Energiehuishouding is die beplanning en operasie van energie-ontwikkeling en energieverbruik eenhede asook energieverspreiding en -berging. Doelwitte is hulpbronbewaring, klimaatbeskerming en kostebesparings, terwyl die gebruikers permanent toegang het tot die energie wat hulle benodig.
Die energieprobleem van die wêreld het te make met alle aspekte van die mens se betrokkenheid by die produksie en verbruik van energie. Hier is twee pole ter sprake, naamlik die huidige en toekomstige vraag na energie en die huidige en toekomstige beskikbare bronne van energie. Ten einde die twee pole bymekaar te bring, speel die energie beleid van die owerheid 'n belangrike rol, en die beleid word bepaal deur faktore soos ekonomiese groei, bevolkingsaanwas, nywerheidsuitbreiding, politieke faktore en veral die wetenskaplike en tegnologiese moontlikhede en beperkings van energiebronne. Daar bestaan 'n duidelike verband tussen die per capita energieverbruik en die lewenstandaard van die verskillende volke van die wêreld, en dit is duidelik dat die beskikbaarheid van energie 'n voorvereis te is vir 'n hoër lewenstandaard.
Eeue lank was die belangrikste energiebron vir arbeid die spierkrag van mens en dier, terwyl die verbranding van hout warmte voorsien het. Sedert die Industriële Revolusie, en veral sedert die ontdekking van die stoomenjin, het masjiene spierkrag begin vervang en het steenkool die belangrikste energiebron geword. Met die koms van die binnebrandenjin gedurende die 20e eeu het aardolie die vernaamste energiebron geword en 'n situasie het ontwikkel waar die nywerhede, die ekonomie en die alledaagse leefwyse in die ontwikkelde lande heeltemal van ru-olie afhanklik geword het. Vanweë grootskaalse gebruik van die gerieflike energiebron is steenkool en ander energiebronne verwaarloos, totdat die sogenaamde oliekrisis van 1973 getoon het hoe totaal afhanklik die wêreld van die beskikbaarheid van olie geword het.
Sedertdien word daar ondersoek ingestel na die beskikbaarheid van fossielbrandstowwe asook gesoek na moontlike alternatiewe energiebronne. Daar is gevind dat indien die huidige ekonomiese groei van die wêreld sou voortduur, die beskikbare fossielbrandstowwe waarskynlik teen die jaar 2050 uitgeput sal wees. Indien die huidige beskawing wil oorleef, sal daar ernstig na alternatiewe energiebronne gesoek moet word, terwyl besparing van die fossielbrandstowwe toegepas moet word.
Wetenskaplik gesien, is daar slegs vier basiese bronne van energie op aarde: Energie opgesluit in chemiese bindings, energie opgesluit in kern bindings, energie opgesluit in die aarde self (in die vorm van geotermiese energie) en energie afkomstig van die son. Alle fossielbrandstowwe se energie is in die vorm van chemiese energie wat, deur fotosintese en miljoene jare se veroudering, van die son verkry is.
Een van die eerste vorms van energie wat die mens benut het, was in die vorm van vuur. Dit het gedien as bron van hitte en lig vir die mens, en is byvoorbeeld gebruik by die vervaardiging van bakstene, glas- en porseleinware en metaalvoorwerpe. Heron van Alexandrië het reeds in die eerste eeu na Christus die beginsels van 'n eenvoudige stoomenjin geformuleer, maar die gebruik van die spierkrag van diere en slawe om arbeid te verrig, was 'n gevestigde gebruik en niemand het in ander energiebronne belang gestel nie. Die stedelike kulture van die vroeë geskiedenis sou ook nie moontlik gewees het sonder die gebruik van groot getalle slawe nie.
Die gebruik van slawearbeid as bron van energie is in Europa tot in die Laat Middeleeue en is ook nog in Amerika en selfs Suid-Afrika toegepas. Die afskaffing van slawerny in 1863 in die VSA het direk aanleiding gegee tot die ontwikkeling van masjiene en die aanwending van ander energiebronne. Ook in Europa het die verdwyning van slawerny daartoe gelei dat die wetenskap en die tegnologie al hoe meer ingespan is vir die ontwikkeling van alternatiewe energiebronne. Sedert die 15e eeu is daar op groot skaal gebruik gemaak van wind- en watermeulens as energiebron. Windmeulens is in veral Nederland gebruik by die drooglegging van lande. Albei tipes meulens is ook in die landbou gebruik en veral koringmeulens is algemeen gebruik, ook in Suid-Afrika. Die tekstielnywerheid het tot aan die einde van die 18e eeu van meulens vir die aandrywing van masjinerie gebruik gemaak.
Die Industriële Revolusie was die regstreekse gevolg van die uitvinding van die stoomenjin, veral die enjin van James Watt in 1769. Hierdie deurbraak het groot veranderinge in die produksie van lewensmiddele veroorsaak en die lewenspatroon van die mens permanent gewysig. Die wysiging het soms aanleiding gegee tot groot ellende, veral waar 'n groot aantal mense onder haglike omstandighede en armoede in die nabyheid van fabrieke moes leef. Vanweë praktiese vervoerprobleme is die nywerhede gewoonlik ook naby die energiebron (die steenkoolmyne) opgerig, wat 'n verskuiwing en konsentrasie van mense teweeggebring het. Die toenemende gebruik van aardolie en aardgas het tot gevolg gehad dat die nywerhede meer verspreid geraak het omdat hierdie energiebronne makliker vervoerbaar was. Die beskikbaarheid van petrol en diesel het ook 'n revolusie in die samelewing veroorsaak deur die grootskaalse gebruik van die motor.
