Een auto van gemengde komaf

De komende eeuw moeten auto's veel schoner en zuiniger worden. De elektrische wagen voldoet niet, maar met twee motoren per auto, één op benzine en één op stroom, is er kans op snelle verbetering....

DE JAPANSE autoproducent Toyota zal de eerste zijn. Binnen een jaar komt de fabriek met een auto die tweemaal zuiniger is dan het huidige type en tienmaal schoner. De Toyota Hybrid System heet die wagen, want hij heeft twee aandrijfsystemen: een gewone verbrandingsmotor op benzine en een elektromotor die draait op accu's.

Met de Toyota Hybrid wordt de trend gezet voor de 21ste eeuw: superschone en superzuinige personenauto's. Wereldwijd werken veel producenten aan dit type hybride wagen. Chrysler, Audi en Volvo bijvoorbeeld, hebben al een experimentele auto gebouwd. Toyota is de eerste die aankondigt met de massafabricage ervan te beginnen.

Auto's moeten schoner. Onder druk van de recente wetgeving in de Amerikaanse staat Californië - inmiddels gevolgd door onder meer de staat Massachusetts - is de auto-industrie naarstig op zoek naar nieuwe technologieën. Er moeten personenwagens komen die geen vuiligheid meer produceren, dus bijvoorbeeld geen verzurende zwaveldioxide en stikstofoxiden meer, en geen fijn stof. Het zijn de bijna-nul of nul-emissie-auto's, zoals ze heten in het politieke jargon. In 2003 moet in Californië 10 procent van de nieuw verkochte auto's van dat type zijn: tweehonderdduizend per jaar.

In eerste instantie hadden de fabrikanten ingezet op de elektrische auto: een zware bak met accu's - voldoende om de hele kofferbak te vullen - voor de aandrijving van een elektromotor. Maar die elektro-auto's - in geringe aantallen gebouwd - zijn goed voor de stad, voor gemeentelijke diensten, post en koeriers en om boodschappen te doen, en dat is het dan. Ze hebben een truttenimago omdat er niet fel mee kan worden opgetrokken en de actieradius beperkt is. Accu's zijn veel te zwaar in vergelijking met de elektriciteit die erin kan worden opgeslagen.

'De technologische ontwikkeling van de verschillende accutypes, waaraan al dertig jaar wordt gewerkt, zit wat opslagcapaciteit aan haar grenzen', zegt ir. C. van de Weijer van TNO Wegtransportmiddelen in Delft. Bij dit instituut zag, vanwege de verwachte vraag, een half jaar geleden een sectie hybride voertuigen het leven.

Van de Weijer: 'De hoeveelheid elektriciteit die in accu's is op te slaan, is hooguit met nog een factor twee à vijf te verbeteren, maar daarmee levert die auto nog niet dezelfde prestaties als de huidige personenwagen.' Weliswaar is er energie op te slaan voor naar schatting vierhonderd kilometer. 'Maar het opladen gaat te veel tijd kosten, meer dan een kwartier.'

Bovendien, elektrische auto's vervuilen weliswaar niet lokaal, maar wel in de buurt van de elektriciteitscentrale. Van de Weijer: 'Wanneer die indirecte emissie ook in rekening wordt gebracht, is een hybride auto zelfs schoner dan een elektro-auto. Het hybride-concept valt in principe niet onder die Californische wetgeving, maar dat zal nog wel komen.'

Het vermogen van motoren in personenauto's ligt op dit moment tussen zestig en honderd kilowatt. Wanneer er met constante snelheid wordt gereden op een mooie vlakke weg, wordt daar maar tien van gebruikt, ook al wordt er gereden met een snelheid van honderd kilometer per uur.

Op dat moment zijn er vele tientallen ingebouwde kilowatts die niet nodig zijn. Die worden pas aangesproken bij het optrekken of als de bestuurder zijn wagen binnen enkele seconden tot ver over de 150 à 160 kilometer per uur wil jagen. Dat gebeurt maar uiterst zelden, desondanks installeren autofabrikanten almaar meer motorvermogen omdat dit het leuk doet als verkoopargument.

Slim en efficiënt is het niet. In een hybride auto ligt onder de motorkap een relatief klein motortje dat optimaal is afgesteld op een bepaald toerental en dat draait op bijna vol vermogen. 'Goed afgesteld is een rendement, de hoeveelheid brandstof die nuttig wordt gebruikt, van 35 tot 40 procent te halen, terwijl een automotor nu niet meer dan 18 procent haalt', zegt Van de Weijer.

'De emissie van stikstofoxiden en van koolmonoxide is zo met een factor tien tot honderd terug te brengen. Voor dat optimaal afstellen van de motor op een vast toerental is de kennis nu beschikbaar.'

In de hybride auto komen ook accu's en krachtige elektromotoren die direct zijn gekoppeld aan de achter- of voorwielen. Het motortje laadt ook de accu's op, waarin tevens remenergie kan worden opgeslagen. Aan die accu's kan van tijd tot tijd extra vermogen worden onttrokken om snel te kunnen accelereren. Samen met de verbrandingsmotor kan dan de volle honderd kilowatt worden geleverd.

