Door Maarten Legius

Ze waren niet bij de zogeheten early adopters, maar ook Porsche heeft inmiddels een personenauto met een accu als energiebron en twee elektromotoren als aandrijvende kracht. Volgens de fabrikant verbruikt de splinternieuwe Porsche Taycan 26 kWh per 100 km. Niet gek voor een sportauto, want 26 kWh komt overeen met de hoeveelheid energie in ongeveer 2,9 liter benzine. Uitgedrukt in benzine verbruikt die elektrische Porsche maar 1 op 34.

Verbrandingsmotor niet energie-efficiënt

De elektrische Porsche is zo energiezuinig omdat een klassieke verbrandingsmotor niet erg efficiënt met energie omgaat. In benzine zit weliswaar veel energie, maar na verbranding ervan in een klassieke verbrandingsmotor blijft er niet heel veel van over en bereikt slechts zo’n 30 procent de wielen. Het grootste gedeelte verdwijnt als warmte via het koelsysteem en de uitlaatgassen. In die uitlaatgassen zitten bovendien allerlei vervuilende stoffen. Al met al vraag je je af waarom de verbrandingsmotor meer dan 160 jaar de dienst heeft uitgemaakt.

Verbrandingsmotor mechanisch complex

Daar komt nog eens bij dat een verbrandingsmotor zijn maximale vermogen in een beperkt toerengebied levert. Een ingewikkeld samenstel van mechanica en elektronica is nodig om te jongleren met koppel, vermogen en toerental en zoveel mogelijk energie naar de wielen te leiden. Het goede nieuws is dat de automobielindustrie met ruim honderd jaar onderzoek en ontwikkeling veel spitsvondige oplossingen op de plank hebben liggen om dat voor elkaar te krijgen. Weliswaar is het resultaat een betrouwbare aandrijflijn voor auto’s en andere voertuigen, maar in veel opzichten is het geen toekomstbestendig ontwerp. Te complex. Te vervuilend.

Elektromotor is robuust en eenvoudig

Neem dan de elektromotor. Het ontwerp is eenvoudig en robuust: een stilstaand deel (stator) met daarin een draaiend deel (rotor). Zet een spanning op de statorwikkeling en door het magnetisch veld (Lorentzkrachten) gaat de rotor draaien. Groot voordeel is dat er direct een groot aanvangskoppel beschikbaar is, ook bij lage toerentallen. Een rendement van 95% is voor een moderne elektromotor geen uitzondering, mede dankzij allerlei internationale eisen aan energie-efficiëntie. Tel daarbij op de overige voordelen. Er zijn geen ingewikkelde mechanische overbrengingen nodig en de as van de elektromotor kan in principe direct één of meer wielen aandrijven. Toerental en koppel zijn met vermogenselektronica nauwkeurig te regelen. Bovendien stoot een elektromotor op locatie geen zwaveldioxide, stikstofoxiden en koolstofdioxide uit.

Elektromotor is 200 jaar oud

Het werkingsprincipe van de elektromotor is ongeveer 40 jaar langer bekend dan dat van de verbrandingsmotor. Het was de Britse wetenschapper Michael Faraday die tweehonderd jaar geleden (1821) de omzetting van elektrische energie via elektromagnetisme in mechanische energie demonstreerde. Een jaar of tien jaar later bouwde een andere Brit (William Sturgeon) een gelijkstroommotor die daadwerkelijk geschikt was om een werktuig aan te drijven. Daarna ging het snel met uitvindingen en patenten en in 1888 bouwde Nikola Tesla de eerste praktisch toepasbare inductiemotor, die uit een tweefasig wisselstroomnet werd gevoed. Wat later volgde de driefasen wisselstroommotor. En het is vooral deze asynchrone draaistroommotor die 130 jaar later in moderne elektrische auto’s wordt toegepast.

Draaistroommotor als inductiemotor

Groot voordeel van deze draaistroommotor is zijn robuustheid, die aan het werkingsprincipe te danken is. De rotor bestaat namelijk uit een zogeheten kooianker, dat bestaat uit flinke staven die zijn kortgesloten door een ring; de tussenruimte is opgevuld met een weekijzerpakket. In dat kooianker induceert het draaiende statorveld stromen, vandaar ook wel de naam inductiemotor. Die stromen wekken op hun beurt een tegengesteld magneetveld op dat wordt meegetrokken door veld van de stator. Omdat er een verschil ontstaat (slip) tussen de snelheid van het draaiveld van de stator en het meegesleepte veld op de rotor, noemt men dit de asynchrone draaistroommotor.

