Wat is energie?

Het begrip energie

Het begrip energie is nog relatief jong. Tot de 18^e eeuw kende men alleen thermische, biologische, hydrodynamische en aërodynamische verschijningsvormen van energie. Thermische energie werd uitsluitend voor verwarming gebruikt. Biologische, hydrodynamische en aërodynamische energie werden gebruikt om arbeid te verrichten. Men veronderstelde tot die tijd dat warmte en arbeid twee verschillende energievormen waren die niet in elkaar konden worden omgezet. Pas in de eerste helft van de 19^e eeuw werd voor het eerst over energie gesproken. Zowel de Duitse arts Julius Robert Mayer (1814-1878) als de Engelsman James Prescott Joule (1818-1889) kwamen rond het midden van de 19^e eeuw tot het inzicht dat beweging, warmte en chemische energie, verschillende vormen van één fysische grootheid zijn. Deze fysische grootheid werd toen energie genoemd. Zowel Mayer als Joule formuleerde de Eerste Hoofdwet van de Thermodynamica ofwel de Wet van Behoud van Energie; energie blijft altijd behouden en gaat niet verloren. Energie kan alleen een andere vorm aannemen. Met verschillende vernuftige experimenten heeft Joule aangetoond dat de omzetting van één energievorm naar een andere, mogelijk is. Zijn bijdrage aan het begrip energie heeft ertoe geleid dat de eenheid van energie nu de Joule is. Een Joule is de hoeveelheid arbeid die verricht moet worden om een massa, met een kracht van één newton, één meter omhoog te tillen. Het is ook de energie die nodig is om een lampje van één Watt, één seconde te laten branden. Ofwel 1 J = 1 Nm (Newton meter) = 1 Ws (Watt seconde).

Definitie van energie

Het begrip energie wordt gedefinieerd als 'het vermogen om arbeid te verrichten'. Anders gezegd; energie geeft de mogelijkheid om iets te veranderen. Dank zij energie kunnen we met weinig mensen ons voedsel telen, onze huizen verwarmen, ons snel in auto's verplaatsen en handige apparaten gebruiken die het leven veraangenamen.

Energieverbruik door de eeuwen heen

De oudste vorm van energie die de mensheid heeft gebruikt is biologische energie in de vorm van de spierkracht van mens en dier. Hiermee werd alleen mechanische arbeid verricht, voornamelijk in de landbouw en voor transport. In de landbouw werd spierarbeid gebruikt voor ploegen, zaaien en oogsten (mensen, paarden, ossen). Voor het transport werden wagens en karren gebruikt getrokken door paarden en ossen. Als lastdier werden paarden, muildieren en muilezels gebruikt. Spierkracht werd ook gebruikt als energiebron voor de aandrijving van industriële processen en van processen voor het bewerken van landbouwproducten. Een voorbeeld is de rosoliemolen waarmee olie werd geproduceerd uit oliehoudende zaden zoals koolzaad, raapzaad en vlaszaad. De rosoliemolen werd aangedreven door paarden. Kleinere molens werden ook wel aangedreven door honden, bijvoorbeeld bij een karnmolen waarmee boter werd geproduceerd uit melk.

Een andere oude vorm van energie is vuur.

Vuur is thermische energie. Vuur komt spontaan in de natuur voor; bijvoorbeeld als gevolg van blikseminslag of bij vulkaanuitbarstingen. In de oudheid werd vuur vooral verkregen door het stoken van hout. Vuur werd gebruikt voor het bereiden van voedsel en voor verwarming. Daarnaast werd vuur ook gebruikt als lichtbron, voor het opdrijven van wild, voor het op afstand houden van roofdieren, voor het vrijmaken van grond voor landbouw en voor het conserveren van voedsel door roken. Vanaf de bronstijd (van 1700 tot 700 voor v.Chr.) werd vuur gebruikt in houtovens voor het fabriceren van keramiek, glas en brons. Vanaf 700 v.Chr. werden houtovens ook gebruikt om ijzer te maken. Het gevolg van deze activiteiten was dat grote delen van bossen in ovens verdwenen. Na de Middeleeuwen werd hout, als brandstof, meer en meer vervangen door turf of steenkool.

Voor het begin van onze jaartelling, toen vuur en spierkracht de voornaamste energiebronnen waren, nam de welvaart toe. Deze toename was niet het gevolg van energiegebruik, maar ontstond door een toenemend gebruik van werktuigen zoals de hefboom, de katrol en de vijzel (waterschroef). Met deze werktuigen kon de voorhanden zijnde energie, gebaseerd op spierkracht van mens en dier, efficiënter worden aangewend. Vanaf het begin van onze jaartelling kwamen andere energievormen dan spierkracht en vuur in gebruik. Als eerste hydrodynamische energie ofwel waterkracht. Bij waterkracht wordt gebruik gemaakt van de potentiële of kinetische energie van water. Potentiële energie bestaat uit het verval van water in rivieren of van het hoogteverschil tussen eb en vloed. Kinetische energie is de energie in de vorm van stromend water. Deze hydrodynamische energie werd via watermolens omgezet in mechanische energie en verving daarmee spierkracht.

Ook aërodynamische energie, ofwel windenergie, werd sinds het begin van onze jaartelling, in plaats van spierkracht, gebruikt. Windmolens zetten de energie van wind ook om in mechanische energie. De werking lijkt op die van watermolens, alleen wordt hier gebruik gemaakt van de kinetische energie van een luchtstroom, ofwel van windenergie.

