Het energieverbruik van vervoer Vervoer

Een modelleeropdracht voor Natuurkunde in VWO bovenbouw

Uitbreiding op het basismodel

Je hebt in Coach een model ontwikkeld waarmee je voor een willekeurige auto kan berekenen hoeveel energie het kost om een willekeurig parcours te rijden. Er zijn nog veel verschillende mogelijkheden om dit model uit te breiden. In dit onderdeel ga je in tweetallen aan de slag om het model uit te breiden. Je mag hiervoor zelf een onderwerp kiezen.

Hieronder staan een aantal mogelijke uitbreidingen. Voor deze opties wordt een korte opzet gegeven zodat je ongeveer weet welke stappen je moet doorlopen. Het is ook mogelijk om zelf met een uitbreiding te komen. Overleg dit van tevoren dan wel met je docent.

Nadat je de uitbreiding hebt ontwikkeld, is het de bedoeling dat je een kort verslag schrijft over wat je hebt gedaan. Het verslag moet in ieder geval de volgende drie onderdelen bevatten:

  1. Relevantie. Waarom heb je voor deze uitbreiding gekozen en waarom is het een relevante uitbreiding?
  2. Methode. Welke constanten en variabelen heb je aan het basismodel toegevoegd en op welke manier staan ze in verband met de onderdelen van het basismodel?
  3. Resultaat & Conclusie. Wat zijn de belangrijkste resultaten die volgen uit het uitgebreide model en welke conclusies kun je hieruit trekken?

Het verslag mag niet langer zijn dan 1,5 A4'tje (exclusief afbeeldingen en diagrammen).

Veel succes!

Route naar school

In deze uitbreiding ga je onderzoeken hoeveel energie jouw reis naar school kost. Hiervoor moet je een aantal dingen doen:

  1. Bedenken of meten hoe het $$$at$$$-diagram van de route eruitziet.
  2. Het $$$at$$$-diagram omzetten naar Coach-Voorval-code. Je kunt daarvoor dit excel-bestand gebruiken.
  3. Onderzoeken wat de parameters zijn die bij jouw vervoersmiddel horen.
  4. De parameters in het model stoppen.
  5. Checken of je het totale energiegebruik realistisch vindt.

Bij stap 3 kan het zijn dat je bepaalde parameters niet weet. Wat is bijvoorbeeld de luchtwrijvingscoëfficiënt van een scooter? Wat weegt een metro per passagier? En wat is de efficiëntie van een fietser? Mocht je tegen dit soort vragen aanlopen, probeer hiervoor dan online een antwoord op te zoeken. Als dit niet lukt, probeer dan een waarde te schatten. Het is niet erg als de parameters niet precies kloppen, als je in je verslag maar aangeeft welke keuzes je gemaakt hebt en waarom je deze keuzes gemaakt hebt.

Route naar school

Zelfrijdende auto

Er wordt door verschillende autofabrikanten gewerkt aan zelfrijdende auto's. Ook Google werkt hard aan het onderzoek naar auto's die geen bestuurder meer nodig hebben. Het zal nog wel even duren voordat iedereen een persoonlijke taxi voor de deur heeft staan, maar eenvoudige communicatie tussen auto's laat waarschijnlijk minder lang op zich wachten.

Een van de voordelen hiervan is dat auto's op de snelweg geautomatiseerd vlak achter elkaar kunnen rijden. Zodra de voorste auto moet remmen, gaat er automatisch een signaal naar de volgauto's en zo worden ongelukken voorkomen. Als auto's vlak achter elkaar rijden, hebben ze gemiddeld minder last van de luchtwrijving. Om dit te modelleren, moet je een aantal dingen doen:

  1. Voeg een constante toe voor de lengte van het "treintje" auto's. Hoe langer het treintje, hoe groter het gemiddelde effect op de luchtwrijving per auto zal zijn.
  2. Voeg een constante toe voor het effect dat het treintje heeft op de luchtwrijving.
  3. Bedenk hoe lang zo'n treintje gemiddeld zal zijn en onderzoek hoe groot de energiebesparing is.
  4. Test het model in een parcours dat overeenkomt met het rijden op een snelweg.

Zelfrijdende auto's kunnen er ook voor zorgen dat er minder geremd hoeft te worden. Dit zou een vergelijkbaar effect hebben als regeneratief remmen. Als bovenstaande stappen zijn gelukt, zou je het model kunnen uitbreiden door een constante toe te voegen die aangeeft in hoeverre de communicatie tussen auto's energie bespaart op het Optrekken.

