DOSSIER ‘Is er nog een toekomst voor de verbrandingsmotor?’

IS ER NOG EEN TOEKOMST VOOR DE VERBRANDINGSMOTOR?

Het lijkt een op het eerste zicht eenvoudige vraag, maar wie ze stelt opent de Doos van Pandora, waarin elke oplossing meteen een reeks nieuwe vragen doet rijzen. Om ons antwoord zo genuanceerd mogelijk te formuleren, contacteerde Automation Magazine een aantal experts die elk vanuit hun vakgebied analyseren hoe de toekomst inzake mobiliteit en energie eruit kan zien in ons land.

In de scheepvaart worden nieuwe schepen gebouwd voor een cyclus 40 jaar of langer. Foute keuzes kunnen hier dus zeer lang zware gevolgen hebben.

We starten met professor Joeri Van Mierlo, gevolgd door Koen Cornelissen, Tim Berckmoes en Roy Campe, om te eindigen met een dubbelinterview tussen Mark Pecqueur en Daan Moreels.

Wie eind de jaren ’80, begin jaren ‘90 milieubewust een personenwagen wilde aankopen, werd een dieselaandrijving aangeprezen boven een benzinemotor. Dat was op dat moment zo gek nog niet, want het betere rendement en lagere verbruik voor dezelfde cilinderinhoud zorgde op dat moment voor een iets lagere CO2 uitstoot. Wat was er dan de oorzaak van dan diesel begin deze eeuw plots de boeman werd? Het antwoord ligt in de andere stoffen die dieselmotoren uitstoten, zoals NOx (stikstofoxides) en fijn stof, die aanzienlijke risico’s inhouden voor de gezondheid. Die risico’s liggen aan de basis van een strenge wetgeving - de voor velen bekende Euro V - die er op zijn beurt voor zorgde dat er diverse processen werden uitgewerkt om de uitstoot te verminderen of na te behandelen.

Dat geldt ook voor andere motoren, zoals die in offroad machines. Fabrikanten hebben de afgelopen jaren enorme inspanningen gedaan om hun wagens en machines conform de uitstootnormen te laten werken. Er kwamen DPF deeltjesfilters, SCR systemen (Selective Catalytic Reduction- nabehandeling van rookgassen met een katalysator), DOC systemen (Diesel Oxidation Catalyst – oxidatie van hydrocarbon, carbonmonoxide en brandstof- en olieresten) en EGR systemen (Exhaust Gas Recirculation -terugvoeren van uitlaatgassen) onder de motorkap. Maar dat was blijkbaar niet voldoende en dat zorgt voor discussie.

Behoudsgezinden kruisen vandaag de degens met vooruitgangsoptimisten, ecologisten staan soms loodrecht tegenover de industrie. Centraal in de oplossing staat technologie, want laat ons het volgende niet vergeten: dat we überhaupt in staat zijn om over de mobiliteit van de toekomst te debatteren, is net omdat er zoveel alternatieven zijn. Die diversiteit komt ook aan bod in dit dossier, waarin we professoren, EV-specialisten, waterstofevangelisten, motorproducenten en technologiebedrijven aan het woord laten over deze centrale vraag: is er nog een toekomst weggelegd voor de verbrandingsmotor?

Wie ‘nee’ antwoordt op deze vraag, krijgt meteen de vraag naar het alternatief op zijn bord. Een 100% elektrische aandrijving als passe-partout oplossing? Dat kan in theorie voor veel toepassingen, maar zeker niet voor alle transportmiddelen. Zelfs bij de duidelijkste case ie in het voordeel van elektrische aandrijving pleit - personenwagens - rijzen er al meerdere vragen: kan ons elektriciteitsnet die elektrificatiegolf wel aan? Hoe evolueren de vandaag nog weinig democratische prijzen? En hoe kunnen we iedereen van een laadpaal dichtbij huis voorzien? En dan hebben we het nog niet over enkele hete hangijzers rond grondstoffengebruik gehad. Denk maar aan de schaarse permanentmagneten voor de e-motor, of de geopolitieke situatie rond de delving en verwerking van lithium voor de batterijen. Daar komt bovenop dat een elektrische aandrijving misschien prima is voor personenvervoer en licht transport, maar wat dan met vrachtvervoer? En laat staan, met vliegtuigen en containerschepen?

Is waterstof dan het alternatief? Ook hier rijzen meteen pertinente vragen. Willen (en kunnen) we een containerschip wel voorzien van een uit de kluiten gewassen waterstofinstallatie? Of kunnen we daar beter overstappen naar ammoniak of methanol? Bovendien is waterstofproductie pas duurzaam als de aanmaak ervan klimaatneutraal kan gebeuren, maar de infrastructuur staat nog in zijn kinderschoenen. Wie vandaag een schip bouwt, doet dat met een levensduur van 50 jaar in het achterhoofd. Een foute keuze zou dan wel eens een hele dure kunnen worden. De vraag ‘is er nog een toekomst voor de verbrandingsmotor’ is dan ook veel meer dan een technische vraag. Het is evengoed een financieel-sociaal- economisch vraagstuk waarbij de variabelen talrijk en het aantal antwoorden divers is.

De uitstoot van fossiele brandstoffen deed de wetgever besluiten om de verbrandingsmotor vaarwel te zeggen, ondanks de al geleverde inspanningen.

