maandag 27 mei 2024

Techniek: E-fuels serieuze optie – zonneschijn in je tank

Elk jaar wordt in Wenen een symposium gehouden over de ontwikkeling van verbrandingsmotoren en mobiliteit. Transmissiefabrikant ZF vatte de tendens duidelijk samen: vanaf nu ontwikkelen we geen transmissies meer voor personenauto’s, want vanaf 2035 zijn die toch allemaal elektrisch. Er waren echter ook andere geluiden te horen, die met name motorliefhebbers als muziek in de oren zullen klinken.

Fotografie: Fabrikanten

De Europese commissie wil vanaf 2035 alleen nog de nieuwverkoop van emissie-loze auto’s toestaan, sommige lidstaten streven naar 2030. De grote vraag is daarbij, wat is CO2-vrij? De EU bedoelt daarmee elektrische auto’s. Maar is dat wel verstandig? Want feit is, dat bij de productie van elektrische voertuigen veel CO2 vrijkomt. Feit is, dat de meeste elektriciteit nu nog uit kolen en gas komt en dus niet CO2-vrij is. Daardoor ligt de CO2-footprint van een elektrische auto bij de huidige Europese energiemix dicht bij die van een auto op benzine. Feit is ook, dat het elektriciteitsnet compleet moet worden vernieuwd als iedereen elektrisch gaat rijden en/of zonnepanelen aanschaft. En het is ook een feit, dat de verbrandingsmotor CO2-neutraal kan rijden als deze op biobrandstof of op een uit hernieuwbare energie, water en CO2 gemaakte e-fuel rijdt. De vraag is, wat is haalbaar, wat is zinvol, kunnen we het ons wel veroorloven om een van de alternatieven te verbieden en, natuurlijk, wat voor gevolgen heeft dit alles voor de motorbranche.

Uit water en CO2 kan methanol worden gemaakt. Dat kun je als motorbrandstof gebruiken, maar je kunt het in een raffinaderij ook verder bewerken tot benzine.

KTM

Een van de sprekers op het congres was Helfried Sorger van Pierer Mobility AG, oftewel KTM, die duidelijk van mening was dat de verbrandingsmotor in de motorfietsbranche nog zeker toekomst heeft. ‘Wij gaan ervan uit Brussel e-fuels als CO2-neutraal gaat zien’, stelt Sorger. ‘Wel zullen er veel steden zijn waar je met een verbrandingsmotor niet in mag.’ Een en ander vertaalt zich in de toekomstvisie van de merken KTM, Husqvarna en GasGas. De klasse tot 250 cc, die interessant is voor stedelijke mobiliteit, zal worden vervangen door een mix van elektrische motoren met een laag voltage van 48 V. De klasse daarboven blijft op benzine rijden, met natuurlijk veel aandacht voor optimalisatie van de verbrandingsmotor en het gebruik van synthetisch gemaakte, hernieuwbare e-fuels, die overigens vanaf 2024 ook in de MotoGP gebruikt moeten worden. Vanaf 2024 komen er drie elektrische ‘multiproduct’- platformen, met acht motorfietsen, zowel voor offroad als voor de straat, waaronder een 11 kW sterke e-Duke en een e-Pilen, met een 4,7 tot 5,5 kW sterke batterij.

AVL List liet in Wenen een tot e-bike omgebouwde KTM zien. Reed ook nog best leuk…

Investering

KTM steekt 25 miljoen euro in die ontwikkeling, met een dedicated e-chassis, een e-drive-unit, een koelunit en een uitneembare, luchtgekoelde 50,4V-batterij met geïntegreerde BMS (Batterij Management Systeem). Deze heeft een levenscyclus van 1.000 cycli tot zeventig procent SOH (State of Health). De door KTM ontwikkelde, watergekoelde aandrijfunit krijgt een vermogen van maximaal 19,5 kW, 11 kW continue en een maximum toerental van 11.000 tpm met een maximum koppel van 37 Nm. Deze krachtbron weegt 9 kg. KTM verwacht dit platform nog te kunnen opvoeren naar 40 tot 50 pk. Verder blijft de focus echter op verbrandingsmotoren met e-fuels, omdat KTM denkt dat het gewenste vermogensafgifte, actieradius, omvang en gewicht niet te realiseren is met de huidige accutechniek. Iets waar merken als Zero en Energica duidelijk anders over denken, Energica heeft nu zelfs een echte elektrische reismotor, de Experia.

Schematische weergave van een fabriek voor e-fuel.

