De toekomst van mobiliteit - Achtergrond

In 2030 moet de uitstoot van CO2 zijn gehalveerd en in 2035 willen politici de verbrandingsmotor helemaal uitbannen. Waarom zou je als autofabrikant dan nog geld stoppen in de ontwikkeling van verbrandingsmotoren? “Het doel van politici is niet de beperking van de CO2uitstoot, maar het invoeren van elektrisch rijden. Het gaat om symboolpolitiek”, stelt Frank Welsch van Volkswagen onomwon den. “Het is de bedoeling dat we in 2050 alle energie uit hernieuwbare bronnen halen. Of batterijen voor alle toepassingen de beste energiedrager zijn, is echter nog maar de vraag. Je kunt met elektriciteit ook vloeibare brandstoffen maken, die de verbrandingsmotor duurzaam maken, met van well to wheel wellicht een beter rendement. Verbrandingsmotoren kunnen immers nog veel zuiniger, waarbij rendementen van 55 procent mogelijk zijn, zeker met elektrificatie en hybridisering”, aldus Welsch.

Ook Günter Fraidl van AVL, een adviesbureau voor voertuigen en tevens een onafhankelijk onderzoeksinstituut, is kritisch over de politiek. “Een verbod op verbrandingsmotoren is een beslissing op basis van emotie, maar er zijn geen redelijke argumenten voor. Het gevaar is dat individuele mobiliteit duur of onmogelijk wordt. De wetgever meet ook met twee maten. Die verwaarloost de CO2 die bij het genereren van elektriciteit vrijkomt. Alles is erop gericht de elektrische auto in de markt te drukken, of het nu zinvol is of niet.” Inmiddels is duidelijk dat er bij het fabriceren van lithiumaccu’s veel CO2 vrijkomt en dat ook het rijden op met fossiele energie opgewekte elektriciteit extra CO2-uitstoot geeft. “Het opwekken van fossiele stroom stoot immers ook 340 gram CO2 per kilowattuur uit, met het transport erbij 428”, aldus Fraidl. “Zolang onze elektriciteit niet uit duurzame bronnen komt, leidt elektrisch rijden dus tot een verhoging van de CO2-uitstoot. Op de korte termijn moet de CO2-reductie dus komen van zuiniger verbrandingsmotoren.”

Ook is er een economische factor: elektrische auto’s zijn duurder en niet iedereen kan zich die veroorloven. Auto’s met verbrandingsmotor zullen er dus nog lange tijd zijn. “In 2030 rijdt 25 procent elektrisch, dus heeft 75 procent nog met verbrandingsmotor”, stelt Volkmar Denner van Robert Bosch GmbH vast. “Die moet dus zo schoon en zuinig mogelijk zijn.” Nog schonere motoren stellen de autoindustrie wel voor een probleem. Er gaan geruchten dat er rond 2024 strengere emissienormen komen, maar hoe deze Euro 7normen eruit gaan zien, weet nog niemand. Dat komt ook doordat de manier waarop emissies worden gemeten intussen is veranderd. Voorheen werden emissies gemeten tijdens een korte rit op een rollentestbank, maar nu gebeurt dat tijdens een lange rit op de openbare weg. Hoe deze Real Driving Emissions tests zich verhouden tot de ouderwetse testcycli, wordt nog onderzocht. Daarna is het de vraag wat voor een vooruitgang je redelijkerwijs van fabrikanten mag verwachten.

SCHONERE MOTOREN

De heksenjacht tegen diesels heeft geleid tot een daling van de verkoop van dieselauto’s, met als gevolg een merkbaar hogere CO2-uitstoot. “Diesels zijn zuinig en onmisbaar”, aldus Volkmar Denner van Robert Bosch GmbH. “De antipathie van politici is gebaseerd op oude feiten. De huidige diesels zijn bijna net zo schoon als benzinemotoren en ze kunnen nog schoner”, aldus Denner. Dat heeft Bosch getest met een uitlaatsysteem waarbij een tweede Selective Catalytic Reduction-unit (SCR) in het uitlaatsysteem is gezet. Daarbij zit er een oxidatiekatalysator achter de turbo, een SCR voor het partikelfilter en een tweede SCR als extra clean-up katalysator. Dat beperkt de uitstoot van stikstof oxiden – agressieve gassen met een groot broeikaseffect – tot nagenoeg nul.

