Natuurlijk zijn hybride auto’s al niet verkeerd: door het gebruik van twee type motoren zijn ze een stuk zuiniger en dus beter voor het milieu en je portemonnee. Helaas is de aanschafprijs vaak hoog. Daar merk je nu nog weinig van, omdat de overheid deze wagens flink stimuleert. Maar wat als dat ophoudt? Koos van Berkel, promovendus aan de Technische Universiteit Eindhoven, werkt aan een oplossing. Hij wil een hybride auto ontwikkelen die gebruikmaakt van een vliegwiel in plaats van een batterij. Hierdoor is de auto zuinig én niet duur.
Gunstige verhouding
“Tot nu toe hebben onderzoekers zich vooral gericht op het ontwikkelen van auto’s die zo weinig mogelijk brandstof verbruiken”, vertelt Van Berkel. “Wij kijken daarentegen naar de verhouding tussen prijs en besparing. Die willen we zo gunstig mogelijk maken.” Van Berkel werkt in zijn onderzoek nauw samen met DTI, een onderzoeksinstelling gericht op betaalbare zuinige autosystemen. Zij namen het initiatief voor de mecHybrid.
De eerste stap was te bepalen waar de hoge prijs bij gangbare hybride auto’s vandaan komt. “De bottleneck bleek de batterij, die is verreweg het duurst.” De batterij moest er dus uit en Van Berkel verving die door een vliegwiel. Dat is een zware ronde schijf die kinetisch energie kan opslaan: eerst maak je hem aan het draaien (je laadt hem als het ware op) en als je daarmee stopt, blijft de schijf draaien en kun je die bewegingsenergie benutten.
Vliegwiel
In dit filmpje heeft iemand een gewicht op een computerventilator gemonteerd. De ventilator gaat draaien als hij van stroom wordt voorzien en de schijf draait mee. Als de stroom er na een tijdje weer af gaat, blijft de schijf in beweging. Die beweging levert stroom op, waardoor de zaklamp gaat schijnen.
Van Berkel: “Een vliegwiel heeft verschillende voordelen. Ten eerste is hij dus goedkoper dan een batterij, maar hij is ook efficiënter. Je hoeft kinetische energie niet om te zetten naar chemische energie (voor in de batterij) en weer terug. Omdat ons vliegwiel op hoge toeren draait (tot zo’n dertig duizend) valt zijn gewicht van tien kilo ook erg mee. Bovendien kun je meer vermogen bereiken.” Het vliegwiel bevat tenslotte energie die je kunt inzetten bovenop de energie uit je verbrandingsmotor. In de Formule 1 maken sommige fabrikanten al gebruik van dit principe. Een zogeheten kinetic energy recovery system (KERS) vangt energie op bij het remmen en geeft het weer af bij het optrekken.
Omstandigheden
Het concept is dus niet nieuw. “Vooral in de jaren tachtig en negentig was het een populair onderzoeksthema, maar de techniek was toen nog niet ver genoeg ontwikkeld om het betaalbaar te houden”, aldus Van Berkel. Het probleem zat hem met name in de overbrenging. Bij de meeste auto’s wordt de energie van de motor via een handmatige versnellingsbak overgebracht naar de wielen (zie illustratie hieronder).
De versnellingsbak zorgt ervoor dat de draaisnelheid van de motor en de wielen op elkaar aansluiten. “Maar als je een extra vliegwiel in je auto hebt, kunnen de wielen ook daarmee aangedreven worden”, legt Van Berkel uit. “De verhouding tussen de draaisnelheden van het vliegwiel en het voertuig zullen echter niet constant blijven: om vermogen te leveren toert het vliegwiel af, terwijl het voertuig op snelheid blijft en misschien wel versnelt. Dit vraagt om een versnellingsbak die ‘vloeiend’ kan schakelen.” En zo’n versnellingsbak, een zogeheten continuously variable transmission (CVT), is nu pas op grote schaal beschikbaar.
Op drie manieren
De mecHybrid is gebaseerd op een systeem met CVT. “We hebben een module ontwikkeld die tussen de motor en de CVT in komt. Die module, plus wat kleine aanpassingen in de auto, kosten de producent in totaal zo’n 440 euro. De consument zal dan ongeveer duizend euro kwijt zijn; dat is een kleinere meerprijs dan bij een elektrische hybride auto. Die besparen wel iets meer brandstof, maar de mecHybrid is sneller terugverdiend,” aldus Van Berkel.
De mecHybrid bespaart op verschillende manier brandstof. “Allereerst kun je de energie die vrijkomt bij het remmen benutten. Normaal gesproken ‘verdwijnt’ die als warmte, maar met een vliegwiel kun je de energie opslaan en later gebruiken. Dit heet brake energy recuperation”, zegt Van Berkel. “Doordat je energie opslaat, kun je de motor gemakkelijker uitzetten als je even stilstaat: je kunt met het vliegwiel weer wegrijden, en wanneer het vliegwiel bijna leeg is, start deze de motor. Dat is de tweede manier van brandstof besparen.”
