Capaciteit – Elektrisch Rijden Ambassadeur

Bij veel elektrische auto bezitters is er verwarring tussen de begrijpen capaciteit en vermogen en de betekenis van de eenheden kW en kWh. Daarom heb ik eenvoudig te begrijpen uitleg geschreven, die het verschillen duidelijk uitlegt in de context van elektrisch rijden. Eerst de basis begrippen. Capaciteit is de hoeveelheid energie die in een accu kan worden opgeslagen. De capaciteit wordt aangeven in de eenheid Kilowatt uur [kWh]. Vermogen is hoeveelheid energie per tijdseenheid die een laadstation kan leveren. Vermogen wordt aangeven in kilowatt [Kw] Deze definities zijn lastig te onthouden omdat ze abstract zijn. Ook ik had bij de start van mijn opleiding ingenieur elektronica, moeite om een duidelijk beeld van deze begrippen te maken. Daar gan we wat aan doen door een duidelijke en eenvoudig te snappen analogie te gebruiken Een analogie voor elektriciteit Omdat elektriciteit zelf niet zichtbaar is, is het moeilijk om je iets voor te stellen bij de begrippen elektrische capaciteit en vermogen. Daarom is het handig een analogie te gebruiken waar je wel iets bij voor kunt stellen. De eenvoudigste analogie die door iedereen eenvoudig is te begrijpen, is de analogie met een emmer water. De analogie voor accucapaciteit De accu van een elektrische auto kun je vergelijken met een emmer water. Veel huis, tuin en keukenemmers hebben een inhoud van 10 liter. De capaciteit van zo'n emmer is dus 10 liter. Net als bij een accu kan een emmer vol of leeg zijn. En net als de lading van een accu, kun je als er water in de emmer laten lopen en als de emmer leeg is kun je hem weer met water vullen. Een emmer is een prima analogie voor een accu. De analogie voor laadvermogen Zoals een accu geladen wordt met een laadapparaat kan een emmer worden gevuld met een tuinslang. Als je de kraan waar de tuin slang op aangesloten is opgedraaid wordt dan begint het water in de emmer te stromen. Bij de tuinslag in ons voorbeeld stroomt er 5 liter water per minut vanuit de tuinslang in de emmer. Als de emmer helemaal leeg is zal het twee minuten duren voordat de emmer zich van helemaal heeft gevuld. Laten we de kraan dichtdraaien voor de emmer overstroomt. Het officiële rekensommetje ziet er zo uit. 10 l----------------- = 2 min5 l/min Als ingenieur leer je goed op de eenheden in je rekensom te letten. In de bovenstaande som kun je het liter teken boven en onder d streep tegen elkaar wegstrepen. Daarna passen we een wiskundig trucje toe. We vermenigvuldigen boven en onder de streep met 1 minute. Hierdoor kunnen krijgen we onder de streep min/min wat tegen elkaar mogen wegstrepen. Boven de streep blijf minute staan. Waarmee we hebben aangetoond dat het antwoord in munten is. Dit mag een beetje flauw lijken, maar je zult zien dat veel profijt van deze wiskunde trucjes zullen hebben bij het begrijpen van de eenheiden kW en kWh. Nemen we een slang met een veel hoger vermogen, bijvoorbeeld een brandslang die 100 liter water per minut levert dan onze emmer veel sneller vo zit 10 l----------------- = 0,1 min Dit komt overeen met 6 seconden.100 l/min De grote verwarring Met bovenstaande voorbeeld is eenvoudig te begrijpen wat het verschil is tussen capaciteit, het aantal liters dat in een emmer past en vermogen het aantal liters per minute wat uit een tuinslag komt. Als we met water en tuinslangen te maken hebben is: De capaciteit van een emmer in liter [l]Het vermogen van een tuinslang in liter per seconde [l/s] De verwarring ontstaat als we van water terug gaan naar de elektriciteit en de veel gebruikte eenheden voor accu capaciteit en laadvermogen bekijken Als we met accu's en lader et maken hebben is: De Accu capaciteit in Kilowattuur [kWh]Het vermogen van een lader in watt [W] Opeens staat er bij capaciteit uur achter de Kilowatt. Bij vermogen is de per seconde opeens weg. Dat voelt tegennatuurlijk. Hoe zit dat nu? Om