Wat is de Wet van behoud van energie?

De Wet van behoud van energie is een natuurwet en wordt ook wel de eerste hoofdwet van de thermodynamica genoemd. De kern van de Wet van behoud van energie is dat energie nooit verloren gaat. In feite is deze wet een behoudswet. Deze wet maakt duidelijk dat het totaal aan energie in een  geïsoleerd systeem altijd constant blijft. Men kan in dit systeem wel energievormen omzetten in andere energievormen maar energie zal niet verdwijnen. Met andere woorden de totale som van de energieën in een geïsoleerd systeem verandert niet.

Uitleg Wet van behoud van energie
De wet van behoud van energie is van groot belang bij onderzoeken en de ontwikkeling van machines en dynamische systemen waarbij energie wordt omgezet. Energie kan nooit verloren gaan of vernietigd worden. Aan de andere kant kan men ook geen extra energie creëren. Een voorbeeld: men kan de energie uit fossiele brandstoffen halen door deze te verbranden in bijvoorbeeld een Mengselmotor (Ottomotor). Dit doet men doormiddel van een vonk van een bougie. De vonk ontsteekt de brandstof en er ontstaat druk. De druk brengt de zuiger in beweging (bewegingsenergie) en de zuigerstang geeft deze energie over op de krukas die gaat draaien. Dit brengt de wielen in beweging en verplaatst de auto. De auto geeft energie af aan haar omgeving in de vorm van warmte (van uitlaatgassen en wrijving van banden op wegdek). In deze keten is voortdurend energie omgezet en is de energie behouden.

Het feit dat bij veel processen en machines een bepaalde hoeveelheid warmte vrij komt is interessant. Warmte kan men namelijk terugwinnen en hergebruiken. Dat is energiezuinig. Denk hierbij aan de stadsverwarming die wordt aangelegd in een aantal wijken in Nederland. In deze leidingen wordt water getransporteerd dat verwarmt is door de verbranding van afval in een afvalverbrandingsoven. Ook zijn er warmteterugwinsystemen ontwikkeld in de installatiebranche. Deze systemen worden ook wel WTW-systemen genoemd en zorgen er ook voor dat er optimaal gebruik wordt gemaakt van de zogenaamde restwarmte die ontstaat in de keteltechniek.

Perpetuum mobile
Een perpetuum mobile is een Latijnse benaming voor een eeuwige machine. Deze machine zou binnen het kader van de Wet van behoud van energie in theorie kunnen bestaan indien de machine in het geheel geen energie zou afgeven aan haar omgeving. Dit is echter in de praktijk onhaalbaar want bij elke machine wordt een deel van de energie afgegeven aan de omgeving door bijvoorbeeld warmte. Daarom hebben alle systemen en machines energiedragers nodig. Dit kunnen bijvoorbeeld (fossiele) brandstoffen zijn maar het kan ook zonlicht zijn of windkracht. Ook bij deze processen is er sprake van energieomzetting.

Men kan het licht en de warmte van de zon bijvoorbeeld omzetten in elektrische energie doormiddel van zonnepanelen maar ook de bewegingsenergie van windturbines kan men in elektrische energie omzetten. Een perpetuum mobile is dus in de praktijk niet haalbaar maar men zonlicht of windkracht kan men wel systemen ontwikkelen waarbij men zonder het verbranden van brandstoffen een systeem draaiende kan houden. Uiteraard wordt ook hierbij energie afgeven aan de omgeving, alleen gebeurd dat niet door de emissie van warme uitlaatgassen die CO2 en andere schadelijke stoffen bevatten. Daarom worden systemen die draaien om zonlicht, windkracht en waterkracht ook wel systemen genoemd die op hernieuwbare energie draaien.

Wat is warmte-krachtkoppeling WKK en waarvoor wordt deze techniek gebruikt?