De technologie voor dergelijke hybride auto's - accu, elektromotor, verbrandingsmotor - is in principe beschikbaar maar de verschillende onderdelen moeten nog worden verbeterd. Bovendien zal de integratie van die onderdelen tot één geheel beter moeten worden.

Zo wordt er bij TNO gewerkt aan de verbetering van de loodaccu. Die is weliswaar wat betreft opslagcapaciteit aan het eind van zijn ontwikkeling, maar door een andere onderlinge schakeling van de loodplaten is er nog wel meer vermogen uit te halen. Dat is interessant voor de hybride auto, waar de accu's in korte tijd piekvermogen moeten leveren. De hoeveelheid energie - de actieradius - die moet worden opgeslagen, is minder van belang. Die wordt gegarandeerd door de verbrandingsmotor en bepaald door de grootte van de brandstoftank.

'EEN VERBETERING van het piekvermogen van de accu's met een factor tien lijkt binnen enkele jaren haalbaar', meent Van de Weijer. 'Dat betekent dat in een hybride auto maar vijftig kilo aan accu's mee hoeft. Bij een gewone elektrische autois dat vier tot tien maal meer.'

Het kan nog beter, en schoner, en mogelijk zelfs goedkoper, door in plaats van de bekende, verbeterde verbrandingsmotor een brandstofcel te gebruiken. Daarin wordt brandstof - waterstofgas of methanol - langs elektrochemische weg omgezet in elektriciteit met een rendement van 40 tot 50 procent, iets hoger dan van zo'n goed afgestelde, interne verbrandingsmotor. Er zitten bovendien geen storingsgevoelige bewegende delen in.

De afgelopen tien jaar is daaraan op diverse plaatsen onderzoek gedaan. Een brandstofcel is eigenlijk opgebouwd uit honderden op elkaar gestapelde cellen. Elke cel bestaat uit twee elektroden waar zich de elektrochemische processen afspelen, plus een tussenstof, het elektrolyt, die wordt gemaakt van een speciaal ontwikkelde kunststof.

Op al deze onderdelen zijn verbeteringen mogelijk. De elektroden kunnen goedkoper worden gemaakt en er kan nog aan worden gesleuteld om het omzetten van waterstofgas - of methanol - in elektriciteit efficiënter te maken. De dunne, roestvaststalen platen tussen al die honderden brandstofcellen zijn ook te verbeteren. Het doel van al dat onderzoek is te komen tot nog meer vermogen uit een kleiner volume, gekoppeld aan lagere kosten van de cel.

Het Energieonderzoekscentrum Nederland (ECN) in Petten, waar al een kleine tien jaar aan dit type brandstofcel wordt gewerkt, heeft een opstelling die illustratief is voor wat er moet gebeuren. In een van de laboratoria staat een brandstofcel van het Canadese bedrijf Ballard - wereldmarktleider - met de daarbij behorende hulpsystemen, zoals compressoren en warmtewisselaars.

De installatie is bovendien voorzien van talloze kleppen en sensoren om allerlei zaken te kunnen meten. Het geheel heeft een volume van ongeveer één kubieke meter, veel te groot voor onder de motorkap. En dan staat er een paar meter verder nog het fabriekje waarin uit methanol waterstofgas wordt gemaakt. Volgens drs. R. Mallant van het ECN is er nog veel te doen aan miniaturisering.

'Ballard heeft in het verleden bewezen dat verbeteringen snel gerealiseerd kunnen worden. De afgelopen tien jaar is het volume van dit type brandstofcel met een factor tien teruggebracht, gerekend naar hetzelfde elektrische vermogen.'

Mallant is ervan overtuigd dat de brandstofcel op den duur de rol van de interne verbrandingsmotor in auto's zal overnemen. Als teken daarvan beschouwt hij de aankondiging, half april, dat in de ontwikkeling van brandstofcellen voor personenauto's bij Ballard één miljard gulden wordt geïnvesteerd. De helft daarvan komt van het Duitse autoconcern Daimler-Benz, dat zich daarmee deels inkoopt in het Canadese bedrijf.

Inmiddels hebben Toyota en Daimler-Benz als vingeroefening hybride auto's gebouwd met een brandstofcel erin. Die is nog enkele duizenden malen te duur, en ook te voluminieus. Het Amerikaanse bedrijf Chrysler kondigde twee maanden geleden aan over twee jaar een hybride prototype met een brandstofcel gereed te zullen hebben.

Het ECN werkt samen met onder meer Volkswagen en Volvo aan de ontwikkeling van een hybride auto - een VW Vento - met een brandstofcel. De experimentele wagen moet voor de eeuwwisseling op methanol rijden.

ECN tekent voor de integratie van de systemen en de ontwikkeling van de elektronische besturing, op basis van de ervaring die het de afgelopen jaren heeft opgedaan. 'De technologische ontwikkeling gaat veel harder dan verwacht', constateert Mallant van het ECN. 'Enkele jaren geleden werd serieproductie voorzien in 2015. Nu denkt men aan 2005-2007.

'Nog geen tien jaar van nu, dat is supersnel, en tegen een prijs die vergelijkbaar is met de interne verbrandingsmotor. De consument zal niet merken dat er zo'n echt emissievrije brandstofcel onder de motorkap zit.'

Broer Scholtens

Meer over