Het energieverbruik van vervoer Vervoer

Een modelleeropdracht voor Natuurkunde in VWO bovenbouw

Analyse

In dit onderdeel zul je de mogelijkheden van het basismodel gebruiken om verschillende uitdagingen binnen de vervoerssector te analyseren. Daarnaast zul je indirect gebruikmaken van het Energietransitiemodel (ETM). De rekenkracht van het ETM is in deze Analyse-stap verwerkt, maar mocht je verder geïntresseerd zijn, dan kun je altijd de website van het ETM bekijken.

Het ETM modelleert de volledige Nederlandse energiehuishouding aan de hand van zo'n 300 parameters die de gebruiker kan instellen. In dit Analyse-onderdeel zullen we een aantal van de ETM-parameters gebruiken om antwoord te geven op de volgende vraag:

Hoeveel CO2 wordt er in 2030 uitgestoten door de vervoerssector?

De video hieronder geeft een korte introductie van de rol die vervoer speelt in klimaatverandering. Daarnaast wordt aangegeven op welke manier je de rekenkracht van het Coach-model kunt combineren met de rekenkracht van het ETM om een antwoord op de hoofdvraag te geven.

Zoals je in de video hebt kunnen zien, was de Nederlandse vervoerssector in 2011 verantwoordelijk voor:

Hoe zullen deze waardes eruitzien in 2030? Het is nu aan jou om hier een antwoord op te vinden. Dit zul je doen aan de hand van vijf deelvragen:

  1. Elektrische efficiëntie. Hoe efficiënt zijn elektrische auto's in 2030?
  2. Fossiele efficiëntie. Hoe efficiënt zijn auto's op fossiele brandstoffen in 2030?
  3. Aandeel elektrisch vervoer. Welk percentage van de auto's rijdt in 2030 op elektricitieit?
  4. Herkomst brandstof. Op welke manier wordt de (fossiele) brandstof in 2030 geproduceerd?
  5. Herkomst elektriciteit. Op welke manier wordt elektriciteit in 2030 geproduceerd?

Voordat je met deze vragen aan de slag gaat, word je geïntroduceerd in het online Mathematica-model en na afloop van de vragen breng je al je bevindingen samen in een totaalbeeld van vervoer om een antwoord te geven op de hoofdvraag.

Veel Succes!

Coach vs. Mathematica

Het model dat je in Coach hebt gebouwd kan uitrekenen hoeveel energie en auto gebruikt tijdens het rijden van een bepaald parcours. Helaas heeft Coach een aantal belangrijke beperkingen. In dit analyse-onderdeel is het daarom makkelijker om te werken met een online model dat ontwikkeld is met Mathematica. Dit model doet ongeveer hetzelfde als het model dat je zelf ontwikkeld hebt, maar werkt een stuk gemakkelijker.

Uitbreidingen in Mathematica

Het Mathematica-model heeft een aantal uitbreidingen ten opzichte van het Coach-model:

De belangrijkste veranderingen zijn in de afbeeldingen hieronder te zien.

Het model bestaat, van boven naar beneden, uit de volgende onderdelen:

Stap 1: Elektrische efficiëntie

Elektrische auto's gebruiken geen verbrandingsmotoren. In plaats daarvan wordt een elektromotor gebruikt. Deze motoren zetten elektrische energie direct om in beweging, zonder dat er eerst warmte wordt geproduceerd. De efficiëntie van een elektromotor is zo'n 90-95%. Bij het opladen van elektrische auto's gaat ook altijd energie verloren. Daarom ligt de effectieve efficiëntie van elektromotoren eerder tussen de 80 en 90%. Voor 100 Joule aan elektrische energie gaat dus slechts 10-20 Joule verloren in de vorm van warmte.

Een belangrijk voordeel van elektrische auto's is dat ze relatief eenvoudig gebruik kunnen maken van regeneratif remmen. Normale remmen zetten de kinetische energie van de auto om in warmte, met bijvoorbeeld een schijfrem. Regeneratieve remmen werken als een dynamo: ze zetten de kinetische energie om in elektrische energie die in de accu kan worden opgeslagen.

In het ETM worden elektrische auto's nu gemodelleerd met een energieverbruik van 4,3 km/kWh. Het doel van deze stap is om een realistische inschatting te maken van de toekomstige efficiëntie van elektrische auto's. In het vervoersmodel kun je zien dat de elektrische Smart op het NEDC parcours 8,4 km kan rijden op 1 kWh. Dat is dus ongeveer twee keer zo goed, maar in hoeverre is het realistisch dat iedereen in 2030 in een Smart rijdt?

