De natuur kan niet voor de gek gehouden worden

Richard Feynman

Laten we het hebben over energieverbruik en energieproductie. Op dit moment, wordt het grootste deel van de energie die de ontwikkelde wereld consumeert geproduceerd met fossiele brandstoffen; dat is niet duurzaam. Hoe lang we zouden kunnen blijven leven met fossiele brandstoffen is een interessante vraag, maar het is niet de vraag waar we ons op zullen richten in dit boek. Ik wil nadenken over leven zonder fossiele brandstoffen.

We gaan twee stapels maken. Op de linker rode stapel zullen we ons energieverbruik aangeven, en op de groene stapel rechts zullen we duurzame energieproductie plaatsen. We zullen deze twee stapels geleidelijk opbouwen, elk onderdeel één voor één toevoegen terwijl we ze bespreken.

De vraag die in dit boek wordt behandeld, is “kunnen we duurzaam leven?” Dus, we zullen alle denkbare duurzame energiebronnen optellen en ze op de rechter groene stapel zetten.

In de linker rode stapel, schatten we het verbruik van een [“typical moderately-affluent person;” een typische matig welvarende persoon;” ] Ik moedig u aan om een schatting te maken van uw eigen consumptie, met het creëren van uw eigen gepersonaliseerde stappel aan de linkerkant. Later zullen we ook het huidige gemiddelde energieverbruik van Europeanen en Amerikanen bespreken.

Terwijl we ons energieverbruik schatten voor verwarming, transport, productie, enzovoort, is het doel niet alleen om een getal te berekenen voor de linker stapel van onze balans, maar ook om te begrijpen waar elk getal vanaf hangt en hoe vatbaar het is voor verandering.

In de groene stapel rechts, tellen we de schattingen van de duurzame productie van het Verenigd Koninkrijk op. Dit zal ons in staat stellen het antwoord te geven op de vraag “kan het VK mogelijkerwijs op eigen hernieuwbare energie leven?”

Of de duurzame energiebronnen die we op de stapel rechts zetten economisch haalbaar zijn is een belangrijke vraag, maar we laten die vraag voorlopig aan de kant, en beginnen gewoon de twee stapels bij elkaar op te tellen. Soms richten mensen zich te veel op economische haalbaarheid en missen de grote lijnen. Mensen discussiëren bijvoorbeeld “is wind goedkoper dan nucleair?” En vergeten te vragen “hoeveel wind is er beschikbaar?” of “hoeveel uranium is er nog?”

Wanneer we alles optellen, zou de uitkomst er als volgt uit kunnen zien:

Als we vinden dat de consumptie veel minder groot is dan de duurzame energieproduktie, dan kunnen we zeggen: “goed, misschien kunnen we duurzaam leven; laten we kijken naar de economische, sociale en milieukosten van de duurzame alternatieven en uitzoeken welke van hen het meeste onderzoek en ontwikkeling verdienen; als we het goed doen, komt er misschien geen energiecrisis.”

Maar de uitkomst van onze optelsommen kan er ook als volgt uitzien:

– dan hebben we een veel somberder vooruitzicht. Dit beeld zegt: “het maakt niet uit wat de kosten van duurzame energie zijn: er is simpelweg niet genoeg duurzame energie om onze huidige levensstijl te ondersteunen; er komt massale verandering aan.”

Energie en kracht

De meeste discussies over energieverbruik en energieproductie zijn verwarrend vanwege de proliferatie van eenheden waarin energie en vermogen worden uitgedrukt, van “ton olie-equivalent” tot “terawatt-uur” (TWh) en “exajoules “(EJ). Niemand, behalve een specialist, heeft gevoel voor wat “een vat olie” of  “een miljoen BTU’s” betekent in menselijke termen. In dit boek zullen we alles uitdrukken met één groep van eenheden waar iedereen zich iets bij kan voorstellen.

Figuur 2.1. Het verschil tussen energie en vermogen. Elk van deze 60W gloeilampen heeft een vermogen van 60W; het heeft geen “energie” van 60W. De lamp gebruikt 60 W aan elektrisch vermogen wanneer deze aan staat; het stoot 60 W aan vermogen uit in de vorm van licht en warmte (voornamelijk het laatste).

