Wat is de relatie tussen reizen en energieverbruik ?
Ik wil hier de relatie tussen energieverbruik en mobiliteit aan de orde stellen.
Maar eerst de vraag:
Waarom is het zo moeilijk om de verschillende vormen van personenvervoer met elkaar te vergelijken als het gaat om energieverbruik ?
Hier zijn meerdere redenen voor;
- Welke energiecomponenten worden al of niet in de berekening meegenomen
- Wat is de bezettingsgraad van een vervoermiddel
- Worden energiekosten van productie en afbraak van een vervoermiddel meegenomen
- Worden de kosten van benodigde infrastructuur doorberekend
- Wordt gerekend met fossiele brandstoffen of met elektriciteit
- Bijkomende kosten als verwarming en verlichting van een vervoermiddel
In het navolgende wordt een overzicht gegeven van de energiebehoefte per vervoermiddel. Als het erom gaat om de energiebehoefte te bepalen, zijn er twee uitgangspunten.
Ten eerste is er de energie die direct door een energiedrager aan het voertuig geleverd wordt ten behoeve van de omzetting naar mechanische energie. Dit gaat gepaard met een bepaald rendement.
Ten tweede heeft er ergens een omzetting plaats gevonden van een primaire energiebron (olie,gas,aardolie) naar bovengenoemde energiedrager.
Deze omzetting vindt plaats met een zeker rendement. Voor het rendement van fossiele brandstof naar elektriciteit wordt 35 % aangehouden. Dit onderscheid is nodig omdat elektriciteit geen energiebron is maar een energiedrager, dit in tegenstelling tot fossiele brandstoffen die wel (primaire) energiebronnen zijn.
Energieberekeningen inclusief deze omzetting vanuit de primaire energiebron worden tussen haakjes als primair energieverbruik aangegeven.
We gaan uit van de volgende vervoermiddelen:
- Elektrische auto
- Verkeersvliegtuig
- Recreatievliegtuig
- Elektrische trein
- Hogesnelheidstrein
- Fiets (standaard of elektrisch)
- Vaartuig
De te maken berekeningen worden allemaal gepresenteerd in de vorm van aantal personen, energie in de eenheid kWh en vermogen in kW. Als eenheid van energie is de Joule ook een gangbare eenheid, met name als het fossiele brandstoffen betreft, maar deze worden door mij allemaal omgerekend naar kWh. Hierbij geldt de volgende omrekening: 1 kWh = 3,6 MJ ofwel 1 MJ= 0,278 kWh.
Bovendien:
De energie-inhoud van 1 liter kerosine bedraagt 10 kWh.
De energie-inhoud van 1 liter benzine bedraagt 9 kWh.
Definitie van pkm:
Om een goede vergelijking mogelijk te maken, worden alle berekeningen herleid naar het energieverbruik dat toegekend kan worden aan één persoon die één kilometer aflegt.
Voorbeeld: Het energieverbruik per persoon, zich verplaatsend in een personenauto met 2 personen, is de helft van het energieverbruik van dezelfde auto als deze persoon de enige inzittende zou zijn.
1. Elektrische auto
Omdat het rendement van een elektromotor erg hoog is, zijn de verbruikscijfers van verschillende elektrische auto’s onderling niet erg uiteenlopend. De variatie in het verbruik is vnl. afhankelijk van het energieverbruik van allerlei accessoires en of al of niet interieurverwarming wordt gebruikt. In de praktijk blijkt een auto met een accupakket van 60 kWh een actieradius van 300 km te hebben.
Dus een elektrische auto met één inzittende heeft een energieverbruik van 60/300=0,2 kWh per km.
Als er gestandaardiseerd wordt op een gemiddelde bezettingsgraad van 2 personen geldt:
Conclusie: Verbruik met 2 personen in een elektrische auto: 0,1 kWh/pkm (0,3 kWh/pkm primair)
PM: Omgekeerd kun je ook controleren hoeveel brandstof een benzine-auto per kilometer nodig heeft. Uitgaande van 0,2 kWh per km en 1 ltr. benzine levert 9 kWh levert dit op: 0,022 ltr per km. Corrigerend voor het rendement van benzine naar voortstuwing (30 %) kom je uit op 0,067 ltr per km ofwel een verbruik van 1:15
Dit betekent dat er weinig verschil is tussen het verbruik van een brandstofauto en een elektrische auto.
