You are here

Inzicht in energie

Hoofdstuk 1 van 'Rekenen op energie, rekenen aan energie'. Herman Damveld, Groningen, februari 2019.
> Naar de overzichtspagina

1.1 Wat is energie?
1.2 Wat kunnen we met energie doen?
1.3 Waarvoor wordt energie gebruikt?
1.4 Energiegebruik internet
1.5 Energiebronnen voor het huishouden
1.6 Het massale energiegebruik: een uitleg
1.7 Zon als belangrijkste energiebron

1.1 Wat is energie?[1]

Eten en drinken leveren de energie die het lichaam nodig heeft om te kunnen functioneren. Zonder energie kan het lichaam niets. We lopen, denken, doen van alles, en zonder aanvoer van voedsel gaat dat niet. Als we niet genoeg eten is er niet genoeg energie om door te gaan met bewegen, lopen en wat al niet. Ook als we slapen is energie nodig om het hart te laten kloppen en de temperatuur van het lichaam op peil te houden.

Op veel producten in de winkel staat hoeveel energie erin zit: dan gaat het om calorieën, de energie die in voeding zit. Dat was vroeger de gebruikelijke eenheid voor energie. Eén calorie (afgekort cal) is de hoeveelheid energie die nodig is om één gram zuiver water één graad Celsius te verwarmen. Maar in 1978 werd een internationaal systeem van eenheden wettelijk ingevoerd en werd de calorie vervangen door de joule (spreek uit als zjoel; afgekort J). De calorie kunnen we uitdrukken in joule: 1 calorie = 4,1868 joule.[2] Op die manier krijgen we verschillende eenheden voor energie. Het kan dan snel ingewikkeld worden met allerlei omrekeningsfactoren. Dat het ingewikkeld kan zijn is een erfenis uit het verleden. We zullen hier ons best doen om het zo simpel mogelijk te houden.

Overigens, de calorie mag dan vervangen zijn door de joule, in de voeding wordt hij nog steeds gebruikt. Op de verpakking staat dan ‘kcal’ (dat is 1000 calorieën) en ‘kJ’ (dat is 1000 joule). Gezonde mannen hebben gemiddeld 2500 kcal per dag nodig, vrouwen 2000 kcal.[3] Een mens heeft omgerekend in joule ongeveer 10.000 kJ per dag nodig.

Energie is overal. Het is datgene wat alles warm houdt en doet bewegen. Voor het menselijk bestaan is energie onmisbaar. De mens is de enige levende soort op de wereldbol die een energiebron nodig heeft om eten klaar te maken en warm te blijven. Een belangrijke energiebron in Nederland is aardgas, terwijl ook een leven zonder elektriciteit bijna ondenkbaar is. De energierekening van Nederlandse huishoudens gaat over kubieke meter gas en kilowatturen. Kilowattuur korten we af als kWh.

Maar wat is nu precies energie? De definitie van energie is vrij eenvoudig: energie is de mogelijkheid om arbeid te leveren. Maar wat is dan arbeid? Arbeid is, eenvoudig gezegd, een verandering in de omgeving. Wanneer een bal stilligt verricht hij in principe geen arbeid. De bal heeft dus geen energie. Wanneer we de bal aan het rollen brengen geven we de bal energie mee, in de vorm van bewegingsenergie. Energie is een natuurkundige grootheid om de geschiktheid aan te geven om arbeid te verrichten of warmte af te geven.

Bij energie is ook de term ´vermogen´ belangrijk. Bij vermogen denkt men vaak aan iemand die veel geld of bezittingen heeft. Met dat vermogen kan die persoon van alles doen. Vermogen staat voor iets wat mogelijk is. Zo is het ook met het begrip vermogen bij energie. Vermogen is een maat voor de hoeveelheid arbeid die per tijdseenheid kan worden geleverd. De eenheid van vermogen is de watt (afgekort W), de energie per tijdseenheid, bijvoorbeeld per uur. Die term komt ook voor in het gangbare begrip kilowattuur. Kilo betekent duizend, een kilogram is immers duizend gram. En zo is een kilowattuur ook duizend wattuur. Mega (M) staat voor 1 miljoen: 1MWh is 1 miljoen wattuur en dus 1000 kWh.