Daarmee is de diesel net zo schoon als een benzinemotor. Er zijn echter nog meer mogelijkheden. Zo heeft oliemaatschappij Aramco getest met een soort zeer licht ontvlambare benzine in een dieselmotor, zodat het lage verbruik van de diesel wordt gecombineerd met de schone verbranding van benzine. De benzine heeft een octaangetal van 80, wat in een benzinemotor tot pingelen zou leiden. Het cetaangetal is 35 (van normale diesel 53 en van benzine 19). Van tank to wheel was de auto met deze brandstof 13,5 procent zuiniger.

Bij roetuitstoot denken mensen meteen aan diesels, maar moderne, direct ingespoten benzinemotoren stoten ook roet uit. De op de koude cilinderwanden te spuiten, zodat die daarop niet condenseert. Daarnaast experimenteert deze universiteit met het voorverwarmen van benzine, waardoor deze sneller verdampt. Ze gebruikt daarbij, net als Porsche op de nieuwe 911 Turbo, een ander soort injectoren. Die hebben geen kleine gaatjes meer, maar een omgekeerde conus aan de injectornaald, zodat de brandstof op een andere manier wordt verspreid en met een hogere snelheid in de langsstromende lucht wordt geblazen, en zo beter verdampt. De Porsche 911 krijgt daarbij tevens piëzo-injectoren, die tot vijf maal per verbrandingsslag kunnen injecteren. Ook krijgt hij een partikelfilter.

EXPERIMENTEREN

Andere instituten experimenteren juist met waterinjectie. Door verdamping van water daalt de temperatuur, waardoor de emissies van schadelijke stoffen dalen. De verdampende waterdruppels zorgen ook voor een extra drukopbouw in de cilinder, wat vermogenswinst oplevert. Ook wordt er gewerkt aan nog betere bougies. Denso werkt aan een lageweerstandsbougie die een langere en 14 procent hetere vonk produceert, waardoor er geen brandstofverrijking nodig is om een goede verbranding te bereiken.

Bij Continental zoeken ze het vooral in een verbetering van de katalysator. Door deze te integreren met het turbinehuis van de turbo zit deze dichter bij de motor, zodat hij sneller opwarmt. Door de donutvorm stromen de gassen die uit de turbo komen eerst door het gat, moeten in de behuizing omkeren en stromen dan door de cirkelvormige katalysator. Het voordeel daarvan is dat de stroming heel gelijkmatig is en dat alle delen van de katalysator optimaal worden gebruikt. Om diezelfde reden heeft deze turbo ook geen aftakking voor de wastegate, maar een cirkelvormige spleet rond de omtrek. Dat verstoort de stroming van de gassen niet en zorgt zo voor een betere werking van de katalysator.

E-FUELS

Het probleem met winden zonne-energie is dat die vaak worden opgewekt op plaatsen waar je die niet nodig hebt of op momenten die niet uitkomen. Je moet die energie dus kunnen opslaan en transporteren. Opslaan kan in grote opslagplaatsen vol accu’s en het kan in woonwijken met opslag-units, maar je kunt het ook doen in brandstof. Je kunt met behulp van elektriciteit namelijk water ontleden in waterstof en zuurstof. Met die waterstof en elektriciteit kun je vervolgens CO2 uit de lucht afbreken en weer een koolwaterstof bouwen, zoals methaan, propaan of vloeibare koolwaterstoffen. Dat heeft de bekende voordelen, zoals snel tanken en een grote actieradius vanwege de grote energiedichtheid.

Veel fabrikanten zijn daarmee bezig, waaronder Audi en Ford. Ulrich Kramer van Ford Keulen heeft uitgerekend wat het beste is. Volgens hem winnen deze zogenaamde e-fuels het van batterijen. Ook Toyota is overtuigd van de potentie van e-fuels. “Het is belachelijk dat e-fuels geen rol spelen bij het beleid van de politiek”, aldus Keiji Kaita, Field General Manager Powertrain van het Japanse merk. Ook Günter Fraidel van AVL onderstreept de voordelen van e-fuels. “Een elektrische auto is efficiënter dan een waterstofauto of een auto met een pure verbrandingsmotor op e-fuel. Maar dat verandert als je de verbrandingsmotor uitrust met een hybridesysteem. Dan wint de hybride het dubbel en dwars van de elektrische auto. De politiek moet dus niet puur op de elektrische auto gokken, maar op een mix.”

48-VOLT HYBRIDESYSTEEM

Hybridisering is dus noodzaak. Regeneratief remmen is alleen al noodzakelijk om de uitstoot van fijnstof in de steden te beperken: 80 procent van de partikels is afkomstig van de remmen en de banden. Als je overwegend op een elektromotor afremt en slechts af en toe op de remblokken, komt er 95 procent minder remstof in de lucht. Nu zijn hybrides er allang, in vele soorten en maten en bij bijna alle merken.

