Een windturbine zet de energie van de wind om in een draaiende beweging, die door een generator wordt gebruikt om elektriciteit op te wekken.
Horizontale en verticale as
De twee hoofdtypes windturbine zijn de horizontale-asturbine en de verticale-asturbine. Windturbines met een horizontale as worden wereldwijd het meest toegepast. Verticale-aswindturbines (VAWT) zijn onafhankelijk van de windrichting. Voor toepassing in bebouwde omgeving of op gebouwen zijn verticale-asturbines zeer geschikt.
Onderdelen van een windturbine
Een windturbine bestaat uit een fundering, een mast, een gondel met daarin de feitelijke turbine en ten slotte wieken.
Fundering
Een windturbine moet goed verankerd worden met de grond waarop hij staat. Op land wordt uit kostenoverweging vaak een ondiepe fundering gebruikt. De fundering is gemaakt van beton, en is voorzien van doorvoeren waar de elektriciteitskabel door heen kan.
Bij offshore windparken zijn er drie gangbare funderingstypen, een driebenige voet (tripod), een bucket fundament of een rechte mast (monopile). Er wordt onderzoek gedaan naar de mogelijkheid om windmolens met drijflichamen te maken waarbij geen directe verankering meer is met de zeebodem. Hierdoor zou plaatsing van windmolens in dieper water mogelijk worden. Deze zijn echter nog in de testfase.
Omdat moderne windturbines groter zijn dan oudere versies is het (nog) niet mogelijk om de fundering daarvan te gebruiken voor nieuwe windturbines.
Mast
Een mast van een windmolen moet veel belasting kunnen verdragen. Groter nog dan de belasting van de gondel, generator en bladen is de windbelasting die de mast te verduren krijgt. Daarom is de regel: hoe hoger de mast, hoe breder de voet. De ashoogte van windturbine is met de jaren ook sterk gestegen. Waren de windturbines rond 1980 ongeveer 15 meter hoog, midden jaren 1990 hadden ze al een hoogte van 50 meter. Tegenwoordig zijn windturbines gemiddeld 100 meter hoog. De verwachting is dat de windmolens in de toekomst gemiddeld een ashoogte hebben van 150 tot 200 meter hoog.[1]
De mast kan gemaakt zijn van beton of staal. Afhankelijk van de grootte ervan kan deze door middel van lieren opgetakeld worden. Grotere exemplaren moeten met behulp van een kraan in elkaar gezet worden. Binnen in de mast bevinden zich een ladder, eventueel een lift en de stroomkabels.
Het transport van masten van de productielocatie naar de bouwplaats is een grote logistieke uitdaging. Omdat een mast in een stuk qua gewicht en omvang niet te transporteren valt, wordt de mast in onderdelen getransporteerd en op locatie in elkaar gezet. De verschillende onderdelen zijn zo groot als mogelijk. Een stalen mast bestaat uit twee tot vier secties die met flensverbindingen aan elkaar gemaakt worden. De wanddikte bedraagt 20 tot 60 millimeter.
Gondel
In de gondel bevindt zich een generator en tandwielkast. De generator zet de bewegingsenergie van de as om naar elektriciteit en is te vergelijken met een grote dynamo. De meeste windturbines hebben een tandwielkast. Deze werkt als een versnellingsbak: de rotatiesnelheid wordt ermee vergroot. De tandwielkast is een kwetsbaar onderdeel waardoor sommige fabrikanten kiezen voor een direct aangedreven generator, de zogenaamde direct-drive of gearless windturbine. Windturbines zijn uitgevoerd met een aerodynamisch remsysteem om ze stil te kunnen zetten bij noodsituaties of onderhoud. Een windvaan op de gondel meet de windrichting. Zodra deze verandert, richt een kruimotor de gondel weer recht op de wind.
Wieken[
De wieken van een windturbine zijn belangrijke onderdelen. Moderne wieken zijn gemaakt van met glasvezel of koolstofvezel versterkte kunststof. De maximale bladlengte van moderne windturbines ligt rond de 65 meter bij landgeplaatste turbines en rond de 85 meter bij offshore turbines. De naaf is het punt waar de wieken bij elkaar komen.
