Op Motor.NL plaatsten we in juni een bericht over Aircela, een start-up die benzine maakt van lucht, water en hernieuwbare elektriciteit. Maar, mailt ‘Still’ naar de redactie, levert dat bij verbranding niet dezelfde uitstoot op als gewone benzine? En dat wilden we toch niet meer?
De eerste vraag die bij me opkomt is, wat bedoelt ‘Still’ met uitstoot? Want als we het over verbrandingsmotoren hebben, hebben we het over twee verschillende soorten uitstoot: vervuilende gassen en broeikasgas. Dat zijn twee verschillende problemen. Om met die laatste te beginnen: een motor verbrandt benzine. Als hij dat heel netjes zou doen, zouden er geen schadelijke gassen ontstaan. Alleen maar kooldioxide en water. Want benzine is gemaakt van koolstof en waterstof. De afkorting daarvan is C (Carbon) en H (Hydrogen). En als dat volledig verbrandt met de zuurstof uit de lucht (O van Oxygen), ontstaat dus kooldioxide (CO2) en water (H2O). En dat is goed, want kooldioxide is op zich onschadelijk, je ademt het zelf ook uit. Helaas heeft CO2 een ander nadeel: het houdt warmte in de atmosfeer vast. En dat is niet goed, want dat geeft ‘Global Warming’.
Schadelijke gassen
In de praktijk is het moeilijk om benzine in een motorblok volledig te verbranden. De benzine wordt in het inlaatspruitstuk bij de aangezogen lucht gespoten, maar krijgt weinig tijd om goed te verdampen. In de motor wervelt het mengsel wild en het komt allerlei hete en koudere delen tegen. Vaak is er ook nog ‘oud’ uitlaatgas aanwezig. En dan moet het supersnel verbranden, terwijl de zuiger ongeveer in het bovenste dode punt staat. Dat gaat om milliseconden. Dat lukt niet helemaal. Als benzine gedeeltelijk verbrandt, dan verbrandt de koolstof maar half, tot koolmonoxide (CO). En dat is wel schadelijk voor de mens. Koolmonoxide hecht zich in het bloed aan hemoglobine, dat normaal zuurstof door het lichaam transporteert. En dat gebeurt dan niet meer. Nog erger is het als delen benzine helemaal niet verbranden. Dan blijven er ‘onverbrande koolwaterstoffen’ (HC) en roetdeeltjes over. Die zorgen voor ademhalingsproblemen en kunnen longkanker veroorzaken. Koolwaterstoffen breken ook de ozonlaag af. En ook dat geeft global warming.
Stikstofprobleem
Onvolledige verbranding kun je grotendeels voorkomen door iets te weinig benzine in te spuiten. Er is dan meer zuurstof voor de verbranding. Maar dat heeft ook nadelen. Want in de lucht zit ook nog stikstof, afgekort N (van Nitrogen). En als er zuurstof te veel is, kan die stikstof ook verbranden. Dan ontstaan stikstofoxiden (NOx). En dat willen we ook niet, want dat zijn irriterende gassen die longproblemen en zure regen veroorzaken. Dat is een deel van het stikstofprobleem. Het andere deel is ammoniak, dat ontstaat door veeteelt. Ammoniak (NH3) komt voor 90,3% uit de landbouwsector, 0,6% uit het wegverkeer. NOx komt daarentegen voor 34,7% uit het wegverkeer, voor 2,4% uit de landbouw en voor 18,5% uit de luchtvaart. (Cijfers CBS, 2023).
Techniek Kawasaki waterstofmotor: toekomstbeeld of stuiptrekking?
