Een relativerend verhaal over
|
voor reacties: zie ook: see also: bijgewerkt: |
Jan van Staveren (auteur) Energiefeiten.pdf (dat is onderstaand verhaal in pdf-formaat) Korte samenvatting Energiefeiten.pdf Short summery Energy facts.pdf september 2022 |
|
|
|
• Afkortingen zijn in dit verhaal zo veel mogelijk vermeden. • Bij een aantal voorbeelden zijn “oude” eenheden gebruikt, omdat die meer tot de verbeelding spreken • Bij de combinatie van eenheden wordt een koppelstreepje gebruikt. Bijvoorbeeld: ampère-uur, watt-seconde, newton-meter etc. Het koppelstreepje is hierbij het symbool voor vermenigvuldiging • Eenheden zijn niet met een hoofdletter geschreven, maar wel steeds voluit. Bijvoorbeeld: celcius, volt, ampère, watt etc. • Getallen zijn meestal afgerond. Het gaat in dit verhaal vooral om de verhoudingen en niet in de eerste plaats om de exacte waarden. Die bestaan trouwens niet. Rendementen van auto's, verlichting, energie-opwekking etc. worden steeds beter. Er bestaan natuurlijk wel exacte wetten, zoals de Wet van behoud van energie • Veel getallen zijn een momentopname. Internetsites komen en gaan. Daardoor is het niet altijd (meer) mogelijk om alle getallen via internet te verifiëren. • De hoeveelheid energie die nodig is om bijvoorbeeld auto's, windmolens, zonnepanelen, biobrandstoffen, etc. te produceren is niet in beschouwing genomen. • Er zijn zo weinig mogelijk verschillende eenheden gebruikt. Bijna alles is omgerekend in kilowatt-uren en megawatt-uren. • Veel mensen hebben er geen idee van, hoe de verhoudingen liggen bij de verschillende vormen van energie-opwekking en het energieverbruik. Dit verhaal probeert aan de hand van feiten hierover duidelijkheid te verschaffen. • Vermogen en Energie worden vaak met elkaar verward. Voor dit energieverhaal is een goed begrip van de definities noodzakelijk. • Discussies over energie gaan meestal alleen maar over de opwekking van elektriciteit. Dus over kolencentrales, kernenergie, waterkracht, windmolens, zonne-energie etc. Men moet echter wel bedenken, dat het totale energieprobleem (in Nederland) ruim 3 keer zo groot is. Het moet daarom ook gaan over verwarming, industrie, vervoer, voedselproductie en vooral ook auto’s. |
|
• na 2000 jaar zou de toename zijn 1,0152000 = 8,55 × 1012 • de oppervlakte van de aarde is 4 π r2 = 4 π × 40 × 106 vierkante kilometer (r = de straal van de aarde = 6 400 kilometer) • het aantal mensen zou dan zijn (2 × 8,55 × 1012 ) / (4 π × 40 × 106) = 34 000 per vierkante kilometer, oceanen en de polen meegerekend |
1960 |
2000 |
2025 |
|
| Nederland | 11 miljoen |
16 miljoen |
18 miljoen |
| Wereldbevolking | 3 miljard |
6 miljard |
8 miljard |
wereldbevolking |
toename in 10 jaar |
toename per dag |
|
2010 |
6 909 miljoen |
- - - |
- - - |
2020 |
7 675 miljoen |
766 miljoen |
210 000 |
2030 |
8 309 miljoen |
634 miljoen |
174 000 |
2040 |
8 801 miljoen |
492 miljoen |
135 000 |
2050 |
9 150 miljoen |
349 miljoen |
96 000 |
|
• als we dit aantal mensen zouden tellen met een snelheid van 1 per seconde, dan heeft men daar 254 jaar voor nodig • bij een onderlinge afstand van 1 meter tussen 2 mensen, is dit een rij van 8 miljard meter, dat is 200 keer de aardomtrek • een vliegtuig met een snelheid van 900 kilometer per uur doet er 370 etmalen over, om deze afstand af te leggen |
|
vermogen = energie / tijd |
|
• vermogen is een maat voor de snelheid waarmee energie kan worden geleverd of gebruikt • vermogen is een eigenschap • vermogen laat zien wat er (maximaal) mogelijk is • een veel gebruikte eenheid voor vermogen is kilowatt |
|
1 watt 1 kilowatt 1 kilowatt |
= 1 joule / seconde = 1 kilojoule / seconde = 3600 kilojoule / uur |
(1 joule per seconde) (1 kilojoule per seconde) (3600 kilojoule per uur) |
|
• het vermogen van een centrale • het vermogen van een automotor • het vermogen van een gloeilamp |
= 600 megawatt = 70 kilowatt = 75 watt |
(ook als de centrale niet in bedrijf is) (ook als de auto stil staat) (ook als de lamp niet brandt of nog in de doos zit) |
|
energie = vermogen × tijd |
|
• energie wordt gedurende een bepaalde tijd geleverd of gebruikt • energie levert altijd iets op: elektriciteit, beweging, licht, warmte, geluid, radiogolven, etc. • een veel gebruikte eenheid voor energie is kilowatt-uur |
|
1 joule 1 kilojoule 3600 kilojoule |
= 1 watt × seconde = 1 kilowatt × seconde = 1 kilowatt × uur |
(1 watt-seconde) (1 kilowatt-seconde) (1 kilowatt-uur) |
|
• de energie die een centrale van 600 megawatt in 5 uur levert • de energie die een automotor van 70 kilowatt in 2 uur levert • de energie die een gloeilamp van 75 watt in 10 uur gebruikt |
= 3000 megawatt-uur = 140 kilowatt-uur = 750 watt-uur |
(bij vol vermogen) (bij vol vermogen) |
|
• energie kan niet verloren gaan • energie kan niet uit niets ontstaan • energie kan worden omgezet van de ene vorm in een andere, maar de som van de energieën verandert daarbij niet |
|
• massa kan niet verloren gaan • massa kan niet uit niets ontstaan • massa kan worden omgezet van de ene vorm in een andere, maar de som van de massa's verandert daarbij niet |
rendement = nuttige energie / toegevoerde energie |
|
• stel, een benzinemotor levert 50 kilowatt-uur nuttige, mechanische energie. • stel, de hoeveelheid toegevoerde energie is 200 kilowatt-uur (= 22 liter benzine) • het rendement is dan (50 / 200) × 100% = 25% • hierbij wordt 150 kilowatt-uur in de vorm van nutteloze warmte afgevoerd |
productiefactor = werkelijke jaaropbrengst / theoretische jaaropbrengst |
|
• stel, een windmolen heeft een vermogen van 3 megawatt • de theoretische jaaropbrengst is dan 3 megawatt × 24 uur × 365 dagen = 26 280 megawatt-uur • stel, de werkelijke jaaropbrengst is 8 000 megawatt-uur • de productiefactor is dan (8 000 / 26 280) × 100% = 30% (afgerond) |
|
• het rendement is een eigenschap van, bijvoorbeeld, een zonnepaneel of een windmolen • de productiefactor wordt bepaald door de plaats waar het zonnepaneel of de windmolen staat |
|
• op zee waait het vaker en harder dan op land • daardoor is de productiefactor van windenergie op zee groter dan op land • de productiefactor op zee = 45% en op land = 30% (afgerond) • voor dezelfde windmolen is de jaaropbrengst op zee dus anderhalf keer zoveel als op land |
|
- fotosynthese - gloeilamp - zonnepaneel - van voedsel naar mechanische energie - benzinemotor - spaarlamp - kerncentrale - Atkinson benzinemotor (Prius) - dieselmotor - conventionele elektrische centrale - TL-buis (Tube Luminiscent) - led-lamp (light emitting diode) - stoomturbine - brandstofcel - windmolen - STEG centrale (stoom en gas) - thermisch zonnepaneel (zonneboiler) - elektrolyse van water - laadcyclus van een loodaccu - waterkrachtcentrale - elektromotor - warmte-kracht koppeling - generator in een elektrische centrale - laadcyclus van een supercondensator |
= 1% = 5% = 15% = 25% = 25% = 29% = 33% = 34% = 35% = 40% = 41% = 44% = 45% = 50% = 50% = 58% = 65% = 70% = 75% = 80% = 90% = 90% = 95% = 97% |
|
• primaire energie is de energie-inhoud van brandstoffen in hun natuurlijke vorm, voordat enige omzetting heeft plaatsgevonden • voorbeelden van primaire energiebronnen zijn: steenkool. aardolie, aardgas en zonne-energie • hiermee kan men secondaire energiebronnen maken, zoals benzine, dieselolie en elektriciteit • het maken van secondaire energiebronnen gaat meestal gepaard met een slecht rendement • het rendement bij het produceren van elektriciteit in een kolencentrale = 40%, bij het maken van benzine uit aardolie = 80% en bij het winnen van elektriciteit met zonnepanelen = 15% |
|
1 kilogram droog hout 1 kilogram steenkool 1 kubieke meter aardgas 1 liter benzine 1 liter dieselolie 1 kilogram waterstof |
= = = = = = |
5,3 kilowatt-uur |
|
1 liter benzine = 9,1 kilowatt-uur |
|
1 liter benzine = 3340 000 kilogram-meter |
|
1 liter benzine = 7800 kilocalorie |
| 1 kilocalorie is equivalent aan 427 kilogram-meter |
|
• 1 kilocalorie is de hoeveelheid energie die nodig is om de temperatuur van 1 kilogram water (= 1 liter) met 1 graad celsius te verhogen • als men zijn hand 1 minuut in een liter koud water steekt, dan is daarna de temperatuur van het water ongeveer 1 graad gestegen • er is dan 1 kilocalorie aan het water toegevoerd en dat is equivalent aan 427 kilogram-meter • hiermee kan men (theoretisch) een koe met een gewicht van 427 kilogram, 1 meter omhoog takelen |
|
Omzetting van thermische energie naar mechanische energie |
|
Omzetting van mechanische energie naar elektriciteit |
|
Omzetting van elektriciteit naar mechanische energie |
| rendement = (Thoog - Tlaag) / Thoog |
|
1. de traagheidswet een voorwerp waarop geen kracht werkt is in rust, of het beweegt met een constante snelheid in een rechte lijn. (dat is onafhankelijk van de massa van het voorwerp) 2. een kracht verandert een beweging een kracht versnelt of vertraagt de beweging van een voorwerp en kan ook de richting ervan veranderen 3. actie = reactie |
|
• voor verlichting 528 kilowatt-uur elektriciteit • voor de koelkast, TV, wassen, strijken, etc. 3032 kilowatt-uur elektriciteit • voor verwarming, warm water en koken 1625 kubieke meter aardgas • voor de auto 1444 liter benzine |
kilowatt-uur |
|
| verlichting | 1 320 |
| koelkast, TV, wassen, strijken, etc. | 7 580 |
| verwarming, warm water, koken | 14 300 |
| de auto | 13 140 |
| totaal | 36 340 |
kilowatt-uur |
|
| led-verlichting | 200 |
| koelkast, TV, wassen, strijken, etc. | 3 000 |
| verwarming, warm water en koken | 7 000 |
| elektrische auto (40 km per dag) | |
| totaal | 12 400 |
|
• het vermogen van de zonnestraling bij een geheel onbewolkte hemel en bij loodrechte instraling = 1 kilowatt per vierkante meter • de theoretische energie-instraling per vierkante meter per jaar = 1 kilowatt × 24 uur × 365 dagen = 8760 kilowatt-uur • de werkelijke energie-instraling in Nederland per vierkante meter per jaar = 1000 kilowatt-uur (seizoenen, bewolkte hemel, dag en nacht meegerekend) • de productiefactor is dus (1000 / 8760) × 100% = 11,4% |
|
• stel, het rendement van een zonnepaneel = 15% • de energie-instraling = 1000 kilowatt-uur per vierkante meter per jaar • de opbrengst van een zonnepaneel van 1,6 vierkante meter = 1,6 × 1000 × 15% = 240 kilowatt-uur per jaar • dit moet nog met een correctiefactor 0,85 worden vermenigvuldigd • in de praktijk is de energie-opbrengst van zo'n paneel 0,85 × 240 = 200 kilowatt-uur per jaar • voor een maximale jaaropbrengst, moet een zonnepaneel in Nederland gemonteerd zijn onder een hoek van 36 graden met het horizontale vlak en gericht zijn op het zuiden • bij de Evenaar is de hoeveelheid ingestraalde zonne-energie op een horizontaal vlak slechts 3 keer zoveel als in Nederland (gedurende een jaar en bij dezelfde oppervlakte) • de hoeveelheid zonne-energie die in een jaar op de gehele aarde wordt ingestraald, is 7000 keer zoveel als het wereldverbruik van primaire energie. |
februari + maart + april |
24 % |
mei + juni + juli |
48 % |
augustus + september + oktober |
24 % |
november + december + januari |
4 % |
|
1. elektriciteit produceren met zonnepanelen 2. elektriciteit produceren met geconcentreerde zonnestraling 3. verwarmen van water (zonneboiler) 4. fotosynthese (biobrandstoffen) |
|
• de effectieve oppervlakte is 0,75 vierkante meter • de energie-opbrengst is 80 kilowatt-uur per jaar • dat is gemiddeld 220 watt-uur per dag • dat is voldoende om 2 uur per dag naar de TV te kijken |
|
• het Waldpolenz Solarpark is een grote zonnecentrale in de buurt van Leipzig • de elektriciteit wordt opgewekt door 550 000 zonnepanelen van 0,73 vierkante meter • de totale (netto) oppervlakte van de panelen is dus 0,4 vierkante kilometer • de grondoppervlakte is 1,2 vierkante kilometer • het vermogen van de centrale is 52 megawatt • de jaarproductie is 52 000 megawatt-uur • de productiefactor is 11,4% • een elektrische centrale van 600 megawatt levert per jaar 80 keer zoveel energie |
|
• in Californië staat de grootste zonnecentrale ter wereld, het Topaz zonnepark • de elektriciteit wordt opgewekt door 9 000 000 zonnepanelen • de grondoppervlakte is 25 vierkante kilometer • het vermogen van de centrale is 550 megawatt • de jaarproductie is 1 096 000 megawatt-uur • de productiefactor is 23% • een elektrische centrale van 600 megawatt levert per jaar 4 keer zoveel energie |
|
• een zonvolgend systeem • de nauwkeurigheid waarmee de stand van de zon moet worden gevolgd, is tenminste 1 graad • het systeem moet dus elke 4 minuten worden bijgesteld • alleen bruikbaar op plaatsen waar de zon de hele dag schijnt • bij een bewolkte hemel werkt geconcentreerde zonnestraling niet • het kan dus niet in Nederland worden toegepast |
|
• met parabolische spiegels • met zonnetroggen • met heliostaten |
|
• een parabolische spiegel draait om 2 loodrecht op elkaar staande assen met de stand van de zon mee • het zonlicht wordt met een factor 500 geconcentreerd • in het brandpunt ontstaat dan een temperatuur van 1000 graden celsius • daar kan bijvoorbeeld een heteluchtmotor worden geplaatst, die een generator aandrijft • de generator wekt elektriciteit op |
|
• een zonnetrog is een trogvormige spiegel, waarbij de dwarsdoorsnede de vorm van een parabool heeft • de lengte-as is in noord-zuid richting opgesteld en de zonnetrog draait om die as met de stand van de zon mee, dus elke dag van oost naar west • de concentratie van het zonlicht in de "brandlijn" is een factor 80, waarbij een temperatuur van 400 graden celsius wordt bereikt. • in de brandlijn bevindt zich een buis, waar olie doorheen stroomt • de geconcentreerde zonnestraling verhit de olie • in een warmtewisselaar wordt hiermee water verhit tot hete stoom • met de hete stoom wordt elektriciteit opgewekt • het rendement van de omzetting van de zonnestraling naar hete stoom is 50%, van hete stoom naar elektriciteit 30%. Daarmee komt het totaalrendement op 15% (dat is dus gelijk aan het rendement van elektrische zonnepanelen) • het voordeel van zonnetroggen is, dat een deel van de opgevangen zonnewarmte tijdelijk kan worden opgeslagen. Daarmee kunnen (kort durende) zonloze periodes worden overbrugd |
|
• deze grote zonnecentrale met zonnetroggen, staat in Andalusië, in Spanje • de zonnetroggen staan opgesteld in rijen van 150 meter • het reflecterend oppervlak van één rij is 800 vierkante meter • de totale oppervlakte van de troggen is 1,53 vierkante kilometer • de grondoppervlakte van de centrale is 6 vierkante kilometer • het vermogen van deze centrale is 150 megawatt • de jaarproductie is 495 000 megawatt-uur • de productiefactor is 37,6% • een elektrische centrale van 600 megawatt levert per jaar bijna 9 keer zoveel energie |
|
• een heliostaat is een licht gekromde of vlakke spiegel, die om 2 loodrecht op elkaar staande assen met de stand van de zon meedraait • het door de heliostaten gereflecteerde zonlicht, wordt gefixeerd op de top van een "zonnetoren", die ongeveer 100 meter hoog is • op de toren bevindt zich een groot vat, gevuld met water. • dit vat wordt dus beschenen door honderden heliostaten en het bevindt zich daarbij in het brandpunt van een enorm groot oppervlak aan spiegels • alle spiegels moeten continu en individueel worden gericht • op de top van de toren worden zeer hoge temperaturen bereikt, tot 1000 graden celsius • de opgevangen warmte in het vat met water wordt gebruikt voor de opwekking van elektriciteit |
|
