Inleiding: energiegebruik in bedrijven en gebouwen

Inleiding: energiegebruik in bedrijven en gebouwen
Energie
Energie is een eigenschap van de materie die kan worden omgezet in arbeid, warmte of
straling. De eenheid van energie is de Joule.
De fundamentele eigenschap van energie is dat ze enkel kan omgezet worden van de ene
vorm in de andere, maar niet kan worden gecreëerd (de eerste hoofdwet van de
thermodynamica).
Een tweede eigenschap is dat niet alle vormen van energie gelijkwaardig zijn of m.a.w. dat
niet alle vormen van energie onbeperkt omgezet kunnen worden in een andere willekeurige
vorm (de tweede hoofdwet van de thermodynamica). Wrijf maar eens in je handen en je zet
arbeid om in warmte. Om het omgekeerde te doen heb je typisch een motor nodig. Warmte
op lage temperatuur (dit is dicht tegen omgevingstemperatuur) kan beschouwd worden als
energie van lage kwaliteit.
Een derde eigenschap is dat bij nagenoeg iedere omzetting van energie warmte wordt
vrijgesteld die niet nuttig kan worden gebruikt.
De belangrijkste bron van energie voor onze planeet is de straling afkomstig van de zon.
Deze energie wordt opgevangen door water (waardoor het verdampt), de atmosfeer, de
aardkorst, alsook door planten. In de prehistorie werden grote hoeveelheden planten in de
aardkorst ingesloten. Hieruit ontstond steenkool, aardolie en aardgas. Deze brandstoffen zijn
de fossiele brandstoffen.
Verder werd bij het ontstaan van de aarde energie opgeslagen in atomen, die we door
splijting kunnen vrijstellen. Deze stoffen, zoals uranium, worden nucleaire brandstoffen
genoemd.
Zowel voor de fossiele brandstoffen als de nucleaire brandstoffen zijn de voorraden dus
eindig.
Hernieuwbare energiebronnen daarentegen zijn bronnen die direct of indirect gebruik maken
van de zonne-energie. Straling van de zon is een duidelijk voorbeeld. Windenergie ontstaat
door drukverschillen in de lucht, die veroorzaakt worden door temperatuurverschillen. Deze
zijn dan weer ontstaan door het verschil in opwarming op verschillende plaatsen.
Waterkracht energie is beschikbaar door de cyclus van het water. Door de zonnewarmte
verdampt water en bij afkoeling regent het. Dit water opvangen op een hoogte en dit
hoogteverschil gebruiken, levert de mens waterkracht.
In de energiesector worden primaire brandstoffen omgezet in bruikbare energiedragers,
bijvoorbeeld elektriciteit, gas, stookolie, benzine en diesel. De voornaamste primaire
brandstoffen zijn kernbrandstoffen, steenkool, aardgas en aardolie. De productie en de
distributie van deze energiedragers situeren zich aan de aanbodzijde van de energiesector.
Voor Vlaanderen zijn er twee elektriciteitsbedrijven, één aardgasbedrijf en vijf petroleum
raffinaderijen actief [1].
1
Energie door de eeuwen heen
Energie is de drijvende kracht van onze industrie. Sinds de start van de eerste industriële
revolutie is de mens meer en meer beroep gaan doen op allerlei energiebronnen.
In de oudheid werd arbeid vooral verricht door middel van spierkracht, zij het van dierlijke
dan wel menselijke aard. Zo was de latere Romeinse economie gebaseerd op slavenarbeid
die instond voor de productie van voedsel, goederen en zelf diensten zoals onderwijs.
In de middeleeuwen werd dierlijke arbeid belangrijker en werd slavenarbeid vervangen door
lijfeigenschap. Men herontdekte een aantal machines, die werken op wat we heden ten dage
alternatieve energievormen noemen, zoals wind- en watermolens.
In deze periode werd warmte in belangrijke mate geproduceerd door de verbranding van
hout, zowel voor het bereiden van eten als voor residentiële verwarming. Voor industriële
processen (metaalverwerking, scheepsbouw, …) maakte men gebruik van houtskool,
bruinkool en in beperkte mate van steenkool. Ontginning hiervan was enkel mogelijk aan de
oppervlakte.
Na de renaissance neemt het gebruik van machines toe. Pas in de 18e eeuw ontstaan de
eerste machines die gebaseerd zijn op de thermodynamische principes die we nu kennen.
Newcommen en J. Watt verbeterden in essentie het rendement en de bestuurbaarheid
ervan. De belangrijkste brandstof wordt nu steenkool die men massaal gaat ontginnen in
dieper gelegen mijnen. Om dit mogelijk te maken waren eveneens nieuwe soorten machines
nodig. Stoom neemt als energietransportmedium en werkingfluïdum een belangrijke plaats
in.
Ook voor residentiële verwarming doen kolen hun intrede en in deze sector zullen ze tot na
de tweede Wereld Oorlog een belangrijke bron van verwarming blijven.