Voor- en nadelen van windturbines
De belangrijkste voordelen van windenergie zijn:
vermindering van het gebruik van fossiele brandstoffen (de duurzaamheid van windenergie)
lage exploitatiekosten
vermindering van de vervuiling (fijn stof) en CO2-uitstoot ten opzichte van andere energiebronnen
verminderde afhankelijkheid van andere energiebronnen en hun leveranciers (olie- en gasproducerende landen)
lokale energieopwekking bij het ontbreken van de aansluiting op een regionaal distributienetwerk;
(lokale) werkgelegenheid vanwege productie, installatie en onderhoud
minder risico op een catastrofe dan Kernenergie, al is volgens sommige bronnen[2] een windturbine helemaal niet zo veilig indien men het aantal doden meerekent dat valt bij de winning van de benodigde grondstoffen, bij de installatie en bij het onderhoud.
De belangrijkste nadelen van windenergie zijn:
variabele opbrengsten door fluctuerende windsnelheden; Er is een back-up nodig voor windvrije dagen.
Een kerncentrale is een elektriciteitscentrale die elektriciteit opwekt met de energie die vrijkomt bij kernsplijting. Net zoals bij andere soorten elektriciteitscentrales wordt met deze splijtingswarmte stoomopgewerkt die een turbine aandrijft. De mechanische energie in deze turbine wordt dan via een alternator omgezet in elektrische energie.
Volgens het IAEA waren er op 1 januari 2018 in 30 verschillende landen ter wereld samen 448 kernreactoren in exploitatie, en meer dan 60 in aanleg, vooral in Azië.[1] Hiervan zijn er een honderdtal in de VS en 58 in Frankrijk. Het totale geïnstalleerde vermogen is 392 gigawatt. In 2012 was ongeveer 10% van de mondiale elektriciteitsproductie van nucleaire oorsprong.
Principe
In een kerncentrale maakt men gebruik van de 'brandstof' uranium (vaak aangevuld met plutonium, hetzij gevormd in de reactor zelf door uranium-238, hetzij in de vorm van MOX-brandstof waarin plutonium is gerecycleerd) om warmte te genereren. Hiermee produceert men stoom om via een turbine een elektrische generator aan te drijven. Bij het splijten van uranium komt een grote hoeveelheid warmte vrij. Dit splijtingsproces vindt plaats in de kernreactor van de centrale. Voor het splijtingsproces in een kernreactor wordt meestal een specifieke isotoop van uranium gebruikt: uranium-235. In natuurlijk uranium zit gemiddeld 0,7% van dit uranium-235. De meeste kernreactoren hebben uranium nodig waarin minstens drie procent uranium-235 aanwezig is. De tussenstap die hiervoor nodig is, heet verrijking. Het is ook mogelijk om uranium-238, plutonium of thorium te splijten.
Het verrijkte uranium, waarin veelal nog meer dan 95 procent uranium-238 zit, komt in dichtgelaste staven in de reactor. Dit zijn de zogenoemde splijtstofstaven. De atoomkern van uranium-235 kan gemakkelijk worden gespleten wanneer het een neutron absorbeert. Het atoom valt uit elkaar in brokstukken (splijtingsproducten) en zendt daarbij ook neutronen uit. De neutronen kunnen bij een ander atoom uranium-235 een nieuwe kernsplijting veroorzaken. Daarbij ontstaan opnieuw warmte en enkele neutronen, die elk weer een nieuw atoom kunnen raken. Zo ontstaat een kettingreactie. Alle splijtingen samen zorgen ervoor dat een kerncentrale kan draaien.
