Over zon-tot-wiel verbruik, en appels en peren.

Wanneer het over energiegebruik gaat, wordt er fluks gegoocheld met termen en eenheden in functie van het te maken punt. Deze must-read referentie geeft een helder inzicht in de mechanismen en grootheden van het globale energiehuishouden. In dit boek wordt de energieconsumptie uitgedrukt in kWh/dag. Dit is de eenheid die op de elektriciteitsfactuur gebruikt wordt, is dus bij een groot publiek bekend en heeft een rechtstreekse connectie met prijs. Omdat we het op deze pagina's in essentie over mobiliteit hebben, wil ik de term "verbruik" of energie-intensiteit (=1/energie-efficiëntie) uitdrukken in een andere welbekende eenheid: het equivalente 'verbruik in liter benzine per 100 km' (L/100km). Voor de berekeningen gebruiken we een constante snelheid van 50 km per uur en de kWh (kilo-Watt-uur) als eenheid van energie.

 

In de wiskunde kunnen we eenvoudig één soort energie in verschillende eenheden uitdrukken. Zo heeft één liter benzine een energie-inhoud van 10 kWh, dat rekent vlot. In de fysische wereld werkt de omzetting van energie slechts in één richting. Alles begint - in de autowereld - met zonne-energie, die door fotosynthese omgezet wordt in biomassa. Biomassa wordt door druk en véél tijd omgezet in aardolie of aardgas. Een verbrandingsmotor of turbine zet de energie hieruit om in arbeid. Die arbeid wordt gebruikt om een auto voort te bewegen of een turbine aan te drijven die elektriciteit genereert, die dan weer door een elektromotor omgezet wordt in arbeid, welke weer... U snapt het. Bij elke omzetting van energie in een andere vorm van energie of in nuttige arbeid, gaat een hoop energie verloren in de vorm van warmte (tweede wet van de thermodynamica: toenemende entropie). Hoe korter de keten van omzetting, hoe efficiënter de primaire energie in principe wordt aangewend. Om in te schatten hoeveel energie één en ander werkelijk kost, moeten we terugrekenen tot een vorm van primaire energie. Aangezien ook in de toekomst 90% van het wereldenergiesysteem op fossiele brandstoffen zal blijven draaien (raming WETO 2030, bron) is het uitdrukken van primaire energie in liters benzine-equivalent niet alleen voor de hand liggend maar ook bedroevend relevant. (FYI, er komt ongeveer een liter benzine uit 5 liter aardolie, naast diesel, kerosine, etc.)

 

Laten we nu eens kijken welke werkelijkheid schuilt achter de cijfertjes in de advertenties. Daarvoor moeten we eerst eens kijken hoe we de auto écht gebruiken. De helikoptershot van de glimmende sportwagen die, geheel in zijn eentje, over een verlaten maar perfect geasfalteerd kustweggetje zonder lintbebouwing cruist, overkomt ons stervelingen belachelijk weinig. In werkelijkheid is de gemiddelde rit 13,497 km lang (2010, bron), en de gemiddelde lading 100 kg, ofwel 1,37 persoon. In de parkeer- en verkeercontext van onze Euromegalopolis (Noord-Frankrijk, Vlaanderen, Westelijk Duitsland, Zuid-Nederland) mogen we niet ontevreden zijn als we aan een deur-tot-deur snelheid van 30 km/u komen. Inderdaad: de gemiddelde snelheid die personenwagens bereiken bedraagt 43 km/u in de Amerikaanse steden, 44 km/u in de Australische, en daalt over 30 km/u (Europese steden) naar 24 km/u (Aziatische steden) (2010, bron). De gemiddelde snelheid van het autoverkeer in Londen is 17 km/u. Met een gemiddelde verplaatsing van 13.5 km ver, mogen we er van uitgaan dat het grootste deel van het verkeer in de megalopolis als stadsverkeer mag geclassificeerd worden. Voor de berekeningen in dit artikel nemen we aan dat de effectieve gemiddelde snelheid van 30 km/u overeenkomt met een 'kruissnelheid' van 50 km/u. Daarbij gaan we er van uit dat het verschil tussen de deur-tot-deur tijd en de rijtijd (de parkeer- en wandeltijd) min of meer wordt gecompenseerd door de steeds zeldzamere stukken waar sneller dan 50 km/u kan gereden worden.

 

Hoeveel verbruikt een auto nu écht?