Een voorbeeld uit het wielrennen. Een topsprinter als Marcel Kittel levert in de eindsprint van een paar honderd meter zo'n 2000 watt; een klimmer als Steven Kruijswijk trapt gedurende een lange periode 370 watt.[4] Kruijswijk levert in 3 uur bergop duizend wattuur, 1 kWh.

Uit de literatuur halen we de volgende gegevens:

1 kWh = 3.600.000 joule, dat is 3,6 miljoen joule.

Aardgas uit Groningen heeft een energie-inhoud van 35,17 miljoen joule per kubieke meter.[5] De energie die vrijkomt bij het stoken van gas heet ook wel verbrandingswaarde.

Een voorbeeld. Op de doos van een LED lamp staat 12 watt. Dat is het vermogen van de lamp, wat de lamp kan leveren als hij niet brandt of nog in de doos zit. Het vermogen laat zien wat er (maximaal) mogelijk is en is een eigenschap van de lamp. Energie staat zowel voor wat deze LED lamp in een bepaalde tijd levert als voor wat de LED lamp aan energie gebruikt.

Een voorbeeld. Een LED lamp met een vermogen van 12 watt gebruikt in 100 uur 12 watt × 100 uur = 1200 wattuur elektrische energie, ofwel 1,2 kilowattuur elektriciteit.

Deze energie wordt omgezet in 44% licht en 56% warmte. Bij een gloeilamp wordt slechts 5% van de energie omgezet in licht en 95% in warmte. Energie levert altijd iets op: elektriciteit, beweging, licht, warmte, geluid, radiogolven, een chemische reactie etc..

In de winkel betaalt men voor het vermogen (bijvoorbeeld het vermogen van een stofzuiger).

Thuis betaalt men voor de energie (de energie die door de stofzuiger wordt gebruikt).

Nog een voorbeeld. Een uur hard werken op de racefiets kost ca. 0,8 miljoen cal (3,3 miljoen joule) en brengt je 30 km verder. Een auto doet dat in 20 minuten, maar het kost 2 liter benzine of 72 miljoen joule. De fietsende mens is dus 20 keer energiezuiniger dan de auto.

Energiebegrippen in het kort

  • 1 calorie (afgekort als cal) is de hoeveelheid energie die nodig is om 1 gram water 1 graad Celsius te verwarmen.
  • 1 kcal = 1000 calorieën.

De meest gebruikte eenheid van energie is joule (afgekort J).

  • 1 calorie = 4,1868 joule.
  • 1 kJ = 1000 joule.

Watt is een maat voor het vermogen, de energie per tijdseenheid, bijvoorbeeld per uur (afgekort W).

  • 1000 watt is 1 kilowatt en 1 miljoen watt is 1000 kilowatt.
  • 1 kilowatt gedurende 1 uur is 1 kilowattuur (afgekort kWh).
  • Mega (M) staat voor 1 miljoen: 1MWh is 1 miljoen wattuur en dus 1000 kWh.
  • Giga (G) staat voor 1 miljard; giga is 1000 miljoen.
  • 1 kWh is 3,6 miljoen joule.

1 kubieke meter aardgas uit Groningen heeft een energie-inhoud van 35,17 miljoen joule. Nederland gebruikte vorig jaar 3147 petajoule (PJ); 1PJ = 1.000.000.000.000.000 joule, een 1 met 15 nullen.

1.2 Wat kunnen we met energie doen?[1]

Met 1 kilowattuur elektriciteit kunnen we veel dingen doen. Hier enkele voorbeelden die afzonderlijk 1 kWh vergen: 

  • 1.200 keer elektrisch scheren
  • 100 broden snijden
  • 15 keer haar föhnen
  • 4 avonden tv kijken
  • 1 avond tv kijken naar een tv met een plasmascherm
  • 4 avonden licht van een gloeilamp van 60 watt
  • 20 avonden licht van een spaarlamp van 11 watt
  • 15 cd’s luisteren
  • 20 maaltijden opwarmen in de magnetron
  • 250 gaatjes boren
  • 10 uur internetten
  • 367.000 kilo 1 meter opheffen
  • 367 zakken van 50 kilo 20 meter optillen.