De term 'thermische' centrale of 'thermische' reactor slaat niet op het feit dat elektriciteit uit warmte wordt geproduceerd, maar op de thermische neutronen. Deze term impliceert dat de neutronen in de reactor worden afgeremd totdat ze kunnen worden opgevangen door de U-235 atoomkernen in de brandstofstaven. Dit afremmen gebeurt door een zogenaamde moderator. Een moderator is bij voorkeur een stof die bestaat uit lichte atomen, zoals water, zwaar water of koolstof (grafiet). Doordat de neutronen tegen deze lichte atomen botsen, remmen ze af van ongeveer 10% van de lichtsnelheid tot een paar kilometer per seconde. Deze 'langzame' neutronen hebben een snelheidsverdeling die meer lijkt op de 'thermische' Maxwellverdeling. De U-235 atoomkernen kunnen de snelle neutronen niet opvangen; de langzame worden wel opgevangen, en zorgen dat de U-235 atomen splijten. Een thermische reactor draait dus voornamelijk op direct splijtbare atomen als brandstof. Om ook U-238 (efficiënt) als brandstof te gebruiken is een 'snelle' reactor nodig, waarbij de snelle neutronen worden ingevangen in het U-238 om de eveneens splijtbare isotoop plutonium-239 te vormen.
Net zoals andere thermische elektriciteitscentrales, hebben kerncentrales koeling nodig. Omdat er voor de veiligheid twee gescheiden koelsystemen zijn (het primaire systeem dat de reactor koelt en het secundaire systeem dat op het buitenwater loost), is er echter voor kerncentrales naar verhouding meer koeling nodig in vergelijking met reguliere thermische centrales.
In een kolenmijn wordt steenkool of bruinkool gewonnen. Bruinkoollagen bevinden zich altijd net onder de toplaag en boven eventuele steenkoollagen, ze worden daarom vrijwel altijd in open mijnen, de zogenaamde dagbouwmijnen, ontgonnen. Dieper liggende steenkoollagen worden meestal in gesloten mijnen gewonnen. Die manier van delven brengt een groter veiligheidsrisico met zich mee en is aanzienlijk kostbaarder.
Bruinkool werd in de Benelux alleen gewonnen in Nederlands-Limburg. Steenkool werd in België en Nederland ontgonnen.
Geschiedenis[
Europa
Steenkool
De 19e-eeuwseindustrialisatie is grotendeels op gang gekomen op basis van houts-, bruin- of steenkool. Dit zijn immers de energie-grondstoffen voor de zware industrie. Zo werden Engeland en België de twee eerste geïndustrialiseerde landen ter wereld en was het Duitse Ruhrgebied lange tijd het dichtste industriegebied ter wereld. Ook de Franse regio Hauts-de-Francestaat bekend om haar steenkoolindustrie. Al deze gebieden liggen bovendien op eenzelfde as.
Al sinds 1810 deden Waalse ingenieurs bodemonderzoek in Vlaanderen omdat ze toen al vermoedden dat het kolenbekken zich verder noordwaarts spreidde. De steenkolenlagen bleken daar uiterst diep te liggen. Het was de Leuvense professor André Dumont die van de veronderstelling uitging dat het steenkoolbekken bij Aken in noordwestelijke richting afboog. In de jaren na 1890 begonnen Waalse ingenieurs daarom naar steenkool te zoeken in Zuid-Limburg, de Limburgse Kempen en zelfs de aangrenzende Antwerpse Kempen.
Met uitzondering van deze laatste regio werden er rond 1900 successen geboekt. Vervolgens werden de nodige concessiesaangevraagd en bedrijven opgericht. In Nederland slaagden de socialisten erin enkele concessies onder bestuur van de staat te houden; ook aan de andere kant van de Maas ijverden de socialisten daarvoor, maar zonder succes. De meeste steenkoolmijnen gingen pas in exploitatie tijdens of na de Eerste Wereldoorlog.
Bruinkool[OntginningswijzeBruinkool werd in de Benelux alleen gevonden in Nederlands Zuid-Limburg. De eerste bruinkoolmijn was Carisborg I, in Heerlerheide (1915). De firma Bergerode ontgon in Heerlerheide de concessie Carisborg II, en verwierf in Brunssum de concessies Brunahilde I en II en Energie. Brunahilde I werd niet ontgonnen. Verder zijn er ook bruinkoolmijnen geweest op de Graetheide bij Geleen (Louisegroeve I en II), in Eygelshoven (Herman) en in Haanrade (Anna). Dit waren allemaal open mijnen. Ze waren in 1968 allemaal gesloten. Aansluitend over de grens in Duitsland zijn de bruinkoollagen dikker en worden ze nog steeds door middel van grootschalige dagbouw ontgonnen.