De tweede industriële revolutie wordt gedreven door de ontdekking en ontginning van
aardolie. In de beginperiode van de aardolieboringen beschouwd men de gasbel bovenaan
het olieveld trouwens als een last en fakkelt men dit af. Steenkool verliest zijn marktaandeel
en aardolie neemt over, zowel in de industrie als voor verwarming.
De oliecrisis in de jaren 1970 betekent een nieuw keerpunt. Men ontdekt dat afhankelijkheid
van 1 energiebron strategisch foutief is. Kernenergie wint aan belang door het volwassen
worden van nucleaire fisie. (Figuur I.1 toont de evolutie vanaf 1971 tot 2001 voor België en
Figuur I.2 voor de wereld, bron IEA (International Energy Agency)). Aardgas krijgt eveneens
meer en meer aandacht. Voor residentiële verwarming zijn stookolie en aardgas tot op
heden concurrentieel.
2
Figuur I.1. Primaire energievoorzieningen voor België
Sinds de jaren '90 groeit het bewustzijn dat het gebruik van fossiele en nucleaire
brandstoffen een grote milieu-impact heeft.
Verbranding van fossiele brandstoffen geeft aanleiding tot de uitstoot van zwavel en NOx.
Vooral kolen en aardolie bevatten een relatief groot zwavelgehalte. Wetgeving, zowel
nationaal als internationaal, leggen strenge normen op naar zwavelgehalte. Zo is in stookolie
het niveau gedaald tot 5 ppm.
Intussen is ook aangetoond dat de uitstoot van CO2 bijdraagt tot klimaatsverandering of het
zogenaamde ‘broeikaseffect’. In 1997 werd in de Verenigde naties overeengekomen in het
Kyoto-protocol om broeikasgasuitstoot terug te brengen naar een niveau dat 5% lager ligt
dan 1990 en dit tegen 2012.
Dit gaf aanleiding tot internationale maatregelen om uitstoot te reduceren. Een piste die men
volgt is het verbeteren van thermodynamische rendementen van omzettingsprocessen. Een
tweede piste is de productie van elektriciteit uit zogenaamde alternatieve, in feite duurzame
energiebronnen als wind, waterkracht, geothermie, …
3
Figuur I.2. Primaire energievoorzieningen voor de wereld
In figuur I.3 wordt de evolutie getoond van de brandstoffen gebruikt voor
elektriciteitsomzetting in België. We zien dat aardgas aan belang wint en dat duurzame
energie de laatste jaren langzaam opkomt. Stookolie is marginaal geworden, terwijl
steenkool afneemt. Figuur I.4 toont de evolutie op wereldschaal. Opvallend is dat
energiegebruik steeds toeneemt en dat vooral aardolie stagneert. De meeste aardolie wordt
dan ook ingezet voor transport en niet voor elektriciteitsproductie.
4
Figuur I.3. Elektriciteitsvoorzieningen in België
5
Figuur I.4. Elektriciteitsvoorzieningen in de wereld
Een derde piste is de reductie van het energiegebruik door rationalisering : Rationeel
EnergieGebruik (REG). Men streeft er naar het gebruik te doen dalen door het vermijden van
nutteloos gebruik, vermindering van de noden door beperking van verliezen en het verhogen
van omzettingsrendementen. Deze REG-maatregelen gaan bijna steeds gepaard met de
reductie van brandstofverbruik en dus met daling van de kosten hiermee verbonden. Vaak
zijn wel (eenmalige) investeringen nodig in nieuwe apparatuur. Economische overwegingen,
zoals stijgende brandstofprijzen, zijn vaak de initiator van initiatieven, naast
overheidsondersteuning.
Energiegebruik is tevens verspreid over verschillende sectoren. Naast de industrie, neemt in
België de transportsector een groot deel voor zijn rekening (Figuur I.5). Een derde van het
verbruik gaat echter naar verwarming en koeling van gebouwen.
6
Figuur I.5. Energieverbruik per sector
In deze cursus zullen we ingaan op een aantal aspecten die te maken hebben met het
gebruik van warmte binnen een industriële omgeving. Ten eerste zullen de apparaten die
instaan voor de overdracht van warmte worden behandeld : de warmtewisselaar in al zijn
varianten. Naast constructie en ontwerp wordt ook aandacht besteed aan operationele
aspecten, zoals inzetbaarheid, onderhoud en energieprestatie.
Een tweede deel van de cursus behandelt bijzondere aspecten van warmteoverdracht. In
nagenoeg ieder proces waarin belangrijke energieoverdrachten worden gerealiseerd maakt
men gebruik van faseveranderingen. Warmteoverdracht in twee-fasige systemen van gas en
vloeistof is van een bijzondere complexiteit en verdient dus verder aandacht.
In deel drie zullen aspecten van klimatechniek (HVAC: Heating, Ventilation and AirConditioning) worden behandeld, met aandacht voor passieve technieken.
Referenties
1.
Mira-T 2001, Milieu- en natuurrapport Vlaanderen, ISBN 90-441-1195-7
2.
www.iea.org
7