Met 1 kubieke meter gas uit Groningen kunnen we…

  • 1 uur het huis verwarmen op een koude dag
  • 50 keer handen wassen met warm water
  • 6 keer afwassen
  • 3 keer douchen
  • 5 keer douchen met een spaardouche
  • 1 keer in bad
  • 6 maaltijden koken

1.3 Waarvoor wordt energie gebruikt?[6]

Een Nederlands huishouden verbruikt gemiddeld 1.470 m3 gas en 3.000 kWh elektriciteit per jaar.[7] De gemiddelde energierekening is 1.750 euro per jaar (prijspeil 2018). Ongeveer 1.050 euro gaat op aan gas en 700 euro aan stroom. Gemiddeld gaat 80 procent van het gas naar verwarming en 20 procent naar warm water (vooral douchen en een beetje koken).[8]

Vorig jaar bedroegen de netwerkkosten 368 euro en de leveringskosten 66 euro. De kosten voor de productie van gas en elektriciteit waren 435 euro. De energierekening (warmte en licht) van een gemiddeld Nederlands huishouden gaat  dit jaar omhoog. Daarvan komt 60% door hogere overheidsbelastingen en 40% door de sterk gestegen prijzen van elektriciteit en aardgas. Zie figuur 1.1.

Figuur 1.1

Energierekening gemiddeld huishouden.

Bron: https://twitter.com/BM_Visser, 11 december 2018.

Het energiegebruik van een gemiddeld huishouden is ongeveer als volgt verdeeld over verwarming, warm water en koken:

Gasgebruik in kubieke meter (m3)

  • Verwarming 1170 m3
  • Warm water   260 m3
  • Koken              40 m3
  • Totaal          1470 m3

Het elektriciteitsgebruik van apparaten loopt nogal uiteen en niet alle apparaten van dezelfde soort gebruiken evenveel stroom. Een elektrische boiler van 80-100 liter verbruikt de meeste stroom: gemiddeld 1900 kWh per jaar. Een tropisch aquarium gebruikt op jaarbasis zo´n 1400 kWh en een waterbed  circa 780-1600 kWh. Wasdrogers en vaatwassers zijn met elk ruim 200 kWh eveneens grote huishoudelijke stroomgebruikers. Een gemiddelde desktop computer met lcd-scherm verbruikt ongeveer 230 kWh per jaar. Een lcd-tv van 46 inch verbruikt ongeveer 240 kWh per jaar. De computer en de tv zijn daarmee de grootste verbruikers in de categorie audio- en videoapparatuur. Het gemiddelde stroomverbruik van grote huishoudelijke apparaten staat in tabel 1.1. Een verdeling van het elektriciteitsgebruik is weergegeven in figuur 1.2.

Ook is er het zogeheten sluipverlies. Dat is het elektriciteitsgebruik van apparaten die niet uitgezet kunnen worden, zoals de cv-ketel of de koelkast of omdat anders instellingen verdwijnen of klokken stilstaan. Dit kan 10% van het elektriciteitsgebruik uitmaken.

Tabel 1.1

Gemiddeld stroomverbruik van grote huishoudelijke apparaten 

Apparaat

kWh per jaar

Verlichting

390

TV (lcd, 46 inch)

238

Condens wasdroger

232

ICT

217

Koel-vriescombinatie

210

Vaatwasser

206

Wasmachine

170

CV-pomp

128

Bron: https://www.hier.nu/themas/huishoudelijke-apparaten/deze-apparaten-veroorzaken-twee-derde-van-je-stroomrekening.

Figuur 1.2

Bron: https://energietrends.info/wp-content/uploads/2016/09/EnergieTrends2016.pdf.

