Bodem en lucht.
Bodem en lucht zijn thermische bronnen van energie. Er ligt 'warmte' in opgeslagen. Misschien niet helemaal de 'warmte' waar wij in geïnteresseerd zijn maar daar kan nog aan gesleuteld worden. Om thermische energie te winnen maken we gebruik van de bekendste eigenschap van energie. Energie 'stroomt' ALTIJD van een hoog niveau naar een lager niveau. Bij thermische energie 'stroomt' warmte ALTIJD van een hoge temperatuur naar een lagere temperatuur. Met die eigenschap gaan we proefje doen.

Transport van warmte.
We plaatsen een koud stuk ijzer in warmere lucht. Er zal dan energie getransporteerd worden uit de lucht naar het ijzer. Het ijzer wordt daardoor warmer. Nu verplaatsen we het ijzer naar een koudere ruimte. Er zal dan energie gaan stromen uit het warmere ijzer naar de koudere lucht van deze ruimte. Dus door het ijzer op te warmen, te verplaatsen en te laten afkoelen hebben we energie verplaatst.

Energiewinning in de praktijk.
Energie winnen uit de bodem of de lucht is dus niets anders dan het gecontroleerd verplaatsen van energie uit de lucht of bodem met behulp van een medium (ijzer in het voorbeeld). In de praktijk doen we dat natuurlijk niet met een stuk ijzer maar met een speciaal voor dit doel ontwikkeld koelmiddel. We zorgen eerst dat het koelmiddel kouder is dan de lucht of de bodem en we laten het vervolgens opwarmen door de bron (bodem, water, lucht). Zodra het koelmiddel voldoende is opgewarmt pompen we het naar een andere plek om het te laten afkoelen. Daarna pompen we het weer terug naar de bron, enz, enz. Het circulerende koelmiddel verplaatst dus continu energie uit de bron naar een andere plek. De bron levert ons nu energie.

Temperatuurconversie.
We zijn dus in staat om energie uit een thermische bron te verplaatsen gebruikmakend van een koelmiddel voor het transport. Het koelmiddel zal worden opgewarmd tot een temperatuur die maximaal gelijk is aan de temperatuur van de bron. Bij een bodembron is dat +5C a +10C. Bij een luchtbron in Nederland kan dat variëren van -10C tot +30C. Deze (bron)temperaturen zijn helaas bij lange na niet voldoende om warm of heet water te maken (tapwater en CV) van +50C. Om dat mogelijk te maken is er een temperatuurconversie nodig. Dat doen we door het koelmiddel warmer te maken. En daar is extra energie voor nodig. Ditmaal geen thermische energie maar mechanische energie. Als het koelmiddel namelijk terug komt uit de bron is het gasvorming. Dit gas wordt door een (elektrische)compressor samengedrukt waardoor zowel de druk als de temperatuur van het koelmiddel stijgt (algemene gaswet). De temperatuur van het gasvormige koelmiddel kan daarbij oplopen tot wel +60C. Voldoende hoog dus om energie af te staan aan het koudere CV- of tapwater. Tijdens deze energieoverdracht wordt het koelmiddel minder warm en ook weer vloeibaar. Daarna wordt de druk verlaagd waardoor ook de temperatuur zal dalen. Het koelmiddel wordt zelfs nog veel kouder dan de brontemperatuur. De cyclus begint weer van voorafaan. Zie onderstaande afbeelding (blauw energieopname, compressie, rood energieafgifte, expansie).

Passieve zonne-energie.
Zonne-energie gebruiken we vaak onbewust om er onze huizen mee te verwarmen. Dat heet passieve zonne-energie. Zonnestraling komt ons huis binnen via transparante delen (glas, openingen) en verwarmt alles wat het op z'n weg tegenkomt. In de zomer kan dat zelfs problemen opleveren . Door een overdaad aan zonne-energie kan een huis oververhit raken en moeten we gaan koelen (hoger energieverbruik) om het behaaglijk te hebben. Zonwering is daarom een betere methode om oververhitting te voorkomen.