• deze zonnecentrale met heliostaten staat bij Sevilla, in Spanje • het zonlicht wordt opgevangen door 1255 heliostaten • de heliostaten draaien met de stand van de zon mee en moeten dus allemaal continu en individueel worden gericht • elke heliostaat heeft een oppervlakte van 120 vierkante meter • de totale oppervlakte van de heliostaten is dus 0,15 vierkante kilometer • de grondoppervlakte van de centrale is 0,8 vierkante kilometer • het vermogen van deze centrale is (slechts) 20 megawatt • de jaarproductie is 48 000 megawatt-uur • de productiefactor is 27,4%. • een elektrische centrale van 600 megawatt levert per jaar 90 keer zoveel energie |
rendement |
opbrengst |
energiesoort |
|
0,8% |
8 kilowatt-uur |
warmte |
|
zonnepaneel |
15,0% |
150 kilowatt-uur |
elektriciteit |
zonneboiler |
65,0% |
650 kilowatt-uur |
warmte |
|
• de instraling van zonne-energie in Nederland is
1000 kilowatt-uur per vierkante meter per jaar • op een oppervlakte van 25 vierkante kilometer wordt jaarlijks ingestraald: 1000 kilowatt-uur per vierkante meter × 25 000 000 vierkante meter = 25 miljard kilowatt-uur • dat is gelijk aan 1 kilogram massa equivalent • bij een rendement van 100% zou dat voldoende zijn voor ruim een vijfde van het jaarlijkse elektriciteitsverbruik in Nederland • een praktische mogelijkheid, om deze energie op een efficiënte manier "te pakken" te krijgen bestaat voorlopig nog niet. • de grootste zonnecentrale ter wereld, het Topaz zonnepark, heeft ook een grondoppervlakte van 25 vierkante kilometer en produceert slechts 1 miljard kilowatt-uur per jaar |
soort |
A |
B |
C |
|
| Waldpolenz Solar Park | zonnepanelen | 52 000 |
1,2 |
43 333 |
| Topaz zonnepark | zonnepanelen | 1 096 000 |
25,0 |
43 840 |
| Sevilla | heliostaten | 48 000 |
0,8 |
60 000 |
| Andasol | zonnetroggen | 495 000 |
6,0 |
82 500 |
|
• de besturing van heliostaten is ingewikkeld • elke heliostaat moet individueel en continu de stand van de zon volgen, de besturing is dus voor alle 1255 heliostaten verschillend • de besturing van zonnetroggen is veel eenvoudiger en bovendien voor alle zonnetroggen gelijk • bij zonnepanelen is helemaal geen besturing nodig, want de oriëntatie van een zonnepaneel is niet erg kritisch |
hoek met het |
Oost |
Zuidoost |
Zuid |
Zuidwest |
West |
0 graden |
87% |
87% |
87% |
87% |
87% |
10 graden |
89% |
94% |
96% |
94% |
90% |
20 graden |
87% |
96% |
98% |
96% |
88% |
30 graden |
86% |
96% |
100% |
96% |
86% |
40 graden |
82% |
95% |
100% |
96% |
84% |
50 graden |
78% |
92% |
97% |
93% |
80% |
60 graden |
74% |
87% |
93% |
89% |
76% |
70 graden |
69% |
82% |
87% |
84% |
70% |
|
• dat is evenveel als de jaarproductie van 8 centrales van 600 megawatt • sinds 2015 stagneert de groei van zonne-energie in Duitsland |
| • dat is evenveel als de jaarproductie van 1 centrale van 600 megawatt |
|
• de oppervlakte van de draaicirkel van de wieken = A vierkante meter • de windsnelheid = v meter per seconde • de hoeveelheid lucht die de draaicirkel passeert = A × v kubieke meter per seconde • de dichtheid van lucht = p kilogram per kubieke meter • de massa m = A × v × p kilogram • de energie die de molen per seconde passeert = ½ m v2 = ½ (A × v × p) v2 joule • de energie is dus evenredig met de 3e macht van de windsnelheid • als het “halve” kracht waait, is de energie slechts 1/8 van de energie bij “volle” kracht |
|
• het rendement van een windmolen is ongeveer 50% • de energie-opbrengst is dus 50% van de energie die de draaicirkel van de wieken passeert • het theoretisch maximale rendement is 59% (wet van Betz) |
|
• de productiefactor van een windmolen neemt toe,
naarmate die hoger en groter is • de productiefactor wordt bepaald door de plaats waar de molen staat • de productiefactor van een windmolen op land is 30% • de productiefactor van een windmolen op zee is 45% |
|
• de diameter van de draaicirkel is 126 meter • de ashoogte is 135 meter en de wieklengte is 63 meter • het hoogste punt, dat door de wieken wordt bereikt is 198 meter • het maximale vermogen is 7,5 megawatt • dat is gelijk aan het vermogen van 100 auto's met een motor van 75 kilowatt • bij een productiefactor van 32% (op land) is de jaarproductie 21 000 megawatt-uur • een elektrische centrale van 600 megawatt levert per jaar 200 keer zoveel energie |
|
• de wieklengte is 63 meter • de oppervlakte van de draaicirkel van de wieken = π × 632 = 12 500 vierkante meter • stel, de windsnelheid v = 12 meter per seconde (= windkracht 6) • de hoeveelheid lucht die de draaicirkel per seconde passeert = 12 500 × 12 = 150 000 kubieke meter • de soortelijke massa van de lucht = 1,2 kilogram per kubieke meter (bij 20 graden celcius) • de massa m van de lucht = 150 000 × 1,2 = 180 000 kilogram • de energie die de molen per seconde passeert = ½ m v2 = 12 960 000 joule • dus het vermogen = 12,96 megawatt • het rendement van een windmolen is ongeveer 50% • het werkelijke vermogen bij windkracht 6 is dus 6,5 megawatt |
aantal |
vermogen |
vermogen |
productie- |
jaaropbrengst |
|
| Egmond aan Zee 10 km uit de kust |
36 |
3 megawatt |
108 megawatt |
40% |
378 000 |
| IJmuiden 23 km uit de kust |
60 |
2 megawatt |
120 megawatt |
41% |
435 000 |
| Westereems Eemshaven, op land |
52 |
3 megawatt |
156 megawatt |
34% |
470 000 |
| Gemini 85 km uit de kust |
150 |
4 megawatt |
600 megawatt |
49% |
2 600 000 |
| Borssele 1&2 23 km uit de kust |
94 |
8 megawatt |
752 megawatt |
49% |
3 210 000 |
|
• de oppervlakte van het windmolenpark is 68 vierkante kilometer • de levensduur is 20 jaar • de kosten zijn 2,8 miljard euro • in bedrijf sinds mei 2017 • een elektrische centrale van 600 megawatt levert per jaar 1,6 keer zoveel energie |
aantal |
vermogen |
|
| Nederland | 462 |
2459 |
| België | 399 |
2262 |
| Duitsland | 1062 |
5052 |
| Denemarken | 220 |
777 |
| Engeland | 1392 |
6849 |
| totaal | 3535 |
17399 |
|
• de ashoogte is 150 meter en de wieklengte is 110 meter • de oppervlakte van de draaicirkel komt daarmee op 38 000 vierkante meter • het hoogste punt dat door de wieken wordt bereikt is 260 meter • het maximale vermogen is 12 megawatt • de jaarproductie is 67 000 megawatt-uur • een elektrische centrale van 600 megawatt levert per jaar 63 keer zoveel energie • deze windmolen levert per jaar 1,4 keer zoveel energie als de zonnecentrale van Sevilla met 1255 heliostaten |
|
• Opslag in een spaarbekken Met elektriciteit kan men water oppompen naar een hoger gelegen spaarbekken. Bij een tekort aan elektriciteit kan dat water dan via een waterkrachtcentrale weer elektriciteit terug leveren • Opslag in waterstof Met elektriciteit kan water worden ontleed in zuurstof en waterstof. De waterstof kan in een brandstofcel of via een gasturbine weer elektriciteit opwekken • Opslag in de accu's van elektrische auto's Als er bijvoorbeeld 1 miljoen elektrische auto’s in Nederland zouden rondrijden, dan is de opslagcapaciteit gelijk aan de dagproductie van 2 elektrische centrales van 600 megawatt • Opslag in het lichtnet Voorlopig kunnen we het lichtnet gebruiken voor de tijdelijke opslag van “groene” energie. Als je een elektrische auto wil laten rijden op de zonne-energie van je eigen zonnepanelen, dan wordt het lichtnet bijna altijd gebruikt voor de tijdelijke opslag van de zonne-energie |
|
• in Zwitserland wordt 40% van de elektrische energie opgewekt door kerncentrales • alleen in Noorwegen wordt vrijwel alle elektrische energie door waterkracht opgewekt • wereldwijd wordt 16% van alle elektrische energie door waterkracht opgewekt. (2009) |
|
• het bijbehorende stuwmeer is 170 kilometer lang. • het vermogen van deze centrale is 12 600 megawatt • de energie-opbrengst is 75 000 000 megawatt-uur per jaar • dat is evenveel als de jaaropbrengst van 18 elektrische centrales van 600 megawatt |
|
• het vermogen van deze centrale is 18 000 megawatt • de energie-opbrengst is 85 000 000 megawatt-uur per jaar • dat is 3% van het elektriciteitsverbruik van China • dat is evenveel als de jaaropbrengst van 20 elektrische centrales van 600 megawatt |
|
• vanaf het aardoppervlak neemt de temperatuur bij toenemende diepte met globaal 30 graden celsius per 1000 meter toe • afhankelijk van plaatselijke omstandigheden, kan dit (sterk) variëren. • in vulkanische gebieden zijn de temperaturen aanzienlijk hoger • op een diepte van 5000 meter is de temperatuur gemiddeld 150 graden |
|
• schoon, duurzaam en onuitputtelijk • niet afhankelijk van weersomstandigheden, seizoenen en tijdstip van de dag • de productiefactor is 100% • er is geen CO2 uitstoot • de energie is constant voorradig, er is dus geen opslagprobleem |
|
vermogen |
jaaropbrengst |
| China | 1 440 |
12 600 000 |
| Zweden | 1 140 |
10 000 000 |
| USA | 990 |
8 680 000 |
| IJsland | 760 |
6 610 000 |
| Nieuw Zeeland | 220 |
1 970 000 |
| Japan | 160 |
1 430 000 |
|
• het verschil tussen eb en vloed is daar zeer groot, maximaal 13 meter. • het vermogen van de centrale is 240 megawatt • de productiefactor is ongeveer 26% • de jaarproductie is 540 000 megawatt-uur • een elektrische centrale van 600 megawatt levert per jaar 8 keer zoveel energie |
|
• de doorlaatopening van een turbine = 50 vierkante meter • de maximale stroomsnelheid v door de turbine = 5,6 meter per seconde • de maximale hoeveelheid water door de turbine = 5,6 × 50 = 280 kubieke meter per seconde • de massa m = 280 000 kilogram • de maximale kinetische energie, die aan de turbine wordt toegevoerd = ½ mv2 = ½ × 280 000 × 5,62 = 4,4 megajoule per seconde • het vermogen is dus 4,4 megawatt • het rendement van een turbine in de waterstroom = 50% (wet van Betz) • de productiefactor = 38% (eb, vloed en kentering) • de energie-opbrengst = 50% × 38% × 4,4 × 24 uur × 365 dagen = 7 300 megawatt-uur per jaar • 2000 turbines = 14 600 000 megawatt-uur per jaar (?) • dat is bijna net zoveel als de jaaropbrengst van 4 elektrische centrales van 600 megawatt |
|
• bij een geheel "open" dam is de maximale stroomsnelheid 1 meter per seconde • het water stroomt dan door een verticaal oppervlak van 1 000 000 vierkante meter • de massa m = 1 miljard kilogram • de maximale hoeveelheid toegevoerde kinetische energie = ½ mv2 = ½ × 1 miljard × 1 = 500 megajoule per seconde • het vermogen is dus 500 megawatt • dat is voldoende voor slechts 500 / 4,4 = 114 turbines |
|
• 80 000 goederenwagons met 50 ton hout = 4 miljard kilogram • dat is een trein met een lengte van 800 kilometer • de hoeveelheid elektriciteit die hiermee kan worden opgewekt = 4 miljard × 5,3 × 40% = 8,5 miljard kilowatt-uur • dat is 7,4% van het jaarverbruik van elektriciteit in Nederland |
|
• stel, de productie van hout is 16 ton per hectare per jaar (1 hectare = 10 000 vierkante meter) • dat is 1,6 kilogram per vierkante meter per jaar • voor 4 miljard kilogram is dan een oppervlakte van 2,5 miljard vierkante meter nodig • dat is een oppervlakte van 50 × 50 kilometer |
|
• in 2009 werd in Nederland 7,8 miljard kilowatt-uur elektriciteit opgewekt met biomassa • het verbruik was toen 113,5 miljard kilowatt-uur. • het aandeel biomassa was dus 6,9% |
|
• het zoveel mogelijk afvlakken van pieken en dalen in de energie-opwekking ("peak shaving") • het compenseren van de variërende energie-opbrengst van duurzame energiebronnen. |
|
• thermostaten van apparaten (bijvoorbeeld van boilers en airconditioning) worden op afstand automatisch in- of uitgeschakeld aan de hand van de momentele belasting van het energienet • accu's van elektrische auto's worden het ene moment geladen en een ogenblik later wordt het laden gestopt, of de energie uit die accu's wordt (gedeeltelijk) weer teruggeleverd aan het net, als er een energietekort dreigt te ontstaan. • als de wind sterk varieert, wordt de energielevering van windmolenparken naar evenredigheid aangevuld met energie afkomstig van (snel startende) gasgestookte elektrische centrales • het is ook mogelijk, om een overschot of tekort aan energie, uit te wisselen met Noorwegen via de NorNed-kabel |
|
• Warmte-kracht koppeling
gaat ten koste van het rendement van de elektriciteitsopwekking. Voor een bruikbare hoeveelheid warmte, mag het koelwater niet te koud zijn. Bij minder koud koelwater is het rendement van de elektriciteitsopwekking lager • Warmte-kracht koppeling is niet "groen", want het werkt alleen bij elektriciteitsopwekking door middel van fossiele brandstoffen |
|
• een warmtepomp
pompt warmte van een laag temperatuurniveau naar een hoger niveau. • het lage niveau is bijvoorbeeld de grondwarmte, die op enige diepte het gehele jaar door ongeveer 12 graden is. De warmte wordt ook vaak uit de lucht gehaald. • de warmtepomp werkt volgens hetzelfde principe als een koelkast, maar het doel is anders. • bij een koelkast wordt de binnenruimte gekoeld en men neemt de warmte die daarbij buiten de koelkast ontstaat, op de koop toe. • bij een warmtepomp gaat het juist om die warmte. Daarmee kan een ruimte worden verwarmd. • de nuttige warmte die ontstaat is gelijk aan de warmte die uit de grond of uit de lucht wordt gehaald, vermeerderd met de energie die aan de compressor (pomp) wordt toegevoerd. |
|
• een warmtepomp is ruwweg 4 keer efficiënter dan elektrische verwarming • de warmte die de warmtepomp uit de grond of uit de lucht haalt is gratis en volledig CO2-vrij • sommige warmtepompen kunnen in 2 richtingen werken, ze kunnen dus verwarmen of koelen • warmtepompen kunnen gewoon worden uitgezet. (bij warmte-kracht koppeling kan dat niet) |
|
• stel, we verbranden 1 kubieke meter aardgas in de ketel van de centrale verwarming • het rendement van een CV-ketel is 80% en de energie-inhoud van het aardgas is 8,8 kilowatt-uur • de hoeveelheid nuttige warmte is dan 80% × 8,8 kilowatt-uur |
|
• de elektriciteit, waar de warmtepomp op draait, wordt opgewekt met een rendement van 40% • 1 kubieke meter aardgas levert dan 40% × 8,8 kilowatt-uur elektriciteit • een warmtepomp produceert hiermee 4 keer zoveel energie in de vorm van warmte • de warmtepomp produceert dus 160% x 8,8 kilowatt-uur warmte |
|
• met dezelfde hoeveelheid aardgas (en dus bij dezelfde CO2-uitstoot), produceert de warmtepomp 2 keer zoveel warmte als de CV-ketel |
|
|
• een warmtepomp bestaat uit een gesloten kringloop, waarin een koelmiddel wordt rondgepompt • voor verdampen is warmte nodig • in de verdamper verdampt het koelmiddel bij lage druk en daarbij wordt warmte aan de grond onttrokken • de damp, die deze warmte bevat, wordt door de compressor naar de condensor gepompt • in de condensor condenseert de damp bij hoge druk en de warmte die hierbij vrij komt wordt aan de omgeving afgegeven als nuttige warmte • in het expansieventiel expandeert het koelmiddel en hierdoor daalt de druk en de temperatuur • de cyclus begint nu weer opnieuw |
|
• het systeem bestaat uit 1 grote centrale warmtepomp, die de warmte uit het zeewater van 5 graden celsius omhoog pompt naar 11 graden • het water met deze temperatuur wordt via een distributienet toegevoerd aan de woningen • iedere woning heeft een kleine warmtepomp, die de temperatuur verder verhoogt tot 45 graden voor de (vloer)verwarming en 65 graden voor het tapwater |
|
• bevat 1,5 ampère-uur bij 1,5 volt, dat is 2,25 watt-uur • zo'n batterij kost ongeveer € 0,50 • dus 1 kilowatt-uur uit een batterij kost € 222,00 |
|
• bevat 2,7 ampère-uur bij 1,2 volt, dat is 3,24 watt-uur • oplaadbare batterijen zijn veel goedkoper en milieuvriendelijker dan gewone batterijen |
energiedichtheid |
levensduur |
|
| zoutwater accu | 18 |
3 000 |
| vanadium redox accu | 20 |
10 000 |
| loodaccu | 40 |
800 |
| nikkel-cadmium accu | 60 |
2 000 |
| Toshiba SCiB | 78 |
15 000 |
| lithium-ijzer-fosfaat accu | 90 |
2 000 |
| Sony 18650 | 95 |
2 000 |
| nikkel-metaalhydride accu | 120 |
500 |
