In 2015 volgde uit de internationale klimaattop in Parijs het ‘Akkoord van Parijs’ dat door 195 landen is ondertekend. Ook Nederland ondertekende dat akkoord en stemde daarmee in de opwarming van de aarde beperken tot ruim onder 2 graden Celsius, met een duidelijk zicht op 1,5 graden Celsius.
Wereldwijd willen we in 2030 bijna de helft (49%) minder broeikasgassen uitstoten dan in 1990. Elk land moet eigen, nationale maatregelen nemen om het wereldwijd afgesproken doel te halen. In Nederland doen we dat door met elkaar – overheden, bedrijfsleven en maatschappelijke partijen – het nationale Klimaatakkoord te sluiten.
Aldus het Klimaatakkoord. Voor ons ligt een geweldige kluif, we moeten nu echt haast gaan maken met Nederland ParisProof te maken. Omdat er ontzettend veel ruis zit in de discussie (Groningse aarbevingen, schaliegas, Poetins gas, luchtkwaliteit) hebben we besloten een serie artikelen te schrijven over hoe wij denken dat Nederland ParisProof kan worden. In dit eerst artikel van Willem Boeke proberen we wat ruis rond het begrip energie en het rendement van warmtepompen weg te nemen.
=============================================================
BEHOUD VAN ENERGIE voor DUMMIES
“Energiebesparen, kent u die uitdrukking?” Zo zou Dominee Gremdaat beginnen.
Inderdaad daar hebben we het steeds over: Energie-transitie, energie besparen.
Maar hoe staat het dan met de bekende
Wet van Behoud van Energie?
James Prescott Joule, zoon van een bierbrouwer, ontdekte in 1840 dat elektrische stroom die over een weerstand wordt geleid, warmte afgeeft: De Wet van Joule. De eenheid van hoeveelheid warmte is naar hem genoemd.
Hoeveelheid warmte is niet hetzelfde als temperatuur. Bijv. een vonk heeft een heel hoge temperatuur, maar bevat weinig warmte: Je kunt met een vonk moeilijk een keteltje water aan kook krijgen. Anderzijds is er best veel warmte voor nodig om een litertje water een paar graden op te warmen.
Joule kwam er ook achter dat mechanische arbeid omgezet kan worden in warmte. We kennen dat bijv. aan een rem die warm wordt als je hem gebruikt (wrijving).
De Wet van Behoud van Energie staat bekend als de Eerste Hoofdwet van de Thermodynamica en komt erop neer dat energie niet uit het niets kan ontstaan en ook nooit echt verloren gaat.
Als dat een Hoofdwet is, waar maken we ons dan druk om bij de energietransitie?
Nou ja… er is ook een Tweede Hoofdwet en die zegt dat warmte altijd van hoog (hoge temperatuur) naar laag stroomt. Het komt erop neer dat de kleinste onderdeeltjes van een systeem of een proces (moleculen) altijd een evenwicht zoeken. Zo ontstaan vonken nooit spontaan, uit het niets. En als we vonken maken (bijv. met een vuursteentje) doven ze heel snel weer uit omdat het kleine beetje warmte in de vonk direct wegstroomt naar de omgeving.
Energie is soms nuttig en soms niet. Daarom is het niet altijd zonder inspanningen mogelijk om minder nuttige energiesoorten om te zetten in nuttige.
Soorten energie.
Vrijwel alle energie op aarde is uiteindelijk zonne-energie. De zgn. fossiele brandstoffen (gas, olie, steenkool) zijn miljoenen jaren geleden ontstaan uit enorme plantengroei, dankzij de zon.
Probleem is dat als die brandstoffen in ruim een eeuw opbranden er te veel CO2 vrijkomt.
Bekende alternatieven zijn zonne-energie via zonnecollectoren of zonnepanelen en wind. Ook alternatieve vormen, zoals waterkracht, getijdenstroom, etc. zijn uiteindelijk te danken aan de zon.
Maar ook koud water of koude buitenlucht bevat energie: Het kan immers altijd nog kouder worden!
Alleen kernenergie staat los van de zon. Daarbij gebruiken we atoomenergie van atomen zoals uraan die al vanaf het ontstaan van de aarde aanwezig waren.
Elektrische energie
Een handige vorm van energie is elektrische energie. Veel metalen hebben de eigenschap dat de elektronen die bij hun atomen horen vrij losjes zitten. Als aan de ene kant van een stuk metaal extra elektronen worden aangeboden dan drukken die de elektronen in het metaal weg, naar de ander kant en als ze daar een uitweg vinden stroomt er een elektrische stroom door het metaal.