Grote auto's zijn over het algemeen comfortabeler dan kleine auto's. Helaas zijn grote auto's relatief zwaar. In de slideshow hieronder kun je zien hoe de gewichtsverdeling van personenauto's in Nederland zich sinds 2000 ontwikkeld heeft. Er vallen in ieder geval twee dingen op:

Het is dus moeilijk om in te schatten hoeveel de gemiddelde elektrische auto in 2030 weegt. In 2013 lag het gemiddelde leeggewicht van personenauto's rond de 1100 kg en dit komt goed overeen met de Toyota Yaris in het vervoersmodel. De Yaris is geen elektrische auto, maar laten we ervan uitgaan dat de gemiddelde elektrische auto in 2030 qua comfort en omgvang vergelijkbaar is met de moderne Yaris. Hieronder zul je de Yaris in kleine stapjes elektrisch maken en analyseren welke gevolgen dat heeft.

Analyse efficiëntie

Uit de verschillende vragen wordt duidelijk op welke manier de efficiëntie van elektrische auto's beïnvloed kan worden. Het is ook duidelijk geworden dan een energiegebruik van zo'n 8 km/kWh haalbaar is.

Toepassing in ETM

In het diagram hieronder kun je zien hoeveel energie elektrische auto's gebruikten in 2011 en hoeveel ze zullen gebruiken in 2030. Met de slider kun je instellen wat de jaarlijkse efficiëntieverbetering is.

Efficiëntieverbetering elektrisch vervoer:
% / jaar

Gebruik de slider om in te stellen wat jij denkt dat een realistische, jaarlijkse efficiëntieverbetering is. Als je tevreden bent, vul dan ondestaand formulier in.

Naam:

Onderbouw je keuze voor de elektrische efficiëntieverbetering:

Stap 2: Fossiele efficiëntie

Elektrische auto's hebben het grote voordeel dat een elektromotor vaak minstens een factor twee efficiënter is dan een verbrandingsmotor, en soms zelfs een factor drie. Dit betekent echter niet dat auto's met verbrandingsmotoren geen toekomst hebben. De enorme energiedichtheid van fossiele brandstoffen maakt het mogelijk om een beperkte hoeveelheid brandstof ver te kunnen rijden. Daarnaast zijn er ontwikkelingen die auto's op fossiele brandstoffen veel efficiënter kunnen maken.

Analyse

In het ETM worden auto's op benzine nu gemodelleerd met een verbruik van 12 km/liter en auto's op diesel met een verbruik van 14 km/liter. De meeste kilometers worden gereden in auto's op benzine, dus we gaan er hier voor het gemak vanuit dat alle 'fossiele' personenauto's op benzine rijden. Zoals hiervoor besproken, is de Toyota Yaris qua gewicht representatief voor de gemiddelde auto in Nederland.

Zoals je kunt zien presteert de Yaris een stuk beter dan de gemiddelde auto die nu in het ETM is gemodelleerd. Helaas is het NEDC parcours niet altijd geschikt. Auto's worden veelal gebruikt om via de snelweg naar een andere stad te rijden.

Als er gemiddeld een hoge snelheid wordt gereden, gaat er relatief veel energie verloren door luchtwrijving. Als auto's op de snelweg rijden, kunnen ze helaas niet altijd netjes de maximum snelheid blijven rijden. Vanwege het overige verkeer op de weg zal er af en toe geremd en dan weer versneld moeten worden.

Uit bovenstaande vragen volgt dat het parcours van grote invloed is op de brandstofprestatie. Het is ook duidelijk geworden dat een moderne Yaris in het NEDC parcours maar liefst 25,9 km/liter rijdt, maar dat dit op het "Snelweg" parcours slechts 14,2 km/liter is. Het lijkt er dus op dat de efficiëntie van auto's op fossiele brandstof toch niet heel veel beter kan dan de 12 km/liter die nu in het ETM is gemodelleerd. Gelukkig is er een auto die het tegendeel bewijst: de MicrouJoule auto.

Het lijkt bijna onmogelijk dat er toch een factor 300 winst valt te behalen, maar de MicroJoule is erin geslaagd deze bijzondere prestatie te leveren. Alle parameters van de MicroJoule zijn optimaal gekozen: de auto zelf weegt zo'n 80 kg, inclusief (lichte) bestuurder, zowel de vorm van de auto als de wielen zijn state-of-the-art en het frontale oppervlak is slechts 0,3 m2. De enige onderdelen waar nog serieuze winst valt te behalen zijn de motor en het regeneratief remmen. Het is echter heel moeilijk om een verbrandingsmotor te bouwen met een efficiëntie die veel hoger dan 40 % ligt en voor regeneratief remmen heb je een dynamo nodig die weer extra gewicht met zich meebrengt.