Zelfrijdende auto

Hybride auto

Naast auto's op fossiele brandstof en elektrische auto's zijn er ook hybride auto's. Hybride auto's combineren een verbrandingsmotor met een kleine elektromotor. Bij het optrekken wordt de elektromotor gebruikt en vanaf een bepaalde snelheid wordt overgeschakeld op de verbrandingsmotor. Om een vereenvoudigde vorm van een hybride auto te modelleren, moet je in ieder geval de volgende dingen doen:

  1. Voeg een massa toe voor de elektromotor en een extra accu-pakket.
  2. Simuleer het omschakelen van elektromotor naar verbrandingsmotor door bij een bepaalde snelheid de efficiëntie van de motor aan te passen.
  3. Simuleer de mogelijkheid van de elektromotor om regeneratief te remmen.
  4. Vergelijk het totale energieverbruik van de hybride auto met het basismodel.

Een groot voordeel van hybride auto's is dat ze de efficiëntie en het regeneratief remmen van een elektrische auto combineren met het grote bereik van een auto op fossiele brandstof. Als bovenstaande stappen gelukt zijn, kun je het model verder uitbreiden door het bereik toe te voegen. Die uitbreiding staat hieronder beschreven. Wellicht is er samenwerking mogelijk met de groep(en) die voor die uitbreiding hebben gekozen.

Hybride auto

Bereik van de auto

In het online model waarmee je gewerkt hebt, werd automatisch berekend wat het bereik van de auto is. Deze functionaliteit zou je ook aan het basismodel kunnen toevoegen. Je moet hiervoor in ieder geval de volgende dingen doen:

  1. Een afzonderlijke constante aanmaken voor het gewicht van de brandstof.
  2. Een constante toevoegen voor de energiedichtheid van de brandstof.
  3. Een hulpvariabele toevoegen voor de totale energie-inhoud van de brandstof.
  4. Een toestandsvariabele voor het totale energieverbruik toevoegen waar het totale vermogen als "flow" ingaat.
  5. Met behulp van de toestandsvariabelen voor het energieverbruik en de afgelegde weg kun je het energieverbruik per kilometer berekenen. Zet deze waarde in een hulpvariabele.
  6. Voeg een hulpvariabele toe die het bereik berekent met behulp van het energieverbruik per kilometer en de totale energie-inhoud van de brandstof.
  7. Check of het model doet wat je verwacht.

Mocht je het model nog verder willen uitbreiden, dan zou je ook een parameter kunnen toevoegen die bepaalt of de auto elektrisch is op brandstof rijdt. Afhankelijk van deze keuze, moet de energiedichtheid van de brandstof worden aangepast.

Bereik van de auto

Motor met variabele efficiëntie

In het basismodel heeft de motor een constante efficiëntie. Met name voor verbrandingsmotoren is dat in werkelijkheid niet zo. Om de variabele efficiëntie van een motor te verwerken, moeten in ieder geval de volgende dingen gebeuren:

  1. Zoek informatie op over hoe de efficiëntie van een motor afhangt van het geleverde vermogen.
  2. Gebruik voorvallen om de efficiëntie op de goede manier afhankelijk te maken van het geleverde vermogen.
  3. Onderzoek wat het effect van deze variabele efficiëntie is voor verschillende parcours.

Mocht je geen (betrouwbare) informatie kunnen vinden voor stap 1, zorg er dan voor dat de efficiëntie maximaal is als er een constante snelheid van 80 km/h wordt gereden en afneemt naarmate er meer of minder vermogen wordt geleverd. Bedenk hiervoor dan zelf welke afname je realistisch vindt.

Motor met variabele efficiëntie

Rijden in de bergen

De Nederlandse wegen zijn bijna altijd vlak. Dit is in bergachtige gebieden wel anders. Daar moeten auto's veel op en neer rijden. In deze uitbreiding ga je onderzoeken wat het gevolg hiervan is op het energieverbruik. Hiervoor moet je aantal dingen doen:

  1. Probeer in een appart Coach-bestand te modelleren wat het vermogen moet zijn om de zwaartekracht te overwinnen.
  2. Kies als 'verticaal parcours' een hele eenvoudige berg: de eerste 10 seconden rijdt de auto omhoog met 0.5 m/s. De tweede 10 seconden rijdt de auto omlaag met 0.5 m/s.
  3. Onderzoek of dit model doet wat je verwacht
  4. Als dit gelukt is, probeer de onderdelen van dit losse model dan toe te voegen aan stap 9 van het basismodel.
  5. Check hoe groot de invloed is van bergen op het totale energieverbruik.

Bij deze opdracht is het belangrijk dat je in hele kleine stapjes werkt. Begin heel eenvoudig en probeer het steeds een beetje uit te breiden. Het is niet erg om dingen te versimpelen, als je in je verslag maar aangeeft welke aannames je gemaakt hebt.

Rijden in de bergen

Als je dit onderdeel hebt afgerond, wil ik je vragen deze tweede enquête in te vullen. Met de resultaten kan ik deze Praktische Opdracht verder verbeteren. Alvast bedankt!