E-fuels

Het is dus een strijd tussen elektrificatie en e-fuels, of van energie tegen energiedragers. ‘Er is geen gebrek aan energie, maar aan economisch haalbare strategieën’, stelt Martin Härtl van de Technische universiteit München: ‘Energie is er genoeg. De zonnestraling op Duitsland alleen is genoeg voor het wereldverbruik aan energie. Maar hoe vang je het op en hoe sla je het op? Voor de transportsector is de vraag, doe je dat in een batterij of in chemie?’

Zelfrijdende voertuigen: toekomstdroom of nachtmerrie voor motorrijders?

Met chemie bedoelt Härtl dat zonne- of windenergie worden gebruikt om water te splitsen in waterstof en zuurstof, en dat je datzelfde doet met CO2 uit de lucht. De waterstof en koolstof – en eventueel zuurstof – kun je dan aan elkaar koppelen tot een koolwaterstof, van methanol tot benzine of diesel. ‘We kunnen wind- en zonne-energie opschalen, maar de productiecurve komt niet overeen met onze consumptiecurve. Er is opslag nodig. Dat kan met batterijen, in de toekomst met lithium-zuurstof of lithium-ijzer, maar de energie-inhoud is per kg eigenlijk te laag, die moet naar 20 MJ per kg, vergelijkbaar met de energie-inhoud van methanol. Elektrisch rijden vergt echter veel aanpassingen en een nieuwe infrastructuur, maar is wel heel efficiënt. E-fuels zijn veel minder efficiënt, de productie vraagt veel energie, maar voordeel is dat je de huidige infrastructuur kunt gebruiken en dat er weinig aanpassingen nodig zijn’, aldus Härtl, die waterstof, methaangas, methanol, dimethylcarbonaat of ammonia NH3 als mogelijke kandidaten ziet. ‘Verzadigde koolwaterstoffen hebben het beste cetaangetal. Korte ketens zijn beter voor benzinemotoren. Het octaangetal van methanol is 106, van C2H4O2 is het zelfs 115. Met deze brandstoffen is zelfs een hoger thermodynamisch rendement mogelijk dan bij benzine, de motoren kunnen dan ongeveer twintig procent zuiniger.’

Met Bio-to-X en Power-to-X kan een CO2-neutrale brandstof worden gemaakt.

Sahara

Waarom zouden we al die moeite doen om e-fuels te maken, als je energie ook in een batterij kunt opslaan? ‘Daarvoor moet je naar de “bigger picture” kijken’, stelt Eberhard Jacob van het Max Planck Instituut voor chemische energie-conversie. ‘Het wereld-energieverbruik is 20.000 TWh per jaar. De zon genereert op het land 230.000 TWh per jaar. Dat is dus genoeg, als je het op kunt vangen. In druk bevolkte gebieden lukt dat niet. In Duitsland werd in 2020 235 TWh hernieuwbare energie geproduceerd, waarvan 184 TWh van wind en zon. Zelfs als we dat nog iets kunnen opvoeren, halen we onze behoefte nooit. We moeten dus energie inkopen. Als die energie hernieuwbaar moet zijn, betekent dat, dat er ergens enorme velden met zonnepanelen moeten komen. Die staan er nu al in Patagonië, er zouden er ook in de Sahara moeten komen. Dan is de vraag, hoe krijg je die energie hier?’

‘Stroomkabels zouden te dik en te zwaar zijn en te veel weerstand opleveren bij de stroomsterktes die nodig zijn, over deze afstanden. Opslag is dan de enige mogelijkheid, maar batterijen zijn daarvoor geen optie. Ook weer omdat je er teveel van nodig hebt en het transport ervan naar Europa meer energie kost dan je transporteert. De enige overgebleven mogelijkheid is om de elektriciteit op te slaan in een “chemische batterij” in een e-fuel dus. Daarvoor moet zeewater – ruim voorradig bij de Sahara – door elektriciteit gesplitst worden in waterstof en zuurstof. Waterstof op zich is ook een goede motorbrandstof, maar het transport ervan vergt lange pijpleidingen of zware tanks met hoge druk. Beter is het dus om door te gaan: je kunt waterstof binden aan stikstof, dan krijg je ammonia. Maar dat is lastig, want dat heeft pre-cracking nodig’, stelt Jacob. ‘Je kunt beter CO2 uit de lucht afbreken en de waterstof aan de vrijgekomen koolstof binden. De koolstof is dan het draag-atoom voor de waterstof, waterstof is als het ware het lithium-atoom van de chemische batterij, de koolstof van de elektrode. De energie komt vrij door verbranding. Je stopt zonneschijn in je tank. Het nadeel van dit systeem is dat het een relatief laag rendement heeft.’