| lithium-ion accu | 160 |
1 000 |
| lithium-ion polymeer accu | 200 |
500 |
| Tesla 21700 | 250 |
2 000 |
| lithium-zwavel accu | 350 |
- - - - |
| zink-lucht batterij | 470 |
- - - - |
|
• de spanning is 12 volt bij 53 ampère-uur • de energie-inhoud is dus 636 watt-uur • het gewicht is 35 kilogram • de energiedichtheid is 18 watt-uur per kilogram • de accu kan niet in brand vliegen of ontploffen • de levensduur is 3000 laadcycli • de accu is bruikbaar van - 5 tot + 50 graden celsius |
|
• de accu is vooral geschikt voor stationaire toepassingen en kan worden gebruikt om de fluctuerende opbrengst van zonnepanelen en windmolens af te vlakken • de energiedichtheid is laag, ongeveer 20 watt-uur per kilogram • de levensduur is zeer groot, meer dan 10 000 laadcycli • het vermogen wordt bepaald door de afmetingen van het membraan • de energie-inhoud is vrijwel onbegrensd en wordt bepaald door de grootte van de voorraadtanks met het elektrolyt • het laden kan (zeer snel) plaats vinden door het vervangen van de elektrolyten, maar de accu kan ook gewoon worden opgeladen door een elektrische stroom • het principe van de vanadium redox accu wordt misschien ooit interessant voor de elektrische auto, omdat het laden van de accu zeer snel kan plaats vinden door het vervangen van de elektrolyten |
|
• de spanning is 27,6 volt bij 40 ampère-uur, de energie-inhoud is dus 1100 watt-uur • het gewicht is 14 kilogram • de energiedichtheid is 78 watt-uur per kilogram en dus slecht in vergelijking met een gewone lithium-ion batterij • de batterij is zeer veilig (geen ontploffings- of brandgevaar) • de laadtijd is slechts enkele minuten (in 5 minuten is de batterij tot 90% geladen) • de levensduur is zeer groot, 10 jaar of 15 000 laadcycli (na 3000 laadcycli is het capaciteitsverlies slechts 10%) • de batterij is bruikbaar binnen een groot temperatuurgebied (- 30 tot + 55 graden) • de eigenschappen van de batterij vertonen veel overeenkomst met die van een supercondensator (hoge laad- en ontlaadstromen en zeer korte laad- en ontlaadtijden) |
|
• de cellen hebben een diameter van 18 millimeter en een lengte van 65 millimeter • een cel levert 1,1 ampère-uur bij 3,2 volt, dat is 3,5 watt-uur • de energiedichtheid is 95 watt-uur per kilogram • de maximale ontlaadstroom is 20 ampère • de batterij kan in 30 minuten worden opgeladen tot 99% van de capaciteit • de levensduur is 2000 laadcycli |
|
• de cellen hebben een diameter van 21 millimeter en een lengte van 70 millimeter • het volume is 1,47 keer zo groot als van de 18650 • een cel levert 4,8 ampère-uur bij 3,6 volt, dat is 17,3 watt-uur • de energiedichtheid is 250 watt-uur per kilogram (inclusief behuizing) • de levensduur is 2000 laadcycli |
|
• de energiedichtheid is 350 watt-uur per kilogram en dus bijna 2 keer zo groot als van een lithium-ion-polymeer accu • de soortelijke massa is 1 kilogram per kubieke decimeter en daarmee gelijk aan de soortelijke massa van water |
|
• de levensduur van een oplaadbare batterij of accu wordt sterk beïnvloed door de diepte van de ontlading • het einde van de levensduur wordt bereikt, als de capaciteit nog maar 70% van de nieuwwaarde is • de levensduur is het aantal verbruikte laadcycli • bij een lithium-ion accu vindt bovendien veroudering plaats door chemische processen, die vanaf het moment van de productie in de accu actief zijn. • een lithium-ion accu slijt dus ook, als die niet wordt gebruikt |
diepte van |
levensduur |
100% |
500 |
50% |
1500 |
25% |
2500 |
10% |
4700 |
|
• Een accu van 100 ampère-uur kan gedurende 20 uur een stroom van 5 ampère leveren • Bij een stroom van 25 ampère is de accu in 2 uur leeg. Dat komt overeen met 50 ampère-uur |
|
1. het omzetten van de netspanning naar de gewenste gelijkspanning van de acculader 2. het opladen van de accu 3. het ontladen van de accu 4. het omzetten van de gelijkstroom van de accu naar 3 fasen wisselstroom voor de aandrijving van de elektromotor 5. de elektromotor |
|
• voor het laden van 9,1 kilowatt-uur (= 1 liter benzine-equivalent) in 1 uur, is bij 230 volt een stroom van 9100 / 230 = 40 ampère nodig • als men deze hoeveelheid energie in 6 minuten in een accu wil stoppen, dan moet de stroom vanuit het lichtnet 10 keer zo groot zijn, dus 400 ampère |
|
• de celspanning is 2,85 volt • de capaciteit van een cel is 3400 farad • de energie-inhoud is dan 3,84 watt-uur (volgens onderstaande formule) • het vermogen is 8,5 kilowatt per kilogram • de levensduur is meer dan 1 000 000 laadcycli • een cel heeft de vorm van een cilinder, de lengte is 138 millimeter en de diameter is 61 millimeter • het gewicht van een cel is 520 gram |
| de energie-inhoud (joule) van een condensator = ½ CV2 C = de capaciteit (farad) en V = de spanning (volt) |
|
• lange levensduur (10 jaar) • korte laadtijd • hoog vermogen • kleine energiedichtheid (10 watt-uur per kilogram) • de laadcyclus heeft een hoog rendement (97%) • sterke zelfontlading (50% per maand) • groot temperatuurbereik (- 40 tot + 65 graden) • bij belasting neemt de spanning snel af, volgens de ontlaadkromme van een condensator • kan niet in brand vliegen of ontploffen |
|
• een thermokoppel levert een (kleine) elektrische spanning als er warmte wordt toegevoerd • een heteluchtmotor gaat draaien, als er warmte wordt toegevoerd |
|
• Een condensator wordt opgeladen als er straling afkomstig van een radioactieve bron op een van de platen valt. De ontlaadstroom kan nuttig worden gebruikt • Radioactieve straling kan worden omgezet in infrarood licht. Een fotocel kan dit licht omzetten in elektriciteit • Een elektro-mechanische nucleaire batterij bestaat uit een vast opgesteld metalen plaatje en een daarvan geïsoleerd verend plaatje. Door de radioactieve straling ontstaan tegengestelde ladingen en daardoor buigt het verende plaatje naar het vaste, tot ze elkaar raken. Hierdoor worden ze ontladen en het plaatje veert weer terug. Dit proces herhaalt zich ongeveer 35 keer per seconde. Een piëzo-elektrisch materiaal zet de beweging van het verende plaatje om in elektriciteit |
|
• zeer duur • kleine afmetingen • laag rendement, maximaal 8% • extreem lange levensduur, vele 10-tallen jaren • zeer hoge energie-inhoud • klein vermogen • kan werken door warmte-ontwikkeling of bèta straling als gevolg van radioactief verval • toepassing in de medische sector (pacemakers) • in de ruimtevaart als energiebron voor voertuigen en communicatie-apparatuur • in onderwatersystemen en geautomatiseerde wetenschappelijke systemen op moeilijk bereikbare plaatsen |
|
1 kilometer lopen kost ongeveer 300 kilojoule extra 1 kilometer fietsen kost ongeveer 60 kilojoule extra |
|
1 uur lopen 1 uur fietsen |
= 4 kilometer = 20 kilometer |
= 4 × 300 = 20 × 60 |
= 1200 kilojoule = 1200 kilojoule |
|
• de massa van een wandelaar wordt bij elke stap enkele centimeters op en neer bewogen, dat kost veel energie • de gebruikte energie is evenredig met de massa (het gewicht) van de wandelaar |
|
• een fietser zit gefixeerd op het zadel en zijn zwaartepunt blijft daardoor steeds op dezelfde hoogte (als het ene been naar beneden gaat, gaat het andere omhoog) • bij een constante snelheid op een vlakke weg, wordt alleen energie gebruikt voor het overwinnen van de luchtweerstand en de rolwrijving. De massa van de fietser + fiets is daarbij niet van belang (1e wet van Newton) • accelereren en oprijden van een helling kost wel extra energie. De daarvoor benodigde energie is evenredig met de massa (het gewicht) van de fietser + fiets |
|
• bij een snelheid van 20 kilometer per uur en bij windstil weer, moet een rechtop zittende fietser gedurende 5 uur een vermogen leveren van ongeveer 75 watt • 100 kilometer fietsen kost dus een hoeveelheid mechanische energie van 75 watt × 5 uur = 375 watt-uur = 1350 kilojoule • de chemische energie in voedsel wordt met een rendement van 25% omgezet naar mechanische energie in de spieren • in de vorm van voedsel is dus 4 × 1350 = 5400 kilojoule nodig, dat is de energie-inhoud van 2 liter volle melk • van 100 kilometer fietsen val je dus niet af. Je valt wèl af van zwemmen, door het warmteverlies (en vooral door minder te eten) • bij een tegenwind van 5 meter per seconde (= 18 kilometer per uur), moet 3 keer zoveel energie worden geleverd als bij windstil weer |
|
• bij een elektrische fiets wordt de fietser ondersteund door een elektromotor • deze motor krijgt zijn energie uit een oplaadbare accu • de mate van ondersteuning wordt automatisch geregeld door een trapsensor • de trapsensor meet de kracht waarmee de fietser op de pedalen trapt • evenredig met die kracht, wordt de hoeveelheid energie geregeld die aan de motor wordt toegevoerd • het resultaat hiervan is, dat bij het oprijden van een helling of bij tegenwind de ondersteuning (automatisch) toeneemt. |
|
• 50% ondersteuning • een rechtop zittende fietser • een snelheid van 20 kilometer per uur • een tegenwind van 4 meter per seconde • hard opgepompte banden |
|
• het totaalrendement van de laadcyclus van de accu en de opwekking van elektriciteit is 30% • het primaire energieverbruik is dan 5 / 0,30 = 17 watt-uur per kilometer • omgerekend naar benzine-equivalent komt men op 1 liter per 545 kilometer |
|
Dubbeldekker |
|
• de trein rijdt op een gelijkspanning van 1500 volt • het vermogen is 1608 kilowatt • de maximum snelheid is 140 kilometer per uur • de basisuitvoering van de trein is 4 wagons met 372 zitplaatsen • de totale lengte is dan 108 meter • het gewicht, inclusief de reizigers is 254 ton |
|
• tijdens het optrekken wordt het maximale vermogen van 1608 kilowatt gebruikt • de snelheid van 140 kilometer per uur wordt na 2,4 minuten bereikt • er is dan 3000 meter afgelegd en 54 kilowatt-uur verbruikt • gedurende de volgende 9360 meter wordt 1/3 van het vermogen gebruikt • er wordt dan in 4 minuten, bij een constante snelheid, 30 kilowatt-uur verbruikt (voor het overwinnen van de rolweerstand, wrijvingsverliezen en de luchtweerstand) • voor snelheidsvermindering en remmen wordt de resterende 1640 meter gebruikt • de netto hoeveelheid verbruikte energie is dus 54 + 30 = 84 kilowatt-uur • het totaalrendement van de elektriciteitsopwekking en de trein samen is 34% • voor een traject van 14 kilometer wordt bruto verbruikt 84 / 0,34 = 247 kilowatt-uur • dat is 18 000 watt-uur per kilometer • bij het remmen kan de Dubbeldekker energie terug leveren aan de bovenleiding • voor de verwarming is ’s winters veel extra energie nodig, die energie moet ook via de bovenleiding worden toegevoerd |
|
• met 18 000 watt-uur worden 372 reizigers over een afstand van 1 kilometer vervoerd • dat is 48 watt-uur per reiziger per kilometer |
|
Thalys |
|
• 25 000 volt wisselspanning (op alle HSL trajecten, hiervoor is de trein ontworpen) • 3000 volt gelijkspanning (in België over bestaand spoor) • 1500 volt gelijkspanning (in Nederland over bestaand spoor) |
|
• op de HSL trajecten rijdt de trein op een wisselspanning van 25 000 volt • de maximum snelheid is dan 300 kilometer per uur • het vermogen is 8850 kilowatt • de Thalys heeft een vaste samenstelling van 8 wagons + 2 motorwagens met 355 zitplaatsen • de lengte is 200 meter • het gewicht, inclusief de reizigers is 414 ton |
|
• tijdens het optrekken wordt het maximale vermogen van 8850 kilowatt gebruikt • na 3,5 minuten wordt de snelheid van 300 kilometer per uur bereikt • er is dan 8 kilometer afgelegd en 396 kilowatt-uur verbruikt • gedurende de volgende 92 kilometer wordt 2/3 van het vermogen gebruikt • er wordt dan in 18,4 minuten, bij een constante snelheid, 1538 kilowatt-uur verbruikt (voor het overwinnen van de rolweerstand, wrijvingsverliezen en de luchtweerstand) • de netto hoeveelheid verbruikte energie is dus 396 + 1538 = 1934 kilowatt-uur • het totaalrendement van de elektriciteitsopwekking en de trein is 34% • voor het traject van 100 kilometer wordt bruto verbruikt: 1934 / 0,34 = 5700 kilowatt-uur • dat is 57 000 watt-uur per kilometer |
|
• met 57 000 watt-uur worden 355 reizigers over een afstand van 1 kilometer vervoerd • dat is 161 watt-uur per reiziger per kilometer |
|
• de accu heeft een energie-inhoud van 10 kilowatt-uur • de boot met 8 personen vaart hiermee 48 kilometer • dat is 26 watt-uur per persoon per kilometer |
|
• deze boot, van het type Catamaran, is met 75 kilometer per uur de snelste veerboot ter wereld • de boot wordt aangedreven door 4 gasturbines met een totaal vermogen van 69 000 kilowatt • de boot is 124 meter lang en 40 meter breed • de vervoercapaciteit is 1500 passagiers en 350 auto's • de hoeveelheid verbruikte energie is dus 69 000 / 75 = 920 kilowatt-uur per kilometer • bij een rendement van 30% komt men op 337 liter benzine-equivalent per kilometer • een auto weegt gemiddeld net zoveel als 12 passagiers • totaal komt men daarmee op het gewicht van 350 × 12 + 1500 = 5700 passagiers • dat is per "passagier" een verbruik van 1 liter per 17 kilometer |
|
Boeing 747 "Jumbo" |
|
• een Boeing 747 kan 200 000 liter brandstof meenemen • de actieradius is 13 500 kilometer (= 1/3 van de aardomtrek) • het verbruik is dus 200 000 / 13 500 = 15 liter per kilometer = 150 000 watt-uur per kilometer (1 liter kerosine = 10 000 watt-uur) • een Jumbo kan 500 passagiers vervoeren • het verbruik is dan 300 watt-uur per passagier per kilometer • ongeveer de helft van het startgewicht van een Jumbo bestaat uit de meegenomen brandstof (bij een lange afstandsvlucht) • het leeggewicht is 181 ton, het gewicht van 200 000 liter kerosine is 160 ton (de soortelijke massa van kerosine = 0,8 kilogram / liter) • 200 000 liter = 200 kubieke meter, dat is een "zwembad" van 2 meter diep, bij een oppervlakte van 10 bij 10 meter • de kruissnelheid op 10 kilometer hoogte is 900 kilometer per uur • de vliegtijd bedraagt dan 15 uur voor 13 500 kilometer • het gemiddelde brandstofverbruik van de 4 motoren tezamen is dus 200 000 liter per 15 uur, dat is een primair energieverbruik van 2 000 000 kilowatt-uur per 15 uur • bij een rendement van 30% komt men op 40 000 kilowatt-uur per uur nuttige energie, dat is een vermogen van 40 megawatt • de "take off" snelheid is 290 kilometer per uur, binnen 1 minuut is de Jumbo "los" • de afgelegde weg op de startbaan is 2000 tot 2500 meter (afhankelijk van het startgewicht) |
|
• het toerental • het geleverde koppel • het momentele vermogen |
|
• optimale brandstof inspuiting • optimale mengverhouding zuurstof-brandstof bij alle toerentallen • optimaal ontstekingstijdstip bij alle toerentallen • variabele kleptiming |
|
• het gebruik van de katalysator • koude start • variabel toerental • variabele belasting • koeling • stationair draaien |
|
Toyota Prius |
|
• het rendement van de Atkinson benzinemotor is hoog, maar sterk afhankelijk van de belasting en het toerental • bij de elektromotor is het rendement altijd hoog • de elektromotor werkt mee, als het rendement van de benzinemotor laag is • de energie voor de elektromotor wordt geleverd door een oplaadbare nikkel-metaalhydride accu van 1,3 kilowatt-uur • bij (regeneratief) remmen en snelheidsvermindering werkt de elektromotor als dynamo en levert dan energie terug aan de accu • bovendien wordt de accu opgeladen door een generator, die aan de benzinemotor is gekoppeld • het opladen gebeurt, als de benzinemotor met een hoog rendement werkt • de generator kan ook rechtstreeks energie aan de elektromotor leveren • de benzinemotor, generator en elektromotor zijn gekoppeld aan een mechanische energieverdeler, die door een microprocessor wordt bestuurd • deze energieverdeler functioneert tevens als een continu variabele automatische versnellingsbak • het rendement van deze automatische versnellingsbak is veel hoger dan bij een gewone handgeschakelde versnellingsbak • de airconditioning wordt elektrisch aangedreven en werkt daardoor dus ook als de benzinemotor niet in bedrijf is |
