Laten we voor ons eerste hoofdstuk over consumptie het icoon van de moderne tijd bestuderen: de auto met een eenzame persoon erin.
Figuur 3.1. Cars. Een rode BMW overschaduwd door een ruimteschip van de planeet Dorkon.
energieverbruik per dag ≈ ( afstand per dag / afstand per brandstof eenheid ) x energie per brandstof eenheid
Laten we voor de afgelegde afstand per dag 50 km gebruiken. Voor de afstand per eenheid brandstof, ook bekend als het brandstofverbruik van de auto, laten we 8,5 liter per 100 km gebruiken (uit een advertentie voor een gezinsauto):
100 km / 8,5 liter ≈ 12 km / liter.
(Het symbool ≈ betekent “is ongeveer gelijk aan.”)
Hoe zit het met de energie per brandstofeenheid (ook wel de calorische waarde of energiedichtheid genoemd)? In plaats van het op te zoeken, is het leuk om deze hoeveelheid te schatten door even na te denken. Autobrandstoffen (diesel en benzine) zijn allemaal koolwaterstoffen; en koolwaterstoffen zijn ook te vinden op onze ontbijttafel, met de calorische waarde handig geschreven op de zijkant van een pakje boter: ongeveer 8 kWh per kg (figuur 3.2).
Figuur 3.2. Wilt u de energie in autobrandstof weten? Kijk naar het etiket op een pakje boter of margarine. De calorische waarde is 3000 kJ per 100 g, of ongeveer 8 kWh per kg.
Aangezien we de economie van de auto in kilometers per eenheid volume brandstof hebben geschat, moeten we de calorische waarde uitdrukken als energie per volume-eenheid. Om de “8 kWh per kg” van onze brandstof (een energie per massa-eenheid) in een energie per volume-eenheid te veranderen, moeten we de dichtheid van de brandstof weten. Wat is de dichtheid van boter? Nou, boter drijft gewoon op water, net als brandstof, dus de dichtheid moet iets minder zijn dan die van water, die 1 kg per liter is. Als we een dichtheid van 0,8 kg per liter schatten, krijgen we een calorische waarde van:
8 kWh per kg × 0,8 kg per liter ≈ 7 kWh per liter.
In plaats van een onnauwkeurige schatting te gebruiken, laten we de werkelijke waarde gebruiken, die voor benzine 10 kWh per liter is.
energieverbruik per dag ≈ ( afstand per dag / afstand per brandstof eenheid ) x energie per brandstof eenheid
energieverbruik per dag ≈ ( 50 km per dag / 12 km / liter ) x 10 kWh / liter
energieverbruik per dag ≈ 40 kWh / dag
Gefeliciteerd! We hebben onze eerste schatting van consumptie gemaakt. Ik heb deze schatting op de linkerstapel in figuur 3.3 gezet. De hoogte van de rode doos vertegenwoordigt 40 kWh per dag per persoon.
Figuur 3.3. Conclusie van hoofdstuk 3: een typische automobilist gebruikt ongeveer 40 kWh per dag.
Dit is de schatting voor een typische automobilist die vandaag een typische auto bestuurt. Latere hoofdstukken zullen het gemiddelde verbruik van alle mensen in Groot-Brittannië bespreken, rekening houdend met het feit dat niet iedereen rijdt. We zullen ook in Deel II bespreken wat het verbruik zou kunnen zijn, met behulp van andere technologieën zoals elektrische auto’s.
Waarom rijdt de auto 12 km per liter? Waar gaat die energie naartoe? Kunnen we auto’s maken die 1200 km per liter rijden? Als we geïnteresseerd zijn om het verbruik van auto’s te verminderen, moeten we de natuurkunde achter het verbruik van auto’s begrijpen. Deze vragen worden beantwoord in het begeleidende technische hoofdstuk A, dat een vereenvoudigde theorie biedt over het verbruik van auto’s. Ik raad u aan de technische hoofdstukken te lezen als formules als 1/2mv2 u geen medische problemen geven.
Conclusie van hoofdstuk 3: een typische automobilist gebruikt ongeveer 40 kWh per dag. Vervolgens moeten we beginnen met het opbouwen van de stappel met duurzame energie, om deze schatting mee te vergelijken.
Vragen
Hoe zit het met de energiekosten van het produceren van de brandstof van de auto?