Het metaal heeft altijd wel wat weerstand en dan wordt er dus warmte in opgewekt volgens de Wet van Joule.
Maar als je het stuk metaal uitrekt tot een lange draad en die op een spoeltje wikkelt ontstaat er ook een magneetkracht als er elektrische stroom doorheen stroomt, waardoor een stuk ijzer in beweging kan komen: Met een beetje handigheid maak je zo een motortje.
Omdat er elektrische stroom door de draad stroomt wordt de draad warm. Maar ook de bewegingen die de motor maakt worden uiteindelijk weer omgezet in (wrijvings-)warmte. Uiteindelijk verdwijnt dus de nuttige elektrische energie in de vorm van een minimale toename van de warmte in de omgeving.
Eenheden
Vroeger drukte men hoeveelheid warmte uit in calorie: de hoeveelheid warmte (eigenlijk: de energie) die nodig is om 1 gram water 1 graad Celsius in temperatuur te doen stijgen.
Later wilde men over naar standaardeenheden. De eenheid “Joule” werd ingevoerd: de hoeveelheid energie die “verbruikt” wordt als een voorwerp met een kracht van 1 Newton (ca 0,1 kg kracht) over 1 meter verticaal omhoog wordt verplaatst. De energie gaat daarbij niet verloren, maar komt weer vrij als wrijvings/botswarmte tussen het bewegende voorwerp en de omgeving als je hem laat vallen. 1 Joule is dus hetzelfde als 1 Nm.
1 calorie komt overeen met 4,19 Joule.
1 Joule blijkt voorts ook te zijn verbruikt als ik 1 Watt gedurende 1 seconde aan elektrische stroom opneem: de Wattseconde (Ws). Omdat dat zo weinig is rekenen we meestal om naar kilowattuur (1 kWh = 3.600.000 Ws)[1].
Warmtepompen
Bij een warmtepomp gebruiken we elektrische energie om datgene te bewerkstelligen wat volgens de Tweede Hoofdwet van de Thermodynamica nooit spontaan gebeurt: een hoeveelheid warmte elders onttrekken en opwaarderen naar een hogere temperatuur.
Dat kost dus energie. In de warmtepomp zit een compressor die het zgn. koudemiddel, na verdamping, samenperst, waardoor het heet wordt. Die warmte wordt gebruikt voor het afgiftesysteem, bijv. de vloerverwarming.
Warmtepompen komen veel voor. Het zijn geen nieuwerwetse dingen. Al in de 19e eeuw kende men ze. De ijskast, de diepvriezer, de koelcel, de airco: allemaal zijn het varianten van de warmtepomp.
De hardware van warmtepompen kent ook geen verrassingen. Het is robuuste, vrijwel onderhoudsvrije apparatuur.
Wel zijn er een aantal factoren die de optimale werking beïnvloeden.
Zo is het nodig dat de compressor niet te vaak aan en uit gaat (starten kost extra stroom). Anderzijds loopt het rendement terug als de temperatuursprong hoger wordt, dus te lang achter elkaar doorwerken is ook niet goed. Daarom is er goede besturingselektronica nodig.
Vervolgens moeten warmteafgiftesystemen ruim gedimensioneerd worden: dikke leidingen; veel lussen in de vloerverwarming. etc. Want: de hoeveelheid warmte die wordt afgegeven is niet een kwestie van hete radiatoren. Hoeveelheid warmte is immers niet hetzelfde als temperatuur!
De hoeveelheid warmte wordt bepaald door het temperatuurverschil tussen aanvoer- en retourleiding maal het aantal liters water dat per seconde in het cv-systeem rondgaat. Dus: Een vloerverwarmingssysteem met veel parallelle leidingen waar veel lauw water doorheen stroomt kan net zoveel warmte afgeven (of zelfs meer) als een hete radiator met iele buisjes waar weinig cv-water doorheen gaat.
De kennis van warmtepompen komt in de praktijk dus neer op een goede aanleg en goede besturingselektronica. En een goede Nederlandse servicedienst bij eventuele storingen in die elektronica.
COP
Bij warmtepompen spreekt men vaak van de COP, de Coëfficiënt of Performance, oftewel de energiefactor. Een vergelijkbare afkorting is de SPF, de Seizoens Performance Factor.