|
• de elektromotor werkt tijdens wegrijden vanuit stilstand, bij achteruit rijden en bij lage snelheden • de benzinemotor is ontworpen voor het gemiddelde vermogen en is daardoor extra zuinig • de elektromotor assisteert de benzinemotor tijdens accelereren en kortdurend bij hoge snelheden • bij snelheidsvermindering en remmen wordt energie teruggeleverd aan de accu • de benzinemotor stopt zodra de auto stil staat en draait dus nooit stationair • de benzinemotor werkt zo veel mogelijk onder omstandigheden waarbij het rendement hoog is • bij een laag rendement van de benzinemotor assisteert de elektromotor |
|
• het rendement van de Atkinson benzinemotor is opgevoerd naar 40% • het benzineverbruik is 1 liter per 33 kilometer (volgens de onrealistische NEDC norm) • in de praktijk komt men op ongeveer 1 liter per 24 kilometer |
|
Een elektrische auto uit 1916 |
|
• de accu van de Tesla 3 heeft een energie-inhoud van 50 kilowatt-uur • de energie-inhoud van 50 liter benzine = 50 × 9,1 kilowatt-uur = 455 kilowatt-uur, dat is ruim 9 keer zoveel als van de accu • het rendement van een elektromotor is 3 keer zo hoog als van een benzinemotor • de actieradius van een benzine auto is dus 3 keer zo groot als van een elektrische auto |
|
• een beter soort accu (nikkel-metaalhydride of lithium-ion in plaats van loodaccu's) • het hoge rendement van de elektromotor (90%) • een lage snelheid (de luchtweerstand is evenredig met de 2e macht van de snelheid) • een lage rolweerstand • een lage luchtweerstand (dus een goede stroomlijn) • teruglevering van energie tijdens remmen, afdalen van een helling en bij snelheidsvermindering |
|
• de elektrische auto is vrijwel geruisloos • de elektrische auto produceert geen uitlaatgassen (maar de elektrische centrale des te meer) • er zijn weinig bewegende delen, er is dus weinig onderhoud nodig • het is relatief eenvoudig om de wielen individueel aan te drijven, er is dus geen differentieel nodig • bij dezelfde hoeveelheid voortbewegingsenergie is het primaire energieverbruik hoger dan van een hybride auto, maar lager dan van een benzine auto of een waterstof auto • bij dezelfde hoeveelheid voortbewegingsenergie is de (indirecte) CO2-uitstoot lager dan bij alle andere soorten auto's • de elektromotor kan bij alle toerentallen het maximale koppel leveren, hierdoor is een snelle acceleratie mogelijk • het rendement van de elektromotor is bij alle toerentallen hoog • de elektromotor draait nooit stationair • er is geen versnellingsbak nodig • de actieradius is (zeer) beperkt • de accu is zwaar, zeer duur en neemt veel ruimte in • het opladen van de accu duurt lang (minimaal 4 uren) • het verwarmen van een elektrische auto gaat ten koste van de actieradius |
|
• de actieradius van de auto moet minstens 600 kilometer zijn • de elektromotor verbruikt 150 watt-uur per kilometer • de accu moet dan een effectieve energie-inhoud hebben van 600 × 150 watt-uur = 90 000 watt-uur • thuis is de beschikbare laadtijd ongeveer 12 uur per etmaal • het vermogen van de lader moet dan zijn: 90 000 watt-uur / 12 uur = 7 500 watt • dat is uit een 3-fasen stopcontact: 7 500 watt / (3 × 230) volt = 11 ampère per fase • de accu mag niet meer ruimte innemen dan een gewone benzinetank, dus een volume van 50 liter • de accu mag niet veel zwaarder zijn dan een volle benzinetank, dus ongeveer 45 kilogram • de energiedichtheid is dan 90 000 watt-uur / 45 kilogram = 2 000 watt-uur per kilogram • de levensduur moet minstens 10 jaar zijn en de accu mag niet te duur zijn |
|
• het idee is, dat de accu een zó grote energie-inhoud heeft, dat men daarmee de hele dag onbeperkt kan rondrijden • de accu wordt 's nachts opgeladen met een vermogen, dat bepaald wordt door de energie die overdag is verbruikt • dus geen onrealistische snelladers, waarbij men steeds na 200 kilometer rijden, ruim een half uur moet wachten tot de accu weer (tot 80%) is opgeladen • een slimmere oplossing is de plug-in hybride auto. Als daarbij de accu leeg raakt, dan kan men op de benzinemotor verder rijden |
|
energiedichtheid |
| loodaccu | 40 |
| lithium-ion polymeer accu | 200 |
| de ideale accu | 2 000 |
| benzine | 12 600 |
|
EV1 van General Motors |
|
• een aluminium frame en veel plastic onderdelen, waardoor het gewicht laag was • een zeer lage luchtweerstand • verwarming door middel van een warmtepomp • keyless entry en ignition • het vermogen van de 3-fasen inductiemotor was 102 kilowatt • de auto accelereerde in 8 seconden van 0 naar 100 kilometer per uur • de topsnelheid was 130 kilometer per uur • de energie-inhoud van de nikkel-metaalhydride accu was 26 kilowatt-uur • de actieradius was 200 kilometer • het gemiddelde energieverbruik was 130 watt-uur per kilometer • de laadtijd van de accu was 8 uur |
|
Tesla Roadster |
|
• het vermogen van de 3-fasen inductiemotor is 215 kilowatt • het rendement van de motor is 92% (vrijwel onafhankelijk van het toerental) • de auto accelereert in 4 seconden van 0 naar 100 kilometer per uur • de versnelling is dan 0,7 g (g = de versnelling van de zwaartekracht) • de topsnelheid is 200 kilometer per uur • de energie-inhoud van de lithium-ion accu is 56 kilowatt-uur • de minimale laadtijd van de accu is 4 uur • de accu bevat 6831 "laptop" cellen (type 18650), die vloeistof gekoeld zijn • de energie-inhoud van 1 cel is 8,2 watt-uur • de energiedichtheid van de accu is 121 watt-uur per kilogram (inclusief behuizing) • het gewicht van de accu is dus 56 000 / 121 = 463 kilogram • het gewicht van de auto is 1240 kilogram • de actieradius is 340 kilometer (bij een constante snelheid van 100 kilometer per uur) • het energieverbruik van de elektromotor is dan 56 000 / 340 = 165 watt-uur per kilometer • het totaalrendement ("plug-to-wheel") van de auto is 88% • het energieverbruik uit het stopcontact is dus 165 / 0,88 = 188 watt-uur per kilometer • het totaalrendement van de productie van elektriciteit is 40% • het primaire energieverbruik is dus 188 / 0,40 = 470 watt-uur per kilometer • omgerekend naar benzine-equivalent komt men op 1 liter per 19 kilometer |
|
Tesla model S |
|
• het vermogen van de 3-fasen inductiemotor is 270 kilowatt • het rendement van de motor is 92% (vrijwel onafhankelijk van het toerental) • de auto accelereert in 5,6 seconden van 0 naar 100 kilometer per uur • de versnelling is dan 0,5 g (g = de versnelling van de zwaartekracht) • de topsnelheid is 200 kilometer per uur • de energie-inhoud van de lithium-ion accu is 85 kilowatt-uur • de actieradius is 480 kilometer (bij een constante snelheid van 88 kilometer per uur) • het energieverbruik van de elektromotor is dan 85 000 / 480 = 177 watt-uur per kilometer • het totaalrendement ("plug-to-wheel") van de auto is 88% • het energieverbruik uit het stopcontact is dus 177 / 0,88 = 201 watt-uur per kilometer • het totaalrendement van de productie van elektriciteit is 40% • het primaire energieverbruik is dus 201 / 0,40 = 502 watt-uur per kilometer • omgerekend naar benzine-equivalent komt men op 1 liter per 18 kilometer • het gewicht van de accu is 700 kilogram • het gewicht van de auto is 2100 kilogram • thuis is de laadtijd van de accu ongeveer 8 uur • met een supercharger kan de accu in 40 minuten tot 80% worden opgeladen • de supercharger levert rechtstreeks gelijkstroom aan de accu. Met speciale kabels wordt daarbij de laadapparatuur in de auto omzeild. • de gelijkstroom is aanvankelijk 200 ampère bij een spanning van 380 volt (= 76 kilowatt) en neemt langzaam af tot 125 ampère, als de lading van 80% wordt bereikt |
|
• een accu van 50 kilowatt-uur • de actieradius is 345 kilometer • de auto accelereert in 6 seconden van 0 naar 100 kilometer per uur • de auto is voorzien van "Auto Pilot" hardware en daarmee voorbereid voor autonoom rijden |
|
Lightyear One |
|
• stel, het rendement van de zonnecellen is 24% • daarmee is de opbrengst in Nederland 200 kilowatt-uur per vierkante meter per jaar • stel, het verbruik van de auto is 0,1 kilowatt-uur per kilometer • op 1 vierkante meter zonnecellen kan de auto dan 2 000 kilometer per jaar rijden • voor 10 000 kilometer per jaar zijn dus 5 vierkante meters aan zonnecellen nodig • voorwaarde is wel, dat de auto altijd in de open lucht wordt geparkeerd en dat er nooit schaduw op de zonnecellen valt |
|
• de energiebron voor een waterstof auto is waterstof • in een brandstofcel "verbrandt" de waterstof, waardoor elektriciteit wordt opgewekt • bij de verbranding van waterstof ontstaan geen schadelijke gassen, alleen maar water • de opgewekte elektriciteit wordt via een accu toegevoerd aan een elektromotor, die de auto voortbeweegt • bij remmen en snelheidsvermindering wordt energie teruggeleverd aan de accu |
|
• het rendement van de productie van elektriciteit is 40% • het rendement van elektrolyse van water is 70% • het rendement van een brandstofcel is 50% • het rendement van een elektromotor is 90% |
|
• het totaalrendement is slechts 40% × 70% × 50% × 90% = 13% • bij een voortbewegingsenergie van 150 watt-uur per kilometer, is de primaire energie 150 / 0,13 = 1154 watt-uur per kilometer • als er 4 personen in de auto zitten, komt men op 288 watt-uur per persoon per kilometer • het rendement van alleen de auto is 50% × 90% = 45% • het rendement van de productie van waterstof is 40% × 70% = 28% |
|
Toyota Mirai |
|
• deze 4-persoons waterstof auto heeft een actieradius van 500 kilometer • de waterstof kan in 3 minuten worden getankt. • de gezamenlijke inhoud van de 2 tanks is 122 liter • de druk in de tanks is 700 bar (1 bar is ongeveer 1 atmosfeer) • bij een druk van 1 bar is de soortelijke massa van waterstof 0,09 kilogram per kubieke meter • de massa van 122 liter waterstof bij een druk van 700 bar is 0,122 × 0,09 × 700 = 7,7 kilogram • de energie-inhoud van 7,7 kilogram waterstof is 7,7 × 33,6 = 258 kilowatt-uur • het rendement van de brandstofcel en de elektromotor samen is 50% × 90% = 45 % • de elektromotor levert bij een volle tank dus 45% × 258 = 116 kilowatt-uur = 116 000 watt-uur • daarmee is de voortbewegingsenergie 116 000 / 500 = 232 watt-uur per kilometer • de auto is bruikbaar vanaf een temperatuur van min 30 graden celsius |
|
• de elektrische auto • de hybride auto (de Prius) • de waterstof auto |
|
• zonne-energie (uit de Sahara) en windenergie (afkomstig van windmolenparken in zee) is niet continu beschikbaar (de zon schijnt 's nachts niet en het waait ook niet altijd) • voor de elektriciteit die door deze "groene" energiebronnen wordt opgewekt is er dus een opslagprobleem • met deze elektriciteit kan waterstof worden geproduceerd, door elektrolyse (ontleding) van water • het rendement van elektrolyse van water is 70% • bij het produceren van waterstof gaat dus 30% van de "groene" energie verloren • in tegenstelling tot elektriciteit, kan waterstof (onder zeer hoge druk) wèl opgeslagen worden, zowel in ongelimiteerde hoeveelheden als gedurende langere tijd • de waterstof kan via brandstofcellen (of gasturbines) weer elektriciteit terug leveren, waarbij het enige "verbrandingsproduct" water is • waterstof is in dit scenario een energiedrager |
|
• het rendement van elektrolyse van water is 70% • het rendement van een brandstofcel is 50% • het cyclusrendement van de opslag van groene energie in waterstof en het terugwinnen van de elektriciteit met een brandstofcel is dus 70% × 50% = 35% |
|
• waterstof kan worden gebruikt voor de tijdelijke opslag van “groene” energie • waterstof kan worden gebruikt als brandstof voor een waterstof auto • waterstof kan aardgas gedeeltelijk vervangen |
|
• splijting van uraniumkernen. Dit wordt kernenergie genoemd • samensmelting van waterstofkernen. Dit wordt kernfusie genoemd |
|
• kernfusie is inherent veilig, zodra er iets mis gaat, stopt de reactie • bij kernfusie komt weinig radioactief afval vrij • het afval heeft een korte halveringstijd |
| 1 kilogram massa is equivalent aan 25 miljard kilowatt-uur |
| of of |
300 ton |
verrijkt Uranium steenkool |
| • • |
voor het aanvoeren van verrijkt Uranium voor het aanvoeren van de steenkool |
6 goederenwagens |
= 60 meter = 7200 kilometer |
|
• de voorraad fossiele brandstoffen is groot, maar eindig. (over 75 jaar zijn alle economisch winbare fossiele brandstoffen op, behalve steenkool) • duurzame energie zal nooit voldoende zijn, want er komen steeds meer mensen, met steeds meer energiebehoefte |
|
• de wereldbevolking en het energieverbruik nemen sterk toe • aardgas en aardolie raken nog deze eeuw op • duurzame energie zal een beperkte rol blijven spelen • kernfusie gaat nog minstens 50 jaar duren |
|
• kolencentrales en kernenergie zijn dus onontkoombaar |
|
• "ze" vinden er wel wat op (je zet gewoon de Sahara vol met zonnepanelen) • het zal mijn tijd wel duren (dat is nog maar de vraag en hoe moet het dan met het nageslacht?) • op termijn wordt alle energie duurzaam opgewekt (dus alle energie die nodig is voor de voedselproductie, verwarming, industrie, vliegtuigen, treinen en 1 miljard auto's?) |
|
• de hoeveelheid zonne-energie die jaarlijks op de gehele aarde wordt ingestraald, is 7000 keer zoveel als het wereldverbruik van primaire energie • in 2020 werd in Nederland 4 miljard kilowatt-uur zonne-energie opgewekt • dat is slechts 3,5% van het totale elektriciteisverbruik van Nederland |
| Frankrijk België |
77% 54% |
Zweden Zwitserland |
43% 41% |
Duitsland Engeland |
23% 14% |
Nederland |
4% |
vermogen |
productie- |
energie per jaar |
bouwkosten |
levensduur |
|
| kerncentrale Hinckley Point |
3200 |
94% |
26 350 000 |
21,0 |
60 |
| windmolenpark Gemini |
600 |
49% |
2 600 000 |
2,8 |
20 |
|
• de kerncentrale levert per jaar 10 keer zo veel energie als het windmolenpark • de bouwkosten van de kerncentrale zijn 7,5 keer zo hoog als van het windmolenpark, maar de levensduur is 3 keer zo lang. • de jaarkosten van kernenergie zijn dus 2,5 keer zo hoog als van windenergie • kernenergie is dus 10 / 2,5 = 4 keer goedkoper dan windenergie • bij kernenergie zijn er extra kosten voor kernbrandstof, ontmanteling en opbergen van radio-actief afval • windmolenparken vragen veel onderhoud, vooral windmolenparken in zee • windenergie is niet continu beschikbaar (de productiefactor = 49%). Daarom is dure, grootschalige opslag van windenergie noodzakelijk, zoals opslag in waterstof (dat gaat met een slecht rendement) |
|
• onomkeerbare klimaatverandering (broeikaseffect) • daardoor stijging van de zeespiegel en overstromingen • steeds verdere toename van de luchtvervuiling (CO2 en stikstofoxiden) • uitputting van alle fossiele brandstoffen • milieurampen met olietankers, met booreilanden en bij het boren naar olie in zee, zoals:de olieramp in Alaska, in de Golf van Mexico en in de Nigerdelta • oorlogen om de aanvoer van olie of aardgas veilig te stellen • aardbevingen en bodemdaling door olie- en gaswinning |
|
• geen CO2-uitstoot • een beperkt (radioactief) afvalprobleem dat in principe oplosbaar is • een zeer kleine kans op ongelukken met kerncentrales (zie Frankrijk) |
|
• de veiligheid van kernreactoren • het veilig opbergen van radioactief afval • gevaar voor verspreiding van kernwapens |
| lekker leuk gemakkelijk lekker warm lekker koel |
