elektrische wagenRaar maar waar: ik ben er eigenlijk voor! Alleen zijn er wat problemen om het economisch rendabel te maken.

 

 

Mijn sceptische houding tegenover de kansen van een snelle overgang naar volledige elektromobiliteit wordt nogal eens verkeerd verstaan. Mensen denken soms dat ik iets tegen elektrische auto’s heb. Het tegendeel is waar! Ik ben namelijk een volbloed ‘techneut’, zelfs een ‘nerd’. Mijn oude hart klopt nog altijd sneller bij het zien van een elegante technische oplossing.

Een verbrandingsmotor is alvast geen elegante oplossing: veel te veel bewegende delen en wrijvingsproblemen. Het is bijna een wonder dat we dat ding aan die beperkte kosten tot de huidige betrouwbaarheid hebben kunnen ontwikkelen. We hebben daar dan ook een eeuw voor nodig gehad. Het theoretisch rendement1 ligt rond de 50%, wat al niet overweldigend is. Dat bereiken we uiteraard nooit en in de praktijk zien we, zelfs bij geavanceerde constructies 36 – 38 %. Dat kan allemaal beter, bijvoorbeeld elektrisch. Elektrische aandrijving is inderdaad het superieure concept voor een voertuig, en zou dat ook zijn als er helemaal geen energieprobleem was!

Ik (en ik ben hier lang niet alleen) stel me dat zo voor:

We drijven de auto aan met vier synchrone draaistroom elektromotoren. De moderne neodymium magneten hebben de nodige veldsterkte om het vereiste koppel te kunnen genereren

wheel bearing
We plaatsen die motoren in de wielen. Omwille van het koppel hebben we mogelijk een reductie nodig, maar die past ook in het wiel. Als we middelen vinden om dit te vermijden: des te beter. De figuur links (van de Britse firma Proteon Electric) toont hoe we een motor in het wiel kunnen onder brengen.

Hierbij zondigen we uiteraard tegen een van de basisprincipes van de automobielbouw: de niet geveerde massa moet zo gering mogelijk zijn. Voor dat dogma zijn er redelijke argumenten, maar meer precieze analyse toont dat het hier lang niet om een ‘knock-out’ criterium gaat en dat we ons de extra massa van die motor kunnen permitteren.

Iedere motor heeft zijn eigen draaistroom drie fasen generator met regelbare frequentie. Die kunnen we vandaag de dag in halfgeleidertechniek uitvoeren.

Die vier aggregaten worden door een processor gecoördineerd en gestuurd.

De motoren kunnen ook als remmen werken en daarbij zelfs energie terugwinnen (hoewel ik van die laatste optie om praktische redenen afraad), maar we zullen uiteraard toch nog altijd ook een frictiesysteem nodig hebben. Dat is vrij gemakkelijk tussen het lager (wheel bearing) en de rotor op bovenstaand schema onder te brengen.

ABS en anti skidding zijn nu softwarefeatures.

Het is wel duidelijk dat er nog honderden details te regelen zijn alvorens we iets hebben waar we de baan mee op kunnen, maar u ziet het nu al voor ogen: een voertuig dat niet enkel duidelijk lichter en goedkoper uitgevoerd kan worden dan de huidige generatie, maar bovendien een nooit bereikte baanvastheid kan hebben. Vergeleken met deze ‘individueel gedoseerde’ vierwielaandrijving zien de prestaties van iedere peperdure SUV er oud uit.

Het enig probleem is dat we die twee draden hebben waarop we een vermogen in de buurt van 50 à 100 kW ter beschikking moeten stellen. Hoe gaan we dat doen? Een kabel achter ons aan slepen, een bovenleiding of een inductief systeem in de straat? Allemaal alternatieven die we bijna onmiddellijk intuïtief kunnen verwerpen. Dus denken velen: we zetten er een batterij in. Klinkt toch logisch. We zijn met accumulatoren al een eeuw vertrouwd en we gebruiken ze tegenwoordig overal, tot en met in onze telefoon en tandenborstel.

Dat is dus de weg die we, met z’n allen, ingeslagen hebben. We gaan daar nog niet zo gauw van afwijken, want om de problemen te zien moet men iets dieper graven en zelfs een klein beetje rekenen.

Maar…

Om de tekortkomingen van batterijen duidelijk te maken moeten we eerst even een omweg maken langs de huidige toestand: verbrandingsmotor met brandstoftank.

Wat gebeurt er eigenlijk als we aan het benzinestation onze tank vullen? Iedereen meent dat wel te weten, maar kijken we even nauwkeuriger.