Goed punt. Wanneer ik de energie die door een bepaalde activiteit wordt verbruikt, schat, kies ik voor een redelijk strakke “grens” rond de activiteit. Deze keuze maakt de inschatting eenvoudiger, maar ik ben het ermee eens dat het een goed idee is om de volledige energie-impact van een activiteit te schatten. Er wordt geschat dat voor het maken van elke eenheid benzine 1,4 eenheden olie en andere primaire brandstoffen nodig zijn (Treloar et al., 2004).
Hoe zit het met de energiekosten van de productie van de auto?
Ja, die kosten vielen ook buiten de grens van deze berekening. We zullen het hebben over het maken van auto’s in hoofdstuk 15.
Aantekeningen en verdere lectuur
Laten we voor de afgelegde afstand per dag 50 km gebruiken. Dit komt overeen met 18 000 km per jaar. Ongeveer de helft van de Britse bevolking rijdt naar het werk. Het totale aantal autoritten in het VK bedraagt 686 miljard passagierskilometers per jaar, wat overeenkomt met een “gemiddelde afstand per auto per Britse persoon” van 30 km per dag. Bron: Department for Transport [5647rh]. Zoals ik op p 22 al zei, probeer ik de consumptie van een “typisch gematigd welgestelde persoon” – de consumptie die veel mensen ambiëren – te schatten. Sommige mensen rijden niet veel. In dit hoofdstuk wil ik een inschatting maken van het energieverbruik van iemand die ervoor kiest om te rijden, in plaats van het onpersoonlijke gemiddelde verbruik in het VK te rapporteren, waarbij autorijders en niet-autorijders worden gecombineerd. Als ik zou zeggen “het gemiddelde energieverbruik voor autorijden in het VK is 24 kWh / dag per persoon, ” dan weet ik zeker dat sommige mensen het verkeerd begrijpen en zeggen:” Ik ben een automobilist, dus ik denk dat ik 24 kWh / d gebruik. ”
… laten we 33 mijl per gallon gebruiken. In de Europese taal is dit 8,6 liter per 100 km. 33 mijl per gallon was het gemiddelde voor Britse auto’s in 2005 [27jdc5]. Benzineauto’s hebben een gemiddeld brandstofverbruik van 31 mpg; dieselauto’s, 39 mpg; nieuwe benzineauto’s (minder dan twee jaar oud), 32 mpg (Dept. for Transport, 2007). Honda, “het meest energiezuinige autobedrijf in Amerika”, vermeldt dat zijn vloot van nieuwe auto’s die in 2005 werd verkocht, een gemiddeld brandstofrendement op topniveau heeft van 35 mijl per Engelse gallon [28abpm].
…Laten we een dichtheid van 0,8 kg per liter raden. De benzinedichtheid is 0.737. Diesel is 0.820-0.950 [nmn4l].
… de werkelijke waarde van 10 kWh per liter. ORNL [2hcgdh] geeft de volgende calorische waarden: diesel: 10,7 kWh / l; vliegtuigbrandstof: 10,4 kWh / l; benzine: 9,7 kWh / l. Bij het opzoeken van calorische waarden vindt u de “calorische bovenwaarde” en de “calorische onderwaarde” vermeld (ook bekend als “hoge verwarmingswaarde” en “lage verwarmingswaarde”). Deze verschillen voor motorbrandstoffen zijn slechts 6%, dus het is niet cruciaal om hier onderscheid te maken tussen die twee waarden, maar laat me het toch uitleggen. De bruto calorische waarde is de feitelijke chemische energie die vrijkomt wanneer de brandstof wordt verbrand. Een van de verbrandingsproducten is water en bij de meeste motoren en krachtcentrales gaat een deel van de energie naar het verdampen van dit water. De calorische onderwaarde meet hoeveel energie er over is, ervan uitgaande dat deze verdampingsenergie wordt weggegooid en verspild. Wanneer we vragen “hoeveel energie verbruikt mijn levensstijl?”, Dan is de bruto calorische waarde de juiste hoeveelheid om te gebruiken. De calorische onderwaarde is daarentegen van belang voor een ingenieur van de elektriciteitscentrale, die moet beslissen welke brandstof in zijn energiecentrale moet worden verbrand. In dit hele boek heb ik geprobeerd de bruto calorische waarden te gebruiken. Een laatste opmerking voor degenen die zeggen: “boter is geen koolwaterstof”: OK, boter is geen zuivere koolwaterstof; maar het is een goede benadering om te zeggen dat de belangrijkste component van boter lange koolwaterstofketens zijn, net als benzine. Het bewijs hiervoor is, dat deze benadering ons binnen 30% van het juiste antwoord bracht. Welkom bij de guerrilla natuurkunde.