OVER ELEKTRISCHE VOERTUIGEN

Professor Dr. Ir. Joeri Van Mierlo (VUB): ‘Wanneer de verbrandingsmotor voor personenwagens exact zal verdwijnen is moeilijk in te schatten, want er spelen zoveel variabelen een rol. Denk maar aan het verschil dat het fiscaal beleid kan maken, of de invloed van de hoge elektriciteitsprijs vandaag. Europa heeft dat vraagstuk echter voor ons al deels opgelost: men wil in 2050 klimaatneutraal zijn. Als je weet dat een wagen gemaakt wordt om maximaal 15 jaar mee te gaan, dan zou je 2035 daarom als het eindpunt van de ICE (Internal Combustion Engine) kunnen beschouwen. De Europese commissie heeft ondertussen zijn termijnen daar inderdaad op afgestemd. De vraag is in hoeverre die 2035 effectief van belang zal zijn. Wie zal in 2030 nog een ICE-wagen durven kopen?’

‘Ik zie persoonlijk geen toekomst voor waterstof voor het personenvervoer. De reden is voor mij duidelijk: wie geen uitstoot wil, moet werken met groene waterstof. Om die te produceren met hernieuwbare energie zijn meerdere stappen nodig voor de omvorming. Je hebt daarvoor de infrastructuur en energie nodig om het op te slaan en te verdelen, ... dat zijn allemaal verliezen. Bovendien moet je het in de wagen terug omvormen naar elektrische energie. Dan is elektriciteit opwekken, opslaan in batterijen en vervolgens inzetten een pak efficiënter. Uit onderzoek blijkt dat je 3 keer zoveel windturbines nodig hebt om eenzelfde afstand af te leggen met een waterstofmotor in vergelijking met een elektrische motor. Of waterstof een rol zal spelen in het vrachtvervoer

De vraag naar het alternatief opent meerdere subvragen van praktische, economische en sociale aard. Kan iedereen zomaar elektrisch gaan rijden?

durf ik ook te betwijfelen. Niet elke vrachtwagen rijdt elke dag naar Zuid-Spanje, voor het lokale vervoer kunnen perfect elektrische vrachtwagens ingezet worden. En het lange transport? Ik geloof persoonlijk sterk in het modal split verhaal. Treintransport of binnenvaart is eigenlijk niks anders dan tientallen vrachtwagens na elkaar, maar dat vereist natuurlijk een compleet andere benadering van de weg- en waterinfrastructuur. Dat betekent niet dat ik geen enkele rol zie voor waterstof in de toekomst, met name voor de fluctuaties in de energie-opwekking, en dan vooral bij zonne-energie. Die energievorm heeft twee grote hinderpalen bij zijn opwekking. Als we ten eerste het dagverloop bekijken, dan is er een piek overdag en niks meer ’s avonds en ’s nachts. De technologie is vandaag al voorhanden om dat eerste probleem aan te pakken: er zijn thuisbatterijen en elektrische voertuigen kunnen vandaag beschikken over V2H of V2G, respectievelijk Vehicle to Home en Vehicle to Grid. Daarbij kan men tijdens momenten zonder zonne-energie beroep doen op de batterij van het voertuig. Zo kan dit dag/nacht probleem al letterlijk uitgevlakt worden.’

‘Het tweede probleem is gelijkaardig, maar op een iets ander niveau: in de zomer piekt de opbrengst, maar in de winter valt die enorm sterk terug. En daar zou waterstof een mooie inbreng kunnen hebben: in de zomer volop produceren en stockeren met de overschotten, en het in de winter gebruiken waar nodig. Maar er staat nog veel tussen droom en werkelijkheid. V2H of V2G is bijvoorbeeld al perfect mogelijk, maar de prijsincentives zijn nog niet optimaal. Ook de distributienetbeheerders staan voor een enorme opdracht om het net aan te passen, de transitieschrik zit er goed in. Daarnaast is er nog het vraagstuk van de laadpalen. In het Brussels Gewest kan slechts 11% van de bewoners laden op een eigen parkeerruimte. De rest is aangewezen op publieke laadinfrastructuur. De rol van de overheid zal daar zeer belangrijk zijn, al wordt zij geconfronteerd met 2 op het eerste zicht contrasterende tendensen: enerzijds wil men de komst van de EV faciliteren door de infrastructuur te voorzien, anderzijds wil men zoveel mogelijk mensen op het openbaar vervoer en de fiets krijgen. Voor mij kan je evenwel perfect op beide tendensen tegelijk inzetten.’

ELEKTRISCH: LOAD BALANCING EN/OF NET VERZWAREN?

De beheerders van onze elektrische infrastructuur staan dus voor een enorme opdracht. Dat is ook het aanvoelen van Koen Cornelissen. Hij is eMobility Leader voor België, Nederland, ME & Latijns-Amerika namens Schneider Electric.

‘Voor personenvervoer is de verbrandingsmotor sowieso een eindig verhaal. Ook hybride en waterstof lijken me terrein te verliezen op de full electric wagen. Dat zal uiteraard een grondige impact hebben op de elektrische infrastructuur, maar je moet het breder trekken dan louter het elektriciteitsnet, ook de installaties in gebouwen staan voor een zware uitdaging. Een laadpaal is weliswaar het meest in het oog springende onderdeel, maar wat daarachter zit van technologie is minstens even belangrijk: transformatoren, distributie, schakelborden, metering en noem maar op. In de toekomst zou tot 45% van het energieverbruik van een gebouw gelieerd kunnen zijn aan het laden van voertuigen. Wil je vandaag enkele laadpalen op de bedrijfsparking plaatsen? Dat is prima, maar denk zeker na over de nabije toekomst, want de kans is groot dat er in de nabije toekomst opnieuw uitbreiding vereist is. Schaalbaarheid en toekomstgericht denken is met andere woorden meer dan ooit aan de orde.’