2. Vliegtuig
Het vliegtuig is een vervoermiddel dat qua energieverbruik ruimschoots is onderzocht. Omdat er nooit een enkele passagier in een vliegtuig zit kun je alleen spreken over het energieverbruik van een groep mensen.
Het energieverbruik van een vliegtuig is weliswaar goed te bepalen, maar per passagier afhankelijk van een groot aantal factoren:
- bezettingsgraad
- al of niet tussenlandingen
- deels gebruikt voor vrachtvervoer
- direct gebruik van fossiele brandstof (kerosine) i.p.v. elektriciteit
- gekozen afstand
- type vliegtuig
Voor diverse typen vliegtuigen zijn berekeningen gemaakt op basis van de langste vlucht die een vliegtuig kan maken en met een passagiersbezetting van 100 %. Dit is gedaan voor een Boeing 747, een Boeing 737, een Boeing 777 en een Boeing 767.
Opmerkelijk is dat bij deze gunstige uitgangsposities het verbruik per passagier-kilometer voor de zeer grote vliegtuigen redelijk vergelijkbaar is. De wat kleinere Boeing 737 (100 passagiers) heeft een hoger verbruik (0,4 kWh/pkm) dan de grotere vliegtuigen.
Conclusie: Verbruik bij volbezette grote Boeing op de langste vlucht: 0,3 kWh/pkm
3. Een klein passagiersvliegtuig
PM: Een interessante berekening kan nog gemaakt worden voor een klein vliegtuig, zoals een Cessna 172. Hier kunnen 3 passagiers in mee. Snelheid: 200 km/uur. Verbruik: 26 ltr/uur. Afstand 1000 km maximaal.
Vijf uur vliegen kost 130 ltr kerosine= 1.300 kWh over 1000 km. Dus 1,3 kWh per kilometer.
Met 3 passagiers is dat dan: 0,43 kWh/pkm
4. Elektrische trein (intercity)
Het energieverbruik van een elektrische trein hangt af van de snelheid. Een TGV met een snelheid van 300 km/uur verbruikt veel meer energie dan een intercitytrein. Ook voor de trein hangt veel af van de bezettingsgraad. Verwarming gebruikt ook veel energie maar dat wordt niet inbegrepen. Het aantal keren dat een trein moet stoppen op tussenliggende stations heeft ook veel invloed. Onderstaande cijfers zijn slechts gemiddelden over een aantal representatieve trajecten.
Een cijfer uit “de Groene Illusie”: Intercity met 140 km/u verbruikt 3 MW
Ander cijfer: Een dubbeldekker met max. 372 passagiers over 14 km verbruikt 84 kWh.
Conclusie: Verbruik bij volbezette dubbeldekker over 14 km: 0,016 kWh/pkm (0,05 kWh/pkm primair)
5. Hogesnelheidstrein
Hier is ook onderzoek naar gedaan. Ik volsta hier met een gemiddelde waardering zoals ik die uit diverse onderzoeken heb kunnen distilleren.
Een Thalys TGV met max. 377 passagiers over 100 km verbruikt 2.000 kWh.
Conclusie: Verbruik bij een volledig bezette TGV over 100 km: 0,053 kWh/pkm (0,15 kWh/pkm primair)
Ezelsbruggetje: Een hogesnelheidstrein verbruikt ongeveer 3 keer zoveel energie als een dubbeldekker.
Als er nu auto, trein en vliegtuig met elkaar worden vergeleken, zijn er dan toch nog enigszins betrouwbare vergelijkingen te maken ?
Het antwoord hierop moet helaas nee zijn. De bovengenoemde berekeningen zijn wel interessant, maar er zijn vele aantekeningen bij te maken.
Bijvoorbeeld:
1. De bezettingsgraad van de trein zal vaak veel lager zijn dan van een vliegtuig.
2. Hoe worden de kosten van de aan te leggen en te onderhouden infrastructuur doorberekend ? Voor auto’s zijn wegen nodig en voor treinen rails en stationsgebouwen.
3. Hoe wordt de omzetting van brandstof naar elektriciteit met een rendement van 35 % doorberekend ?
4. Enz, enz.
6. De fiets (niet-elektrisch)
Het energieverbruik van de fiets is van vele factoren afhankelijk. Het secundaire energieverbruik hangt sterk af van de snelheid, bandenspanning, tegenwind, zitpositie, helling, enz. Een gemiddeld getal dat hier genoemd kan worden is een vermogen van 75 Watt bij een snelheid van 20 km/uur. Dus na een uur is 75 Wh verbruikt en 20 km afgelegd. Het energieverbruik komt hierbij op 3,75 Wh/pkm.