dit inzichtelijk te maken hebben een simpel stukje natuurkunde nodig. In de natuurkunde is de eenheid van energie de joule [J] Net zoals de maximale inhoud van een emmer in liter uitgedrukt wordt, kan de maximale energie inhoud of capaciteit van een accu, uitgerukt worden in joule. Net zoals het vermogen van een tuinslang uitgedrukt kan worden in liter per seconde [l/s], kan het vermogen van een acculader kan uitgedrukt worden in joule per seconde [J/s] en dat is precies de definitie van de watt. Omdat de watt in het dagelijkse gebruik veel meer is ingeburgerd dat de joule wordt bij het aangeven van capaciteit veel liever de watt gebruikt dan de joule. Capaciteit wordt uitgedrukt in joule. Om capaciteit uit te drukken in watt, hebben we het wiskunde trucje uit het eerder hoofdstuk nodig. De definite van watt: Watt = joule per seconde In verkorte vorm W = J/s We vermenigvuldigen beide zijden met seconde.Ws = Js/s Aan de rechterkant kunnen de seconde eenheden tegen elkaar wegstrepen en houden we over. Ws = J 1 Joule is gelijk aan 1 Wattseconde De seconde achter de Wattseconde is en blijft contra intuïtief, maar bedenk dat er in de watt gelijk is aan de joule/seconde en daardoor een wattseconde gewoon gelijk is aan joule. Waarom capaciteit in kilowattuur In de praktijk wordt veel de kilowattuur [kWh] als maat voor energie en accu capaciteit gebruikt. Wat bekend dit precies e waar komt dat vandaan. De kilowattuur is een term die opgebouwd drie delen Kilo: Dit is niets meer dan een vermenigvuldigingsfactor het betekent x 1.000Watt: Deze kennen we al al eenheid van vermogenUur: Een uur heeft 60 minuten van 60 seconden, totaal 3.600 seconden Eén kilowattuur is gelijk is dus gelijk aan 3.600 kilowattseconde. In het vorige hoofdstuk hebben we geleerd dat een wattseconde gelijk is aan een joule Eén kilowattuur is dus gelijk aan 3.600 kilojoule. Omdat ingenieurs niet van veel nullen houden, wordt dit geschreven wordt de komma drie plaatsen verschoven door van de kilo x 1.000 naar Mega x 1.000.000 over te stappen 1 kWh = 3.600 kilojoule [kJ] = 3,6 megajoule [MJ] Uur inplaats van seconde Maar waarom nu uur? De kilowattuur wordt al decennia lang door elke energie maatschappij gebruikt bij het leveren van elektriciteit. De kilowattuur is vooral een hele praktisch waarde. Het verbruik of vermogen van elektrische apparaten wordt aangeven in watt. Laat je een apparaat met en verbruik van 100 watt een uur aanstaan dan heeft dit apparaat een 100 wattuur energie verbruikt. Laat je dit apparaat tien uur aanstaan dan verbruikt het in totaal 100 watt x 10 uur = 1.000 wattuur. Dat is gelijk aan 1 Kilowattuur afgekort 1 KWh. Omdat kWh, zowel de watt, het verbruik (vermogen) van de verbruiker in zich draagt als de verbuigt tijd is de kWh een hele intuïtieve maar bij het berekenen van verbruik van energie. Dit is dan ook de reden dat het gebruik van de kWh al staat voor energie zo goed ingeburgerd is geraakt. Omdat capaciteit van een accu niets anders is als maximale energie inhoud en mensen aan d kWh gewend zijn, heeft de elektrisch auto industrie deze maat overgenomen. Daar kom nog bij dat je voor huishoudelijk gebruik gemiddelde een tarief is € 0,30 per kWh betaald. Dit zijn allemaal eenheden en bedragen die te onthouden zijn en waar makkelijk mee te rekken is. Heb je een Tesla model S met een accu van 100 kWh en wil je deze van helemaal leeg naar vol landen dan kost je dat 100 kWh x € 0,30 per kWh = € 30,- Samenvatting Als ik als ingenieur naar de specificaties van een elektrische auto kijk, heb ik altijd in mijn achterhoofd dat kW energie per tijdeenheid en dus vermogen is. Daardoor kan bij kWh boven en onder de streep tijd tegen elkaar wegstreept worden en raak ik die contra-intuïtieve uren aanduiding in kWh snel kwijt en hou je ik in gedachten capaciteit in joule over. Bronnen https://en.wikipedia.org/wiki/Watt https://en.wikipedia.org/wiki/Joule