Elektrische energie opwekken

Leerdoelen:

•Je kunt uitleggen wat wordt verstaan onder elektrisch vermogen P_{el}P_{e}P_{\placeholder{}}en elektrische energie E_{el}E_{e}E_{}E_{E}E_{\placeholder{}}\placeholder{}_{\placeholder{}}.

•Je kunt rekenen met de bijgaande formules: P_{el}=U\cdot IP_{el}=U\cdotP_{el}=UP_{el}=P_{el}P_{el=}P_{el}P_{e}P_{\placeholder{}}P, E=P_{el}\cdot tE=P_{el}\cdotE=P_{el}E=P_{e}E=P_{}E=P_{l}E=P_{le}E=P_{l}E=P_{\placeholder{}}E=PE=E, \eta=\frac{E_{nuttig}}{E_{in}}=\frac{P_{nuttig}}{P_{in}}\eta=\frac{E_{nuttig}}{E_{in}}=\frac{P_{nuttig}}{P_{i}}\eta=\frac{E_{nuttig}}{E_{in}}=\frac{P_{nuttig}}{P_{ni}}\eta=\frac{E_{nuttig}}{E_{in}}=\frac{P_{nuttig}}{P_{nui}}\eta=\frac{E_{nuttig}}{E_{in}}=\frac{P_{nuttig}}{P_{nuti}}\eta=\frac{E_{nuttig}}{E_{in}}=\frac{P_{nuttig}}{P_{nutti}}\eta=\frac{E_{nuttig}}{E_{in}}=\frac{P_{nuttig}}{P_{nuttig}}\eta=\frac{E_{nuttig}}{E_{in}}=\frac{P_{nuttig}}{P_{\placeholder{}}}\eta=\frac{E_{nuttig}}{E_{in}}=\frac{P_{nuttig}}{P}\eta=\frac{E_{nuttig}}{E_{in}}=\frac{P_{nuttig}}{\placeholder{}}\eta=\frac{E_{nuttig}}{E_{in}}=P_{nuttig}\eta=\frac{E_{nuttig}}{E_{in}}=P_{\frac{nuttig}{\placeholder{}}}\eta=\frac{E_{nuttig}}{E_{in}}=P_{nuttig}\eta=\frac{E_{nuttig}}{E_{in}}=P_{\placeholder{}}\eta=\frac{E_{nuttig}}{E_{in}}=P\eta=\frac{E_{nuttig}}{E_{in}}=\eta=\frac{E_{nuttig}}{E_{in}}\eta=\frac{E_{nuttig}}{E_{i}}\eta=\frac{E_{nuttig}}{E_{ig}}\eta=\frac{E_{nuttig}}{E_{nig}}\eta=\frac{E_{nuttig}}{E_{nuig}}\eta=\frac{E_{nuttig}}{E_{nutig}}\eta=\frac{E_{nuttig}}{E_{nuttig}}\eta=\frac{E_{nuttig}}{E_{}}\eta=\frac{E_{nuttig}}{E_{\in}}\eta=\frac{E_{nuttig}}{E_{i}}\eta=\frac{E_{nuttig}}{E_{\placeholder{}}}\eta=\frac{E_{nuttig}}{E}\eta=\frac{E_{nuttig}}{\placeholder{}}\eta=E_{nuttig}\eta=E_{\placeholder{}}\eta=E_{}\eta=E_{\cap}\eta=E_{}\eta=E_{\nu}\eta=E_{\nu t}\eta=E_{\nu tt}\eta=E_{\nu tti}\eta=E_{\nu ttig}\eta=E_{\nu tti}\eta=E_{\nu tt}\eta=E_{\nu t}\eta=E_{\nu}\eta=E_{n}\eta=E_{\placeholder{}}\eta=E\eta=\eta.

•Je kunt uitleggen hoe elektriciteit in een klassieke centrale wordt opgewekt.

•Je kunt uitleggen hoe duurzaam en rendabel andere vormen van energieopwekking zijn.

Elektrisch vermogen en elektrische energie

Elektrisch vermogen (P), uitgedrukt in watt (W), geeft aan hoeveel elektrische energie er per seconde wordt omgezet. De formule hiervoor is: P=U\cdot IP=UI Waarbij:

P = elektrisch vermogen in watt (W)

U = spanning in volt (V)

I = stroomsterkte in ampère (A)

Deze formule geldt voor weerstanden, apparaten, spanningsbronnen en gehele schakelingen.

Elektrische energie (E), uitgedrukt in joule (J), is de energie die apparaten omzetten in andere energiesoorten, zoals warmte, beweging (mechanische of kinetische energie), licht en geluid. De formule hiervoor is: E=P\cdot tE=P\cdotE=P\cdot TE=PT Waarbij:

E = elektrische energie in joule (J)

P = vermogen in watt (W)

t = tijd in seconden (s)

Door de formule voor vermogen (P=U\cdot IP=UI) in te vullen in de formule voor energie (E=P\cdot tE=P\cdot), krijg je ook: E=U\cdot I\cdot tE=U\cdot I\cdotE=U\cdot I\cdot TE=U\cdot ITE=U\cdot I\times TE=UI\times T

Warmteontwikkeling

Bij weerstanden en apparaten ontstaat vaak ook warmteontwikkeling. Dit is niet altijd gewenst, maar soms wel, bijvoorbeeld bij het koken van water. De warmte (Q) die hierbij ontstaat, is een vorm van energie en kan ook berekend worden met de formules voor energie.