De zonnecollector.
Een 'actieve' vorm van zonne-energie is natuurlijk de zonnecollector. De zonnecollector is een goed geïsoleerde platte 'doos' die is afgedekt met een transparante glasplaat. De stralingsenergie gaat door de glasplaat en verwarmt de binnenkant van de doos. De isolatie zorgt dat de warmte niet uit de doos kan ontsnappen. In de doos loopt een stelsel van buisjes waar water door stroomt (warmtewisselaar). Dat water wordt in de doos opgewarmd en daarna afgevoerd naar een geïsoleerd opslagvat (boiler). In de zomer werkt een zonnecollector erg goed maar in de winter doet het zo goed als niets. Het rendement ligt zo rond de 50%. Dat wil zeggen dat 50% van de opvallende stralingsenergie in het circulerende water terecht komt.

Zonnepanelen.
De meest spectaculaire benutting van stralingsenergie is wel de conversie in elektrische energie door foto-voltaïsche cellen ofwel zonnepanelen. Het bijzondere daarbij is dat zowel stralings- als elektrische-energie energetisch van zeer hoge kwaliteit zijn. Het zal u dan ook niet verbazen dat deze energieconversie onder uiterst complexe omstandigheden tot stand komt. Het rendement is misschien niet erg hoog maar de energiekwaliteit maakt weer veel goed.

Wind.
Windenergie is een vorm van mechanische energie. De stromende lucht kan langs een aërodynamische vorm geleid worden waardoor er energie wordt overgedragen aan het vlak. Het vlak is vrij opgehangen waardoor het gaat bewegen. Een elektrogenerator kan deze beweging weer omzetten in elektrische energie. De bekendste toepassing is de windturbine. Het rendement is beperkt tot maximaal 59% (wet van Betz). Alleen zeer grote windturbines halen een hoog rendement. Kleine windmolens hebben sneller last van wervelingen in de stromende lucht (turbulentie) waardoor het rendement een factor 2 tot 3 lager ligt. Voor huishoudens zijn windmolens minder geschikt. Ze zijn te klein, er kan sprake zijn van geluidoverlast en op 5 a 10 meter hoogte waait het nou eenmaal minder dan op 80 meter hoogte.

Duurzame energiebronnen.

Warmtepomp.
Het apparaat dat hier de temperatuurconversie voor zijn rekening neemt heet een warmtepomp. Bij een bodembron kan het koudemiddel energie opnemen tot een temperatuur van -10C. Lucht kan nog veel kouder worden dus voor een luchtbron wordt een koudemiddel gebruikt dat energie kan opnemen tot brontemperaturen van -20C.

Energietransport bij thermische bronnen.
Het principe bij thermische bronnen zoals lucht, bodem en water is om energie bij een lage temperatuur op te nemen, te transporteren, en het na een temperatuurconversie weer af te staan. Een warmtepomp zorgt zowel voor het transport van het medium (koelmiddel) als voor de temperatuurconversie (compressor).

Rendement.
Het rendement van dit proces is gelijk aan het quotiënt van de aan het CV- of tapwater afgestane nuttige energie en de benodigde (elektrische) energie voor de compressor. De afgestane energie is weer gelijk aan de getransporteerde energie (uit de bron) PLUS de energie uit de compressor (wordt volledig opgenomen door het koelmiddel). Het rendement bedraagt in de praktijk voor bodem- en grondwaterbronnen 3 tot 6 en voor luchtbronnen 2 tot 4. We noemen dit de Coefficient of Performance (COP). ELKE kWh elektrische energie levert zo 2 tot 6 kWh thermische energie op.

De Zon.
De zon levert stralingsenergie en dat is energie van een heel hoge kwaliteit. Hoge kwaliteit wil zeggen dat zonnestraling vrij makkelijk is om te zetten in andere vormen van energie. Warmte (thermische energie) is natuurlijk de bekendste. Maar wat dacht u van de omzetting in chemische energie (foto-synthese) bij bijvoorbeeld planten en bomen. En zelfs elektrische energie met behulp van foto-voltaïsche cellen.
De hoeveelheden stralingsenergie die de Aarde ontvangst zijn enorm. Op een zonnige dag in Nederland kan het oplopen tot wel 1000W per m2. Op jaarbasis ontvangt Nederland tussen de 800 en 1100 kWh per m2 aan zonne-energie.