De mechanische energie van water- en windmolens werd voor allerlei doeleinden ingezet, bijvoorbeeld voor het malen van graan tot meel, het zagen van hout, het produceren van olie, het wassen van kleding en het maken van papier en textiel. Dit was een eerste stap op weg naar de huidige industrialisatie. Watermolens, in het begin van onze jaartelling, verrichtten arbeid die gelijkwaardig was aan het werk van wel 40 slaven (ongeveer 3 kW). In Europa waren in de Middeleeuwen vele duizenden watermolens in bedrijf. Het vermogen van deze watermolens was ongeveer 7 tot 11 kW. Tot ver in de 19e eeuw was waterkracht voor veel industriële processen onmisbaar als mechanische energiebron. Er waren in totaal, over heel Nederland meer dan 550 watermolens in bedrijf. De meeste watermolens stonden rond de Veluwe en in Limburg. Eind 19^e eeuw telde Nederland meer dan 9000 windmolens. Het vermogen van de windmolen was ook ongeveer 7 tot 11 kW. De Gouden Eeuw, waarin Nederland een sterke economische groei heeft kunnen verwezenlijken, was mogelijk dankzij de bijdrage van windmolens aan de economie. In Nederland werden windmolens ook gebruikt om polders droog te malen en het waterniveau in polders op een bepaald peil te handhaven. Zowel water- als windmolens leidde tot meer welvaart en een hogere levensstandaard.

Vormen van energie

Onze huidige maatschappij kent behalve mechanische energie (spierkracht, windenergie en waterkracht) en thermische energie (vuur, warmte uit hout, turf of kolen) vele andere energievormen. De tabel geeft een overzicht van verschillende energievormen die in een geconcentreerde vorm beschikbaar zijn, met relatief hoge energiedichtheden. Daarnaast geeft de tabel een aantal technieken waarmee de verschillende energievormen in elkaar kunnen worden omgezet.

In de tabel is biologische energie weggelaten. De belangrijkste vorm van biologische energie is spierkracht waarmee meestal mechanische energie wordt opgewekt. Biologische energie wordt ook wel in andere energievormen omgezet: bijvoorbeeld in licht (vuurvliegjes) of in elektriciteit (sidderaal). Maar dat gebeurt maar op kleine schaal, deze energievormen zijn niet toepasbaar op grote schaal. Nieuwe vormen van biologische energie, in de vorm van biomassa, worden nu gebruikt in vergistings- en vergassingsprocessen. Daarmee worden uit organische materialen gasvormige of vloeibare brandstoffen geproduceerd.

Van de energievormen, die in de tabel worden genoemd, komen alleen chemische energie, kernenergie en licht in ruime mate in de natuur voor. Chemische energie komt voor in de vorm van aardolie, steenkool en aardgas. Kernenergie komt voor in de vorm van uranium. Energie van licht is de energie die de zon uitstraalt. Energie wordt nu nog voornamelijk gewonnen uit chemische energiebronnen. Zowel de chemische als de nucleaire bronnen zijn echter eindig.

Naast de geconcentreerde energievormen, gegeven in de tabel, zijn er meer diffuse energievormen die meestal op kinetische energie in stromingen zijn gebaseerd. Windenergie, waterkracht en zonnestraling zijn de belangrijkste diffuse energievormen. Daarnaast is er energie afkomstig uit fotosynthese (zonne-energie vastgelegd in groeiende planten en bossen) en de warmte uit de aarde. De energie-inhoud van deze vormen is meestal lager dan de energie-inhoud van de energievormen gegeven in de tabel.

Opwekking en gebruik van energie

De verschillende vormen van energie, ofwel de verschillende energiedragers die worden gebruikt, worden nu vooral opgewekt uit fossiele energiebronnen. De wereld leeft in een tijd van energietransitie, energie uit fossiele bronnen wordt de laatste tijd in toenemende mate vervangen door energie uit hernieuwbare of duurzame energiebronnen. Maar dan geen hernieuwbare energie in de vorm van spierkracht zoals in het begin van onze jaartelling. Waterkracht en windenergie worden ook nu gebruikt om energie op te wekken, maar nu met behulp van moderne technieken in de vorm van water- en windturbines. Daarnaast zijn er nog vele andere manieren om hernieuwbare energie op te wekken bijvoorbeeld met zonnecellen, zonnecollectoren en door het vergisten van landbouw- en veeteeltafval.

De toenemende welvaart gaat gepaard met een toename van het energieverbruik. Huishoudens gebruiken voornamelijk energie in de vorm van gas, elektriciteit en autobrandstoffen (benzine en diesel) als energiedrager. In de industrie worden, naast deze energiedragers ook andere soorten energie gebruikt, bijvoorbeeld chemische energie. Energie wordt gebruikt in een veelheid aan industriële processen; elektriciteit is een van de energiedragers die wordt gebruikt om een proces van energie te voorzien. Het belang van het gebruik van elektrische energie in de industrie neemt toe. Enerzijds omdat veel hernieuwbare bronnen elektrische energie leveren en anderzijds om de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen te verminderen. De verzameling van elektrische technieken, die in industriële processen worden gebruikt, staan bekend onder de naam elektrotechnologie. Elektrotechnologie wordt gevoed door elektrische energie.