De COP geeft weer hoeveel energie uiteindelijk op hogere temperatuur door een warmtepomp wordt afgeleverd t.o.v. de (uit het elektriciteitsnet) opgenomen hoeveelheid energie.
Bijv. 1 kWh erin en 5 kWh afgegeven betekent een COP van 5.
Dat is dus een specifiek kunstje van een warmtepomp. Een warmtepomp verplaatst een hoeveelheid warmte van een lagere naar een hogere temperatuur. Dat kost energie. Maar als het goed geïnstalleerd is breng je een veelvoud van energie (van elders) naar een hogere temperatuur.
Perpetuum Mobile
Al in het begin van de Verlichting (18e – 19e eeuw) probeerden mensen trucjes te verzinnen om machines (met name waterpompen voor bevloeiing) aan te drijven. Er werden om de haverklap ideeën aangedragen bij de Koninklijke Academie van Wetenschappen. Al in 1776, dus ruimschoots voor Joule, waren ze er wel klaar mee. Lees onderstaand krantenartikel uit die tijd er maar op na:
Een Perpetuum Mobile, d.w.z. een “eeuwig beweger”, een machine die zonder externe toevoer van energie eeuwig blijft draaien, bestaat niet en zal ook nooit bestaan. Niet omdat het “nog” niet is uitgevonden, maar omdat het om basale natuurkundige reden niet kan.
Om diezelfde reden zullen er nooit verwarmingsapparaten komen die meer doen dan COP = 1, d.w.z. er gaat evenveel energie in als eruit. Dat geldt feitelijk ook voor de warmtepomp. Ook dat is geen perpetuum mobile. Het is alleen een verplaatser van energie. En energie die je aan de omgeving onttrekt is gratis. In feite zonne-energie die de lucht of de bodem op temperatuur houdt.
Alle andere apparaten verbruiken evenveel stroom als dat ze uiteindelijk aan warmte afgeven. Daarom zijn het COP = 1 apparaten.
Dat geldt niet alleen voor straalkacheltjes (met of zonder ventilator), maar ook voor dompelaars, voor haarföhns, voor IR-panelen, voor elektrische radiatoren, voor close-in boilers en Quookers, voor elektrische boilers, al dan niet in serie aan elkaar gekoppeld, voor blauwe, groene of andere magische dozen, met of zonder “strato-elementen” en voor generatoren van “watergas”. Het geldt eigenlijk voor elk apparaat. Ook een elektromotor, een wasmachine, een koelkast, zelfs een geluidsbox, zet de elektrische energie die je erin steekt uiteindelijk om in warmteafgifte aan de omgeving.
Geld en CO2
Conclusie: Een warmtepomp verbruikt aanzienlijk minder (elektrische) energie dan er als warmte wordt toegevoerd. Een factor 4-5 zuiniger met energie dan een verbrandings-warmtebron of een weerstands- (COP=1) warmtebron.
Zuiniger met energie is niet altijd minder CO2 en ook niet altijd minder kosten.
Om te beginnen de CO2: Zolang elektriciteit nog voor een belangrijk deel uit elektriciteitscentrales op fossiele brandstof (kolen, olie en gas) komen moeten we beseffen dat daar eerst forse verliezen optreden. Met andere woorden, een warmtepomp op elektriciteit wordt pas echt milieuvriendelijk naarmate de elektriciteit groener wordt.
En dan het geld: Gas levert bij verbranding ongeveer evenveel (warmte-)energie op als 9 kWh elektriciteit via een straalkacheltje. Maar het kost ca EUR 0,66 per m3. En 9 kWh kost ruim EUR 2,00, dus feitelijk, op energiebasis, 3x zo duur.
En dan hebben we nog de kwestie van investeringskosten voor een warmtepomp. En de bron (lucht of de bodem). En subsidie.
En dan hangt het tot slot nog van de installatie van de warmtepomp af welke COP-waarde in de praktijk wordt gehaald.
Ziedaar een bron van levendige discussies! Zolang die op feiten berusten: geen bezwaar, integendeel!
Maar laat je nooit in de luren leggen door Perpetuum Mobile fantasten. Daarom is dit kleine beetje natuurkundige theorie van belang voor iedereen die zich met de energietransitie bezighoudt.
We wensen jullie een smakelijk Kerstdiner met spruitjes en lekker vette jus en zo…
[1] Voor de beeldvorming: Een netvoedingsapparaatje voor een iPhone neemt ca 5 W, dus elke seconde 5 Ws.