De gemiddelde fossiele auto rijdt dus per rit 13.5 km ver, aan een gemiddelde snelheid van 30 km/u, met 1.37 passagier aan boord. Bij dit feitelijke 'gemengd gebruik' verbruikt een doorsnee auto gemiddeld 80 kWh, of 8 Liter benzine, per 100 km (bron) tank-to-wheel. Elke liter werd opgepompt, getransporteerd, geraffineerd en verpompt, wat een extra 0,4 liter energie heeft gekost per liter getankte benzine, ofwel een well-to-wheel verbruik van 11,2 L/100km. De enormiteit van de klassieke auto (tot meer dan 2000kg auto per persoon) noopt ons tot het incalculeren van de aanzienlijke energie die het heeft gekost om die auto te produceren. Dit wordt geraamd op ongeveer 76 000 kWh, het equivalent van 3 L/100km over een carrière van 250 000 km (bron). Het primaire energieverbruik van een klassieke auto loopt hiermee op tot 14,2 L/100km. Bij een bezettingsgraad van 1.37 personen per wagen (bron) wordt het 'primair verbruik' van een auto met verbrandingsmotor dan 10,4 L/100km/persoon.

De koolstofinhoud van 1 liter benzine verbindt zich bij verbranding tot 2.32 kg/L (bron) CO₂ . Onze fossiele auto produceert dus in de praktijk 240 g/km/persoon CO₂.

 

Beter een elektrische auto?

Van de 80 kWh die een fossiele auto tankt, wordt ongeveer 20% omgezet in arbeid zodat 15 kWh/100km energie effectief 'op de wielen' wordt gezet. Bij gelijk gewicht is exact evenveel energie nodig om de massa in beweging te brengen, aldus Newtons tweede wet F=m.a. De elektrische auto is in de praktijk een klassieke fossiele wagen, waarvan de brandstoftank en de motor vervangen zijn door één of meerdere elektrische motoren en een stel batterijen. Om het gewicht niet te laten ontsporen wordt de massa batterijen beperkt, ofwel door de actieradius te beknotten, ofwel door terug een lichte verbrandingsmotor als oplader te gebruiken.

Aangezien een elektrische wagen zijn batterijen laadt met een rendement van ongeveer 85%, en de motor de elektriciteit hieruit omzet in arbeid met een vergelijkbaar rendement, krijgen we een verbruik van laadpaal tot wiel van 15/(85%*85%) = 20.76 kWh/100km. De omzetting van fossiele brandstof naar elektriciteit heeft in het beste geval een rendement van 40%, na transport schiet daar aan het stopcontact of laadpaal nog 30% van over. 20.76/30% = 69.2 kWh/100 wordt dus het primaire well-to-wheel verbruik van onze doorsnee elektrische auto, of het equivalent van 7 L/100km. Rekenen we daar weer de 'ingebedde' energie van de productie bij, en delen we door de gemiddelde bezettingsgraad, eindigen we op een primair energieverbruik van (7+3) /1.37=7.3 L/100km/persoon.

 

Een elektrische wagen verbruikt dus ongeveer 30% minder dan een fossiele wagen. Als de verwarming aan gaat wordt het verschil alweer een stuk kleiner. Overigens veroorzaakt de productie van elektriciteit in Belgie 340 g CO₂ per kWh, zodat onze elektrische wagen met 250 g/km zowat evenveel CO₂ uitstoot als een fossiele wagen, zij het elders (fossiele centrales) of het probleem verlegt naar later (kerncentrales).  80% van de elektriciteit wereldwijd wordt trouwens opgewekt met fossiele brandstoffen, waarbij vooral het aandeel van steenkool toeneemt (bron).

Hybride krachtbronnen verzachten het probleem van overgewicht bij opslag van elektrische energie - of beperkte actieradius - door het grootste deel van de energievoorraad op te slaan in een fossiele brandstof met veel hogere energiedensiteit. Een kleinere verbrandingsmotor zorgt voor het opladen van de batterij (seriële hybride) of kan samenwerken met de elektromotoren (parallelle hybride), of beide combineren. Met het gewicht van de batterijen, transmissiesystemen én motoren, en de verliezen op de energieconversie van fuel naar kinetische energie (ca.  30% rendement) naar elektrische energie (ca. 40% rendement) naar chemische energie (ca. 85% rendement) en terug naar kinetische energie (ca. 85% rendement), is het niet moeilijk te begrijpen dat het brandstofverbruik van bv. een Toyota Prius hoger ligt dan van een eenvoudige VW Polo.