Katalysatoren
De uitstoot van schadelijke gassen uit vervoersmiddelen is in de laatste decennia enorm teruggedrongen door de komst van de driewegkatalysator. Die breekt NOx af en gebruikt de zuurstof ervan om HC en CO na te verbranden. Helemaal perfect gaat dat vooral bij dieselmotoren niet, daar blijft te veel NOx in het uitlaatgas, vandaar dat de meeste diesels vanaf Euro 6 (2014) ook een SCR-katalysator hebben, die stikstofoxiden met behulp van ureum afbreekt. Nu gaan auto’s in Nederland gemiddeld twintig jaar mee, dus het duurt even voordat de meest vervuilende auto’s uitgefaseerd zijn. De uitstoot van stikstofoxiden zal de komende jaren dus nog omlaaggaan. Dieselmotorfietsen zijn er niet, voor motorfietsen zijn de emissie-eisen ook nog niet zo sterk dat een SCR-katalysator nodig is. Het aantal motorfietsen en het gemiddelde jaarkilometrage van motorfietsen is ook zoveel kleiner, dat dit niet echt veel invloed heeft op het totaal.
Kringloop
Het grote probleem, waar we mondiaal mee te maken hebben, is de opwarming van de aarde. Dat gebeurt door de uitstoot van broeikasgassen, zoals CO2. Verbrandingsmotoren stoten CO2 uit, dat is waar. De grote vraag is, voegen ze deze CO2 toe aan de atmosfeer of niet? Dat hangt er dus in hoge mate van af, waar je de brandstof vandaan haalt. Haal je aardolie uit de grond en maak je daar benzine van, dan voeg je inderdaad CO2 toe aan de atmosfeer wanneer je dit verbrandt. Gebruik je een biobrandstof, dan hebben planten onder invloed van zonlicht eerst CO2 uit de lucht gehaald en omgezet in een vorm van koolstof, waar je vervolgens benzine van maakt. De CO2 die je door verbranding aan de atmosfeer toevoegt, heb je er dan dus eerst uitgehaald. Het wordt een kringloop van CO2, waarvan de netto-uitstoot nul is. Nou ja, bijna nul, want er wordt ook nog wat CO2 geproduceerd bij het maken van de biobrandstof. Het rendement is dus niet 100%, maar toch.
E-fuels
De laatste jaren wordt veel ontwikkeling gestoken in zogenaamde E-Fuels. Het idee is dat je met behulp van zonne- of windenergie water ontbindt in zuurstof en waterstof. Dat doe je met elektrolyse. Daarbij stop je twee geleidende staven in water en je zet er een spanning op. Door de spanning valt water uit elkaar in waterstof (H) en zuurstof (O). Nu is waterstof wat moeilijk te transporteren, zeker over grote afstanden. Dus is het idee om nog een stapje verder te gaan. Een idee is om waterstof te binden aan stikstof uit de lucht. Dan krijg je dus ammoniak. Dat is een redelijk goede motorbrandstof, je kunt ammoniak bovendien in een brandstofcel gebruiken. Een ander idee – wat Aircela ook doet – is om zonne- of windenergie ook te gebruiken om CO2 via DAC (Direct Air Capture) uit de lucht te halen met kaliumhydroxide als katalysator (KOH). Met behulp van de dan voorhanden zijnde componenten kun je methanol maken (CH3OH). Met behulp van een katalysator kun je deze methanol omzetten in een langere koolwaterstof. Via dit MTG-proces (Methanol to Gasoline) kun je dus benzine en zelfs diesel maken uit water, lucht en hernieuwbare energie. Bij verbranding van die brandstof ontstaat wel CO2. Maar net als bij biobrandstoffen heb je die eerst uit de lucht gehaald. Je voegt dus geen broeikasgas toe aan de atmosfeer.
Efficiëntie
Zijn E-Fuels nu het ei van Columbus? Het lijkt zo, want je kunt deze brandstof zonder problemen in de motorfiets of je auto tanken en zonder aanpassingen gewoon lekker doorrijden zoals je dat gewend bent. Helaas is er geen voordeel zonder nadeel. Het maken van een E-Fuel kost veel energie. Het is veel efficiënter om de elektriciteit rechtstreeks op te slaan in de accu van een elektrisch voertuig en daarop te rijden. Je haalt dan veel meer kilometers uit een kilowattuur. Als milieuvriendelijke elektriciteit maar beperkt beschikbaar is, kun je dat dus beter doen. Toch zijn ook daar weer kanttekeningen bij te plaatsen. Wat doe je als je accu vol is en je windmolen draait door? Laat je de elektriciteit dan verloren gaan, of maak je er een E-Fuel van? Er zijn momenten dat de vraag naar elektriciteit groter is dan het aanbod, maar er zijn ook tijden dat het aanbod groter is dan de vraag. Dan is opslag van elektriciteit in een chemische vorm, als E-Fuel, wellicht een goede optie. En om op individueel niveau te kijken: als je de stroom van je zonnepanelen niet meer mag salderen en je moet betalen voor teruglevering, hoe gaaf zou het dan zijn als je niets teruglevert, maar je het overschot aan elektriciteit zelf in benzine kunt omzetten? Dat kan met de machine van Aircela, dat is een compacte installatie die gewoon in je tuin of op je garagedak past.