De energie eenheid die ik heb gekozen is het kilowattuur (kWh). Deze hoeveelheid wordt “één eenheid” op elektriciteitsrekeningen genoemd en het kost een huishoudelijke gebruiker ongeveer 10 pence in het VK in 2008. Zoals we zullen zien, de meeste individuele dagelijkse keuzes betreffen hoeveelheden energie die gelijk zijn aan een klein aantal kilowatturen.

Wanneer we vermogens bespreken (de snelheid waarmee we energie gebruiken of produceren), is de belangrijkste eenheid het kilowattuur per dag (kWh / dag). We zullen ook af en toe gebruik maken van de watt (40 W ≈ 1kWh / d) en de kilowatt (1 kW = 1000 W) = 24 kWh / d), zoals ik hieronder zal uitleggen. Het kilowattuur per dag is een goede eenheid met een menselijke grootte: bij de meeste persoonlijke energieverslindende activiteiten gaat het om een vermogen van een klein aantal kilowatturen per dag. Bijvoorbeeld een 40 W gloeilamp, die altijd brandt, verbruikt één kilowattuur per dag. Sommige elektriciteitsbedrijven nemen grafieken op in hun elektriciteitsrekening, energieverbruik in kilowattuur per dag. Ik zal dezelfde eenheid gebruiken voor alle vormen van vermogen, niet alleen van elektriciteit.

Benzineverbruik, gasverbruik, kolenverbruik: ik zal al deze vermogens aangeven in kilowatt-uren per dag. Laat me dit verduidelijken: voor sommige mensen heeft het woord “vermogen” alleen betrekkking op elektriciteitsverbruik. Maar dit boek gaat over alle vormen van energieverbruik en energieproductie, dus ik zal het woord “vermogen” voor ieder vorm gebruiken.

Een kilowattuur per dag is ongeveer het vermogen dat je kunt krijgen van een menselijke dienaar. Het aantal kilowattuur per dag dat u gebruikt, is dus het effectieve aantal personeelsleden dat voor u werkt.

Mensen gebruiken de twee termen energie en vermogen uitwisselbaar in het dagelijks gebruik, maar in dit boek moeten we rigoureus vasthouden aan hun wetenschappelijke definities. Vermogen is de snelheid waarmee iets energie gebruikt.

Misschien is een goede manier om energie en kracht uit te leggen met een analogie met water en de waterstraal uit kranen. Als u een slok water wilt, dan wilt u een volume water – een liter, misschien (als u dorst heeft). Wanneer u een kraan een beetje opendraait, dan creert u een stroom van water – één liter per minuut dat is een klein straaltje; daarentegen met een geheel openstaande kraan komt er wel 10 liter per minuut uit de kraan. U kunt hetzelfde volume (één liter) krijgen door dat kleine straaltje één minuut te laten lopen, of door de kraan één tiende van een minuut helemaal te open te draaien. Het volume geleverd in een bepaalde tijd is gelijk aan de vloeistofstroom vermenigvuldigd met de tijd

volume = stroom × tijd.

We zeggen dat een vloeistofstroom een snelheid is waarmee een volume wordt afgeleverd.

Als u het volume kent dat in een bepaalde tijd is geleverd, dan kunt u de stroom berekenen door het volume door de tijd te delen.

vloeistofstroom = volume / tijd

volume word gemeten in liters                              vloeistofstroom wordt gemeten in liters per seconde

energie wordt gemeten inkWh                              vermogen wordt gemeten in kWh per dag

Hier is de link met energie en kracht. Energie is als het volume van water, vermogen is als de vloeistofstroom. Bijvoorbeeld wanneer een broodrooster is ingeschakeld, begint die vermogen te verbruiken met de snelheid van één kilowatt. Het blijft één kilowatt consumeren totdat deze is uitgeschakeld. Om het anders te zeggen, de broodrooster (indien die permanent aan blijft) verbruikt een kilowattuur (kWh) energie per uur; hij verbruikt ook 24 kilowattuur per dag. Hoe langer de broodrooster aan staat, hoe meer energie hij gebruikt. U kunt de energie gebruikt door een bepaalde activiteit berekenen door het vermogen te vermenigvuldigen met de tijdsduur:

energie = vermogen × tijd.