 

De velomobiel

De velomobiel is een éénpersoonswagen met biomassa als brandstof. Biomassa staat in de energieconversieketen een trapje dichter bij de zon dan aardolie en zeker elektriciteit. De energie uit biomassa wordt door het lichaam van de bestuurder geconverteerd tot arbeid, warmte en energievoorraad. Het rendement van de biomotor is ongeveer gelijk aan de verbrandingsmotor: 20 à 25%. Overtollige energie wordt opgeslagen onder de vorm van suikers en vetten, en wanneer nodig terug in energie omgezet. Het rendement van die omzetting is mij niet bekend. Als opslagmethode is lichaamsvet fenomenaal performant met 10 Wh per gram (bron). Eén kilo vet kan dus evenveel energie opslaan als 100 kg lithium-ion batterijen. De biomotor zelf is gewichtloos. Met een voertuiggewicht van ca. 25 kg kunnen we de ingebedde energie van de productie op ongeveer 1000 kWh ramen of 1 kWh/100km over een carrière van 100.000 km.

 Met een vermogen van 100 Watt (een rustige zondagsrit) wordt een snelheid van ongeveer 35 km/u bereikt (meting bij de WAW gedurende de Shell Ecomarathon 2011). Om te kunnen vergelijken met de kruissnelheid van onze auto hierboven (50 km/u) is ongeveer 200 Watt nodig (stevig doortrappen), wat gelijk staat met 0,4 kWh/100km/persoon tank-to-wheel verbruik.  Om 2500 km af te leggen heeft de WAW dus één liter benzine nodig. Of één kilogram vet. 

Het well-to-tank verbruik is sterk afhankelijk van de voedingscultuur.  Voor de berekening beschouwen we een magere persoon die extra moet eten om zijn 50 km woon-werkverkeer te kunnen overbruggen met een WAW, aan 30km/u gemiddeld, in het verkeer. Om 166 Wh op de pedalen te zetten eet hij ongeveer viermaal zoveel energie (25% rendement) ofte 666 Wh = 577 kcal of 'calorieën'. Dit is ongeveer 20 % van de dagelijkse energiebehoefte van een persoon van 70 kg (3kWh/d), onze rijder eet dus in de week 20% méér dan in het weekend.

De primaire energiekost nu hangt sterk af van het dieet: een dagje groenten uit eigen tuin kost slechts 3 kWh/dag primaire energie (bron), méérverbruik voor de WAW is dus één vijfde hiervan, in onze rekeneenheid: 0.6 kWh/100 km.De primaire energiekost per dag voor een gemiddelde westerse vleeseter kan geraamd worden op 12 kWh/dag (Bron), het bijkomende primaire energieverbruik van de WAW is dan 2.4 kWh/100 km.

 

De primaire energiekost van de WAW varieert dus, naargelang de 'ingebedde energie' van het gekozen voedsel, van 0,06 tot 0,24 liter/100km/persoon benzine-equivalent. Uit de praktijk blijkt dat het overschot op de voedselbalans in veel gevallen groot genoeg is om extra voedselinname overbodig te maken. Het verbranden van lichaamsvet wordt eerder bij de baten dan bij de kosten ingeschreven.

 

De hybride velomobiel.

Een hybride velomobiel als de E-WAW heeft biomassa als hoofdbrandstof maar is ook uitgerust met een elektrische hulpmotor. De hulpmotor kan het rendement van de biomotor aanzienlijk opdrijven door te assisteren bij piekvermogen (acceleratie, hellingen), kan de actieradius van de velomobiel uitbreiden of rijders met een laag vermogen veilig  meehelpen in de verkeersstroom. De hulpmotor wordt in principe enkel intermitterend gebruikt, waardoor de massa van de batterijen beperkt kan blijven, in tegenstelling tot de elektrische auto. De biomotor is zelf voorzien van een geavanceerde neurale controller (de hersenen) en kan efficiënt van de verbruiksdalen gebruik maken om nieuwe brandstof te prepareren, zodat we het opladen van de batterijen aan het stopcontact overlaten. De correcte nomenclatuur voor de E-WAW is dus een plug-in parallelle bio-elektrische hybride.

De energiebehoefte van een bio-elektrische hybride ligt uit de aard der zaak dicht bij het puur mensaangedreven verbruik hierboven. Ter info nog eens het verbruik van een zuiver elektrische WAW op de Shell Ecomarathon 2011: 0.029 L/100km/persoon. Dit vermogen werd gemeten achter de batterij dus bedraagt het well-to-wheel verbruik 0.029/0.85/0.85/0.30 = 0.13 L/100km/persoon. Dit is het verbruik aan een constante snelheid van ca. 33km/u, en staat gelijk met een vermogen van ongeveer 100 Watt. Op zich is dat vermogen niet genoeg om zich vlot voort te bewegen in het verkeer, maar die extra 100W maakt wel van een gemiddelde rijder een topatleet - en dat is het doel van de hybride E-WAW.