1.4 Energiegebruik internet

In 2016 verbruikte ICT 8 procent van de totale hoeveelheid elektriciteit in Nederland, ofwel 9,4 miljard kWh. Hiervan werd 6,9 miljard kWh gebruikt binnen huishoudens en bedrijven. Zo´n 2,5 miljard kWh werd gebruikt door de ICT-sector zelf. Binnen de ICT-sector gebruikten datacenters het grootste deel (1,4 miljard kWh), gevolgd door de telecombedrijven (1 miljard kWh).[9] De datacenters in Nederland ten behoeve van internet hebben een vermogen nodig van 1350 Megawatt, dat is 2,5 keer het vermogen van de kerncentrale Borssele.[10]

1.5 Energiebronnen voor het huishouden

Huishoudens en kantoren (kleinverbruikers) hebben zowel een aansluiting voor elektriciteit als voor aardgas. 98% van de Nederlanders is aangesloten op het gasnet. Vergeleken met de gasvraag van andere Europese landen is dit naast Luxemburg het hoogst per hoofd van de bevolking.

Huishoudens gebruiken energie voor onder meer licht, koken en verwarming. Er zijn verschillende energiebronnen die daarvoor worden ingezet, zoals in figuur 1.3 staat. Direct verbruik van aardgas vervult de behoefte van de warmtevraag zoals voor de centrale verwarming en warm water. Ook biomassa wordt direct gebruikt, bijvoorbeeld in de vorm van hout in de open haard. Indirect aardgasverbruik komt vanuit een behoefte aan elektriciteit waarvan een gedeelte weer door aardgas wordt opgewekt. Ruim 80% van het energiegebruik door huishoudens komt uit direct en indirect aardgasgebruik. Indirect wordt in huishoudens ook steenkool, kernenergie en hernieuwbare energie gebruikt in de vorm van elektriciteit.[11] [12]

Het gebruik van brandstof voor de auto valt niet onder deze definitie van huishoudelijk energiegebruik. Daarbij moeten we tevens bedenken dat de gegevens uit deze figuur een gemiddelde zijn. Huishoudens die hebben gekozen voor groene stroom gebruiken geen kolen of kernenergie.

Figuur 1.3

Bron: http://aardgas-in-nederland.nl/nederland-aardgasland/aardgas-in-de-nederlandse-energievoorziening/ 

1.6 Het omvangrijke energiegebruik: een uitleg[13]

Zoals hierboven aangegeven zijn bij het energiegebruik twee eenheden belangrijk: de kilowattuur en de joule. Vaak komen we de term petajoule (PJ) tegen, dat is 1.000.000.000.000.000 joule. Nederland gebruikte vorig jaar 3150 PJ, dat is per dag 8,8 PJ.[14] [15]

Wat kunnen we doen met 1 PJ? In de vorm van elektriciteit beschikken we dan over 278.000.000 kWh. Dat is voldoende om een woonwijk met 5000 inwoners zonder zonnepanelen 50 jaar van elektriciteit te voorzien. We kunnen onze PJ ook gebruiken om 30.000 nieuwbouwhuizen een jaar lang met gas te verwarmen, inclusief douchen en koken. En voor 1 PJ kan een vol vliegtuig 200 weekendjes naar Beijing. De luchtvaart in Nederland verbruikt jaarlijks 150 PJ, dat is een halve PJ per dag. We zouden trouwens met 1 PJ samen met driehonderd vrienden ook in 100 dieseltjes 100 maal rond de aarde kunnen rijden.

Dan de productie van 1 PJ. Een kolencentrale met een vermogen van 1000 MW doet daar twee weken over. In een halve dag komt bij de gaswinning uit Groningen anno 2018 1 PJ uit de grond. We kunnen ook voor Russisch gas kiezen. Daarvoor moet de Nord Stream gasleiding dan vier uur worden gehuurd. En mochten we onze PJ liever in olie hebben: een beetje olietanker kan 10 PJ vervoeren.  