‘Maar ook op het vlak van het distributienet is er werk aan de winkel. Vandaag zijn er zeker nog restricties bij de plaatsing van laadpalen. Als het om één of twee laders gaat zal het wel nog lukken, maar praat je over een site waar je pakweg 30 laders wil plaatsen, dan kan er wel een probleem rijzen. Dat heeft vooral met het benodigde laadvermogen te maken. Daar moet ik eerst even de laadmodi voor toelichten. Er zijn 4 vastgelegde laadwijzes waarmee EV-wagens geladen kunnen worden. Mode 1 is laden via een standaard stopcontact. Omwille van de grote stromen en het ontbreken van de nodige beveiliging en begrenzing is dit niet aan te raden en in vele landen zelfs compleet verboden. Aan het andere kant van het spectrum heb je mode 4. Dat is het zogenaamde snelladen via DC-stroom. Deze laadstations vind je voornamelijk langs de snelwegen en zijn louter bedoeld om je wagen in een zeer beperkte tijd weer bij te laden tot op een aanvaardbaar niveau. Die gewenste snelheid betekent evenwel dat deze laders laadvermogens nodig hebben die tot liefst 350 kW kunnen oplopen. Daarom is deze oplossing ook niet voor standaard woningen of kantoren geschikt. Blijft dus Mode 2 en 3 over. Bij Mode 2 wordt er net zoals bij Mode 1 opnieuw geladen via het standaard stopcontact, maar zit er een beveiliging in de laadkabel. Omwille van de opgelegde beperking tot 10 A, kan er in deze modus geladen worden met een vermogen van 2,3 kW. Maar als je weet dat een gemiddelde EV al gauw 17 kWh verbruikt per 100 kilometer, dan zie je meteen dat ook dit een moeilijk verhaal wordt. Mode 3 is daarom vandaag de standaard geworden. Afhankelijk van de netaansluiting kan hier met een vermogen van 3,7 tot 22 kW geladen worden.’

‘Als we even teruggaan naar het voorbeeld met 30 nieuwe laadpunten, dan zie je meteen wat het probleem is: een zeer zware extra belasting van het net als iedereen tegelijk laadt. Dan kan je 4 kanten uit: minder laadpunten plaatsen, maar dat is geen valabele piste. De tweede oplossing is de net- of gebouwaansluiting vergroten. De derde oplossing is om lokaal op te wekken, de vierde oplossing is de belasting beter te regelen. De maximale capaciteit van al je laders wordt dan geregeld in functie van de netaansluiting, of dynamisch via energiemeters. Optie 3 en 4 kunnen prima met elkaar gecombineerd worden. Als werknemers ’s morgens aankomen op kantoor, pluggen ze dan nog steeds zoals ze gewoon zijn hun wagen in, maar het regelsysteem zal het effectief laden dan pas starten als dat toelaatbaar is in functie van de belasting op dat moment. Als er gedurende de dag

meer energie beschikbaar is, zal meer vermogen beschikbaar worden voor het laden. Maar in sommige gevallen zal dit niet volstaan en moet het net effectief verzwaard worden. We zien overigens ook dat de maximaal mogelijke laadvermogens van de wagens steeds verder toenemen. De uitdagingen zullen dus niet afnemen.’

‘Voor V2H en V2G is er nog een zekere weg af te leggen.’ Dit is in de praktijk zeer complex omdat er een compleet ecosysteem rond de technologie moet gebouwd worden. De auto, de woning, het net en de communicatie moeten op elkaar afgestemd worden, de stromen moeten geregeld worden, de tarieven verrekend, ... echt alles moet op elkaar ingesteld zijn. Er is daar dus nog werk aan de winkel, op korte termijn zie ik eerder smart charging toegepast worden. Daarbij wordt automatisch geladen in functie van de energieprijzen en de beschikbaarheid op dat moment. Dat kan bovendien al op gebouwniveau toegepast worden.’

SCHEEPVAART: RICHTING AMMONIAK OF METHANOL?

Tim Berckmoes is CEO van ABC Motoren (Anglo Belgian Corporation). Zijn bedrijf produceert motoren voor 4 hoofddomeinen: locomotieven, generatoren, pompsets en schepen. Het bedrijf is een echte voorloper in de ontwikkeling van hoogwaardige motoren. Hoe kijken zij naar de huidige ontwikkelingen? ‘Wij antwoorden volmondig ‘ja’ op de vraag of er nog een toekomst is voor de verbrandingsmotor. Wij hebben vandaag een future-proof verbrandingsmotor op waterstof ontwikkeld met een goed rendement, die enkel waterdamp uitstoot. Er komt dus geen CO2, geen NOx noch andere partikels in de atmosfeer. We waren al een tijd geleden begonnen met stappen te zetten om de uitstoot te beperken. Zo zijn we enkele jaren geleden begonnen met de bouw van een dual fuel motor, die draait op de combinatie van diesel en waterstof. Gebruikers kunnen daarmee op waterstof werken, maar hebben toch altijd nog de zekerheid van een dieselmotor. De verhouding waterstof/diesel kan met deze oplossing al 85/15 zijn. Dat is met andere woorden al een enorme CO2 reductie, die bovendien zonder enige belemmering van de operationele werking kan plaatsvinden.’

‘Van daaruit hebben we een 100% waterstofmotor ontwikkeld die geen enkele pilootinjectie met diesel vereist. Alle onderdelen die nodig zijn voor het gebruik van diesel zijn hier niet meer aanwezig; geen injectoren, pompen, leidingen. De verschillen met een standaard verbrandingsmotor op diesel bevinden zich op diverse vlakken. Zo zijn de verbrandingskamer, nokkenas en zuiger aangepast en ook de turbospecificaties moesten we aanpassen omdat de zeer snelle voorontsteking meer luchtovermaat vraagt. Voor de eindgebruiker zijn er kleine wijzigingen in de operationele werking. Bij lastopname is de acceleratie iets trager, ook bij schokbelastingen reageert het geheel wat minder snel. Verder zijn er geen beperkingen. Dit systeem werkt vandaag al feilloos, al hebben de keuringsmaatschappijen nog wat

Voor de motoren in de grotere vermogensgebieden -zoals scheepvaart en locomotieven- is de zoektocht zo mogelijk nog uitdagender.

koudwatervrees. Dergelijke oplossing moeten we daarom nog altijd combineren met een back-upsysteem in de vorm van een dieselgenerator of batterijpack. Vandaag kan die motor al draaien op 100% waterstof. Als we die kunnen aanmaken zonder fossiele bronnen krijg je evengoed een klimaatneutrale oplossing. De exacte toepassing hangt sterk af van de sector.’