In onderstaande vragen zul je analyseren wat er gebeurt als bepaalde eigenschappen van de MicroJoule worden toegepast in de Yaris. Daarnaast zul je zien wat de voordelen kunnen zijn van een hybride auto.

Het is opvallend hoe veel winst het oplevert om regeneratief te kunnen remmen. Een kleine elektromotor toevoegen aan een auto op fossiele brandstoffen kan dus voor een flinke besparing zorgen. Hybride auto's maken gebruik van dit principe. Daarnaast wordt de elektromotor dan ook vaak gebruikt voor het optrekken. Verbrandingsmotoren zijn namelijk relatief inefficiënt tijdens het optrekken. Het toevoegen van een elektromotor kan dus ook de netto efficiëntie van aandrijving verbeteren.

Samenvattend, er is nog veel winst te behalen door auto's op fossiele brandstof slimmer te ontwerpen en door wellicht een elektromotor. Het energieverbruik zou, afhankelijk van de maatregelen, uit kunnen komen op zo'n 15-25 km/liter.

Toepassing in het ETM

In het diagram hieronder kun je zien hoeveel energie auto's op fossiele brandstof gebruikten in 2011 en hoeveel ze zullen gebruiken in 2030. Met de slider kun je instellen wat de jaarlijkse efficiëntieverbetering is.

Efficiëntieverbetering fossiel vervoer:
% / jaar

Gebruik de slider om in te stellen wat jij denkt dat een realistische, jaarlijkse efficiëntieverbetering is. Als je tevreden bent met het resultaat, vul dan onderstaand formulier in.

Naam:

Onderbouw je keuze voor de fossiele efficiëntieverbetering:

Stap 3: Aandeel elektrisch vervoer

Analyse

Zoals je in de video hebt kunnen zien, hangt het aandeel elektrisch vervoer af van verschillende factoren. Het is te ingewikkeld om diep op die verschillende factoren in te gaan. Het is wel interessant om heel kort de gebruikskosten van elektrisch vervoer te vergelijken met de gebruikskosten van 'fossiele' auto's. Bij onderstaande vragen en in het model wordt uitgegaan van brandstofprijs van €1,70 per liter een een elektriciteitsprijs van €0,22 per kWh.

Het is duidelijk dat elektrisch vervoer in veel gevallen goedkoper is in gebruik. Voor alsnog zijn de aanschafkosten relatief hoog. Daarnaast is het bereik van elektrisch vervoer ook nog redelijk beperkt. Dit zijn de belangrijkste redenen dat mensen nog niet massaal overstappen op elektrisch vervoer. De overstap vindt echter al wel geleidelijk plaats. In de slideshow hieronder zie je CBS data voor het aandeel elektrisch vervoer.

In 2004 begon de groei van het aantal elektrische auto's en in 2008 versnelde deze groei. Als de groei van de afgelopen vijf jaar lineair doorgaat, zou het aandeel elektrisch vervoer in 2030 zo'n 6 % zijn. Zodra de aanschafkosten zo laag zijn dat de investering in een elektrische auto zich op korte termijn terugbetaald en zodra het bereik groot genoeg is voor woon-werk-verkeer, zullen mensen waarschijnlijk snel overstappen op elektrische auto's. Het is moeilijk om te voorspellen wanneer dit het geval zal zijn. Het aandeel elektrisch vervoer in 2030 zou bijvoorbeeld best 15 % kunnen zijn, maar wie weet is het wel 50 %. Dit hangt volledig af van ontwikkelingen in de industrie.

Toepassing in het ETM

In het diagram hieronder kun je voor 2011 en 2030 zien hoeveel energie er wordt gebruikt door fossiele en elektrische auto's. Met de slider kun je instellen wat het aandeel elektrisch vervoer zal zijn in 2030.

Aandeel elektrisch vervoer:
%

Stel het aandeel elektrisch vervoer in op een waarde waarvan jij denkt dat het realistisch is. Kun je het effect op het energiegebruik verklaren? Vul vervolgens onderstaand formulier in.

Naam:

Onderbouw je keuze voor het aandeel elektrisch vervoer:

Stap 4: Herkomst fossiele brandstof

Om antwoord te kunnen op de hoofdvraag ("Hoeveel CO2 wordt er in 2030 uitgestoten door de vervoerssector?") is het belangrijk om te weten op welke manier de fossiele brandstof gewonnen wordt. Er zijn veel verschillende vormen van biomassa die elk hun netto CO2 uitstoot per liter hebben. We zullen ons nu echter beperken tot een enkelvoudige keuze: wel of geen biobrandstof.

