Wat wordt de motor van de toekomst?

Hoewel er nog steeds klimaat-ontkenners zijn staat het voor de meeste mensen als een paal boven de stijgende waterlijn dat de aarde opwarmt, de poolkappen smelten en het klimaat uit balans is. Afgezien daarvan zijn we de beschikbare voorraden aardolie in een rap tempo op aan het maken. Met nieuwe technieken als Enhanced Oil Recovery kunnen bronnen wel verder worden leeggezogen en er is ook nog een heleboel aardgas, waar je via Gas-To-Liquid ook benzine of diesel kunt maken. In principe zouden we daarmee nog wel tientallen jaren vooruit kunnen. De vraag is of je dat moet willen, gezien de opwarming van de aarde. En tientallen jaren zijn ook zo voorbij.

IJstijden

Dat de aarde opwarmt, kun je meten. Het is een feit. Of dat door de mens komt, kun je je afvragen. Er zijn ijstijden gekomen en gegaan. De ijskappen reikten tot aan Nijmegen en zijn gesmolten, lang voor de homo sapiens leerde een vuurtje te stoken. Variaties in temperatuur horen bij de natuur. Bovendien is slechts 4% van de uitgestoten CO₂ “man-made”. 60% daarvan wordt door industrie en elektriciteitscentrales uitgestoten. Van alle CO₂ uit fossiele brandstoffen wordt 20% door het transport veroorzaakt, dus auto's, vrachtvervoer, schepen en vliegtuigen samen. Toch stelt 99% van de mensen die ervoor geleerd hebben dat die 4% genoeg is om het evenwicht te verstoren en dat we alternatieven moeten zoeken. Om de effecten van global warming te beperken tot 2° Celsius in het jaar 2100, moet de CO₂-concentratie in de atmosfeer in elk geval onder de 450 ppm-equivalent blijven. Daarvoor moet de uitstoot van CO₂ in het jaar 2030 met 55% zijn teruggebracht ten opzichte van 1990, de uitstoot moet in 2050 helemaal 0 zijn. 

Door: Peter Aansorgh

Elektrisch rijden

Een elektrische motorfiets heeft geen uitlaat. Als je niet te veel activiteit in de grijze cellen tussen je oren hebt, zou je kunnen denken dat elektrisch rijden dus geen CO₂-uitstoot geeft. Zo eenvoudig is het echter niet. Als een kolencentrale in de Oekraïne een extra schep kolen op het vuur moet gooien als jij je elektrische motorfiets oplaadt, dan is de CO₂-uitstoot per kilometer ruim tweemaal zo groot dan wanneer je op een aardolieproduct rijdt. Daar komt nog bij dat bij de productie van lithium-accu’s veel CO₂ vrijkomt. Volgens een rapport van Circular Energy Storage ligt de uitstoot van de productie van Lithium batterijen – afhankelijk van rekenmethode die het betreffende onderzoeksinstituut heeft gebruikt en Piaggio had tien jaar geleden al een MP3 Hybrid. Maar ja, zolang 90% van onze elektriciteit uit een steenkolencentrale komt schieten we d'r nog niks mee opde energiemix van het land waar de accu werd gemaakt - tussen 39 kg CO₂/kWh en 196 kg CO₂/kWh. Het betekent in elk geval dat de CO₂ uitstoot van de productie van een elektrische auto met een 40 kW batterij vergelijkbaar is met de uitstoot van een diesel die tussen 12.000 en 89.000 km rijdt met een verbruik van 5 liter per 100 km. Daar komt de uitstoot per kilometer nog bij, wanneer niet op elektriciteit uit een hernieuwbare bron wordt gereden. Hoe groter het vervoersmiddel, hoe groter het accupakket, hoe slechter de rekensom wordt. Dus subsidie geven aan rijke mensen, zodat ze gratis dure Tesla’s kunnen rijden, en je vervolgens niet bekommeren om de vraag waar de laadstroom vandaan komt, dat kan alleen een oliedomme en moreel verknipte politicus verzinnen. Net als je niet bekommeren om de capaciteit van je elektriciteitsnetwerk, terwijl je ziet dat het aantal mensen dat - ondanks het gebrek aan subsidie - zonnepanelen aanschaft sterk groeit. 