De Joule is de internationale standaard eenheid van energie, maar helaas is het veel te klein om mee te werken. Een kilowattuur is gelijk aan 3,6 miljoen joules (3.6megajoule).

Vermogens zijn zo nuttig en belangrijk, dat ze iets hebben dat waterstromen niet hebben: ze hebben hun eigen speciale eenheden. Als we het hebben over een vloeistofstroom, die we kunnen meten in “liters per minuut”, “gallons per uur”, of “kubieke meter per seconde;” dan maken de namen van deze eenheden duidelijk dat de vloeistofstroom “een volume per tijdseenheid” is. Een vermogen van één joule per seconde wordt één watt genoemd. 1000 joules per seconde wordt één kilowatt genoemd. Laten we de terminologie goed begrijpen: de broodrooster gebruikt één kilowatt. Hij gebruikt niet “één kilowatt per seconde.” De “per seconde” is al ingebouwd in de definitie van de kilowatt: één kilowatt betekent “één kilojoule per seconde.” Op dezelfde manier zeggen we “een nucleaire energiecentrale genereert één gigawatt.” Eén gigawatt is trouwens één miljard watt, één miljoen kilowatt of 1000 megawatt. Dus één gigawatt is een miljoen broodroosters. De afkorting van gigawatt wordt met de letters g en w uit gigawatt in hoofdletters geschreven “GW”.

Zeg alstublieft nooit “één kilowatt per seconde”, “een kilowatt per uur, “of” één kilowatt per dag”;  dit zijn geen geldige eenheden voor vermogen. De drang die mensen hebben om  ‘per iets’ te zeggen als ze over hun broodroosters spreken is een van de redenen waarom ik besloot om het “kilowattuur per dag” te gebruiken als mijn eenheid van vermogen. Het spijt me dat het een beetje omslachtig is om te zeggen en te schrijven.

Hier een laatste ding om te verduidelijken: als ik zeg “iemand gebruikte één gigawatt-uur energie,” dan vertel ik u eenvoudig hoeveel energie hij heeeft gebruikt, niet hoe snel hij het gebruikte. Praten over een gigawattuur betekent niet dat de energie binnen een uur is gebruikt. Je zou een gigawattuur aan energie kunnen gebruiken door het inschakelen van een miljoen broodroosters een uur lang, of door het inschakelen van 1000 broodroosters gedurende 1000 uur.

Zoals ik al zei, citeer ik meestal vermogens in kWh/d per persoon. Een reden om deze zeer persoonlijke eenheid te gebruiken is dat deze eenheid het veel gemakkelijker maakt om het Verenigd Koninkrijk te vergelijken met andere landen of regios. Bijvoorbeeld, stel u zich voor dat we afvalverbranding bespreken en dat we leren dat de Britse afvalverbranding een vermogen van 7 TWh per jaar levert en dat in Denemarken afvalverbranding 10 TWh per jaar levert. Helpt dit ons te zeggen of Denemarken “meer” afval verbranden dan het VK? Terwijl de totale energie geproduceerd uit afval in ieder land interessant kan zijn, denk ik dat wat we meestal willen weten, is de afvalverbranding per persoon. (Voor de duidelijkheid, dat is in Denemarken, 5 kWh / dag per persoon, en in het VK 0,3 kWh / dag per persoon. Denen verbranden dus ongeveer 13 keer zoveel afval als Britten.) Om inkt te besparen, zal ik soms “per persoon” afkorten tot “/ p”. Door alles vanaf het begin per persoon te bespreken, eindigen we met een beter transporteerbare boek, dat hopelijk nuttig zal zijn voor discussies over duurzame energie in de hele wereld.

Ingewikkelde details

Wordt energie niet bewaard? We hebben het over het ‘verbruiken’ van energie, maar zegt niet één van de natuurwetten dat energie niet kan worden gecreëerd of vernietigd?

