Exergie: een gezonde mix van alle energievormen

De tweede hoofdwet nuanceert dat direct: energie verandert in vorm en kan niet opnieuw voor hetzelfde doel worden gebruikt. De energie gaat niet verloren, maar de kwaliteit van de energie neemt af. Dezelfde reden dat een perpetuum mobile niet kan bestaan.

Energiekwaliteit is het contrast tussen verschillende vormen van energie zoals bijvoorbeeld in de verschillende trofische niveaus in onze ecologische systemen – kort gezegd de plaats in de voedselketen. Het gaat over de energiepiramide: elk hoger niveau vraagt energie om daar te komen. Het gaat in de levende natuur om de efficiency van de omzetting van biomassa naar een hoger, ecologisch niveau.

De voedselketen

Het voorbeeld van trofische niveaus is het makkelijkst te begrijpen. Afhankelijk van de plaats in de voedselketen heeft een organisme een steeds hogere energiekwaliteit ter beschikking. De keten start met plankton, alg, planten en bomen die hun energie uit grond, water en de zon halen. De herbivoren zoals konijnen, duiven en karpers die leven van die alg, planten en zaden zijn vervolgens de primaire consumenten hiervan.

De volgende groep zijn de carnivoren; de vleeseters zoals vossen, buizerds en snoeken, die deze herbivoren eten. Daarboven de roofdieren die de tertiaire consumenten, de carnivoren eten. Met tenslotte aan de bovenkant van de voedselketen de toproofdieren die geen vijanden meer hebben zoals leeuwen, aasgieren, krokodillen of wolven. En natuurlijk de mens.

Beschikbaarheid

In de historie hebben velen zich gebogen over hoe in de natuur de opeenvolgende vormen van energiekwaliteit zijn te definiëren. In 1851 definieerde William Thomson – ‘Lord Kelvin’ – het concept van de ‘beschikbaarheid’ van energie. Een eeuw later, in 1956, definieerde Zoran Rant het begrip ‘exergie’ gebaseerd op de hoeveelheid beschikbare, opgeslagen energie die nodig is om een proces naar een evenwicht te brengen om de gewenste arbeid uit te voeren. Denk aan het op temperatuur brengen van een stoomketel opdat de stoommachine uiteindelijk kan functioneren.

Tomoko Otha stelde in 1994 voor om ook de inertie – de massatraagheid – me te nemen: des te sneller de auto, des te heter een voorwerp en des te hoger de frequentie hoe hoger de energiekwaliteit. Daarnaast draagt ook het gemak van transport, de energiedichtheid en de omgevingsimpact bij aan het vaststellen van de kwaliteit van energie. We moeten hoogwaardige energie altijd zo hoog mogelijk in de energieketen inzetten. Een warmtepomp om laagwaardige warmte naar hoogwaardiger warmte om te zetten is slimmer dan het omzetten van hoogwaardige elektrische energie in laagwaardige warmte.

Hoogwaardige energie

In de energieketen gaat het dus om enerzijds zo slim mogelijk hoogwaardige energie te creëren en dat zolang mogelijk voor hoogwaardige arbeid te gebruiken. We kunnen hiervoor het eerder genoemde begrip exergie goed voor gebruiken. Bijvoorbeeld een fornuis dat met olie wordt verwarmd heeft een energie-efficiency van 85% maar een exergie van slechts 4%. Met de olie kunnen energetisch veel slimmere dingen worden gedaan.

Een elektrische verwarming heeft een energie-efficiency van 100%, alle energie wordt in warmte omgezet, maar de exergie is slechts 5%. Eigenlijk best dom om die hoogwaardige energie om te zetten in zulke laagwaardige energie. Een warmtepomp heeft een energie-efficiency van 300% en een exergie waarde van 15%. In elk omzettingsproces wordt exergie vernietigd. Het begrip exergie is dus een perfecte meetwaarde om de kwaliteit van energie te meten. Hoe directer we die energie kunnen creëren die de gebruiker nodig heeft, hoe hoger de exergie.