Inductiemotoren efficiënt, eenvoudig en goedkoop

Deze motoren zijn niet alleen efficiënt, maar ook relatief eenvoudig en goedkoop te bouwen. Verder is er nauwelijks sprake van slijtage en mechanische defecten. Bovendien kan deze motor als generator werken. Met wat slimme elektronica wordt bij het loslaten van het elektrisch gaspedaal geremd op de elektromotor en wordt die elektrische remenergie teruggevoerd naar het batterijpakket (regeneratie). Meestal kun je de mate waarin geremd moet worden instellen. De remlichten gaan op deze momenten automatisch branden. Bij het zogeheten one pedal driving maak je gebruik van de hoogste stand van regeneratief remmen en heb je de rempedaal alleen nodig bij onverwachte situaties of om volledig tot stilstand te komen. Kom daar maar eens om bij een verbrandingsmotor: er gaat nooit en te nimmer benzine terug de tank in als je het gas loslaat of de rem intrapt. Bij een verbrandingsmotor gaat de remenergie meedogenloos als warmte via de remschijven de lucht in.

Werkpaard van de industrie

De elektromotor is door de keuze voor de verbrandingsmotor aan het einde van de 19de eeuw niet in de vergetelheid geraakt. Elektromotoren worden in ontelbare hoeveelheden toegepast in haast oneindig veel toepassingen: ventilatoren, pompen, liften, elektrisch gereedschap, digitale camera’s, smartphones en in de aandrijvingen van professionele machines, als werkpaard van de industrie. Elektromotoren zijn alomtegenwoordig aanwezig.

De accu als energiebron

De elektromotor verloor het ruim een eeuw geleden van de verbrandingsmotor vanwege precies hetzelfde onderdeel dat nog steeds de achilleshiel vormt van de elektrische auto: de accu. Vanwege de hoge kosten van de zinkelektrodes die vroeger gebruikt werden in de batterijen, was het niet mogelijk een elektromotor commercieel succesvol te maken. Daarom namen al snel kolen en olie – al dan niet via de productie van stoom – het stokje over voor de aandrijving van voor werktuigen en voertuigen. En van dat pad is vervolgens tot voor kort niet meer van afgeweken.

De energiedichtheid van een batterij

Het gevolg van het fossiele-brandstoftijdperk is dat in de afgelopen 100 jaar weinig onderzoek is gedaan naar energieopslag in batterijen. Dat batterijtechnologie vanaf circa de eeuwwisseling weer stevig op de agenda van wetenschappers staat, is vooral te danken aan het succes van de mobiele telefoon en de daaraan gerelateerde massale opkomst van mobiele apparatuur, zoals smartphones, laptops en tablets. Batterijtechnologie heeft sindsdien een zekere ontwikkeling doorgemaakt, maar staat historisch gezien nog in de kinderschoenen. Nog steeds is de hoeveelheid energie per gewichtseenheid erg laag. Zo levert een accu in een Tesla Model 3 ongeveer 250 Wh per kilo batterij. Voor een beetje bereik zeul je al snel een fors accupakket mee; bij een capaciteit naar keuze tussen de 54 kWh en 75 kWh, kom je op gewichten van achtereenvolgens 200 tot 300 kg.

Het gewicht van een elektrische auto

Daarom doen de elektrische auto en de brandstofauto het voor wat betreft het gewicht niet voor elkaar onder. Terwijl een auto met verbrandingsmotor honderden kilogram aan motortechniek met zich mee torst en slechts enkele tientallen kilogrammen diesel, benzine of gas, is dat bij een elektrisch voertuig precies andersom en zit het gewicht niet in de aandrijving, maar in de energiebron. Netto lijken de elektrische voertuigen vooralsnog iets zwaarder uit te vallen dan de equivalenten op benzine of diesel.

Brandbaarheid van autobatterij

Wel is daar nog een mogelijk probleem met het brandgevaar van de Lithium-batterij. Elektrische auto’s in ondergrondse parkeergarages zouden volgens Ben Ale, oud-hoogleraar Veiligheid en Rampenbestrijding, levensgevaarlijke risico’s veroorzaken doordat het accupakket van een elektrische auto tijdens het laden in brand kan vliegen. Het vuur is door de chemische reactie bijna niet te doven en de enige optie zijn de wagen gecontroleerd te laten uitbranden of in een dompelbad te plaatsen. Maar minister Ferd Grapperhuis van Milieu en Wonen reageerde op 2 december 2019 als volgt op Kamervragen daarover: “Er zijn vooralsnog geen extra brandveiligheidsrisico’s bekend. Fabrikanten van elektrische en hybride elektrische voertuigen besteden juist extra veel aandacht aan de brandveiligheid van hun voertuigen en ze testen daar uitvoerig op.” Toch is het advies van Brandweer Nederland om met een aantal maatregelen de risico’s te verminderen, totdat de regelgeving op orde is. Wordt vervolgd.