Fossielvrij

Of elektrisch rijden de toekomst heeft, hangt af van twee zaken: wat goed is voor het milieu en wat de politiek wil. Dat zou hetzelfde moeten zijn, maar dat is het niet. Wat belangrijk is, is dat we zo min mogelijk CO₂ aan de atmosfeer toevoegen. Daarvoor moeten we in elk geval ophouden fossiele brandstoffen te verbranden. We moeten dus op een andere manier energie opwekken en opslaan. Grofweg zijn daar drie mogelijkheden voor: elektriciteit opwekken uit zonne-of windenergie, elektriciteit opwekken uit kernenergie of gebruik maken van biobrandstof. Natuurlijk moet je wel oppassen dat je geen oude schoenen weggooit voor je nieuwe hebt: kerncentrales en kolencentrales sluiten en het gas afschaffen voor je een andere energievoorziening “up and running” hebt, is een recept voor ramp en tegenspoed. Afijn, dat merken we aan de huidige energieprijzen.

Biobrandstoffen

Biobrandstof wordt gemaakt uit planten. Planten halen CO₂ uit de lucht en zetten dat onder invloed van zonlicht om in koolwaterstoffen. Bij verbranding van plantaardige producten komt weer CO₂ vrij en zo ontstaat een kringloop, die min of meer CO2-neutraal is. Maar ook daar kleven nadelen aan: we hebben de landbouwgrond nodig om van te eten. En daar is al niet genoeg van voor de hele wereld, dus om nou in plaats van eten biobrandstof te maken, is immoreel. Er worden nu regenwouden - wind- en zonneparken leveren praktisch gelijk resultaat op en zijn daardoor interessanter dan kernenergiede longen van de wereld - gekapt om koolzaad te verbouwen voor de bijmenging van bioethanol bij de benzine. Hebben we straks wel brandstof, maar geen zuurstof om het te verbranden. Of om te ademen, ook niet onbelangrijk. Nu kun je ook biobrandstoffen maken uit organisch afval, zoals stelen van maisplanten. Maar ook die capaciteit schiet tekort. Dan is er nog een bron, waar we meer dan genoeg van lijken te hebben: poep. De energie-inhoud daarvan is een derde van de energie-inhoud van diesel. Mythbusters heeft er een raket mee gebouwd. Die kwam anderhalve kilometer hoog. Je zou zeggen dat we dus geen mestprobleem hebben, maar een gratis en onuitputbare energiebron. Maar behalve dat er wat busmaatschappijen op CNG (Compressed Natural Gass) uit mest rijden, gebeurt er weinig mee. 

Kernenergie

Een groot voordeel van kernenergie is, dat het een zeer energierijke bron is waarmee we de wereld wellicht eeuwenlang van CO₂-arme elektriciteit kunnen voorzien. De nadelen zijn echter niet onaanzienlijk: Radioactieve materialen zijn bijzonder gevaarlijk. Als er iets misgaat in een centrale is de ramp niet te overzien, zeker niet in dichtbevolkte gebieden. Zie Tjernobyl, Fukushima, Three Mile Island. Voorstanders van kernenergie zetten daar tegenover dat de nieuwste generatie kerncentrales veel veiliger zijn. Maar dat zeiden ze ook van de vorige generaties. Dan is er nog het radioactieve afval. Dat is ook zeer schadelijk en geschikt om kernbommen van te maken. Het moet duizenden jaren veilig en beveiligd opgeslagen. 

Niet rendabel

Maatschappelijk was kernenergie door alle gevaren lang niet meer bespreekbaar. Doordat we nu een alternatief voor fossiele brandstoffen nodig hebben, verandert dat. De vraag is, is het zinvol of nodig weer kerncentrales te bouwen? Volgens de laatste rapporten niet. Een artikel in Trouw stelt onlangs dat atoomstroom uit nieuw te bouwen centrales tweemaal zo duur zou worden dan windenergie Zonnepaneeldaken schieten als paddenstoelen uit de grond, maar het huidige netwerk is daar niet op berekend en zal flink moeten worden uitgebreiduit een offshore windpark. Met het geld dat je moet investeren kun je bovendien een grotere capaciteit aan wind- en zonne-energie aanleggen, dus waarom zou je. Ook duurt de bouw van een kerncentrale te lang. In theorie tien jaar, in de praktijk altijd meer dan het dubbele. Het duurt dus veel te lang voor kernenergie bij gaat dragen, terwijl zonne- en windenergie praktisch gelijk resultaat opleveren. 