Warmte-krachtkoppeling is het benutten van de restwarmte die vrijkomt in de stoomkringloop wanneer stoomdruk wordt gebruikt voor het opwekken van elektriciteit. Deze restwarmte kan worden gebruikt voor verschillende doeleinden. Hieronder is in een aantal alinea’s uitgelegd hoe de stoomkringloop werkt voor het opwekken van elektriciteit. Daarna is aangegeven wat een warmte-krachtkoppeling is en waarom deze zo belangrijk is.

De stoomkringloop voor het opwekken van elektriciteit
In stoomketels wordt water verwarmt zodat stoom ontstaat. Deze stoom bevat een bepaalde druk die er voor zorgt dat  de stoom arbeid kan verrichten. Voor het opwekken van elektriciteit wordt de stoomdruk gebruikt om een aantal loopwielen die van schoepen zijn voorzien in beweging te brengen. De stoom drukt tegen de schoepen van de loopwielen aan zodat deze snel beginnen te draaien. Deze loopwielen met schoepen bevinden zich in de stoomturbine.

Deze stoomturbine is gekoppeld aan een generator. De generator wekt elektrische stroom op met een hoge spanning. De stoom die de schoepen in beweging heeft gebracht heeft in feite arbeid verricht. Nadat de stoom arbeid heeft verricht wordt ook wel gesproken over afgewerkte stoom. Deze afgewerkte stoom wordt weer afgekoeld. Hierdoor veranderd de stoom weer in water. Dit proces gebeurd doormiddel van condensors in een condensatieturbine. Deze bevat een aantal bundels met condensorpijpen. Koelwaterpompen zorgen er voor dat er koelwater door deze condensorpijpen wordt geperst. De afgewerkte stoom veranderd in water oftewel in condensaat wanneer deze in contact komt met de condensorpijpen. Dit condensaat wordt weer naar de ketel teruggebracht, die het vervolgens doormiddel van hitte weer in stoom verandert. De stoomkringloop is nu rond. Het koelwater dat door de condensorpijpen stroomt wordt echter warm door de afgewerkte stoom en wordt naar buiten getransporteerd.

Warmte-krachtkoppeling
In een stoomkringloop wordt slechts een deel van de opgewekte warmte gebruikt voor het opwekken van elektriciteit. Het elektrisch rendement van moderne elektriciteitscentrales is ongeveer zestig procent. De overige energie die in de stoomkringloop van deze centrales ontstaat komt vrij als warmte. Deze warmte wordt afgevoerd met het koelwater zoals in de vorige alinea is beschreven. Doormiddel van een warmte-krachtkoppeling kan deze warmte nuttig worden gebruikt. De warmte-krachtkoppeling wordt vaak afgekort met WKK en wordt gebruikt om de warmte uit de afgewerkte stoom te benutten voor verwarming en droging. Door de WKK kunnen woningen, fabrieken en utiliteit worden verwarmd. Een warmte-krachtkoppeling is een gecombineerde opwekking en productie van elektriciteit en warmte die nuttig wordt gebruikt. Doordat de warmte die vrijkomt uit de afgewerkte stoom wordt hergebruikt voor de verwarming van gebouwen hoeft men minder brandstoffen te verbranden om de gewenste temperatuur te bereiken. Hierdoor wordt brandstof bespaard. Dit is gunstig voor het milieu omdat minder brandstoffen worden verbrand en daarmee de CO2 uitstoot wordt beperkt. Daarnaast is het ook nog financieel aantrekkelijk.

Samenvatting: hoe werkt een warmte-krachtkoppeling?
Het gebruik van een warmte-krachtkoppeling zorgt er voor dat de afgewerkte stoom die de stoomturbine verlaat niet wordt gecondenseerd in een condensor. Het warme water dat de afgewerkte stoom bevat wordt hergebruikt voor bijvoorbeeld een centrale verwarming.

Wat is stirlingmotor, hoe werkt een stirlingmotor en waar wordt deze toegepast?