Die motor is seker die tegnologiese toestel wat die grootste omwenteling in die lewenswyse van die mens gehad het. Tans is die motorbedryf een van die grootste nywerhede ter wêreld. Nog 'n tegnologiese omwenteling is veroorsaak deur die omsetting van die primêre energiebronne, byvoorbeeld steenkool en ru-olie, in 'n sekondêre energiebron, naamlik elektrisiteit. Hierdie sekondêre energiebron is maklik vervoerbaar met transmissielyne en kan weer maklik in nuttige energievorms omgeskep word deur elektromotore, elektriese verhitters en elektriese ligbronne. Gedurende die afgelope paar dekades het elektrisiteit 'n al hoe belangriker rol begin speel in energievoorsiening. Hidroënergie kon nou ook beter benut word deur hidrokragsentrales by groot damme op te rig en die energie kon oor groot afstande vervoer word. Suid-Afrika ontvang byvoorbeeld ongeveer 1 000 MW elektrisiteit van Cahora Bassa-dam in Mosambiek. 'n Groot nadeel van die omskepping van fossielbrandstowwe in elektrisiteit is dat dit gepaard gaan met groot verliese, wat inherent is aan die omsettingsproses. In 'n tipiese steenkoolkragsentrale word slegs ongeveer 34 % van die energie van die steenkool omgeskep in elektrisiteit, terwyl 66% as warmte verlore gaan in die afkoelwater van die kragsentrale.
Sedert die vyftigerjare is kernenergie aangewend vir die ontwikkeling van elektrisiteit. Hier vervang uraan steenkool as energiebron vir die ontwikkeling van stoom om die turbines van generators aan te dryf. Daar is tans sowat 200 kernkragsentrales ter wêreld, maar daar is groot weerstand onder sekere groepe in die samelewing teen die uitbreiding van kernenergie vanweë die gevaar van moontlike radioaktiewe besoedeling. In die praktyk is egter bewys dat, indien dit korrek gehanteer word, kerntegnologie een van die veiligste tegnologieë ter wêreld is. Die menslike beskawing het reeds tot so 'n peil ontwikkel dat dit totaal afhanklik is van groot hoeveelhede energie. Daar word egter beset dat fossielbrandstofreserwes vroeg in die volgende eeu uitgeput sal wees en dat daar na alternatiewe energiebronne oorgeskakel sal moet word.
Die belangrikste energiebronne vir die aarde en sy bewoners is die son, die maan en die aarde se eie interne termiese energie. Die maan (en ook die son) veroorsaak gety-energie, wat tans slegs op klein skaal benut word. Geotermiese energie word energiehuishouding reeds lank op klein skaal benut en sal in die toekoms op baie groter skaal benut word. Die son sal egter altyd die belangrikste energiebron bly, direk deur verhitting of die ontwikkeling van elektrisiteit en indirek deur wind, golwe, hidroënergie en fotosintese.
Die grootste steenkoolreserwes kom voor in die VSA en die Sowjetunie. China, Australië en Suid-Afrika besit ook voldoende reserwes om selfvoorsienend te wees. In Europa is die meeste reserwes in Engeland, Duitsland, Pole en Tsjeggo-Slowakye. Die totale geskatte steenkoolreserwes van die wêreld is ongeveer 16 biljoen ton en Suid-Afrika se reserwes word geskat op 110 000 miljoen ton (volgens sekere bronne 'n konserwatiewe skatting). Die ontginning en vervoer van steenkool is baie moeiliker en duurder as die van ru-olie. Die ontginning gaan verder gepaard met groot besoedeling en in die geval van oopgroefmyne word groot versteurings in die natuur teweeggebring.
Steenkool kom ook voor in verskeie grade en in sekere mynmetodes word slegs 'n klein persentasie van die reserwes ontgin. Daar word tans probeer om beter ontginnings- en vervoermetodes te ontwikkel ten einde steenkool beter te benut. Aandag word ook gegee aan die besoedelingsprobleem wat gepaard gaan met die verbranding van steenkool. Suid-Afrika is besonder gelukkig om baie groot steenkoolreserwes te hê. Die nywerhede en elektrisiteitsontwikkeling is toegespits op steenkool as energiebron, en 75 % van Suid-Afrika se totale energieverbruik is afkomstig uit steenkool.
