Energie-kwaliteit: hoogwaardige en laagwaardige energie

Energie-vormen kun je verdelen in hoogwaardige en laagwaardige energievormen.

• Hoogwaardige energievormen laten zich zonder al te veel energie-verlies omzetten in andere (lagere) vormen.
• Laagwaardige energievormen geven bij omvorming naar hogere energievormen veel energieverlies.

De termen 'hoogwaardig' en 'laagwaardig' corresponderen met de economische waarde van de energievorm. Bij omzetting van (economisch gezien) hoogwaardige potentiele energie naar (economisch gezien) laagwaardige warmteenergie, verlies je geld, ook al is het energetische rendement 100%. Het is dus zonde om warmte op te wekken met een stuwdam, want dezelfde hoeveelheid energie in elektriciteit levert meer geld op.

Bron: https://slideplayer.com/slide/6362620/

Tja beste lezer, ik heb bovenstaande tabel ook maar ergens van het internet overgenomen en de tabel is mij niet helemaal helder. Voor het genereren van stroom zijn kennelijk bijna alle energiebronnen geschikt. Maar waarom zou je een hoog-kwalitatieve energiebron gebruiken als je stroom ook kunt produceren met een laag-waardigere bron? Waarschijnlijk komt dit omdat we beschikken over te weinig laag-waardige energiebronnen om te voorzien in onze enorme stroombehoefte.

Voor de "kwaliteit van energie" bestaat denk ik nog geen eenduidige definitie. Een ieder die zich er mee bezig houdt, houdt er zijn eigen definitie op na. Zo vond ik ook "Odum’s hierarchy of energy quality" (bron: Energy quality hierarchy and “transformity” in evaluation of product’s working principles, Ida Midžić*, Mario Štorga, Dorian Marjanović, University of Zagreb, Faculty of Mechanical Engineering and Naval Architecture, Ivana Lučića 5, 10002 Zagreb, Croatia

Opvallend dat INFORMATIE in deze ranking bovenaan staat. Denk aan de ontwikkeling van AI (Artificial Intelligency) en ChatGPT, die menselijke intelligentie (deels) vervangen.

Energie-vormen

Alvorens naar de kwaliteit van energie te gaan kijken, kijken we eerst welke vormen van energie we zoal kennen:

• bewegingsenergie: een bewegend voorwerp bevat bewegingsenergie
• potentiele energie: een voorwerp dat door een ander voorwerp wordt aangetrokken, bevat potentiële energie. Bijvoorbeeld een stuwmeer hoog in de bergen bevat water dat door de aarde wordt aangetrokken. Het water heeft daarom potentiele energie.
• chemische energie: een stof of voorwerp dat een chemische reactie aan kan gaan met zijn omgeving, bevat chemische energie. Denk maar aan brandstof.
• nucleaire energie: energie uit atoomsplitsing of uit kernfusie
• warmte-energie: een warme stof of een warm voorwerp bevat warmte-energie. Je lichaam bevat warmte-energie.
• elektrische energie: een batterij bevat elektrische energie
• lichtenergie (stralingsenergie): de zon

What Does High-Quality Energy Mean?
Generally, the quality of a type of energy is a perception. One perception is that a high quality type of energy can be transformed into several others without much loss. Another perception is that high quality energy can be used to perform high quality tasks as well as low quality tasks, while low quality energy can only be used to perform low quality tasks.

Safeopedia Explains High-Quality Energy
There are several types of energy, which fall into two main categories. The first is kinetic energy, which is matter that has energy due to it's mass and speed. The second is potential energy, which is stored energy that has the potential to do work. Different kinds of energy within these include chemical energy, heat energy, electrical energy etc.. Electrical energy is generally considered high quality due to its efficiency when it is transformed to other forms of energy.

Bron: https://www.safeopedia.com/definition/2668/high-quality-energy

Je zult trouwens altijd zien dat het onmogelijk is om een laagwaardige energievorm 100% om te zetten in een hoogwaardige. Bij omzetting van een economische gezien lagere energievorm naaar een economische energievorm, verlies je energie... en dus geld!

Natuurkundig gezien:
Één joule 'lage energiekwaliteit' warmteenergie
is evenveel energie als
één joule 'hoge energiekwaliteit' elektrische energie!