Zonne-energie

De voornaamste energie die we op aarde hebben, wordt – of is eerder – geleverd door zonstraling. Ik laat daarbij zowel de maanenergie, die ons eb-en vloedkrachten levert die we ook kunnen exploreren, alsook de aanwezigheid van aardwarmte waar hetzelfde voor geldt, buiten beschouwing. Feit is dat hoe directer we zonne-energie kunnen omzetten voor onze energiebehoefte, des te hoger de exergiewaarde van die andere energie zal zijn.

De hoeveelheid bruikbare exergie levert een belangrijke contributie aan onze economische groei. Uit onderzoek is gebleken dat niet energie maar de beschikbare exergie een lineair verband heeft met de ontwikkeling van het Bruto Binnenlands Product. Hoe slimmer een land met de invulling van zijn energiebehoefte omgaat, des te beter de economische ontwikkeling. Hoewel er ook signalen zijn dat deze groei niet oneindig door kan gaan, blijft het basisprincipe om exergie te maximeren geldig.

Exergie en duurzame energie

De aarde is een open systeem dat continu grote hoeveelheden hoge exergie (maar lage entropie) zonnestraling ontvangt. Hoe beter we straling direct naar bruikbare toepassingen kunnen transformeren, des te beter. Elke energietransformatie vernietigt immers exergie. Een zonnecel die wordt beschenen door de zon, levert zowel elektrische als thermische energie. Het paneel wordt immers ook warm en gaat indirect stralen hetgeen inefficiënt is. Het blijkt dat als we het paneel koelen, de exergie van het paneel in totaliteit stijgt, immers we gebruiken naast de elektrische energie ook de opgewekte thermische energie.

Warmte heeft een lage exergie, bij transport vermindert de waarde snel. Elektriciteit heeft een hogere exergie die je beter over grotere afstanden kunt vervoeren. Fossiele brandstoffen hebben de hoogste exergie en je kunt ze zonder veel verlies transporteren en opslaan. Daarnaast zijn ze makkelijk te transformeren in elektriciteit en/of warmte. Volgens promovendus Leo Gommans zijn de drie bepalende factoren van een energiesysteem de mogelijkheid tot het effectiefkunnen transporteren, opslaan en converteren.

Hybride grids

Om in onze energiebehoefte te voldoen, moeten we een gezonde mix van alle energievormen gebruiken. Elektriciteit uit wind en zon zijn nog lang geen alternatief voor fossiele energie omdat de opslagcomponent nog zo minimaal is. Volgens het promotieonderzoek van Leo Gommans zijn fluctuaties van zon en wind het beste op te vangen met gascentrales. In dat licht kun je vraagtekens zetten bij de bouw van steenkool en kernenergiecentrales, die slecht kunnen modeleren. Terwijl op termijn aardgas is te vervangen door gezuiverd biogas en we een prima gas-infrastructuur hebben.

Nieuwe toepassingen moeten de hoogst mogelijk exergie nastreven. Warmte en koude zijn niet goed transporteerbaar maar zijn wel goed op te slaan en dus interessant voor stedelijke gebieden. Wind- en zonne-energie moet je direct ter plaatse gebruiken als het beschikbaar komt, zoals eerder ontwikkeld in het Ozzo-project. In dit Amsterdamse Green IT project, is het plan om dataprocessing via glasvezels naar de plaats te brengen waar (gratis) wind- of zonne-energie is, in plaats de hoogwaardige energie te transporteren waardoor exergie verloren gaat.

Zoals Jeremy Rifkin in 2011 in zijn boek de derde industriële revolutie al verwoordde: het betreft het samengaan van een energierevolutie met onze informatierevolutie: intelligentie energienetwerken en gedistribueerde cloud-netwerken. En hoe beter we zonnestraling direct kunnen gebruiken, hoe beter. Daarbij: de zon stuurt ons gelukkig ook geen rekening.

Door: Hans Timmerman, CTO Dell EMC Nederland