In de scheepvaart zal een 100% waterstofmotor evenwel niet overal toegepast worden, vooral omdat de opslag onder hoge druk niet evident is. Voor de containerschepen zie ik eerder een toekomst voor methanol of ammoniak als waterstofdrager. Dat kan je makkelijker stockeren en via die stoffen kan je dan waterstof aanmaken met CO2 als reststof. Als je die stof dan capteert krijg je opnieuw een emissieloze oplossing. We zien vandaag een lichte voorkeur voor methanol ten nadele van ammoniak, omdat die laatste 6 keer trager verbrandt. Het rendement is niet zo goed omdat je het proces alleen in zeer langzaam draaiende tweetaktmotoren kan laten verlopen. Bovendien ontsteekt ammoniak ook zeer moeilijk, waardoor je met een pilootinjectie of waterstofbijmenging moet werken. Tot slot geeft ammoniak ook een hogere NOx uitstoot, hier is een kwalitatieve nabehandeling van de uitlaatgassen vereist.

Wij zien daarom methanol eerder geschikt, toch wat de vermogensrange betreft waarin wij actief zijn (500kW - 10000 kW). Baggeraars als Jan De Nul en Deme denken in die richting en ook Maersk bestelde onlangs 8 schepen die op basis van methanol zullen aangedreven worden. Er zijn evenwel ook rederijen met containerschepen en tankers die opteren voor ammoniak. In beide gevallen zullen dat in eerste instantie eveneens dual fuel motoren zijn, in dit geval dus diesel/ methanol of diesel/ammoniak.’

‘In sleepboten, kleine ferries en binnenschepen zie ik zeker een toekomst voor de pure waterstofmotor, omdat zij aan wal frequent kunnen bijtanken. Het probleem met de opslag is daar ook niet aan de orde. Vandaag zien we al meerdere initiatieven om waterstof ter beschikking te stellen in havens, ik zie op dat vlak weinig problemen.’ ‘In de scheepvaart spreek je over toepassingen die voor 40 jaar en langer gebouwd worden. Vandaag een keuze maken voor oplossing A of B is met andere woorden riskant. Wij speelden daarop in met ons Evolve gamma, een multi-fuel uitvoering. Deze motor kan op 5 verschillende brandstof draaien: LNG, Diesel, zware fuel, methanol of waterstof. De basismotor blijft hetzelfde, enkel de injector moet aangepast worden in functie van de brandstof. We slaagden erin om een zeer goed rendement te realiseren. Klanten kunnen dankzij dit soort innovaties met een geruster hart de toekomst tegemoet zien.’

Tim Berckmoes (CEO ABC Motoren): ‘Diesel wordt bij ons als de baarlijke duivel omschreven wordt, maar enige nuance is op zijn plaats.’

MILIEU = VOORAL EEN EUROPEES VERHAAL?

‘We mogen niet vergeten dat wij vaak vanuit onze Europese ‘early-adapter’ bril kijken. In de Verenigde Staten en China speelt deze discussie bijvoorbeeld totaal niet! Wellicht omdat hun fossiele energiebronnen een pak goedkoper zijn. Ik denk dat Europa ook een kapitale fout maakt door de verbrandingsmotor volledig te verbieden.’

‘Diesel wordt bij ons als de baarlijke duivel omschreven, maar enige nuance is op zijn plaats. Op zich is dat een goed product: het is wereldwijd beschikbaar, relatief veilig, goedkoop en de energetische eigenschappen zijn prima. De motortechnologie is ondertussen zo ver doorontwikkeld -denk aan Euro 6 filters, ECR met Adblue, DPF filtering- dat een dieselmotor enkel en alleen CO2 uitstoot. Als je dat combineert met CO2 capture krijg je evengoed een emissieloze oplossing. De Volkswagenaffaire met gemanipuleerde software heeft de reputatie van diesel evenwel gekelderd.’

‘Of ik een toekomst zie voor de waterstofmotor voor personenwagens? Ja. Vandaag zijn er waterstofmotoren op de markt, maar zij werken op basis van een brandstofcel. Maar ook een gewone verbrandingsmotor in een uitvoering met waterstof bestaat dus al. Dat houdt meerdere voordelen in: de verbrandingsmotor op basis van waterstof is vooreerst 3 keer goedkoper dan een motor op basis van een fuel cell, bevat geen zeldzame aardmetalen, het is een bekende technologie waaraan garagisten makkelijk kunnen sleutelen - in tegenstelling tot fuel cells - en bovendien is de motor veel minder afhankelijk van de kwaliteit van de brandstof. Bij fuel cells is de minste verontreiniging rampzalig. Ik begrijp dus niet dat de Europese Commissie de verbrandingsmotor zomaar bij het huisvuil zet. Een emissieloze oplossing verplichten? Prima. Maar een technologie op voorhand uitsluiten? Dat vind ik onbegrijpelijk.’

BOUWMACHINES: ELEKTRISCH OF WATERSTOF?

Roy Campe is CTO van CMB.tech, een bedrijf dat voorloopt in de ontwikkeling van waterstoftoepassingen, onder meer in de scheepvaart en de bouwsector. Als we Roy Campe meedelen dat de centrale vraag van dit dossier ‘Is er nog een toekomst voor de verbrandingsmotor? luidt, stelt hij meteen een belangrijke kanttekening.