(definitive article by John Tetz)

Hoeveel de e-assist ingeschakeld wordt varieert naargelang het vermogen en temperament van de rijder. In de praktijk komt een recente E-WAW met de helft van een 9Ah*36V batterij wel een honderdtal km toe, wat gelijk zou staan aan een tank to wheel verbruik van 0.324 kWh/100km/persoon, well to wheel 0.324/0.85/0.30 = 1.27 kWh/100/p = 0.127 L/100km/persoon.

Men kan stellen dat de energie die door de batterij geleverd wordt niet door de rijder gegenereerd wordt, in dat geval is het energieverbruik gelijk aan dat van de biomotor. Als we de twee cijfers cumuleren, bv. indien het extra vermogen wordt gebruikt om te accelereren naar een constante, lang vol te houden kruissnelheid, resulteert dit in een well to wheel verbruik van 0.187 à 0.367 L/100km/persoon.

 

Fietsen en wandelen.

Voor de volledigheid bekijken we ook eens het primaire energieverbruik van de belangrijkste vervoersmodi: wandelen en fietsen. Fietsen aan 30 km/u gemiddeld lukt de gewone sterveling niet, maar 21 km/u gemiddeld is haalbaar over 100 km, en daarvoor is 2,4 kWh/100km nodig (bron), oftewel 2064 kcal/100km. De rijder zou in theorie 80% méér moeten eten dan zijn dagelijkse energiebehoefte, hetgeen aan primaire energie  dus 80%.(3 à 12) = 2.4 tot 9.6 kWh/100km kost.

100 km wandelen is al niet alledaags meer maar goed, mochten we het doen zouden we er  7000 kcal (bron) of 8,1 kWh mee verbranden, of 237% méér dan de dagelijkse behoefte, in dezelfde logica  wordt dat een primair verbruik van 237%*(3 à 12)=  7 à 28 kWh/100km.

In benzine-equivalent verbruiken de fietser en de wandelaar dus tot respectievelijk 1 L en 3 L/100km/persoon.

Overzicht:

 

 

 

 

Is het hiermee opgelost?

Met 30 % minder energieconsumptie schieten we eigenlijk niet zo gek veel op. De gigantische hoop energie die de mensheid er nu dagelijks door draait, is tijdelijk beschikbaar door roofbouw. De zonne-energie die eonenlang tot fossiele brandstof werd geconverteerd, geraakt één dezer op, zoals bekend, en wordt dus niet zo gauw aangevuld. Afgezien daarvan kunnen we niet aan dit tempo restgassen in de atmosfeer blijven pompen of een triljoen uitgeven aan oorlog. Maar goed, op het vlak van energie zullen we het eens moeten gaan doen met hernieuwbare energie. Om de huidige energiebehoefte van transport alleen al te dekken in Belgie, zouden we 5% van de oppervlakte moeten volleggen met fotovoltaïsche panelen, tegen een kost van 250.000 € per persoon (bron). Vanwege de technische, sociale, politieke, economische en milieucomplicaties wordt geschat dat maximaal 15 % van onze huidige energiebehoefte ooit uit hernieuwbare energie kan komen (bron), zij het tegen een veel hogere prijs. Abstractie makend van bevolkings- en welvaartsgroei, moeten we dus ook op het vlak van de persoonlijke mobiliteit evolueren naar een technologie die het met een fractie van de huidige energiebehoefte klaarspeelt. 15 % is een theoretisch maximum, tegen hoge kost. 2% ware beter. De technologie bestaat, is bij ons beschikbaar en bewijst zich al een klein decennium dagelijks op de weg.

 

 

Een visie op de toekomst van de persoonlijke mobiliteit.

 De hedendaagse auto vervoert ongeveer 1 persoon (100 kg), aan een snelheid van ongeveer 30km/u gemiddeld, over een afstand van ongeveer 13 km, tegen een energiekost van ongeveer 10 liter benzine-equivalent per persoon per 100 km.

De auto van de toekomst zou ongeveer hetzelfde moeten klaarspelen, maar met een fractie van de energie. Minder energie verbruiken kan door de massa, en dus inertie, van het voertuig te verlagen (zie F=m.a hierboven), en de weerstand te verlagen.

De weerstand wordt verlaagd door de grootte van het frontaal oppervlak te minimaliseren en de snelheid te verminderen.

 

Conclusie: de auto van de toekomst zal light, tight en fit zijn. Light staat voor een reductie van de overbodige tarra, voor een lichte voetafdruk, voor minimale schade aan mens en milieu. Tight maakt het dan weer niet groter of zwaarder dan nodig, de lading omsluitend met zo min mogelijk volume en materiaal. Fit betekent in de Darwinistische zin: het beste aangepast aan de verander(en)de omgeving; aangepast aan de reële effectieve snelheid, payload, ruimte en tijd.