Ja, ik ben onnauwkeurig. Dit is eigenlijk een boek over entropie – een lastig ding om uit te leggen. Wanneer we één kilojoule energie “verbruiken”, dan converteren we één kilojoule energie met een lage vorm van entropie (bijvoorbeeld elektriciteit) naar een exact gelijke hoeveelheid van energie in een andere vorm, meestal een die een veel hogere entropie heeft (voor bijvoorbeeld hete lucht of warm water). Wanneer we de energie hebben “verbruikt”, is die nog steeds er; maar we kunnen energie normaal gesproken niet steeds opnieuw gebruiken, omdat alleen energie met een lage entropie “nuttig” voor ons is. Soms worden deze verschillende vormen van energie onderscheiden door een label aan de eenheden toe te voegen: één kWh (e) is een kilowattuur aan elektrische energie – de hoogste graad van energie. een kWh (d) is één kilowattuur thermische energie, bijvoorbeeld de energie in tien liter kokend water. Energie in dingen met een hogere temperatuur zijn nuttiger (lagere entropie) dan energie in koude dingen. Een derde graad van energie is chemische energie. Chemische energie is hoogwaardige energie net zoals elektriciteit.

Het is een handig maar slordig gebruik om over energie te spreken inplaats van over entropie, en dat is wat we de meeste tijd in dit boek zullen doen. Maar af en toe kunnen we niet om entropie heen; bijvoorbeeld wanneer we koeling, krachtcentrales, warmtepompen of geothermische energie bespreken.

Vergelijk ik appels met sinaasappels? Is het juist om verschillende vormen van energie te vergelijken, zoals de chemische energie voor een benzine-aangedreven auto met de elektriciteit van een windturbine?

Als ik verbruikte energie vergelijk met geproduceerde energie, dan wil ik daarmee niet zeggen dat alle vormen van energie gelijkwaardig en uitwisselbaar zijn. De elektrische energie geproduceerd door een windturbine heeft geen nut voor een benzinemotor; en benzine heeft geen nut als u een televisie aan wilt zetten. In principe kan energie van de ene vorm naar de andere worden omgezet hoewel dat conversieverliezen met zich mee brengt. Energiecentrales met fossiele brandstoffen slurpen chemische energie en produceren elektriciteit (met een rendement van 40% of zo). En aluminium fabrieken slurpen elektrische energie om een product te maken met hoge chemische energie – aluminium (met een rendement van ongeveer 30%).

In sommige samenvattingen van energieproductie en energieverbruik worden alle energievormen in dezelfde eenheden geplaatst, maar worden ook wegingsfactoren geïntroduceerd, waarbij aan de elektrische energie van hydro-elektriciteit bijvoorbeeld 2,5 keer meer waarde wordt toegekend als aan de chemische energie in olie. Dit gebruik van de effectieve energiewaarde van elektriciteit kan worden gerechtvaardigd door te zeggen: “1 kWh elektriciteit is gelijk aan 2,5 kWh olie, want als we olie in een standaard electriciteitscentrale zouden omzetten naar electriciteit dans zou het 40% van 2,5 kWh leveren, wat 1 kWh elektriciteit is.” In dit boek zal ik echter meestal een één-op-één conversie gebruiken bij het vergelijken van verschillende vormen van energie. Het is niet zo dat 2,5 kWh olie onontkoombaar gelijk is aan 1 kWh elektriciteit; dat is gewoon de waargenomen wisselkoers in een wereld waar olie wordt gebruikt om elektriciteit te maken. Ja, de conversie van energie in chemicaliën naar elektrische energie wordt gedaan met deze specifieke inefficiënte omzettingfactor. Maar elektrische energie kan ook worden omgezet in chemische energie. In een alternatieve wereld (misschien niet ver weg) met relatief veel elektriciteit en weinig olie, kunnen we elektriciteit gebruiken om vloeibare brandstoffen te maken; in die wereld zouden we zeker niet dezelfde wisselkoers gebruiken – elke kWh benzine zou ons dan ongeveer 3 kWh aan elektriciteit kosten! De tijdloze en wetenschappelijke manier om energieën te beschrijven en te vergelijken is volgens mij, 1 kWh chemische energie equivalent te stellen aan 1 kWh elektriciteit. Mijn keuze om deze één-op-één-conversie te gebruiken betekent dat sommige van mijn sommen er een beetje anders uitzien dan die van anderen. (Bijvoorbeeld de Statistical Review van BP van Wereld Energie tarieven 1 kWh elektriciteit gelijk aan 100/38 ≈ 2,6 kWh aan olie; aan de andere kant, de Digest of UK Energy Statistics van de overheid gebruikt dezelfde één-op-één ratio als ik.) En ik benadruk nogmaals, deze keuze betekent niet dat ik suggereer dat je de ene vorm van energie direct kan converteren naar de andere. Chemische energie omzetten in elektrische energie verspilt altijd energie, en dat geldt ook voor het omzetten van elektriciteit in chemische energie.