Dit is de secundaire energie, dus de (mechanische) energie die rechtstreeks aan de trappers geleverd moet worden. De primaire energie is de hiermee overeenkomende energie die uit het voedsel gehaald moet worden.
Algemeen wordt hier gerekend met een rendement van 25 %.
Dus zal de mens als fietser een 4 x zo grote hoeveelheid energie in de vorm van voedsel moeten opnemen, hetgeen dan uitkomt op 4 x 3,75 Wh/pkm.
Als primaire energiebehoefte (voedsel) geldt dus voor de fiets: 15 Wh/pkm.
Illustratie: Een gemiddelde volwassene heeft dagelijks 2.000 kcal aan voeding nodig. Als deze persoon een tocht van 20 km maakt, betekent dit 0,3 kWh extra voeding, ofwel 250 kcal.
7. Elektrische fiets
Een elektrische fiets heeft een accu met capaciteit 500 Wh. De snelheid is 20 km/u.
Omdat altijd mee getrapt moet worden, wordt er ook energie uit spierkracht geleverd.
Het vermogen (elektrisch+spierkracht) dat geleverd wordt: 100 Watt continu.
NB: Dit is meer dan een niet-elektrische fiets (75 Watt), omdat de fiets zwaarder is en er verliezen optreden in de motor en de tandwielen.
De verdeling van de toegevoerde energie over elektrisch/spierkracht hangt sterk af van de mate van ondersteuning
Stel dat de verdeling elektrisch/spierkracht 75/25 is (toerstand), dan levert de accu 75 Watt en de fietser 25 Watt.
Het aandeel elektrisch verbruik is dan over 20 km: 75 Wh, waarmee (6,5 uur) 130 km gefietst kan worden.
Dus per kilometer: 75/20=3,75 Wh (elektrisch) + 25/20=1,25 Wh (spierkracht) = 5 Wh/pkm.
Dit is dus meer energieverbruik dan een niet-elektrische fiets.
(primair verbruik is deels factor 3 (elektrisch) en deels factor 4 (spierkracht) : 16,5 Wh/pkm
7. Vaartuig
Elektrische boot voor 8 personen.
Met een accu van 10 kWh en een snelheid van 6 km/uur kun je 50 km varen.
Dat is dus 0,2 kWh per km ofwel 0,2/8= 0,025 kWh/pkm, dus primair 0,075 kWh/pkm
Zeer snelle veerboot Hoek van Holland-Harwich.
Verbruik bij 1500 passagiers en 350 auto’s: 920 kWh per kilometer bij een snelheid van 75 km/uur.
Stel een auto=12 passagiers, dan 5700 passagiers.
Het verbruik is dan 920/5700 =0,16 kWh/pkm, dus primair 0,5 kWh/pkm
Cruiseschepen
Cruiseschepen horen niet in dit rijtje thuis, omdat ze beter omschreven kunnen worden als varende hotels. Uit een overzicht van de website “energiefeiten.nl” blijkt dat cruiseschepen maar een deel van hun verbruikte energie verbruiken voor voortstuwing.
Onderstaande cijfers zijn daarom niet te vergelijken met de cijfers van andere transportmiddelen. Toch noem ik ter illustratie van het energieverbruik van dit soort schepen twee schepen.
De Maasdam en Rijndam, die al lang uit de vaart zijn, konden varen met 30 km/uur.
Zij verbruikten met volle bezetting van 893 passagiers: 1 kWh/pkm
De Queen Elizabeth II heeft een zeer hoog energieverbruik, dat weinig relatie heeft met de afgelegde afstand. Een cijfer dat wel genoemd kan worden is het energieverbruik per passagier: 3.000 kWh per dag.
Stel dat zo’n schip gemiddeld per etmaal 1000 km vaart, dan is het verbruik 3 kWh/pkm.
Een reis voor twee personen naar Rome
Het is interessant om te berekenen wat het energieverbruik is als je op reis gaat naar Rome. Je kunt met de auto gaan, die is gevuld met twee personen. Het alternatief is om met het vliegtuig vanaf Schiphol te vertrekken. Het vliegtuig is voor 100 % vol geboekt.