Hoe verder je de e-fuel doorontwikkeld, hoe meer geld en energie het kost en hoe minder efficiënt de keten wordt.

Impact verlagen

Ook Karl Dums van Porsche ziet de noodzaak van e-fuels als extra optie naar een CO2-vrije mobiliteit: ‘Het “Fit for 55”-doel van de EU kun je niet alleen met mobiliteit halen en zeker niet met elektrificatie alleen. De vloot vernieuwt met zes procent per jaar. De bestaande vloot rijdt nog lang rond en heeft een enorme impact op de uitstoot. Met behulp van e-fuels kan die impact sterk worden verlaagd’, aldus Dums, die ook heil ziet in zonneparken in de Sahara. ‘Daar kan met elektrolyse uit zeewater en CO2 methanol worden gemaakt. Dat kan met schepen naar een raffinaderij worden gebracht. Daar kan van methanol met kleine aanpassingen aan het raffinageproces benzine worden gemaakt, MTG heet dat (Methanol to Gasoline).’

Dums pleit er daarnaast voor om de kwaliteit van brandstoffen te verbeteren: ‘Een betere kwaliteit brandstof heeft direct invloed op de luchtkwaliteit en de uitstoot. Ondanks elektrificatie, is er een grote behoefte aan CO2-verminderende brandstoffen.’

Biobrandstoffen

Een van de bedrijven die zich al jaren bezighouden met hernieuwbare brandstoffen is Neste: ‘Wij maken al sinds 1996 hernieuwbare HVO diesel, in 2023 zullen wij 4,5 Megaton hernieuwbare brandstof maken’, stelt M. Hultam van Neste. ‘In 2021 hebben we 10,9 Megaton CO2 bespaard door onze hernieuwbare brandstof. Dat is de uitstoot van 4,2 miljoen auto’s. Je moet rekenen dat een personenauto met diesel gemiddeld 140 g CO2/km maakt, een vergelijkbare elektrische auto met onze energiemix 120 gram per kilometer – extra uitstoot bij de productie meegerekend – en een personenauto die op HVO loopt 45 g/km. Belangrijk is ook dat onze HVO100 schoner verbrandt, met minder roetvorming. Er zitten ook geen kankerverwekkende aromaten in. Door schonere brandstoffen kunnen we dus ook voor een lagere lokale vervuiling zorgen’, aldus Hultam, die aangeeft dat de productie van biobrandstoffen ook een nieuwe fase in gaat. ‘We zijn bezig met hernieuwbare waterstof via algen en met ligno-cellulose – dat is afval van de land- en bosbouw – en met power to X (e-fuels).’

Techniek Tweecilinder lijnmotoren: Parallel of niet

Het doel van Neste is om in 2028 een standaard hernieuwbare benzine op de markt te brengen. Hultam: ‘In 2030 is meer dan 75 procent van de auto’s voorzien van een verbrandingsmotor, dus kunnen we met hernieuwbare brandstof heel veel CO2-uitstoot besparen. We hebben nu testen met een Volvo S60 en een Mercedes CLA 180 lopen, die hebben 15.000 kilometer probleemloos gereden, waarbij de emissies binnen Euro 6-normen bleven. De uitstoot zit daarbij ver onder de limieten, zowel qua CO, NOx als onverbrande koolwaterstoffen.’

Goed alternatief

Hernieuwbare e-fuels zijn nodig om de uitstoot van het rijdende wagenpark te verminderen en bieden een milieuvriendelijk alternatief voor elektrische auto’s en motorfietsen. De motorbranche gaat er van uit dat er ook na 2030/35 nog motorfietsen met verbrandingsmotoren verkocht mogen worden, maar daarvoor moeten overheden wel overtuigd worden dat hernieuwbare brandstoffen een goed alternatief zijn voor de EV.

Peter Aansorgh
Peter Aansorgh
In 1993 begon Peter zijn journalistieke loopbaan bij het motormagazine MOTO 73. Ruim tien jaar lang werkte hij bij dit blad als technisch redacteur en schreef er motortesten, algemene verhalen over motorrijden, bedrijfsreportages en technische verhalen. In 2004 besloot Peter voor zichzelf te beginnen en schrijft nu voor diverse auto- en motorbladen

Stay tuned

Schrijf je in voor onze nieuwsbrief en mis nooit het laatste nieuws! Onze nieuwsbrief wordt iedere week op dinsdag (bij veel nieuws) en donderdag verstuurd.


Gerelateerde artikelen