Ik kan in twee minuten 60 liter diesel tanken. Daarmee kan ik dan weer ongeveer 1000 km rijden. Klinkt banaal, maar is het dat wel? Even rekenen:

Ik laad ongeveer 50 kg diesel in 120 seconden.

De verbrandingswarmte is 47 • 106 Joule / kg. (De notatie ‘•’ duidt een vermenigvuldiging ‘x’ aan.)

De totale energie transfer is dus: 50 (kg) • 47 • 106 (Joule/kg) = 2 350 • 106 Joule, en dat in 120 sec.

De intensiteit is dus:  2 350 • 106 Joule/ 120 sec = 19,58 • 106 J/sec. Een Joule/sec is een Watt en dus hebben we hier ongeveer 20 MW (Mega Watt)

Als oriëntatiepunt kunnen we gebruiken dat een moderne blok in een elektrische centrale rond de 500 MW levert.

Dat is nu ineens niet meer zo banaal! Hoe is het mogelijk dat iets dat wij quasi zonder nadenken, heel terloops ‘even’ doen in werkelijkheid een enorme energietransfer is? We hebben dit in ons artikel “Energie, de aard van het beestje” al aangeraakt: niet alle energievormen laten zich even gemakkelijk opslaan en transporteren. Hier laden we chemische energie, en dat is de vorm die de meest elegante, eenvoudigste oplossingen voor opslag en transport toelaat, met grote afstand. Hoe groot het verschil met een elektrische oplossing in werkelijkheid is kunnen we zien met een klein gedachtenexperiment, waarin ik u verzoek mij te volgen.

Proberen we eens dat wat bij het tanken gebeurt elektrisch te doen.

We moeten hetzelfde vermogen (even veel energie per tijdseenheid) over brengen.

Dat was 19,58 • 106 Watt.

Als we aannemen dat we aan boord 24 V gelijkstroom gebruiken krijgen we het volgende.

W(Vermogen) = E(Spanning) • I(Stroom)

               W         19,58 • 10
Dus I =   —   =   —— = 815 000 A(mpère)
               E                24

Om daar een iets meer concreet beeld van te krijgen, kunnen we voor ogen houden dat de meeste elektrische kringen in ons huishouden met 16 A gezekerd zijn!  is dus een onvoorstelbaar grote stroomsterkte.

Dat kan tot interessante ongevallen leiden. Hoewel er geen hoge spanningen in het spel zijn, zullen kortsluitingen de vorm van een explosie aannemen en omstaanders aan een dodelijke stroom koperdeeltjes blootstellen. Bovendien zal een dergelijke stroomsterkte een enorm magnetisch veld scheppen. Objecten hoeven zelfs niet ferromagnetisch te zijn. Als ze elektrisch geleidend zijn en bewegen, werken er enorme krachten op.

We hebben echter eerst al eens een meer direct probleem: wat voor een kabel hebben we nodig voor de aansluiting?

We laten in koper 9 A/mm2 toe, en dus hebben we 90 556 mm2 nodig. Voor een ronde kabel betekent dat een diameter van 339,6 mm of ~ 34 cm! Een dergelijke kabel weegt 810 kg per lopende meter!

Ik hoef het eigenlijk niet eens op te merken: totaal onmogelijk.

Uiteraard kan, voor het transport van de energie tussen centrale en laadstation, een hogere spanning gebruikt worden en dus ook duidelijk minder koper. Maar aan die 20 MW verandert er niets; die moeten van de centrale tot de auto ter beschikking staan. De operatoren van het netwerk gaan voortdurende ‘pop ups’ van 20 MW, iedere keer als iemand gaat ‘tanken’, niet grappig vinden! Ik moest ooit de centrale bellen alvorens beduidend kleinere apparatuur (gigantische turbocompressoren!) op te starten.

Maar dat zou hoe dan ook niet werken: er is geen batterij op de wereld die zich zo brutaal laat behandelen, en ik zie onverbiddelijke theoretische obstakels die verhinderen dat we er ooit een bouwen.

Het hoeft geen betoog dat dit volledig onmogelijk is.

Wat kunnen we veranderen om het wél te doen werken?

Laat ons eerst al eens, in plaats van 24 V gelijkstroom, 240 V wisselstroom gebruiken. Goed idee: 240 V-wisselstroom is dat wat we overal beschikbaar hebben.

De diameter van onze kabel is nu tot 80 mm gereduceerd: duidelijk niet goed genoeg. Bovendien moeten we nu nog een paar kleinigheden inbouwen. Een transformator die ongeveer een ton gaat wegen, een fortuin kosten en 1% van de tijd gebruikt wordt, en een gelijkrichter van 200 kg die ook ver van goedkoop zal zijn. Misschien kunnen we de transformator supprimeren door meer batterijcellen in serie te zetten, maar dat heeft dan weer andere nadelen. De gelijkrichter hebben we in ieder geval aan ons been, hoewel die kleiner en lichter kan worden. Ver van goed genoeg dus!