vlees, kasgroente, diepvriesproducten, uit de tropen aangevoerd fruit vlieg- en autovakanties, veel kinderen, de TV (die de hele dag aanstaat), langdurig douchen de auto, koelkast, (af)wasmachine, wasdroger centrale verwarming airconditioning |
|
• in 2013 was het elektriciteitsverbruik in Nederland 115 miljard kilowatt-uur • bij een rendement van 40% was voor de opwekking hiervan 288 miljard kilowatt-uur primaire energie nodig • het totale primaire energieverbruik, nodig voor verwarming, de industrie, auto's en de opwekking van elektriciteit was 900 miljard kilowatt-uur. • dat is ruim 3 keer zoveel primaire energie als nodig is voor de opwekking van alleen elektriciteit |
|
1 zonnepaneel van 1,6 vierkante meter levert 0,2 megawatt-uur per jaar 1 windmolen van 3 megawatt levert 8 000 megawatt-uur per jaar |
|
of 115 000 000 / 0,2 = 575 000 000 zonnepanelen van 1,6 vierkante meter of 115 000 000 / 8 000 = 14 375 windmolens van 3 megawatt |
|
• het gemiddelde rendement van de opwekking van elektriciteit = 50% (STEG en conventioneel) • het elektriciteitstransport via hoogspanningsleidingen = 95% • de omzetting van de hoogspanning naar laagspanning = 95% • het elektriciteitstransport via het laagspanningsnet naar het stopcontact van de verbruiker = 92% • het totale rendement is 50% × 95% × 95% × 92% = 40% (afgerond) |
|
• oppompen uit de oliebron = 97% • vervoer naar de raffinaderij = 99% • het raffinageproces = 85% • het vervoer naar de benzinepomp = 99% • het totale rendement is 97% × 99% × 85% × 99% = 80% |
|
• E = mc2 (Einstein) • m = 1 kilogram massa • c = de lichtsnelheid = 3 × 108 meter / seconde • c2 = 9 × 1016 meter2 / seconde2 • 1 joule = 1 kilogram × meter2 / seconde2 • E = 1 × 9 × 1016 joule = 90000 × 109 kilojoule • 1 kilowatt-uur = 3600 kilojoule • E = (90000 × 109) / 3600 = 25 miljard kilowatt-uur |
| 1 kilogram massa is equivalent aan 25 miljard kilowatt-uur |
|
• Massa is de hoeveelheid materie. • Gewicht is de kracht waarmee massa door de zwaartekracht van de aarde wordt aangetrokken. • Op de aarde is de zwaartekracht niet overal even groot en het gewicht dus ook niet. • Massa is wel overal hetzelfde, dus bijvoorbeeld ook in het International Space Station. Het gewicht van massa is daar nul, omdat er geen zwaartekracht is. • Het gewicht van massa op aarde is gedefinieerd bij een versnelling van de zwaartekracht van 9,81 meter per seconde2. • De eenheid van massa is de kilogram |
|
• bijna alle energiebronnen op aarde (aardolie, aardgas, steenkool, biomassa, wind- en waterkracht) vinden hun oorsprong in zonne-energie. • uitzonderingen zijn: geothermische energie, kernenergie en energie afkomstig van de maan. (getijdencentrales). • de meest directe energiebron is de licht- en warmtestraling van de zon. Deze energiebron is schoon en onuitputtelijk en daar zullen we het in de verre toekomst voor een groot deel van moeten hebben. • de energie die de zon uitstraalt wordt opgewekt door kernfusie. • elke seconde wordt in de zon 4,27 miljard kilogram massa omgezet in energie. |
|
• de afstand van de zon tot de aarde is 150 miljoen kilometer • de lichtsnelheid is 300 000 kilometer per seconde • de afstand is dus 150 000 000 / 300 000 = 500 lichtseconden = 8,33 lichtminuten • buiten de dampkring en bij loodrechte instraling is het stralingsvermogen van de zon 1,36 kilowatt per vierkante meter (dat is de zonneconstante) • het totale stralingsvermogen van de zon is dus: de zonneconstante vermenigvuldigd met de oppervlakte van een bol met een straal van 150 miljoen kilometer • r = de straal van de bol = 150 × 109 meter • de oppervlakte van de bol = 4 π r2 = 4 π × 1502 × 1018 vierkante meter • de totale hoeveelheid energie die de zon in 1 seconde uitstraalt = 1,36 × 4 π × 1502 × 1018 × 1 kilowatt-seconde • 1 kilogram massa = 25 × 109 × 3600 kilowatt-seconde • de energie die de zon in 1 seconde uitstraalt is equivalent aan: (1,36 × 4 π × 1502 × 1018 × 1) / (25 × 109 × 3600) = 4,27 miljard kilogram massa |
|
• de totale hoeveelheid ingestraalde zonne-energie is gelijk aan wat loodrecht valt op een cirkelvormig vlak met de straal van de aarde (r = 6 400 kilometer) • de oppervlakte van dat cirkelvormig vlak is π r2 = π × 40 × 1012 vierkante meter • het vermogen van de zonnestraling op het aardoppervlak is 1 kilowatt per vierkante meter • de ingestraalde zonne-energie per vierkante meter per jaar = 1 kilowatt × 24 uur × 365 dagen = 8760 kilowatt-uur • de ingestraalde zonne-energie op het cirkelvormige vlak (dus op de aarde) = π × 40 × 1012 × 8760 = 11 000 × 1014 kilowatt-uur per jaar • in 2016 was het wereldverbruik van primaire energie 1,6 × 1014 kilowatt-uur • de ingestraalde zonne-energie is dus 7000 keer zoveel als het wereldverbruik van primaire energie |
|
• het aardoppervlak bestaat voor 71% uit water, de instraling op de resterende 29% is dus 29% × 7000 = 2000 keer het wereldverbruik van primaire energie • een groot deel van de zonne-energie wordt tegengehouden door de bewolking • voor de opwekking van elektriciteit door zonne-energie, zijn gigantische oppervlakten nodig • er bestaat nog geen efficiënt, grootschalig systeem voor de opslag van zonne-energie • het rendement van de omzetting van zonne-energie naar elektriciteit is laag |
|
• het finale wereld energieverbruik in 2014 was
110 × 1012 kilowatt-uur • een zonnepaneel in de Sahara levert ongeveer 300 kilowatt-uur per vierkante meter per jaar • netto is dus nodig (110 × 1012) / 300 = 0,37 × 1012 vierkante meter • dat is 370 000 vierkante kilometer • de panelen mogen niet in elkaars schaduw staan • er moeten paden tussen de panelen zijn voor bereikbaarheid, onderhoud en hulpapparatuur • de bruto oppervlakte is daarom 3 keer zo groot, dus ruim 1 000 000 vierkante kilometer • dat is een vierkant van 1000 × 1000 kilometer = 25 keer de oppervlakte van Nederland |
|
• Zonnepanelen in de Sahara worden erg warm. Het rendement neemt daardoor af • Gedurende de nacht (dat is de helft van de tijd), leveren zonnepanelen in de Sahara niets op. Er is dus een opslagprobleem • Geconcentreerde zonnestraling lijkt een betere oplossing, mede omdat daarbij vaak een deel van de opgevangen warmte tijdelijk kan worden opgeslagen. Hiermee kunnen zonloze periodes worden overbrugd • Het is niet eenvoudig, om de elektriciteit van de Sahara naar bijvoorbeeld Europa te transporteren. Dat moet in de vorm van gelijkstroom via hoogspanningskabels, want bij wisselstroom zijn de capacitieve verliezen te groot • Een andere mogelijkheid is energietransport via de omweg van waterstof. Dat gaat met een slecht rendement, maar hierbij is dan wel het opslagprobleem opgelost |
|
• de energie-opbrengst van een centrale van 600 megawatt is 4,2 miljard kilowatt-uur per jaar • een zonnepaneel in Nederland levert ongeveer 150 kilowatt-uur per vierkante meter per jaar • voor de vervanging van de centrale zijn dus netto 28 vierkante kilometer zonnepanelen nodig • de panelen mogen niet in elkaars schaduw staan • er moeten paden tussen de panelen zijn voor bereikbaarheid, onderhoud en hulpapparatuur • de bruto oppervlakte is daarom 3 keer zo groot, dus 84 vierkante kilometer • dat is een vierkant van ruim 9 × 9 kilometer |
|
• stel, het gemiddelde vermogen van de zonnestraling is 500 watt per vierkante meter • dat is 0,05 watt per vierkante centimeter • de zonnecel heeft een effectieve oppervlakte van 50 vierkante centimeter • het rendement van de zonnecel is 20% • het vermogen van de zonnecel is dan 0,5 watt • de accu van een iPhone heeft een energie-inhoud van 5 watt-uur • het volledig opladen duurt dan minimaal 10 uur |
|
• licht plant zich (rechtlijnig) voort door middel van elektromagnetische golven. (en dus niet door "ethergolven") • licht bereikt een waarnemer altijd met de lichtsnelheid (in vacuüm) • het maakt daarbij niet uit, of een lichtbron (bijvoorbeeld een ster) beweegt ten opzichte van de waarnemer, of dat de waarnemer beweegt ten opzichte van een lichtbron. • de lichtsnelheid (in vacuüm) ten opzichte van de waarnemer is altijd in alle richtingen 300 000 kilometer per seconde en wordt daarom aangeduid met de letter c (= constant) |
|
• de relativiteitstheorieën
van Einstein • de moderne sterrenkunde • GPS (= global positioning system) |
|
• Bij de Evenaar is de daglengte het gehele jaar 12 uur. In de lente en de herfst staat de zon loodrecht boven de Evenaar • De hoeveelheid zonne-energie, die in een etmaal bij een volkomen wolkenloze hemel op een horizontaal geplaatst zonnepaneel valt, is dan gelijk aan 24 uur / π = 7,6 uur volle zon • In de zomer en de winter, staat de zon loodrecht boven een keerkring en dan is de instraling op de Evenaar iets minder • De productiefactor gedurende een etmaal en dus ook gedurende een jaar, komt daarmee op 31,8% In Nederland is dit 11,4% • Bij de Evenaar is de productiefactor dus maar 3 keer zo groot als in Nederland |
|
• 606 panelen met een totale oppervlakte van 770 vierkante meter • de jaaropbrengst is 64 000 kilowatt-uur • de jaaropbrengst per vierkante meter is 83 kilowatt-uur • de gemiddelde dagopbrengst is 175 kilowatt-uur |
kilowatt-uur |
procenten |
|
| januari | 1 040 |
1,6 |
| februari | 1 582 |
2,5 |
| maart | 5 244 |
8,2 |
| april | 8 454 |
13,3 |
| mei | 11 216 |
17,6 |
| juni | 10 301 |
16,2 |
| juli | 9 544 |
14,9 |
| augustus | 6 801 |
10,7 |
| september | 4 933 |
7,7 |
| oktober | 3 357 |
5,3 |
| november | 959 |
1,5 |
| december | 348 |
0,5 |
| totaal | 63 779 |
100,0 |
|
• in mei was de energie-opbrengst 32 keer zoveel als in december • in maart t/m augustus was de energie-opbrengst 80% van de jaaropbrengst • in september t/m februari was de energie-opbrengst 20% van de jaaropbrengst |
onbewolkt |
bewolkt |
3 juni 520 kilowatt-uur |
11 juni 63 kilowatt-uur |
16 november 101 kilowatt-uur |
27 november 3 kilowatt-uur |
|
• in de zomer was de dagopbrengst bij een onbewolkte hemel 520 / 63 = 8 keer zoveel als bij een bewolkte hemel • in de winter was de verhouding 101 / 3 = 34 • gedurende het hele jaar was de verhouding 520 / 3 = 173 |
2018 |
daglengte |
|
08 januari 30 januari 15 februari 03 maart 18 maart 01 april 16 april 03 mei 21 mei 20 juni 21 juli 09 augustus 26 augustus 10 september 25 september 10 oktober 26 oktober 11 november 04 december 21 december |
08 uur |
gebeurtenis |
positie van de zon |
H |
|
20 maart |
lente equinox |
boven de evenaar |
37,9 graden |
21 juni |
zomer wende |
noorder keerkring |
61,4 graden |
23 september |
herfst equinox |
boven de evenaar |
37,8 graden |
21 december |
winter wende |
zuider keerkring |
14,5 graden |
|
• lawaai • het zonlicht kan bij een bepaalde stand van de zon hinderlijk worden onderbroken door de ronddraaiende wieken. (een paar uur per jaar) • de ronddraaiende wieken veroorzaken soms storing bij straalverbindingen, in de ontvangst van "aardse" televisiezenders en bij (scheeps)radar • horizonvervuiling (eindeloze woonwijken aan de horizon zijn geen probleem) • vogels vliegen zich tegen de wieken te pletter • bij windmolenparken in zee: aantasting van de fauna en flora op de zeebodem • bij grote windmolenparken in zee gaat het boven land minder regenen en waaien, terwijl ook de golfslag vermindert. |
|
• het finale wereld energieverbruik in 2016 was
110 × 1012 kilowatt-uur • de grootste windmolen ter wereld levert 21 × 106 kilowatt-uur per jaar • voor het wereld energieverbruik zouden dus nodig zijn: (110 × 1012) / (21 × 106) = 5 miljoen molens van het type "grootste ter wereld" |
|
• 550 000 elektrische zonnepanelen • het totale vermogen is 52 megawatt • de productiefactor is 11,4% • de grondoppervlakte is 1,2 vierkante kilometer • de energie-opbrengst is 52 000 megawatt-uur per jaar • dat is 43 333 megawatt-uur per vierkante kilometer per jaar |
|
• 150 windturbines van 4 megawatt • het totale vermogen is 600 megawatt • de productiefactor is 49% • de oppervlakte van het park is 68 vierkante kilometer • de energie-opbrengst is 2 600 000 megawatt-uur per jaar • dat is 38 235 megawatt-uur per vierkante kilometer per jaar |
|
• in de winter levert zonne-energie weinig op en 's nachts niets, terwijl de energiebehoefte dan juist groot is • zonne-energie is niet realiseerbaar op zee • bij zonne-energie op land is de hierdoor gebruikte oppervlakte niet beschikbaar voor andere doeleinden • vast opgestelde zonnepanelen vragen weinig onderhoud |
|
• in de winter levert windenergie relatief veel op, terwijl de energiebehoefte dan ook groot is • windenergie is ook realiseerbaar op zee • bij een windmolenpark op land kan de oppervlakte worden gebruikt voor landbouw of er kunnen koeien grazen • windmolens vragen veel onderhoud |
brandstof |
zuurstof |
kooldioxide |
water |
| 1 kilogram koolstof | 2,67 |
3,67 |
- - - |
| 1 kilogram methaan | 4,00 |
2,75 |
2,25 |
| 1 kilogram benzine | 3,51 |
3,09 |
1,42 |
| 1 kilogram dieselolie | 3,47 |
3,12 |
1,35 |
| 1 kilogram waterstof | 8,00 |
- - - |
9,00 |
|
• de massa van brandstof + zuurstof = de massa van kooldioxide + water (wet van behoud van massa) • bij het verbranden van koolstof ontstaat alleen kooldioxide (CO2) • bij het verbranden van koolwaterstoffen (methaan, benzine en dieselolie) ontstaat kooldioxide + water • bij het verbranden van waterstof ontstaat alleen water |
brandstof |
A |
B |
C |
rendement |
D |
| 1 kilogram steenkool | 8,1 |
3,7 |
0,46 |
kolencentrale = 40% |
1,14 |
| 1 kubieke meter aardgas | 8,8 |
1,8 |
0,20 |
STEG centrale = 58% |
0,34 |
| 1 liter benzine | 9,1 |
2,4 |
0,26 |
benzinemotor = 25% |
1,04 |
| 1 liter dieselolie | 10,0 |
2,7 |
0,27 |
dieselmotor = 35% |
0,77 |
|
• bij de verbranding van 1 kubieke meter aardgas ontstaat 2,2 kilogram CO2 • de energie-inhoud van 1 kubieke meter aardgas is 8,8 kilowatt-uur • het rendement van de productie van elektriciteit door een gasgestookte centrale tot aan het stopcontact is 40% • de hoeveelheid elektriciteit uit het stopcontact is dus 0,40 × 8,8 = 3,5 kilowatt-uur per kubieke meter aardgas • 1 kilowatt-uur uit het stopcontact veroorzaakt 2,2 / 3,5 = 0,630 kilogram CO2 "well-to-plug" |
|
• de soortelijke massa van lucht is 1,29 kilogram per kubieke meter bij een druk van 1 atmosfeer. • 1 atmosfeer is een druk van 1 kilogram per vierkante centimeter = 10 000 kilogram per vierkante meter. • de effectieve hoogte van de atmosfeer is dus 10 000 / 1,29 = 8000 meter • de luchtdruk neemt af met de hoogte (steeds minder snel naarmate de hoogte toeneemt) • op een hoogte van 5500 meter is de druk 0,5 atmosfeer • op 10,5 kilometer hoogte, waar het meeste vliegverkeer plaatsvindt, is de druk nog 0,25 atmosfeer |
watt |
lumen |
lumen per watt |
lichtrendement |
|
| gloeilamp | 75 |
930 |
12 |
5% |
| spaarlamp | 23 |
1550 |
67 |
29% |
| TL-buis | 51 |
4800 |
94 |
41% |
| led-lamp | 16 |
1600 |
100 |
44% |
|
• de lichtstroom van een lichtbron wordt gemeten in lumen • met het aantal lumen per watt kan het lichtrendement worden berekend • bij 228 lumen per watt is het lichtrendement 100% (dat geldt, als men rekening houdt met de oog-gevoeligheidskromme) • het lichtrendement van een lichtbron is dus: (het aantal lumen per watt / 228 lumen per watt) × 100% |
|
• een spaarlamp is een opgevouwen of opgerolde fluorescentiebuis, met een voorschakelapparaat in de lampvoet • de levensduur van spaarlampen valt nogal tegen, vooral als ze vaak in- en uitgeschakeld worden. Dan wordt meestal nog niet eens 1 jaar gehaald. Dit in tegenstelling tot gewone gloeilampen die veel langer meegaan • een spaarlamp kan slechts 2500 keer in- en uitgeschakeld worden. Bij een brandduur van 3 minuten per keer, (bijvoorbeeld op de WC), is de levensduur 125 uur • bij een brandduur van 4 uur per keer haalt men 10 000 uur • het hangt dus van de toepassing af, wat de beste keus is, een spaarlamp of een gloeilamp • na inschakelen duurt het enkele minuten voordat de lichtopbrengst maximaal is • op de verpakking van de lamp staat, dat de levensduur 8 jaar is, maar men mag blij zijn als de helft wordt gehaald. |