Stel, we willen 1 PJ duurzaam. Een mogelijkheid is om het 125 MW windpark in Drenthe een jaar te huren. Daarmee kan dan 1 PJ geoogst worden. De windparken op zee zijn groter en daar waait het harder. Een 700 MW Borssele windpark produceert straks gemiddeld 1 PJ per maand. Echter, om in een jaar 1 PJ met zon te oogsten hebben we een park van 500 hectare met zonnepanelen nodig. Dat is veel. Maar in het Markermeer is ruimte voor honderd van die parken. Het 10.000 MW windpark op de Doggersbank van Tennet en Gasunie produceert straks gemiddeld 1 PJ waterstof per 3 dagen.

Dan de gasopslagen. Met onze strategische gasvoorraad kunnen we in Nederland drie maanden vooruit. Op den duur rijdt men in elektrische auto's met 100 kWh accu's en 1000 km actieradius. Deze accu's bevatten als ze vol zijn samen ruim 2 PJ aan energie.

Nederland verbruikt nu 3147 PJ. Met fossiele bronnen is dat goed te organiseren. Met hernieuwbare energie wordt het lastiger. We moeten daarom ons energieverbruik fors verminderen. Vooralsnog komt daar niet veel van terecht. Energie besparen is misschien wat minder leuk dan wind, zon en waterstof, maar zeker zo noodzakelijk.

1.7 Zon als belangrijkste energiebron

De zon is de belangrijkste bron van alle energie. De zon stuurt zijn stralen alle richtingen uit. Een heel klein beetje daarvan komt op de aarde terecht. Toch is dat kleine beetje heel belangrijk. De zon geeft warmte af. Als hij door de ramen schijnt wordt het warmer in huis. Met zonnepanelen wordt de zonne-energie omgezet in elektriciteit. Door de zon wordt de lucht warmer. Verwarmde lucht komt in beweging en stijgt op. De lucht beweegt: door de zon waait de wind.

Zonne-energie maakt het leven op aarde mogelijk. Als een plant groeit wordt er zonne-energie (licht) in opgenomen. De plant pakt een stukje van de zonnestraling en slaat dat op via allerlei ingewikkelde processen (fotosynthese). Mensen en dieren gebruiken planten als voedsel: door het voedsel in hun lichaam te verbranden kunnen ze leven en werken. Zonder zonlicht was er geen leven op aarde.

Er zijn in de wereldgeschiedenis lange perioden geweest dat werelddelen overdekt waren met wouden. Later stierven de bossen af en werden ze bedekt door aardlagen. Na een bijna onmetelijk lange tijd werden de lagen afgestorven hout omgezet in steenkool. Op dezelfde manier ontstonden in de loop van miljoenen jaren aardolie en aardgas uit afgestorven, zogeheten fossiele resten van diertjes op de oceaanbodem. Daarom worden olie, aardgas en kolen ook wel fossiele brandstoffen genoemd. Het Nederlandse aardgas is ongeveer honderd miljoen jaar geleden ontstaan.[16] Dit gas is eigenlijk in het verleden opgeslagen zonne-energie.

De fossiele brandstoffen waren heel lang geleden dus wouden en dieren die zonne-energie in zich opgeslagen hadden. Benzine wordt gemaakt uit olie. Een auto rijdt eigenlijk op miljoenen jaren oude zonne-energie.

De elektriciteit in Nederland komt voor ruim 90% uit aardgas- en kolencentrales. De elektriciteit die we in huis krijgen is dus ook vooral afkomstig uit opgeslagen zonne-energie. In de centrales worden aardgas en kolen verbrand. De warmte die hierbij vrijkomt verhit water tot stoom. De stoom laat een rad draaien, de turbine, die weer een dynamo aandrijft: dat geeft elektriciteit (vergelijk het met de dynamo van een fiets waarmee we fietslampjes laten branden).

In de loop van de geschiedenis werd steeds meer energie gebruikt en ook steeds andere vormen van energie. Heel vroeger gebruikten mensen alleen spierkracht als ergens kracht voor nodig was en stookte men hout om het warm te krijgen of om te koken. De uitvinding van de stoommachine bracht een hele ommekeer. De mens kreeg daarmee de beschikking over een kracht die veel groter was dan zijn eigen spierkracht. En zo begon de industriële revolutie. Eerst werden hout en turf gebruikt om de stoommachines te laten draaien, maar al gauw bleek er niet genoeg hout te zijn om aan de vraag van al die machines te voldoen. Andere energiebronnen werden gezocht: steenkool en aardolie in diepere lagen van de aarde werden aangeboord. Nog later kwamen er elektriciteitscentrales. Zo ging de samenleving steeds meer fossiele energie gebruiken.