Laden van autobatterij

Om nog even bij de accu te blijven: de snelheid van laden van elektrische voertuigen is een dik minpunt. In de benzinevariant heb je binnen 5 minuten 60 liter benzine aan boord, ofwel ruim 500 kWh aan energie. Daar rijd je met een BMW 3 op benzine 800 km op (1 op 14). Om een batterij ‘vol te tanken’ in het elektrische equivalent voor een actieradius van maximaal 400 km, ben je een veelvoud (6 tot 275 x) van die tijd kwijt, afhankelijk van de capaciteit van de lader.

Supercharger of aan het stopcontact?

Zo heeft de Tesla 3 een volle batterij in ongeveer een half uur, maar dan moet je wel een supercharger van 175 kW tot je beschikking hebben. In de omgeving van de schrijver van dit stuk gaan ze niet hoger dan 120 kW. Als je de uitvoering neemt met de grootste accu (75 kWh), dan kun je thuis met een 11 kW laadstation in 7 uur en 45 minuten opladen. Dat 11 kW laadstation heeft dan wel een 3-fasen aansluiting nodig van 3 x 16 A. Mocht je die niet hebben en afhankelijk zijn van standaard wandcontactdoos van 16 A, dan kom je op ruim 23 uur laden voor een volle accu.

Voordeel van elektrisch rijden

Als we dit onder de afdeling klein ongemak scharen, waar zit de grote winst dan? Die is evident. Elektrische voertuigen maken veel minder geluid en stoten – vanuit het voertuig – geen vervuilende stoffen uit, zoals voertuigen met brandstofmotoren dat ruimschoots doen. Denk aan koolstofdioxide (CO2), stifstofoxiden (NOx, met name NO en NO2) en fijnstof. Zo komt er voor elke liter verbruikte benzine 2269 gram CO2 vrij. Bij diesel is het iets meer (2606 gram) en bij LPG iets minder (1610 gram). CO2 is een broeikasgas en oorzaak van het klimaatprobleem. Stikstofoxiden tasten het milieu aan en zijn tevens schadelijk voor de gezondheid van mens en dier. Samen met fijnstof kan NOx ook nog eens smog vormen. Tot slot hebben we nog de uitstoot van fijnstof, die voor een deel uit de uitlaat komt, bijvoorbeeld als roetdeeltjes.

Fijnstof bij elektrische auto

Maar eerlijk is eerlijk: fijnstof ontstaat tevens door slijtage van banden en remmen, waardoor ook een elektrische auto fijnstof produceert. En hoewel de elektrische auto tijdens het rijden geen CO2 uitstoot, gebeurt dat wel in de energiecentrale bij de productie van elektrische energie. We hebben immers te maken met zogeheten grijze elektriciteit, die bestaat uit een stroommix van met name kolen, gas en kernenergie. En uiteraard gaat ook de productie van de batterij gepaard met de uitstoot van CO2.

Uitstoot van CO2

Dat maakt de milieutechnische vergelijking van beide voertuigen een ingewikkelde som met vele variabelen. Want weliswaar is er sprake van CO2-uitstoot bij de productie van accupakketten, maar er is natuurlijk ook CO2-uitstoot bij de productie van benzine of diesel. En zo zijn er nog tientallen mitsen en maren. Volgens onderzoek van TNO heeft de elektrische auto met name door de productie van de accu een achterstand vanaf het moment dat het voertuig in de showroom staat. Maar bij gebruik wordt die achterstand snel goedgemaakt. Volgens het onderzoeksinstituut ligt het kantelpunt op circa 39.000 kilometer. Daarna begint het voordeel. Bij een gemiddelde levensduur van zo’n 220.000 kilometer, noteert de elektrische auto onder de streep 35 tot 55 procent minder CO2-uitstoot dan een vergelijkbare benzineauto.

Vergroenen van elektriciteit

En die eenderde tot de helft minder aan uitstoot van CO2 geldt volgens de huidige situatie, waarbij elektrische energie grotendeels nog grijs is en de ontwikkeling en productie van elektrische auto’s nog in de kinderschoenen staat. Met de doorontwikkeling van de accu en het vergroenen van de elektriciteitsvoorziening, zal de milieuwinst alleen maar groter worden. En dat kan snel gaan, want volgens het Klimaatakkoord is binnen tien jaar maar liefst 70 procent van de elektriciteit in Nederland uit hernieuwbare bronnen. En mogelijk krijgt de autobatterij via smart grids en blockchain een rol in de stabilisatie van het elektriciteitsnet. Inmiddels zijn in Nederland al ruim 112.000 (bron: CBS) volledig elektrische auto’s geregistreerd en voor 2020 wordt het verkocht aantal op 45.000 geschat, 11 procent van het geheel. En nu ook de petrol heads van Porsche om zijn, is er eigenlijk geen weg meer terug.