Wat is energie?

Het begrip energie

De term energie duikt voor het eerst op in de werken van de Griekse filosoof Aristoteles. Daar betekent het echter uitsluitend beweging. Tot de 18^e eeuw kende men alleen thermische (vuur), biologische (spierkracht), hydrodynamische (watermolens) en aërodynamische (windmolens) verschijningsvormen van energie. Thermische energie werd uitsluitend voor verwarming gebruikt. Biologische, hydrodynamische en aërodynamische energie werden gebruikt om arbeid te verrichten. Tot de 18^e eeuw dacht men dat warmte en arbeid twee verschillende energievormen waren en dat beweging geen warmte en warmte geen beweging kon voortbrengen.

Pas in de eerste helft van de 19^e eeuw werd voor het eerst over energie in de huidige betekenis 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). Een volwassen mens gebruikt per dag ongeveer 8 à 10 MJ (10 miljoen Joule) aan energie in de vorm van voedsel om zijn lichaam op temperatuur te houden en om lichamelijke bezigheden te verrichten. Daarmee kan een mens normale lichamelijke arbeid verrichten met een vermogen van ongeveer 100 W.

Definitie van energie

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

Energieverbruik door de eeuwen heen

Vuur

De oudste vormen van energie, die de mensheid heeft gebruikt, zijn vuur en biologische energie in de vorm van de spierkracht van mens en dier.

Vuur is thermische energie. Vuur komt spontaan in de natuur voor; bijvoorbeeld als gevolg van blikseminslag of bij vulkaanuitbarstingen. De mens is de enige soort die vuur zelf kan maken. In de oudheid werd vuur vooral verkregen door het stoken van hout. Behalve hout werden ook planten, gedroogde koe- en kamelenmest en olie gebruikt. De olie was niet afkomstig van aardolie maar was van plantaardige en dierlijke oorsprong, de laatste met name van walvissen. 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 smelten van metalen en glas en voor het fabriceren van voorwerpen 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. In bepaalde gebieden ontstond na verloop van tijd tot brandhoutgebrek omdat de bossen helemaal gekapt waren. Na de Middeleeuwen werd hout, als brandstof, meer en meer vervangen door turf of steenkool.

Spierkracht

Mechanische energie werd in de oudheid en tot ver in de Middeleeuwen geleverd door de spierkracht van mens en dier, voornamelijk in de landbouw en voor transport. In de landbouw werd spierkracht 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, paarden werden ook als rijdier gebruikt. Tredmolens, aangedreven door de spierkracht van mensen, werden gebruikt om goederen op te hijsen. 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.

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 bestaande energie, gebaseerd op spierkracht van mens en dier, efficiënter werd aangewend. De productiecapaciteit werd echter beperkt door de spierkracht van mens en dier.

Waterkracht en windenergie

Vanaf het begin van onze jaartelling kwamen andere energievormen dan vuur en spierkracht 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 oudst bekende windmolen werd, in de eerste helft van de eerste eeuw, in Griekenland bedacht en had 16 wieken. Vanaf de zevende eeuw werden in Perzië de eerste wind aangedreven graanmolens gebruikt in de vorm van de klassieke vierwieker (zie figuur). Vanaf de 12^e eeuw werden deze ook in West-Europa toegepast.

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. Met de water- en windmolens steeg de productiecapaciteit. Dit leidde tot meer welvaart en een hogere levensstandaard.

De stoommachine

Een nadeel van water- en windmolens was dat ze afhankelijk waren van water- en windstromen. Met de introductie van de stoommachine kwam een nieuwe aandrijving met een groter vermogen ter beschikking. De stoommachine werd aangedreven door steenkool te verbranden. De stoommachine was niet afhankelijk van weersomstandigheden en was altijd beschikbaar zolang het gevoed werd met steenkool. Met de stoommachine konden ook generatoren worden aangedreven die elektriciteit produceerde. De productiecapaciteit nam sterk toe door de stoommachine evenals de welvaart. Dit was een eerste stap van een energietransitie van hernieuwbare energie (spierkracht, waterkracht en windenergie) naar fossiele brandstoffen. In 19^e eeuw werd, als energiebron, voornamelijk steenkool als fossiele brandstof gebruikt. In de 20^e eeuw werd steenkool deels vervangen door aardolie en aardgas.

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. Energie is daarom een moeilijk begrip omdat het in allerlei vormen voorkomen, bijvoorbeeld als bewegingsenergie, mechanische energie, thermische energie, elektrische energie en windenergie. De onderstaande 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.