Die verspreiding van die aardoliereserwes is nie so wyd as die van steenkool nie. Die totale geskatte reserwes van die wêreld is ongeveer 550 biljoen vate. Hiervan kom 60% in die Midde-Ooste voor, 9% in die USSR, 8% in die VSA en 6% in Noord-Afrika. Die totale olieproduksie van die wêreld in 1974 was 20 biljoen vate en daar word verwag dat die wêreld se oliereserwes vroeg in die volgende eeu uitgeput sal wees. Die ontginning van olie is relatief eenvoudig, aangesien slegs 'n diep gat tot by die reservoir geboor moet word. Die vervoer geskied per pypleiding en reuse-olietenkskepe. Aangesien 60% van die oliereserwes in die Midde-Ooste voorkom, kan groot probleme in die wêreld onstaan indien die toevoer om politieke of ekonomiese redes afgesny word. S6 'n stap kan veral Wes-Europa en Japan ernstig tref, aangesien hul vir 90% van hul energiebehoeftes afhanklik is van ingevoerde ru-olie. Suid-Afrika is in die opsig relatief gelukkig, aangesien hy vir slegs ongeveer 23% van sy energiebehoeftes afhanklik is van ingevoerde ru-olie. Verder vervaardig Suid-Afrika ook petrol en diesel sinteties uit steenkool.
Die vernaamste aardgas reserwes kom voor in Wes-Siberië, die VSA, Kanada, Nederland, Iran, Bangladesj, Venezuela en Noord-Afrika. Die totale gasreserwes van die wêreld is ongeveer 500 biljoen kubieke meter. Aardgas word op groot skaal in Wes- en Oos-Europa gebruik vir verhitting en huishoudelike doeleindes. Veral Nederland het van die grootste gasvelde ter wêreld en aardgas is ook 'n belangrike energiebron in die VSA. Daar is aanduidings van moontlike gasvelde in die see naby Suid-Afrika se kus, maar ekonomies ontginbare hoeveelhede is nog nie gevind nie. Aardgas bestaan hoofsaaklik uit metaan en is in baie opsigte die ideale energiebron. Dit kan maklik met pype vervoer word en veroorsaak baie min besoedeling. 'n Ander gasenergiebron is nywerheidsgas afkomstig van steenkool of olieraffinaderye. Dit bevat benewens metaan ook propaan en butaan, en staan bekend as stadsgas omdat dit in stede aangewend word vir huishoudelike gebruik.
Hidroënergie kan direk gebruik word om elektrisiteit ontwikkel. Die voorraad is egter beperk omdat dit afhanklik is van die natuurlike vloei van water. Verder vereis dit groot kapitaalbesteding en dit word gewoonlik gekombineer met besproeiingskemas. In Europa word meestal slegs sowat 3 % van die totale energiebehoeftes uit hidroënergie verkry, maar in Switserland en Skandinawië is dit tot 25%. Al die beskikbare bronne in Europa is feitlik reeds benut, maar in ander lande is daar nog groot hoeveelhede onbenutte hidroënergie, veral in Afrika. In Suid-Afrika word hidroëlektrisiteit ontwikkel by die opgaardamme van die Oranjerivier en ook by die Drakensberg-pompopgaarskema. Verder ontvang Suid-Afrika ongeveer 1000 MW van die Cahora Bassa-dam in Mosambiek.
Hedendaagse kernreaktors gebruik uraan as brandstof en wel die isotoop U-235. Hierdie isotoop kom slegs in die verhouding van 0,7 % in natuurlike uraan voor en by die huidige ontwerp van kernreaktors is dit nodig om die uraan te verryk tot 'n persentasie van ongeveer 3% U-235 alvorens dit geskik is vir gebruik in drukwaterreaktors. Hierdie verrykingsproses is tegnies baie moeilik en verbruik ook baie energie, en slegs 'n paar hoogs ontwikkelde lande, onder andere ook Suid-Afrika, is in staat om uraan te verryk. 'n Kernreaktor se energie-omsetting is verder laer as die van steenkoolkragsentrales en baie hitte gaan verlore. Die wêreld se uraanreserwes kom hoofsaaklik voor in die VSA, Kanada, Australië, die Sowjetunie en Suid-Afrika.
Europa het bykans geen uraanreserwes nie. Die wêreld se kernenergieprogram is dus afhanklik van die lewering van uraan deurbogenoemde lande. Boonop beskik slegs 'n paar lande oor die noodsaaklike verykingsfasiliteite. Die Westerse wêreld word feitlik uitsluitlik deur die VSA van verrykte uraan voorsien. Die uraanreserwes van die wêreld is egter beperk en daar word geskat dat dit vanweë die gebruik van U-235 reeds teen die einde van die eeu uitgeput sal wees.
'n Nuwe konsep in kernreaktors is die sogenaamde snelkweekreaktors. In hierdie reaktors word die nie-kloofbare isotoop U-238 in natuurlike uraan omgesit in plutonium. Plutonium is net soos U-235 kloofbaar en kan as brandstof in 'n kernreaktor gebruik word. Die snelkweekreaktor kweek dus sy eie brandstof. Verskeie eksperimentele snelkweekreaktors word tans in die VSA, Engeland, Frankryk, Duitsland en die Sowjetunie getoets. Indien snelkweekreaktors 'n werklikheid word, kan dit 'n wesenlike bydrae lewer tot die langtermynoplossing van die wêreld se energiebehoeftes. Daar is egter groot weerstand onder die bevolkings van die wêreld teen die produksie van plutonium omdat dit kan lei tot die verdere uitbreiding van kernwapens.