Als je de wet van Ohm (U=R\cdot IU=RI) invult in P=U\cdot IP=UI, krijg je P=\left(R\cdot I\right)\cdot I=R\cdot I^2P=\left(R\cdot I\right)\cdot=R\cdot I^2P=\left(R\cdot I\right)=R\cdot I^2P=\left(R\cdot I=R\cdot I^2\right)P=\left(R\cdot=R\cdot I^2\right)P=\left(R\cdot P=R\cdot I^2\right)P=R\cdot P=R\cdot I^2P=RP=R\cdot I^2P=P=R\cdot I^2PP=R\cdot I^2P=R\cdot I^2P=R\cdot IP=R\cdot I^P=R\cdot I^{2}P=RI^{2}, waarbij R de weerstand in ohm (Ω) is.

De warmte die ontstaat, Q, is dan: Q=P\cdot t=(U\cdot I)\cdot t=(R\cdot I^2)\cdot tQ=P\cdot=(U\cdot I)\cdot t=(R\cdot I^2)\cdot tQ=P\cdot T=(U\cdot I)\cdot t=(R\cdot I^2)\cdot tQ=P\cdot T=(U\cdot I)\cdot=(R\cdot I^2)\cdot tQ=P\cdot T=(U\cdot I)\cdot T=(R\cdot I^2)\cdot tQ=P\cdot T=(U\cdot I)\cdot T=(R\cdot I^2)\cdotQ=P\cdot T=(U\cdot I)\cdot T=(R\cdot I^2)\cdot TQ=P\cdot T=(U\cdot I)\cdot T=(R\cdot I^2)TQ=P\cdot T=(U\cdot I)\cdot T=(R\cdot I^2)\times TQ=P\cdot T=(U\cdot I)\cdot T=(R\cdot I)\times TQ=P\cdot T=(U\cdot I)\cdot T=(R\cdot)\times TQ=P\cdot T=(U\cdot I)\cdot T=(R)\times TQ=P\cdot T=(U\cdot I)\cdot T=(R\times)\times TQ=P\cdot T=(U\cdot I)\cdot T=(R\times I)\times TQ=P\cdot T=(U\cdot I)\cdot T=(R\times I^)\times TQ=P\cdot T=(U\cdot I)\cdot T=(R\times I^{2})\times TQ=P\cdot T=(U\cdot I)T=(R\times I^{2})\times TQ=P\cdot T=(U\cdot I)\times T=(R\times I^{2})\times TQ=P\cdot T=(UI)\times T=(R\times I^{2})\times TQ=P\cdot T=(U\times I)\times T=(R\times I^{2})\times TQ=PT=(U\times I)\times T=(R\times I^{2})\times T, dus Q=\left(R\cdot I^2\right)\cdot tQ=\left(R\cdot I^2\right)\cdotQ=\left(R\cdot I^2\right)Q=\left(R\cdot I^2\right)Q=\left(R\cdot I\right)Q=\left(R\cdot\right)Q=\left(R\right)Q=\left(\right)Q=Q

Hieruit blijkt dat de warmte die ontstaat sterk afhangt van de stroomsterkte (I), en zelfs kwadratisch. Hoe hoger de stroomsterkte, hoe hoger de warmteontwikkeling en dus het energieverlies.

Rendement

Elektrische apparaten zetten elektrische energie om, maar een deel ervan gaat vaak verloren als niet-nuttige energie (meestal warmte). Het rendement (\eta) geeft aan welk deel van de ingevoerde energie nuttig wordt gebruikt. Het rendement wordt uitgedrukt als een getal tussen 0 en 1, of als een percentage tussen 0% en 100%.

De formule voor rendement is: \eta=\frac{E_{nuttig}}{E_{in}}\eta=\frac{E_{nuttig}}{E_{in}}= Of, als je met vermogen rekent: \eta=\frac{P_{nuttig}}{P_{in}}\eta\frac{P_{nuttig}}{P_{in}}

Waarbij:

= nuttige energie

= ingevoerde energie

= nuttig vermogen

= ingevoerd vermogen

Het nuttige gedeelte is altijd kleiner dan de energie die erin gaat. Stel een apparaat gebruikt 100 joule, waarvan 10 joule wordt omgezet in warmte (niet-nuttige energie). De nuttige energie is dan 90 joule. Het rendement = \frac{90}{100}=0,9\frac{90}{10}=0,9\frac{90}{1}=0,9\frac{90}{\placeholder{}}=0,990=0,990/=0,990/1=0,990/10=0,9, of 90%.