CVT-valley
De CVT zoals die tegenwoordig in massa wordt geproduceerd, stamt af van de variomatic van DAF, een van oorsprong Eindhovens bedrijf. Sindsdien heeft er in die regio veel ontwikkeling plaatsgevonden, wat blijkt uit de activiteiten van bedrijven als Bosch (Tilburg), Punch Powertrain (Sint Truiden), Gear Chain Industrial (Eindhoven) en DTI (Eindhoven). Vandaar dat Jatco (marktleider in CVTs) deze regio ook wel de ‘CVT-valley’ noemt.
“Tot slot kan de motor juist het vliegwiel opladen tijdens het rijden”, zegt Van Berkel. Die optie lijkt tegenstrijdig; het vliegwiel is er toch juist om energie te besparen? "Dat doe je ook. Het heeft te maken met de verbranding in de motor, die is niet altijd even efficiënt. Als je accelereert, is de verbrandingsmotor efficiënt en kun je hiermee ook het vliegwiel efficiënt opladen. Als je langzaam rijdt, is de verbrandingsmotor inefficiënt; dan kun je deze het beste uitzetten en de auto met het vliegwiel aandrijven.
Regelen
Wanneer je wat doet met het vliegwiel – opladen, ontladen of niets – is niet vanzelfsprekend. Van Berkel: “Er zijn in principe drie rijopties: (1) je rijdt op energie van het vliegwiel, (2) het vliegwiel wordt opgeladen tijdens het rijden en (3) het vliegwiel is losgekoppeld en je rijdt alleen op de motor. Wanneer doe je het een en wanneer het ander?” Het bedenken van de meest efficiënte strategie heet energy management en daar komt veel rekenwerk bij kijken.
Van Berkel gebruikte dynamic programming voor het optimalisatieprobleem. Dat houdt in dat je het probleem opdeelt in kleinere problemen, die je op hun beurt ook weer opdeelt, totdat je problemen overhoudt die relatief makkelijk op te lossen zijn. Hieronder zie je een voorbeeld van de strategie waar Van Berkel op uitkwam.
Maar met alleen de juiste strategie ben je er nog niet, want wat betekent ‘nu overgaan op modus F+E’? Er moet dan van alles in de auto gebeuren. “Drive train control (DTC) houdt zich bezig met deze tweede stap: het uitvoeren van de energy managament door de verschillende componenten, zoals de CVT, motor en koppelingen, zo goed mogelijk aan te sturen”, zegt Van Berkel. “DTC zorgt er bijvoorbeeld voor dat wanneer je wegrijdt op het vliegwiel, het sluiten van de koppeling en het schakelen van de CVT naadloos op elkaar aansluiten, zodat het vliegwiel zonder schokken een constant vermogen levert. Dit moet onder allerlei omstandigheden goed gaan, want het moet wel comfortabel blijven voor de bestuurder.”
Op de weg
In de werkplaats van TU/e staat al een werkende proefopstelling om de DTC te testen. Voor het meten van de uiteindelijke brandstofbesparing is een demonstratievoertuig nodig. Simulaties laten echter al zien dat een brandstofbesparing van dertig procent mogelijk is. “Maar dat hangt erg af van de rijstijl,” benadrukt Van Berkel. “Op de snelweg is de verbrandingsmotor bijvoorbeeld heel efficiënt en hoeft het vliegwiel niets te doen. In de stad kun je er wel veel profijt van hebben.”
Toch richt Van Berkel zich niet speciaal op stadsvoertuigen die vaak remmen en optrekken, zoals taxi’s, bussen of vuilniswagens. “We willen een zo breed mogelijke markt aanspreken, dus we kijken in principe naar personenwagens. En China is dan een opkomende markt waar dit concept goed kan werken.” China ligt ook voor de hand omdat Punch Powertrain, een van de onderzoekspartners en producent van CVTs, een fabriek in China heeft.
De mecHybrid is op symposia al goed ontvangen en ook vanuit de markt is er interesse. Van Berkel: “We werken nu aan een proof of concept, een bewijs dat het systeem werkt. Eind 2013 willen we dat gereed hebben.”
Van Berkel werkt in de Control System Technology group van de faculteit Werktuigbouwkunde aan de TU/e. Vanuit het bedrijfsleven zijn naast Punch Powertrain en DTI ook CCM, Bosch en SKF betrokken bij het onderzoek.
Zie ook:
- Kennislinkdossier ‘Energieopwekking’
- Hybride auto, duurzame brandstof (Kennislink, aug. 2010)
- ‘Elektrisch rijden: schoon en slim’ (Kennislink, feb. 2011)
Lees meer over duurzame energie en autotechniek op Kennislink:
Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/duurzame-energie/autotechniek/index.atom?m=of", “max”=>"8", “detail”=>"minder"}