Naast de `normale' benzine-auto rijden er in Nederland al heel wat hybride auto's. Dat zijn auto's die zowel op benzine als op elektriciteit (uit accu's) kunnen rijden. Elektrische auto's zijn auto's die alleen een elektromotor hebben en dus geen benzine verbruiken. Daarvan rijden er in Nederland nog niet veel rond. In de toekomst zullen elektrische auto's een steeds belangrijkere rol gaan spelen.
Een opgave van de redactie van Stichting Exaktueel. Op basis van artikelen in de media worden opgaven gemaakt die aansluiten bij het natuurkunde-onderwijs in het voortgezet onderwijs.
Opgaven:
a) Geef minstens twee redenen hiervoor.
De doorbraak van elektrische auto's hangt uiteindelijk af van goede accu's, zo staat in de economiebijlage van de NRC van 11 oktober.
b) Noem minstens twee voorwaarden, waaraan een goede accu in een elektrische auto moet voldoen.
De capaciteit van accu's wordt traditioneel uitgedrukt in ampère-uur (Ah). Als een accu een capaciteit heeft van 100 Ah, kan die accu bijvoorbeeld 10 uur lang 10 A leveren of gedurende 20 uur 5 A. Om de energie-inhoud van de accu te berekenen moet het aantal ampère-uur vermenigvuldigd worden met de spanning die de accu levert.
c) Toon aan dat de eenheid dan de joule is.
Vaak worden de termen accu en batterij door elkaar gehaald. In principe is een batterij niet herlaadbaar en een accu herlaadbaar. Zo is de batterij in een laptop dus eigenlijk een accu.
Bij het NRC-artikel stond de volgende tabel:
In de eerste kolom zie je de soorten accu of brandstof staan: zink-bruinsteen is de ouderwetse wegwerpbatterij uit de zaklantaarn; Lood-zwavelzuur staat voor de klassieke accu, zoals je die nu in de auto aantreft; NiMH staat voor ``nikkel-metaal-hydride'', een veel gebruikte oplaadbare batterij. Li-ion betekent Lithium-ion.
In de tweede kolom zie je de energiedichtheid staan. Dat is de hoeveelheid energie die per kilogram van de energiedrager geleverd kan worden. Het is duidelijk dat benzine onvergelijkbaar beter is dan de rest. Maar... daarna is die benzine wel op! En krijg je hem niet meer terug.
Met vermogensdichtheid wordt het vermogen bedoeld dat maximaal per kilogram van de energiedrager geleverd kan worden.
d) Geef zelf een omschrijving van de term `zelfontlading'.
e) Zoek op internet op wat een belangrijk nadeel van de NiMH-accu is.
f) Zoek op internet wat het belangrijkste nadeel van de Li-ion-accu is.
Stel dat je een 100 Ah accu hebt van 12 V met een gewicht van 24 kg.
g) Bereken de energiedichtheid van deze accu.
h) Welk soort accu zal het zijn?
i) Waarom kun je een lood-zwavelzuur accu niet gebruiken om elektrisch te rijden en een NiMH accu wel?
j) Waarom kun je je een lood-zwavelzuur accu wel bij het starten gebruiken? Bedenk dat je bij het starten heel even een stroom nodig hebt van wel 100 A.
Uitwerking vraag (a)
1) Olie wordt schaarser.
2) Elektriciteit kan veel milieuvriendelijker worden geproduceerd dan benzine.
3) Er is bij elektrische auto's geen uitstoot van vervuilende stoffen.
4) Elektrische auto's maken minder lawaai.
5) Elektriciteit kan op duurzame wijze geproduceerd worden, d.w.z. zonder dat de voorraden fossiele brandstoffen opraken.
Uitwerking vraag (b)
1) Snel op te laden.
2) Moet veel vermogen kunnen leveren.
3) Lange levensduur.
4) Moet veel kilometers kunnen leveren.
Autofabrikanten noemen nog acht andere voorwaarden.
Uitwerking vraag (c)
Ah x V = V x A x h = (J/C) x (C/s) x 3600 s = 3600 J
Uitwerking vraag (d)
Zelfontlading betekent, dat een opgeladen accu vanzelf langzaam leegloopt, ook al wordt hij niet gebruikt.
Uitwerking vraag (e)
Bij lage temperaturen verliest de batterij zijn lading en bij hoge temperaturen raakt hij beschadigd.
Uitwerking vraag (f)
Een Li-ion accu mag je niet te diep ontladen, want dan beschadig je hem.
Uitwerking vraag (g)
12 V x 100 Wh = 1200 Wh. Delen door 24 kg levert 50 Wh/kg
Uitwerking vraag (h)
Stel dat de accu's 100 kg wegen, dan is het vermogen maximaal 100 x 180 = 18000 W = 18 kW. Een kleine auto heeft al gauw een vermogen nodig van 50 kW. Als een auto beschikt over NiMH accu's met een gewicht van 100 kg, kan die auto maximaal beschikken over 100 kW.
Uitwerking vraag (i)
Bij het starten heb je heel kort heel veel stroom nodig. Stel dat je een accu hebt met een vermogensdichtheid van 120 W/kg en die accu weegt 20 kg. Dan kan die accu dus 2400 W leveren. Bij een spanning van 12 V kan dat een stroomsterkte betekenen van 200 A.
Meer opgaven van de redactie van Exaktueel kunt u hier vinden.