Daar is 'n direkte verband tussen die lewenstandaard of welvaart van mense en hul energieverbruik. In die ryk welvarende lande van Wes-Europa en die VSA is die per capita energieverbruik baie hoër as in die armer lande van die wêreld. In 1970 was slegs sowat 16% van die wêreld se bevolking in Wes-Europa en die VSA woonagtig, maar hulle was verantwoordelik vir 58 % van die wêreld se energieverbruik. Die armer lande het sowat 52% van die wêreldbevolking verteenwoordig en slegs sowat 16% van die totale wêreld-energieverbruik.
Die verskil in energieverbruik van volke kan duideliker gesien word as hulle energieverbruik uitgedruk word in terme van die ekwivalente massa steenkool wat een persoon per jaar sou verbruik. In 'n opname 'n paar jaar gelede was die gemiddelde syfer vir die totale wêreldbevolking 1 889 kg per persoon. Die gemiddelde vir Afrika was 312 kg en in Nigerië was dit 45 kg en in Tsjad slegs 23 kg. In Indië was die syfer 190 kg en in Indonesië 111 kg. In die sosialistiese lande was die energieverbruik baie hoër, naamlik 526 kg vir China en 4 445 kg in die Sowjetunie. In Wes-Europa was die verbruik nog hoër, byvoorbeeld 5 073 kg vir Nederland en 5 929 kg vir België. In die VSA was die energieverbruik die hoogste, naamlik 11 144kg.
Die toename in energieverbruik kan vergelyk word deur te kyk na die totale ekwivalente steenkoolverbruik van byvoorbeeld 1960 en 1970. In die VSA het die verbruik met 1000 miljoen ton gestyg tot 'n waarde van 2 477 miljoen ton. In Wes-Europa was die styging van 515 miljoen ton tot 1 348 miljoen ton; in die sosialistiese lande 600 miljoen ton tot 1 961 ton; in Latyns-Amerika energiehuishouding 100 miljoen ton tot 249 miljoen ton; in Asië (China en Japan uitgesluit) 100 miljoen ton tot 208 miljoen ton en in Afrika slegs 20 miljoen ton tot 46 miljoen ton. In die Westerse lande styg die energieverbruik vinniger as die bruto nasionale produksie (BNP). Dit is omdat hulle nywerhede kapitaalintensief is en masjiene gebruik met 'n hoë energieverbruik. Hierdie lande produseer ook meer duursame artikels, soos elektriese apparaat, yskaste, wasmasjiene, ensovoorts. Verder word elektrisiteit op groot skaal in nywerhede gebruik wat vanweë die omsettingsverliese by kragsentrales die totale energieverbruik verder verhoog. In Latyns-Amerika styg die BNP vinniger as die totale energieverbruik. Dit is omdat hulle nywerhede minder kapitaalintensief is en daar baie van handearbeid gebruik gemaak word.
Verder produseer hierdie lande meestal minder duursame verbruiksartikels. Die nywerhede in Asië volg dieselfde patroon as die in Latyns-Amerika, maar hulle toon 'n groter styging in energieverbruik omdat hulle 'n groter agterstand in lewenstandaard moet inhaal. Daar kan aanvaar word dat die energieverbruik van die onderontwikkelde lande in die toekoms dieselfde patroon sal volg as die in Europa en die VSA. Namate die lewenstandaard styg, styg die energieverbruik totdat dit later die BNP verbysteek.
Tot in 1970 het die wêreld feitlik sorgeloos energie vermors en al hoe meer afhanklik geword van ingevoerde ru-olie as vernaamste energiebron. Die ontginning van aardolie en verspreiding daarvan in die vorm van ru-olie was toe heeltemal in die hande van die groot internasionale oliemaatskappye, maar in 1960 is die Organisasie van petroleum- uitvoerlande (OPUL) gestig, waardeur die lande probeer het om meer beheer oor hulle oliereserwes te verkry.
Prysstygings en prysmanipulasie het gevolg, maar ru-olie was nogtans 'n baie goedkoper energiebron as steenkool. Verskeie instansies het egter besorg begin raak oor die afhanklikheid van die wêreld van ru-olie, onder andere na 'n verslag in 1972 deur die sogenaamde Klub van Rome wat die uitputting van energievoorrade weer onder die aandag gebring het. Gedurende die winter van 1972 was daar ook in die VSA 'n energietekort en in 1974 is die Energy Research and Development Administration (Erda) in die lewe geroep om energiesake te hanteer.
Erda het later die departement van energie geword. Energie het meteens 'n belangrike politieke faktor geword en in 1977 het die voormalige president van die VSA, mnr. Jimmy Carter, sy ongewilde energiebeleid aangekondig. In hierdie plan moes die energiegroeikoers verlaag word tot 2% per jaar; petrolverbruik moes met 10% verminder, die invoer van ru-olie moes verminder word tot die helfte van die waarde in 1977 en die produksie van steenkool moes opgeskuif word tot een biljoen ton. Hierdie doelstellings moes teen 1985 bereik word en het onvermydelik persoonlike opofferinge geverg en was uiters ongewild. In Europa is die eerste uitwerking van 'n tekort aan ru-olie in 1956 gevoel met die sluiting van die Suezkanaal.