Met behulp van de hierboven uitgevoerde berekeningen is het heel eenvoudig om de twee transportwijzen met elkaar te vergelijken.
Afstand per vliegtuig: 1300 km, afstand per auto: 1600 km
Energieverbruik vliegtuig: 0,3 x 1300= 390 kWh enkele reis
Energie voor de auto (2 pers): 0,3 x 1600 = 480 kWh enkele reis
Het vliegtuig is in dit geval dus energiezuiniger.
Als de energie die het kost om de infrastructuur voor het wegvervoer te bouwen en onderhouden, wordt het verschil nog veel groter. Van deze kosten merk je alleen iets bij het betalen van tol op bepaalde autowegen.
Een vakantieganger die op basis van het voorgaande een beslissing moet nemen, zal eerder kijken naar tijd en kosten dan naar energieverbruik.
Hoe zit het dan met de kosten ?
Dit is ook eenvoudig uit te rekenenen.
Retour vliegticket Amsterdam-Rome € 100,- + reiskosten woonplaats-Schiphol € 100,- : € 200,-
Autokosten (retour) 3200 km á € 0,15 per km: € 480,- + tolgelden: € 600,-
Met het vliegtuig ben je in een dag uitgerust in Rome, met de auto kom je na twee dagen vermoeid aan.
Conclusie: Naar Rome per auto is geredeneerd vanuit tijd, kosten, energieverbruik en inspanning niet zinvol.
En de trein dan?
Gezien het feit dat het energieverbruik van een elektrische trein een factor 6 lager is dan het vliegtuig, zal de trein, energetisch gezien de zuinigste oplossing zijn. Over een afstand van 1600 km is het energieverbruik van de trein slechts 1600 x 0,05 = 80 kWh.
Aangezien de trein relatief zo weinig energie verbruikt, zou je verwachten dat dit ook de goedkoopste manier van reizen zou zijn. In de praktijk blijkt dat echter niet zo te zijn. Dit verhaal gaat alleen over energieverbruik en niet over kosten, dus ik kan hier niet veel over zeggen.
Wel zou ik met betrekking tot de kosten, het volgende willen veronderstellen:
- De kosten voor de infrastructuur van de auto zijn al betaald d.m.v. de wegenbelasting.
- In de prijs van het treinkaartje worden ook de kosten van rails en stations meegenomen
- Het vliegtuig betaalt geen BTW op brandstof en heeft lage infrastructuurkosten
Het bovenstaande is tevens een illustratie van de complexiteit die het vergelijken van diverse vervoersvormen met zich meebrengt. Is het energieverbruik al moeilijk te vergelijken, het vergelijken van kosten en prijzen is nog veel ingewikkelder.
Overzicht van mobiliteitsenergie in volgorde van toenemend verbruik per passagierkilometer
NB: in deze cijfers is uitgegaan van de primaire energie, dus rekening houdend met het conversierendement van fossiele brandstof naar elektriciteit (35%).
Voorbeeld: Elektrische fiets rijdt 100 km op 500 Wh accu, maar die accu heeft elektriciteit nodig uit brandstof, waardoor het verbruik, gerekend vanaf brandstof, 3 keer hoger is (1500 Wh).
Lopen en fietsen: 0,015 kWh/km
Fietsen (elektrisch) : 0,03 kWh/km
Trein: 0,05 kWh/pkm
Hogesnelheidstrein: 0,15 kWh/pkm
Auto met 2 personen: 0,3 kWh/pkm
Vliegtuig: 0,3 kWh/pkm
Vaartuig: 0,5 kWh/pkm
Na lopen en fietsen blijkt de trein als zuinigste vervoermiddel uit de bus te komen. In tegenstelling tot wat algemeen gedacht wordt, verbruikt het vliegtuig evenveel als een auto met twee personen.
Als een personenauto gevuld is met één persoon, dan is dit het minst zuinige vervoermiddel (0,6 kWh/pkm).
In het kader van de overgang van fossiele brandstoffen naar wind- en zonne-energie wordt de intercitytrein nog een stuk interessanter. De treinen rijden immers voor een groot deel overdag. De overdag opgewekte zonne-energie kan direct met weinig conversieverliezen voor het spoor worden gebruikt.
Met de elektrische auto is dit niet mogelijk, zodat hier slecht renderende conversies naar opslagsystemen nodig zijn.