Een vrij recente stap is dat fabrikanten gebruik gaan maken van een 48-volt hybridesysteem. De reden daarachter is dat er bij een 12-volt boordsysteem te hoge stromen moeten lopen, met warmteontwikkeling en energieverlies tot gevolg. Ook kunnen 12V-accu’s niet snel genoeg remenergie opslaan. Met hun inwendige weerstand zijn er bij 12V-accu’s dus geen hoge laadstromen mogelijk. Bij 48V gaat dat veel beter. Daarom krijgt de nieuwe Golf bijvoorbeeld naast een klein 12V-net ook een 48V-net, met een lithium-ionaccu en een door een riem aangedreven dynamo die ook als startmotor dienst doet. Deze dynamo kan ook acceleratie ondersteunen, waardoor het maximumkoppel 25 procent eerder wordt bereikt. Daarnaast kan het voor een lichte aandrijving zorgen als er met constante snelheid wordt gereden. Bij gas loslaten kan de motor worden uitgezet. Hierbij wordt er ontkoppeld, zodat er geen sleepverliezen optreden. Zodra er gas wordt gegeven, komt de koppeling weer tot stand en wordt de motor gestart. Dat gaat veel soepeler dan bij een conventionele starter.

ELEKTRISCHE DRUKVULLING

Ook Audi gaat bij de nieuwe 3.0 V6 TDI-motor over op een 48V-systeem. Dat heeft dan te maken met de toepassing van een elektrische compressor voor de inlaatlucht. Deze staat in serie met de uitlaatgasturbo en vergroot de laaddruk bij lage toerentallen met een factor 1,4. Hierdoor neemt het koppel vanaf 500 tpm sterk toe. In de toekomst zullen we ook vaak zien dat uitlaatgasturbo’s worden vervangen door een door uitlaatgas aangedreven generator in combinatie met elektrische drukvulling.

De heilige graal op het gebied van motorefficiëntie is variabele compressie. Hoe hoger de compressieverhouding, hoe zuiniger de motor. Als de compressie te hoog wordt, gaat de motor echter pingelen en gaat hij kapot. Pingelen doen motoren voornamelijk bij volgas. Daarom wordt de compressieverhouding van een motor bepaald door de pingelneiging bij volgas. Daardoor rijden alle motoren bij deellast met een te lage compressie, tenzij je die compressie variabel kunt maken. Dat hebben vele fabrikanten geprobeerd, maar de ideale oplossing is nooit gevonden. Tot nu toe, als het aan AVL ligt. Dat heeft samen met IWIS een telescopische drijfstang ontwikkeld, die langer en korter kan worden. Het gaat maar om een paar millimeter, maar toch. De bediening ervan loopt eigenlijk via de massatraagheid van de zuiger, waarbij de zuigerpen in de uiterste standen wordt vastgezet met behulp van oliedruk. De testmotor, die in een Audi ligt, draait bij deellast op een compressie van 12,5:1, maar bij vollast wordt deze met 8 procent verlaagd. Het levert een brandstofbesparing van 4 procent op, tot onder de 200 gram per kilowattuur. De testauto loopt en de productie van drijfstangen wordt inmiddels opgestart.

Het grootste struikelblok bij het terugdringen van de CO2-uitstoot zijn volgens de genoemde specialisten de politici, die in hun ogen meer geven om het imago van hun maatregelen dan om de gevolgen ervan.

DEELOPLOSSING

Elektrisch rijden is op de lange termijn een goede deeloplossing, maar niet voor alle situaties. De verbrandingsmotor kan in combinatie met elektrificatie (als hybride dus) en e-fuels ecologisch én economisch een grote bijdrage leveren, zowel nu als in de verre toekomst, was in Wenen te horen.

De hoofdconclusie was dat nieuwe, zuinige verbrandingsmotoren voor de komende tien tot vijftien jaar de voornaamste, misschien wel enige mogelijkheid bieden om de uitstoot van broeikasgas terug te dringen. Auto’s die ermee zijn uitgerust, mogen dus niet te duur zijn, want dan blijven mensen rijden in oude auto’s met een hoge uitstoot. Pas als we over voldoende elektriciteit uit hernieuwbare bronnen beschikken, wordt elektrisch rijden zinvol. Dan nog moet de politiek de voordelen van de verbrandingsmotor serieus blijven nemen, ook in een volledig duurzame toekomst.