‘Niet de motor is het probleem van de verbrandingsmotor, wél de brandstof. De motoropbouw op zich is goedkoop, bestaat uit standaard metaal, is efficiënt en laat zich makkelijk recycleren. Het zou niet verstandig zijn om het kind met het badwater weg te gooien. We mogen deze kwestie ook niet verengen tot de sector van de automotive - waar de usecase voor de elektromotor gunstig is - want er zijn zoveel toepassingen die een specifieke benadering vragen. Ik denk uiteraard aan de wereld van de scheepvaart en de bouwsector. Machines worden hier gebouwd voor de lange termijn en dat maakt het niet makkelijk om de juiste technologische keuze te maken. ’

‘Bij CMB.tech opteerden we daarom voor een schaalbare oplossing, eveneens in de vorm van een ‘dual fuel’ verbrandingsmotor die werkt op diesel en waterstof. Een verbrandingsmotor zet druk en temperatuur om in mechanische energie. Hoe die druk en tempratuur geproduceerd wordt - via diesel, benzine, ammoniak, methanol,...- maakt voor de werking van de machine verder weinig uit. We wilden een oplossing creëren die voor de gebruiker weinig impact heeft, met afmetingen en een operationele werking die identiek zijn aan wat hij gewoon is. Door waterstof bij te mengen bij diesel kunnen we de uitstoot naar beneden halen, zonder noemenswaardige invloed op de werking.’

Een toepassing: graafkraan met dual fuel motor

‘We ontwikkelden samen met Hitachi-invoerder Luyckx een graafmachine met deze technologie, dat gebeurde op basis van de bestaande Isuzu dieselmotor in die machine. De aangepaste motor kan draaien op ofwel 100 procent diesel zoals een traditionele motor, of op een dieselwaterstofmengsel. Waterstof wordt daarbij ingespoten en vermengd met lucht tijdens de inlaatslag van de zuiger. Zoals bij alle dieselmotoren wordt de diesel ingespoten in het bovenste dode punt van de compressieslag en de compressiewarmte ontsteekt de gecombineerde brandstoffen.’ ‘Wij zijn overtuigd dat deze dual fuel technologie een grote rol zal spelen in het kader van de energietransitie, zonder grote omscholingen van technici én op een goedkope manier.

Ook bij bouwmachines is de shift volop aan de gang. Naast elektrificatie wordt ook naar waterstof gekeken als oplossing. Zo ontwikkelde Luyckx samen met CMB.Tech een dual fuel oplossing, waarbij waterstof bijgemengd wordt in de licht omgebouwde dieselmotor. De Evolve motor kan op 5 verschillende brandstoffen draaien: LNG, Diesel, zware fuel, methanol of waterstof. De basismotor blijft hetzelfde, enkel de injector moet aangepast worden in functie van de brandstof.

We kunnen met sommige motoren al meer dan 90% waterstof inmengen. De laatste stap is dan om de zware machines te laten werken op 100% H2 verbrandingsmotoren.’

Volgens Campe is er voor machinebestuurders weinig verschil te merken tussen een dual fuel machine en een traditionele diesel: ‘De kraanman heeft enkel een korte opleiding over de basis van waterstof en de machine nodig. De machine gedraagt zich voorts identiek als de originele dieselmachine, ook de prestaties en het vermogen blijven eveneens gelijk. Over het toedienen van waterstof hoeft de kraanman zich weinig zorgen te maken, want dit proces verloopt in principe automatisch.’

Roy Campe gaat er ook prat op dat ook de veiligheid geen probleem vormt. ‘Het H2 systeem wordt periodiek gecontroleerd, dit vereist een visuele inspectie en lektest. Het ‘groot onderhoud’ is slechts om de 5 jaar. Wij volgen voor land based machines de EC79 regels. Dit garandeert de kwaliteit van alle H₂ componenten, alsook de veiligheidsstrategie van het hele systeem. Het veiligheidssysteem zal de waterstofconcentratie in de lucht controleren en als de ingestelde drempel wordt bereikt, wordt het systeem veilig uitgeschakeld. Alle waterstofopslagtanks worden fysiek getest op een hogere druk dan die in werkelijk kan voorvallen. Ook moet elke productiebatch impacttesten en vuurproeven ondergaan.’

NAAR EEN 100% WATERSTOFMOTOR?

De overstap van een dual fuel oplossing richting een pure waterstofmotor lijkt dan de volgende logische stap. Wat mogen we daar verwachten?

‘Er is hier geen sprake meer van diesel, terwijl de nadelen van een fuel cell eveneens uitgevlakt worden. Omdat het werkingsprincipe bovendien gelijkaardig is aan dat van een traditionele verbrandingsmotor, is het systeem ook vertrouwd voor onderhoudspersoneel. Onder andere JCB en Deutz lanceerden recent initiatieven in die aard. Al blijft de werkwijze waarmee waterstof gewonnen wordt nog altijd de sleutel om effectief over een milieuverbetering te kunnen spreken. Eén ding is zeker: het worden boeiende jaren op aandrijfvlak.’

‘Ook voor de scheepvaart is het verhaal divers. Ik geef u het voorbeeld van een schip dat het onderhoud voor windparken voor zijn rekening neemt. Het typisch verloop van dit schip is als volgt: ’s morgens worden de technici ingescheept en gaat het aan hoge snelheid richting het park, want technici mogen maar een zekere tijd op zee werken. Na de shift vertrekt het schip weer aan hoge snelheid richting de kade. Wie dergelijk werkpatroon met een elektrische aandrijving zou willen realiseren zal zich snel realiseren dat er praktische bezwaren rijzen want wie dezelfde hoge snelheid wil halen, zal een enorm batterijpark moeten installeren. En wat als er plots niet vanuit Oostende maar uit IJmuiden moet gevaren worden? Of als er overdag niet kan bijgeladen worden?’