Structuur van gesloten kolenmijnen
Het ondergronds bedrijf: Hier worden de kolen gewonnen, verzameld en naar de oppervlakte getransporteerd.Een gesloten mijn bestaat uit twee delen:
Het bovengrond bedrijf: Hier worden de kolen gesorteerd, gewassen en gekapt. Bovendien liggen hier ook de voorzieningen voor de arbeiders en de centrales en machines die de bovengrondse én ondergrondse installaties aandrijven.
Bestrijding van grondwater en toevoer van lucht
Grondwater is zowel een probleem in ondergrondse als in open mijnen. In het geval van stollenbouw kan het grondwater gemakkelijk worden afgevoerd. Ook bij open mijnen en schachtbouw volstaat een kleinschalige technische infrastructuur zoals pompen en afvoerwegen, omdat er niet ver onder het grondwaterniveau wordt gegraven. Ook de toevoer van verse lucht is in deze mijnen betrekkelijk eenvoudig te realiseren.
Bij diepbouw worden echter grotere dieptes bereikt en moeten er krachtige pomp-, ventilatie- en hijsinstallaties voorhanden zijn. In de steenkoolmijnen van Belgisch- en Nederlands-Limburg (na 1900 dus) werd de methode van grondwaterbevriezing toegepast. Daardoor werd de grond ook stabieler. Omdat deze installaties veel energie verbruikten, hadden die steenkoolmijnen ook eigen energiecentrales die op steenkool draaiden.
Een raffinaderij is een fabriek of installatie waar een grondstof of product wordt gezuiverd of in zuivere bestanddelen wordt gescheiden.
Raffineren kan gebeuren door een scheidingsproces, zoals destillatie, door een filtratieproces of anderszins, afhankelijk van het product en de doelstelling van de raffinage.
Een waterkrachtcentrale of hydraulische centrale is een elektriciteitscentrale die stromend of neerstortend water (zie waterkracht) gebruikt om een turbine in beweging te brengen. Waterkrachtcentrales bevinden zich op stromen en rivieren, met al dan niet een kunstmatige dam. Het verval en het debiet van de stroom zijn bepalend voor de werking.
Het gebruik van waterkracht brengt geen vervuiling met zich mee en geen gevaarlijk radioactief afval. Daarom worden waterkrachtcentrales gezien als opwekker van groene energie.
INDELING
Waterkrachtcentrales zijn in vier groepen onder te verdelen:
Riviercentrale
Een riviercentrale (doorstroomwaterkrachtcentrale) ligt aan een ingedijkte waterloop. Het verval is licht en ligt in het algemeen tussen de drie en 15 meter. Het volume en de stroomsnelheid van het water door de turbines hangen af van het debiet van de rivier.
Stuwdamcentrale
Een stuwdamcentrale verzamelt eerst een grote hoeveelheid water in een kunstmatig stuwmeer. De turbine bevindt zich ofwel aan de voet van de dam of verder stroomafwaarts langs de rivier. In het laatste geval zijn de stuwdam en de machinezaal waar de turbines zich bevinden met elkaar verbonden door een dikke pijpleiding. In de machinezaal drukt het water op de schoepen van een turbine, die op haar beurt een alternator aandrijft. Bij het verlaten van de turbine heeft het water zijn energie afgestaan. Het stroomt verder naar de benedenloop van de rivier. Het hoogteverschil en het waterdebiet bepalen het vermogen. Naast de productie van elektriciteit dient de stuwdam ook als reservoir en laat toe om de voorraad drinkwater en de waterstand te regelen.
Pompcentrale
Een derde bijzondere vorm is de pompcentrale. Deze komen vooral voor in gebieden met bergen zoals Zwitserland. Het water wordt tijdens perioden met een lager energieverbruik, bijvoorbeeld 's nachts en in het weekend, naar een hoger gelegen waterbekken gepompt. Is er veel vraag naar elektriciteit dan stroomt het water van het boven- naar het benedenbekken via de turbines die de benodigde elektriciteit produceren. Het water wordt in het benedenbekken opgevangen en vastgehouden zodat de cyclus kan worden herhaald. De turbines moeten wel geschikt zijn om het water weer op te pompen. Dat is economisch aantrekkelijk, omdat de stroomprijs gedurende de dag varieert en laag is als er weinig vraag is en hoog is als er veel elektriciteit wordt verbruikt. De investering en rendementsverliezen in de pompen en turbines kunnen zo terugverdiend worden.