Hierdie probleem is opgelos met die invoer van die reuse-olietenks wat om die Kaap moes vaar, maar tekorte het in 1973 sommige Europese lande genoodsaak om sogenaamde motorlose Sondae in te stel. Die EEG-lande het in 1973 besluit op 'n program van energiebesparing en meer aandag sou gegee word aan bronne soos aardgas, steenkool en kernenergie. Daar is ook intensief na olie gesoek in die Noordsee. Die doelstelling was om teen 1985 sowat 65% van Europa se olie uit die Noordsee te haal. In Suid-Afrika is aandag gegee aan die daarstelling van 'n nasionale energiebeleid en in 1979 is die Departement van Mineraal- en Energiesake gestig.
'n Belangrike faktor by enige energiebeleid is die berging van energie. In tye waar daar 'n oorskot van ru-olie op die wêreldmarkte is, kan dit teen billike pryse aangekoop word en opgepot word vir latere gebruik. So 'n voorraad opgepotte ru-olie kan dien as buffer teen tekorte op die kort termyn, en kan ook help om pryse te stabiliseer.
Die oppotting kan gedoen word in tenks of selfs in digte soutmyne (veral in Europa). Steenkool kan makliker as olie in groot hoeveelhede by hawens of kragsentrales geberg word. Aardgas kan in drukhouers geberg word of selfs onder druk in digte myne gepomp word. 'n Beter manier om aardgas te berg, is deur dit te verkoel tot -160 °C, waarby dit vervloei en 'n volumevermindering van 1/600 ondergaan. Aardgas kan in vloeibare vorm vervoer word, maar daar is groot koste verbonde aan houers wat termies geïsoleer moet wees.
Energie moet van die bron na die verbruikervervoer word en hierdie proses moet teen die laagste koste en minimum energieverbruik gedoen word. Die koste word bereken in terme van die ekwivalente hoeveelheid warmte wat vervoer word, en dit blyk dat die vervoer van ru-olie met reuse-tenks die goedkoopste is.
Die vervoer van vloeibare aardgas (LNG) is ook redelik goedkoop en die VSA voer LNG in uit Algerië, Japan uit Brunei en Spanje uit Libië. Op land is die vervoer van olie met 'n pypleiding die goedkoopste, terwyl die vervoer van elektriese energie die duurste is. Die vervoer van olie met reuse tenkskepe hou egter 'n groot besoedelingsgevaar in en verskeie ekologiese rampe het reeds voorgekom as gevolg van oliestorting in die see.
Onder die term energiekrisis word die komplekse probleem van die stygende vraag na energie, dalende reserwes, stygende koste en besoedeling saamgevat. Die uitputting van die wêreld se reserwes van fossielbrandstowwe is tans die grootste probleem en die volgende vier maatreëls kan getref word om die probleem die hoof te bied:
- die vermindering en stabilisering van die gebruik van fossielbrandstowwe;
- die uitskakeling van vermorsing en besoedeling;
- meer doelmatige aanwending van ander bestaande energiebronne;
- die ontwikkeling van nuwe alternatiewe energiebronne.
Die maatreëls sal slegs doeltreffend toegepas word met 'n sterk energiebeleid. Hierdie beleid moet korttermyn-, mediumtermyn- en langtermynoplossings bied. Ten einde so 'n beleid uit te werk, moet tegnologiese, sosiologiese en ekonomiese faktore in ag geneem word.
Die tegnologie sal dui op die praktiese moontlikhede en beperkings van bestaande en nuwe energiebronne. Baie mense is in diens van die huidige energie-opset en 'n verandering van energiebronne sal werkloosheid of werkveranderings meebring. Daarom sal die sosiologiese aspekte deeglik in ag geneem moet word. Enige drastiese verandering in die energiesituasie sal evolusionêr oor 'n lang tydperk moet plaasvind. Ekonomiese faktore moet in ag geneem word aangesien feitlik elke faset van die ekonomie afhanklik is van die beskikbaarheid van energie.
Die huidige wêreldbeskawing het daarin geslaag om oor 'n tydperk van ongeveer 300 jaar die wêreld se fossielbrandstowwe, wat oor 'n tydperk van 1 500 miljoen jaar gevorm is, uit te put. Daar sal dus deur toekomstige beskawings na hierdie beskawing verwys kan word as die groot energievermorsers. In die laaste kwart van hierdie eeu het die mens egter eensklaps bewus geword van die vermorsing en groot pogings word tans aangewend om energie te bespaar.
Baie vermorsings is te wyte aan gerief en nie weens die behoefte daaraan nie, soos duidelik blyk uit die verband tussen die lewenstandaard en energieverbruik van die mens. 'n Belangrike aspek by besparing is die energiedoeltreffendheid waarmee energie verbruik word. Dit word uitgedruk as die persentasie nuttige energie wat verkry word relatief tot die primêre energie-inset. Die volgende voorbeelde gee 'n aanduiding van die energiedoeltreffendheid van verskeie sisteme:
- die menslike liggaam: 25%;
- omsetting van warmte in stoom: 90%;
- omsetting van stoom in meganiese energie in 'n stoomturbine: 40 tot 48%;
- omsetting van meganiese energie in elektriese energie in 'n generator: 97%;
- omsetting van warmte in meganiese energie in 'n motor: 30%;
- omsetting van elektriese in meganiese energie in 'n elektromotor: 90%.