‘Overstappen naar waterstof via fuel cell is hier minder geschikt, want je moet een veelvoud van waterstof opslaan op dergelijk schip om deze flexibiliteit te voorzien. Je zou met andere woorden moeten overschakelen op grotere schepen met zwaardere motoren, maar dan verbruik je meer waterstof. Ook dat is dus geen goede oplossing. Voor dergelijke toepassingen is een dual fuel oplossing diesel/waterstof volgens ons beter geschikt. Voor de ‘long haul’ kiezen wij overigens ook voor een dual fuel oplossing, al gaat het hier om diesel en ammoniak.’ Waarom ammoniak en geen methanol?

‘Ammoniak is in tegensteling tot methanol een koolstofloze drager van waterstof die vandaag al wereldwijd ingezet wordt. Daarom opteert CMB voor ammoniak voor haar grote bulk- en containerschepen, al zie ik methanol voor bepaalde specifieke applicaties ook een rol spelen. Wijzelf beschouwen deze dual fuel motor niet als een tussenstop richting een complete aandrijving op waterstof, maar als een oplossing die ook op termijn zal blijven bestaan.’

Ontwikkelaar Roy Campe over deze oplossing: ‘Wij zijn overtuigd dat deze dual fuel technologie een grote rol zal spelen in het kader van de energietransitie, zonder grote omscholingen van technici én op een goedkope manier. We kunnen met sommige motoren al meer dan 90% waterstof inmengen. De laatste stap is dan om de zware machines te laten werken op 100% H2 verbrandingsmotoren.’

WAT NA DE VERBRANDINGSMOTOR?

De ene is één van de drijvende krachten achter E-motor specialist Magnax in Kortrijk, de ander verdiende als hydrogen-expert méér dan zijn sporen in de waterstofsector. Magnax cofounder Daan Moreels en auteur/docent Mark Pecqueur hebben elk vanuit hun vakgebied een boeiende visie op de toekomst van mobiliteit. Welke evoluties zien zij de bovenhand halen?

Automation Magazine: Laat ons maar met de deur in huis vallen: Zien jullie überhaupt nog een toekomst voor de verbrandingsmotor?

Magnax cofounder Daan Moreels: ‘Ik zie het zeer somber in voor die technologie want zowat voor alle types voertuigen hellen de ‘use cases’ duidelijk over in het voordeel van elektrificatie, van standaard personenwagens over bussen tot zelfs in de luchtvaart. Het aandrijven van een voertuig kan volgens mij het best met een eenvoudige en onderhoudsvriendelijke aandrijflijn op basis van één of meerdere elektromotoren in combinatie met batterijen en de bijhorende stuurelektronica. Ik zie de verbrandingsmotor enkel nog ‘overleven’ in zeer specifieke omstandigheden, bijvoorbeeld in afgelegen gebieden waar de infrastructuur voor elektrische voertuigen ontoereikend is. Ook in een hybridevorm zie ik ze wel nog een tijd overleven, omdat de energiedensiteit van de huidige batterijen nog te klein is. Maar in dat segment zal waterstof dan weer een grotere rol beginnen spelen. Het is tekenend dat alle voorspellingen over de evolutie van de verbrandingsmotor steeds weer ingehaald worden door de realiteit. Fabrikanten als Honda, Toyota en Nissan opteerden ooit voor de hybride benadering, omdat ze dachten dat dit een zekere periode de tussenstap zou vormen richting full electric. Vandaag moeten ze vaststellen dat het aandeel van de volledig elektrische voertuigen veel sneller aantrekt dan verwacht. Tegen het eind van dit decennium is meer dan 50% van de voertuigen volledig elektrisch.’

Mark Pecqueur – docent en auteur ‘RUN ON WATER, the

hydrogen way’: ’Verbrandingsmotoren hebben één groot voordeel: ze zijn enorm goedkoop. Dat is ook de reden waarom Toyota terug inzet op verbrandingsmotoren, maar dan met waterstof. De reden is duidelijk: een brandstofcel van 100 kW kost vandaag ongeveer 10.000 euro. Een verbrandingsmotor die 100 kW levert kost 750 euro. De kostprijs zal mijns inziens een zeer belangrijke factor worden in de snelheid van de evolutie.’

‘Maar ik twijfel er niet aan dat de aandrijflijn van de toekomst elektrisch zal zijn. Een aandrijflijn van een verbrandingsmotor - met zijn versnellingsbak en reductie op de achteras - is zelfs in feite niets anders dan de nabootsing van de karakteristieken van een elektromotor. De vraag rijst wel hoe die aandrijflijn exact opgebouwd zal worden. Ik kijk persoonlijk met grote belangstelling naar free piston verbrandingsmotoren. Die zijn opgebouwd rond een staaf, met aan beide zijden een zuiger en in het midden een magneet. Via verbranding beweegt de staaf heen en weer en wordt direct elektriciteit opgewekt.

Daan Moreels: ‘Het aandrijven van een voertuig kan volgens mij het best met een eenvoudige en onderhoudsvriendelijke aandrijflijn op basis van één of meerdere elektromotoren in combinatie met batterijen en de bijhorende stuurelektronica.’

Marc Pecqueur: ‘De komst van buitenlandse constructeurs zal de prijs van EV’s verder doen dalen.’

