Energieconversie

In module TB141E, Introductie in Energie- & Industriesystemen, is aan de hand van de Nederlandse energiebalans al kort ingegaan op het verbruik van energiedragers in de verschillende sectoren.

Enkele voorbeelden van energieconversiesystemen zijn:
• in een fornuis wordt brandstof gecontroleerd verbrand met lucht, zodat de vrijkomende warmte kan worden benut om eten te koken, maar ook om bijvoorbeeld water om te zetten in stoom, of om een reactiemengsel te verwarmen.
• een centrale verwarmingsinstallatie (kortweg CV-installatie of CV) zorgt voor ruimteverwarming. In ons land is ruimteverwarming een deel van het jaar nodig doordat geen enkele (woon)ruimte perfect geïsoleerd is en na verloop van tijd door warmteverliezen dezelfde temperatuur zou aannemen als haar omgeving. 90% van de Nederlandse huishoudens heeft een centrale verwarmingsinstallatie gestookt op aardgas. De chemische energie van het methaan wordt omgezet in warmte die via de radiatoren wordt afgegeven aan de woonruimtes.
• een auto heeft kracht, vermogen, nodig om te versnellen en om in beweging te blijven. Ontbreekt aandrijfvermogen dan komt de auto onvermijdelijk tot stilstand door wrijving (lucht, wielen). De meeste auto's zijn uitgerust met een verbrandingsmotor die de brandstof (benzine, diesel, LPG) gebruikt om een as te laten draaien die de wielen aandrijft. Elektrische auto's gebruiken elektriciteit opgeslagen in een batterij voor de elektromotoren die de aandrijving verzorgen.
• in een batterij vindt een elektrochemische reactie plaats waardoor een potentiaalverschil tussen de twee elektrische polen ontstaat. Als deze, via een (elektrische) weerstand (de gebruiker van elektriciteit) worden verbonden, dan zal een stroom gaan lopen, en wordt het verbonden apparaat (de gebruiker) van elektriciteit voorzien.
• in moderne elektriciteitscentrales worden hoge-druk stoomturbines (steenkool, nucleair) toegepast, in aardgascentrales zijn het gasturbines, en in waterkrachtcentrales zijn hydroturbines in gebruik om kracht (beweging) door middel van een generator om te zetten in elektriciteit.

Typen energieconversie

In bovengenoemde systemen treedt per saldo slechts een beperkt aantal typen energieomzettingen op, zie ook onderstaande figuur.

Een aantal van deze energieomzettingen vindt spontaan (in de natuur) plaats, bijvoorbeeld de overdracht van warmte Q van een reservoir met hoge temperatuur naar een reservoir met lage temperatuur. Ook de omzetting van elektriciteit in warmte (bij het geleiden van stroom door een weerstand) gaat vanzelf, net als het omzetten van arbeid in wrijvingsverlies. Door deze omzettingen gecontroleerd te laten plaatsvinden kan daadwerkelijk nuttig gebruik worden gemaakt van het product van de omzetting en daarmee van de kostbare energiedrager.

De omgekeerde omzettingen, warmte van lage naar hoge temperatuur of van warmte naar kracht, gaan nooit spontaan. Daar zijn altijd technische installaties voor nodig, respectievelijk een warmtepomp en een thermische (elektriciteits)centrale.


De volgende typen energieconversie zijn in de figuur te onderscheiden:
• omzetting van chemische of verbrandingsenergie (LHV) in warmte van hoge temperatuur (T_h = 800-2000 °C) door verbranding, bijvoorbeeld in fornuis. Voorbeelden zijn:
   - verbranding van aardgas in een CV-installatie, gasturbine of industrieel fornuis
   - stoken van het fornuis van grote elektriciteitscentrales met poederkool en/of biomassa
   - gebruik van hoogoven gas (een mengsel van CO en H₂) als brandstof in een warmtekrachtcentrale
   - gebruik van benzine, diesel en LPG in verbrandingsmotoren
   - stoken van de barbecue met houtskool
• splijting van uranium tijdens een kernreactie voor de productie van warmte
• conversie van een warmtestroom Q naar een warmtestroom met lagere temperatuur, d.m.v. een warmtewisselaar:
   - van hoge temperatuur T_h (800-2000 °C) naar middentemperatuur T_m (200-800 °C). Een voorbeeld is de overdracht van verbrandingswarmte uit rookgas naar (hoge-druk) stoom in een elektriciteitscentrale.
   - van middentemperatuur T_m (200-800 °C) naar lage temperatuur T_l (60-200 °C). Belangrijkste voorbeeld is de overdracht van de warmte van de verbrandingskamer in een CV-ketel naar het water dat verwarmd wordt.
   - van lage temperatuur T_l (60-200 °C) naar omgevingstemperatuur T₀ (5-25 °C). Dit is meestal de laatste stap in ruimteverwarming. Ook in elektriciteitscentrales vindt deze transformatie plaats bij het afgeven van restwarmte aan koelwater.
• conversie van een warmtestroom Q (T_h) naar arbeid W (via stoom- en/of gascyclus). Dit is de belangrijkste energieconversie: het omzetten van warmte naar arbeid (elektriciteit) stelt ons in staat productie en transport te mechaniseren. Tegenwoordig zijn er twee hoofdtypen energieconversiesystemen waarin deze conversie wordt gerealiseerd:
   - zonder co-productie van een nuttig te gebruiken warmtestroom. Naast de omzetting van warmte Q (T_h) naar arbeid W ontstaat (onvermijdelijk) een warmtestroom op omgevingstemperatuur Q_rest(T₀). Anders gezegd: een grootschalige elektriciteitscentrale produceert slechts elektriciteit als nuttig product.
   - mét co-productie van een warmtestroom die nuttig wordt toegepast, bijvoorbeeld in een fabriek, tuinbouwkas of stadsverwarmingsnet. Naast arbeid produceert een warmtekrachtcentrale dan een warmtestroom Q_product (T_m en/of T_l).
• arbeid W opgewekt uit Q (T_h) kan vervolgens gebruikt kan worden om:
   - een generator aan te drijven, dit is een grote dynamo voor het opwekken van elektrische (wissel)stroom
   - rechtstreeks aandrijving en voortstuwing te verzorgen (aandrijfas van machines, auto's etc); veelal wordt hierbij een tandwielkast of versnellingsbak toegepast om het aantal omwentelingen te regelen
• elektriciteit kan vervolgens worden gebruikt om een scala aan machines en/of apparaten aan te drijven en voor verlichting en elektrische verwarming.

Een voorbeeld van een energiesysteem waarin de hiervoor beschreven energieomzettingen te vinden zijn is een centrale verwarmingsinstallatie.