Hoe elektriciteit wordt opgewekt in een klassieke centrale

De basis van een elektriciteitscentrale, zoals een klassieke centrale, draait om het omzetten van energie. Hier volgt een stapsgewijze beschrijving:

•Brandstof verbranden: Het proces begint met een brandstof, vaak fossiele brandstoffen zoals steenkool of gas. De chemische energie in deze brandstof wordt door verbranding omgezet in warmte.

•Water verwarmen: Met de opgewekte warmte wordt water opgewarmd.

•Stoomproductie: Het warme water verandert in stoom. Stoom (water in gasfase) neemt meer ruimte in beslag en zet daardoor uit, wat leidt tot een hoge druk.

•Turbine laten draaien: Deze stoom met hoge druk spuit tegen de schoepen van een turbine, waardoor deze gaat draaien. Hierbij wordt warmte-energie omgezet in kinetische energie.

•Generator aandrijven: Aan de turbine zit een as die een generator aandrijft.

•Elektrische energie opwekken: De generator zet de kinetische energie van de draaiende as om in elektrische energie.

Hoe werkt een generator?

Een generator, zoals die in een elektriciteitscentrale, werkt op basis van elektromagnetisme. Een eenvoudig voorbeeld is een dynamo.

Een spoel (vaak koperdraad) is aangesloten op een spanningsmeter. Wanneer een magneet (met een noord- en zuidpool) in en uit de spoel wordt bewogen, ontstaat er een veranderend magnetisch veld in de spoel. Dit veranderende magnetische veld wekt een spanning op over de spoeldraad. Zodra er een gesloten stroomkring is, zal deze spanning leiden tot een stroom. Op deze manier wordt bewegingsenergie omgezet in elektrische energie.

Gedetailleerde stappen in een klassieke centrale

Een klassieke elektriciteitscentrale omvat nog meer stappen om de opgewekte elektriciteit efficiënt te transporteren:

•Brandstofgebruik: De brandstof (bijvoorbeeld steenkool) wordt gebruikt om warmte op te wekken.

•Verbranding: In de verbrandingsoven komt warmte vrij.

•Stoomproductie: Het water wordt omgezet in stoom.

•Turbine en generator: De stoom drijft een turbine en vervolgens een generator aan, die warmte omzetten in elektrische energie.

•Verbrandingsgassen: De verbrandingsgassen ontsnappen via schoorstenen.

•Koeltoren: De koeltoren zorgt ervoor dat de stoom weer condenseert tot water, zodat het opnieuw gebruikt kan worden in het proces.

•Transformatoren (verhogen): Transformatoren verhogen de spanning van de opgewekte elektriciteit (vaak naar 380 kilovolt).

•Hoogspanningskabels: De energie wordt via hoogspanningskabels en -masten getransporteerd.

•Transformatoren (verlagen): Dichter bij de verbruiker verlagen transformatoren de spanning weer (bijvoorbeeld naar 10 kilovolt).

•Verdeelstation: Een verdeelstation verlaagt de spanning verder.

•Distributie: De elektriciteit gaat via ondergrondse en bovengrondse kabels naar huizen (uiteindelijk 230 volt).

Waarom hoogspanning bij transport?

Het gebruik van hoogspanningskabels voor het transport van elektriciteit is cruciaal om energieverlies tegen te gaan. Zoals eerder genoemd, hangt de warmteontwikkeling (energieverlies) in kabels kwadratisch af van de stroomsterkte: Q=R\cdot I^2\cdot TQ=R\cdot I\cdot TQ=R\cdot I^\cdot TQ=R\cdot I^{2}\cdot TQ=R\cdot I^{2}TQ=R\cdot I^{2}\times TQ=RI^{2}\times T . Om het energieverlies door warmte zo laag mogelijk te houden, is het essentieel dat de stroomsterkte (I) zo laag mogelijk is tijdens het transport. Aangezien P=U\cdot IP=UI, en het vermogen (P) constant moet blijven, moet de spanning (U) juist hoog zijn als de stroomsterkte (I) laag is. Dit is de reden waarom transformatoren de spanning verhogen voor transport en weer verlagen voor gebruik.

Hoe werkt een transformator?

Een transformator maakt het mogelijk om de spanning van wisselstroom te verhogen of te verlagen.

Een transformator bestaat uit een weekijzeren kern en twee spoelen: de primaire spoel (waar de stroom binnenkomt) en de secundaire spoel (waar de stroom uitgaat). Wanneer er een wisselstroom door de primaire spoel loopt, wordt de weekijzeren kern magnetisch. Dit veranderende magnetische veld induceert een spanning in de secundaire spoel. Het verschil in het aantal windingen tussen de primaire en secundaire spoel bepaalt of de spanning omhoog of omlaag wordt getransformeerd. Als de secundaire spoel meer windingen heeft dan de primaire, zal de spanning worden verhoogd; bij minder windingen wordt de spanning verlaagd. Dit is een uiterst handige technologie voor efficiënt energietransport.

Verschillende vormen van energieopwekking

Naast de klassieke centrale zijn er diverse andere manieren om energie op te wekken, elk met hun eigen voor- en nadelen wat betreft duurzaamheid, milieubelasting en rendement.