Mark Pecqueur: Er is hierbij geen smeerolie nodig, enkel koelmiddel. Stel nu dat de prijs van dit soort motoren of van de traditionele batterijen zo laag wordt dat de prijs lager wordt dan die van verbrandingsmotoren, dan zie ik geen enkele reden waarom deze technologieën de overhand niet zouden kunnen halen. Vandaag is er toch nog een grote prijskloof tussen de verbrandingsmotor en de elektromotor, dus ik ben er niet van overtuigd dat de evolutie zo snel zal gaan. Tenzij ideologische redenen daar een bepalende rol gaan spelen.’

AM: enkele jaren terug leek het alsof EV, hybride en waterstofwagens aan een nek-aan-nek race waren begonnen. Is de EV het pleit aan het winnen? Of lijkt dat maar zo?

Mark Pecqueur: ’Ik denk dat het nog te vroeg is om daar een uitspraak over te doen. Als ik zie dat Saudi-Arabië 46 miljard dollar investeert in hernieuwbare waterstof en in Zeebrugge vloeibare hernieuwbare waterstof wil produceren aan 2,5 euro per kilogram, dan is waterstof zeker niet afgeschreven. De goedkoopste zal uiteindelijk het pleit winnen.’

Daan Moreels: ‘Ik zie vooral in de luchtvaart veel potentieel voor waterstof. Daar zijn batterijen veel minder een optie. Voor gezinnen met zonnepanelen is elektrisch sowieso de beste optie.’

Mark Pecqueur: ’Een Boeing 747 die van Parijs naar New York vliegt verbruikt 130.000 liter of 110 ton kerosine. Om hetzelfde traject met waterstof af te leggen is slechts 1/3de van dat gewicht nodig. De toekomst van luchtvaart is waterstof, punt aan de lijn. In de scheepvaart zie ik het niet overal doorbreken. Voor kortere, vaste trajecten zoals ferries zie ik geen probleem, maar voor de long haul shipping zie ik het minder rooskleurig in omwille van de veiligheid. Ik zie in die sector eerder vloeibare methanol als brandstof het pleit winnen, dat ook met waterstof kan aangemaakt worden. Er is nog een lange weg te gaan voor we echt hernieuwbare waterstof kunnen produceren, toch zeker in ons land. Het is ook een kwestie van efficiëntie en ruimte. We zullen willens nillens afhankelijk zijn van het buitenland voor onze energie-import. Kijk naar een zonnepaneel: in ons land levert een installatie per 1000 Wattpiek ongeveer 850 kWh op per jaar. In Spanje is dat anderhalf keer zoveel. Dan weet je het wel.’

AM: welk type auto zou u aanraden aan iemand die nu een auto moet kopen, geen zonnepanelen heeft liggen en niet werkt in een firma met laadpalen op de parking?

Mark Pecqueur: ‘Als je je wagen in de buurt kan opladen aan een openbare laadpaal en aan een aanvaardbare prijs, dan is elektrisch zeker een optie. Ook wie een eigen oprit heeft en een degelijk energiecontract - wat vandaag misschien wat moeilijker ligt - kan zeker een eigen laadpaal overwegen. Maar we moeten ook onze eigen gewoontes in vraag durven stellen. We vergelijken ons laadpalenbeleid wel eens met Amsterdam, maar dat is volkomen onterecht. Een Belg is al decennia lang gewoon om zijn wagen aan de eigen voordeur te parkeren. In Amsterdam is dat nog nooit de gewoonte geweest: iedereen parkeert er al sinds mensheugenis op grote parkings in zijn buurt. Dààr hebben ze nu die duizenden laadpalen geplaatst. Bij ons is die werkwijze onmogelijk, omdat we simpelweg dat opzet niet kennen. Het is dus vooral zaak van beleid, stedenbouw en het aanpassen van gewoontes.’

‘Voorts zal de komst van buitenlandse constructeurs de prijs van EV’s verder doen dalen. Nu is er een probleem in het laagste segment van de verbrandingsmotoren, tussen pakweg 10.000 en 20.000 euro: bij de verbrandingsmotoren is het aanbod daar ferm geslonken, terwijl EV’s van dezelfde klasse nog te duur zijn. Daar ligt een enorm onbenut

Deze autoconstructeur werkt met verwisselbare batterijen. Nadert de wagen zijn maximale actieradius, dan rijdt de bestuurder naar een wisselstation. Daar wordt volautomatisch een volgeladen batterij in de wagen geplaatst.

Volgens de constructeur leidt dit tot minder gewicht, minder stroomverbruik en minder verliezen, wat hem uitermate geschikt maakt voor elektrische voertuigen.

marktpotentieel, waar Chinese constructeurs momenteel wél veel interesse in hebben. Ofwel moeten Europese constructeurs nu in dat gat springen, ofwel zullen deze Chinese autobouwers dat segment overnemen. Dat brengt ons overigens naadloos tot een volgend probleem: het quasimonopolie van China op de zeldzame aardmetalen -lithium voorop - die in de batterijen ingezet worden. Die markt hebben we volledig weggegeven.’

AM: Kan die strategische blunder nog worden rechtgezet?

Daan Moreels: ’Er werden wel stappen gezet, maar dat is een werk van heel lange adem. Er is op zich wel lithium genoeg, maar het purificatieproces is zo specifiek... Ik denk dat we daar 30 jaar achterstand hebben op China.’

Mark Pecqueur: ’Ik betwijfel zelfs of die inhaaloperatie ooit zal lukken. We moeten daarom inspelen op onze eigen sterktes. Inzetten op recyclage en hergebruik van zeldzame metalen bijvoorbeeld. Een batterij die hier binnenkomt, moet hier in de economische cirkel worden gehouden.’

AM: Bij BMW gaan ze ervan uit dat de helft van hun verkoop tegen 2030 uit full EV zal bestaan. Is dat realistisch?