Getijdencentrale
Bij een getijdencentrale wordt energie gewonnen door gebruik te maken van het verschil in waterhoogte tussen eb en vloed. Op sommige plaatsen langs de zeekust waar grote trechtervormige inhammen bestaan, kan het waterhoogteverschil tot vele meters oplopen. Dit is voldoende om bij vloed het hoge water achter een dam te vangen en dit bij laag water via turbinesgekoppeld aan generatoren terug te laten lopen naar zee.
Voordelen
Waterkrachtcentrales hebben als belangrijk voordeel dat bij de opwekking van elektriciteit geen brandstof nodig is. Het hoogte verschil van het water is voldoende om de turbines en daarmee de generatoren aan te drijven. Er worden geen fossiele brandstoffen als aardgas of steenkool gebruikt die in principe op kunnen raken. Verder komen er geen broeikasgassen vrij die verantwoordelijk worden gehouden voor het opwarmen van de aarde. Brandstof is een belangrijke kostenpost bij de opwekking van elektriciteit, daar een waterkrachtcentrale gebruikmaakt van natuurlijk beschikbaar water zijn hier de brandstofkosten nihil.
De dammen en centrales hebben een lange levensduur, ze kunnen 50 tot 100 jaar in productie blijven. Onderhoud blijft wel noodzakelijk en ze worden ook gemoderniseerd met effectievere turbines en generatoren. Tot slot kunnen waterkrachtcentrales snel opstarten of juist de productie van elektriciteit snel beperken. Hier hoeven slechts de sluisdeuren geopend of gesloten te worden.
Naast de stroomproductie zijn bijkomende voordelen dat het water achter de centrale ook kan worden gebruikt voor de irrigatie van landbouwgronden of de verbetering van vaarwegen. Het water achter de dam komt hoger te staan waardoor dieperstekende schepen gebruik kunnen maken van de rivier of het meer.
Nadelen
Toch bestaan er in natuur- en milieukringen ook bezwaren tegen deze vorm van stroomopwekking. De bezwaren zijn vooral van toepassing bij stuwdamcentrales.
Voor de aanleg van een stuwdamcentrale is de aanleg van een stuwmeer noodzakelijk. Door het water wat achter de stuwdam wordt vastgehouden, komt het water hoger te staan en land overstroomt. Het land gaat verloren als landbouwgrond en natuur gaat verloren. De lokale bevolking moet verhuizen naar hoger gelegen gebied. Nieuwe dorpen moeten worden gebouwd en de mensen worden geholpen in het opbouwen van een nieuw bestaan. Protesten van de lokale bevolking tegen de bouw van een stuwdam komen regelmatig voor.[1]
In een stuwmeer verzamelt zich organisch materiaal dat door rotting broeikasgas produceert. Met name in warme streken kan deze uitstoot groter zijn dan die van een even grote conventionele centrale. Dit kwam ter sprake tijdens de VN klimaatconferentie op Bali in 2007.
Ook zonder stuwmeer ontstaan versterkt wisselingen in het waterniveau. Daardoor verdwijnen paaigebieden voor vele vissoorten. Trekkende vissoorten, zoals zalm, forel en paling, kunnen door de stuwdam niet meer in hun paaigebieden komen. De turbulentie in de turbines doodt vele kleine waterdieren. De bouw van vistrappen lost voor een deel dit nadeel op. In diverse landen zijn programmas gestart om vooral oude en kleine dammen te slopen. In 2012 werd in de rivier de Elwha in Washington twee dammen verwijderd om een vrije doortocht van zalmen naar de paaiplaatsen te realiseren.
Het meer achter de dam kan vrij snel dichtslibben door de bezinking van materiaal dat normaal met de rivier wordt meegevoerd. Dit vermindert de oorspronkelijk berekende capaciteit en brengt extra kosten met zich mee voor bijvoorbeeld het uitbaggeren van slib.