Opslag

Het ziet er dus naar uit dat ons heil op energiegebied uit zonne- en windenergie moet komen. Maar ook daar zitten haken en ogen aan: de zon schijnt niet altijd en de wind waait ook niet altijd. De opbrengst moet dus op de een of andere manier worden opgeslagen, zodat je het kunt gebruiken waar en wanneer je dat nodig hebt. Dat geldt helemaal voor voertuigen, want daarvoor is een verlengsnoer niet handig. Opslaan kan in condensatoren, in accu’s, of in E-fuels. Condensatoren zijn in staat razendsnel energie op te slaan, maar houden het niet zo goed vast. Heel geschikt voor het kortstondig opslaan van remenergie, maar niet voor zonne- of windenergie. Batterijen kunnen energie langer vasthouden, met een rendement van 75-85%. Dat betekent dat je 75 tot 85% van de energie, die je erin stopt, er ook weer uit kan halen. 

Batterij-aandrijving

Elektrische auto’s waren er een eeuw geleden al. Die werden niet populair vanwege de geringe actieradius. De loodaccu’s van toen waren te zwaar en konden te weinig energie opslaan. De lithium-accu’s van tegenwoordig hebben een veel hogere energiedichtheid. Bij auto’s is een actieradius van 400 km al normaal, bij motorfietsen zitten we rond de 175 km. Verder wordt de laadtijd wordt door velen als een probleem gezien. Snelladen verkort dat, maar het verkort ook de levensduur van de accu. Accufabrikanten zijn bezig met solid-state varianten, die tot 20 x meer capaciteit hebben. Dan zijn die problemen Fossiele brandstoffen zijn het probleem, niet de verbrandingsmotoropgelost, als het ze daadwerkelijk lukt. Maar er zijn nog wat andere problemen met lithium accu’s. Ze hebben de halve capaciteit als het koud is en bij te veel warmteontwikkeling dreigt een thermal runaway: dan kunnen ze in brand vliegen. Blussen kun je ze niet. Bovendien is zo’n lithium-brand zo heet, dat het beton kan beschadigen. Niet handig als dat op de onderste verdieping van een flatgebouw gebeurt. 

De “Grid”

Dan is er nog een heet hangijzer: het elektriciteitsnet of “de grid”. De laatste tijd merken we dat de grid “vol” zit, het kan de stroom van alle zonnepanelen en zonneparken niet aan. Wat gebeurt er als iedereen om zeven uur thuiskomt en zijn mobiliteitsmiddel aan de lader legt? Volgens sommigen roken de elektriciteitshuisjes er dan uit. Volgens anderen zijn deze rijdende accu’s nou net de oplossing. Ze staan gemiddeld meer dan 20 uur per dag stil, dus kunnen ze prima voor opslag “in de wijk” dienen en zo het net juist kunnen ontzien. Daarvoor moet je voertuig wel “bidirectioneel” kunnen laden, de lading moet er ook uit te halen zijn. Verder moet de grid dan “smart” worden. Je voertuig moet wel volgeladen zijn als jij lekker wilt gaan sturen en dat moet dus computergestuurd geregeld kunnen. Maar dat vereist visie van politici en daar schijnen ze in Den Haag nou net niet over te beschikken.

Waterstof

Energie kun je ook opslaan in zogenaamde E-fuels. Met behulp van elektriciteit kun je water ontleden in waterstof en zuurstof. Het rendement van dat elektrolyse-proces ligt volgens hieropgewekt.nl op 70%, als is dat wellicht wat optimistisch. Waterstof heeft als voordeel dat het een enorm hoge energiedichtheid heeft. Op een klein beetje kom je heel ver en dat is ontegenzeggelijk een groot voordeel ten opzichte van een BEV (Batterij Elektrisch Voertuig) Je kunt je op twee manieren gebruiken: je kunt het in een verbrandingsmotor verbranden, maar dat is een beetje zonde, want die heeft doorgaans ook maar een rendement van 35%, dus uiteindelijk heb je dan per kilometer wel heel veel energie nodig. Slimmer is om het in een brandstofcel om te zetten Waterstof lijkt het ei van Columbus, maar ook daar kleven nadelen aanin elektriciteit en elektrisch te rijden. Een brandstofcel is echter niet goed in lastwisselingen, dus heb je altijd een accu als buffer nodig. Feitelijk heb je dan nog steeds een BEV, maar dan met een brandstofcel als range extender. Dit concept heeft twee nadelen: er is nog geen infrastructuur voor waterstof zodat je bijna nergens kunt tanken. Het tweede nadeel is dat waterstof onder hoge druk (300 tot 600bar) moet worden opgeslagen. Dat doe je niet in een blikken tankje, maar in een behoorlijk dikwandige en zware gasfles. Dat is wellicht niet handig voor een motorfiets. De huidige waterstoftankstations halen hun waterstof trouwens uit aardgas. Daarbij ontstaat CO₂. Vrij nutteloos dus, behalve als overgangsvorm om de transitie tot een waterstofmaatschappij. 