Maar, economisch gezien:
één joule elektrische energie
levert veel meer geld op dan
één joule warmteenergie
(Pech voor IJsland met al hun geiser-warmte-energie)

Voorbeeld 1, van hoogwaardige bewegingsenergie naar laagwaardige warmte-energie:

Je kunt bewegingsenergie makkelijk omzetten in warmte-energie. Bij het afremmen van een auto wordt alle bewegingsenergie door de wrijving 100% omgezet in warmte.

Echter: in je auto heb je niet veel aan grote hoeveelheden warmte-energie. Tegenwoordig bevatten elektrische auto's motoren die ook stroom kunnen opwekken. Op die manier kun je door te remmen elektrische energie opslaan, die je weer gebruikt bij het optrekken.

Voorbeeld 2, van laagwaardige warmte-energie naar hoogwaardige bewegingsenergie:

In een steenkolen gestookte energiecentrale wordt (laagwaardige) chemische energie omgezet in (hoogwaardige) elektriciteit. Deze omzetting gebeurd met tussenstappen:

• de steenkolen worden verbrand, daarbij ontstaat warmte-energie
• de verbrandingswarmte wordt overgebracht op water. Hierdoor wordt stoom gevormd (nog steeds warmte-energie) en met deze stoom wordt een turbine aangedreven (hoogwaardige bewegingsenergie).
• De turbine brengt de drijft de as van een generator/dynamo aan en vormt de bewegingsenergie om in elektriciteit.

Het energetisch rendement van de modernste steenkolencentrales bedraagt slechts 46%. Toch openen China en India nog steeds wekelijks nieuwe steenkolencentrales omdat steenkool heel goedkoop is. Mede dankzij de energietransitie in het westen is steenkool minder populair en dat drukt de prijs.

Voorbeeld 3, warmte-energie waarbij de bron een hoge temperatuur heeft, is hoogwaardiger dan warmte-energie waarbij de bron een minder hoge temperatuur heeft:

Twee thermisch geïsoleerde reservoirs bevatten beiden warm water. Ze bevatten beiden dezelfde hoeveelheid energie.

• het ene reservoir heeft een groot volume, maar een lagere temperatuur.
• het andere reservoir heeft een kleiner volume, maar een hogere temperatuur. 

Het energiekwaliteit van het reservoir met de hoogste temperatuur is hoogwaardiger (dus duurder) dan de energiekwaliteit van het reservoir met de lagere temperatuur omdat je de energie van heet water het makkelijkst (goedkoper) om kunt zetten in andere vormen van energie.

Hoogwaardige energievormen

• bewegingsenergie: een bewegend voorwerp bevat bewegingsenergie
• potentiele energie: een voorwerp dat door een ander voorwerp wordt aangetrokken, bevat potentiële energie. Bijvoorbeeld een stuwmeer hoog in de bergen bevat water dat door de aarde wordt aangetrokken. Het water heeft daarom potentiele energie.
• elektrische energie: een batterij bevat elektrische energie

Laagwaardige energievormen

• nucleaire energie: energie uit atoomsplitsing of uit kernfusie
• warmte-energie: een warme stof of een warm voorwerp bevat warmte-energie. Je lichaam bevat warmte-energie.
• chemische energie: een stof of voorwerp dat een chemische reactie aan kan gaan met zijn omgeving, bevat chemische energie. Denk maar aan brandstof.

Als je beschikt over een hoogwaardige energiebron, zoals bijvoorbeeld beweging, is het vanuit economisch oogpunt gezien, verstandig om deze alleen om te zetten in een  andere hoogwaardige energievorm. Het is dus slim om potentiele energie via een watermolen om te zetten in bewegingsenergie, nodig voor het malen van graan.

Als je een laagwaardige energievorm nodig hebt, zoals bijvoorbeeld warmte-energie, dan is het vanuit economisch oogpunt gezien, verstandig om een laagwaardige energiebron te kiezen zoals bijvoorbeeld aardwarmte.

Maar het is economisch gezien ook slim om de restenergie van een gasgestookte energiecentrale te gebruiken voor het opwarmen van kassen en huizen. 

Waarom wekken we dan toch nog hoogwaardige energie (elektriciteit) op met laagwaardige energiebronnen?

Soms zijn laagwaardige energievormen in zo'n grote hoeveelheid beschikbaar, dat je de energie toch om gaat zetten in hoogwaardige energie (elektriciteit).