De mate waarin we biobrandstof zullen gebruiken voor vervoer hangt onder andere af van de olieprijs. Een andere belangrijke factor is de mate waarin technologische ontwikkelingen ervoor zorgen dat biobrandstof efficiënt geproduceerd kan worden op plaatsen waar het niet concureert met voedselproductie. Naarmate er meer auto's elektrisch gaan rijden, is er in verhouding meer biobrandstof beschikbaar voor de 'fossiele auto's. Door deze combinatie van factoren is het moeilijk om hier een nauwkeurige voorspelling te doen voor het aandeel biobrandstof in 2030. Het aandeel zou makkelijk kunnen variëren van 5 % tot zo'n 25 %.

Hieronder zie je twee diagrammen. In het eerste diagram wordt voor 2011 en 2030 weergegeven welke vormen van energie voor vervoer gebruikt worden: fossiele brandstof, biobrandstof of elektriciteit. In het tweede diagram wordt weergegeven wat de totale CO2 uitstoot is van vervoer in zowel 2011 als 2030.

Aandeel biobrandstoffen:
%

Stel de slider in op de waarde waarvan jij denkt dat het realistisch is. Wat gebeurt er nu met de CO2-uitstoot? Als je tevreden bent met het resultaat, vul dan onderstaand formulier in.

Naam:

Onderbouw je keuze voor het aandeel biobrandstoffen:

Stap 5: Herkomst elektriciteit

Elektriciteit kan op verschillende manieren worden geproduceerd. Als we nu op grote schaal elektrisch zouden gaan rijden, zou het grootste deel van die elektriciteit worden opgewekt in gas- en kolencentrales. Energiecentrales hebben een stuk hogere efficiëntie dan verbrandingsmotoren in auto's, dus ook zonder duurzame energiebronnen kun je de CO2-uitstoot beperken door over te stappen op elektrisch vervoer.

Naarmate er meer duurzame energiebronnen worden gebouwd, zullen met name gascentrales vaker uitstaan. Hierdoor daalt de winstgevendheid van de centrales, maar het betekent ook dat er minder CO2 wordt uitgestoten. Hieronder kun je opnieuw zien hoeveel CO2 er door de vervoerssector wordt uitgestoten.

Aandeel elektrisch vervoer:
%
Wind op land:
% van landbouwgebied ( km2)
Wind op zee:
% van Noordzee ( km2)
Zonnecentrales:
% van landbouwgebied ( km2)

Meer duurzame elektriciteit opwekken heeft alleen een gevolg op de CO2-uitstoot van vervoer als een deel van het vervoer elektrisch is. Met de bovenste slider kun je daarom het aandeel elektrisch vervoer instellen. Voor "Wind op land" en "Zonnecentrale's" kun je instellen welk percentage van het Nederlandse landbouwgebied je ervoor wilt gebruiken. Voor "Wind op zee" kun je instellen welk percentage van de Nederlandse Noordzee je ervoor wilt gebruiken. Als je tevreden bent met het resultaat, vul dan onderstaand formulier in.

Naam:

Onderbouw je keuze voor de hoeveelheid wind op land:

Onderbouw je keuze voor de hoeveelheid wind op zee:

Onderbouw je keuze voor de hoeveelheid zonnecentrales:

Totaalbeeld vervoer: CO2-uitstoot in 2030

In de vijf stappen hierboven heb je gekeken naar de belangrijkste invloeden op de CO2-uitstoot van vervoer in 2030. Hieronder kun je alle verschillende sliders instellen om te zien wat het gezamelijke resultaat is. Achter alle sliders kun je tussen haakjes zien welke waardes je in voorgaande stappen hebt gekozen.

Aandeel elektrisch vervoer:
% ( %)
Efficiëntieverbetering elektrisch vervoer:
% / jaar ( %)
Efficiëntieverbetering fossiel vervoer:
% / jaar ( %)
Aandeel biobrandstoffen:
% ( %)
Wind op land:
% van landbouwgebied ( %)
Wind op zee:
% van Noordzee ( %)
Zonnecentrales:
% van landbouwgebied ( %)

In alle voorgaande stappen heb je waardes gekozen voor de verschillende parameters. In deze stap kun je al deze keuzes samenbrengen. Uit bovenstaand figuur volgt nu het antwoord op de hoofdvraag: hoeveel CO2 stoot de vervoerssector uit in 2030. Als je tevreden bent met het resultaat, vul dan onderstaand formulier in.

Naam:

Waarom denk je dat dit een realistisch scenario is?