaal bevatten? (Onder hoge druk opgeslagen bij kamertemperatuur.)

Waterstof kan op verschillende manieren dienen als energiedrager:

• Waterstof is uiterst brandbaar (lees uitest explosief). Dus je kunt er warmte mee ontwikkelen of een brandstofmotor zoals een raketmotor mee aandrijven.
• Waterstof kan chemisch worden ontleed in een zogenaamde brandstofcel waarmee elektrische energie wordt opgewekt.

Waterstof, zelfs als je het onder hoge druk comprimeert, is vederlicht. Dat is een probleem als je waterstof wilt gebruiken als energiedrager. Want wil je genoeg energie kunnen opslaan in de vorm van waterstof, dan moet je genoeg massa en dus enorm veel volume meenemen. Zelfs als je het enorm comprimeert. Kijk maar:

Bron: https://nanosun.co.uk/hydrogen-tools, 1 liter waterstofgas weegt slechts 0,039 kg. Dat is heel weinig!!!

Het gewoon comprimeren van waterstofgas is dus geen gunstige oplossing. Als je een auto op gecomprimeerde waterstof wilt laten lopen met een normale actieradius, dan heb je het volume nodig van (naar schatting) een vrachtwagen. Gelukkig zijn er nog andere manieren om waterstof op te slaan. Bron: http://www.hydroville.be/waterstof/hoe-sla-je-waterstof-op/

• https://nl.wikipedia.org/wiki/Diwaterstof
• Verbrandingswarmte van vloeibare waterstof (bij 690 bar en 25°C):
  • 20 cm³ waterstof weegt: 
• 10,8 x 10⁶ J/m³
  Dus 20 cm³ H₂ kan een hoeveelheid verbrandingsenergie opleveren aan 20 cm³ x 10,8 x 10⁶ J/m³ =   20 x 10^-6 m³ x 10,8 x 10⁶ J/m³ = 216 Joule

Uit de tabel op https://nl.qaz.wiki/wiki/Energy_density kun je afleiden dat waterstof per kg gezien een uitstekende energiedrager is. Echter, per liter valt het flink tegen. Door zijn lage dichtheid moet je een groot volume aan waterstof meenemen. Ca. 3x zoveel volume als brandstoffen als diesel of benzine. Dat maakt waterstof als energiedrager wer een stuk minder aantrekkelijk. En vergeet niet dat wanneer je waterstof in vloeibare toestand wilt transporteren, je het heel koud moet houden (dikke perfecte isolatie of zware koeling nodig). En als je het onder hoge druk wilt transporteren, moet er een dikwandige zware gasfles omheen. Dus plotseling is waterstof als energiedrager een stuk minder interessant. Tenzij...

Voor beide vormen ga ik berekenen hoeveel energie je uit 20 cm³ waterstof H₂ kunt halen.

• Waterstof de ‘ideale’ opvolger van aardgas? Nee, integendeel! 

Nucleaire energie-opslag

• kerncentrale
• atoombom