|
• Een led-lamp geeft vaak gebundeld licht. Het rendement lijkt daardoor hoger dan het is. Dat kan dan ook niet rechtstreeks worden vergeleken met een "bolstraler" zoals een spaarlamp. • Het rendement wordt nadelig beïnvloed door de omzetting van de netspanning naar de lage brandspanning van de led's (meestal 2 tot 5 volt) en de slechte arbeidsfactor • De voordelen van de led-lamp zijn de kleine afmetingen, de levensduur en de schokbestendigheid. Bovendien is na inschakelen van de led-lamp het licht onmiddellijk op volle sterkte. (net zo snel als bij een gloeilamp) • Voor ruimteverlichting lijken led-lampen nog niet erg geschikt. Wel zijn ze geschikt voor straatverlichting, decorverlichting, speciale lichteffecten, backlight van TV-schermen en bij toepassingen waarbij gekleurd licht gewenst is • In vergelijking met kleine gloeilampjes, zoals bijvoorbeeld in zaklantaarns en in het achterlicht van een fiets, is het rendement van led's zeer hoog |
maximaal aantal |
leeg |
brandstof |
vliegbereik |
per passagier, |
|
| Airbus 321 |
220 |
45 ton |
26 ton |
7 400 |
49,0 |
| Airbus 380 |
840 |
275 ton |
261 ton |
14 450 |
37,2 |
| Boeing 747 |
524 |
181 ton |
173 ton |
13 445 |
32,5 |
| Boeing 777 |
550 |
160 ton |
140 ton |
11 000 |
34,6 |
|
• de werking van een straalmotor (en de raketmotor) berust op het principe van actie = reactie (3e wet van Newton) • de stuwkracht ontstaat, doordat er veel massa met een hoge snelheid wordt uitgestoten • bij een turbofan stroomt een grote hoeveelheid lucht langs de verbrandingsruimte van de straalmotor (ongeveer 5 keer zoveel als voor de verbranding van de kerosine nodig is) • de massa die wordt uitgestoten, is de som van de massa van de verbrandingsproducten van de straalmotor en de massa van de lucht die langs de verbrandingsruimte stroomt • de massa wordt uitgestoten met een snelheid van ongeveer 285 meter per seconde |
|
• een Jumbo met een massa van 300 000 kilogram versnelt op de startbaan in 55 seconden naar de "take off" snelheid van 290 kilometer per uur • m = 300 000 kilogram t = 55 seconden v = 80 meter per seconde. • de (gemiddelde) versnelling a is dan 1,5 meter per seconde2 (v = at) • de afgelegde weg S = ½ × 1,5 × 552 = 2270 meter (S = ½ at2) |
|
• voor de verbranding van 1 kilogram kerosine is 3,47
kilogram zuurstof nodig, dus 17,35 kilogram lucht (lucht bevat 20% zuurstof en 80% stikstof) • hierbij komt nog de massa van 1 kilogram kerosine, totaal dus 18,35 kilogram • de massa van de lucht die daarbij langs de verbrandingsruimte stroomt is 5 × 17,35 = 86,75 kilogram • bij de verbranding van 1 kilogram kerosine per seconde is de totale uitstoot dus 105 kilogram per seconde • bij een uitstroomsnelheid van 285 meter per seconde is de stuwkracht: 105 × 285 = 30 000 kilogram-meter per seconde2 = 30 000 newton |
|
• voor de versnelling van 1,5 meter per seconde2 van een Jumbo
met een massa van 300 000 kilogram is een stuwkracht nodig van 450 000 newton (kracht = massa × versnelling) • de verbranding van 1 kilogram kerosine per seconde levert een stuwkracht van 30 000 newton • voor een stuwkracht van 450 000 newton is dus 15 kilogram kerosine per seconde nodig • de totale stuwkracht wordt bij een Jumbo geleverd door 4 motoren |
|
• het verbruik van een Jumbo bij de kruissnelheid
van 900 kilometer per uur is 15 liter kerosine per kilometer (15 liter = 12 kilogram) • 900 kilometer per uur = 1 kilometer in 4 seconden • het verbruik bij de kruissnelheid is dus 12 kilogram in 4 seconden • tijdens het opstijgen is het verbruik 15 kilogram in 1 seconde • dat is per seconde dus 5 keer zo veel als bij de kruissnelheid |
|
• bij dezelfde energie-inhoud, zijn accu's 60 keer zo zwaar als kerosine • het rendement van een elektromotor is 3 keer zo hoog als van een straalmotor • bij een elektrisch vliegtuig wegen de accu's dus 20 keer zoveel als kerosine bij een gewoon vliegtuig • een elektrisch vliegtuig kan alleen vliegen met propellers en vliegt daardoor langzamer dan een vliegtuig met straalmotoren • een elektrisch vliegtuig wordt tijdens de vlucht niet lichter in gewicht, in tegenstelling tot een vliegtuig dat kerosine verbruikt • een Jumbo zou voor het maximale bereik een gewicht van 3200 ton aan accu’s moeten meenemen, tot aan de landing toe • dat is bijna 20 keer zoveel als het leeggewicht van het vliegtuig |
|
• de basisuitvoering van de Dubbeldekker bestaat uit 4 wagons • het bruto vermogen van de trein is 1890 kilowatt • de spanning op de bovenleiding is tegenwoordig 1800 volt • deze trein verbruikt bij vol vermogen dus een stroom van ruim 1000 ampère en vertegenwoordigt daarbij een weerstand van ongeveer 2 ohm • de (gelijk)stroom, afkomstig van een voedingsstation, wordt via de bovenleiding aan de trein toegevoerd • de rails vormt de retourleiding • de totale weerstand van 10 kilometer bovenleiding + rails is ongeveer 0,2 ohm • de afstand tussen 2 voedingsstations is maximaal 20 kilometer. De trein is dus nooit verder dan 10 kilometer van een voedingsstation verwijderd. |
|
• in Nederland rijden de elektrische treinen op 1800 volt gelijkspanning (nominaal 1500 volt) • het energieverbruik van een trein = spanning × stroom × tijd • als men, bijvoorbeeld de spanning 5 keer zo hoog zou maken, dan zou de stroom bij hetzelfde energieverbruik 5 keer zo klein worden • het energieverlies in de bovenleiding is evenredig met het kwadraat van de stroom • de verliezen zouden dan dus 25 keer zo klein worden |
snelheid |
A |
B |
C |
D |
10 km/uur |
8 watt |
7 watt |
15 watt |
1,5 watt-uur |
20 km/uur |
18 watt |
56 watt |
74 watt |
3,7 watt-uur |
30 km/uur |
32 watt |
189 watt |
221 watt |
7,4 watt-uur |
40 km/uur |
52 watt |
448 watt |
500 watt |
12,5 watt-uur |
|
• een goed getrainde fietser, kan continu een vermogen van 130 watt leveren. Daarmee wordt bij windstil weer, op een toerfiets, een snelheid van 25 kilometer per uur bereikt • met een ligfiets haalt men bij hetzelfde vermogen 32 kilometer per uur • een wielrenner kan continu 300 watt leveren. Op een racefiets is dat goed voor een snelheid van 40 kilometer per uur • Lance Armstrong haalde ooit 450 watt. Daarmee was hij in staat om de "Alpe d'Huez" in 38 minuten te "beklimmen". Het hoogteverschil hierbij is 1061 meter. De afgelegde afstand is 13,8 kilometer. De gemiddelde snelheid was dus 21,8 kilometer per uur |
|
• energie = luchtweerstand × afgelegde weg • vermogen = energie / tijd • dus vermogen = luchtweerstand × snelheid • de luchtweerstand is evenredig met de 2e macht van de snelheid • het vermogen is dus evenredig met de 3e macht van de snelheid |
|
• energie = luchtweerstand × afgelegde weg • de luchtweerstand is evenredig met de 2e macht van de snelheid • dus de energie is evenredig met de 2e macht van de snelheid |
|
• stel, de afstand is 30 kilometer heen en 30 kilometer terug • geen wind, fietssnelheid 20 kilometer per uur, de fietser is 3 uur onderweg • een wind van 10 kilometer per uur, mee of tegen Bij dezelfde snelheid t.o.v. de wind, ondervindt de fietser steeds dezelfde luchtweerstand Heen (wind mee) 30 kilometer per uur en terug (wind tegen) 10 kilometer per uur Nu is de fietser 1 + 3 = 4 uur onderweg De hoeveelheid geleverde energie is nu 4 / 3 = 1,33 keer zo veel als bij windstil weer |
|
• stel, de zijwind is net zo sterk is als de rijwind • de luchtsnelheid van de resultante van de zijwind en de rijwind is dan √ 2 keer zo groot als de luchtsnelheid in de rijrichting • de resultante maakt een hoek van 45 graden met de rijrichting • dat is dus een tegenwind, onder een hoek van 45 graden • de luchtweerstand is evenredig met het kwadraat van de luchtsnelheid • de luchtweerstand van de resultante is daardoor 2 keer zo groot als de luchtweerstand in de rijrichting bij windstil weer • de resultante kan ontbonden worden in de luchtweerstand in de rijrichting en loodrecht daarop • het resultaat is, dat als gevolg van de zijwind, de luchtweerstand in de rijrichting √ 2 = 1,4 keer groter is dan bij windstil weer • het kost dus (in dit voorbeeld) bij zijwind 1,4 keer zoveel energie om dezelfde afstand af te leggen als bij windstil weer. |
een helling |
of tegenwind |
fietsvermogen |
0% |
0,0 km/uur |
75 watt |
1% |
7,9 km/uur |
129 watt |
2% |
13,7 km/uur |
184 watt |
3% |
19,1 km/uur |
238 watt |
4% |
23,4 km/uur |
292 watt |
5% |
27,4 km/uur |
346 watt |
6% |
31,3 km/uur |
400 watt |
|
• bij een snelheid van 20 kilometer per uur en een tegenwind van 4 meter per seconde, moet een rechtop zittende fietser een hoeveelheid energie leveren van 9 watt-uur per kilometer • voor 50% ondersteuning door een elektrische fiets, is dan 4,5 watt-uur mechanische energie per kilometer nodig. • het rendement van de elektromotor met bijbehorende energieregeling is ongeveer 90% • bij 50% ondersteuning moet de accu van een elektrische fiets dus 4,5 / 0,9 = 5 watt-uur per kilometer leveren. |
actieradius (kilometers) = energie-inhoud van de accu (watt-uur) / 5 (watt-uur per kilometer) |
|
• aandrijving door middel van een motor in het voorwiel • aandrijving door middel van een motor die gekoppeld is aan de trapas • aandrijving door middel van een motor in het achterwiel |
|
• een lithium-ion accu • de energie-inhoud is 300, 400 of 500 watt-uur • voorzien van een rotatiesensor • een versnellingsnaaf met 8 versnellingen • de motor zit in het voorwiel |
|
• een lithium-ion accu, 36 volt bij 11 ampère-uur. • de energie-inhoud is dus 400 watt-uur • een versnellingsnaaf met 8 versnellingen • voorzien van de Bosch middenmotor met trapsensor • de motor is gekoppeld aan de trapas • bij 50% ondersteuning is de actieradius 80 kilometer |
|
• een nikkel-metaalhydride accu, 24 volt bij 10 ampère-uur • de energie-inhoud is dus 240 watt-uur • motor met trapsensor in het achterwiel • voorzien van een derailleur met 7 versnellingen • bij 50% ondersteuning is de actieradius 40 kilometer |
|
• de motor bevindt zich bij de trapas en hierdoor heeft de fiets een laag zwaartepunt en een goede wegligging • de kracht van de fietser + motor wordt via de ketting op het achterwiel overgebracht • bij 50% ondersteuning heeft de ketting het daardoor 4 keer zo zwaar te verduren als bij andere elektrische fietsen • de specificaties van de Bosch middenmotor lijken overdreven optimistisch, maar worden in de praktijk ruimschoots gehaald (getest over 60 000 kilometer) • het Intuvia display is meestal goed leesbaar (dat is wel sterk afhankelijk van de lichtinval) • bij het handvat zit een grote + en – knop, waarmee de mate van ondersteuning kan worden gekozen • dit is het eerste systeem, dat men ook met (dikke) handschoenen aan, goed kan bedienen • het display laat bij elke gekozen ondersteuning de bijbehorende actuele, dynamische actieradius zien. • op het display is een indicatie van het momentele energieverbruik (= het vermogen) te zien • het plaatsen en uitnemen van de accu gaat bijzonder gemakkelijk, mede door de ingebouwde handgreep • de zelfontlading van de lithium-ion accu is slechts 1% per maand • per kilometer kost de afschrijving van de accu ruim 40 keer zo veel als de verbruikte elektriciteit |
|
• de gebruikersvriendelijkheid • de krachtige ondersteuning • de grote actieradius |
ondersteuning |
watt-uur per |
actieradius |
turbo |
8,0 |
50 km |
sport |
6,7 |
60 km |
tour |
5,0 |
80 km |
eco |
3,0 |
135 km |
A |
B |
|
| rolweerstand | 2,9 newton |
2,9 newton |
| luchtweerstand | 9,6 newton |
12.0 newton |
| mechanische weerstand | 0,6 newton |
0,6 newton |
| totale fietsweerstand | 13,1 newton |
15,5 newton |
| totale arbeid per kilometer | 3,64 watt-uur |
4,31 watt-uur |
| actieradius bij 400 watt-uur | 110 kilometer |
93 kilometer |
|
1. het energieverbruik van een elektrische fiets is 10 keer minder dan van een bromfiets 2. de ondersteuning voor 80 kilometer kost ongeveer 400 watt-uur) 3. een uur elektrisch fietsen verbruikt net zoveel energie als een uur TV kijken. Elektrisch fietsen is dus "energieneutraal", want als men niet fietst gaat men toch maar voor de TV of achter de computer zitten 4. een elektrische fiets vraagt vrijwel geen onderhoud 5. voor een elektrische fiets geldt geen helmplicht (maar een helm is natuurlijk wel veiliger) 6. voor een elektrische fiets geldt geen verzekeringsplicht 7. een elektrische fiets is veel sportiever en gezonder dan een bromfiets, omdat men altijd meetrapt 8. een elektrische fiets stinkt niet, maakt geen lawaai en lekt geen olie 9. men kan met een elektrische fiets ook gewoon fietsen 10. met een elektrische fiets, fiets je vaker, verder en vlugger |
|
• het vermogen van de brandstofcel is 24 volt bij 10 ampère, dus 240 watt • in 2 kleine tanks wordt 600 liter pure waterstof vastgelegd in de vorm van een chemische verbinding (metaalhydride) • het verbruik bij maximaal vermogen is 3 liter waterstof per minuut, bij een druk van 0,4 bar • men kan dus 200 minuten op maximaal vermogen rijden • de vultijd van de tanks is 30 minuten, bij 0 graden celsius • om de waterstof weer vrij te maken uit het metaalhydride, moet de temperatuur van de tanks hoger zijn dan 25 graden celsius • het rendement van de brandstofcel is 50% • het gewicht van de brandstofcel is 0,76 kilogram • het gewicht van de 2 waterstoftanks is 6,5 kilogram • volgens de fabrikant is het systeem veilig, omdat het met lage drukken werkt • de tanks hebben een hoge opslagdichtheid • de tanks en de brandstofcel hebben een lange levensduur |
centrale |
locatie |
brandstof |
vermogen |
|
Eemshaven Rotterdam Eemshaven Magnum Clauscentrale Maximacentrale Sloecentrale Enecogen Rijnmond Centrale Moerdijk Velsen Diemen Bergum Clauscentrale Amer Borssele Hemweg PerGen / EuroGen Maasstroom Elsta Merwedekanaal Lage Weide |
Eemshaven Maasvlakte Eemshaven Eemshaven Maasbracht Lelystad Vlissingen Europoort Rotterdam Moerdijk Velsen Diemen Bergum Maasbracht Geertruidenberg Borssele Amsterdam Rotterdam (Botlek) Rotterdam Terneuzen Utrecht Utrecht |
STEG / combi kolen / biomassa kolen STEG STEG STEG STEG STEG STEG STEG STEG STEG combi gas kolen / biomassa kernenergie STEG gas STEG gas STEG STEG |
2445 |
|
• in een stoom- en gascentrale, de STEG centrale, wordt
de elektriciteit opgewekt met behulp van twee turbines • de eerste turbine is een gasturbine, de tweede turbine is een stoomturbine • de stoom voor de stoomturbine wordt geproduceerd door de warmte van de uitlaatgassen van de gasturbine. • vaak zitten de gas- en stoomturbine op dezelfde as en ze drijven dan samen een generator aan • het rendement van een STEG centrale is 58% |
|
• de gasturbine heeft een rendement van 40% • uit de uitlaatgassen, die dus nog 60% van de energie bevatten, wordt via de stoomturbine nog eens 30% gewonnen. • dat levert 18% extra op • totaal komt dit dus uit op 58% |
soort centrale |
A |
B |
| kolen- of gascentrale 600 megawatt | 4 200 000 |
28 |
| kerncentrale Borssele | 3 700 000 |
31 |
| windmolenpark Gemini | 2 600 000 |
44 |
| getijdencentrale Rance | 540 000 |
213 |
| zonnetrogcentrale Andasol | 495 000 |
232 |
| zonnecentrale Waldpolenz | 52 000 |
2212 |
| heliostaten Sevilla | 48 000 |
2396 |
|
• bij een productiefactor van 80% is de jaaropbrengst 600 megawatt × 80% × 24 uur × 365 dagen = 4 200 000 megawatt-uur = 4,2 miljard kilowatt-uur n 1 kilogram massa |
• in 6 jaar levert zo'n centrale 25 miljard kilowatt-uur en dat is equivalent aa