• Op IJsland bijvoorbeeld, is zoveel thermische energie beschikbaar in de vorm van aardwarmte, dat het daar toch wordt omgezet in elektriciteit.
• Nederland beschikt(e) over een enorme hoeveelheid aardgas. Daarom bouwde Nederland aardgascentrales zoals de PLEM (Provinciaalse Limburgse Energie Maatschappij) in Maasbracht.
• Nucleaire energie: atoomsplitsing levert zoveel warmteenergie op, dat je de warmte toch maar gaat omzetten in elektriciteit.

Hoogwaardige energie

In de energieketen gaat het er dus om enerzijds zo slim mogelijk hoogwaardige energie te creëren en dat zolang mogelijk voor hoogwaardige arbeid te gebruiken. We kunnen hiervoor het eerder genoemde begrip exergie goed voor gebruiken. Bijvoorbeeld een fornuis dat met olie wordt verwarmd heeft een energie-efficiency van 85% maar een exergie van slechts 4%. Met de olie kunnen energetisch veel slimmere dingen worden gedaan.

Een elektrische verwarming heeft een energie-efficiency van 100%, alle energie wordt in warmte omgezet, maar de exergie is slechts 5%. Eigenlijk best dom om die hoogwaardige energie om te zetten in zulke laagwaardige energie. Een warmtepomp heeft een energie-efficiency van 300% en een exergie waarde van 15%. In elk omzettingsproces wordt exergie vernietigd. Het begrip exergie is dus een perfecte meetwaarde om de kwaliteit van energie te meten. Hoe directer we die energie kunnen creëren die de gebruiker nodig heeft, hoe hoger de exergie.

Voorbeeld 1, omzetting van verbrandingsenergie naar mechanische energie in een auto

De energie die daarbij vrij komt, wordt omgezet in mechanische energie. Maar, niet alle verbrandingsenergie wordt omgezet in mechanische energie. Een gedeelte van de energie verdwijnt in de vorm van warmte die ontstaat door wrijving in de motor en door warmte die wordt meegevoerd door de lucht die langs de hete motor stroomt.

Voorbeeld 2, de omzetting van potentiele energie naar elektrische energie in een stuwdam: 

Een stuwdam zorgt voor een hoogteverschil van water. Op die manier ontstaat energiereservoir gevuld met potentiele energie. Door het water met grote snelheid op een schoepenrad te laten botsen, wordt de as van een stroomgenerator aangedreven. Zo wordt de potentiele energie omgezet in elektrische energie. Maar niet alle potentiele energie wordt omgezet in elektrische energie. Wrijving zorgt er voor omzetting van een deel van de potentiele energie wordt omgezet in warmte. En die warmte verdwijnt met het water in de rivier.

Dit is de kwaliteit van energie. Hiervoor bestaat het begrip exergie. Exergie geeft aan hoeveel arbeid maximaal verkregen kan worden uit een energie- of materiaalstroom. Een ander woord voor exergie is dan ook arbeidsvermogen.

Inspiratiebron: Kwaliteit van energie (tudelft.nl)

Energie-opslag is het toverwoord bij zonne-energie en windenergie. Immers: zonne- en windenergie zijn niet altijd beschikbaar. Om er optimaal gebruik van te kunnen maken, moet je de energie tijdelijk kunnen opslaan, in heel grote hoeveelheden!!! 

Welke vormen van energie-opslag kennen we?

• de batterij (denk aan je mobieltje)
• chemische energie: brandstof (zit in de tank van je voertuig)
• stuwmeer (potentiele energie)
• warmte-opslag (denk aan geo-thermische energie-opslag: heet water in de grond)

Maar, welke vorm van energie-opslag kun je het meest optimaal benutten?

Laten we eens gaan kijken naar een lift. 

Energie kan zich in vele gedaantes voordoen: elektriciteit, brandstoffen, warmwater, windenergie, zonneenergie etc.. In de praktijk blijkt dat er iets onverwachts met energie aan de hand is. Als je met dezelfde hoeveelheid energie in de gedaante van elektriciteit of heet water een lift omhoog wilt sturen, kom je met elektriciteit op de tiende verdieping en met heetwater nog maar net op de eerste verdieping. Elektrische energie is beter te benutten dan de energie van heetwater. Elektrische energie heeft een hogere kwaliteit dan warmte-energie.