Benewens omsettingsverliese is daar ook transmissieverliese en in die geval van elektrisiteit word slegs 90% tot 94% van die energie by die eindpunt verkry. Die netto doeltreffendheid waarmee elektriese energie aan byvoorbeeld 'n woonhuis gelewer word, is die produk van die doeltreffendhede van al die prosesse, naamlik:
90 % X 48% X 97 % X 94% = 39%.
Indien die primêre energiebron, byvoorbeeld steenkool, direk gebruik sou word, sou 'n energiebesparing van 61 % teweeggebring kon word. In die nywerheid kan energie bespaar word deur van die regte vorm van energie gebruik te maak, deur byvoorbeeld nie elektrisiteit vir verhitting te gebruik nie. Groot hoeveelhede proseswarmte wat afgegee word, kan gebruik word vir verhitting en die warmte van die afkoelwater van kragsentrales kan ook vir verhitting aangewend word.
Daar moet meer aandag gegee word aan totale energiesisteme waar elke vorm van afvalenergie benut word. In die vervoerwese kan energie bespaar word deur die voordeligste energiebron te kies. Motors kan ontwerp word om die windweerstand te verminder, en veral die enjin moet ontwerp word met die oog op besparing en nie slegs op werkverrigting nie. In gewone huishoudings kan energie bespaar word deur huise so te bou en te isoleer dat verhitting of verkoeling tot 'n minimum beperk word. Gewone wolframgloeilampe het 'n lae doeltreffendheid (9 tot 20 lumen (lm)/ W), terwyl buisligte 'n hoër doeltreffendheid het (60 lm/W). Daar kan dus meer van buisligte gebruik gemaak word. Die belangrikste aspek by besparing is egter om 'n mens se gesonde verstand te gebruik en slegs energie te verbruik wanneer dit werklik noodsaaklik is.
Alternatiewe energiebronne is bronne wat nie van fossielbrand stowwe, naamlik steenkool, ru-olie of aardgas, afhanklik is nie en dus 'n oplossing sal bied wanneer fossielbrandstowwe uitgeput sou raak. 'n Vorm hiervan is die sogenaamde hernieubare energiebronne, soos byvoorbeeld houtplantasies.
Die aarde se temperatuur styg met diepte en die kern van die aarde bestaan uit gesmelte metale by hoë temperature. Die hitte van die aarde kan benut word vir die verhitting of die opwekking van stoom om turbines van kragsentrales aan te dryf. In Ysland word Reykjavik verhit met behulp van warmwaterbronne en in Italië, Kalifornië en Nieu-Seeland word geotermiese energie reeds op klein skaal benut. By Larderello in Italië is 'n groot elektriese kragsentrale wat energiehuishouding al vir dekades met geotermiese energie werk.
Daar word bereken dat indien die geotermiese energie van die aarde by 'n diepte van 7,5 km benut sou kon word, dit ekwivalent is aan 3 X 1015 ton olie of 400 maal die totale reserwes van fossielbrandstowwe. Die gemiddelde styging van temperatuur met diepte of temperatuurgradiënt van die wêreld is ongeveer 3 °C per kilometer en daar sal dus baie diep gate geboor moet word om hoe temperature te bereik. Daar sal gesoek moet word na gunstige geologiese formasies waar die temperatuurgradiënt baie hoër is alvorens geotermiese energie prakties benut kan word.
In Suid-Afrika is die temperatuurgradiënt baie klein en hoewel dit gunstig is vir diep mynbou, is toestande baie ongunstig om geotermiese energie te benut. Daar is egter nuwe tegnologieë aan die ontwikkel om dieper gate te boor en rotse te kraak (moontlik met kernontploffings) om 'n meer doeltreffende hitte-uitruiling te bewerkstellig. Die groot voordeel van geotermiese energie is dat dit prakties gesproke 'n onuitputbare energiebron is. Indien dit moontlik sou wees om gate van 25 km diep te boor, kan geotermiese energie 'n groot bydrae lewer tot die wêreld se energiebehoeftes.
In die oseane is die temperatuurgradiënt in die water omgekeerd. Op 'n diepte van 600 m is die temperatuur 10°C laer as aan die oppervlak. Hierdie temperatuurgradiënt ontstaan as gevolg van absorpsie van die son se energie deur die boonste lae. Hitte-enjins met freon as aandrywingsmedium kan deur hierdie temperatuurgradiënt aangedryf word, maar vanweë die klein temperatuurverskille sal die doeltreffendheid bale laag wees (ongeveer 8%) en verder sal so 'n projek 'n hoë kapitale koste vereis. Daar is bereken dat die energie beskikbaar in die Golfstroom in die Straat van Florida genoeg energie bevat om die hele VSA van energie te voorsien.
Hier word indirek van die son se energie gebruik gemaak via die reënvalsiklus. Hierdie vorm van energie word reeds goed benut en alhoewel verdere uitbreiding nog moontlik is in veral die onderontwikkelde lande, is die reserwes redelik beperk vanweë die natuurlike reënval. Hidrokragsentrales is ook baie duur om op te rig. Daar is 'n groot hoeveelheid energie opgesluit in die getye en getystrome van die oseane. Indien al hierdie energie volledig benut sou kon word, sou dit volkome in die huidige energiebehoeftes van die wêreld kon voorsien.