|
• deze centrale omvat 550 000 panelen op een oppervlakte van 1,2 vierkante kilometer • voor de volledige elektriciteitsvoorziening van Nederland zouden er 2212 van deze centrales nodig zijn • dat zijn 2212 × 550 000 = 1,2 miljard panelen op een oppervlakte van 2654 vierkante kilometer • een veld van ruim 50 bij 50 kilometer |
|
• in 2014 waren er in Nederland 8 miljoen auto's • per auto was de afgelegde afstand gemiddeld 15 000 kilometer per jaar • de totaal afgelegde afstand was dus 120 miljard kilometer • dat is 800 keer de afstand aarde - zon • een elektrische auto verbruikt bruto 200 watt-uur per kilometer (inclusief omzettingsverliezen) • in 1 jaar verbruiken 8 miljoen elektrische auto's dus 120 × 0,2 = 24 miljard kilowatt-uur • dit kan worden opgewekt door: of 6 centrales van 600 megawatt of 10 windmolenparken in zee van het formaat "Gemini windmolenpark” of 500 zonneparken van het formaat "Waldpolenz Solar Park” • de infrastructuur van het elektriciteitsnet (centrales, hoogspanningsleidingen en transformatoren) moet aanzienlijk worden vergroot, als iedereen elektrisch gaat rijden |
accu |
verbruik |
actieradius |
|
| General Motors EV1 | 26 |
130 |
200 |
| Tesla Roadster | 56 |
165 |
340 |
| Tesla model S | 85 |
177 |
480 |
|
• de EV1 van General Motors was zijn tijd ver vooruit. Gezien het energieverbruik per kilometer, was het de beste elektrische auto die ooit is gemaakt • de Tesla model S is voorzien van een accu, die in 40 minuten tot 80% kan worden opgeladen door een supercharger. Ook zou het bij deze auto mogelijk zijn, om een lege accu binnen 5 minuten te vervangen door een vol exemplaar (maar daar komt natuurlijk niks van terecht). Volgens de fabrikant is de laad- snelheid "62 miles per hour", een nieuw begrip. |
accu |
verbruik |
actieradius |
|
| Volkswagen ID.3 | 58 |
166 |
350 |
| Renault Zoe R110 | 52 |
165 |
315 |
| Tesla 3 | 50 |
149 |
335 |
| MG ZS EV | 42 |
193 |
220 |
| Hyundai IONIQ | 39 |
157 |
250 |
| BMW i3 | 38 |
161 |
235 |
| Nissan Leaf | 36 |
164 |
220 |
|
• de kleine actieradius • de lange laadtijd van de accu • het grote volume van de accu • het grote gewicht van de accu • de hoge prijs van de accu |
|
• een elektrische auto verbruikt 150 watt-uur per kilometer • 40 kilometer per dag = 14 600 kilometer per jaar • daarvoor heeft men 2 200 kilowatt-uur per jaar nodig • een zonnepaneel van 1,6 vierkante meter levert in Nederland 200 kilowatt-uur per jaar • er zijn dus minstens 11 van die zonnepanelen nodig • in de praktijk gaat dit niet zonder meer lukken, want in de winter is er veel te weinig zonne-energie beschikbaar en bovendien moet de auto dan worden verwarmd • als de auto onderweg is, kan de zonne-energie uit de zonnepanelen op het dak van een huis, niet worden opgeslagen in de accu van de auto • het lichtnet fungeert dan als dag- en seizoenopslag van de zonne-energie • dat moet wel “energieneutraal” gebeuren en alle rendementen moeten in rekening worden gebracht • zonder een aansluiting op het lichtnet is het vrijwel onmogelijk om met een elektrische auto het hele jaar (in Nederland) te rijden op "zonne-energie" |
|
• het totale vermogen van de 2 elektromotoren is 280 kilowatt • de auto accelereert in 3,9 seconden van 0 naar 100 kilometer per uur • de topsnelheid is 260 kilometer per uur • de lithium-keramiek accu heeft een energie-inhoud van 41,5 kilowatt-uur • het gewicht van de accu is 350 kilogram • het gewicht van de auto is 970 kilogram • de actieradius tijdens het racen is 42 kilometer (2 rondjes op de Nürburgring) |
elektrische |
hybride |
benzine |
waterstof |
|
| voortbewegings- energie (per km) |
150 watt-uur |
150 watt-uur |
150 watt-uur |
150 watt-uur |
| rendement van de auto |
34% |
25% |
||
| toegevoerde energie (per km) |
195 watt-uur |
441 watt-uur |
600 watt-uur |
333 watt-uur |
| CO2-uitstoot (per km) |
123 gram |
150 gram |
204 gram |
295 gram |
| verbruik in liters bemzine-equivalent |
1 liter per |
1 liter per |
1 liter per |
1 liter per |
| energie-kosten (per km) |
0,195 × 0,40 = |
0,441 × 20 = |
0,600 × 20 = |
? ? |
| 1 kilowatt-uur elektriciteit 1 kilowatt-uur benzine |
= 40 eurocent = 20 eurocent |
(1 liter = 9,1 kilowatt-uur en kost 1,82 Euro) |
|
• de elektromotor hoeft nooit op te warmen • er is geen versnellingsbak en er zijn dus geen transmissieverliezen • tijdens remmen en snelheidsvermindering wordt energie teruggeleverd aan de accu • de auto veroorzaakt geen CO2-uitstoot, maar de elektrische centrale des te meer |
|
• de koude benzinemotor moet eerst op temperatuur worden gebracht, dat kost veel energie • de continu variabele versnelling werkt met een zeer hoog rendement • tijdens remmen en snelheidsvermindering wordt energie teruggeleverd aan de accu • de benzinemotor draait zo veel mogelijk onder omstandigheden waarbij het rendement maximaal is • de benzinemotor draait nooit stationair |
|
• de koude motor moet eerst op temperatuur worden gebracht, dat kost veel energie • er zijn relatief grote energieverliezen in de versnellingsbak • er is geen teruglevering van energie mogelijk • bij een benzinemotor is het rendement sterk afhankelijk van het toerental en het koppel • de motor draait vaak stationair |
|
• dit is een elektrische auto waarbij de energie wordt geleverd door een brandstofcel • door de 4-voudige energie-omzetting is het totaalrendement slecht • de indirecte CO2-uitstoot is ruim 2 keer zo veel als bij een elektrische auto |
|
• benzine auto 1× primaire energie in benzine > mechanische energie • elektrische auto 2× primaire energie in aardgas > elektriciteit > mechanische energie • waterstof auto 4× primaire energie in aardgas > elektriciteit > waterstof > elektriciteit > mechanische energie |
vervoermiddel |
A |
B |
C |
| vliegtuig Boeing 747 Jumbo | 150 000 |
500 |
300 |
| waterstof auto | 1 154 |
4 |
288 |
| elektrische trein Thalys | 57 000 |
355 |
161 |
| benzine auto | 600 |
4 |
150 |
| elektrische auto | 484 |
4 |
121 |
| hybride auto Prius | 433 |
4 |
108 |
| elektrische trein Dubbeldekker | 18 000 |
372 |
48 |
| elektrische fiets | 17 |
1 |
17 |
|
• zonder rolweerstand en luchtweerstand verbruikt een auto, die met een constante snelheid rijdt, geen energie. (dat is onafhankelijk van de massa van de auto) 1e wet van Newton • in de praktijk is er wel rolweerstand en luchtweerstand en voor het overwinnen daarvan is veel energie nodig • de rolweerstand is evenredig met de massa van de auto • de luchtweerstand wordt bepaald door de vorm (stroomlijn) en de snelheid van de auto |
|
• een vliegtuig verbruikt continu energie om in de lucht te blijven • die energie is evenredig met de massa van het vliegtuig • bovendien is er energie nodig voor het overwinnen van de luchtweerstand • de luchtweerstand is op grote hoogte (10 kilometer) slechts 25% van de luchtweerstand op zeeniveau |
|
• de energie wordt opgeslagen in een loodaccu met een capaciteit van 350 kilowatt-uur en een gewicht van 12 ton. • per etmaal kan aldus 240 kilowatt-uur worden geladen, wat voldoende is voor 10 etmalen energieverbruik • de energiebehoefte van het schip is gemiddeld 24 kilowatt-uur per etmaal. De bediening van de zeilen gebeurt elektrisch en er is veel elektronica aan boord. Bovendien is er veel energie nodig voor warm water, koken etc. |
|
• de superbus is 15 meter lang 2,6 meter breed en 1,6 meter hoog • de bus rijdt elektrisch en krijgt de energie uit oplaadbare lithium polymeer batterijen • het vermogen van de elektromotor is 300 kilowatt • de actieradius is 210 kilometer • de bus biedt plaats aan 23 passagiers • de maximum snelheid is 250 kilometer per uur en het energieverbruik is dan net zoveel als van een gewone bus die 100 kilometer per uur rijdt. |
|
• de tank van het voertuig bevat 5 liter waterstof, bij een druk van 200 bar • de topsnelheid is 100 kilometer per uur • het voertuig accelereert in 5 seconden vanuit stilstand naar 100 kilometer per uur • het continu vermogen van de brandstofcel is 8 kilowatt • de aandrijving vindt plaats door 2 elektromotoren • elk achterwiel heeft zijn eigen motor, waardoor snel bochtenwerk mogelijk is • de rem-energie wordt opgeslagen in supercaps • tijdens accelereren wordt extra energie gehaald uit de supercaps • de energie-inhoud van de supercaps is 56 watt-uur, dat is 20 kilowatt gedurende 10 seconden |
|
• de lengte is 5 meter, de breedte is 1,8 meter en de hoogte is 80 centimeter • de totale oppervlakte van de zonnecellen is 8,4 vierkante meter • het frontaal oppervlak is 0,79 vierkante meter • de luchtweerstand is 0,07 • het gewicht is 189 kilogram (exclusief coureur) • de gallium arsenide triple junction zonnecellen hebben een rendement van 26% • het rendement van de (in-wheel) motor is 97% • de capaciteit van de lithium ion polymeer accu is 5 kilowatt-uur, bij een gewicht van 30 kilogram |
|
• de energie-inhoud van Shell FuelSave Euro 95 = 32 760 kilojoule per liter • dat is 9,1 kilowatt-uur per liter • de soortelijke massa van benzine = 0,72 kilogram per liter • 1 kilogram benzine is dus 1 / 0,72 = 1,4 liter • de energie-inhoud van 1 kilogram benzine = 1,4 × 9,1 = 12,6 kilowatt-uur |
|
• waterstof via een brandstofcel • zonne-energie via zonnecellen • dieselolie • LPG (liquefied petroleum gas) |
|
• een lage luchtweerstand, dus een klein frontaal oppervlak en een goede stroomlijn • een laag gewicht • een lage snelheid (de luchtweerstand is evenredig met de 2e macht van de snelheid) • volgens het reglement mag de gemiddelde snelheid niet lager zijn dan 30 kilometer per uur • een zuinige rijstijl • de transmissieverliezen en de rolweerstand moeten zo laag mogelijk zijn • het rendement van de (kleine) motor moet zo hoog mogelijk zijn (er wordt wel eens een Honda 4-takt bromfietsmotor gebruikt) |
|
• in de klasse "prototype" 3315 kilometer (= 2,7 watt-uur per kilometer) • in de klasse "urban-concept" 469 kilometer (= 19,4 watt-uur per kilometer) |
|
• het energieverbruik (in de vorm van voedsel) is 1 liter benzine-equivalent per 1235 kilometer • het netto (mechanisch) verbruik is 4 keer zo weinig, dus 1 liter per 4940 kilometer • dat is theoretisch haalbaar bij een rendement van 100% • het record van de "prototype" klasse bij de Shell eco-marathon is 1 liter per 3315 kilometer • dat is op 12 liter benzine de wereld rond |
|
• de opbrengst van koolzaad is 5 000 kilogram per hectare per jaar • 1 hectare = 10 000 vierkante meter • dat is dus 0,5 kilogram per vierkante meter per jaar • hierin zit 42% koolzaadolie, dat is 0,2 kilogram • de energie-inhoud hiervan is 2 kilowatt-uur • de instraling van zonne-energie is 1000 kilowatt-uur per vierkante meter per jaar • het rendement van de omzetting van zonne-energie naar chemische energie is dus 0,2% |
|
• de opbrengst van bio-ethanol is 0,57 liter per vierkante meter per jaar • dat wordt (na vergisting) verkregen uit suikerbieten, suikerriet of maïs • de energie-inhoud hiervan is 6 kilowatt-uur • de instraling van zonne-energie is 1000 kilowatt-uur per vierkante meter per jaar • het rendement van de omzetting van zonne-energie naar chemische energie is dus 0,6% |
|
• de productie van hout is 15 ton per hectare per jaar • 1 hectare = 10 000 vierkante meter • dat is 1,5 kilogram hout per vierkante meter per jaar • de energie-inhoud hiervan is 8 kilowatt-uur • de instraling van zonne-energie is 1000 kilowatt-uur per vierkante meter per jaar • het rendement van de omzetting van zonne-energie naar chemische energie is dus 0,8% |
|
• bij een rendement van 40% levert hout 40% × 8 = 3,2
kilowatt-uur elektriciteit per vierkante meter per jaar • een zonnepaneel levert in Nederland 150 kilowatt-uur elektriciteit, per vierkante meter per jaar • zonnepanelen zijn dus bijna 50 keer efficiënter dan hout |
|
• de kabel werd in 2008 in gebruik genomen • de lengte is 580 kilometer • het is een 2-aderige kabel met een maximaal vermogen van 700 megawatt, bij een gelijkspanning van 900 kilovolt • de maximale gelijkstroom is dus 778 ampère • aan het begin en het einde van de kabel staan converters die enerzijds de wisselstroom omzetten in gelijkstroom en anderzijds de gelijkstroom weer omzetten in wisselstroom • het totale energieverlies in de kabel en de converters is 5% • overdag wordt de met waterkracht opgewekte energie vanuit Noorwegen naar Nederland getransporteerd • in de nacht kan goedkope Nederlandse nachtstroom teruggeleverd worden aan Noorwegen |
|
• een heteluchtmotor wordt van buitenaf verwarmd en bevat geen kleppen. • de betrouwbaarheid is daardoor zeer groot, terwijl de motor ook erg geruisloos is • vrijwel alle energiebronnen zijn geschikt om de motor te verwarmen, dus ook zonne-energie of aardgas |
|
• 1 liter aardolie weegt 0,8 kilogram • het oppompen van 1 liter aardolie kost dus netto 5000 × 0,8 = 4000 kilogram-meter • dat is ongeveer 0,01 kilowatt-uur • de energie-inhoud van 1 liter aardolie is 10 kilowatt-uur • het oppompen kost dus, vergeleken met de energie-inhoud, heel weinig energie (0,1%) |
|
• als een mens graan eet, wordt 10% hiervan gebruikt voor de groei van zijn lichaam • als een varken graan eet, wordt 10% hiervan omgezet in varkensvlees • als een mens varkensvlees eet, wordt 10% hiervan gebruikt voor de groei van zijn lichaam, dat is dus slechts 1% van het graan dat door het varken was opgegeten |
|
• gewoon scheren: 200 cc water 50 graden verwarmen = 10 kilocalorie = 11,6 watt-uur • elektrisch scheren: 2,8 watt-uur voor 7 keer scheren, dat is per keer dus 0,4 watt-uur • gewoon scheren kost dus 11,6 / 0,4 = 29 keer zoveel energie als elektrisch scheren |
|
• warmwaterkruik: inhoud = 1,6 liter. Het water verwarmen van 10 naar 80 graden = 1,6 × 70 = 112 kilocalorie = 130 watt-uur • elektrisch deken = 25 watt. De hele nacht aan = 25 watt × 8 uur = 200 watt-uur |
|
• veel warmteverlies, omdat veel warmte om de pan heen stroomt • verbrandingsproducten (koolmonoxide en kooldioxide) ontstaan in de keuken • daarom is meestal (energieverbruikende) ventilatie nodig • gevaar voor gas-lekkages waardoor explosies kunnen optreden • daarom zijn er veel gebouwen (torenflats) waar koken op gas verboden is • energietoevoer (zeer) slecht regelbaar |
|
• geen verbrandingsproducten in de keuken. • het rendement van de warmte-overdracht tussen kookplaat en pan, benadert de 100% • de energietoevoer is uitstekend regelbaar • de energietoevoer kan worden geautomatiseerd, zoals bijvoorbeeld het instellen op een bepaalde temperatuur en stoppen met verwarmen als het water kookt • ook kan een tijdschakelaar worden toegepast (handig in bejaardenhuizen) |
|
• in 2008 was het primaire energieverbruik van alle huishoudens 254 miljard kilowatt-uur, dat is inclusief de verwarming van de woning en het gebruik van de auto • het totale primaire energieverbruik, met inbegrip van industrie, transport en openbaar vervoer, was toen 927 miljard kilowatt-uur |
|
• in 2013 was het verbruik van primaire energie in Nederland 900 miljard kilowatt-uur • het wereldverbruik van primaire energie was toen 157 000 miljard kilowatt-uur |
|
• een mens verbruikt aan voedsel gemiddeld 2500 kilocalorie per dag. Dat is 3 kilowatt-uur • in 2013 was het verbruik van primaire energie in Nederland 900 miljard kilowatt-uur |
|
• het energieverbruik van een Nederlander is 16 liter benzine-equivalent per dag • in 80 jaar is dat: 80 × 365 dagen × 16 = 467 200 liter benzine-equivalent • dat veroorzaakt 1450 ton CO2 • een Jumbo verbruikt 600 000 liter kerosine voor een vlucht van 40 000 kilometer (= de aardomtrek) |
Midden |
Afrika |
Noord |
Zuid |
Azië en |
Oost |
West |