Natuurkunde en vergelijkingen

In het hele boek wil ik niet alleen de cijfers aangeven van ons huidige energieverbruik en van mogelijke duurzame productie, maar ook om duidelijk te maken waar deze getallen van afhankelijk zijn. Inzicht waardoor getallen beinvloed worden is van essentieel belang als we een verstandig beleid willen kiezen om een van die getallen te wijzigen. Alleen als we de natuurkunde achter energieverbruik en energieproductie begrijpen kunnen we beweringen zoals deze beoordelen: “auto’s verspillen 99% van de energie die ze verbruiken; we zouden auto’s dus opnieuw kunnen ontwerpen zodat ze 100 keer minder energie gebruiken. ” Is deze bewering waar? Om het antwoord uit te leggen, ik zal vergelijkingen zoals deze moeten gebruiken

Ik erken echter dat dergelijke formules voor veel lezers een vreemde taal zijn. Dus, hier is mijn belofte: ik zal al deze dingen in een vreemde taal in de technische hoofdstukken aan het einde van het boek zetten. Elke lezer met een middelbare schoolkwalificatie in wiskunde, natuurkunde of scheikunde zou van deze technische hoofdstukken moeten kunnen genieten. De rode draad in het boek ( in de eerste 2 delen) is bedoeld om toegankelijk te zijn voor iedereen die kan optellen, vermenigvuldigen en delen. Het is vooral gericht op onze geliefde verkozen en ongekozen vertegenwoordigers, de Leden van het Parlement.

Nog een laatste punt, voordat we gaan beginnen: ik weet niet alles van energie. Ik heb niet alle antwoorden en de getallen die ik aanbied staan open voor herziening en correctie. (Ik verwacht inderdaad correcties en zal deze publiceren op de website van het boek.) Het enige waar ik zeker van ben is dat de antwoorden op onze vragen over duurzame energie getallen zullen bevatten; elke gezonde discussie over duurzame energie vereist getallen. Dit boek heeft ze, en laat zien hoe er mee om te gaan. Ik hoop dat u er ervan geniet!

Notes and further reading

page no.

25The “per second” is already built in to the definition of the kilowatt. Other examples of units that, like the watt, already have a “per time” built in are the knot – “our yacht’s speed was ten knots!” (a knot is one nautical mile per hour); the hertz – “I could hear a buzzing at 50 hertz” (one hertz is a frequency of one cycle per second); the ampere – “the fuse blows when the current is higher than 13 amps” ( not 13 amps per second); and the horsepower – “that stinking engine delivers 50 horsepower” ( not 50 horsepower per second, nor 50 horsepower per hour, nor 50 horsepower per day, just 50 horsepower).

–Please, never, ever say “one kilowatt per second.” There are specific, rare exceptions to this rule. If talking about a growth in demand for power, we might say “British demand is growing at one gigawatt per year.” In Chapter 26 when I discuss fluctuations in wind power, I will say “one morning, the power delivered by Irish windmills fell at a rate of 84 MW per hour.” Please take care! Just one accidental syllable can lead to confusion: for example, your electricity meter’s reading is in kilowatt-hours (kWh), not ‘kilowatts-per-hour’.

I’ve provided a chart on p368 to help you translate between kWh per day per person and the other major units in which powers are discussed.