Die energie is egter oor groot oppervlaktes versprei en kan slegs prakties benut word waar die topografie van die land dit toelaat. Gety-energie is al sedert die 11e eeu benut in Frankryk, Engeland en Spanje en in die 16e eeu is water in Londen met behulp van waterwiele wat met die gety-energie van die Teems gewerk het, gepomp. Verskeie getykragsentrales bestaan vandag in die VSA, Frankryk en Engeland. Die oprigting van hierdie kragsentrales is baie duur en dit is te betwyfel of gety-energie ooit 'n groot bydrae tot die wêreld se energiebehoeftes sal lewer.
ʼn Ander vorm van hidroënergie is die energie van golwe wat deur die wind op oseane geskep word. Die ontginning hiervan is tans nog baie duur maar intensiewe navorsing word wel gedoen.
Die energie opgesluit in wind is indirek van die son afkomstig en word al vir duisende jare gebruik om skepe aan te dryf. In Persië is windmeulens reeds ongeveer 250 v.C. gebrou en dit is sedert die 11e eeu vryelik in Europa gebruik. Gedurende die 17e eeu het Nederland die mees geïndustrialiseerde land in Europa geword vanweë die gebruik van windenergie. In 1750 was daar reeds 8 000 windmeulens in Nederland en teen die middel van die 19e eeu 10 000 in Duitsland. In die VSA was windpompe 'n algemene verskynsel. Daar word geskat dat daar teen die middel van die 20e eeu sowat 4 miljoen windpompe in die VSA was.
Ook in Suid-Afrika word windpompe vandag nag intensief op afgeleë plekke gebruik om water te pomp. Met die koms van dieselenjins en elektrisiteit is daar egter al hoe meer oorgeskakel van windenergie na fossielbrandstowwe. Windenergie is ook gebruik om elektrisiteit te ontwikkel, veral met windlaaiers vir die laai van batterye. In 1950 was daar sowat 50 000 klein windlaaiers in die VSA, In 1890 is 'n groot windgenerator met 'n vermoë van 9 kilowatt in Denemarke, en in 1930 'n windgenerator met 'n blad van 30 m en 'n vermoë van 100 kW in Rusland opgerig.
In 1941 is 'n massiewe windgenerator in Vermont in die VSA gebou. Die lengte van die blad was ongeveer 60 m. Sedert 1970 het hernieude belangstelling in windenergie ontwikkel en verskeie groot prototipes is onder konstruksie. Die drywing van 'n windgenerator is eweredig aan die kwadraat van die straal van die blad en eweredig aan die derdemag van die windsnelheid. Dit volg dus dat windgenerators baie groot moet wees om 'n bruikbare hoeveelheid energie te lewer (bladlengtes van 60 m of meer).
Dit verg geweldige torings. Windenergie kan net prakties benut word in gebiede waar wind teen hoë snelhede waai. Dit maak dit dus nodig om die ontwikkelde elektriese energie oor groot afstande te vervoer. Windgenerators veroorsaak weinig ekologiese versteurings, maar daar kan besware wees teen die oprigting van duisende groot windgenerators wat die omgewing kan ontsier. Windenergie hou beslis 'n groot potensiaal in as toekomstige energiebron. Elektrisiteitsopwekking deur windkrag het (oor) die afgelope paar jaar aansienlik goedkoper geword en kan nou selfs met steenkool- en gasaanlegte meeding. [1]
Die energie wat die mens vandag uit fossielbrandstowwe haal, was oorspronklik afkomstig van die sonenergie wat miljoene jare gelede deur fotosintese in plante vasgelê is. Sonenergie kan ook in ander vorme ingespan word deur byvoorbeeld op groot skaal woude aan te plant en die hout as brandstof te gebruik. Sekere landbougewasse soos suikerriet, kassawe en mielies kan gebruik word om deur gisting alkohol te produseer, wat petrol en diesel kan vervang. Sekere plantolies soos sonneblomolie kan direk in enjins gebruik word in plaas van diesel.
Afval van bome en landbougewasse kan deur gisting omgeskep word in metaan en kan as energiebron dien. Die warmte wat in die gistingproses afgegee word, kan ook benut word. Sekere soorte alge groei baie vinnig en groot slikdamme waarin die alge gekweek word, kan opgerig word. Die gedroogde alge kan later in brandstof verwerk word. Die groot voordeel van biomassa is dat dit nie die ekologie versteur nie. Trouens, dit sal help om die ekologiese balans te bewaar. Dit kan ook ingeskakel word as onderdeel van voedselproduksie in die landbou.
Kernsmelting berus op die beginsel dat waterstofatome saamsmelt om heliumatome te vorm. In die proses word groot hoeveelhede energie vrygestel. Dit is ook die proses waarmee energie in die sterre en die son ontwikkel word. Die mens kon die reaksie in die vorm van waterstofbom namaak, maar hoewel daar sedertdien intensief navorsing gedoen word, kon hy tot in die vroeë tagtigerjare geen sukses daarmee behaal om kernreaktor te laat plaasvind nie.