Stirlingmotor zijn heteluchtmotoren. De naam stirlingmotor is afgeleid van de bedenker van deze motor. De Schotse ingenieur Robert Stirling bedacht, zover bekend, als eerste een motor waarvan de werking was gebaseerd op warme lucht. Robert Stirling plaatse in de motor een regenerator en noemde die  “economiser”. Deze regenerator zorgde er voor dat hitte opgeslagen kon worden zodat de motor niet veel warmte zou verliezen. Dat verklaard ook de naam  “economiser”. In de tijd dat de stirlingmotor werd bedacht werden veel machines nog aangedreven doormiddel van stoomdruk. De stirlingmotor was echter veiliger, zuiniger en produceerde minder geluid. Toch is de stirlingmotor nooit heel breed toegepast in de techniek. Dit heeft te maken met het feit dat de stirlingmotor niet veel kracht heeft. De gasdruk van een stirlingmotor is bijvoorbeeld geringer dan stoomdruk van een stoommachine.

Er zijn verschillende varianten van de  stirlingmotor. Deze motoren zijn allemaal gebaseerd op een stirlingcyclus. Het principe van deze motors is gericht op het uitzetten van lucht of andere gassen doormiddel van verwarming. Naast de stirlingmotor bestaan er ook andere heteluchtmotoren. Dit artikel beschrijft de werking en toepassing van de stirlingmotor.

Hoe werkt een stirlingmotor?
Zoals in de inleiding is genoemd werkt een stirlingmotor doormiddel van het uitzetten van gassen. Door verhitting van gassen ontstaat druk. Deze druk valt weg wanneer de temperatuur wordt verlaagd. In een stirlingmotor zit lucht of een ander gas in een gesloten systeem. Er kunnen verschillende cilinders geplaatst worden in een stirlingmotor:

  • Dit systeem bevat een koude cilinder en een hete cilinder. Men spreekt hierbij ook wel van een alpha-configuratie.
  • Het is ook mogelijk dat een stirlingmotor een cilinder bevat met zowel een koud als heet compartiment.  Dit wordt ook wel een beta-configuratie genoemd.

In een stirlingmotor ontstaat druk doormiddel  van het verwarmen van gassen. Lucht wordt in de stirlingmotor heen en weer geschoven tussen een hete en een koude ruimte. In de hete ruimte expandeert de lucht. Deze druk zorgt er voor dat beweging kan worden gerealiseerd. In een stirlingmotor komt door deze hitte een zuiger in beweging.  Het verplaatsen van de lucht in de stirlingmotor naar een koude en hete ruimte gebeurd doormiddel van een verplaatser. De verplaatser gebruikt hierbij nauwelijks arbeid. Daarnaast is dit systeem geluidsarm.

Regenerator
Een stirlingmotor werkt doormiddel van de verwarming van gassen. Dit gebeurd via een regenerator. Deze regenerator neemt de warmte uit de lucht op bij een isochore temperatuurdaling. De warmte  kan ook in de regenerator worden opgeslagen en aan de lucht afgegeven bij een isochore temperatuurstijging. Een regenerator zorgt er voor dat heet gas wordt afgekoeld en koud gas wordt opgewarmd. Een regenerator moet goed in staat zijn om warmte op te vangen en op te slaan. Regeneratoren kunnen bestaan uit geperforeerde staalplaten, staalwol of roosters.

Toepassing van stirlingmotoren
Stirlingmotoren worden tegenwoordig toegepast bij onder andere warmte-krachtkoppeling oftewel WKK. Daarnaast kunnen stirlingmotoren worden toegepast in cv-ketels om verwarming te genereren van 1,5 of 10 kW. Dit wordt ook wel micro-warmte-krachtkoppeling genoemd. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van thermoakoestische stirlingmotoren die lineair trillend werken. In deze variant van stirlingmotoren wordt wisselstroom opgewekt die rechtstreeks aan het net kan worden geleverd.