Stoomlocomotieven ratelen langs spoorlijnen. Raderstoomboten die de Murray afvaren. Dreadnought slagschepen aangedreven door stoommachines.

Velen van ons denken dat het stoomtijdperk voorbij is. Maar hoewel de stoommachine is vervangen door verbrandingsmotoren en nu door elektrische motoren, is de moderne wereld nog steeds afhankelijk van stoom. Bijna alle thermische centrales, van steenkool tot kerncentrales, hebben stoom nodig om te kunnen functioneren. (Gascentrales doen dat meestal niet).

Maar waarom? Het komt door iets dat we millennia geleden ontdekten. In de eerste eeuw na Christus vonden de oude Grieken de aeolipile uit: een stoomturbine. Warmte veranderde water in stoom, en stoom heeft een zeer nuttige eigenschap: het is een gemakkelijk te maken gas dat kan duwen.

Dit simpele feit betekent dat zelfs de droom van fusie-energie bestaat sluipt dichterbij, zullen we nog steeds in het stoomtijdperk zijn. De eerste commerciële fusiecentrale zal hierop vertrouwen geavanceerde technologie kan plasma bevatten dat veel heter is dan de kern van de zon, maar het zal nog steeds verbonden zijn met een eenvoudige stoomturbine die warmte in beweging omzet in elektriciteit.

Waarom zijn we nog steeds afhankelijk van Steam?

Het koken van water kost een aanzienlijke hoeveelheid energie, verreweg de hoogste van de gebruikelijke vloeistoffen die we kennen. Het verdampen van water kost ongeveer 2.5 keer meer energie dan ethanol en 60 procent meer dan vloeibare ammoniak.

Waarom gebruiken we stoom in plaats van andere gassen? Water is goedkoop, niet giftig en gemakkelijk te transformeren van vloeistof naar energetisch gas voordat het weer condenseert tot vloeistof, zodat het steeds opnieuw kan worden gebruikt.

Stoom heeft zo lang geduurd omdat we een overvloed aan water hebben, die 71 procent van het aardoppervlak beslaat, en water is een nuttige manier om thermische energie (warmte) om te zetten in mechanische energie (beweging) in elektrische energie (elektriciteit). We zijn op zoek naar elektriciteit omdat deze gemakkelijk kan worden overgedragen en kan worden gebruikt om op veel gebieden werk voor ons te doen.

Wanneer water in een gesloten container in stoom wordt omgezet, zet het enorm uit en verhoogt de druk. Stoom onder hoge druk kan, net als elk ander gas, enorme hoeveelheden warmte opslaan. Als er een uitlaat is, zal de stoom er met hoge stroomsnelheden doorheen stromen. Zet een turbine in het uitgangspad en de kracht van de ontsnappende stoom zal de bladen van de turbine laten draaien. Elektromagneten zetten deze mechanische beweging om in elektriciteit. De stoom condenseert weer tot water en het proces begint opnieuw.

Stoommachines gebruikten steenkool om water te verwarmen om stoom te creëren om de motor aan te drijven. Kernsplijting splitst atomen om warmte te maken om water te koken. Kernfusie zal zware isotopen van waterstof (deuterium en tritium) dwingen te fuseren tot helium-3-atomen en nog meer warmte te creëren – om water te koken om stoom te maken om turbines aan te drijven om elektriciteit te maken.

Als je alleen maar naar het eindproces in de meeste thermische energiecentrales zou kijken – steenkool, diesel, kernsplijting of zelfs kernfusie – zou je zien dat de oude technologie van stoom zo ver is doorgevoerd als maar mogelijk is.

De stoomturbines die de grote elektrische alternatoren aandrijven die 60 procent van de elektriciteit in de wereld produceren, zijn iets prachtigs. Honderden jaren metallurgische technologie, ontwerp en ingewikkelde productie hebben de stoomturbine vrijwel geperfectioneerd.

Blijven we stoom gebruiken? Nieuwe technologieën produceren elektriciteit zonder gebruik te maken van stoom. Zonnepanelen vertrouwen erop dat inkomende fotonen elektronen in silicium raken en een lading creëren windturbines werken als stoomturbines, behalve dat de wind de turbine blaast, en niet de stoom. Sommige vormen van energieopslag, zoals gepompte waterkrachtcentrales, maken gebruik van turbines, maar voor vloeibaar water en niet voor stoom, terwijl batterijen helemaal geen stoom gebruiken.

Deze technologieën worden snel belangrijke bronnen van energie en opslag. Maar de stoom gaat niet weg. Als we thermische energiecentrales gebruiken, gebruiken we waarschijnlijk nog steeds stoom.

Waarom kunnen we warmte niet gewoon omzetten in elektriciteit?

Je vraagt ​​je misschien af ​​waarom we zoveel stappen nodig hebben. Waarom kunnen we warmte niet rechtstreeks omzetten in elektriciteit?

Het is mogelijk. Thermo-elektrische apparaten worden al gebruikt in satellieten en ruimtesondes.

Deze apparaten zijn gemaakt van speciale legeringen zoals lood-tellurium en zijn afhankelijk van een temperatuurverschil tussen warme en koude verbindingen tussen deze materialen. Hoe groter het temperatuurverschil, hoe groter de spanning die ze kunnen genereren.

De reden dat deze apparaten niet overal aanwezig zijn, is dat ze alleen gelijkstroom (DC) produceren bij lage spanningen en tussen de 16 en 22 procent efficiënt zijn in het omzetten van warmte in elektriciteit. Daarentegen zijn ultramoderne thermische energiecentrales tot 46 procent efficiënt.

Als we een samenleving willen runnen op deze warmte-omzettingsmotoren, hebben we grote series van deze apparaten nodig om voldoende gelijkstroom te produceren en vervolgens omvormers en transformatoren te gebruiken om deze om te zetten in de wisselstroom die we gewend zijn. Dus hoewel je stoom misschien vermijdt, moet je uiteindelijk nieuwe conversies toevoegen om de elektriciteit bruikbaar te maken.

Er zijn andere manieren om warmte om te zetten in elektriciteit. Vaste-oxidebrandstofcellen voor hoge temperaturen zijn in ontwikkeling al decenia. Deze worden heet – tussen de 500 en 1,000 graden Celsius – en kunnen waterstof of methanol verbranden (zonder een echte vlam) om gelijkstroomelektriciteit te produceren.

Deze brandstofcellen zijn tot 60 procent efficiënt en potentieel zelfs nog hoger. Hoewel veelbelovend, zijn deze brandstofcellen nog niet klaar voor prime time. Ze hebben dure katalysatoren en een korte levensduur vanwege de intense hitte. Maar vooruitgang wel gemaakt worden.

Totdat technologieën als deze volwassen worden, zitten we vast aan stoom als een manier om warmte in elektriciteit om te zetten. Dat is niet zo erg: stoom werkt.

Als je een stoomlocomotief voorbij ziet ratelen, denk je misschien dat het een vreemde technologie uit het verleden is. Maar onze beschaving is nog steeds erg afhankelijk van stoom. Als fusie kracht arriveert, zal stoom ook de toekomst van stroom voorzien. Het stoomtijdperk is nooit echt geëindigd.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanaf The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees de originele artikel.

Krediet van het beeld: Siemens Pressebild via Wikimedia Commons

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://singularityhub.com/2024/03/19/even-as-the-fusion-era-comes-into-view-were-still-in-the-steam-age/