Die vereiste waaraan voldoen moet word, is om 'n groot aantal atome vir 'n redelike lang tyd by 'n baie hoë temperatuur bymekaar te hou, sodat die smeltingsreaksie kan plaasvind. Vanweë die hoë temperatuur moet die atome met magneetvelde in 'n ruimte gehou word en een van die tipes reaktors wat getoets word, staan bekend as 'n Tokamak. Kernsmelting kan die wêreld se energieprobleme oplos aangesien die brandstof (waterstof) vryelik beskikbaar is. Dit lewer ook minder radioaktiewe afvalstowwe as gewone kernreaktors.
Waterstof kan as brandstof gebruik word in plaas van aardgas. en kan selfs petrol en diesel vervang as brandstof in motors. Waterstof kom nie vry op die aarde voor nie, maar wei in ontsaglike hoeveelhede in water. Water kan opgebreek word in waterstof en suurstof deur elektrolise, chemiese reaksie met behulp van sonlig of deur hoë temperature verkry in kernreaktors of diep onder die aarde. Die omsettingsdoeltreffendheid van ander energievorme na waterstof is tussen 35% en 50% en is dus heelwat hoër as in die geval van elektrisiteit.
Die vervoer deur pypleidings is baie goedkoper as elektrisiteit en dit kan ook goedkoop op groot skaal geberg word. 'n Nadeel van waterstof is dat dit hoogs ontplofbaar is. Die berging kan egter maklik geskied in die vorm van vloeibare waterstof by-253 °C of in verbindings van metaalhidrides.
Die energie afkomstig van die son bedra 1,35 kW/m2 buite die atmosfeer en ongeveer 1 kW/m2 op die oppervlak van die aarde vir loodregte sonstand. Die aarde ontvang dus ongeveer 20 000 keer die huidige totale energiebehoeftes van die wêreld per dag en kan dus as alternatiewe energiebron vir die wêreld dien. Sonenergie kan gebruik word vir die verhitting van water vir huishoudelike gebruik, die verhitting van geboue en die droog van landbougewasse.
Ongeveer 40 % van 'n normale huishouding in Suid-Afrika se energieverbruik word bestee aan die verhitting van water en son-waterverwarmers word al hoe meer gebruik vir waterverhitting. In Israel is son-waterverwarmers reeds algemeen in gebruik. Sonstrale kan ook met reflektors op 'n punt gekonsentreer word en voedsel kan met behulp van sonenergie gaargemaak word. Die belangrikste moontlikheid van sonenergie is vir die ontwikkeling van elektrisiteit. Sonstrale kan met spieëls of lense gekonsentreer word op pype met water of 'n sekondêre verhittingsvloeistof en stoom kan opgewek word om turbines aan te dryf om elektrisiteit te ontwikkel. Verskeie sulke eksperiment- sonkragsentrales is reeds in die wêreld in bedryf. 'n Ander moontlikheid is om sonlig met behulp van sonselle direk in elektrisiteit om te skakel. Hierdie sonselle word reeds in die ruimteprogramme gebruik om elektriese energie aan satelliete te voorsien en intensiewe navorsing is tans aan die gang om dit ook op die aarde te gebruik vir grootskaalse elektrisiteitsontwikkeling. Die doeltreffendheid van sonselle, gemaak uit silikon, is 15 % en 'n groot voordeel van sonselle is dat dit geen bewegende onderdele het nie.
Dit lewer elektrisiteit teen 'n lae gelykspanning en elektroniese omsetters word gebruik om die gelykspanning na 'n wissel spanning om te skakel, sodat dit by die bestaande eiektrisiteitsnetwerk kan aanpas. Tans word twee soorte stelsels oorweeg: Die sogenaamde platplaatselle, waar groot oppervlaktes met sonselle bedek word, en konsentreerderstelsels, waar groot oppervlaktes met lense of spieëls bedek word" wat die sonlig konsentreer op 'n klein oppervlakte wat met son selle bedek is.
Laasgenoemde stelsel is ingewikkelder omdat dit nodig sal wees dat die konsentreerders die beweging van die son sal moet volg, maar die hoë temperature wat hier verkry word, maak dit moontlik om benewens elektrisiteit ook hitte-energie te verkry. Groot panele met sonselle kan in die ruimte geplaas word om voortdurend energie in die vorm van mikrogolwe terug te straal na 'n ontvangstasie op die aarde. Sonenergie is veral geskik as energiebron op afgeleë plekke en elke klein gemeenskap kan sy eie sonkragsentrale oprig. Sonenergie is egte nie altyd beskikbaar nie en dit sal saam met een of ander beresisteem gebruik moet word om energie te voorsien as die son nie skyn nie.
Die koste verbonde aan sonenergie was baie hoog, maar met die voortdurende styging in pryse van fossielbrandstowwe kan sonenergie reeds in 1985 ekonomies wees en die wêreld kan dan in 'n toenemende mate daarna oorskakel. Hierdie energiebron is skoon, gratis, veroorsaak geen besoedeling nie en is onuitputlik. Die huidige menslike beskawing kan dan net soos die oermens volkome afhankIik word van die son as energiebron.