|
| steenkool | 6,9 |
37,3 |
3,1 |
35,4 |
6,1 |
11,2 |
|
| aardolie | 62,1 |
6,3 |
7,4 |
7,9 |
3,8 |
9,8 |
2,7 |
| aardgas | 32,5 |
6,4 |
5,5 |
3,9 |
9,3 |
37,3 |
5,2 |
|
of 17,6 × 1012 liter benzine, dat is een kubus met een ribbe van 2,6 kilometer of 19,8 × 1012 kilogram steenkool, dat is een trein met 40 × 107 goederenwagons van 50 ton en een lengte van 10 meter. De lengte van de trein is dan 40 × 105 kilometer = 100 keer de aardomtrek |
|
|
• de aarde ligt op een denkbeeldige bol, met de zon als middelpunt en een straal van 150 miljoen kilometer (dat is de afstand zon - aarde) • de oppervlakte van die bol = 4 π r2 = 4 π × 1502 × 1018 vierkante meter • het door de zon beschenen deel van de aarde = π × 40 × 1012 vierkante meter en dat is 2,25 miljard keer zo klein als de oppervlakte van de denkbeeldige bol • de zon straalt 4,27 miljard kilogram massa-equivalent per seconde uit • de energie die op de aarde terecht komt is dus 1,9 kilogram massa-equivalent per seconde • dat is 60 miljoen kilogram massa-equivalent per jaar (buiten de dampkring) |
|
• de aarde draait in een bijna cirkelvormige baan om de zon • de afstand van de zon tot de aarde = 150 miljoen kilometer • de lengte van de baan = 2 × π × 150 miljoen = 942 miljoen kilometer • deze afstand wordt afgelegd in 1 jaar = 31 miljoen seconden • dus, de snelheid van de aarde in de baan = 30 kilometer per seconde |
|
• stel, een zonnepaneel heeft een oppervlakte van 1,6 vierkante meter • stel, het rendement is 15% • het elektrisch vermogen is dan 1000 × 1,6 × 15% = 240 wattpiek • stel, de productiefactor is 11,4% • de energie-opbrengst is dan 11,4% × 0,240 kilowatt × 8760 uur = 240 kilowatt-uur per jaar |
|
• Het rendement van een zonnepaneel is afhankelijk van de ingestraalde energie en de paneeltemperatuur. (hoe warmer hoe slechter) • Een zonnepaneel is onderhevig aan veroudering en vervuiling • Er treden verliezen op in de "inverter". De inverter is een schakeling die de lage gelijkspanning van het zonnepaneel omzet in een wisselspanning van 230 volt. Hierdoor wordt het mogelijk om de zonne-energie terug te leveren aan het lichtnet • Een vast opgesteld zonnepaneel (op een dak) staat bijna nooit onder de ideale hoek van 36 graden en is ook niet altijd gericht op het zuiden |
|
• het laten smelten van 1 kilogram ijs van 0 graden celsius kost 80 kilocalorie • het aan de kook brengen van 1 kilogram water van 0 graden kost 100 kilocalorie • het volledig verdampen van 1 kilogram water van 100 graden kost 540 kilocalorie Dat is (toevallig?) 3 keer zoveel als nodig is voor smelten + aan de kook brengen |
|
1 watt 1 kilowatt |
= 1 joule per seconde = 1 kilojoule per seconde |
= 1 newton-meter per seconde = 1 kilonewton-meter per seconde |
|
1 watt-seconde 1 kilowatt-uur |
= 1 joule = 3600 kilojoule |
= 1 newton-meter = 3600 kilonewton-meter |
|
1 kilowatt-uur 1 kilocalorie dus 1 kilowatt-uur 1 liter benzine |
= 3600 kilojoule = 4186,8 joule = 3600 000 / 4186,8 = 860 kilocalorie = 9,1 × 860 = 7800 kilocalorie |
|
1 kilowatt-uur 1 kilogram-meter dus 1 kilowatt-uur 1 liter benzine |
= 3600 kilonewton-meter = 9,81 newton-meter = 3600 000 / 9,81 = 367 000 kilogram-meter = 9,1 × 367 000 = 3340 000 kilogram-meter |
|
1 kilocalorie 1 kilogram-meter dus 1 kilocalorie |
= 4186,8 newton-meter = 9,81 newton-meter = 4186,8 / 9,81 = 427 kilogram-meter |
|
1 kilocalorie 1 watt-uur dus 1 kilocalorie |
= 4186,8 newton-meter = 3600 newton-meter = 4186,8 / 3600 = 1,16 watt-uur |
|
• Primaire energie is de energie-inhoud van brandstoffen in hun natuurlijke vorm, voordat enige omzetting heeft plaatsgevonden • Het wereldverbruik van primaire energie in 2016 was 160 × 1012 kilowatt-uur |
| aardolie | 31,9% |
| steenkool | 27,1% |
| aardgas | 22,1% |
| biobrandstof | 9,8% |
| kernenergie | 4,9% |
| waterkracht | 2,5% |
| geothermisch, zon, wind en getijden | 1,7% |
| totaal wereld | 100,0% |
primaire |
elektriciteits- |
|
| Nederland | 900 |
115 |
| Midden Oosten | 8 013 |
841 |
| China | 35 157 |
5 165 |
| Wereld | 157 481 |
21 538 |
|
• Finale energie is het eindverbruik van energie door industrie, huishoudens, diensten, vervoer en landbouw • Het wereldverbruik van finale energie in 2016 was 110 × 1012 kilowatt-uur |
| aardolie | 40,9% |
| steenkool | 10,8% |
| aardgas | 15,1% |
| biobrandstof en afval | 11,0% |
| elektriciteit | 18,8% |
| geothermisch, wind en zon | 3,4% |
| totaal wereld | 100,0% |
| industrie | 40% |
| huishoudens | 23% |
| diensten | 30% |
| landbouw | 7% |
| totaal | 100% |
windenergie |
zonne-energie |
|
| Nederland | 4,6 |
0,05 |
| Duitsland | 38,6 |
6,58 |
| Spanje | 37,8 |
6,04 |
| China | 26,9 |
0,32 |
| USA | 74,2 |
2,50 |
| Wereld | 273,2 |
21,00 |
miljard |
procenten |
|
| bruinkool | 140,9 |
27,0 |
| steenkool | 99,0 |
19,0 |
| uranium | 91,8 |
17,6 |
| biomassa | 53,9 |
10,3 |
| wind | 51,4 |
9,9 |
| gas | 33,2 |
6,4 |
| zon | 32,8 |
6,3 |
| waterkracht | 18,5 |
3,6 |
| totaal | 521,5 |
100,0 |
|
• de temperatuur van de lucht onder de collector stijgt overdag 30 graden celsius • de snelheid van de luchtstroom aan de voet van de toren is 60 kilometer per uur • het vermogen is 200 megawatt • de jaarproductie is 680 000 megawatt-uur • een elektrische centrale van 600 megawatt levert per jaar ruim 6 keer zoveel energie • de toren is 1 kilometer hoog en de diameter is 130 meter • de diameter van de ronde collector is 5 kilometer (dus de straal r = 2500 meter) • aan de voet van de toren staan 32 turbines van 6,5 megawatt |
|
• de oppervlakte van de collector is π r2 =
3,14 × 25002 = 19 625 000 vierkante meter • de energie-instraling van de zon in Australië is 2,3 megawatt-uur per vierkante meter per jaar • de hoeveelheid energie, die in de collector instraalt is dus 45 137 500 megawatt-uur per jaar • het rendement is (680 000 / 45 137 500) × 100% = 1,5% • vergelijk hiermee het rendement van een elektrisch zonnepaneel, dat is 15% |
|
• er is vrijwel geen onderhoud nodig. (dat geldt ook voor gewone zonnepanelen) • er is geen (water)koeling nodig (een groot voordeel in droge en warme gebieden) • de installatie werkt op de warmtestraling van de zon en heeft daardoor weinig last van vervuiling • de energielevering gaat dag en nacht (min of meer continu) door |
|
Nikola Tesla |
|
De Warden Clyff Tower |
|
1. Elektrische energie in supercondensatoren 2. Chemische energie in batterijen, accu's, waterstof, ammoniak en metaalbrandstof 3. Thermische energie in stoffen met een grote warmtecapaciteit 4. Kinetische energie in vliegwielen 5. Potentiële energie door het verplaatsen van massa tegen de zwaartekracht in, of het comprimeren van gassen |
|
• een kubus met een ribbe van 1 meter heeft een inhoud van 1 kubieke meter en een oppervlak van 6 vierkante meter • een kubus met een ribbe van 2 meter heeft een inhoud van 8 kubieke meter en een oppervlak van 24 vierkante meter • dus bij een 8 keer zo grote inhoud is het oppervlak (en dus het warmteverlies) maar 4 keer zo groot |
|
• stel, een bol heeft een inhoud van 8 kubieke meter • het oppervlak van de bol is dan 19,35 vierkante meter • een kubus met een inhoud van 8 kubieke meter, heeft een oppervlak van 24 vierkante meter • bij dezelfde inhoud is het oppervlak van een kubus dus 1,24 keer zo groot als van een bol |
|
• een cilinder met een diameter van 50 centimeter en een lengte van 2 meter, heeft een inhoud van 0,4 kubieke meter • als deze cilinder gevuld is met samengeperste lucht van 200 atmosfeer, dan is de potentiële energie bijna net zoveel als de energie-inhoud in 1 liter benzine (= 9,1 kilowatt-uur) • het gewicht van de samengeperste lucht is 100 kilogram |
|
1. Lucht comprimeren in een vast volume. Hierbij wordt de druk bepaald door de hoeveelheid lucht 2. Lucht comprimeren in een variabel volume. Hierbij kan de druk constant blijven |
|
1. Adiabatische compressie Hierbij vindt geen warmte uitwisseling met de omgeving plaats. De temperatuur stijgt bij compressie en daalt bij expansie 2. Isotherme compressie Hierbij vindt wel warmte uitwisseling met de omgeving plaats. De temperatuur blijft constant bij compressie en expansie |
|
• de potentiële energie = 7000 ton × 500 meter = 3,5 × 109 kilogram-meter • 1 kilowatt-uur = 3,67 × 105 kilogram-meter • de potentiële energie is dus 10 000 kilowatt-uur (afgerond) |
|
• 2,5 miljoen kubieke meter water • verval 1400 meter • dat is 2,5 × 106 × 103 kilogram × 1400 meter = 3,5 × 1012 kilogram-meter • 1 kilowatt-uur = 3,67 × 105 kilogram-meter • de potentiële energie is dus 10 000 megawatt-uur (afgerond) |
watt-uur per |
rendement |
|
| benzine (ter vergelijking) | 12 640 |
- - |
| waterstof | 33 600 |
35% |
| lithium-ion batterij | 160 |
90% |
| vanadium redox accu | 20 |
80% |
| supercondensator | 10 |
97% |
| pomp accumulatie centrale | 4 |
80% |
|
• 1 kilowatt-uur = 367 000 kilogram-meter, dus 1 watt-uur = 367 kilogram-meter • de potentiële energie van 1 kilogram water bij een verval van 1400 meter = 1400 kilogram-meter • dat is 4 watt-uur (afgerond) |
|
• over een heel jaar gezien, moet de hoeveelheid opgewekte energie gelijk zijn aan de hoeveelheid verbruikte energie • de elektriciteit wordt meestal opgewekt met zonnepanelen • water wordt verwarmd door zonnecollectoren • zolang er niets beters is bedacht, functioneert het lichtnet als buffer voor de (tijdelijk) overtollige elektrische energie • in de zomer wordt het overschot aan elektriciteit teruggeleverd aan het net en in de winter wordt het tekort aan energie weer opgenomen uit het net • de belangrijkste voorwaarde voor een energieneutraal huis is een goede isolatie van het dak, muren, ramen, deuren en vloeren • grote ramen op het zuiden, voor maximale instraling van zonnewarmte in de winter • boven de ramen een luifel waardoor in de zomer, als de zon hoger staat, weinig zonnewarmte naar binnen straalt • 3-laags glas (maar dat houdt de zonnestraling niet tegen) • door de goede warmte-isolatie van 3-laags glas is er in de zomer weinig of geen koeling nodig, terwijl in de winter de warmteverliezen beperkt zijn • energiezuinige apparaten en verlichting • bij ventilatie en het gebruik van warm water, terugwinning van warmte door warmtewisselaars • vloerverwarming met een warmtepomp of met water afkomstig van zonneboilers (bij lage temperaturen, zijn de warmteverliezen klein) • de relatieve warmteverliezen nemen af, naarmate een huis groter is • de warmteverliezen zijn het kleinst bij een bolvorm (in de praktijk een kubus). Uitstulpingen in de vorm van aangebouwde garages, serres en dakkapellen, veroorzaken extra warmteverliezen • men moet met meetapparatuur kunnen controleren of de energie-opwekking in balans is met het verbruik • alles valt en staat met de motivatie om energie te besparen |
|
• in Amerika worden grote voorraden schaliegas en olie ontdekt • in 2005 importeerde Amerika 60% van de behoefte aan olie. Dat is nu gedaald tot 30% en omstreeks 2020 zal Amerika zelfs olie gaan exporteren • ook in Rusland, Europa en Azië blijkt zeer veel schaliegas en olie in de grond te zitten • door de wereldwijde recessie vermindert de behoefte aan olie |
|
dollars per vat |
2000 |
24 - 37 |
2002 |
20 - 28 |
2004 |
30 - 51 |
2006 |
58 - 80 |
2008 |
32 - 146 |
2010 |
67 - 92 |
2012 |
77 - 110 |
2014 |
53 - 107 |
2016 |
26 - 54 |
2018 |
42 - 77 |
2020 |
18 - 63 |
2021 |
48 - 87 |
2022 |
80 - 124 |
2023 |
72 - 88 |
|
• de mensheid wordt, voor het eerst in de wereldgeschiedenis, bedreigd door een extreme overbevolking • in de afgelopen 6 jaar is de wereldbevolking met een half miljard toegenomen • alle energievoorraden raken vroeg of laat op • de hoeveelheid CO2 in de atmosfeer neemt voortdurend toe • deze situatie heeft zich nog nooit eerder voorgedaan. |
Het worden interessante tijden |
|
• een accu van 24 volt en 15 ampère-uur heeft een energie-inhoud van 24 × 15 = 360 watt-uur • een accu van 36 volt en 10 ampère-uur heeft een energie-inhoud van 36 × 10 = 360 watt-uur |
|
• stel, de waterleiding is in staat om (maximaal) 10 liter water per minuut via een kraan in een emmer te laten lopen • het "vermogen" van de waterleiding is dan 10 liter water per minuut • dit vermogen is dus ook aanwezig als de kraan dicht is. |
|
• zodra men de kraan helemaal open draait, stroomt er elke minuut 10 liter water in de emmer • na bijvoorbeeld 5 minuten is er 50 liter water uit de kraan gekomen • de geleverde "energie" is dan 50 liter water |
vermogen |
energie |
|
| water | liters per minuut |
liters |
| elektriciteit | joule per seconde |
joule |
|
• energie kan worden omgezet in arbeid voorbeeld: elektriciteit kan een motor laten draaien • arbeid kan worden omgezet in energie voorbeeld: een dynamo kan elektriciteit opwekken |
vermogen |
gebruik per dag |
energie per dag |
|
| led-lamp | 10 watt |
5 uur |
50 watt-uur |
| koffiezetter | 750 watt |
12 minuten |
150 watt-uur |
| waterketel | 2 000 watt |
6 minuten |
200 watt-uur |
| elektrische deken | 25 watt |
8 uur |
200 watt-uur |
| gloeilamp | 50 watt |
5 uur |
250 watt-uur |
| stofzuiger | 1 500 watt |
10 minuten |
250 watt-uur |
| internet router | 12 watt |
24 uur |
288 watt-uur |
| elektrische fiets | 100 watt |
3 uur |
300 watt-uur |
| flatscreen TV | 100 watt |
3 uur |
300 watt-uur |
| computer | 100 watt |
4 uur |
400 watt-uur |
| stoomstrijkijzer | 1 000 watt |
30 minuten |
500 watt-uur |
| sluipverbruik | 25 watt |
24 uur |
600 watt-uur |
| koelkast | 180 watt |
5 uur |
900 watt-uur |
| wasmachine | 1 000 watt |
1 uur |
1 000 watt-uur |
| wasdroger | 2 000 watt |
90 minuten |
3 000 watt-uur |
| boiler | 1 000 watt |
3 uur |
3 000 watt-uur |
| airco | 1 000 watt |
12 uur |
12 000 watt-uur |
|
• een internet router verbruikt per etmaal bijna evenveel energie als het volledig opladen van een elektrische fiets, of 3 uur naar de TV kijken. • de koelkast wordt door de thermostaat zo nu en dan even ingeschakeld. De "aan"-tijd is ongeveer 5 uur per etmaal • het vermogen van 1000 watt voor een wasmachine is een gemiddelde waarde. Het wasproces kan worden opgedeeld in 3 fasen met een verschillend energieverbruik 1. het opwarmen van het water, dit verbruikt de meeste energie 2. het wassen, hierbij verbruikt de motor die de wastrommel ronddraait weinig energie 3. het centrifugeren, hierbij verbruikt de motor veel energie • een wasdroger verbruikt per wasbeurt 3 keer zoveel energie als een wasmachine • met een boiler kan men tegen nachttarief water verwarmen, om daarmee bijvoorbeeld te douchen Het verwarnen van 36 liter water, van 10 naar 80 graden, kost 3000 watt-uur • een sluipverbruik van 600 watt-uur per etmaal is voor de meeste huishoudens wel een minimumwaarde. Dat is ongeveer 6% van het totale elektriciteitsverbruik |
|
• het elektriciteitsverbruik van een huishouden is ongeveer 10 kilowatt-uur per dag • dat is een continu vermogen van 417 watt • bij een kilowatt-uur prijs van 40 eurocent, kost de elektriciteit dus € 4 per dag = € 1460 per jaar |
|
• het energieverbruik in Nederland moet 1,5% per jaar omlaag • 16% duurzame energie in 2023, in plaats van in 2020 • er wordt 400 miljoen euro vrijgemaakt voor woning-isolatie • er worden 5 kolencentrales gesloten, 3 in 2015 in Borssele, Geertruidenberg en Nijmegen en 2 op de Maasvlakte in 2017 • in 2023 moet windenergie de helft van alle huishoudens van stroom voorzien, 4400 megawatt aan turbines in zee en 6000 megawatt op land |
|
• als iedereen een beetje doet, dan zullen we maar een beetje bereiken • is de wereldbevolking misschien 6 keer te groot? (inmiddels 8 keer) • voor iedere zinvolle discussie over duurzame energie zijn getallen nodig |