Wereldwijd gebruiken we nu in één jaar de fossiele energie die zich in één miljoen jaar heeft gevormd. In een rap tempo maken we de fossiele energie op. Er komt een einde aan het gebruik van fossiele energie, de in het verre verleden opgeslagen zonne-energie. Dan moeten we weer overgaan op het gebruik van de zonne-energie die elke dag op de aarde neerkomt. Gelukkig kan de zon genoeg energie leveren voor iedereen.

Kooldioxide (CO2) komt vrij bij de verbranding van aardgas, kolen en olie. De afgelopen 20 jaar wordt het steeds duidelijker voelbaar en zichtbaar dat het klimaat verandert. Dat komt door de toename van de uitstoot van broeikasgassen zoals CO2. Dit zijn gassen die de straling van de zon en de aarde opnemen. Deze gassen vormen als het ware een deken om de aarde: ze zorgen voor warmte-isolatie, het broeikaseffect.[17] [18] [19] [20] [21] [22] Om te voorkomen dat die deken nog dikker wordt wil de regering CO2 opslaan. In 2017 werd in Nederland 163 miljard kilogram CO2 uitgestoten, net zoveel als in 1990, deelde het Centraal Bureau voor de Statistiek op 10 september 2018 mee.[23]

De overheid heeft bepaald wat wel en wat niet onder de definitie van CO2-uitstoot valt. Een aanzienlijk deel van de jaarlijkse CO2-uitstoot wordt, in overeenstemming met deze overheidsdefinitie, niet meegerekend: “Pakweg 40 procent tellen we niet mee in onze nationale statistiek: zoals het vliegverkeer, de internationale scheepvaart en de CO2 -uitstoot die we (netto) via onze importen in andere landen veroorzaken.”[24]

Het fossiele tijdperk is eindig. CO2-opslag is geen duurzame oplossing voor het energievraagstuk.[25] Het is niet meer dan een lapmiddel waarmee de regering eigenlijk erkent dat de samenleving te veel CO2 uitstoot.  Alleen energiebesparing in combinatie met duurzame energie uit zon en wind helpt ons verder. Immers, we krijgen in Nederland van de zon gemiddeld per jaar 35 keer zoveel energie als we nodig hebben voor verwarming, industrie, auto's en de opwekking van elektriciteit.[26]  We hebben niet zozeer een energieprobleem als wel een energie-omzettingsprobleem en een ruimteprobleem voor de plaatsing van al die zonnepanelen. Een voorbeeld: voor 100% duurzame elektriciteit uit zon en wind is in Duitsland 2,5% van het grondoppervlak nodig, blijkt uit een rapport van het Öko-Institut en Prognos dat op 16 oktober 2018 verschenen is.[27]

[1] http://www.energiefeiten.nl/#Energie, in dit deel een veel gebruikte bron. 

[13] http://www.energiepodium.nl/opinie/item/mik-bij-jacht-op-co2-megatonnen-ook-op-petajoules, met toestemming van de auteur  Martien Visser overgenomen en redactioneel iets aangepast.

[16] Onzichtbaar goud; de betekenis van 50 jaar aardgas voor Nederland, Castel International Publishers, Groningen/Zwolle, 2009, pp 9-16.

[21] “Nederland warmt op en zal in de toekomst vaker te maken krijgen met extreme weersomstandigheden. Meer droogte, hitte en wateroverlast zullen er onvermijdelijk toe leiden dat bepaalde populaties achteruit gaan of zelfs uit Nederland verdwijnen. Het veranderende klimaat is op termijn ongeschikt voor 15 procent van alle hier voorkomende dier- en plantensoorten.”, Planbureau voor de Leefomgeving , 20 augustus 2010.