Techniek duurzame brandstoffen: redt maïs na 2035 de verbrandingsmotor?
Import
Een ander punt is dat we in Europa veel minder milieuvriendelijke energie opwekken dan we nodig hebben. Zelfs al kunnen we de capaciteit nog iets opvoeren, we zullen nooit genoeg hernieuwbare elektriciteit kunnen opwekken om aan onze behoeften en plannen te voldoen. Dat betekent dat we energie moeten inkopen. Waar moet dat vandaan komen? Er zijn plannen om grote zonnepanelenvelden aan te leggen in de Sahara, de Victoriawoestijn in Australië en er liggen al grote velden in Patagonië. De vraag is hoe je die elektrische energie dan hier krijgt. Met een verlengsnoer onder de oceaan door? Dat gaat niet lukken. Met omzetting naar een E-Fuel wel. Ammoniak en methanol kun je in tankers transporteren. En dan wordt de vraag: maak je er hier weer elektriciteit van voor je elektrische motorfiets of maak je er benzine van en stop je het in je conventionele motorfiets? Dan kon dat laatste wel eens efficiënter zijn.
Capaciteit
Er is nog een reden om E-Fuels te maken. Elektrische aandrijving is namelijk niet voor alle mobiliteitsoplossingen mogelijk of gunstig. In zwaar transport zijn toepassingen waar elektrische aandrijving gewoon niet voldoet. Op internationaal transport is de accucapaciteit nu nog te gering – en de laadtijd te lang – voor een acceptabele actieradius, hoewel dat snel beter wordt. Een vergelijkbaar probleem hebben kleine vervoermiddelen, die grotere afstanden moeten afleggen. Een elektrische scooter voor stadsvervoer gaat prima. De meeste mensen rijden er niet meer dan 35 km per dag mee, daar heb je niet zo’n grote accu voor nodig. Voor een toermotor wel en dat is een probleem. Ik reed drie jaar geleden met een Zero DSR/X. Die zou een actieradius van 321 km hebben. Na 70 km had ik nog 53% over en dat was met mooi weer. 150 km is dus in de praktijk de max, misschien 200 km als je het heel rustig aan doet. Met koud weer is de actieradius nog kleiner. Als AC-laden Level 2 ruim twee uur duurt (11 uur aan een gewoon stopcontact), dan is het wel duidelijk dat je met zo’n motor geen grote dagafstanden gaat doen. Benzine is dan de enige optie, tenzij de batterijtechniek grote sprongen maakt, bijvoorbeeld met de solid-state batterij.
En dus?
Dan komen we terug op de vraag van ‘Still’. Hebben we nou uitstoot of niet? Nou, broeikasgas hebben we netto niet, aangezien de CO2 die wordt geproduceerd eerst uit de lucht is gehaald. Qua schadelijke gassen hebben we die wel, al zal die lager zijn dan van gewone benzine. Benzine is een mengelmoes aan moleculen, die uit aardolie wordt gedestilleerd op basis van kookpunt. Daarin zitten veel verschillende alkanen, cyclo-alkanen en aromaten. Die verbranden niet allemaal even goed. Een E-Fuel is synthetisch gevormd en is dus veel zuiverder. Een E-Fuel zal dus schoner verbranden. Helemaal nul is de uitstoot van schadelijke stoffen daarmee niet, maar met behulp van diverse soorten katalysatoren kan dat tot een verwaarloosbaar niveau worden gereduceerd.
Foto’s: Peter Aansorgh