Daan Moreels: ‘Zeker. Al denk ik dat de traditionele constructeurs zich wat mispakken aan de troeven van Tesla. Velen gaan er van uit dat hun aandeel in deze markt snel zal groeien eens ze de achterstand op Tesla ingehaald hebben, maar dat zie ik persoonlijk nog niet zo snel gebeuren. Het is niet alleen een kwestie van er geld tegenaan houden, maar ook van de achterliggende processen. Denk aan een veel grotere focus op software. Dat vereist een enorme omslag in de bedrijfscultuur. Bij de mastodonten zie ik dat veel trager verlopen dan ze zelf inschatten.’

AM: Adepten van de verbrandingsmotoren schermen met biobrandstoffen als alternatief. Is dat een valabele piste? Mark Pecqueur: ’Daar moeten we toch enkele kanttekeningen bij zetten. Er is momenteel veel te doen over HVO (Hydrotreated Vegetable Oil), maar het leeuwendeel daarvan is palmolie. Om die te produceren is er dan weer een risico dat men de biotopen van dieren verstoord, waar dan protest tegen komt. We moeten daarom altijd de totale milieu-impact in het oog houden. Komt de oplossing uit afvalstromen, dan is er geen probleem. Maar ik zie eerlijk gezegd niet in hoe men dan kan voldoen aan de wereldwijde vraag. Ik zie persoonlijk meer brood in e-fuels waarbij men via waterstof en CO2 uit de lucht brandstof aanmaakt, maar dat zal ook enkel in een transitiefase zijn. Veel hangt af van hoe snel men de klimaatproblematiek aanpakt. Daar komt nog bovenop dat het moeilijk zal zijn om investeerders te vinden voor een technologie die op termijn sowieso eindig is.’

AM: Wat is voor jullie de belangrijkste evolutie geweest rond mobiliteit in de afgelopen 10 jaar?

Daan Moreels: ’De vooruitziendheid van Elon Musk. Hij werd vaak weggezet als een halve gare, maar nu zie je dat autoconstructeurs - soms in een blinde paniek - zijn technologie en werkwijze willen installeren.’

Mark Pecqueur: ’Mij heeft vooral de snelle komst van autonome technologie verbaasd. In 2009 ben ik dit thema beginnen volgen, maar toen stelde dat nog niks voor. Nauwelijks 6 jaar later kondigde Mercedes aan dat ze in 2025 een autonome truck op de markt zouden brengen, om dan vorig jaar al doodleuk te melden dat ze al klaar zijn. Ongelooflijk hoe snel technologie evolueert en ongetwijfeld een enorme impact zal hebben op mobiliteit.’

www.magnax.com www.markpecqueur.com

De oplossing van Magnax is gebaseerd op de yokeless axiale flux technologie

MAGNAX: KRACHTPATSER MET BEPERKTE INBOUWMAAT

Bij een klassieke elektromotor wordt gewerkt met een radiale flux: de flux wordt in deze opbouw loodrecht op de rotatie-as opgewekt. Magnax ontwikkelde een ‘yokeless’ topologie met een flux die niet radiaal, maar axiaal opgewekt wordt. In een axiale fluxmotor zonder yoke loopt de flux van de statorvertanding naar de magneten en zo verder naar de volgende statorvertanding. Voordelen van dit ontwerp zijn de mogelijkheid om de flux te laten interageren met de twee sets magneten, waardoor de vermogensdichtheid van het ontwerp aanzienlijk toeneemt: dat uit zich in voordelen als minder gewicht, minder stroomverbruik en minder verliezen.

Daan Moreels: ‘Momenteel zitten we nog volop in de technologie- en productontwikkelingsfase. In de techniekontwikkeling - op het niveau van de motor - hebben we al zeer belangrijke stappen gezet en vandaag komt ook de productontwikkeling - de aandrijflijn - volop op gang. Dat laatste doen we in samenwerking met onze klanten. Het is niet de bedoeling dat wij een productiebedrijf worden, we zijn een puur R&D bedrijf. De technologie wordt door autoconstructeurs gesmaakt, Mercedes nam vorig jaar bijvoorbeeld nog een concurrent over van ons. Wij zijn ervan overtuigd dat een groot deel van de radiale flux motoren vervangen kan worden door onze technologie. De redenen zijn meervoudig: door de grotere densiteit hebben we 2 tot 4 keer minder materiaal - ijzer, magneten, koper - nodig voor een zelfde vermogen. Bovendien is de efficiëntie ook groter omdat de ijzerverliezen minder groot zijn.’

‘Daar komt voorts nog de compactheid bovenop. In elektrische voertuigen is dat een enorm voordeel. Maar de technologie heeft ook enkele uitdagingen, waardoor het niet voor alle toepassingen geschikt is. We hebben een zekere diameter nodig om de magnetische voordelen te bereiken. Ook qua maximale rotatiesnelheid zijn de radiale flux uitvoeringen in het voordeel. Voor kleinere toepassingen zoals twee- of driewielers zijn wij daarom minder geschikt. Ik sluit overigens niet uit dat onze technologie ook in compleet andere sectoren toegepast kan worden. We zijn al gestart met luchtvaart, maar er zijn zeker nog andere toepassingen. Overal waar gewicht, efficiëntie en compactheid van belang zijn kan de axiale flux motor een mooi verhaal schrijven.’

Waarom geen magneetvrije motoren? ‘We kijken met belangstelling naar andere technieken. Magneetvrije motoren hebben uiteraard het voordeel dat ze geen zeldzame aardmetalen nodig hebben, maar volgens mij moet je het complete plaatje bekijken. Omdat je hier je koppel niet ‘gratis’ via permanentmagneet maar via een andere weg opwekt, heeft dit een negatieve invloed op de efficiëntie. Op het einde van de rit moet je dus een grotere batterij gebruiken om eenzelfde range te realiseren. De motor is misschien goedkoper, maar de batterij duurder.‘

www.magnax.com