Wat is energie?

Elektrotechnologie en energie

Huishoudens gebruiken voornamelijk gas, elektriciteit en autobrandstoffen (benzine en diesel) als energie. In de industrie worden, naast deze energievormen ook andere soorten energie gebruikt, bijvoorbeeld chemische energie. De 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. De verzameling van elektrische technieken, die in deze industriële processen worden gebruikt, staan bekend onder de naam elektrotechnologie. Elektrotechnologie wordt gevoed door elektrische energie. Elektrische energie is een van de vele vormen van energie. Maar wat is energie eigenlijk?


Het begrip energie

Het begrip energie is nog relatief jong. Pas in de eerste helft van de 19e eeuw werd voor het eerst over energie gesproken. Voor die tijd werd verondersteld dat warmte en mechanische energie twee verschillende energievormen waren die niet in elkaar konden worden omgezet. Zowel de Duitse arts Julius Robert Mayer (1814-1878) als de Engelsman James Prescott Joule (1818-1889) kwamen rond het midden van de 19e eeuw tot het inzicht dat beweging, warmte en chemische energie verschillende vormen van één fysische grootheid zijn die toen energie genoemd werd. Beide formuleerden 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'. 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 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 met wagens en karren werden paarden en ossen gebruikt die deze voertuigen trokken. 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.

Foto van 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.

Vanaf het begin van onze jaartelling kwamen andere energievormen dan spierkracht en vuur in gebruik. Als eerste waterkracht; hierbij wordt gebruik gemaakt van de potentiële of kinetische energie van water. De potentiële energie bestaat uit het verval van water in rivieren of van het hoogteverschil tussen eb en vloed. Kinetische energie is energie in de vorm van stromend water. Deze hydrodynamische energie werd via watermolens omgezet in mechanische energie en verving daarmee spierkracht.

Foto's van watermolens en een foto van een tandradoverbrenging in een watermolen

Mechanische energie werd voor allerlei doeleinden ingezet, bijvoorbeeld voor het malen van graan tot meel. Watermolens in het begin van onze jaartelling verrichtten arbeid die gelijkwaardig was aan het werk van wel 40 slaven. Ook aerodynamische energie wordt 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 in een luchtstroom, ofwel van windenergie.

In de 19e eeuw kwam de stoommachine tot ontwikkeling. Dat was een revolutie in het energieverbruik. De stoommachine was de eerste machine waarmee warmte, ofwel thermische energie, kon worden omgezet in mechanische energie. Dit had vooral een grote invloed op transport; de stoommachine maakte stoomtreinen en stoomschepen mogelijk. Met stoommachines konden later ook elektrische generatoren worden aangedreven waarmee warmte werd omgezet in elektriciteit. Omdat elektrische energie in allerlei andere energievormen kan worden omgezet is het een belangrijke vorm van energie in de moderne wereld. De opkomst van de stoommachine leidde tot een eerste energietransitie; turf, hout, spierkracht, wind- en waterkracht werden in toenemende mate vervangen door steenkool. De wereld leeft nu in een tijdperk van een andere energietransitie; van fossiele brandstoffen naar hernieuwbare bronnen van energie.


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.

Energievormen en energieconversietechnieken
Van/Naar Mechanische energie Thermische energie Stralings- energie Elektrische energie Chemische energie Kern- energie
Mechanische energie aandrijvingen stoom- machine zonnezeil elektromotor osmose kernsplijting
Thermische energie wrijving geleiding, absorptie- warmtepomp zonne- collector elektro- technologie vuur kernsplijting, kernfusie
Licht energie remstraling gloeilamp, halogeen- lamp, infraroodlamp laser, fluorescentie, fosforescentie lamp, buis, laser kaars, luminescentie gammastralen
Elektrische energie dynamo, generator thermo- elektrisch effect foto- voltaïsche cellen transformator, gelijkrichter batterij, brandstofcel radionuclide batterij
Chemische energie hoge druk reacties hoge temperatuur reacties fotosynthese elektrolyse, microgolf- chemie chemische reacties  
Kernenergie deeltjes- versnellers thermo- nucleaire reacties   cyclotron   splijtings- processen

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.

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 aanzienlijk lager dan de energie-inhoud van de energievormen gegeven in de tabel.

De verschillende vormen van energie worden nu vooral opgewekt uit fossiele energiebronnen. Deze worden 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.