E-fuel

Wellicht is het dan beter om het E-fuel idee nog een stapje verder door te voeren: je kunt CO₂ uit de lucht met elektriciteit afbreken tot koolstof en zuurstof en de koolstof aan waterstof binden. Dan krijg je koolwaterstoffen, van methaan tot aan benzine en diesel behoren tot de mogelijkheden. En dat kun je natuurlijk gewoon in je huidige verbrandingsmotor kiepen via de al bestaande infrastructuur. Al moet je dan wel vraagtekens zetten bij de rendementen en opboksen tegen het vastgeroeste idee dat verbrandingsmotoren CO₂ produceren. Dat doen ze alleen als ze op fossiele brandstoffen rijden. Op E-fuels zijn ze CO₂-neutraal. De KLM heeft overigens al vluchten op E-fuel uitgevoerd en ook de Formule 1 wil op termijn op E-fuels gaan rijden. Audi heeft al uitgevogeld hoe we (nagenoeg) CO2 neutrale e-diesel kunnen makenHet is erg belangrijk dat overheden gaan inzetten op E-fuels, want zelfs als er na 2030 geen verbrandingsmotor meer verkocht zou mogen, dan rijden de tot dan verkochte verbrandingsmotoren nog minimaal 20 jaar rond. Dat kunnen ze dan beter op E-fuel doen dan op fossiele brandstof. Maar ja, visie hè.

Wijsheid

Wat is wijsheid? Elektrisch rijden, waterstof, E-fuel, het is allemaal CO₂-neutraal. De vraag is welk concept het meest efficiënt is, met welk concept we de meeste kilometers kunnen maken op de beschikbare hernieuwbare elektriciteit. Dat blijkt een kwestie van schaalgrootte te zijn. Op een congres over de toekomst van verbrandingsmotoren stelde Ford, dat BEV de beste oplossing is voor kleine auto’s die voor kleine afstanden worden gebruikt. Lees stadsauto’s en dus ook motorfietsen. Voor grotere afstanden en grotere voertuigen wordt dat anders. Voor meer actieradius heb je meer accu’s nodig. Voor grotere voertuigen ook. En omdat je meer accu’s bij je hebt, heb je meer accu’s nodig om het gewicht van de extra accu’s te transporteren. Op een gegeven moment ben je voornamelijk energie aan het gebruiken om accu’s te transporteren. Voor een 40 tons vrachtwagen met 1000 km actieradius heb je 50 ton accu’s nodig. Er is overigens geopperd om vrachtwagens op de snelweg via een bovenleiding te voeden, net als de trein. Dan hebben ze alleen voor de “last mile” naar het industrieterrein een accu nodig, die kan kleiner kan uitvallen.

Hybride

Er komt dus een moment, dat het efficiënter wordt om met waterstof of een verbrandingsmotor op E-fuels te rijden. Volgens Ford ligt dat punt bij een middellang actieradius of een middelzware gezinsauto, hoewel dat weer kan veranderen als de solid-state accu daadwerkelijk zijn opwachting maakt. Het is in elk geval niet slim om de verbrandingsmotor af te danken. Want er speelt nog iets: er schijnt volgens recente onderzoeken weliswaar meer dan genoeg lithium te zijn om alle auto’s de komende 15 jaar elektrisch te maken, maar de beschikbaarheid van kobalt, dat ook in deze accu’s zit, zou een groter probleem zijn. Voor waterstofauto’s is maar een kleine accu nodig, dus dat zou een verstandig alternatief zijn. Maar ook de hybride is nog een belangrijke optie: Elektrische aandrijving met een kleine accu waarop ritjes tot 35 km kunnen worden gedaan, wat het grootste deel van alle verplaatsingen is. Dan een verbrandingsmotor op E-fuel voor de rest. De grote onbekende is momenteel nog steeds hoe lang een accupakket meegaat. Nissan ging in eerste instantie uit van 8 jaar, maar de Leaf is inmiddels al 10 jaar op de markt. Ook de BMW C-Evolution is al een tijdje op de markt, maar er schijnt nog nooit een accu vervangen te zijnAls dat nog mag, want op dit moment doet de politiek erg denken aan een Ku Klux Clan die zonder enig valide argument een heksenjacht tegen de verbrandingsmotor is begonnen. Het lijkt niet tot politici door te dringen dat het niet de verbrandingsmotor is, die voor de CO₂-uitstoot zorgt, maar de fossiele brandstof.