De enige weg die we nu nog hebben om dichter bij ons doel te geraken is de tijd verlengen. Als we nu de laadtijd eens verlengen tot 2 000 minuten, dan kan de stroomsterkte ook duizend maal lager zijn. We komen er dan met een kabel van 2,5 mm ∅. Onze transformator weegt nu nog 10 kg en onze gelijkrichter 2 kg. Dat is dus al beduidend realistischer. Dat is nog altijd geen kleinigheid: we praten hier over 80 Ampère, een veelvoud van wat uw huishouden -eveneens bij 240V – verbruikt. Maar we hebben minstens geen vuurwerk met plasma jets meer, en de operatoren van het netwerk zijn ook niet meer direct door zenuwinzinkingen  bedreigd. Dat lijkt dus praktikabel.

Momentje: 2 000 minuten zijn 33 uur: dat gaat in geen geval! Alles wat we nu nog kunnen doen is de opgeslagen energiehoeveelheid, en dus ook de actieradius van de wagen, verkleinen tot een meer realistische laadtijd van 6 uur. En 6 uur is ook nog lang, zeker in vergelijking met de vroeger twee minuten.

Dat is de huidige stand van de techniek.

Houd a.u.b. voor ogen dat we tot hier toe geen enkele beperking van de kant van de batterij ingerekend hebben, alsof we met batterijen kunnen doen wat we willen. Dat laatste is natuurlijk niet het geval, en daaraan zal ook in de toekomst niet veel veranderen. Eigenlijk hebben we hier een strijd voor ons die we niet kunnen winnen.

Als besluit kunnen we zeggen dat het gewoon fysisch onmogelijk is de intensiteit van de transfer die we met chemische energie heel terloops bereiken elektrisch zelfs maar te benaderen.

En toch is het mogelijk

Intelligente mensen zien het probleem. Een daarvan is Shai Agassi, een Israëli die zijn sporen verdiend heeft als manager bij SAP in Waldorf (Duitsland). Zijn firma ‘Better Place’, die vanaf 2012 in Denemarken en vooral Israël actief was, had stations waar ze de batterij niet laadde, maar in drie minuten uitwisselde. Ze konden dan achteraf alle tijd van de wereld nemen om die batterijen te herladen. Het uitwisselen van de batterijen gebeurde automatisch, op een soort transportband.

Dat is natuurlijk een echte vervanging voor de goede oude benzinepomp. Als het net van stations dicht genoeg zou kunnen geknoopt worden zouden we misschien zelfs de sterk verkleinde actieradius in koop willen nemen. Ik vond en vind dat een briljant idee!

Maar niet echt…

In 2013 ging ‘Better Pace’ bankroet. Ze hadden geen schijn van kans. Waarom eigenlijk niet? Er zijn uiteraard een aantal praktische problemen. We hebben een nieuw ‘business model’ nodig. Bij voorbeeld stelt zich de vraag: wie is de eigenaar van de batterij? Dat is allemaal misschien niet eenvoudig maar wel oplosbaar. Er is echter een fatale struikelsteen: standaardisatie! Om dat enigermate efficiënt te doen werken zouden alle automobielfabrikanten, van Kia tot Rolls Royce en terug zich enigermate aan standaards moeten houden, niet enkel wat de soort batterij aangaat, maar ook haar dimensies, positionering in het voertuig, bevestiging en elektrische aansluiting. Wie gelooft dat zoiets kan gebeuren moet zich er maar eens over bezinnen hoe lang het geduurd heeft om minstens in continentaal Europa een standaard stekker/stekdoos voor elektrische apparaten door te zetten!

Niet dus…

Hoe moet het verder?

We weten nu enkele dingen:

  • Een elektrische auto is de best mogelijke auto.
  • Een batterij is als stroombron niet geschikt.
  • We moeten de energie in chemische vorm laden en dan de stroom aan boord maken.

Dat verwijst dus eenduidig naar brandstofcellen. Daarmee zullen we ons in een toekomstig artikel in enig detail bezig houden.

Uw Dwarsligger

1 Het rendement van de vereenvoudigde Carnot cyclus is   waarbij T1 de minimale temperatuur in het systeem is; de omgevingstemperatuur, en T2 de maximale temperatuur; de verbrandingstemperatuur. T is in ºK(Kelvin), dus ºC + 273,15. Bij een verbrandingstemperatuur van 280 ºC komen we dan bij een ε van ~0,5.