De markt

Voor de kans van slagen van een concept is niet alleen de zin of onzin belangrijk, maar ook de consument. Als die weigert elektrische auto’s en motorfietsen te kopen, staan de showrooms er straks vol mee en zijn de wegen bevolkt met auto’s en motoren met verbrandingsmotor. Er zijn een aantal belangrijke factoren die mensen ervan weerhouden een elektrisch voertuig te kopen. Dat zijn emotie, reikwijdte-angst en de prijs. En die verschilt nogal. Een BMW C400X met benzinemotor kost €8.150 euro, voor een elektrische CE04 leg je €12.650,- neer, dus ruim anderhalf keer zoveel. Bij auto’s, die grotere accupakketten hebben, moet je een factor twee rekenen. Maar, zo oreren de stofzuigerverkopers, de onderhouds- en energiekosten van elektrische voertuigen zijn veel lager. Wat ze er niet graag bij vertellen, is dat de afschrijving vele malen groter is. Want wie koopt er een vijf jaar oude elektrische motorfiets, terwijl de levensduur van de accu op acht jaar wordt geschat en de vervanging van de het accupakket onbetaalbaar is? Wat de werkelijke levensduur is, weet overigens niemand. Nissan ging bij de Leaf uit van acht jaar, maar die auto is nu 10 jaar op de markt en er schijnt nog geen accu te zijn vervangen. Daar staat tegenover dat de accu van de gemiddelde elektrische fiets de vijf jaar niet haalt. Wie het weet, mag het zeggen. 

Ducati VS Zero

Een jaar geleden testte ik voor Motorfreaks de Ducati Monster 1200S (€19.995,-) tegen de elektrische Zero SR/F (€21.140,-). Daar heb ik toen voor mezelf ook een exploitatieplaatje bij gemaakt, over 5 jaar met 5000 km per jaar en over 5 jaar met 20.000 km per jaar, inclusief onderhoudskosten, afschrijving en brandstofkosten. In het eerste geval – 5000 km – was de Ducati met 63 cent per km 2 cent goedkoper dan de Zero, maar dat was gerekend met een benzineprijs van € 1,65. Inmiddels ligt de prijs op plaatsen al dik boven de 2 euro per liter, waarmee de kosten gelijk zijn aan de Zero. Bij 20.000 km was de Zero met 25 cent per km maar liefst 9 cent goedkoper dan de Ducati (11 cent bij de huidige benzineprijs). Waarbij in aanmerking moet worden genomen dat de aanschafprijzen dicht bij elkaar lagen. Een vergelijking tussen de twee BMW-scooters zal dus eerder in het voordeel van de benzine-variant uitpakken.

De toekomst

Wat wordt de motorfiets van de toekomst? De meeste motorfietsen worden gebruikt voor de korte afstand. Daarvoor zijn technologieën als brandstofcellen en E-fuels minder efficiënt dan BEV-technologie. Motorfietsen zullen dus overwegend elektrisch worden, met wellicht hybrides met E-fuels voor grotere toermotoren, zodat ze wel elektrisch de voor verbrandingsmotoren verboden binnensteden in mogen. De brandstofcel lijkt voor motoren minder logisch, maar kan een optie worden als de visionairs, die geloven in een waterstofeconomie, gelijk krijgen. Dat hangt echter in hoge mate af van de politiek. Die lijken echter geen flauw benul te hebben waar ze mee bezig zijn, zodat van een consistent en doordacht beleid geen sprake is. Fabrikanten moeten dus bij gebrek aan politieke visie op meerdere paarden wedden, wetend dat een aantal van hun investeringen uiteindelijk bij de paardenslager belanden.